TW202330153A - 應用於工具機的熱變位量測系統及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種熱變位量測系統，其包括有一結合於一工具機之主軸的試棒、結合於該工具機之移動單元的檢測模具、溫度感測器以及一控制單元，該控制單元與該檢測模具上的近接感測器、位移感測器，以及所述溫度感測器電性連接，當該檢測模具與該試棒隨著該主軸及該移動單元相對移動，且該近接感測器偵測到該試棒時，該控制單元接收該近接感測器所發出的電訊號，並啟動該複數個位移感測器及該複數個溫度感測器，藉以量測該試棒於不同方向上的熱變位情形以及該工具機內的複數個位置上的溫度，藉此，本發明能克服熱變位問題，完成高精度加工。
Description
本發明涉及工具機的熱變位量測技術，尤指一種應用於工具機的熱變位量測系統及方法。
由於一般物質隨著溫度變化而產生體積的脹縮變化的特性，現有工具機在加工時，隨著工作時間的累積，現有工具機內部的各構件會因溫度上升而產生尺寸的變化，進而導致熱變位的情形，並且會對加工精度有不利的影響。鑑於市場上對加工精度的要求不斷提高，如何準確地量測加工時所產生的熱變位情形，並透過數值控制的方式加以補償，藉以減少熱變位所產生的誤差，為工具機及精密加工領域的重要課題。
傳統上量測熱變位的方式，係根據國際標準化組織 (ISO) 所制定的標準，針對現有工具機的關鍵零組件個別進行量測，也就是對於現有工具機的旋轉機構 (主軸) 以及伺服驅動軸向系統 (進給軸) 分別進行量測。
其中，現有主軸誤差檢測儀 (Spindle Error Analyzer; SEA) 即係用於量測現有工具機的旋轉機構的溫度與變位資料，其係包括有一試棒球及一治具，該試棒球安裝於該旋轉機構上，該治具安裝於現有工具機的工作平面上，透過調整使該治具上的位移感測元件與該試棒球的距離在0.5公釐(mm)以內，以此架構量測該旋轉機構旋轉過程之三軸向 (X/Y/Z) 之變位量，該現有主軸誤差檢測儀包含一溫度模組，供使用者量測關鍵位置溫度資訊。
另一方面，利用雙頻外差雷射干涉儀係現有技術量測該伺服驅動軸向系統的熱變位之主要方式，具體而言，現有雙頻外差雷射干涉儀包括有一干涉鏡組及一反射鏡組，其中該干涉鏡組設於現有工具機的一固定端，且包括有一極化分光鏡，該反射鏡組設於會移動的該工作平面上，藉此，現有雙頻外差雷射干涉儀可以透過參考光束與量測光束的相位差計算其反射鏡組移動距離。
然而，由於使用上會相互干涉，現有主軸誤差檢測儀與現有雙頻外差雷射干涉儀並不能同時使用，因此，現有技術在ISO標準下，並不能讓現有工具機在進行加工路徑移動同時，對熱變位加以量測。
雖然現有主軸誤差檢測儀與現有雙頻外差雷射干涉儀可以分別量測主軸與移動的該工作台的熱變位，再透過計算得到粗略的補償數值，但在無法於模擬加工的同時量測熱變位的限制下，無法得到更精準的熱變位數值，即無法得出精確的補償數值，並提高加工精度。綜上所述，現有量測工具機的熱變位之技術確有其需加以改進之處。
為改進現有技術的缺點，本發明提供一種熱變位量測系統及方法，能有效量測熱變位數值，提高加工精度。
本發明的熱變位量測系統係應用於一工具機，該工具機包括有一主軸以及一移動單元，該熱變位量測系統包括有：
一試棒，該試棒結合於該主軸上，且該試棒受到該主軸帶動而旋轉；
一檢測模具，該檢測模具結合於該移動單元上，且能隨該移動單元相對該試棒移動，該檢測模具上設有一近接感測器以及複數個位移感測器；
複數個溫度感測器，其係設於該工具機內的複數個位置上；以及
一控制單元，該控制單元與該近接感測器、該複數個位移感測器與該複數個溫度感測器電性連接；
當該檢測模具相對該試棒移動，且該近接感測器偵測到該試棒時，該控制單元接收該近接感測器所發出的電訊號，並啟動該複數個位移感測器及該複數個溫度感測器，藉以量測該試棒於不同方向上的熱變位情形以及該工具機內的複數個位置上的溫度。
