TWI500474B - 工具機刀具的補償量測方法及其系統 - Google Patents

Description

工具機刀具的補償量測方法及其系統

本提案係關於一種量測方法及其系統，尤其是一種工具機刀具的補償量測方法及其系統。

近幾年來多家工具機廠商紛紛推出搭配智能化系統的五軸加工機、車銑複合加工機等產品。其中機構移動件的防碰撞問題，對於加工機來說是很重要的議題。當機構及加工曲面的複雜性增加，又因為程式規劃的問題，容易造成過切，甚至是刀具、工件的損壞，再加上如果撞機後，機構件的精準度容易發散，很難調回出機前的情況。

因此，發展防碰撞的裝置是勢在必行，其中防碰撞裝置分為硬體監控防碰撞與3D防碰撞軟體，硬體監控防碰撞是使用感測器裝設在主要的位置，並且把訊號送回控制器，進行防碰撞應對措施。3D防碰撞軟體是採用階層式邊界體積運算來設計防碰撞機制，透過機台相關資料，再依據加工情況，調整3D包絡體積的大小，來預知碰撞的可能性，進而發出警報，中止加工進行。

以往在3D防碰撞軟體上，需由使用端設定刀具長度及相對於刀座基準點的偏移量，3D防碰撞軟體才能精確繪出刀具及機台間的幾何關係，並依加工程序進行干涉檢查，對於使用者而言，極為不便。另外，傳統的工具機刀具系統中，通常會有一夾爪及一刀具基台。夾爪能夠夾置一工件，以對工件進行加工。刀具機台 具有多個刀座，於使用工具機刀具系統時，刀具裝設於刀座之中。並選擇其中一刀座中的一刀具對工件進行加工。

進行加工前，一模擬單元會對此刀具對工件加工的情形進行模擬。之後，再依據模擬結果使用刀具對工件加工。然而，在刀具裝設於刀座時，可能會產生裝配上的偏移誤差。因此，在模擬過程中，可能會出現不精準的模擬結果。依據此模擬結果使用刀具對工件加工，可能會出現更不精準的加工結果。而每個刀座上的刀具可能都具有不一樣的偏移誤差。再以多種不同的刀具加工後，工件的誤差會更加放大，而容易造成失敗的加工成品。

有鑑於上述問題，本提案提供一種工具機刀具的補償量測方法及其系統，藉由量測裝配補償長度及裝配刀具長度，並將二者輸入模擬單元及運動控制單元，以提升刀具加工中模擬及加工的準確度，並簡化量測作業流程。

本提案提供一種工具機刀具的補償量測方法，包含下列步驟。選擇至少一刀座，以刀座的第一基準點設定一第一座標，刀座的第一基準點至刀座端面之間具有一刀座裝配總長。選擇至少一刀具，以刀具裝配在刀座，刀具包括一刀具總長。提供一量測單元，以量測單元的第二基準點設定一第二座標。沿著至少一軸向移動刀座，使刀具的加工端接觸到第二座標，以取得第一座標與第二座標於軸向之間的相對總長。以相對總長與刀具總長相減得到一裝配補償長度，以相對總長與刀座裝配總長相減得到一裝 配刀具長度。

本提案還提供一種工具機刀具的補償量測系統，係將至少一刀具裝配在一至少刀座上，系統包含一運動控制單元、一模擬單元、一機台儲存單元、一刀具儲存單元及一量測單元。運動控制單元用以控制刀座的位移運動。模擬單元用以顯示刀具與刀座的模擬運動。機台儲存單元用以儲存刀座的一刀座裝配總長。刀具儲存單元用以儲存刀具的一刀具總長。量測單元用以量測刀具與刀座的實際位置，依據刀座裝配總長得到一裝配刀具長度，並輸入至模擬單元，依據刀具總長得到一裝配補償長度，並輸入至運動控制單元及模擬單元。

根據本提案之工具機刀具的補償量測方法及其系統，能夠在量測一次相對總長時，一併得到裝配刀具長度及裝配補償長度。模擬單元能藉由裝配刀具長度及裝配補償長度描繪3D模擬的加工過程及結果，運動控制單元能藉由裝配補償長度校正數值控制(Numerical Control)加工的補償量，進而提升刀具加工中模擬及加工的準確度。

以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之精神與原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何本領域中具通常知識者了解本提案之技術內容並 據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何本領域中具通常知識者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本提案之觀點，但非以任何觀點限制本提案之範疇。

