TWI419763B

TWI419763B - 光電式刀尖位置精密感測裝置

Info

Publication number: TWI419763B
Application number: TW99116979A
Authority: TW
Inventors: Yung Cheng Wang; Lih Horng Shyu; Chung Ping Chang; Ying Yi Cheng; Fu Tun Chang; Ching Yen Su
Original assignee: Univ Nat Yunlin Sci & Tech
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2013-12-21
Also published as: TW201141656A

Description

光電式刀尖位置精密感測裝置

本發明係關於一種精密感測裝置，尤指一種用以感測刀尖位置的光電式精密感測裝置。

按，隨著科技的日新月異，對於工具機的加工精密度的要求也越來越高，為了要提升工具機的技術等級與加工精密度，係可從兩方面進行改善，一為改善工具機整體的結構精度，而此方法不僅費時且會費力花錢，無法快速地解決目前廠商迫切的需求，而另一種方法則是利用感測裝置來檢測出工具機的誤差，並透過誤差補償的方式，來提升工具機的加工精度，此種方法較為快速，因此，目前業界大多朝向檢測工具機誤差的方式，來提升工具機的技術等級與加工精密度；既有檢測工具機的感測裝置於檢測時，主要係透過將一感測器與工具機刀桿相接觸的方式，來確認刀桿的正確位置，此種方式雖可檢測出刀桿的實際位置，但需將感測器與刀桿相接觸，長時間使用下不僅容易使感測器產生磨損的現象，且會影響感測器檢測的準確性，誠有加以改進之處。

因此，本發明有鑑於既有工具機感測裝置結構與操作的缺失與不足，特經過不斷的試驗與研究，終於發展出一種能改進現有缺失之本發明。

本發明主要在於提供一種光電式刀尖位置精密感測裝置，其係透過幾合光學反射定律的方式，提供一結構精簡且可準確偵測刀尖位置的光電式刀尖位置精密感測裝置之目的者。

基於上述目的，本發明之主要技術手段在於提供一種光電式刀尖位置精密感測裝置，其係設置於一工具機上而位於一刀具(Z軸)的下方處且包含有一撞擊組、一光學組及一感測組，其中：該撞擊組係設有一外殼體、一撞擊座與一彈性元件，該外殼體係設有一容室，該撞擊座係可上、下移動地與外殼體相結合，而該彈性件係套設於撞擊座外表面而設於外殼體容室內；該光學組係與撞擊組相結合且設有一楔形鏡架、一發射器及一第二反射鏡，該楔形鏡架係與撞擊座伸於外殼體容室內的一端相固設結合，該楔形鏡架係在異於撞擊座的底面設有一第一反射鏡，該發射器係設於外殼體容室底部且朝第一反射鏡射出一光源，該第二反射鏡係設於外殼體的容室底部且用以接收經第一反射鏡反射的光源，並將該光源再次反射回第一反射鏡；以及該感測組係與撞擊組及光學組相結合且設有一位置靈敏感測器及一放大電路，其中該位置靈敏感測器係設於外殼體的容室內，其係設有一用以接收第一反射鏡反射光的感測面，而該放大電路係設於外殼體的容室內且與位置靈敏感測器相電性連接。

進一步，該放大電路係設有一與工具機的控制器相電性連接的電壓比較器，藉以分析位置靈敏感測器所偵測到的電壓訊號，進而判斷工具機的刀具所在位置。

再進一步，該發射器係設有一微調座及一二極體雷射，該微調座係設於外殼體的容室內，而該二極體雷射係可樞轉地與微調座相結合且朝第一反射鏡射出一雷射光。

較佳地，該外殼體係設有一結合孔及一隔板，該結合孔係貫穿外殼體的頂面且與容室相通，而該隔板係橫向設於外殼體的容室內且設有一與結合孔直線相對的穿孔，該撞擊座係可上、下移動地與外殼體的結合孔及隔板的穿孔相結合。

藉由上述之技術手段，本發明光電式刀尖位置精密感測裝置，主要係藉由幾合光學反射定律的方式，該位置靈敏感測器係可判斷落在感測面上的光點重心位置，並將兩端的光電流導入放大電路中轉變為電壓，並透過除法電路計算的方式，即可經由電壓比較器而分析出位置靈敏感測器所偵測到的電流訊號，進而判斷刀具的所在位置；再則，透過此一方法本發明可得到一架構簡單且敏感度高的刀尖位置精密感測裝置，且藉由反射腔增長光行程的方式，可得到放大的倍率為2至19倍(如第六圖所示)，並以高靈敏度的位置零敏感測器感測光點的位移，使刀尖的校正更具有更高的敏感度；除此之外，光電式的刀尖位置精密感測裝置，由於係利用位置零敏感測器感測光點的位置，可有效避免既有感測器需與刀具接觸而產生磨損的現象，因此，相對既有機械式的感測器而言，具有較佳的耐久度與穩定性，進而提供一結構精簡且可準確偵測刀尖位置的光電式刀尖位置精密感測裝置者。

