TWI467130B - 受到裝在機床上之機器移動單元之負載引起機床變形所導致測量機器之測量誤差之補償方法及依此方法之測量機器之操作方法。 - Google Patents

Description

受到裝在機床上之機器移動單元之負載引起機床變形所導致測量機器之測量誤差之補償方法及依此方法之測量機器之操作方法。

本發明係有關一種對受到裝在機床上之機器移動單元之負載引起機床變形所導致測量機器之測量誤差之補償方法，以及依此方法之測量機器之操作方法。

如眾所知，類此測量機器通常設有固定基座或機床，及設計成可帶動測量頭在機床上方之測量空間內依關聯於機床之笛卡兒座標軸移動之移動組件。此移動組件通常由一主載架及由此主載架攜載之一個或多個副載架所構成。主載架可沿相對於機床之縱長向之一軸移動，副載架則可沿各對應之坐標軸移動。

機床可為單片體，例如花崗石或鑄鐵，或其他材料製成之光滑平板體，包括一組部件彼此牢固固定以構成實質上為剛性結構。此機床通常具有兩項功能：支持及規範被測量之工件，及形成引導該移動組件移動，特別是引導機器之主載架沿機器之一個座標軸移動之導件。

以上所述之型式之測量機器通常設有補償幾何誤差，亦即，因機器之構造上缺陷所導致之測量誤差之補償系統。按機器之構造上之缺陷有例如，軸之直線度誤差，軸與軸間之正交度誤差等等。

在操作測量機器之期間，機床由於受到機器之移動單元因載架之位置移動變化加諸於機床之負荷而發生各種彈性變形，此變形將把工件之位置及姿勢帶到相對於用來幾何補償之姿勢基準之變化。

現行之補償技術，係根據所固定決定之補償圖形而執行， 不將上述所發生之現象列入考量之因素，常會造成非可忽略的測量誤差而危害到該機器之測量精密度。此種缺失實有待解決。

本發明之目的，在提供一種將可免除習知方法固有之缺點之補償方法，此補償方法特別能將由於機器之移動單元作用於機床之負荷造成機器之變形所導致之測量誤差加以重視及考量。

本發明之上述目的，可由本發明申請專利範圍第1項所述之補償方法來實現。

具體言之，本發明所提供之測量機器之測量誤差之補償方法，該測量誤差係受到安置在機床上之機器移動單元之負載所引起機床之變形所導致；其特徵在於，該方法包括：第一獲取資料之步驟，該步驟可獲取關聯於被測量工件安置在機床上之姿勢之第一資料；第二獲取資料之步驟，該步驟可獲取關聯於當機器之移動單元之位置變化時所生機床變形之第二資料；及第三計算校正值之步驟，根據由上述第一及第二步驟所取得之第一及第二資料以計算出校正值。

本發明同樣的也關於依上述方法操作之測量機器。

具體言之，本發明所提供之測量機器，係由：一機床及一用以帶動一測量傳感器對於該機床移動之移動單元所構成；其特徵在於：該機器包含一補償系統，用以補償造因於受到安置在機床上之移動單元之負載造成機床變形所導致之測量誤差，而該補償系統係依照請求項1所述之方法操作者。

為更深入了解本發明，以下將就本發明之一提供為非侷限性範例之較佳實施形態配合附圖詳細說明。

請參照第1圖，圖中所標示之符號1代表整個門型(柱樑型)測量機器。在此指出形成本發明之主題之補償方法可用於補償此型機器之誤差之外，也可適用於不同構造，例如，具有水平臂或柱體之型式之測量機器。

該機器1係由一設有一經設計成支持被測量物件，亦即工件(未圖示)用之水平工作面3之平坦機床2，及一能對於此機床2沿座標軸移動之移動單元(組件)4所構成。

移動單元4包括一柱狀主載架5(以下有時簡稱「柱體5」)，可對於機床2沿一水平軸Y移動。該主載架5具有一對主柱6及7，及一跨騎於此對主柱6及7之間沿平行於一水平軸X之方向延伸之橫樑8。

移動單元4還包括一副載架9，由橫樑8攜載且可在此橫樑8上沿軸X移動；及一測量桿10，由副載架9攜載且可對此副載架9沿一正交於軸X及軸Y之垂直軸Z移動。

測量桿10之底端可能經由二軸關節裝置(未圖示)裝設有一接觸探針11。

柱體(主載架)5、副載架9及測量桿10可在各個電動馬達(未圖示)之控制下移動，各電動馬達則由一量測及控制單元12所控制。此量測及控制單元12連接至關聯於機器之各軸及探針11之位置轉換器(未圖示)，以便接收來自探針11之信號而能獲取機器各軸(X,Y,Z)之瞬間座標。

