TW202235204A - 主軸熱溫升量測補償系統與方法 - Google Patents

Abstract

一種主軸熱溫升補償系統，是在工具機的主軸安裝刀把與球形透鏡裝置，再於工具機的平台設有光學非接觸式的感測頭模組，透過該感測頭模組可量測該球形透鏡因該主軸的旋轉導致熱升高溫度而偏移的程度，於工具機的主軸以及其他位置設有多個溫度感測器，透過一訊號處理模組接收主軸旋轉過程中，各溫度感測器量測的溫度與該球形透鏡偏移的程度成為建置一人工智能溫度補償模型的參數，此後，利用抓取各溫度感測器的溫度輸入該人工智能補償模型預測當下該主軸的偏移程度，並補償至工具機的控制器，降低主軸受熱誤差影響的加工精度。

Description

主軸熱溫升量測補償系統與方法

本發明涉及一種工具機補償手段，尤其涉及一種主軸熱溫升量測補償系統及方法。

現有的熱溫升補償技術，是金屬桿安裝於主軸，再配合金屬桿的主球周圍設置多個探測頭，接著啟動工具機台運作，在機台於不同溫度時，以多個探測頭逐次探測金屬桿的主球的方式，獲得主軸相應主軸因熱而溫度上升時造成的位移。

藉由上述的量測，專業人員能夠以獲得的數據，補償工具機因熱溫度上升所造成的偏移。但上述的方法有一些缺點存在，例如此種方式無法預測未知溫度時，機台因熱溫度升高後產生的誤差，需要安裝多個探測頭的方式也造成量測的裝置安裝的不便，有待進一步的改良。

由於現有熱溫升補償技術無法預測未知溫度時主軸的偏移，本發明藉由至少持續量測主軸運作時的溫度，配合非接觸式的感測頭模組實時量測主軸的偏差數據，建立預測作用的模型達到補償工具機主軸因熱溫度上升的誤差，使工具機加工精度更佳。

為達到上述創作目的，本發明提供一種主軸熱溫升量測補償系統，包括：

一工具機，設有一平台以及位於該平台正上方的主軸，於該主軸安裝一刀把，於該工具機設有一控制器，用於控制該平台以及該主軸運作；

一球形透鏡裝置，設有一插桿，以該插桿結合於該刀把，於該插桿的自由端形成一球形透鏡；

一感測頭模組，設有一固定座，以該固定座結合在該平台上，於該固定座的頂部設有一支架，於該支架等高處設有一光學非接觸式的感測器組，於該感測器組的中央形成一量測點，當該工具機將該球形透鏡移動至該量測點後，該感測頭模組量測該球形透鏡因該主軸的旋轉導致熱升高溫度而偏移的程度；

一個以上的溫度感測器，分別固定於該工具機，並且其中至少一溫度感測器固定在該工具機的該主軸；以及

一訊號處理模組，設有一資料擷取卡，該資料擷取卡與所述各溫度感測器訊號連接，接收各溫度感測器量測到的溫度的資訊，該資料擷取卡並與該感測頭模組訊號連接，在該工具機的主軸的旋轉過程中，接收該感測頭模組感測到的該球形透鏡偏移程度的資訊，持續抓取多組前述溫度與位移變化的參數輸入類神經網路，建置一人工智能溫度補償模型；此後，在該工具機運作時，該訊號處理模組透過抓取各溫度感測器的溫度，輸入該人工智能補償模型預測當下該主軸的偏移程度，將偏移的補償值由該資料擷取卡輸入該工具機的該控制器進行補償。

為達到上述創作目的，本發明提供一種主軸熱溫升量測補償方法，其方法的步驟包括：

於一工具機的主軸設有一刀把，於該刀把安裝一球形透鏡裝置，該球形透鏡裝置設有一球形透鏡；

於一工具機的平台上固定一感測頭模組，於該感測頭模組設有一光學非接觸式的感測器組，於該感測器組的中央形成一量測點，當該工具機將該球形透鏡移動至該量測點後，該感測頭模組量測該球形透鏡因該主軸的旋轉導致熱升高溫度而偏移的程度；

