TWI466753B - 動態變形自動修正裝置 - Google Patents

Description

動態變形自動修正裝置

本發明係有關於一種動態變形自動修正裝置，尤指一種可於機體產生變形的同時，同步因應機體之變形量進行修正之動態自動修正裝置。

按，製造業係一個國家工業發展的樞鈕，產品的生產製造有賴於工具機的輔助，日常生活當中，許多用品及機械元件等都是由工具機製造而成。

為了方便成型各種用品及機械元件的形狀，工具機也逐漸演化出車床、搪床、鉋床、銑床、磨床、拉床及鋸床等各種型態，而工具機首重加工精準度，除了刀具本身的良窳，用以支撐刀具的工具機機體也會影響刀具切削工件的準確性，尤其是大型工具機如落地式〔Floor Type〕搪銑床的滑枕因伸出的長度不同及常需要更換使用不同的附件，其重量變化範圍非常大，會嚴重影響工具機機體原有的精度，又因負載機構的不對稱及外部溫升的變化也會導致落地式搪銑床的整個豎柱彎曲的情況，進而影響工具機加工的精度，另如門形加工機或立式車床的橫樑也會因為橫樑上鞍座的重量使橫樑產生彎曲變形，因此，為防止工具機機體之 主軸、豎柱等因溫度或負載等所造成的偏斜、變形，導致影響刀具進給切削工件時的準確性，故有諸多業者針對工具機機體之滑枕、豎柱等變形量的偵測及修正，提出改善的方案。

請參閱日本特許公告昭50-38827號之工具機應力補償裝置，其主要係經由實驗數據算出變形量的修正值，以於每次主軸作動滑枕帶動組設於滑枕前端之刀具進給加工工件的同時發出一修正變形量的訊號予油壓缸，以使油壓缸將因重量負載而下垂偏移的滑枕修正拉回正常位置，依此，以期使組設於滑枕前端的刀具可以保持對工件加工的準確性；然，由於該變形量修正值係由實驗或理論數據運算出來的固定數值，並不一定適用於修正每次滑枕作動的變形量，且滑枕前端組裝的刀具種類重量不同，其變形量更無法藉由一定值的輸入即達到有效之修正，因此，難以達到修正變形的效果。

又請參閱美國公告第US5214592號之滑枕位置橫向移動的校正方法和裝置、美國公告第US3827333號之重力補償系統、美國公告第US4178834號之工具機撓度補償裝置、美國公告第US4775926號之工具機位移產生校正裝置、美國公告第US6341245號之工具機位移校正裝置，及美國公告第US6821064號之工具機主軸位置誤差補償裝置…等，其所提出者皆屬於與上述日本特許公告昭50-38827號相近似之設計，主要係將於各種條件下的實驗數據，經理論計算出於各種條件下變形量須進行的補償參數，再將多筆各條件下的補償參數數據輸入工具機之控制器儲存記憶，當使用工具機加工時，由控制器從這些資料表中取出預設的補償值來修正變形量，以單向發出修正訊號，驅使油壓缸等致動器進 行滑枕、豎柱變形之矯正，由於係屬於開迴路控制，故不會有輸出後補償訊號的回饋，而此種單向固定式的補償機制，係難以確實達到矯正工具機之滑枕或豎柱變形的效果，乃因影響工具機機體變形多非單一因素所構成，而是眾多影響參數所合成，且是動態變化，因此要改善修正變形量非常複雜，當機器交換各種刀具或裝設重量尺寸不一的附件時，又需要再經繁複的計算及校正手續，實施上費時成本高實用性低，且控制複雜，精度難以掌握。

另請參閱日本特許公開昭61-226246號之熱變位防止裝置，則是提供一種以溫度控制作為修正工具機豎柱變形的技術，其主要係於工具機豎柱上組裝數個溫度感測器，再於工具機豎柱周壁組設加熱板，由數個溫度感測器監測溫升值，當豎柱因溫度差異產生變形時，即驅動設於豎柱周壁的加熱板作動，利用熱漲冷縮的原理將豎柱導正回原位，其實施上係由數個溫度感測器監測溫升值後，再經由先前學習所建立的數學模型計算補償值，修正此變形誤差量，其構造上複雜，系統建立不易，準確度也有限，仍無法避免加工點偏移的情況。