如上述之熱變位量測系統，其中該檢測模具定義有相互垂直的一第一方向、一第二方向以及一第三方向，其中該第一方向與該試棒的延伸方向相平行，所述位移感測器的數量為三，且該三個位移感測器分別用於對應量測該試棒於該第一方向、該第二方向及該第三方向的熱變位情形。
進一步，如上述之熱變位量測系統，其中該檢測模具包括有一底板、兩側板及一中間板，該底板用於將該檢測模具結合到該移動單元上，該兩側板分別以一側與該底板相連接，該中間板沿著該第一方向與該底板相平行地連接於該兩側板的中段，且該第二方向及該第三方向分別垂直於其中一側板，該三個位移感測器分別設於該兩側板及該中間板上。
進一步，如上述之熱變位量測系統，其中該近接感測器設於其中一側板上，且沿著該第一方向與該側板上的位移感測器相間隔。
再進一步，如上述之熱變位量測系統，其中各該位移感測器為一非接觸式位移計，各該位移感測器的量測解析度為0.0001等級且各該位移感測器的有效量測距離大於或等於2公釐。
再進一步，如上述之熱變位量測系統，其中該試棒係以金屬材料所製成的一棒體。
再進一步，如上述之熱變位量測系統，其中該試棒的真圓度小於或等於0.005公釐。
較佳的是，如上述之熱變位量測系統，其中該工具機為一數控車床，該工具機的移動單元為一刀塔，該檢測模具結合於該刀塔上，而能隨著該刀塔移動而靠近該試棒。
較佳的是，如上述之熱變位量測系統，其中該工具機為一綜合加工機，該工具機的移動單元為一工作台，該檢測模具結合於該工作台上，而能隨著該工作台移動而靠近該試棒。
本發明的熱變位量測方法，其係應用於一工具機，該工具機包括有一主軸以及一移動單元，該熱變位量測方法包括有下列的操作步驟：
準備一熱變位量測系統，該熱變位量測系統包括有一試棒、一檢測模具、複數個溫度感測器以及一控制單元，其中該檢測模具上設有一近接感測器以及複數個位移感測器，且該控制單元與該近接感測器、該複數個位移感測器與該複數個溫度感測器電性連接；
將該試棒結合於該工具機的主軸上，將該檢測模具結合於該工具機的移動單元上，且將該複數個溫度感測器設於該工具機內的複數個位置上；
設定一預設加工路徑以及一預設加工時間；
啟動該工具機，使該試棒開始旋轉，該試棒及該檢測模具沿著所述預設加工路徑相對移動，且該控制單元開始累計時間；
當該累計時間小於所述預設加工時間時，該試棒及該檢測模具繼續沿著所述預設加工路徑移動；
當該近接感測器偵測到該試棒時，該控制單元接收該近接感測器所發出的電訊號，並啟動該複數個位移感測器及該複數個溫度感測器，藉以量測該試棒於不同方向上的熱變位情形以及該工具機內的複數個位置上的溫度；
當該試棒遠離該近接感測器時，該控制單元接收該近接感測器所發出的電訊號，並控制該複數個位移感測器及該複數個溫度感測器暫停量測；以及
當該累計時間大於或等於所述預設加工時間時，停止量測該試棒於不同方向上的熱變位情形以及該工具機內的複數個位置上的溫度。
藉由上述的技術特徵，本發明透過該熱變位量測系統及熱變位量測方法，能有效模擬加工，並依照加工行程蒐集熱變位資訊，以利於計算補償數值，讓正式加工時能克服熱變位問題，完成高精度加工，藉以改善現有技術加工精度不足的缺點。
為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並且能依照說明書的內容來實現，茲進一步以圖式所示的較佳實施例詳細說明如後：
本發明提供一種熱變位量測系統，其第一較佳實施例係如圖1所示，應用於一工具機80，該工具機80包括有一主軸81以及一移動單元82，該主軸81與該移動單元82能相對於彼此靠近或遠離，與現有技術相同。在本發明的第一較佳實施例中，該工具機80為一數值控制 (CNC) 車床，該工具機80的移動單元82為一刀塔，該熱變位量測系統如圖2至圖4所示，包括有一試棒10、一檢測模具20、複數個溫度感測器30以及一控制單元40。