於該工具機固定一個以上的溫度感測器，其中至少一溫度感測器固定在該工具機主軸；

該工具機將該球形透鏡移動至該量測點，接著該工具機運作使該主軸旋轉，在該主軸旋轉的過程中，持續地以各溫度感測器抓取該工具機各處的溫度資訊，並以該感測頭模組感測該球形透鏡位移的變化，成為多組溫度與位移變化的參數，將多組溫度與位移變化的參數輸入類神經網路，建置一人工智能溫度補償模型；以及

在該工具機運作時，透過抓取各溫度感測器的溫度，輸入該人工智能補償模型預測當下該主軸的偏移程度，將偏移的補償值輸入該工具機的控制器進行補償。

本發明藉由前述的系統與方法，將多組溫度與位移變化的參數輸入類神經網路建置一人工智能溫度補償模型，因此在後續工具機用於加工時，可由量測的溫度推算出主軸因熱溫度上生產生的偏移、誤差，補償至工具機的控制器，達到提升工具機加工精度的功效。

此外，當本發明將多組溫度與位移變化的參數，以該訊號處理模組透過網際網路上傳至雲端，於雲端建置該人工智能溫度補償模型，也於雲端下載該人工智能溫度補償模型至該訊號處理模組，進行後續以量測溫度預測主軸熱誤差的補償時，則可達到於遠端監控溫度、於遠端建立模型以及更新模型的使用效果。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如下。

如圖1至圖5所示的較佳實施例，本發明提供一種主軸熱溫升量測補償系統，用於執行一主軸熱溫升量測補償方法，其構造包括一工具機10、一球形透鏡裝置20、一感測頭模組30、多個溫度感測器40，以及一訊號處理模組50，其中：

該工具機10可以是X軸、Y軸的工具機或多軸工具機，在本較佳實施例中該工具機10是具有X軸、Y軸、Z軸、A軸以及C軸的五軸工具機，該工具機10設有一底座11，於該底座上設有一個可沿X軸、Y軸移動的滑座12，於該滑座12的頂部設有一可沿A軸擺動的搖擺座13，於該搖擺座13的頂部設有一可沿C軸旋轉的平台14，於該底座11後側的頂部設有一立柱15，於該立柱15的前面結合可沿Z軸移動的刀頭16，，該刀頭16位於該平台14的正上方，於該刀頭16設有一主軸17，於該主軸17的底部安裝一刀把171，於該工具機10還設有一控制器18，用於數值控制該滑座12、該搖擺座13、該平台14、該刀頭16以及該主軸17的動作。

該球形透鏡裝置20設有一插桿21，該插桿21是直桿體並且豎直地插入結合於該刀把171，於該插桿21底部的自由端形成一球形透鏡22。

該感測頭模組30設有一固定座31，用於固定在該平台14上，在本較佳實施例中該固定座31是磁力座並以磁吸的方式結合固定於該平台14上，於該固定座31的頂部設有一環繞設置的支架32，於該支架32等高處設有一光學非接觸式的感測器組33，該感測器組33是在該支架32對應X軸方向的相反兩側設有一第一雷射頭331與一第一光點位移感測器333，於該支架32對應Y軸方向的相反兩側設有一第二雷射頭332與一第二光點位移感測器334，於第一雷射頭331與第一光點位移感測器333連線與第二雷射頭332與第二光點位移感測器334連線的垂直交錯處形成一量測點A，該量測點A位於該感測器組33的中央。