機器1設有幾何誤差補償系統，該幾何誤差本質上是已知的。補償係根據一經由傳統型測量機器之運動學模態(模式)決定之無負載狀態下之儲存圖13來完成的。

再回顧第1圖，就設置在工作面3上之一固定基準安置(靜置)位置REF係用來幾何補償該機器1。此外，還界定具有各軸分別平行於機器1之座標軸X,Y,Z且原點在基準安置位置REF點之笛卡兒座標基準系統x,y,z。

補償圖形係以習知方法獲得，因此，在此不另詳述。通常可藉檢測出適當的設定在彼此沿x,y,z軸相距一距離之多個設點上之誤差參數而獲得該補償圖形。對於上述每一設點進行相對於原點REF之位置量度之微分，例如，利用干涉儀；及進行傾斜量度之微分，例如，使用一定位在REF點上之固定傾斜儀及安置在移動單元4上之傾斜儀，便可獲得。

依照本發明，也提供另一種補償方法，此方法能更進一步測定機床2之變形效應。此變形係因設置在機床2上之移動單元4加於機床2上之負載所造成。為度量衡學上之目的，該效應基本上是工件之位置及角移姿態之幾何交變所造成，此交變相對於用來幾何補償該機器1之姿勢(姿態)基準REF而言是非常數的。

此幾何交變從第2圖及第3圖誇大表示之比較圖可以看出。從此二圖中，明顯可看出當移動單元4之位置在機床2發生變形之狀況下發生變化時，機床2上之工件W之位置及姿勢亦發生變化。

設已知機器之型式及其尺寸與重量特性之狀況下，由移動單元4之移動動作所造成之機床2之變形可藉由例如，使用一有限元件(finite－element)分析之數值模擬方法很精密的求出。

計算更能確定機床2所發生變形效應，換句話說即安置於工作面3上一已知位置之工件W之姿態變化(見第4圖)。

或者，在不同位置上之該工件W之同樣之姿態變化在機器之幾何補償作業進行中可由實驗檢測出來。

在任何情況下，一旦安置在工作面3上之工件W因機器之移動單元4之位置變化而發生之姿態變化已知，此等姿態之變化便被儲存在機器之補償圖形中，而可做為獨立之參數或做為對既存參數之追加校正。

使用上述參數，經實驗之變形現象之補償於是可獲得。

數值模擬能在機器中實行，例如，用下列方式中之一種：‧整化在該機器1之量測及控制單元12中之一有限元件模型及該對應之計算程式；在每一放置工件之位置，建立計算常式並運作；以及‧將包含先前已計算過一次且全部為一組預先界定之負載實況之機床變形資料之圖形儲存於該機器1之量測及控制單元12中。

以下所敘述者為構成前述之第二模態之具體實施形態之一例。

在此前提下，假設工件W之主要姿勢之變化是由機床2之變形所造成，且繞著水平軸(x及y軸)旋轉，至於其他之構件予以忽視時，該補償方法無論如何應可視為完全一般通用及可應用於任何變形之構件。

對x軸及y軸之旋轉，即當做縱搖(Pitch)及橫搖(Roll)來看，相當於通常使用之幾何補償所考量之相同旋轉如上面所述，且應瞭解其與固定在定點REF之基準系統x,y,z相關聯。

一旦機器1之幾何特性已知，使用有限元件計算法是可創造出一含有工作面之一串列特性點垂直位移值之圖形。上述特性點可例如，依以適當間距，例如，100mm(毫米)涵蓋整個工作面排列而成之一柵格G配置。

垂直位移係藉由施加以移動單元4之作用所生負載做為應力負載而計算出。此計算係於柱體(主載架)5之位置及副載架9之位置以大約一個移動節距(例如，100mm)沿著其各行徑移動變化時完成。

上述之位移也與相對於REF設點為固定之基準系統x,y,z相關。

由此產生之變形圖經儲存於機器之上述量測及控制單元12以做為已知機器模型之特性。

依本發明一較佳實施例，該方法面臨一串規定及前提，此等將能使任何工件W之實際安置模態被帶回至能代表使用所選定之特性點之一等效之標準模態。

上述標準安置模態應考量將是例如，下列各點：a)靜置(安置)於任意三點上；b)靜置於與XY軸平行之矩形之頂點之四點上；及c)能均勻分佈的靜置於與XY軸平行且大致為柵格之整數數目之網目之矩形面積上。

