TW202006314A

TW202006314A - 自動化設備之位移量測機構

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Publication number: TW202006314A
Application number: TW107123791A
Authority: TW
Inventors: 黃懿華
Original assignee: 英屬維京群島商詮優科技有限公司
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2020-02-01
Also published as: TWI666421B; EP3594632A1; US20200018595A1; JP2020008554A

Abstract

一種自動化設備之位移量測機構，自動化設備至少具一機座、至少一沿一工作軸線平行於機座的荷重線性滑軌、一平行於荷重線性滑軌的驅動單元及一與荷重線性滑軌及驅動單元連結的滑台，該驅動單元藉一滑座與滑台連接。該位移量測機構包含一刻度尺，安置在機座上且平行於工作軸線。一非荷重線性滑軌，安置於機座上，該刻度尺安置在該非荷重線性滑軌上。一線性滑座，連結於該滑台。一讀頭，連結於線性滑座且對應於刻度尺。將刻度尺靠近於工作軸線的安置方式，除安裝簡易之外，也不受既有線性滑軌產品的尺寸之限制，更有利於量產化，以降低成本。

Description

自動化設備之位移量測機構

本創作是有關於一種位移量測裝置，特別是有關於一種拆裝簡易方便，且量測精確度高、成本低的自動化設備之位移量測機構。

線性編碼器，包含有光學編碼器(Linear Encoder)、磁性編碼器(Magnetic encoder)、雷射編碼器(Laser Encoder)等，一般通稱為光學尺，光學尺是一種融合了機電原理的光學裝置，主要用來監視自動化設備中操作機構的運動狀態，並測得其行進距離，讓自動化設備能如期完成預設的操作動作。

由於光學尺在自動化控制設備(如工具機)中，能有效降低滾珠螺桿熱膨脹所造成的定位誤差，以增加加工精度、提升工件品質，所以已成為主要的位置量測裝置之一，而現有的光學尺依照安裝方式而言，主要可分為外加式與內建式兩種。

如第6圖所示，即為一種現有外加式的光學尺，這種光學尺是1安裝在工具機的一荷重線性滑軌2一側，令光學尺1的尺身與荷重線性滑軌2平行設置，並在一荷重滑座3上安裝一讀頭4，讓讀頭4接近並對應於光學尺1，當該讀頭4受動於該荷重滑座3而相對於該光學尺1作位移，進而能取得位移數據。

但這種外加式的光學尺1，不但怕油污(判讀失真)，而且還容易因外力撞擊而損壞，更麻煩的是，基於光學尺1必須和荷重線性滑軌2 保持平行度的要求，加上荷重線性滑軌2周側通常僅留有狹窄的組裝空間，這造成了光學尺1在安裝上的困難，假設所面對的機具其負載平台屬於較長移動行程者(如龍門型銑床)，所組配的光學尺的有效量程也必須更長，如此一來，組裝人員除了需面對組裝空間狹窄的問題之外，在進行人工校正光學尺1和荷重線性滑軌2的平行度時，更是一大挑戰，並徒增人工校正的困難度。

然而，為克服如前述外加式光學尺1，其人工校正困難的安裝問題，如第7圖所示，另一種內建式的磁性尺5，則藉助於工具機其荷重線性滑軌2平行於工具機的工作軸線而設，所以直接將磁性尺5安裝在荷重線性滑軌2兩側的滑槽6上，校正上較光學尺來得容易，但是，一般通用的荷重線性滑軌2其滑槽6高度有限，約僅60mm左右，安裝空間相當窄小，而且，因磁性尺5的解析度低於光學尺的解析度，所以越小尺寸的磁性尺其解析度則越低，礙於量測精確度的使用需求，內建式的磁性尺5並不利於安裝小型的磁性尺(如35mm以下小尺寸的磁性尺)，否則精度不高，另外，磁性尺5的價格昂貴，使用越大尺寸的磁性尺，將使成本大為增加。

綜上，外加式光學尺1其人工校正困難，且安置在荷重線性滑軌2外部，不但怕油污，且抗振力很弱，容易損壞，而內建式的磁性尺5雖較不怕油污，但價格昂貴，抗振力也很弱，因此，不論是外加式的光學尺1或是內建式的磁性尺5，其共通的問題在於，抗振力弱，且容易遭外力撞擊而損壞，一但有損壞問題，很難拆卸下來，甚至於根本不能拆，除非將整個機台組件全部拆卸，故維修相當困難。