於是，近年有業者研發出閉迴路控制的修正模式，請參閱日本特許公開2008-155339號之工具機機主軸傾斜偵測裝置，乃實施於門形加工機豎柱的變形量測與矯正，主要係於豎柱上方組接一吊繩，再於吊繩底端接設一錘體，且於錘體下方設一感測器，當豎柱發生偏斜時，錘體與感測器間的距離便會發生改變，工具機即因應此距離改變的數值驅動組設於豎柱周壁之溫度變化元件做加熱或冷卻的動作，以利用熱脹冷縮的變形效果修正豎柱的偏斜；然，此日本特許公開2008-155339號雖應用到閉迴路控制的 技術使工具機可以隨時配合錘體與感測器間距離的改變，而修正其溫度變化元件輸出的溫度，進而矯正豎柱的偏斜，但由於其錘體係懸吊於吊繩上，故於實際上當豎柱發生偏斜時，不僅錘體的高度位置會改變，且錘體還會產生晃動的情形，以致感測器偵測與錘體間的距離並不穩定，故依此發出的補償值有極大的偏差性，以致實質上難以達到解決工具機因變形所導致加工精度不佳的缺失，且實施上只適用於垂直設立之豎柱，對於水平設立之搪銑床滑枕及立式車床之橫樑等則不適用。

因此，有業者又依此提出另一創作，請參閱日本特許公開2009-184077號之工具機械，其主要係欲改良利用吊繩吊掛錘體造成偵測不穩定現象，而採用一長桿狀之剛性懸錘棒，以配合組設於旁側之感測器，偵測懸錘棒的鉛錘度變化，進而因應此變化發出補償值，以修正豎柱的變形；然，此種機械式的感測元件於組裝上極佔空間，於使用上難以配合組裝於工具機的各個部位，且製作不易成本高，並極佔空間，於組裝和校正亦困難費時，故實施上仍有待改良，且於實施上亦只能適用於垂直設立的豎柱，對於水平設立之搪銑床滑枕及立式車床之橫樑等則不適用。

故有業者研擬以電子式元件作為感測單元，再利用閉迴路控制的模式，來達到修正工具機機體變形的效果，請參閱日本特許公開2007-216319號之工作機械，即係由電子水平儀測量門形加工機或落地式搪銑床其豎柱的變形量，再致動油壓缸修正豎柱的變形；然，此種電子水平儀需等待信號穩定的時間長，且反應速度慢難以因應於快速移動的加工形式，並且其體積大無法安裝到滑枕內，故在使用空間上受到極大的限制，再者，其實施上亦只 能應用於感測垂直向設立之豎柱變形，對於水平橫向設立之搪銑床滑枕及立式車床之橫樑側向之變形則不適用。

緣是，本發明人有鑑於現有實施於工具機機體變性量修正之各個裝置仍有極大的使用缺失，乃藉其多年於相關領域的製造及設計經驗和知識的輔佐，並經多方巧思，針對現有工具機機體變性量修正裝置做更新的研發改良，而研發出本發明。

本發明係有關於一種動態變形自動修正裝置，其主要目的係為了提供一種可以於機體產生變形的同時，同步因應機體之變形量進行修正之動態自動修正裝置。

為了達到上述實施目的，本發明人乃研擬如下動態變形自動修正裝置，係包含：一位置敏銳偵測器，可組設於機體的自由端；一雷射光發射器，係可組設於機體的固定端，並與位置敏銳偵測器之偵測面相對應；一控制器，係使其輸入端與位置敏銳偵測器電性連接，並於控制器內載入有變形量修正程式；一致動器，係與控制器之輸出端電性連接。