如圖1所示，該試棒10結合於該工具機80的主軸81之夾頭上，而能受該主軸81帶動而旋轉。進一步，為了用於精確量測該工具機80的熱變位情形，該試棒10係以金屬材料所製成的棒體，且該試棒10的真圓度小於或等於0.005公釐(mm)。
請參閱如圖1至圖3所示，該檢測模具20結合於該工具機80的移動單元82，即所述刀塔上，且能如圖5及圖6所示隨著該移動單元82相對該試棒10移動，而靠近或遠離該試棒10。該檢測模具20包括有一底板201、兩側板202及一中間板203，其中該底板201用於將該檢測模具20結合到該移動單元82上，該兩側板202分別以一側與該底板201相連接，該中間板203與該底板201相平行地連接於該兩側板202的中段，透過這樣的結構，當該檢測模具20與該試棒10相對移動時，該試棒10能由該檢測模具20開放的兩側靠近該兩側板202，並如圖3所示，可移動至與該中間板203的中心點重合的位置。進一步，該檢測模具20定義有相互垂直的一第一方向D1、一第二方向D2以及一第三方向D3，其中如圖2及圖3所示該第一方向D1與該試棒10的延伸方向相平行，該中間板203與該底板201係沿著該第一方向D1平行設置，該第二方向D2及該第三方向D3分別垂直於其中一側板202。
如圖2及圖3所示，該檢測模具20上設有一近接感測器21以及複數個位移感測器22，其中，該近接感測器21能於偵測到物體時發出一電訊號，在本發明的第一較佳實施例中，所述位移感測器22的數量為三，且該三個位移感測器22分別用於對應量測該試棒10於該第一方向D1、該第二方向D2及該第三方向D3的位移情況，也就是熱變位情形，各該位移感測器22為一非接觸式位移計，各該位移感測器22的量測解析度為0.0001等級且各該位移感測器22的有效量測距離大於或等於2公釐。再進一步，該三個位移感測器22分別設於該兩側板202及該中間板203上，且朝向該試棒10；該近接感測器21設於其中一側板202上，且沿著該第一方向D1與該側板202上的位移感測器22相間隔。如圖2所示，該近接感測器21位於相對應位移感測器22的左側，在其他情況下，位於該位移感測器22的右側也能達到本發明的效果。
該複數個溫度感測器30係設於該工具機80內的複數個位置上，該複數個溫度感測器30依該工具機80的種類、尺寸、材質、結構不同，而可能設在不同的位置，具體而言，該複數個溫度感測器30可以設於可能導致嚴重熱變位的部位，以利於模擬加工時，蒐集相關部位的溫度資訊。至於可能導致嚴重熱變位的部位，可以透過分析或是操作經驗得知。
請參閱如圖4所示，該控制單元40與該近接感測器21、該複數個位移感測器22與該複數個溫度感測器30電性連接，藉以接收該近接感測器21所發出的電訊號，以及控制該複數個位移感測器22與該複數個溫度感測器30的啟閉。
請參閱如圖7所示，本發明透過上述熱變位量測系統量測熱變為的方法包括下列的操作步驟：
準備步驟S1：準備上述熱變位量測系統，包括有該試棒10、該檢測模具20、該複數個溫度感測器30以及該控制單元40，其中該檢測模具20上設有該近接感測器21以及該複數個位移感測器22，且該控制單元40與該近接感測器21、該複數個位移感測器22與該複數個溫度感測器30電性連接；
安裝步驟S2：接著，將該試棒10結合於該工具機80的主軸81上，將該檢測模具20結合於該工具機80的移動單元82上，且將該複數個溫度感測器30設於該工具機80內的複數個位置上；
設定步驟S3：設定一預設加工路徑以及一預設加工時間，具體而言，可以針對待加工流程，例如對即將進行的車削加工所規劃的加工行程，設定所述預設加工路徑以及所述預設加工時間，藉以有效模擬該加工行程的熱變位情形；以及
