TWI473966B - 座標測量機 - Google Patents

Description

座標測量機

本發明係有關座標測量機，尤指一種用來測量安放在機床上之工件之座標位置之測量機。

如眾所知，座標測量機一般係由一設計成用來支持被測量工件之機床及一用來帶動感測器相對於該機床移動之移動單元所構成。

大多數情形，此移動單元通常包括：一在機床上可沿平行於第一軸移動之第一載架，一由此第一載架攜載而可沿正交於第一軸之第二軸移動之第二載架，及一由此第二載架攜載而可相對於此或架沿正交於第一軸及第二軸之第三軸移動之第三載架。

具有如上述簡單說明之此種型式之座標測量機，其機床通常係由花崗石(granite)材製成，且具有用來承載工件及界定引導第一載架用導軌之雙重目的。

此種構成之測量機伴隨著下述種種缺點：第一點為，將工件定位或設置於機床上時，特別是工件本身之重量相當大時，會導致承載該工件之機床本身之變形，而此變形則會造成導軌之變形，遂引起測量之誤差，影響測量精度。

再則，移動單元之各個載架沿導軌之移動，特別是主載架之移動，會導致機床之變形，於是會改變工件之位置，此點決定了測量之進一步之誤差。

其他之缺點為，關連於使用花崗石材製成之機床所帶來之成本、重量及很難在短時間內供應花崗石之問題。

為解決至少關連於工件之重量之部份問題，有人提案將花崗石機床切離支承結構之解決方案。

世界專利WO 89/03505所揭示之測量機包括一帶有引導移動單元用之導件，導件上安置有花崗石製工作台。

又，GB-A-2080964專利公報揭示之測量機，其具有由硬質石材料製成之工作台藉由定位元件保持不動因而不傳遞應力的拘束在其下面之金屬底座上，此金屬底座設有導件以引導移動單元。

上述測量機之機床之兩種解決方案，皆需相當複雜及高成本之基座結構，且任一種情況下，皆使用花崗石工作台，而具有由此所帶來之所有前述之缺失問題。

本發明之目的在提供一種座標測量機，能免除關連於先前技術及前面所討論之各種缺失問題。

前述目的，可由依本發明申請專利範圍第1項所述之座標測量機來達成。

為了更詳細了解本發明，以下將依照附圖就本發明之非限定實施例具體詳細說明。

請參照第1圖，本發明之座標測量機，整體以符號1表示，在此實施例中，此測量機為橋式測量機。

測量機1係由：一設有經設計成用來支持一被測量之目的物(未圖示)之水平工作面3之機床2，及一對此機床2可相對沿座標軸移動之移動單元4所構成。

移動單元4包括一主橋式載架5(以下為簡化起見稱為「橋架5」)，此主橋式載架5可對於機床2沿一水平軸Y移動。此主橋式載架5設有一對豎柱6及7及一跨接於二豎柱6與7之間而沿平行於與上述水平軸Y垂直之水平軸X延伸之橫樑8。

移動單元4尚包括一副載架9，由橫樑8携載並可在該橫樑本身上沿軸X移動；及一測量柱10，由副載架9携載並可 對該副載架9沿一正交於上述軸X及Y之垂直軸Z移動。

測量柱10之底端安裝有一探測針(未圖示)，可能藉由二軸關節裝置(未圖示)安裝。

主橋式載架5、副載架9及測量柱10分別可藉由各對應之電動馬達(均未圖示)控制而移動，接著由一測量及控制單元(未圖示)來控制。後者連接至相關於測量機之各軸及探測針之位置感測器，以便接收來自探測針之有效信號而獲得機械各軸之瞬間座標。

第二圖及第三圖乃顯示機床2之更詳細構造。

機床2主要係由一周邊形成有導軌16a,16b,16c以供主橋式載架5能沿平行於Y軸之方向移動之長方形金屬框體15，及一收容在此框體15內之方便的由混凝土製成之工作台17所構成。

更詳細言之，框體15係由一對平行於Y軸之縱向型材構件18、19及一對平行於X軸之橫向型材構件20、21構成長方形。

上述型材構件18、19、20、21藉由包括例如：補強板23及固緊螺絲24之傳統型之連結組件22彼此連接固定在框體15之周邊。

型材構件19、20及21可具有工字型斷面，而型材構件18則宜具有中空矩型斷面且附載有一頂面導軌16a及一側面導軌16b；另有第三導軌16c載置於型材構件19之頂面。

工作台17係可橫向移動的容設在框體15之內部，其頂面宜覆設或被覆一層花崗石之頂面層17a以形成測量機1之工作面3。

框體15及工作台17係由三個一般支撐件25、26、27支撐，其中兩個支撐件25、26配置在型材構件18之接近兩端，其餘之一個支撐件27設置在型材構件19之中間處。