另外，因內建式磁性尺之量測精度有限的使用問題，如第8圖所示，所以亦有業者在該荷重線性滑軌2的滑槽6兩側各安裝一只磁性尺5、7，一只是增量式(incremental)的磁性尺5，另一只是絕對式(absolute)的磁性尺7，如此一來，不但增加使用成本，量測誤差之改善也很有限，而且在左、右滑槽6上各安裝一只磁性尺5、7，不論在安裝、拆裝上，都困難許多。

本創作的自動化設備之位移量測機構，將在靠近於工作軸線處裝設刻度尺，不但組裝容易，更有利於拆卸之方便性。

本創作的自動化設備之位移量測機構，因為在靠近於工作軸線處裝設刻度尺，所以刻度尺也不受尺寸之限制，有利於刻度尺大量生產之優點，以降低製造及使用成本。

本創作的自動化設備之位移量測機構，由於刻度尺的安裝位置位於自動化設備的工作軸線(加工點)上，兩者相重合而位於同一直線，工作誤差極為微小，更可獲得最高的加工精確度。

因此，本創作所提出之一種自動化設備之位移量測機構，該自動化設備至少具有一機座、至少一沿著一工作軸線平行安置在該機座上的荷重線性滑軌、一與該荷重線性滑軌平行設置的驅動單元，及一與該荷重線性滑軌及該驅動單元連結的滑台，該驅動單元桿藉一滑座與該滑台連接，該位移量測機構包含有：一刻度尺，安置在該機座上，且平行於該工作軸線。一非荷重的線性滑軌，安置於該機座上，該刻度尺安置在該非荷重的線性滑軌上。一線性滑座，連結於該滑台。一讀頭，連結於該線性滑座，並且對應於該刻度尺。

依照本創作上述之自動化設備之位移量測機構，其中，更包含一固定架，該線性滑座固定於該滑座上，該固定架安置在該線性滑座上，且靠近於該驅動單元，該讀頭安置於該固定架上，藉由該滑座驅動該線性滑座並同步帶動該固定架之位移進而連動該讀頭，致使該讀頭相對於該刻度尺作位移，進而取得位移數據。

依照本創作上述之自動化設備之位移量測機構，其中，該刻度尺靠近於該驅動單元，且鄰近於該工作軸線。

依照本創作上述之自動化設備之位移量測機構，其中，該刻度尺的安裝位置是軸對於該自動化設備的工作軸線。

依照本創作上述之自動化設備之位移量測機構，其中，該機座更設有一基準平台，該基準平台平行於該荷重線性滑軌，該非荷重的線性滑軌倚靠在該基準平台上，以使該非荷重的線性滑軌與該荷重線性滑軌平行設置。

依照本創作上述之自動化設備之位移量測機構，其中，該刻度尺與該讀頭組成一線性編碼器，該線性編碼器為磁性編碼器、光學編碼器、雷射編碼器中的任一個。

依照本創作上述之自動化設備之位移量測機構，其中，該驅動單元為滾珠螺桿、尺條及齒輪、線性馬達之任一個。

本創作之另一種自動化設備之位移量測機構，該自動化設備至少具有一機座、至少一沿著一工作軸線平行安置在該機座上的荷重線性滑軌、一與該荷重線性滑軌平行設置的驅動單元，及一與該荷重線性滑軌及該驅動單元連結的滑台，該驅動單元藉一滑座與該滑台連接，該位移量測機構包含有：一刻度尺，安置在該滑台上，且平行於該工作軸線。一非荷重的線性滑軌，安置於該滑台上，該刻度尺安置在該非荷重的線性滑軌上。一線性滑座，連結於該機座。一讀頭，連結於該線性滑座，並且對應於該刻度尺。

依照本創作上述之自動化設備之位移量測機構，其中，更包含一固定架，該固定架安置在該線性滑座上，且靠近於該驅動單元，該讀頭安置在該固定架上，靠近並對應於該刻度尺。

據上所述，相較於現有光學尺的平行度安裝不易，現有內建式磁性尺不利於工具機整體製造設計，以及兩者都難以拆卸維修等問題。本創作的自動化設備之位移量測機構中，將刻度尺靠近於該工作軸線的安裝方式，除具有拆裝簡易之外，也不受尺寸之限制，而且，還有利於刻度尺大量生產之優點，以降低成本。此外，再透過非荷重線性滑軌的設置，使該刻度尺在安裝上更加便利，並與該工作軸線(加工路徑)恆保平行，以確保位移量測的精確度，更有效減低工作誤差。