量測步驟S4：啟動該工具機80，使該試棒10隨著該主軸81開始旋轉，由於模擬加工行程，該移動單元82與該主軸81相對移動，帶動該試棒10及該檢測模具20沿著所述預設加工路徑相對移動，且該控制單元40開始累計時間，至於熱變位的量測與判斷方式，如圖8所示，分述如下。
當該控制單元40所計算的該累計時間小於所述預設加工時間時，該工具機80持續運轉，即該主軸81與該移動單元82持續運動，使該試棒10及該檢測模具20繼續沿著所述預設加工路徑移動。
如圖6所示，當該試棒10靠近該檢測模具82，且該近接感測器21偵測到該試棒10時，該近接感測器21發出所述電訊號，該控制單元40接收該近接感測器21所發出的電訊號後，啟動該複數個位移感測器22及該複數個溫度感測器30，藉以量測該試棒10於不同方向上的熱變位情形以及該工具機80內的複數個位置上的溫度。具體而言，該近接感測器21偵測到該試棒10的位置，即相對於實際加工時，該工具機80上的刀具接觸到工件的位置，因此，在這個位置所量測的熱變位，有助於提供補償，使加工更精準。
相對地，當該試棒10遠離該近接感測器21時，該控制單元40接收該近接感測器21所發出的電訊號，並控制該複數個位移感測器22及該複數個溫度感測器30暫停量測，以免記錄到異常的數值，影響補償數值的運算與資料判讀。
最後，當該控制單元40所計算的該累計時間大於或等於所述預設加工時間時，相當於完成加工的階段，該控制單元40控制該複數個位移感測器22及該複數個溫度感測器30停止量測該試棒10於不同方向上的熱變位情形以及該工具機80內的複數個位置上的溫度。
藉由上述的技術特徵，本發明能有效進行模擬加工，並依照加工行程蒐集熱變位資訊，以利於計算補償數值，讓正式加工時能克服熱變位問題，完成高精度加工。
另一方面，請參閱如圖9所示，本發明的第二較佳實施例與第一較佳實施例的差異在於：該工具機80A為一綜合加工機，該工具機80A的移動單元82A為一工作台，該檢測模具20結合於該工作台上，而能隨著該工作台移動而靠近結合於該工具機80A的主軸81A上的該試棒10，雖然，綜合加工機與數控車床的該主軸81、81A與該移動單元82、82A的相對移動方式有所差異，然而，使用上皆具有相對移動的特徵，因此，不論是在數控車床或是綜合加工機，本發明的熱變位量測系統及量測方法皆能使用。
綜上所述，本發明透過該熱變位量測系統及熱變位量測方法，能有效模擬加工，並依照加工行程蒐集熱變位資訊，以利於計算補償數值，讓正式加工時能克服熱變位問題，完成高精度加工，藉以改善現有技術加工精度不足的缺點。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本發明所提技術方案的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所作出局部更動或修飾的等效實施例，並且未脫離本發明的技術方案內容，均仍屬本發明的技術方案的範圍內。
10:試棒
20:檢測模具
201:底板
202:側板
203:中間板
21:近接感測器
22:位移感測器
30:溫度感測器
40:控制單元
80,80A:工具機
81,81A:主軸
82,82A:移動單元
D1:第一方向
D2:第二方向
D3:第三方向
圖1係本發明第一較佳實施例的使用狀態立體外觀圖。
圖2係本發明第一較佳實施例的外觀俯視圖。
圖3係本發明第一較佳實施例的側視圖。
圖4係本發明第一較佳實施例的電性連接方塊圖。
圖5係本發明第一較佳實施例的操作示意俯視圖。
圖6係本發明第一較佳實施例的使用狀態俯視圖。
圖7係本發明第一較佳實施例的量測方法的操作步驟流程圖。
圖8係本發明第一較佳實施例的量測方法的判斷流程圖。
圖9係本發明第二較佳實施例的使用狀態立體外觀圖。
10:試棒
20:檢測模具
80:工具機
81:主軸
82:移動單元
Claims (10)