當該工具機10將該球形透鏡22移動至該量測點A後，若該主軸17旋轉導致熱升高溫度而偏移，使該球形透鏡22也偏移時（該主軸17因熱溫度升高造成的偏移量即該球形透鏡22的偏移量），由於原本從第二雷射頭332以及第二雷射頭332分別射出穿過該球形透鏡22中心的雷射光不再穿過該球形透鏡22的中心，使得第一光點位移感測器333以及第二光點位移感測器334能分別偵測到穿過該球形透鏡22的兩道雷射光產生了偏離，藉由各道雷射光偏離的程度，可計算出該主軸17以及該球形透鏡22偏移變化的程度。

多個溫度感測器40分別是能感測溫度，並將溫度數據無線向外發送的裝置，於各溫度感測器40設有一磁吸底座41，以各磁吸底座41能磁吸固定在該工具機10的不同位置量測溫度，於各磁吸底座41上設有一天線42，透過各天線42可將各溫度感測器40所量測到的溫度向外無線輸出；在本較佳實施例中，多個溫度感測器40分別結合在該工具機10的底座11、該滑座12、該搖擺座13、該立柱15、該刀頭16、該主軸17以及該工具機10外（用於量測環境溫度）。在本發明的其他實施例中，可僅設有一個或數個的溫度感測器40，但至少有一個溫度感測器40安裝在該主軸17，例如僅於該主軸17安裝一個溫度感測器40，或在該主軸17、該刀頭16各設有一個以上不等數量的溫度感測器40，於該工具機40設置的溫度感測器40越多表示取得該工具機40不同位置溫度的數據變化參數越多，並且各溫度感測器40除了選用具有無線傳輸功能的溫度感測器以外，也可以是有線傳輸訊號的溫度感測器。

該訊號處理模組50可安裝在該工具機10或可拆卸地設置於該工具機10的外部，該訊號處理模組50包括一通訊模組51以及一資料擷取卡52，該資料擷取卡52以無線的方式與各溫度感測器40訊號連接，接收各溫度感測器40量測到的溫度的資訊，該資料擷取卡52並以有線或無線的方式與該感測頭模組30訊號連接，在該工具機10的主軸17旋轉運作的過程中，接收該感測頭模組30感測到的該球形透鏡22偏移程度的資訊，持續抓取多組前述溫度與位移變化的參數輸入類神經網路，建置人工智能（AI）溫度補償模型，當前述人工智能溫度補償模型建置完成後，可預測未知溫度時該主軸17與該球形透鏡22的偏移程度。此後，在該工具機10運作時，該訊號處理模組50能透過抓取各溫度感測器40的溫度，輸入該人工智能溫度補償模型預測當下該主軸17的偏移程度，將偏移的補償值透過該資料擷取卡52，輸入該工具機10的控制器18進行補償，減少溫度對該工具機10加工時精密度的影響。

當本發明以前述的系統執行該主軸熱溫升量測補償方法時，是先將該球形透鏡裝置20的球形透鏡22移動至該量測點A，接著該工具機10運作，使該主軸17帶動該刀把17與該球形透鏡裝置20旋轉，流程如圖6所示，一開始該主軸17先每分鐘1600轉，轉一個小時，之後換每分鐘3200轉，轉一個小時，之後換每分鐘4800轉，轉一個小時，接著換每分鐘6400轉、每分鐘7500轉、每分鐘3200轉、每分鐘7500轉、每分鐘0轉、每分鐘2400轉、每分鐘7500轉、每分鐘3200轉，依此類推各轉一小時，最後結束停止旋轉，會得到該主軸17因長時間旋轉導致溫度變化，如此產生的熱溫度升高導致該主軸17偏移，偏移量由該球形透鏡裝置20感測該球形透鏡22的偏移量取得，請參看圖7，其中是將時間與前述熱誤差的偏移量繪製成未補償的曲線。

該訊號處理模組50在該工具機10以前述主軸17保持不同轉速，使該主軸17旋轉的過程中，持續地抓取該工具機10各處的溫度資訊以及該球形透鏡22位移的變化成為多組溫度與位移變化的參數，將多組溫度與位移變化的參數輸入類神經網路，建置人工智能（AI）溫度補償模型。在本較佳實施例中該訊號處理模組50是將抓取的多組溫度與位移變化的參數，以該通訊模組51透過網際網路上傳至雲端C進行人工智能溫度補償模型的建置；在本發明其他較佳實施例中，可於該訊號處理模組50內置的處理器建置人工智能溫度補償模型，無須將參數上傳至雲端C。