本案：

10‧‧‧機座

11‧‧‧基準平台

20‧‧‧線性滑軌

21‧‧‧滑座

30‧‧‧驅動單元

31‧‧‧滑座

40‧‧‧滑台

50‧‧‧位移量測機構

51‧‧‧刻度尺

52‧‧‧讀頭

53‧‧‧非荷重線性滑軌

531‧‧‧軌道

54‧‧‧線性滑座

541‧‧‧鎖點

55‧‧‧固定架

60‧‧‧加工刀具

61‧‧‧工件

70‧‧‧固定架

80‧‧‧旋轉軸承

81‧‧‧內圈

82‧‧‧外圈

90‧‧‧加工刀具

100‧‧‧自動化設備

L‧‧‧工作軸線

A‧‧‧加工點

S‧‧‧距離

先前技術：

1‧‧‧荷重線性滑軌

2‧‧‧滑軌

3‧‧‧光學尺

4‧‧‧荷重滑座

5‧‧‧讀頭

6‧‧‧磁性尺

7‧‧‧滑槽

8‧‧‧磁性尺

第1圖為本創作自動化設備之位移量測機構第一較佳實施例的組合圖。

第2圖為該讀頭藉由該固定架安置在線性滑座上的示意圖。

第3圖為相類似於第1圖的視圖，是說明該位移量測機構安裝在稍偏離工作軸線上。

第4圖為本創作自動化設備之位移量測機構第二較佳實施例的組合圖。

第5圖為該位移量測機構運用於一旋轉軸承上的示意圖。

第6圖為現有的光學尺安裝於荷重線性滑軌上的示意圖。

第7圖為現有的磁性尺與荷重線性滑軌的平面圖。

第8圖為現有兩個磁性尺安裝於荷重線性滑軌兩側的示意圖。

參照第1、2圖所示，本創作自動化設備之位移量測機構的第一較佳實施例，該自動化設備100至少具有一機座10、至少一沿著一工作軸線L平行安置在該機座10上的荷重線性滑軌20、一與該荷重線性滑軌20平行設置的驅動單元30，及一連結於該荷重線性滑軌20及該驅動單元30的滑台40，該荷重線性滑軌20、該驅動單元30和該滑台40之間分別藉由一滑座21與一滑座31之連接，致使該滑台40藉由各該滑座21、該滑座31而在該荷重線性滑軌20、該驅動單元30上滑動，以進行左移或右移之直線運動。其中，該驅動單元30為滾珠螺桿(Ballscrew)、尺條及齒輪(Rack and Pinion)、線性馬達(Linear Motor)之任一個，本實施例，該驅動單元30是以滾珠螺桿為例。

本創作的特點在於，該位移量測機構50，包含有一刻度尺(Graduation，俗稱Scale)51、一讀頭52、一非荷重線性滑軌53及一線性滑座54。

該刻度尺51，安置在該機座10上，平行且鄰近於該工作軸線L，並且靠近於該驅動單元30。本實施例中，該刻度尺51及該讀頭52組成一線性編碼器，該線性編碼器包含有磁性編碼器(Magnetic encoder，亦稱磁性尺)、光學編碼器(Linear Encoder，亦稱光學尺)、雷射編碼器(Laser Encoder，亦稱雷射光學尺)等。此外，基於磁性尺具有抗油耐污的優點，故本創作該刻度尺51更以使用磁性尺為最佳。

該非荷重線性滑軌53，安置於該機座10上，該刻度尺51安置在該非荷重線性滑軌53上。

該線性滑座54，連結於該滑台40。

該讀頭52，連結於該線性滑座54，並且對應於該刻度尺51。本實施例中，該讀頭52是一解碼器(Decoder)，用以解讀該刻度尺51的位置資料，再由一控制中心(圖未示)作運算控制，以達到控制該滑台40執行右移或右移之運動，由於該控制中心並非本案主要訴求重點，故在此不再多加說明。