- 一種熱變位量測系統，其係應用於一工具機，該工具機包括有一主軸以及一移動單元，該熱變位量測系統包括有： 一試棒，該試棒結合於該主軸上，且該試棒受到該主軸帶動而旋轉； 一檢測模具，該檢測模具結合於該移動單元上，且能隨該移動單元相對該試棒移動，該檢測模具上設有一近接感測器以及複數個位移感測器； 複數個溫度感測器，其係設於該工具機內的複數個位置上；以及 一控制單元，該控制單元與該近接感測器、該複數個位移感測器與該複數個溫度感測器電性連接； 當該檢測模具相對該試棒移動，且該近接感測器偵測到該試棒時，該控制單元接收該近接感測器所發出的電訊號，並啟動該複數個位移感測器及該複數個溫度感測器，藉以量測該試棒於不同方向上的熱變位情形以及該工具機內的複數個位置上的溫度。
- 如請求項1所述之熱變位量測系統，其中該檢測模具定義有相互垂直的一第一方向、一第二方向以及一第三方向，其中該第一方向與該試棒的延伸方向相平行，所述位移感測器的數量為三，且該三個位移感測器分別用於對應量測該試棒於該第一方向、該第二方向及該第三方向的熱變位情形。
- 如請求項2所述之熱變位量測系統，其中該檢測模具包括有一底板、兩側板及一中間板，該底板用於將該檢測模具結合到該移動單元上，該兩側板分別以一側與該底板相連接，該中間板沿著該第一方向與該底板相平行地連接於該兩側板的中段，且該第二方向及該第三方向分別垂直於其中一側板，該三個位移感測器分別設於該兩側板及該中間板上。
- 如請求項3所述之熱變位量測系統，其中該近接感測器設於其中一側板上，且沿著該第一方向與該側板上的位移感測器相間隔。
- 如請求項2所述之熱變位量測系統，其中各該位移感測器為一非接觸式位移計，各該位移感測器的量測解析度為0.0001等級且各該位移感測器的有效量測距離大於或等於2公釐。
- 如請求項1所述之熱變位量測系統，其中該試棒係以金屬材料所製成的一棒體。
- 如請求項6所述之熱變位量測系統，其中該試棒的真圓度小於或等於0.005公釐。
- 如請求項1至7中任一項所述之熱變位量測系統，其中該工具機為一數控車床，該工具機的移動單元為一刀塔，該檢測模具結合於該刀塔上，而能隨著該刀塔移動而靠近該試棒。
- 如請求項1至7中任一項所述之熱變位量測系統，其中該工具機為一綜合加工機，該工具機的移動單元為一工作台，該檢測模具結合於該工作台上，而能隨著該工作台移動而靠近該試棒。
- 一種熱變位量測方法，其係應用於一工具機，該工具機包括有一主軸以及一移動單元，該熱變位量測方法包括有下列的操作步驟： 準備一熱變位量測系統，該熱變位量測系統包括有一試棒、一檢測模具、複數個溫度感測器以及一控制單元，其中該檢測模具上設有一近接感測器以及複數個位移感測器，且該控制單元與該近接感測器、該複數個位移感測器與該複數個溫度感測器電性連接； 將該試棒結合於該工具機的主軸上，將該檢測模具結合於該工具機的移動單元上，且將該複數個溫度感測器設於該工具機內的複數個位置上； 設定一預設加工路徑以及一預設加工時間； 啟動該工具機，使該試棒開始旋轉，該試棒及該檢測模具沿著所述預設加工路徑相對移動，且該控制單元開始累計時間； 當該累計時間小於所述預設加工時間時，該試棒及該檢測模具繼續沿著所述預設加工路徑移動； 當該近接感測器偵測到該試棒時，該控制單元接收該近接感測器所發出的電訊號，並啟動該複數個位移感測器及該複數個溫度感測器，藉以量測該試棒於不同方向上的熱變位情形以及該工具機內的複數個位置上的溫度； 當該試棒遠離該近接感測器時，該控制單元接收該近接感測器所發出的電訊號，並控制該複數個位移感測器及該複數個溫度感測器暫停量測；以及 當該累計時間大於或等於所述預設加工時間時，停止量測該試棒於不同方向上的熱變位情形以及該工具機內的複數個位置上的溫度。
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