TWI504475B - 用於多軸機械之補償控制方法 - Google Patents

用於多軸機械之補償控制方法 Download PDF

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TWI504475B TW102101055A TW102101055A TWI504475B TW I504475 B TWI504475 B TW I504475B TW 102101055 A TW102101055 A TW 102101055A TW 102101055 A TW102101055 A TW 102101055A TW I504475 B TWI504475 B TW I504475B
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Description

用於多軸機械之補償控制方法
本案係有關一種控制方法，詳而言之，係有關於一種用於多軸機械之補償控制方法。
多軸機械進行加工製程所使用的座標系可包括機台座標系、工件座標系以及控制器中的工件程式座標系，於加工前需先確認此三著之相對關係再進行調整或補償，以使工件程式座標系能與工件座標系相符，如此方可獲得正確的加工結果。既有的修正或補償方法大約可分為手動修正和控制器補償兩種。
採用手動修正時，為了讓工件可調整，故無法事先固定工件，但事後進行固定時又可能因為施力不均或不小心推動工件導致工件位置偏差，不易獲得精確的結果，且修正時間亦會隨著自由度的增加而大幅上升。
採用控制器補償時，由於現有方法大多為接觸式量測法，例如探測棒，若使用者操作不佳則探測棒與工件之間可能發生撞擊，導致工件的表面和探測棒皆出現物理性損傷，影響後續應用之精確度。此外，為提高接觸式量測的 準確性，通常於工件備料時需製作出數個研磨過的基準面，造成備料成本過高。再者，探測棒和工件需分別給予正負電源，於電源電壓為零時表示探測棒與工件接觸，惟，若工件為陶瓷材料等非導電體，則無法使用此種接觸式量測法。
因此，提供一種用於控制器的補償方法，以改善前揭缺陷，是為目前業界極待解決之議題。
本案揭露一種用於多軸機械之補償控制方法，該多軸機械具有端面且該端面的中心位於該多軸機械的心軸線上，該用於多軸機械之補償控制方法係包括以下步驟：(1)於多軸機械的端面設置三個距離量測器，其中，各該距離量測器與該端面的中心距離相等；(2)控制該端面以該端面的中心為軸心旋轉，並令該三個距離量測器分別對一工件的表面進行距離量測，直到該三個距離量測器之其中兩個所量測到之距離相同；(3)控制該端面以步驟(2)之該兩個距離量測器的連線為軸翻轉，直到該兩個距離量測器以外的另一個距離量測器所量測到的距離與步驟(2)之該兩個距離量測器所量測到的距離相同；以及(4)記錄上述控制該端面所產生的資料，以供該多軸機械作為補償控制的依據。
本案揭露一種用於多軸機械之補償控制方法，該多軸機械具有端面且該端面的中心位於該多軸機械的心軸線上，該多軸機械的端面上設置有輔助裝置，該輔助裝置具有與該端面平行之平面且該平面的旋轉中心對應該端面的 中心，且該平面上設置三個與該旋轉中心距離相等之距離量測器，該用於多軸機械之補償控制方法係包括以下步驟：(1)控制該平面以該平面的旋轉中心為軸心旋轉，並令該三個距離量測器分別對一工件的表面進行距離量測，直到該三個距離量測器之其中兩個距離量測器所量測到之距離相同；(2)控制該平面以步驟(1)之該兩個距離量測器的連線為軸翻轉，直到該兩個距離量測器以外的另一個距離量測器所量測到的距離與步驟(1)之該兩個距離量測器所量測到的距離相同；以及(3)記錄上述控制該平面所產生的資料，以供該多軸機械作為補償控制的依據。
相較於先前技術，本案之用於多軸機械之補償控制方法係利用三個距離量測器執行非接觸式量測法，無須擔心碰撞或工件導電於否之問題，且本案之用於多軸機械之補償控制方法僅透過工件的一表面即可取得工件與多軸機械之座標系相對關係，故無須如同先前技術般製作多個研磨過的基準面，因此當然快速又節省成本。
1‧‧‧輔助裝置
2‧‧‧多軸機械
20‧‧‧心軸線
a、b、c‧‧‧雷射測距儀
a'、b'、c'、m'‧‧‧投影點
d1‧‧‧厚度
d2‧‧‧距離
E‧‧‧端面
m‧‧‧中點