請參照第1圖，繪示本提案之實施例之工具機刀具的補償量測系統10之架構圖。工具機刀具的補償量測系統10包含一運動控制單元11、一模擬單元12、一機台儲存單元13、一刀具儲存單元14、一量測單元15及一中央處理單元16。

運動控制單元11連接中央處理單元16，且運動控制單元11用以控制工具機機台的運動控制及座標維護。舉例來說，運動控制單元11可控制至少一刀座20於X、Y、Z軸的位移運動，且每個刀座20皆裝配有一刀具21。

模擬單元12連接中央處理單元16，且模擬單元12包括一運算單元121及一顯示單元122。運算單元121提供3D幾何繪圖功能，例如計算刀座20及其刀具21於切削狀態中的模擬運動流程。並由顯示單元122建構刀座20及其刀具21於3D切削及防碰撞的模擬狀況。

機台儲存單元13連接中央處理單元16，且機台儲存單元13提供工具機機台資料儲存，而機台資料可包括但不限於機台幾何構型、機構運動鏈、刀具模組、夾具模組、工件模組等，做為建置線上切削模擬及防撞所需之幾何資訊。在本實施例中，可將至少一刀座20的幾何資料，例如每個刀座20的一刀座裝配總長的 數據儲存在機台儲存單元13。

刀具儲存單元14連接中央處理單元16，且刀具儲存單元14儲存多種規格刀具的幾何資料及其量測後的補償資料，例如每個刀具21的一刀具總長的數據儲存在刀具儲存單元14。

量測單元15連接中央處理單元16，且量測單元15將所量測後的實際裝配刀具長度及補償資料提供給中央處理單元16進行干涉檢查及運動控制單元11執行刀具21於加工中的補償。

中央處理單元16執行材料移除及機台運動之運算，並將運算資料以運算單元121進行3D繪圖運算描繪，最後顯示於顯示單元122。

以下就補償量測方法作一說明，請參照第2圖，繪示第1圖之刀具21於理想狀態裝設於刀座20的示意圖。為了便於說明，圖中所標示之X、Y、Z分別為X軸方向、Y軸方向與Z軸方向，且X軸方向、Y軸方向與Z軸方向係相互垂直。

於理想狀態下，刀具21之安裝部210裝設於刀座20之第一基準點所設置的一第一座標A。以Z軸向來看，刀具21的第一加工端211與第一座標A之間的距離等於刀具21的刀具總長L2。以Y軸向來看，刀具21之第二加工端212與第一座標A重合。

然而，通常再將刀具21裝設於刀座20時，往往無法達到此理想狀態而有所偏差。故以本提案的補償量測方法量測此偏差量，以利後續模擬及加工時的對刀具21的位置進行補償，而能避免因此偏差量造成模擬及加工的誤差。

請參照第3圖，繪示應用於第1圖之工具機刀具的補償量測系統10執行Z軸向之工具機刀具的補償量測方法之的示意圖。沿著Z軸向，工具機刀具的補償量測方法之步驟如下所述。

經由機台儲存單元13，以預先儲存各個刀座20的刀座裝配總長L1。並經由刀具儲存單元14，以預先儲存各個刀具21的刀具總長L2。於具有多個刀座20的機台(未繪示)上選擇一刀座20。以這個刀座20的第一基準點設定第一座標A。並沿著Z軸向，取得刀座20的第一基準點至刀座端面201之間的刀座裝配總長L1。並將每個刀座20所得的刀座裝配總長L1分別儲存在機台儲存單元13中。

再選擇一刀具21，將刀具21裝配在刀座20。同樣的，沿著Z軸向，取得刀具21的刀具總長L2。並將每個刀具21所得的刀具總長L2分別儲存在刀具儲存單元14中。

提供一量測單元15，以量測單元15的第二基準點設定一第二座標B。量測單元15具有一第一基準面151，並使第一基準面151之Z軸向座標值與第二座標B之Z軸向座標值相同。舉例而言，若第二座標B的座標為(xB,yB,zB)，則第一基準面151為Z=zB之面。

先以量測單元15的第二基準點做為第二座標B，再將刀座20的第一座標A(第一基準點)與第二座標B(第二基準點)以虛擬的方式相互重疊。沿著Z軸向，藉由運動控制單元11控制刀座20移動，使刀具21的第一加工端211接觸到第一基準面151。因 此，中央處理單元16能根據第一座標A與第二座標B於Z軸向之間的差值取得一相對總長L0(請參閱第3圖所示)。

