TW584707B - Method using a grid encoder to detect error of platform of six-degree of freedom - Google Patents

Description

584707 玖、發明紅明 ...................……· (發明說明應敘明：發明關之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式 【發明所屬之技術領域】 ^ ^ ) 本發明係關於一種利用平面光學尺檢測六自由度平台誤 差的方法，特別是指一種可檢測六自由度的平台誤差，使於 平台上工作時，不會因平台誤差而影響工件尺寸的精準度。 【先前技術】 目别在產業界中，要加工或量測產品的時候，都需要將 產品放置於平台上，但是平台本身就具有其一定的誤差，如 在產品精度的要求不大時’我們可以無視於平台的誤差，但 是目前或著未來的產品會有愈來愈微小的趨勢，所以對於產 品尺寸的精準度也相對的愈來愈高時，以致於平台的誤差被 列為必要考量的項目之―；尤其現今精密加卫及精密量測之 技術已漸漸崛起’精密度的要求從“條”到“微米”，甚至 進-步到“奈米”，是故在提昇精密度的前提之下，亦必須 將平台的誤差納入考慮範圍中。 雖然目前市面上已有檢測平台誤差的方法，但是僅只有 维之平台誤差，對於二維平面或三維空間中平台的誤 檢測，是目前檢測平台誤差方法所不足以達成的。 由:可見，上述習用之檢測平台誤差的方法仍有諸多缺 貫非一良善之設計者，而亟待加以改良。 6 ^δ4/〇7 本案發明人鑑於上述習用檢測平台誤差的方法所衍生的 各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研 九後終於成功研發完成本件一種利用平面光學尺檢測六自 由度平台誤差的方法。 【發明目的】 本發明之目的即在於提供一種利用平面光學尺檢測六自 由度平台誤差的方法，係使用了平面光學尺（Grid Enc〇der， 亦稱格子編碼器）檢測二維平面及三維空間中六自由度平台 之 > 差。 本發明之次一目的係在於提供一種利用平面光學尺檢測 六自由度平台誤差的方法，係利用讀取頭以及光纖來檢測具 X-Y-Z平台之Χ'γ及z軸之位移誤差，並配合單個二維之平 面光學尺檢測出二維六自由度平台之十三個誤差及三維六 自由度之二十一個誤差。 本發明之另一目的係在於提供一種利用平面光學尺檢測 六自由度平台誤差的方法，可適用於各種六自由度平台上快 速权正’進而大幅提昇產品之品質以及曾進產業之競爭力。 【内容】 可達成上述發明目的之一種利用平面光學尺檢測六自由 度平台誤差的方法，主要係利用讀取頭、光纖以及平面光學 尺’加以檢測六自由度的平台誤差，藉由量測路徑之規劃， 7 584707 逐一的排除二維六自由声承a々丄 田度千台之十三個誤差或三維六自由 之二十一個誤差，使得於平△卜ί隹；τ ^ ,. 、卞口上進仃加工或量測工作時，不 會因為平台的誤差而影塑 ^曰ί工件尺寸的精準度，以提高產品 之品質 【實施方式】 本發明之方法係利用數個讀取頭及數個光纖，並配合一 個二維之平面光學尺來加以以檢測六自由度平台之誤差，以 下係計對讀取頭、光纖及平面光學尺之加以說明。 該讀取頭係包含-發射器以及_接收器，該發射器會射 出不可見光，5亥發射器之不可見光投射在平面光學尺時， 會被平面光學尺加以反射回讀取頭，再經由讀取頭之接收器 接收4反射光，即可藉由反射光反射到接收器的位置來檢測 其位置，進而可得測其位移量。 該光纖亦包含一發射器以及一接收器，該發射器及接收 器之位置十分罪近，藉由光纖之發射器射出一可見光投射於 平面光學尺上，該平面光學尺會產生一反射之可見光，再經 由光纖接收器加以接收反射之可見光，該接收器係依可見光 之面積的大小來加以檢測距離，進而可得測其位移量。 該平面光學尺（Grid Encoder)為一表面刻晝成類似棋盤 之平板’此平板上之線條尺寸可達到奈米級，用肉眼無法直 接觀察平板上之線條。此平板表面形狀如「圖一 584707 個/、自由度之平台在移動時在χ及γ二個轴方向會發 生誤差(即二維系統之誤差)，各有三個線性誤差、三個角度 誤差。三個線性誤差為線性定位誤差，水平直度誤差、垂直 直度誤差’二個角纟誤差為仰度誤差、豸擺度誤差、橫轉度 誤差，共有十二個誤差，再加X軸與Υ軸之間具有垂直度誤 差，故六自由度平台共有十三個誤差。 一個六自由度之平台在移動時在Χ、Υ及Ζ三個軸方向會 發生誤差（即二維系統之誤差），各有三個線性誤差、三個角 度誤差。二個線性誤差為線性定位誤差，水平直度誤差、垂 直直度誤差，二個角度誤差為仰度誤差、偏擺度誤差、橫轉 度誤差，共有十二個誤差，再加χ軸與γ軸之間具有垂直度 誤差、Υ軸與Ζ軸之間具有垂直度誤差及χ軸與ζ軸之間具 有垂直度誤差，故六自由度平台共有二十一個誤差。 「請參閱圖二、圖三、圖四以及圖五所示」，本方法量測 路徑規劃為使平台分別以〇_> A— C，0— C，0，— Α，等路徑 來量得有十三個誤差，有效縮短量測時間。 本發明之方法係將平面光學尺i裝設於量測之平台4 上，再將第一讀取頭21配合第一光纖31以及第二讀取頭22 配合第二光纖32,加以裝設於工作機具之主轴，並配合下列 步驟加以量測： 步驟一：沿Χ、Υ座標軸由0A方向運動，由第一讀取頭 584707 21、第二讀取頭22、第一光纖31與第二弁镛 冗纖32量測誤差訊 號； 步驟 Χ、Υ座標軸由AC方向運動，由第一讀取頭 21、第二讀取頭22、第一光纖3丨與第二光纖32量測c點座 沿 標誤差量； 步驟 一：沿Χ、Υ座標軸由0Β方向運動，由第一讀取頭 21、第二讀取頭22、第一光纖31與第二光纖犯量測誤差訊 號； / 步驟四：將平面光學尺1沿Ζ軸方向平移一個單位ζ〇 ·, 步驟五：沿X、Υ座標軸由似方向運動，士结 ^ J堞勒，由第一讀取頭 21量測下列誤差訊號； 步驟六：沿座標軸X、Y由沏方向運動，由第一讀取頭 21量測下列誤差訊號。 以下係為運用於量測CNC銑床之平台之實施例，首先將 平面光學尺夾緊在CNC銑床之平么μ σ上，再將第一讀取頭、第 二讀取頭、第一光纖及第二光蝓 九减文裝在CNC銑床之刀具主軸 上，且一個讀取頭對應一個光镳 "°、鐵且讀取頭與光纖之為位移 步驟如下： 步驟一：沿X、γ座標軸由0Α古 方向運動，由第一讀取頭、 第一讀取頭、第一光纖與第二先鳙 尤纖可得出下列誤差訊號： 第一讀取頭可獲得誤差訊號為· 10 584707