o‧‧‧端面的中心
o1‧‧‧旋轉中心
o2‧‧‧目標點
P‧‧‧平面
W‧‧‧工件的表面
X1、Y1‧‧‧平面的座標軸
X2、Y2‧‧‧工件的表面的座標軸標示
S11至S15、S21至S24‧‧‧步驟
第1A及1B圖係分別為本案用於多軸機械之補償控制方法之主要及次要步驟流程圖；第2A及2B圖係分別為本案用於多軸機械之補償控制方法之一實施態樣之主要及次要步驟流程圖；第3圖係為本案用於多軸機械之補償控制方法之示範實施例之多軸機械示意圖；第4圖係為本案用於多軸機械之補償控制方法之示範 實施例之平面之示意圖；第5A和5B圖係為本案用於多軸機械之補償控制方法之示範實施例之取得自由度Rx、Ry資料之示意圖；第6A和6B圖係為本案用於多軸機械之補償控制方法之示範實施例之取得自由度Z資料之示意圖；第7圖係為本案用於多軸機械之補償控制方法之示範實施例之平面與工件的表面平行之示意圖；第8圖係為本案用於多軸機械之補償控制方法之示範實施例之取得自由度X、Y資料之示意圖；第9圖係為本案用於多軸機械之補償控制方法之示範實施例之取得取得自由度Rz資料之示意圖；以及第10A及10B圖係為本案用於多軸機械之補償控制方法之示範實施例之透過擷取畫面取得自由度Rz資料之示意圖。
以下係藉由特定的實施例說明本案之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本案之其他特點與功效。本案亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
參閱第1A和1B圖，第1A圖為本案用於多軸機械之補償控制方法的主要步驟流程圖，而第1B圖為本案用於多軸機械之補償控制方法的次要步驟流程圖。
如第1A圖所示，於步驟S11中，於多軸機械的端面設置三個距離量測器，各該距離量測器與該端面的中心距 離相等。此外，多軸機械具有心軸線，以工具機為例，該心軸線可為刀具的軸線，而該端面的中心即位於多軸機械的心軸線上。
接著，於步驟S12中，控制該端面以該端面的中心為軸心旋轉，並令該三個距離量測器分別對一工件的表面進行距離量測，直到該三個距離量測器之其中兩個距離量測器所量測到的距離相同。於此步驟中，當該兩個距離量測器所量測到的距離相同時，表示已取得了多軸機械與工件之間的自由度Rx、Ry之相對關係。另外，該距離量測器可為非接觸式距離量測器，例如雷射測距儀或超音波測距儀，而關於雷射測距儀之絕對量測不準性，可利用其再現性高之特點，於雷射測距儀開始量測之前先執行歸零程序。
接著，於步驟S13中，控制該端面以步驟S12之該兩個距離量測器的連線為軸翻轉，直到該兩個距離量測器以外的另一個距離量測器所量測到的距離與步驟S12之該兩個距離量測器所量測到的距離相同。於此步驟中，當該另一個距離量測器所量測到的距離與步驟S12之該兩個距離量測器所量測到的距離相同時，表示已取得了多軸機械與工件之間的自由度Z之相對關係。
執行步驟S11至S13之後，共可取得多軸機械與工件之間的自由度Rx、Ry、Z之相對關係，則多軸機械的控制器記錄該些相對關係之資料，作為控制器中的加工程式座標系之補償控制依據。因此，於多軸機械進行加工程序前先執行上述步驟S11至S13，以量測工件與多軸機械在空 間上的相對關係，依此關係對多軸機械的控制器中的工件程式進行誤差補償控制，使控制器中的工件程式之座標系能符合工件本身的座標系，以改善加工誤差。
再者，除了補償自由度Rx、Ry、Z之誤差之外，還可補償其他自由度之誤差。如第1B圖所示，於步驟S14中，控制該端面平行該工件的表面移動，直到該端面的中心對應該工件的表面上的目標點。於此步驟中，該工件的表面上設置有目標點，當該端面的中心對應該工件的表面上的目標點時，表示已取得了多軸機械與工件之間的自由度X、Y之相對關係。接著，於步驟S15中，控制該端面平行該工件的表面而以該端面的中心為軸心旋轉，直到該端面的座標系中任兩個座標軸的方向與該工件的表面的二維座標軸標示的方向相符。於此步驟中，該工件的表面設置有二維座標軸標示，當該端面的座標系中任兩個座標軸的方向與該工件的表面的二維座標軸標示的方向相符時，表示已取得了多軸機械端面與工件的表面之間的自由度Rz之相對關係。