據此，當機體產生變形時，組設於機體自由端的位置敏銳偵測器係會偵測到雷射光發射器投射的光點偏離原始位置，此時，與位置敏銳偵測器電性連接之控制器係會同步接收到此偏移信號，以運算出修正值，再驅動致動器對變形之機體立即進行修正，藉此動態之變形自動修正機制，俾確實達到使刀具準確加工的效果。

再者，由於本發明之動態變形自動修正裝置體積小便易組裝，故其組裝之位置與部位限制性大幅降低，因此，可以因應使用所需，組裝於機器欲做檢測矯正處，據此，俾大幅提高本發明之泛用性。

又，本發明之動態變形自動修正裝置係由雷射光發射器發出筆直的雷射光源以投射於位置敏銳偵測器上，而依雷射光源投射於位置敏銳偵測器之光點偵測機體的變形量，故偵測過程沒有不穩定變數的影響，具有極高的精度。

另，本發明之動態變形自動修正裝置係採動態閉迴路控制，可因應各種複雜外在條件變化自動進行修正量之調整，而不須經過事前複雜的學習調校，達到更簡便實施使用的效果。

(1)‧‧‧位置敏銳偵測器

(2)‧‧‧雷射光發射器

(3)‧‧‧控制器

(4)‧‧‧致動器

(5)‧‧‧機體

(51)‧‧‧自由端

(52)‧‧‧固定端

第一圖：本發明之架構圖

第二圖：本發明之實施於豎柱立體圖

第三圖：本發明之豎柱變形狀態圖

第四圖：本發明之實施於滑枕立體圖

第五圖：本發明之實施於滑枕正視圖

第六圖：本發明之實施於滑枕俯視圖

第七圖：本發明之實施於橫樑正視圖

第八圖：本發明之橫樑變形狀態圖

第九圖：本發明之位置敏銳偵測器〔四象限感測器〕電路圖

第十圖：本發明之一維位置敏銳偵測器〔二橫向側效感測器〕電路圖

第十一圖：本發明之一維位置敏銳偵測器〔四橫向側效感測器〕電路圖

第十二圖：本發明之二維位置敏銳偵測器〔二橫向側效感測器〕電路圖

第十三圖：本發明之二維位置敏銳偵測器〔四橫向側效感測器〕電路圖

第十四圖：本發明之流程圖

而為令本發明之技術手段及其所能達成之效果，能夠有更完整且清楚的揭露，茲詳細說明如下，請一併參閱揭露之圖式及圖號：

首先，請參閱第一圖所示，為本發明之動態變形自動修正裝置，係由位置敏銳偵測器〔Position sensitive detector，PSD〕(1)、雷射光發射器(2)、控制器(3)及致動器(4)所組成；其中：該位置敏銳偵測器(1)，係組設於機體(5)的自由端(51)，該機體(5)可為豎柱【如第二~三圖所示】、滑枕【如第四~六圖所示】或橫樑【如第七、八圖所示】等，又該位置敏銳偵測器(1)可為四象限感測器〔Quadrant detectors〕或側效感測器〔Lateral Effect detectors〕，該四象限感測器〔 Quadrant