一旦標準安置模態已被界定，就有必要界定插值及計算規則，以為各種標準安置模態計算而求得工件之安置姿勢之變化，此變化被理解為是節距及搖動角度，做為機器載架之位置之函數。

上述規則可為例如，下列各點：－當為靜置點上之安置之情形時，該每個靜置點之位移藉由插入包含該靜置點在內之柵格網目之各頂點之位移而計算出。

－當為均勻分佈靜置於安置面積上之情形時，可根據分佈面積之各頂點之位移以計算出安置面積之旋轉。

如已知任何實際之靜置時，便能依下列處理步驟最終結果計算出工件之相當於縱搖及橫搖之轉動值，其步驟如下：．從變形圖形中抽出關聯於接近靜置點或面積之柵格點之垂直位移值。

．計算出靜置點(模態a及b)之垂直位移或靜置面積之多個頂點(模態c)垂直位移；及．計算出工件W之縱搖及橫搖之轉動(擺動)角度。

對一已知之工件W之位置(參照第4圖)，當然，結果可獲得及儲存一數據表，此數據表載列當柱體(主載架)5之位置(Y座標的)及副載架9之位置(X座標的)變化時之縱搖及橫搖之轉動(擺動)值。上述數據表之一例如第5圖所提示。

經如上述計算之旋轉係工件相對於用來幾何補償機器之姿勢基準(REF)之旋轉，且從工件之觀點可視為機器之柱體5之旋轉，於是相對於基準位置REF之柱體之姿勢便可獲知。

經如上計算而得之轉動值，於是可用來做為校正值(可適當設定信號)以更新機器之關聯於該柱體5之幾何補償圖形之部份，因此可校正就工件上實施之量測值。

更詳細言之，此方法可依第6圖之方塊流程圖所示處理程式來實施。

第一步驟之靜置模態資料輸入之方塊15能獲得有關工件靜置(安置)模態之資料。

獲取上述靜置模態資料之方式，可藉人工輸入來實行。特別是由操作者鍵入(藉一鍵盤或經由圖形介面鍵入)關於在特定情況之工件安置位置狀況之資料來達成：－從可用之標準模態中選擇出所要之靜置模態；－依照前面所選出之靜置模態，需要下列資料以供計算；．靜置點之座標；．矩形靜置面積之X及Y之限度；．負載之重心之座標；另一種可採取之方式為，用以獲取資料之上述步驟15可以是自動化達成，就在測量前之校準步驟期間，由測量機器所取得之各點可用來決定工件在工作面上之位置，以形成上述之配置模態b)及c)。

接下來，該控制流程進入後續之抽取資料之步驟(方塊)16，在此步驟中，從預先決定之變形圖14(見第1圖)中抽出涵蓋在該靜置模態中之柵格各點之垂直位移之資料。

再下來，控制器將資料傳遞至後續之處理方塊(步驟)17，該程式從預設之變形圖14(第1圖)中抽出於柱體5之位置變動時所產生縱搖及橫搖之轉動誤差供給每一基本負載條件(狀況)。

在下一步之方塊18之計算步驟時，計算出將用來校正幾何補償圖形之校正值，做為根據方塊16所決定之係數在方塊17中所得之轉動誤差之線性組合。

最後，在方塊18之步驟中，使用方塊17所得之校正值來校正幾何補償圖形，並藉此以計算出一經校正過之幾何補償圖形，此補償圖形不僅依機器之型式而不同，而且依被測量工件及該工件之靜置模態而不同。

在補償步驟期間被輸入及計算之資料組可予以儲存下來，以備下次在測量相似之工件之場合再使用。

經此流程之後，機器1即完成準備以便實施一測量週期。

第7圖之方塊圖即表示一工件之測量程序。

從測量方塊20中，機器1獲得「原始」座標，即未經補償之座標，因此，易受幾何性質之誤差左右。操作步驟進入方塊21，在此，該原始座標受到補償，補償方式類似傳統測量機器所發生者，但不同之處為，依本發明之補償方式係經由上述流程所得之已校正幾何補償圖形來進行。

結果，該測量在實驗下證實將可消除負面效應之現象。

因此，如此計算而得之經「校正過」之座標被儲存於方塊22中。

在測量之終了時，操作者能夠方便的在方塊23選擇是否繼續維持校正過圖形有效，以便測量同形式之另一工件之測量，否則再回到先前之狀態，即方塊24，以便重設定補償圖形。

因為在工作面上之工件之安置位置及可能之安置模態理論上無限，故本方法可包括指導工件安置情形之指示，做為前述課題之整合，以便使實際工作條件盡可能接近理論上模式所考量之工作條件，並基於此以進行補償。