該位移量測機構50更包含一固定架55，該線性滑座54連結於該滑座31上，該固定架55安置在該線性滑座54上，且連結於該驅動單元30，該讀頭52安置於該固定架55上。實施上，該非荷重線性滑軌53可於製造該機座10時，一併設置於該機座10上，如此一來，將該刻度尺51安置在該非荷重線性滑軌53一側的軌道531上，並且透過該固定架55來安裝該讀頭52，便能藉由該滑座31驅動該線性滑座54，並同步帶動該固定架55之位移進而連動該讀頭52，使該讀頭52相對於該刻度尺51作位移，進而取得位移數據。

此外，如第2圖所示，在實施上，該自動化設備的機座10更具有一基準平台11，該基準平台11和第1圖中的荷重線性滑軌20平行設置，因此，當裝設該位移量測機構50時，直將該非荷重線性滑軌53貼靠在該基準平台11上，以使該非荷重線性滑軌53和該荷重線性滑軌20平行設置，藉此則無須再作校正，載設其上的刻度尺51便與一加工刀具60之加工點A平行對位(見第1圖)，組裝快速且精確，以省去再次校正之不便。

本實施例中，該位移量測機構50包含運用於自動化設備機100的各個工作軸線上，例如裝設在靠近於X軸、Y軸、Z軸的驅動單元(滾珠螺桿)一側。

因此，本創作自動化設備之位移量測機構，將該刻度尺51 靠近於該驅動單元30的安裝方式，由於該驅動單元30周圍空間較寬敞，除有利於拆裝之外，更無受限地能安裝各式大小尺寸的刻度尺51，所以該刻度尺51在無尺寸限制的情況下，將可大量生產，以降低製造成本，並適用於各式機型的自動化設備(工具機)。其次，基於該刻度尺51的安裝位置是軸對於自動化設備100對一工件61進行加工的加工點A上，該加工點A與該工作軸線L重合而位於同一直線，角度偏差等於零或驅近於零，阿貝誤差(Abbe error)相當微小，所以，將讀頭52安置在該滑座31一側以對應於該刻度尺51，就能隨著滑台40之位移，透過該讀頭52讀取該刻度尺51的位置資料，正確且無誤地控制該滑台40執行右移或右移的直線運動，以利於工件61之切削作業，並且獲得最高的加工精確度。

另外，如第3圖所示，將該位移量測機構50安裝在該滑座31的一側，使得該讀頭52對應於該刻度尺51，該刻度尺51安裝在該驅動單元30周側，並鄰靠於工作軸線L，由於該刻度尺51與驅動單元30之間的距離S相當短，距離S數值很微小，幾乎驅近於零，阿貝誤差(Abbe error)亦相當微小，所以，工件61進行切削作業時，亦能獲得高度的加工精確度。

參照第4圖所示，本創作自動化設備之位移量測機構的第二較佳實施例，該自動化設備100至少具有一機座10、至少一沿著一工作軸線L(加工點A)平行安置在該機座10上的荷重線性滑軌20、一與該荷重線性滑軌20平行設置的驅動單元30，及一連結於該荷重線性滑軌20及該驅動單元30的滑台40，該荷重線性滑軌20、該驅動單元30和該滑台40之間分別藉由一滑座21與一滑座31之連接，致使該滑台40藉由各該滑座21、該滑座31而在該荷重線性滑軌20、該驅動單元30上滑動，以進行左移或右移之直線運動。其中，該驅動單元30為滾珠螺桿、尺條及齒輪、線性馬達之任一個，本實施例，該驅動單元30是以滾珠螺桿為例。

該第二實施例中，該位移量測機構50，包含有一刻度尺51、一讀頭52、一設置於該滑台40上的非荷重線性滑軌53及一連結於該機座10上的線性滑座54，該刻度尺51安置在非荷重線性滑軌53而與該滑台40連結，平行且鄰近於該工作軸線L，該讀頭52固定於該線性滑座54而連結於該機座10，並且對應於該刻度尺51，本實施例中，更包含一固定架70，該固定架70是安置於該機座10上，且靠近於該驅動單元30，而該讀頭52安置在該固定架70上，靠近並對應於該刻度尺51。藉此，將該刻度尺51平行靠近於該工作軸線L而安裝在該滑台40上，而將該讀頭52透過固定架70的支撐架設而連結於機座10上，並且靠近於該刻度尺51，即可透過該滑台40帶動刻度尺51相對該讀頭52作位移，亦能取得位移數據，並且達到與上述實施例相同的使用功效，此不再多加說明。

