TWI468644B - 受到裝在機床上之被測量工件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

受到裝在機床上之被測量工件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被測量工件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。

現行之補償技術，在嚴格的幾何學本質方面而言，通常不將受到被測量工件之重量影響所造成機床之彈性變形所導致之測量誤差列入考量因素。當被測量工件具有相當可觀之重量時(例如，工件為模具、引擎部件、大型鑄件)，該誤差可是非可忽略的且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，在提案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工件之重量造成機器之變形所導致之測量誤差加以重視並予考量。

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被測量工件之負載所引起機床之變形導致者。其特徵在於，該方法包括：獲取資料之第一步驟，為獲取被測量工件之重量及該工件拘束在機床上之條件之相關資料；及計算校正值之第二步驟，根據由上述步驟所取得之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組件所構成；其特徵在於：該機器包含一補償系統，用以補償起因於受安置在機床上之被測量工件之負載造成機床變形所導致之測量誤差，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，標示符號1代表整個門型測量機器。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機器。

該機器1係由一設有一經設計成支持被測量物件(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組件4所構成。

移動組件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。

移動組件4還包括一副載架9，由橫樑8攜載且可在此橫樑上沿軸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度及控制單元12所控制。測量及控制單元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，一重疊在工作面3上之固定基準設定位置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且原點在基準設定位置REF點之笛卡兒座標基準系統x,y,z。

補償圖係以習知方法獲得，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軸相距一距離之多點上之誤差參數而獲得該補償圖。對於上述每一點進行相對於點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，使用一定位在點REF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，提案另一種補償方法，此方法能更進一步測定機床2之變形效應。此變形係因被測量工件安置在機床2上之負荷所造成。為度量衡學上之目的，該效應基本上是Y軸之幾何交變，即主載架5之門型外形結構之振動之結果所造成，做為其沿著移動路徑之位置之一函數。該振動從機床2上加載一重量W之第3圖與機床2上未加載之第2圖之誇大示意比較圖可突顯出。

由於機器之幾何誤差之關係所致Y軸之幾何上之變化，類似機器1之幾何補償之儲存圖13中所包含之在無負載情況下所決定者。由於重量關係所致之姿勢(形態)變化，例如，使用一有限單元(finite－－element)數值模擬模型計算出，因此能輸入存在之補償儲存圖中做為另加之校正值。

依此方式，在實驗下之變形現象之補償於是可獲得。

該數值模擬能在機器中實行，例如，下列方式中之一種：．整化在該機器1之量度及控制單元12中之一有限單元模式及該對應之計算程式；在每一放置工件之位置，建立計算常式並作業；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之量度及控制單元12中。

以下所敘者為構成前述之第二模式之具體實施形態之一例。

在此前提下，假設柱體5之主要姿勢之變化是由機床2之變形所造成，而繞著水平軸(x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考量是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，即當做縱搖及橫搖來看，相當於通常使用之幾何補償所考量之問題如上面所述，且應瞭解其與固定在定點REF之基準系統x,y,z相關聯。

對加載於機床2上之基本負載之一連串條件，使用有限單元計算法，此可創造出一含有柱體5之縱搖與橫搖之轉動值之圖形，做為沿柱體5之行徑之位置之函數。

舉例言，對基本負載狀況，可假定施加一單位垂直力F(例如1 kN)於工作面3(參照第1圖)上之與軸X及Y對正之具有預設間距(例如，100mm)之柵格上一點。對每一基本負載狀況，即，對每一施加屬於該柵格之單位力量之各點，於柱體5之位置沿著其本身之行徑(即，當Y值變化)而變化時，使用有限單元計算方法先予算出該柱體5之縱搖及橫榣之轉動值。

第4圖所示之曲線圖即表示在已知之基本負載條件下，柱體5在Y變化時發生縱搖及橫搖之轉動進展情形。

計算當載架5之位置因受到所有預設定之基本負載之條件(狀態)而變化所生縱搖及橫搖之轉動量，可創造出一預先界定之變形圖形14，並將此圖形14儲存於機器1之量度及控制單元12中以做為機器之已知模式之特徵。