如第5圖所清楚表示，支撐件25、26、27各由一支腳28及一藉由避震支撐墊30固定在支腳28上之座板29所構成。

座板29於第5圖中從平行於Y軸之方向觀之呈大致為L字形，具有一端固定在支腳28上之水平部33及從此水平部33之相反端向上延伸之垂直部34。

框體15係牢固的固定在各個座板29之垂直部34上面。

工作台17係藉由設計成能將工作台17之變形自框體15之變形切離之規制裝置35支承於座板29之水平部33。

理論上，為獲得工作台17與框體15間之完全脫離，將規制裝置35做靜態式決定是有必要的。在實際上，假如工作台17與框體15間之相對位移可以忽視，規制裝置35即可做靜態式非決定，譬如說，如第5圖所示及下文將更詳細之說明，提供了工作台17與框體15能做至少是相對旋轉。

請參照第5圖之局部放大詳細圖，每一規制裝置35例如可由一固定在各個座板29上之凸型球面44，及一形成在工作台17上且具有曲率半徑大於凸型球面44之凹型球面45所構成，藉此構成而能阻止任何線性位移，但不阻止相對旋轉。

凸型球面44可方便的由固定在座板29之支柱46之頂端表面形成，最好是能沿垂直方向做軸向調節自如。

如果相對線性位移不能忽略之情形時，那就需要提供規制裝置之一靜態式決定系統。

一般而言，規制裝置之靜態式決定系統是如此的，即假如排除工作台17與框體15間之相對運動之所有及唯有之六個自由度(six degree of freedom)。

為消除該六個自由度，通常必需使用三個規制裝置：一個規制裝置消除三個自由度，另一個消除二個自由度，第三個則消除餘下之一個自由度。

靜態式決定之規制裝置之實施例將於下文參照第6圖至第11圖之具體實例詳細說明。

第6、7及8圖顯示機床2之第二實施例。

機床2仍然包括一矩形金屬框體15，然而，在此實施例中，工作台17係由也具有支撐框體15之功能之混凝土製底座36之一體成型之頂部構成。

底座36實際上具有一對分別配置在型材構件18、19下面之底部側面突緣37、38。

靜態式決定之規制裝置35係固定在側面突緣37、38與各對應之型材構件18、19之間。

依此實施例，該規制裝置35如第7及8圖所示，包括：一配置在支撐件25之垂直上方之第一關節式規制部39，一配置在支撐件26之垂直上方之第二滑動規制部40，及一配置在支撐件27之垂直上方之第三簡單軸承規制部41。

第一規制部39可由例如固定在底座36上向上突出之凸型球面44，及設在框體15之型材構件18上且具有曲率半徑大於凸型球面44之凹型球面45形成。凸型球面44可由固定在底座36上之支柱46頂端成形，最好是可垂直方向調節高度自如，此種規制裝置可消除直線位移之三個自由度，但無法消除兩者間之相對旋轉。

第二規制部40可由例如能配合框體15之型材構件18之下面所設凹槽48之凸型球面47所形成，凹槽48具有V型凹入之橫截面且沿Y軸平行延伸。此種規制構造可消除二個自由度，即阻止任何平行於X軸及Z軸之位移。

第三規制部41可由固設在底座36上向上突出之凸型球面49所形成，而框體15之型材構件19係放置在此球面49上，此種規制構造可阻止唯一垂直位移。

以上所述之所有規制裝置對於垂直方向之位移皆為單向規制，蓋因工作台之本身重量已足以阻止二球面間脫離方向之任何相對之垂直位移之故。

各球面47、49很方便的可直接形成在固定在底座36之各對應支柱46之頂端表面，最好是可沿垂直之軸向調節自如。

第9圖及第10圖表示第5圖所示機床2之一變形例。在此例中，座板29係由一平板50構成，第一規制裝置39係由具有平行於Y軸之水平樞軸之鉸鏈所構成，而第三規制裝置41係一種卡爾旦型(Cardan type)，即，其能蹺著X軸及Y軸相對旋轉且對此二軸亦能相對位移之裝置。第二規制裝置40在圖中並未詳細表示，在此例中只是將工作台靜置在支撐件上之構成而已。

第11圖表示對第5圖所示構造之另一種變形例，在此例中座板29係與框體15一體形成。

就依照本發明之構造構成之測量機1之特性進行實驗之結果，證實本發明能達成下列優點及功效：第一點為幸虧機床之複合結構，而能使移動單元因其位置變動而施加可變負載於導軌所造成之變形及由於被測量工件之重量加諸於機床所造成之變形兩者完全脫離關係。

使導軌之作用與工件之作用之間不耦合(即脫離)，即可避免使用高昂且得來不易之大表面之花崗石，換言之，可使用較輕、較小面積之花崗石。

因為只有在測量作業周期方有需要，其他之時間並不需要求尺寸上之穩定度，故該工作台(或者在第6圖至第8圖之解決方案之情況時之底座)至少可採用諸如混凝土或其他非金屬可澆注材料等廉價普遍之一種材料(即，除了可能需要之頂面被覆層之外)製成。上述非金屬可澆注材料可為例如，一種含有適當填充料之熱塑性樹脂。而框體15則可採用金屬結構構件製成。