最後透過該通訊模組51將雲端C建置完成的人工智能溫度補償模型下載至該訊號處理模組50，將該球形透鏡裝置20以及該感測頭模組30由該工具機10上拆卸，即完成本發明系統的補償而可將該工具機10用於加工。當往後該工具機10用於加工時，該訊號處理模組50能透過抓取各溫度感測器40的溫度預測當下該主軸17的偏移程度，將偏移的補償值即時輸入該工具機10的控制器18進行補償，減少溫度對該工具機10加工時精密度的影響，達到遠端監控設備溫度、即時建立模型以及更新模型的功效。請參看圖7，圖中是輸入補償值後重複前述圖6的流程，將時間與補償後的熱誤差的偏移量繪製成實線的補償曲線，經補償後該工具機10受熱誤差的影響主軸17加工精度的程度變得很輕微。

當運用本發明系統的工具機10在建置人工智能溫度補償模型後，又再度移機至不同的環境時，例如跨國移動至國外的環境時。由於環境的溫度不同、機器的狀態也不同溫度環境不同，因此先前的人工智能溫度補償模型已不適合使用，這時重新將該球形透鏡裝置20以及該感測頭模組30安裝回該工具機10的原位，執行前述的主軸熱溫升量測補償方法，即可再由雲端C下載適用的人工智能溫度補償模型至該訊號處理模組50，以各溫度感測器40量測的溫度預測工具機10的主軸17因熱升溫產生的偏移變化，對移機後的該工具機10進行主軸17的熱溫升的動態補償，快速安裝檢測。

本發明除前述較佳實施例，是在該主軸17每分鐘1600轉，轉一個小時，之後換每分鐘不同轉速各別轉一個小時的過程中，抓取該工具機10各處的溫度資訊以及該球形透鏡22位移的變化，成為多組溫度與位移變化的參數提供建置人工智能溫度補償模型以外。可以隨使用者的需求設定該主軸17旋轉的轉速以及停留時間，只要取得的參數足夠建置人工智能溫度補償模型即可，一般來說輸入的參數的溫度來源越多、變化幅度越大，所建置的人工智能溫度補償模型的預測效果較好。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明主張的權利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

10:工具機 11:底座 12:滑座 13:搖擺座 14:平台 15:立柱 16:刀頭 17:主軸 171:刀把 18:控制器 20:球形透鏡裝置 21:插桿 22:球形透鏡 30:感測頭模組 31:固定座 32:支架 33:感測器組 331:第一雷射頭 332:第二雷射頭 333:第一光點位移感測器 334:第二光點位移感測器 A:量測點 40:溫度感測器 41:磁吸底座 42:天線 50:訊號處理模組 51:通訊模組 52:資料擷取卡 C:雲端

圖1是本發明較佳實施例工具機安裝感測頭模組與球形透鏡裝置的立體圖。 圖2是本發明較佳實施例的感測頭模組配合球形透鏡裝置的側視圖。 圖3是本發明較佳實施例的感測頭模組配合球形透鏡裝置的立體圖。 圖4是本發明較佳實施例的感測頭模組的立體圖。 圖5是本發明較佳實施例的訊號處理模組的方塊圖。 圖6是本發明較佳實施例的主軸旋轉的流程圖。 圖7是本發明較佳實施例補償與未補償的時間熱誤差座標曲線圖。

10:工具機

11:底座

12:滑座

13:搖擺座

14:平台

15:立柱

16:刀頭

17:主軸

18:控制器

40:溫度感測器

Claims (6)