至於實際負載狀況，其相當於將一被測量之已知工件置於機床上之狀況，將由並行作業以決定傳輸至機床上之點之場合的該負載之特徵(特性)集所界定，即：．工件之總重量及可能之支持與固定設備之總重量；．總負載之重心位置；及．工件之安置在工作面上之模態(各點之數目及位置或安置之面積)。

不同之安置點之位置，重心之位置等等，我們瞭解是相關於基準系統XY之座標。

依本發明一較佳實施例，該方法面臨一串規定及前提，此等將使實際負載之任何條件狀態能帶回至能代表使用基本負載之一等效條件。

基本負載條件應考量的是下列各點： a)靜置於任意三點上而具有重心在任何位置；b)靜置於與XY軸平行之矩形之頂點之四點上而具有重心在任何位置；c)靜置於n個點上而具有已知負載加載於其每一點上；d)能均勻遍佈的靜置於與XY軸平行，且大致為柵格之整數數目之網目之矩形面積上，而重心在任何位置；及e)均勻分佈的靜置於大致為棚格之整數網目上。

該規則可包含例如下列各點：－當一負載集中於一靜置點上之情形時，該負載被分解成四個力量加諸於包含該靜置點在內之柵格網目之各頂點，並且，例如，藉迫使每一網目平衡轉動及無關聯於通過負載加壓點之二軸且平行於網目之各邊之扭曲之情形下加以計算出負載。

－當負載均勻分佈於靜置網目上之情形時(見第5圖)，計算出加重於柵格之每一網目上之總負載，並將此總負載分解成四個相等之負載加諸於該網目之各頂點。

如已知基本負載之各種情形之線性組合時，便能計算出相當於主載架之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線性組合(基本負載之情形時係用單位力量)每一成分之縱搖及橫搖之轉動值；．根據該負載之有效值使成比例；．加總所有之成分以獲得總效應。

經如上計算而得之轉動值於是可用做為校正值(可適當設定信號)以更新機器之幾何補償圖形，然後校正工件上實施之量度。

更詳細言之，此方法可依第6圖之方塊圖所示處理流程程式來實施。

第一步驟之負載資料輸入之方塊15能獲得有關負載配置之形態。

獲取上述負載配置形態可藉人工輸入資料實行。特別是操作者鍵入(藉一鍵盤或經由圖形介面鍵入)關於在特定情形之負載狀況之資料達成：－加在機床上之總負載重量：藉人工輸入或其他確認根據CAD實體模形(如可利用的話)自動計算出之重量；－從可用之標準負載形態中選擇出所要負載形態；－依照前面所選出之負載形態，需要下列資料以供計算；．靜置負載點之座標；．靜置面積(如果是矩形)之X及Y之限度；．負載之重心之座標；．受到分佈負載之柵格之網目大小；．每靜置點之負載大小(在有n個靜置點之情形時)。

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，以形成上述之配置形b),c),e)。

接下來，該控制流程進入後續之負載資料處理步驟(方塊)16，在此步驟中，負載資料依據前述規則被處理以便決定代表輸入之標準負載所必要之負載條件，以及相當於該輸入之標準負載之基本負載之線性組合系數。

再下一個方塊(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19之步驟中，使用方塊18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，而且依負載 之特定條件，即依被測量工件及該工件之拘束條件而不同。

在補償步驟19期間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時再使用。

經此流程之後，機器1即準備為實施一測量週期。

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，故本方法可包括指示工件安置情形之指針，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，還加上因工件之負載造成機床之變形所導致之幾何誤差亦同時被補償，因此，在此補償時，此方式能將工件重量及工件加載於機床之拘束條件之二者皆列入考量。

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，雖然以上所述 之本發明係舉橋型測量機器為例加以說明，很顯然的，本發明完全是一般性的，而可應用於任何型之機器，甚至非笛卡兒座標式機器。