在執行步驟S14至S15之後，共可在取得多軸機械與工件之間的自由度X、Y、Rz之相對關係。因此，於多軸機械進行加工程序前先執行上述步驟S11至S15，以量測工件與多軸機械在空間上(自由度Rx、Ry、Z、X、Y、Rz)的相對關係，依此關係對多軸機械的控制器中的工件程式進行誤差補償控制，使控制器中的工件程式之座標系能符合工件本身的座標系，以改善加工誤差。
另一方面，於一實施態樣中，該多軸機械的端面上可設置有輔助裝置，該輔助裝置具有與該端面平行之平面且該平面的旋轉中心對應該端面的中心，則該平面的旋轉中心亦位於該多軸機械的心軸線上，且該平面上設置有三個與該旋轉中心距離相等之距離量測器。
請參閱第2A及2B圖，於步驟S21中，控制該平面以該旋轉中心為軸心旋轉，直到該三個距離量測器之其中兩個所量測到之距離相同；於步驟S22中，控制該平面以前述兩個距離量測器的連線為軸翻轉，直到該兩個距離量測器以外的另一個距離量測器所量測到的距離與前述兩個距離量測器所量測到的距離相同；於步驟S23中，控制該平面平行於工件的表面移動，直到該旋轉中心對應該工件的表面上的目標點；以及於步驟S24中，控制該平面平行該工件的表面而以該旋轉中心為軸心旋轉，直到該平面的座標系中任兩個座標軸的方向與該工件的表面的二維座標軸標示的方向相符。
於一較佳實施例中，工件的表面需具有一定平面度的區域，且所述二維座標軸標示係在該區域中。
此外，可於平面(或端面)上設置影像擷取器以擷取一擷取畫面，影像擷取器可例如CCD或CMOS，該擷取畫面的畫面參考中心對應該平面的旋轉中心(或該端面的中心)，因而可於上述步驟S23或S14中，控制該平面(或該端面)平行於該工件的表面移動，直到該畫面參考中心對應該工件的表面上的目標點。又，該工件的表面上的二維座 標軸標示同時重合該目標點，再者，亦可於影像擷取器之擷取畫面上標示出與該平面(或該端面)的座標系中任兩個座標軸的方向(如X軸、Y軸)相符之畫面座標軸，因而於上述步驟S24或S15中，可控制該平面(或該端面)平行該工件的表面而以該旋轉中心(或該中心)為軸心旋轉，直到該平面(或該端面)的座標系中任兩個座標軸(如X軸、Y軸)的方向與該工件的表面的二維座標軸標示的方向相符。或者，可於平面的旋轉中心處(或端面的中心處)設置雷射發射器，亦可達到工件的表面的目標點與旋轉中心(或中心)對應之目的。
第3至9圖為第2A至2B圖所示之本案用於多軸機械之補償控制方法之一實施態樣的示範實施例。於第3至9圖所示之實施例中，多軸機械2的控制器(未圖示)可控制端面E進行六個自由度X、Y、Z、Rx、Ry、Rz的移動。
參閱第3和4圖，多軸機械2的端面E連接設置有輔助裝置1，輔助裝置1為具有厚度d1的圓盤，平面P為圓形平面，旋轉中心o1為圓心。首先，於輔助裝置1的平面P圓周上設置雷射測距儀a、b、c，厚度d1可視為平面P與端面E之間的距離，且雷射測距儀a、b、c中之任意兩個的連線係不通過旋轉中心o1。如第4圖中，為了便於計算，可將雷射測距儀a、b和c中之任意一個(如雷射測距儀c)設置於雷射測距儀a、b連線ab 的中垂線與圓周之交點上，其中，m為ab 的中點。此外，多軸機械2具有心軸線20，端面E的中心o位於心軸線20上，平面P的旋轉中心 o1與端面E的中心o對應，故平面P的旋轉中心o1亦位於心軸線20上。
如第5A和5B圖所示，平面P上的三個雷射測距儀a、b、c在工件的表面W上的投影點為a'、b'、c'，即雷射測距儀發射雷射光至工件的表面W的投射點。控制端面E以令平面P以旋轉中心o1為軸心旋轉，直到雷射測距儀a與雷射測距儀b所量測到的距離相同，即如第4B圖所示 之與相等。至此取得多軸機械與工件之相對的自由 度Rx、Ry資料。
如第6A和6B圖所示，控制端面E以令平面P以雷射 測距儀a、b的連線為軸翻轉，則工件的表面W上之投 影點a'、b'、c'皆會隨之移動，直到雷射測距儀c所量測到的距離與雷射測距儀a或b所量測到的距離相同，即如第 6B圖所示之、與相等。至此取得多軸機械與工 件之相對的自由度Z資料。
如第7圖所示，工件的表面W與平面P平行且相距距離d2。
如第8圖所示，令平面P平行於工件的表面W移動，直到旋轉中心o1對應工件的表面W上的目標點o2。至此取得多軸機械與工件之相對的自由度X、Y資料。須說明的是，輔助裝置1上可設置影像擷取器以擷取一擷取畫面，該擷取畫面的畫面參考中心是對應平面P的旋轉中心o1，則當畫面參考中心對應至工件的表面W上的目標點o2時，取得多軸機械與工件之相對的自由度X、Y資料。