Ex(OA) = δχ(χ) ⑴

Ey{OA)= δγ(χ) + χ0εζ(χ) (2) 第二讀取頭可獲得誤差訊號為 (3) (4) EX{BC)= δχ(χ)-γ0εζ(χ) Ey(BC) = δγ(χ)Λ·χ0εζ(χ) 第一光纖可得出誤差訊號為： Ez(OA) = Sz(x)-x0^y(x) ( 5 ) 第二光纖可得出誤差訊號為 尽(5C) = A (X) - (X) + 从(X) ⑹ 由Eqns· ( 1)可得 δχ(χ) = Ex(OA) (7) 由 Eqns· (1) and (3)可得 “Χ)=Ε· — Ε·_ 2 少。 (8) 由 Eqns· (5) and (6)可得 Ez(BC) — Ez(OA) 少ο (9) 將 Eqns· (8)帶入 Eqns. (2)可得

Sy{x)= Ey(OA)_x〇sz(x) (jo) 步驟二：沿X、Υ座標軸由AC方向運動，由第一讀取頭、 第二讀取頭、第一光纖與第二光纖可量測C點座標誤差量： 第一讀取頭可得訊號為： (12) (11)584707 EX(AC) = δχ(χ) + δχ(γ) - ysz{y) - yaxy E/AC)^ Sy(y)^Sy(x) + x0ez(y) 第二讀取頭可得訊號為： EX(AC I ^0) = δχ(χ) + - (>； + y0)ez(y) ^ {y〇 + ^ (13)

Ey{AC\y0)= Sy{y)^Sy(x) + x〇sz(y) 第一光纖可得訊號為： e2{Ac) = δζ(χ) + ^z(y) + y^x(y) - ^y(^) 第二光纖可得訊號為： (14) (15)

A (dC I少。）=么O) +么⑼+ (少+少。)心⑼〜JC。& (χ) 由 Eqns· (15)與 Eqns· (16)可得 (16) ?x(y)_E2(AC\y〇)-E9(AC) x y〇 (17) 步驟二·沿χ、γ座標軸由OB方向運動，由第一讀取頭、 第二讀取頭、第一光纖與第二光纖量測下列誤差訊號·· 第一讀取頭可得誤差訊號： Exi〇B) = 5x{y)~y£2{y) Ey(OB)= Sy(y)

(18) (19) 第二讀取頭可得誤差訊號 I >^〇 ) = δχ (y) - (y〇 + y)g2 (^y) Ey(OB\y〇) = Sy(y) (20)(21) 第一光纖可得出誤差訊號為 Ez{〇B)^Sz{y)^ySx(<y) (22) 12 584707 第二光纖可得出誤差訊號為： (23) (24)

Ez(〇B 17〇) = Sz{y) + (y〇 + γ)εχ{γ) 由Eqns· ( 1 9)可得

Sy{y)^Ey{OB) 則由 Eqns· (18) and Eqns. (20)可得 s(y) — Ex(〇B)-Ex(〇B\yn) Z 少〇 (25) 將 Eqns· (25)代入 Eqns· (18)可得 ^x(y) = Ex(〇B)^y^z(y)