接著，中央處理單元16從機台儲存單元13中取得刀座20的刀座裝配總長L1，從刀具儲存單元14中取得刀具總長L2。中央處理單元16以相對總長L0與刀座裝配總長L1相減得到一裝配刀具長度L3。中央處理單元16以相對總長L0與刀具總長L2相減得到一裝配補償長度L4。

是以，沿著Z軸向，可取得刀具21實際的裝配刀具長度L3，以及刀具21偏位安裝在刀座20的裝配補償長度L4。並由中央處理單元16將裝配刀具長度L3輸入至模擬單元12，將裝配補償長度L4輸入至運動控制單元11及模擬單元12。

請參照第4圖，繪示應用於第1圖之工具機刀具的補償量測系統10執行Y軸向之工具機刀具的補償量測方法的示意圖。沿著Y軸向，工具機刀具的補償量測方法之步驟如下所述。

同樣以此刀座20的第一基準點設定第一座標A，並以量測單元15的第二基準點設定第二座標B。量測單元15具有一第二基準面152。第二基準面152之Y軸向座標值與第二座標B之Y軸向座標值相同。舉例而言，若第二座標B的座標為(xB,yB,zB)，則第二基準面152為Y=yB之面。

先以量測單元15的第二基準點做為第二座標B，再將刀座20的第一座標A(第一基準點)與第二座標B(第二基準點)以虛擬的方式相互重疊。沿著Y軸向，藉由運動控制單元11控制刀座 20移動，使刀具21的第二加工端212接觸到第二基準面152。因此，中央處理單元16能根據第一座標A與第二座標B於Y軸向之間差值取得一相對總長W0。

接著，中央處理單元16從機台儲存單元13中取得Y軸向的刀座裝配總長為零，從刀具儲存單元14中取得Y軸向的刀具總長為零。是以，沿著Y軸向，中央處理單元16得到裝配刀具長度W1等於相對總長W0，以及得到裝配補償長度W2等於相對總長W0。

因此，沿著Y軸向，可取得刀具21在偏位安裝的裝配刀具長度W1及裝配補償長度W2。並由中央處理單元16能將裝配刀具長度W1輸入至模擬單元12，將裝配補償長度W2輸入至運動控制單元11及模擬單元12。

另外，當工具機刀具的補償量測系統10執行X軸向之工具機刀具的補償量測方法時，能根據與Y軸向之工具機刀具的補償量測方法相同的方法執行。

當中央處理單元16計算各軸向的裝配刀具長度L3、W1及裝配補償長度L4、W2提供至模擬單元12進行運算後，以運算單元121描繪刀座20及其刀具21的3D加工及防碰撞的模擬作業中，依據各軸向的裝配刀具長度L3、W1及裝配補償長度L4、W2，對各個軸向進行偏移補償及校正，以獲得較精準的模擬結果。再藉由模擬單元12之顯示單元122，顯示模擬結果。

當中央處理單元16將各軸向的裝配補償長度L4、W2輸入至 運動控制單元11後，運動控制單元11能夠在控制刀具21進行加工時，獲得較準確的刀具21實際位置，且藉由裝配補償長度L4、W2校正加工的補償量。藉此，使刀具21進行加工時，獲得較精準的加工結果。

請參照第5圖，繪示應用於本提案之另一實施例之工具機刀具的補償量測系統執行Z軸向之工具機刀具的補償量測方法的示意圖。於本實施例中，工具機刀具的補償量測系統大致與第1圖之工具機刀具的補償量測系統10相同。但本實施例之量測單元15設置於一夾爪30中，且量測單元15之第二座標B位於夾爪30的第二基準點。夾爪30還夾置一工件40。工件40之軸心S與量測單元15之第二座標B重合。工件40具有一工件長度D及一工件半徑R。

於此實施例中，運動控制單元11先控制刀座20使第一座標A及第二座標B於Z軸向座標以虛擬的方式相互重疊。運動控制單元11再控制刀座20沿著Z軸向移動，使刀具21的第一加工端211接觸到工件40之一側面41。因此，中央處理單元16能根據第一座標A與第二座標B於Z軸向之間差值取得一相對總長L0。中央處理單元16從機台儲存單元13中取得刀座Z軸向的刀座裝配總長L1，從刀具儲存單元14中取得Z軸向的刀具總長L2。中央處理單元16以Z軸向的相對總長L0減去Z軸向的刀座裝配總長L1再減去工件40的工件半徑R，能得到Z軸向的一裝配刀具長度L3。中央處理單元16以Z軸向的相對總長L0減去Z軸向的刀 具總長L2再減去工件40的工件半徑R，能得到Z軸向的一裝配補償長度L4。因此，能夠於此次執行Z軸向之工具機刀具的補償量測方法中，便得到Z軸向的裝配刀具長度L3及裝配補償長度L4。中央處理單元16能將Z軸向的裝配刀具長度L3輸入至模擬單元12，且將Z軸向的裝配補償長度L4輸入至運動控制單元11及模擬單元12。