從上述補償方法之特性之實驗，可明白該實驗方法所提供之利點很顯著。

尤其是，除了通常之幾何補償之外，還加上因機器之移動單元4之負載加諸機床2而造成機床2之變形所導致之幾何誤差亦同時被補償，因此，在此補償時，此方式能將依工件安置於機床上之靜置模態隨柱體5及副載架9之位置發生變化之工件之安置姿勢之變化列入考量。

最後，應明白以上所詳述之本發明在無違以下所限定之保護範圍下尚可做種種修飾及改變，特別是，雖然以上所舉述之本發明方法係就柱體旋轉(搖動)誤差之補償方法為例加以說明，但是很顯然的，本發明可延伸至移動單元施加之負載所引起任何幾何誤差之校正，在此一併說明。

1‧‧‧測量機器(機器)

2‧‧‧機床

3‧‧‧工作面

4‧‧‧移動單元(組件)

5‧‧‧主載架(柱體)

6,7‧‧‧主柱

8‧‧‧橫樑

9‧‧‧副載架

10‧‧‧測量桿

11‧‧‧接觸探針(探針)

12‧‧‧量測及控制單元

13‧‧‧儲存圖

14‧‧‧變形圖形

W‧‧‧工件

X,Y,Z‧‧‧機器之座標軸

x,y,z‧‧‧(基準系統)座標軸

15~18‧‧‧校正流程方塊

20~24‧‧‧測量流程方塊

REF‧‧‧基準安置位置

G‧‧‧柵格

第1圖表示依本發明方法運作之一測量機器之概略立體示意圖。

第2圖表示第1圖之機器其移動單元在第一個位置上引起機床變形之誇張側視說明圖。

第3圖表示第2圖之機器其移動單元在第二個位置上引起機床變形之誇張側視說明圖。

第4圖表示機器之機床在受到移動單元之重量而引起變形時之說明用立體圖。

第5圖表示列載機床之各特定點在機器之移動單元於一預設位置時之縱搖及橫搖轉動值之數據表。

第6圖表示本發明校正補償方法之流程方塊圖。

第7圖表示使用由本發明方法所得校正補償圖形之測量方法之流程方塊圖。

15~18 表示校正補償流程之各步驟方塊圖，其中

15‧‧‧安置模態資料輸入步驟

16‧‧‧從變形圖中抽取資料步驟

17‧‧‧對幾何補償圖形計算校正值

18‧‧‧計算出校正過幾何補償圖形步驟

Claims (11)

1. 一種測量機器之測量誤差之補償方法，該測量誤差係受到安置在機床上之機器移動單元之負載所引起機床之變形導致；其特徵在於，該方法包括：第一獲取資料之步驟，該步驟可獲取關聯於被測量工件安置在機床上之姿勢之第一資料；第二獲取資料之步驟，該步驟可獲取關聯於當機器之移動單元之位置變化時所生機床變形之第二資料；及第三計算校正值之步驟，根據由上述第一及第二步驟所取得之第一及第二資料以計算出校正值。
2. 依請求項1之補償方法，其中該第三步驟包括計算出用以校正先前儲存之幾何補償圖形之校正資料之步驟。
3. 依請求項1之補償方法，其中該第三步驟包括計算出工件在機床上之姿勢以做為上述第一及第二資料之函數之操作。
4. 依請求項3之補償方法，其中該工件之姿勢係根據與機床上之多個設點之位置一致之各該設點之垂直位移而計算出。
5. 依請求項4之補償方法，其中該等預設點係形成一在該機床之工作面上之柵格狀。
6. 依請求項1之補償方法，其中該第一步驟包括從複數個標準設置模態中選擇之步驟。
7. 依請求項6之補償方法，其中該標準設置模態包括至少一種靜置於三個點上之模態。
8. 依請求項6之補償方法，其中該標準設置模態包括至少一種靜置於由平行於工作面之二座標軸(X,Y)所形成矩形之四個頂點上之模態。
9. 依請求項6之補償方法，其中該標準設置模態包括至少一 種分佈靜置於由平行於工作面之二座標軸(X,Y)所形成之一矩形面積上之模態。
10. 依請求項1之補償方法，其中該校正值係基於僅考量工件相對於工作面之座標軸(X,Y)旋轉之一簡化模態計算而得。
11. 一種測量機器，係由：一機床及一用以帶動一測量傳感器對於該機床移動之移動單元所構成；其特徵在於：該機器包含一補償系統，用以補償肇因於受到安置在機床上之移動單元之負載造成機床變形所導致之測量誤差，而該補償系統係依照請求項1所述之方法操作者。