如第9圖所示，令平面P平行工件的表面W而以旋轉中心o1為軸心旋轉，直到平面P的座標軸X1、Y1與該工件的表面的座標軸標示X2、Y2方向相符。至此取得多軸機械與工件之相對的自由度Rz資料。於第9圖中，工件的表面W上具有二維座標軸標示，且該二維座標軸標示同時重合目標點o2。須說明的是，輔助裝置1上可設置影像擷取器以擷取一擷取畫面，該擷取畫面的畫面參考中心是對應平面P的旋轉中心o1，且該擷取畫面上可標示有與平面P的座標軸X1、Y1方向相符之畫面座標軸，則當該畫面座標軸的方向與工件的表面W的座標軸標示X2、Y2的方向相符時，取得多軸機械與工件之相對的自由度Rz資料。
另外，所謂擷取畫面的畫面座標軸的方向與工件的表面的二維座標軸標示的方向相符之實施態樣，在此舉例兩種實施態樣，參閱第10A和第10B圖。如第10A圖所示，於擷取畫面中，在虛擬的X軸上在+X方向之末端標示箭號，在虛擬的Y軸上在+Y方向之末端標示箭號，則可確認二維座標軸標示的方向。如第10B圖所示，亦可於十字線分割出的四個區域中標示特定圖樣，如圓形、方形或星形等，此時可指定以該圖樣之右側十字線線段之向外延伸方向為+X，而該圖樣之左側十字線線段之向外延伸方向為+Y，則可確認二維座標軸標示的方向。於另一實施例中，二維座標軸標示為兩條垂直之L形線條。
由第3至10A和10B圖所示之示範實施例可知，工件 的表面W與端面E之相對關係為o2(Xo2 ,Yo2 ,Zo2 ,Rxo2 ,Ryo2 ,Rzo2 )=o(Xo ,Yo ,(Zo +d1+d2),Rxo ,Ryo ,Rzo )，因此，利用上述資料可進行控制器中工件程式的誤差補償，例如，先以(Xo ,Yo ,(Zo +d1+d2))作為工件程式之目標點座標，再以(Rxo ,Ryo ,Rzo )對工件程式進行旋轉以達成補償。
綜上所述，本案用於多軸機械之補償控制方法係採用非接觸式距離量測器，因而不會有工件碰撞或工件無法導電的問題。此外，本案用於多軸機械之補償控制方法係僅對工件的一表面進行距離量測，即可取得工件與多軸機械之座標系相對關係，故無須如同先前技術般製作多個研磨過的基準面，因此當然快速又節省成本。
上述實施例僅例示性說明本案之原理及其功效，而非用於限制本案。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本案之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本案之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S11至S13‧‧‧步驟

Claims (14)

  1. 一種用於多軸機械之補償控制方法，該多軸機械具有端面且該端面的中心位於該多軸機械的心軸線上，該用於多軸機械之補償控制方法係包括以下步驟：(1)於該多軸機械的端面設置三個距離量測器，其中，各該距離量測器與該端面的中心距離相等；(2)控制該端面以該端面的中心為軸心旋轉，並令該三個距離量測器分別對一工件的表面進行距離量測，直到該三個距離量測器之其中兩個距離量測器所量測到之距離相同；(3)控制該端面以步驟(2)之該兩個距離量測器的連線為軸翻轉，直到該兩個距離量測器以外的另一個距離量測器所量測到的距離與步驟(2)之該兩個距離量測器所量測到的距離相同；以及(4)記錄上述控制該端面所產生的資料，以供該多軸機械作為補償控制的依據。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，於步驟(4)所記錄之控制該端面所產生的資料為該多軸機械與該工件之間的自由度Rx、Ry、Z之相對關係。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，該工件的表面上設有目標點，於步驟(4)之前復包括：控制該端面平行於該工件的表面移動，直到該端面的中心對應該工件的表面上的目標點，且 於步驟(4)所記錄之控制該端面所產生的資料為該多軸機械與該工件之間的自由度Rx、Ry、Z、X、Y之相對關係。