請參照第6圖，繪示應用於第5圖之工具機刀具的補償量測系統執行Y軸向之工具機刀具的補償量測方法的示意圖。運動控制單元11先控制刀座20使第一座標A及第二座標B於Y軸向座標以虛擬的方式相互重疊。運動控制單元11再控制刀座20沿著Y軸向移動，使刀具21的第二加工端212接觸到工件40的一端面42。因此，中央處理單元16能根據第一座標A與第二座標B於Y軸向之間差值取得一相對總長W0。中央處理單元16從機台儲存單元13中取得Y軸向的刀座裝配總長為零，從刀具儲存單元14中取得Y軸向的刀具總長為零。中央處理單元16以Y軸向的相對總長W0減去Y軸向的刀座裝配總長再減去工件40的工件長度D，得到Y軸向的一裝配刀具長度W1。中央處理單元16以Y軸向的相對總長W0減去Y軸向的刀具總長再減去工件40的工件長度D，得到Y軸向的一裝配補償長度W2等於裝配刀具長度W1。因此，能夠於此次執行Y軸向之工具機刀具的補償量測方法中，便得到Y軸向的裝配刀具長度W1及裝配補償長度W2。中央處理單元16能將Y軸向的裝配刀具長度W1輸入至模擬單元12， 且將Y軸向的裝配補償長度W2輸入至運動控制單元11及模擬單元12。

另外，當工具機刀具的補償量測系統執行X軸向之工具機刀具的補償量測方法時，能根據與Y軸向之工具機刀具的補償量測方法相同的方法執行。

綜上所述，本提案之工具機刀具的補償量測方法及其系統，能夠在量測一次相對總長時，一併得到實際的裝配刀具長度及裝配補償長度。因此能夠節約工具機刀具的補償量測方法的量測時間。模擬單元能藉由裝配刀具長度及裝配補償長度描繪模擬的過程及結果，運動控制單元能藉由裝配補償長度校正加工的補償量。因此，工具機刀具的補償量測方法及其系統能提升刀具加工中模擬及加工的準確度。

雖然本提案以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案。在不脫離本提案之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本提案之專利保護範圍。關於本提案所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10‧‧‧工具機刀具的補償量測系統

11‧‧‧運動控制單元

12‧‧‧模擬單元

121‧‧‧運算單元

122‧‧‧顯示單元

13‧‧‧機台儲存單元

14‧‧‧刀具儲存單元

15‧‧‧量測單元

151‧‧‧第一基準面

152‧‧‧第二基準面

16‧‧‧中央處理單元

20‧‧‧刀座

201‧‧‧刀座端面

21‧‧‧刀具

210‧‧‧安裝部

211‧‧‧第一加工端

212‧‧‧第二加工端

30‧‧‧夾爪

40‧‧‧工件

41‧‧‧側面

42‧‧‧端面

A‧‧‧第一座標

B‧‧‧第二座標

D‧‧‧工件長度

L0‧‧‧相對總長

L1‧‧‧刀座裝配總長

L2‧‧‧刀具總長

L3、W1‧‧‧裝配刀具長度

L4、W2‧‧‧裝配補償長度

R‧‧‧工件半徑

S‧‧‧軸心

W0‧‧‧相對總長

第1圖繪示本提案之實施例之工具機刀具的補償量測系統之架構圖。

第2圖繪示第1圖之刀具於理想狀態裝設於刀座的示意圖。

第3圖繪示應用於第1圖之工具機刀具的補償量測系統執行Z軸向之工具機刀具的補償量測方法的示意圖。

第4圖繪示應用於第1圖之工具機刀具的補償量測系統執行Y軸向之工具機刀具的補償量測方法的示意圖。

第5圖繪示應用於本提案之另一實施例之工具機刀具的補償量測系統執行Z軸向之工具機刀具的補償量測方法的示意圖。

第6圖繪示應用於第5圖之工具機刀具的補償量測系統執行Y軸向之工具機刀具的補償量測方法的示意圖。

10‧‧‧工具機刀具的補償量測系統

11‧‧‧運動控制單元

12‧‧‧模擬單元

121‧‧‧運算單元

122‧‧‧顯示單元

13‧‧‧機台儲存單元

14‧‧‧刀具儲存單元

15‧‧‧量測單元

16‧‧‧中央處理單元

20‧‧‧刀座

21‧‧‧刀具

Claims (14)