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，玆進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如后，請參閱如第一圖所示，本發明之光電式刀尖位置精密感測裝置係設置於一工具機上而位於一刀具(40)(Z軸)的下方處，該光電式刀尖位置精密感測裝置係包含有一撞擊組(10)、一光學組(20)及一感測組(30)，其中：該撞擊組(10)係設有一外殼體(11)、一撞擊座(12)與一彈性元件(13)，其中該外殼體(11)係設有一容室(111)、一結合孔(112)及一隔板(14)，該結合孔(112)係貫穿外殼體(11)的頂面且與容室(111)相通，而該隔板(14)係橫向設於外殼體(11)的容室(111)內且設有一與結合孔(112)直線相對的穿孔(141)，該撞擊座(12)係可上、下移動地與外殼體(11)的結合孔(112)及隔板(14)的穿孔(141)相結合，而該彈性件(13)係套設於撞擊座(12)外表面而設於外殼體(11)容室(111)內；該光學組(20)係與撞擊組(10)相結合且設有一楔形鏡架(21)、一發射器(22)及一第二反射鏡(23)，其中該楔形鏡架(21)係與撞擊座(12)伸於外殼體(11)容室(111)內的一端相固設結合，該楔形鏡架(21)係在異於撞擊座(12)的底面設有一第一反射鏡(24)，較佳地，該楔形鏡架(21)與水平的夾角為Φ，該發射器(22)係設於外殼體(11)容室(111)底部且設有一微調座(25)及一二極體雷射(26)，其中該微調座(25)係設於外殼體(11)的容室(111)內；該二極體雷射(26)係可樞轉地與微調座(25)相結合且朝第一反射鏡(24)射出一雷射光，較佳地，該二極體雷射(26)係與撞擊座(12)呈一θ角朝第一反射鏡(24)射出雷射光，該第二反射鏡(23)係設於外殼體(11)的容室(111)底部且用以接收經第一反射鏡(24)反射的雷射光，並將該雷射光再次反射回第一反射鏡(24)，使兩反射鏡(23，24)間的外殼體(11)容室(111)形成一反射腔，其中可透過調整θ角的方式，改變雷射光於兩反射鏡(23，24)間反射的次數，本發明第一圖所示係雷射光於反射腔中反射3次的實施例；以及該感測組(30)係與撞擊組(10)與光學組(20)相結合且設有一位置靈敏感測器(31)(Position Sensitive Detector；PSD)及一放大電路(32)，其中該位置靈敏感測器(31)係設於外殼體(11)的容室(111)內，其係如第二圖所示設有一用以接收第一反射鏡(24)反射雷射光的感測面(311)，而該放大電路(32)係設於外殼體(11)的容室(111)內且與位置靈敏感測器(31)相電性連接，該放大電路(32)另與工具機的控制器(41)相電性連接且設有一電壓比較器(321)，其中該位置靈敏感測器(31)係可判斷落在感測面(311)上的光點重心位置，其主要係利用位置靈敏感測器(31)兩端的光電流導入放大電路(32)中轉變為電壓，並透過除法電路計算()的方式，即可經由電壓比較器(321)而分析出位置靈敏感測器(31)所偵測到的電流訊號，進而判斷刀具(40)的所在位置。

本發明光電式刀尖位置精密感測裝置於使用時係如第一圖所示，其中係將該撞擊組(10)設置於一工具機上且位於刀具(40)(Z軸)的下方處，並使二極體雷射(26)以θ角朝第一反射鏡射(24)出一雷射光，使雷射光經兩反射鏡(24，23)的反射後朝位置靈敏感測器(31)方向射去，其中透過調整微調座(25)的方式，使雷射光射入位置靈敏感測器(31)的光點如第三圖所示，移動至位置靈敏感測器(31)感測面(311)的正中央處，使趨近於0，即完成歸零的操作；再如第四圖所示以一直角座標系的方式來表示各反射點的座標，其中：

H >D tanΦ　2n Φ<90

其中當刀具(40)朝外殼體(11)方向移動1微米(μm)，且其刀尖係與撞擊座(12)相接觸，使撞擊座(12)相對外殼體(11)產生向下移動的作動，進而讓與撞擊座(12)相固設結合的楔形鏡架(21)朝第二反射鏡(23)的方向移動，此時，射入位置靈敏感測器(31)的光點係會如第五圖所示產生δ的位移量，其中可透過將移動前光點座標扣掉移動後光座標即可求得位移量δ=X_2n -X_2n '，其中X_2n 為刀具(40)撞擊後的情形，X_2n '為刀具(40)撞擊前的情形，將不同的角度(Φ)代入上述的方程式中，即可得到如第六圖所示之放大數據，由此可知本發明可透過位置靈敏感測器(31)上光點的微小位移量，即可將其放大而推算出刀具(40)朝下(Z軸方向)的移動量；再則，請配合參看如第七圖所示，本發明於歸零後()，於該放大電路(32)中設定一閥值(例如)，若該放大電路(32)計算出的結果大於此一閥值，即可判斷刀具(40)的刀尖已觸碰到撞擊座(12)，即可送出一訊號至工具機的控制器(41)中，使刀具(40)停止下壓並記錄Z軸座標，有效提供一結構精簡且可準確偵測刀尖位置的光電式刀尖位置精密感測裝置者。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，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，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

(10)．．．撞擊組

(11)．．．外殼體

(111)．．．容室

(112)．．．結合孔

(12)．．．撞擊座

(13)．．．彈性元件

(14)．．．隔板

(141)．．．穿孔

(20)．．．光學組

(21)．．．楔形鏡架

(22)．．．發射器

(23)．．．第二反射鏡

(24)．．．第一反射鏡

(25)．．．微調座

(26)．．．二極體雷射

(30)．．．感測組

(31)．．．位置靈敏感測器

(311)．．．感測面

(32)．．．放大電路

(321)．．．電壓比較器

(40)．．．刀具

(41)．．．控制器

第一圖係本發明光電式刀尖位置精密感測裝置之側視示意圖。

第二圖係本發明位置靈敏感測器之放大側視示意圖。

第三圖係本發明位置靈敏感測器之歸零操作示意圖。

第四圖係本發明雷射光於兩反射鏡間反射的路徑示意圖。

第五圖係本發明位置靈敏感測器光點移動之示意圖。

第六圖係本發明角度與放大倍率之關係表。

第七圖係本發明放大電路與工具機控制器間操作之方塊流程示意圖。