歸納上述，由於本創作該位移量測機構50捨棄原有將光學尺(磁性尺)配設在荷重線性滑軌上的方式，而是改以獨立的小型滑軌模式裝設在機台上，其非荷重線性滑軌53並不擔負支撐滑台40的作用，而是另外單純作為位移感測器(scale)的功能來使用，因此，本創作該刻度尺51不再受到現有荷重線性滑軌截面形狀、尺寸的限制，一方面有利於組裝者可視組裝空間來安裝該位移量測機構50，也因此，本創作除具有拆裝、維修簡易的優點之外，也不受原有滑軌尺寸之限制，而且，本創作的位移量測機構50還可以採用現有的小型滑軌，大量生產之優點，以降低成本。此外，再透過非荷重線性滑軌53設置，使該刻度尺51在安裝上更加便利，並與該工作軸線L(加工路徑)恆保平行，以確保位移量測的精確度，更有效減低工作誤差。

附帶說明的是，基於該刻度尺51是靠近於該驅動單元30的安裝方式，並將該讀頭52組裝在滑座31底部而間隔對應於刻度尺51，因此，在實際安裝上，只要將該刻度尺51安裝在該驅動單元30周側，越靠近工作軸線L越好，落於工作軸線L上是最佳(如第1圖的安裝方式)，若稍微偏離也無仿(如第3圖或第4圖所示)，只要調整該讀頭52的位置，讓兩者相互對應，還是可以達到預期的使用功效與目的。其次，參考第2圖所示，由於一般自動化設備於該滑座31上均設有複數個提供鎖固的鎖點551，實際運用上，更可藉由既有的鎖點551，配合固定架55的連接，即可將該讀頭52安置其上，以使該讀頭52對應於該刻度尺51，如此一來，不但增加了組裝之方便性，而且更確保組裝無誤，以提高整體組裝之精確度。

最後，針對現有光學尺或磁性尺存在有安裝困難的問題，然因本創作的位移量測機構50藉以靠近於該驅動單元30的安裝方式，不但具有方便於配線，且組裝與拆卸時亦較為順手、簡易，且安置於驅動單元30周側或下方，且可避免塵灰、油污染，也不會直接遭受高載重的線性滑軌及其機組振動所影響。

值得一提的是，從精密機械設計誤差因素的角度來看，除了光學尺或磁性尺(感測器)自身的製造問題之外，吾人尚需考慮阿貝誤差(Abbe error)的存在，而根據阿貝誤差的計算公式來表示：Abbe error=S*Sinθ(其中，S代表線性運動軸與感測軸之間的距離，θ角代表切削軸與感應軸的角度差)，因此，S的數值愈大誤差就愈大。

同理可證，由於本創作刻度尺51的安裝位置是落置於工作軸線L(第1圖)或鄰近於工作軸線L(如第3圖或第4圖)上，安裝位置驅近於工作軸線L，角度偏差等於零或驅近於零，根據Abbe error=S*Sinθ，因此，自動化設備100之加工刀具60對工件61進行加工的加工點A與該工作軸線L重合而位於同一直線，而且刻度尺51與驅動單元30之間的距離S相當短，最佳時的距離S數值等於零(第1圖)或是幾乎驅近於零(如第3圖或第4圖)，所以本創作位移量測機構50，阿貝誤差(Abbe error)相當微小，故相對於現有光學尺、磁性尺安裝於荷重線性滑軌旁的工作誤差，本創作的阿貝誤差極為微小，故可提高自動化設備之加工精度。

再值得一提的，本創作第1圖至第4圖中，該位移感測機構50均是揭示一種直線運動的安裝使用方式，當然該位移感測機構50也可運用於旋轉運動的自動化設備中，如第5圖所示，例如將該讀頭52安裝在一旋轉軸承80的一內圈81，而將該刻度尺51安裝在一外圈82，或者兩者位置互換，藉此，當一加工刀具90沿著加工點A執行旋轉運動時，即可透過該讀頭52相對於該刻度尺51取得旋轉位移數據。

以上所述，僅為本創作之一個較佳實施例而已，當不能以此限定本創作實施之範圍，即大凡依本創作申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本創作專利涵蓋之範圍內。