1. 一種工具機刀具的補償量測方法，包含下列步驟：選擇至少一刀座，以該刀座的第一基準點設定一第一座標，該刀座的第一基準點至刀座端面之間具有一刀座裝配總長；選擇至少一刀具，以該刀具裝配在該刀座，該刀具包括一刀具總長；提供一量測單元，以該量測單元的第二基準點設定一第二座標；沿著至少一軸向移動該刀座，使該刀具的加工端接觸到該第二座標，以取得該第一座標與該第二座標於該軸向之間的一相對總長；以及以該相對總長與該刀具總長相減得到一裝配補償長度，以該相對總長與該刀座裝配總長相減得到一裝配刀具長度。
2. 如請求項1所述之工具機刀具的補償量測方法，還包括經由一機台儲存單元，以預先儲存該刀座裝配總長。
3. 如請求項2所述之工具機刀具的補償量測方法，還包括經由一中央處理單元，以從該機台儲存單元取得該刀座裝配總長，並以該相對總長與該刀座裝配總長相減得到該裝配刀具長度。
4. 如請求項1所述之工具機刀具的補償量測方法，還包括經由一刀具儲存單元，以預先儲存該刀具總長。
5. 如請求項4所述之工具機刀具的補償量測方法，還包括經由一 中央處理單元，以從該刀具儲存單元取得該刀具總長，並以該相對總長與該刀具總長相減得到該裝配補償長度。
6. 如請求項1所述之工具機刀具的補償量測方法，其中該量測單元具有一基準面，該基準面相對於該軸向之座標值與該第二座標相對於該軸向之座標值相同，該刀具的加工端接觸到該第二座標時接觸該基準面，以取得該第一座標與該第二座標於該軸向之間的該相對總長。
7. 如請求項1所述之工具機刀具的補償量測方法，還包括提供一模擬單元，以依據該裝配刀具長度及該裝配補償長度顯示該刀具與該刀座的模擬運動。
8. 如請求項1所述之工具機刀具的補償量測方法，還包括提供一運動控制單元，以依據該裝配補償長度控制該刀座於一加工流程的位移運動。
9. 如請求項1所述之工具機刀具的補償量測方法，還包括提供一夾爪，夾置一工件，該量測單元設置於該夾爪，該工件之邊緣與該第二座標之間具有沿該軸向之一尺寸。
10. 如請求項9所述之工具機刀具的補償量測方法，其中使該刀具的加工端接觸到該工件，以取得該第一座標與該第二座標於該軸向之間的該相對總長。
11. 如請求項10所述之工具機刀具的補償量測方法，還包括以該相對總長減去該刀具總長相減再減去該工件之該尺寸得到該裝配補償長度，以該相對總長減去該刀座裝配總長再減去該工 件之該尺寸得到該裝配刀具長度。
12. 一種工具機刀具的補償量測系統，係將至少一刀具裝配在至少一刀座上，該系統包含：一運動控制單元，用以控制該刀座的位移運動；一模擬單元，用以顯示該刀具與該刀座的模擬運動；一機台儲存單元，用以儲存該刀座的一刀座裝配總長；一刀具儲存單元，用以儲存該刀具的一刀具總長；以及一量測單元，用以量測該刀具與該刀座的實際位置，依據該刀座裝配總長得到一裝配刀具長度，並輸入至該模擬單元，依據該刀具總長得到一裝配補償長度，並輸入至該運動控制單元及該模擬單元。
13. 如請求項12所述之工具機刀具的補償量測系統，其中該模擬單元包括一運算單元及一顯示單元，該運算單元用以模擬該刀具與該刀座的模擬運動，該顯示單元用以顯示該刀具與該刀座的模擬運動。
14. 如請求項12所述之工具機刀具的補償量測系統，還包括一中央處理單元，用以進行干涉檢查，且用以從該機台儲存單元取得該刀座裝配總長，依據該刀座裝配總長得到該裝配刀具長度，並輸入至該模擬單元，以及用以從該刀具儲存單元取得該刀具總長，依據該刀具總長得到該裝配補償長度，並輸入至該運動控制單元及該模擬單元。