再者，本發明方法係就柱體旋轉誤差之補償方法為例加以說明，但是顯然的可延伸至工件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‧‧‧移動組件

5‧‧‧主載架(柱體)

6,7‧‧‧立柱

8‧‧‧橫樑

9‧‧‧副載架

10‧‧‧測量桿

11‧‧‧接觸探針(探針)

12‧‧‧量度及控制單元

13‧‧‧儲存圖

14‧‧‧變形圖形

W‧‧‧重量

X,Y,Z‧‧‧座標軸

x,y,z‧‧‧軸

15~19‧‧‧校正流程方塊

20~24‧‧‧測量流程方塊

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圖之機器在無負載下之側視說明圖。

第3圖表示第2圖之機器其機床受到置於其上之工件負載所造成幾何變化一代表例之說明圖。

第4圖表示機器之機床在有負載下沿其行進改徑時主載架產生縱搖及橫搖之轉動演變情形之曲線圖。

第5圖表示說明機床由於工件之重量所造成變形之立體說明圖。

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。

15~19 表示校正補償流程之各步驟方塊圖，其中

15‧‧‧負載資料輸入步驟

16‧‧‧負載資料處理步驟

17‧‧‧從變形圖形抽取資料步驟

18‧‧‧計算校正值步驟

19‧‧‧計算出校正過變形圖形步驟

Claims (12)

1. 一種測量誤差之補償方法，該測量誤差係在工件之負載下由測量機床上之變形所導致，該方法包括：獲取資料之第一步驟，獲取該工件之重量及該工件拘束在該機床上之條件之相關資料；及計算校正值之第二步驟，根據該資料以計算出校正值，其中，該第一步驟包括從複數個標準負載條件中選擇代表該工件之負載的標準負載條件；以及該第二步驟包括計算出關聯於在選取的標準負載條件代表的工件的負載之下機床上的變形之值，作為導因於預定基本負載條件之對應值的線性組合。
2. 依請求項1之補償方法，其中該第二步驟包括計算出用以校正先前儲存之幾何補償圖之校正資料之步驟。
3. 依請求項1之補償方法，其中該預定負載條件係藉由對該機床之工作面上之各個預設點施加一預設負載而界定。
4. 依請求項3之補償方法，其中該等預設點在該機床之工作面上界定柵格。
5. 依請求項1之補償方法，其中該標準負載條件包括至少一種停留於三個點上之狀態。
6. 依請求項1之補償方法，其中該標準負載條件包括至少一種停留於四個點上之狀態，該四點係位於定向成平行於工作面之二座標軸(X,Y)的長方形之頂點。
7. 依請求項1之補償方法，其中該標準負載條件包括至少一種停留於n個點上而其每一點上具有已知之負載之狀態。
8. 依請求項5之補償方法，其中該標準負載條件包括至少一種分佈停留於定向成平行於工作面之二座標軸(X,Y)且大致為該柵格之一整數個網目之一長方形面積上之狀態。
9. 依請求項5之補償方法，其中該標準負載條件包括至少一種均勻分佈停留於大致為該柵格之一整數個網目的面積之狀態。
10. 依請求項1之補償方法，其中該校正值係基於考量減少誤差成分數目之該機器之一簡化模式計算而得。
11. 依請求項3之補償方法，係用來補償在一笛卡兒測量機器上所發生之誤差，該機器包括：沿第一軸(Y)而相對於該工作面能移動之主載架，及由該主載架攜載且沿著與該第一軸(Y)正交且平行於該工作面的第二軸(X)而相對於此能移動的至少一第二副載架；其特徵為：該校正值係根據僅考量該主載架對上述軸(X,Y)之旋轉之該機器之一簡化模式計算而得。
12. 一種測量機器，包括：一機床及用以使測量傳感器相對於該機床移動之一移動組件；其特徵在於：該機器包含一補償系統，用以補償起因於受安置在機床上之被測量工件之負載造成機床變形所導致之測量誤差，該補償系統係依照請求項1至11項中任一項所述之方法操作。