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，該工件的表面設置有二維座標軸標示，於步驟(4)之前復包括：控制該端面平行該工件的表面而以該端面的中心為軸心旋轉，直到該端面的座標系中任兩個座標軸的方向與該工件的表面的二維座標軸標示的方向相符，且於步驟(4)所記錄之控制該端面所產生的資料為該多軸機械與該工件之間的自由度Rx、Ry、Z、X、Y、Rz之相對關係。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，該三個距離量測器之任意兩個距離量測器的連線係不通過該端面的中心。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之用於多軸機械之補償控制方法，於步驟(3)中，步驟(2)之該兩個距離量測器以外的另一個距離量測器係在步驟(2)之該兩個距離量測器的中垂線上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，該工件的表面設置有目標點，該端面上設置有影像擷取器以擷取一擷取畫面，該擷取畫面的畫面參考中心對應該端面的中心，且於步驟(4)之前復包括：控制該端面平行於該工件的表面移動，直到該畫面參考中心對應該工件的表面上的目標點。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，該工件的表面設置有二維座標軸標示，該二維座標軸標示同時重合該目標點，且該擷取畫面上標示有與該端面的座標系中任兩個座標軸的方向相符之畫面座標軸，於步驟(4)之前復包括：控制該端面平行該工件的表面而以該端面的中心為軸心旋轉，直到該畫面座標軸的方向與該工件的表面的二維座標軸標示的方向相符。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，該距離量測器為雷射測距儀或超音波測距儀。
  10. 一種用於多軸機械之補償控制方法，該多軸機械具有端面且該端面的中心位於該多軸機械的心軸線上，該多軸機械的端面上設置有輔助裝置，該輔助裝置具有與該端面平行之平面且該平面的旋轉中心對應該端面的中心，該平面上設置有三個與該旋轉中心距離相等之距離量測器，該用於多軸機械之補償控制方法係包括以下步驟：(1)控制該平面以該平面的旋轉中心為軸心旋轉，並令該三個距離量測器分別對一工件的表面進行距離量測，直到該三個距離量測器之其中兩個距離量測器所量測到之距離相同；(2)控制該平面以步驟(1)之該兩個距離量測器的連線為軸翻轉，直到該兩個距離量測器以外的另一個 距離量測器所量測到的距離與步驟(1)之該兩個距離量測器所量測到的距離相同；以及(3)記錄上述控制該平面所產生的資料，以供該多軸機械作為補償控制的依據。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，於步驟(3)所記錄之控制該平面所產生的資料為該多軸機械與該工件之間的自由度Rx、Ry、Z之相對關係。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，該工件的表面上設置有目標點，於步驟(3)之前復包括：控制該平面平行於該工件的表面移動，直到該平面的旋轉中心對應該工件的表面上的目標點，且於步驟(3)所記錄之控制該平面所產生的資料為該多軸機械與該工件之間的自由度Rx、Ry、Z、X、Y之相對關係。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之用於多軸機械之補償控制方法，其中，該工件表面設置有二維座標軸標示，於步驟(3)之前復包括：控制該平面平行該工件的表面而以該平面的旋轉中心為軸心旋轉，直到該平面的座標系中任兩個座標軸的方向與該工件表面的二維座標軸標示的方向相符，且於步驟(3)所記錄之控制該平面所產生的資料為該多軸機械與該工件之間的自由度Rx、Ry、Z、X、Y、Rz之相對關係。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之用於多軸機械之補償控 制方法，其中，該距離量測器為雷射測距儀或超音波測距儀。
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