detectors〕係使用基板及光電二極體，以光電分段區分為二或四個象限有效區域，分別作一維或二維之偵測，由缺口或死區所分隔開，當一束雷射光點入射到象限有效區域，該四象限感測器即會產生電流，而該輸出電流便可用於計算光點位置，請參閱第九圖所示，即為四象限感測器〔Quadrant detectors〕使用光電二極體分段的電路圖，其X軸向與Y軸向位置計算式如下：X=(A+D)-(B+C)/(A+B+C+D)；Y=(A+B)-(C+D)/(A+B+C+D)；該A、B、C與D為每一象限有效區域所量測之光電流，相同的四象限感測器電路可使用在一維之偵測；該側效感測器〔Lateral Effect detectors〕則是無缺口或死區的連續單元件平面擴散光電二極體，在整個活動區域提供對一光點位移的直接讀取，側效感測器二極體的主要優點為其寬廣的動態範圍，其可測量在所有路線到感測器邊緣測量光點位置，側效感測器〔Lateral Effect detectors〕係主要包含有二橫向〔Duo-lateral〕與四橫向〔Tetra-lateral〕側效感測器，而二種結構皆可為一維與二維形態，請參閱第十圖、十一所示，分別為二橫向〔Duo-lateral〕側效感測器及四橫向〔Tetra-lateral〕側效感測器實施於一維偵測之電路圖，其計算式如下：X=(A-B)/(A+B)；另請參閱第十二圖所示，係為二橫向〔Duo-lateral〕側效感測器實施於二維偵測之電路圖，其計算式如下：X=(A-B)/(A+B)； Y=(C-D)/(C+D)；又請參閱第十三圖所示為四橫向〔Duo-lateral〕側效感測器實施於二維偵測時，其計算式如下：X=(A-B)/(A+B)；Y=(C-D)/(C+D)；該雷射光發射器(2)，請再參閱第二~八圖所示，係組設於機體(5)的固定端(52)處，並與設於機體(5)自由端(51)處的位置敏銳偵測器(1)之偵測面相對應；該控制器(3)，係使其輸入端與位置敏銳偵測器(1)電性連接，並於控制器(3)內設有變形量修正程式，該變形量修正程式的步驟，請一併參閱第十四圖所示：a.設定容許誤差值；b.比較誤差值：依雷射光發射器(2)投射於位置敏銳偵測器(1)之偵測面上光點所在區域，以計算出機體(5)自由端(51)偏移中心的變形量，再比對該變形量是否在設定的誤差值內；c.運算修正值：若機體(5)自由端(51)的變形量超出設定的誤差值，則將位置敏銳偵測器(1)測得的變形量於控制器(3)計算出偏移之變形量須對應修正的數值；d.輸出修正訊號：將控制器(3)運算後得到的修正值傳輸予致動器(4)；e.驅動致動器修正變形量：係使致動器(4)依所得到的修正值對機體(5)之自由端(51)進行變形量之修正；該致動器(4)，係與機體(5)相組設，並與控制器(3 )之輸出端電性連接，該致動器(4)可為油壓缸、馬達螺桿組、溫度控制器，及伺服馬達與其連結組件等。