1. 一種主軸熱溫升量測補償系統，包括： 一工具機，設有一平台以及位於該平台正上方的主軸，於該主軸安裝一刀把，於該工具機設有一控制器，用於控制該平台以及該主軸運作； 一球形透鏡裝置，設有一插桿，以該插桿結合於該刀把，於該插桿的自由端形成一球形透鏡； 一感測頭模組，設有一固定座，以該固定座結合在該平台上，於該固定座的頂部設有一支架，於該支架等高處設有一光學非接觸式的感測器組，於該感測器組的中央形成一量測點，當該工具機將該球形透鏡移動至該量測點後，該感測頭模組量測該球形透鏡因該主軸的旋轉導致熱升高溫度而偏移的程度； 一個以上的溫度感測器，分別固定於該工具機，並且其中至少一溫度感測器固定在該工具機的該主軸；以及 一訊號處理模組，設有一資料擷取卡，該資料擷取卡與所述各溫度感測器訊號連接，接收各溫度感測器量測到的溫度的資訊，該資料擷取卡並與該感測頭模組訊號連接，在該工具機的主軸的旋轉過程中，接收該感測頭模組感測到的該球形透鏡偏移程度的資訊，持續抓取多組前述溫度與位移變化的參數輸入類神經網路，建置一人工智能溫度補償模型；此後，在該工具機運作時，該訊號處理模組透過抓取各溫度感測器的溫度，輸入該人工智能補償模型預測當下該主軸的偏移程度，將偏移的補償值由該資料擷取卡輸入該工具機的該控制器進行補償。
2. 如請求項1所述之主軸熱溫升量測補償系統，其中該訊號處理模組還包括一通訊模組，該訊號處理模組將抓取的多組溫度與位移變化的參數，由該通訊模組傳輸至雲端，在雲端建置該人工智能溫度補償模型，接著以該通訊模組將雲端建置完成的人工智能溫度補償模型下載至該訊號處理模組。
3. 如請求項1或2所述之主軸熱溫升量測補償系統，其中該固定座是磁力座，該固定座以磁吸的方式結合固定於該平台上。
4. 如請求項3所述之主軸熱溫升量測補償系統，其中於所述各溫度感測器設有一磁吸底座，以各磁吸底座磁吸固定在該工具機，於各磁吸底座上設有一天線，透過各天線將量測的溫度向外無線輸出；該資料擷取卡是以無線的方式與各溫度感測器訊號連接。
5. 一種主軸熱溫升量測補償方法，其方法的步驟包括： 於一工具機的主軸設有一刀把，於該刀把安裝一球形透鏡裝置，該球形透鏡裝置設有一球形透鏡； 於一工具機的平台上固定一感測頭模組，於該感測頭模組設有一光學非接觸式的感測器組，於該感測器組的中央形成一量測點，當該工具機將該球形透鏡移動至該量測點後，該感測頭模組量測該球形透鏡因該主軸的旋轉導致熱升高溫度而偏移的程度； 於該工具機固定一個以上的溫度感測器，其中至少一溫度感測器固定在該工具機主軸； 該工具機將該球形透鏡移動至該量測點，接著該工具機運作使該主軸旋轉，在該主軸旋轉的過程中，持續地以各溫度感測器抓取該工具機各處的溫度資訊，並以該感測頭模組感測該球形透鏡位移的變化，成為多組溫度與位移變化的參數，將多組溫度與位移變化的參數輸入類神經網路，建置一人工智能溫度補償模型；以及 在該工具機運作時，透過抓取各溫度感測器的溫度，輸入該人工智能補償模型預測當下該主軸的偏移程度，將偏移的補償值輸入該工具機的控制器進行補償。
6. 如請求項5所述之主軸熱溫升量測補償方法，其中將抓取的多組溫度與位移變化的參數傳輸至雲端，在雲端建置該人工智能溫度補償模型，接著將雲端建置完成的人工智能溫度補償模型下載至一訊號處理模組，於該訊號處理模組預測該主軸的偏移程度，將偏移的補償值輸入該工具機的控制器進行補償。

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