如是之故，機床之整體成本變成非常低，而且整體重量減輕。

最後，我們可清楚瞭解上述測量機1在無背離以下申請專利範圍所欲保護之範圍之外尚可做種種修飾、改造及變更。特別是，所舉述之測量不限於橋型，可為其他任何型式之測量機。尤其是，此測量機1亦可為水平測量臂型，即：包括：一可沿機床之長向軸移動之豎柱形主載架，一可沿該豎柱形主載架垂直方向移動之副載架，及一可沿垂直於機床之長向軸之本身軸心軸向移動之水平測量臂。

此外，框體15亦可採用複數支由複合材料或石材製成之樑材製成，以取代前述之金屬型材構件。

1‧‧‧測量機

2‧‧‧機床

3‧‧‧工作台面

4‧‧‧移動單元

5‧‧‧主橋式載架

6,7‧‧‧豎柱

8‧‧‧橫樑

9‧‧‧副載架

10‧‧‧測量柱

15‧‧‧框體

16a,16b,16c．．．導軌

17．．．工作台

18,19,20,21．．．型材構件

22．．．連結組件

23．．．補強板

24．．．螺絲

25,26,27．．．支撐件

28．．．支腳

29．．．座板

30．．．支撐墊

33．．．水平部

34．．．垂直部

35．．．規制裝置

36．．．底座

37,38．．．側面突緣

39．．．第一規制裝置

40．．．第二規制裝置

41．．．第三規制裝置

45．．．凹型球面

46．．．支柱

48．．．凹槽

50．．．平板(座板)

第1圖為依本發明之座標測量機之立體圖；第2圖為第1圖之測量機為了清楚表示將部份構件切除後之機床之立體圖；第3圖為從第2圖之機床之下面所視立體圖；第4圖為第2圖之機床之概略俯視圖；第5圖為沿第4圖之V-V線剖切之概略剖視圖；第6圖為本發明第二實施例之機床之概略俯視圖；第7圖為沿第6圖之Ⅶ-Ⅶ線剖切之剖視圖；第8圖為沿第6圖之Ⅷ-Ⅷ線剖切之剖視圖；第9圖為本發明第三實施例之機床之類似第5圖之剖視圖；第10圖為第9圖之細部之局部剖開立體圖；第11圖為本發明第四實施例之機床之類似第5圖之剖視圖。

4‧‧‧移動單元

5‧‧‧主橋型載架

15‧‧‧框體

16a,16b,16c‧‧‧導軌

17‧‧‧工作台

18,19‧‧‧型材構件

25,27‧‧‧支撐件

28‧‧‧支腳

29‧‧‧座板

30‧‧‧支撐墊

33‧‧‧水平部

34‧‧‧垂直部

35‧‧‧規制裝置

44‧‧‧凸型球面

45‧‧‧凹型球面

46‧‧‧支柱

Claims (10)

1. 一種座標測量機，係由：一形成有沿第一軸向延伸之導軌(16a,16b,16c)之機床(2)，及一含有至少一可沿該等導軌(16a,16b,16c)移動之主橋式載架(5)之移動單元(4)所構成；該機床(2)係由一設有上述各導軌(16a,16b,16c)之四周呈封閉之框體(15)，及一具有至少部份容設在上述框體(15)內之工作台(17)所構成；而該工作台(17)及該框體(15)係藉由規制裝置(35,39,40,41)相互被拘束規制，如此可斷離該工作台與該框體兩者所生之變形，特徵在於：該工作台(17)係由至少是普遍使用之一種可澆注非金屬材料製成，以及該周邊框體(15)具有一矩形，且係由多個互相牢固連結一起之金屬型材構件(18,19,20,21)所構成。
2. 依請求項1之座標測量機，其中該規制裝置係以靜態決定。
3. 依請求項2之座標測量機，其中該規制裝置包括：一可消除三個自由度之第一規制裝置(39)，一可消除二個自由度之第二規制裝置(40)，及一可消除一個自由度之第三規制裝置(41)。
4. 依請求項1之座標測量機，其中該隨伴著上述變形而在該工作台與該框體之間之位移係可忽視的，此測量機之特徵在於：該測量機包含一可消除位移之自由度之靜態決定規制裝置之系統。
5. 依請求項1之座標測量機，其中該材料係混凝土。
6. 依請求項1之座標測量機，其中，該工作台係由牢固固定在上述框體之支撐座板(29)介以上述規制裝置支撐在該框體。
7. 依請求項6之座標測量機，其中該支撐座板係與上述框體形成一體。
8. 依請求項1至5中任一項之座標測量機，其中，該工作台係由一底座(36)上之形成一體之頂面部所構成，而該框體係由該底座之側面凸緣(37,38)經由上述規制裝置(39,40,41)所支撐。
9. 依請求項1之座標測量機，其中，該測量機係由第二種材料 製成且形成該測量機之工作面(3)之頂面層(17a)。
10. 依請求項9之座標測量機，其中，該第二種材料係花崗石。