據此，當組裝使用時，請再參閱第一圖所示，係將本發明之位置敏銳偵測器(1)組設在豎柱【如第二、三圖所示】、滑枕【如第四~六圖所示】或橫樑【如第七、八圖所示】等機體(5)之自由端(51)上，另將雷射光發射器(2)組設於豎柱、滑枕或橫樑等機體(5)之固定端(52)處，並使位置敏銳偵測器(1)和雷射光發射器(2)相互對應，如：豎柱之自由端(51)係位於豎柱上端，另固定端(52)則於豎柱底端，又滑枕之自由端(51)則為滑枕活動伸出主軸之一端，固定端(52)則於滑枕相對另端，另橫樑的自由端(51)則為組裝刀具之中央位置，而其固定端(52)則位於橫樑的二端，依此類推，自由端(51)即為容易先產生變形偏移之一端，而固定端(52)則為不易發生變形偏移，可供作為基準之一端；繼之，請一併參閱第五、六圖所示，將致動器(4)組裝於豎柱、滑枕或橫樑等欲做變形修正之機體(5)上，且將致動器(4)與控制器(3)之輸出端電性連接，另使位置敏銳偵測器(1)與控制器(3)之輸入端電性接設；續之，啟動位置敏銳偵測器(1)、雷射光發射器(2)、控制器(3)及致動器(4)，此時，請一併參閱第十四圖所示，雷射光發射器(2)係發出筆直之射線射向位置敏銳偵測器(1)偵測面的中心位置，於此初始狀態下，該豎柱、滑枕或橫樑等機體(5)之自由端(51)與固定端(52)係保持真直度； 隨著機器的使用，因承受負載或溫度變化等因素之影響，而使得機體(5)的自由端(51)產生變形偏移原始的位置【如第三、八圖所示】，此時，原本投射於位置敏銳偵測器(1)偵測面中心處之雷射光發射器(2)的光點亦偏離偵測面的中心位置，而與位置敏銳偵測器(1)電性連接同步接收雷射光發射器(2)光點位置的控制器(3)係會依其內設程式之設計，比對此偏移量是否在預設之容許誤差值內，假設仍在容許誤差值內則不動作，若偏移之變形量超出容許誤差值則進入下一流程，程式即會將偵測到的光點所在位置之數據載入程式內設之公式，以分別運算出二維之X軸向與Y軸向需做的修正值，隨之，再將此修正值傳輸至致動器(4)，致動器(4)即依此修正值對已變形之機體(5)進行修正的工作，以將機體(5)偏移之自由端(51)導正至原始位置【如第五、六圖所示】；而此導正結果係會再由位置敏銳偵測器(1)所偵測，以進行訊號之回授動作，若導正後的結果為機體(5)之變形量回到容許的誤差值內則不再進行修正，假設導正後的結果機體(5)的變形量仍在容許誤差值外，控制器(3)即會再依所偵測到新數據，重新運算X軸向與Y軸向的修正值，再驅動致動器(4)按此修正值對機體(5)進行變形量的修正工作，故依此動態之閉迴路控制設計，即可隨時保持對機體(5)變形量的自動量測及修正之工作，於機體(5)產生變形時便立即進行修正，以確實保持機體(5)的真直度，進而達到使組裝於機體(5)自由端(51)之刀具於切削工件時，能夠維持精準的進給量及進刀角度，而加工出品質良好的加工成品。

本發明係之位置敏銳偵測器(1)不僅可適用於上述產生二維變形量之機體(5)的偵測與修正，亦可因應只產生一維單向變形之機體(5)，如：滑枕等作實施，當使用四象限感測器〔Quadrant detectors〕或側效感測器〔Lateral Effect detectors〕等型態之位置敏銳偵測器(1)時，於實施上只取單軸一維向量之變形值，再將該一維變形量經運算後得到的一維修正值傳輸至致動器(4)，以對滑枕等已產生單向變形之機體(5)自由端(51)做修正的工作，將機體(5)偏移之自由端(51)導正至原始位置。

另本發明亦可實施於呈45度或其它傾斜角度設立之工具機主軸或支撐樑桿等機體(5)部位，於使用上亦是將位置敏銳偵測器(1)設於該傾斜設立之機體(5)的自由端(51)，而雷射光發射器(2)則組設於該呈傾斜設立之機體(5)的固定端(52)，以與位置敏銳偵測器(1)呈一直線之對應，如此，當該呈傾斜設立之機體(5)因承載重量等因素致使其由自由端(51)開始變形時，該雷射光發射器(2)投射於位置敏銳偵測器(1)之光點，即會偏離位置敏銳偵測器(1)其偵測面的中心位置，並連動電性連接之控制器(3)對此變形量進行運算，以計算出修正值，再傳輸至致動器(4)，將機體(5)偏移的自由端(51)導回原位。

由上述結構及實施方式可知，本發明係具有如下優點：

1.本發明之動態變形自動修正裝置係以體積小便易組裝之位置敏銳偵測器及雷射光發射器為偵測元件，故可便利組裝於各種類型大小的工具機等機器使用，且組裝之位置與部位亦不受限制 ，據此，俾大幅提高本發明之泛用性。

2.本發明之動態變形自動修正裝置係由雷射光發射器發出筆直的雷射光源以投射於位置敏銳偵測器上，而依雷射光源投射於位置敏銳偵測器之光點偵測機體的變形量，於偵測的過程中不會受到如採用吊繩等機構所產生的不穩定變數影響，故可確保極高的偵測精度。