(26) 由 Eqns· (22) and Eqns· (23)亦可得 。⑴ _A(OB\y〇)-Ez(OB) X y〇 (27) 將 Eqns· (27)代入 Eqns· (22)可得 (28) 52{y)^Ez{OB)-yex{y) 由Eqns. (11 )可得 = [- δχ{χ) + 5x{y)_ y s2{y)^ EX(AC) j / >；0 (29)

步驟四：將平面光學尺平 乙罕由万向平移一個單位& ; 步驟五：沿X、Y座標軸由似方向運動，由 J —:备 一 τ*

量測下列誤差訊號： S 號： (30) (31) 第一讀取頭可獲得誤差訊 Ex(〇A)= sx(x)^z0ey(x) 丨(似）=AW+aaoo - z。心⑻ 13 584707

步驟六：沿座標軸X、Y由05’ 測下列誤差訊號： 方向運動 由第一讀取頭 第一讀取頭可獲得誤差訊號·· (32) (33)

Ex (OB') = δx (y) ~ ye2 (y) + z0^ (y) Ey(〇B) = Sy(y)-~z0£x(y) 由 Eqns· (1)與 Eqns· (30)可得出： {χ)^ΕΛ〇Α)-Εχ(〇Α) (34) zo 將 Eqns· (36)代入 Eqns. (5) (35) 由 Eqns· (4)與 Eqns· (18)可得出： e z〇 (36) 藉由上述之步驟，即可檢測出六自由度平台之誤差。 【特點及功效】 本發明所提供之一種利用平面光學尺檢測六自由度平台 誤差的方法’與前述引證案及其他習用技術相互比較時，更 具有下列之優點： 1 ·本發明提供一種利用平面光學尺檢測六自由度平台誤 差的方法，係使用了平面光學尺（Grid Encoder，亦稱袼子 編碼器）檢測二維平面及三維空間中六自由度平台之誤差。 2·本發明提供一種利用平面光學尺檢測六自由度平台誤 584707 差的方法，係利用讀取頭以及光纖來檢測具Χ-γ-Ζ平台之χ、 Υ及Ζ軸之位移誤差，並配合單個二維之平面光學尺檢測出 二維六自由台之十三個誤差及三維六自^之二十— 個誤差。 3·本發明提供一種利用平面光學尺檢測六自由度平台誤 差的方法，可適用於各種六自由度平台上快速校正，進而大 幅提昇產品之品質以及曾進產業之競爭力。 上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說譬 明，椎該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離 本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之 專利範圍中。 紅上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習 用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之 法疋發明專利要件，爰依法提出申請，懇請貴局核准本件 發明專利申請案，以勵發明，至感德便。 · 【圖式簡單說明】 請參閱以下有關本發明一較佳實施例之詳細說明及其附 圖’將可進一步瞭解本發明之技術内容及其目的功效；有關 該實施例之附圖為： 圖一為本發明之平面光學尺的表面示意圖； 圖二為本發明之一種利用平面光學尺檢測六自由度平台 15 584707 誤差的方法之實施例第一示意圖； 圖三為該一種利用平面光學尺檢測六自由度平台誤差的 方法之實施例第二示意圖； 圖四為該一種利用平面光學尺檢測六自由度平台誤差的 方法之實施例第三示意圖；以及 圖五為該一種利用平面光學尺檢測六自由度平台誤差的 方去之實施例第四示意圖。 【主要部分代表符號】 1平面光學尺 21第一讀取頭 22第二讀取頭 31第一光纖 32第二光纖 4量測之平台 16

Claims (1)

1. 584707 十、申請專利範圍 1· 一種利用平面光學尺檢測六自由度平台誤差的方 法，係將平面光學尺裝設於量測之平台上，再將第 一讀取頭配合第一光纖以及第二讀取頭配合第二光 纖，加以裝設於工作機具之主軸，並配合下列步驟 加以量測： 步驟一：沿X、Υ座標軸由0Α方向運動，由第一讀 取頭、第二讀取頭、第一光纖與第二光纖量測誤差 訊號； 步驟二：沿X、Υ座標軸由Ac方向運動，由第一讀 取頭、第二讀取頭、第一光纖與第二光纖量測「點 座標誤差量； 步驟三：沿Χ、Υ座標軸由0B方向運動，由第一讀 取頭、第二讀取頭、第一光纖與第二光纖量測誤差 訊號； 步驟四：將平面光學 _ η〜ν 丁秒一调早二 ’驟五:沿X、Υ座標軸由㈧.方向運動，由第一讀 取碩量測誤差訊號； =:沿座標軸χ、γ由⑽方向運動，由第-讀 2.

   取碩量測誤差訊號。 产：：：利範圍第1項所述之一種利用平面光學尺 自由度平台誤差的方法，其中該平面光學尺 為—表面刻畫成類似棋盤之平板。 利範圍第2項所述之-種利用平面光學尺 ΐ達=平台誤差的方法’其中該此平板上線條之 A 17 3.