3.本發明之動態變形自動修正裝置係採動態閉迴路控制，可因應各種複雜外在條件變化自動進行修正量之調整，而不須經過事前複雜的學習調校，實施使用上更具簡便性。

4.本發明之動態變形自動修正裝置係利用一組位置敏銳偵測器及雷射光發射器即可偵測到X軸向與Y軸向的二維動態變化，而不須為偵測不同軸向之變形量多增加偵測元件，依此，係可節省設置的成本及簡化校正的工序。

5.本發明之動態變形自動修正裝置其位置敏銳偵測器，係可因應只產生垂直向或水平向之單一軸向變形之機體使用，而使其只取一維之變形量，以因應不同機體之修正所需者。

6.本發明之動態變形自動修正裝置不僅可使用於偵測修正水平或垂直方向變形之機體，對於成一角度設立之機體變形亦可有效偵測，凡有相對自由端與固定端之機體二端，皆可因應本發明進行變形量之偵測與修正之實施者。

7.本發明之動態變形自動修正裝置所採用之位置敏銳偵測器及雷射光發射器係可以直接以市售之標準品組立實施，故不須另行製作且取得容易，因此，除成本大幅降低，當維修替換時亦更為簡便。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

(1)‧‧‧位置敏銳偵測器

(2)‧‧‧雷射光發射器

(3)‧‧‧控制器

(4)‧‧‧致動器

Claims (10)

1. 一種動態變形自動修正裝置，係包含：一位置敏銳偵測器(1)，可組設於機體(5)的自由端(51)處；一雷射光發射器(2)，係可組設於機體(5)的固定端(52)處，並與位置敏銳偵測器(1)之偵測面相對應；一控制器(3)，係使其輸入端與位置敏銳偵測器(1)電性連接，並於控制器(3)內載入有變形量修正程式；一致動器(4)，係與控制器(3)之輸出端電性連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述動態變形自動修正裝置，其中，該控制器(3)之變形量修正程式步驟為：a.設定容許誤差值；b.比較誤差值：依雷射光發射器(2)投射於位置敏銳偵測器(1)之偵測面光點所在區域，以計算出機體(5)自由端(51)偏移中心的變形量，再比對該變形量是否在設定的誤差值內；c.運算修正值：若機體(5)自由端(51)的變形量超出設定的誤差值，則將位置敏銳偵測器(1)測得的變形量於控制器(3)運算出偏移之變形量須對應修正的數值；d.輸出修正訊號：由控制器(3)將運算後得到的修正值傳輸予致動器(4)；e.驅動致動器修正變形量：驅使致動器(4)對機體(5 )之自由端(51)進行變形量之修正。
3. 如申請專利範圍第1項所述動態變形自動修正裝置，其中，該位置敏銳偵測器(1)係為四象限感測器〔Quadrant detectors〕。
4. 如申請專利範圍第1項所述動態變形自動修正裝置，其中，該位置敏銳偵測器(1)係為偵測二維變形量之側效感測器〔Lateral Effect detectors〕。
5. 如申請專利範圍第4項所述動態變形自動修正裝置，其中，該側效感測器為二橫向〔Duo-lateral〕側效感測器。
6. 如申請專利範圍第4項所述動態變形自動修正裝置，其中，該側效感測器為四橫向〔Tetra-lateral〕側效感測器。
7. 如申請專利範圍第1項所述動態變形自動修正裝置，其中，該位置敏銳偵測器(1)係為偵測一維變形量之側效感測器〔Lateral Effect detectors〕。
8. 如申請專利範圍第7項所述動態變形自動修正裝置，其中，該側效感測器為二橫向〔Duo-lateral〕側效感測器。
9. 如申請專利範圍第7項所述動態變形自動修正裝置，其中，該側效感測器為四橫向〔Tetra-lateral〕側效感測器。
10. 如申請專利範圍第1項所述動態變形自動修正裝置，其中，該機體(5)係呈傾斜設立。