TWI544982B - 一種可維持於最佳操作平面運作之多軸複合式工具機以及一球關節 - Google Patents

Description

一種可維持於最佳操作平面運作之多軸複合式工具 機以及一球關節

本發明係關於一種多軸複合式工具機，特別係關於一種可於一最佳操作平面上運作，以最大化工具機並聯機構之靈活度，並且實現以小尺寸機構達到大工作空間之目的之多軸複合式工具機。

工具機依其功能大致上可分為金屬切削工具機與金屬成型工具機兩大類。其中，金屬切削工具機主要係利用塑性切削、放電侵蝕或雷射等方式將金屬工件藉由除料方式達成加工。傳統的金屬切削工具機包括有車床、銑床、鑽床、磨床以及雷射加工機等種類。工具機有精確且快速製造的能力，然而，近年來隨著科技的進步，產業界對效率和品質的要求也越來越高，傳統的工具機受到本身機構和控制器條件的限制，其加工時間和加工品質無法提升，已無法應付現今科技需求。因此，新的工具機機種逐漸產生，以因應業界的需求。相較於傳統的三軸工具機，多軸工具機具有更高的靈活度，可以應付更多樣的加工需求，其中，又以五軸工具機最被廣泛使用。

五軸工具機主要包含三個平移自由度以及兩個旋轉自由度。依照不同的配置結構，習知的五軸工具機大致可分為三種種類：串聯式結構(Serial Kinematic Machines,SKMs)、並聯式結構(Parallel Kinematic Machines,PKMs)以及複合式結構。

傳統的五軸工具機主要以串聯式結構為主。在串聯式結構中，工具機的致動器與致動器之間是以串聯的方式連結，其優點為可以提供工具機較大的工作空間。然而，為了維持工具 機整體的剛性，使得工具機需要配備有相對較大尺寸的支臂，因此，串聯式結構具有動件慣量大剛性重量比低(low strength-to-weight)等缺點。此外，串聯式結構也具有累積誤差之問題。另一方面，採取並聯式結構之工具機，其致動器係以相互並聯排列的方式連結，並且形成一閉迴路結構。相較於串聯式結構而言，並聯式結構的工具機具有較高的剛性重量比(high strength-to-weight)與較高的動作精度，然而，同時也衍生了以下的缺點：具有複雜且狹小的工作空間(complex and small workspace)、具有運動奇異點(Kinematic Singularity)以及機構在不同位置有靈活度不一致之現象(inconsistent dexterity)等問題。

為了能夠同時保留串聯式結構的大工作空間以及並 聯式結構的高精度動作等優點，便有了採取複合式結構(hybrid structure)之工具機的出現。複合式結構的工具機是由串聯式結構與並聯式結構共同組成，主要是使用串聯式結構來進行範圍較大的動作，並且使用並聯式結構來進行高剛性與高精度的動作。透過此種複合式結構，可以改善並連式結構移動範圍不足的缺點。 然而，採取此種配置的複合式結構仍然具有以下缺點：(a)串聯式結構與並聯式結構之間係以串聯方式連接，仍然會導致累積誤差之問題；(b)由於並聯式機構在工作空間中的靈活度不一致，工具機無法在每個位置皆提供高靈活度的動作，在機構設計上必須以大尺寸的結構才能提供所需之行程範圍或角度範圍；(c)並聯式機構之奇異點問題仍然未解決，會造成工具機在動作時之阻礙，降低可動性。

除了工具機的結構外，工具機內所使用的關節街頭(joint)也對工具機的整體性能有很大的影響。工具機的連桿與連桿之間都需要關節接頭來進行連結，而常見的關節接頭主要有三種：旋轉接頭(revolute joint)、線性移動接頭(prismatic joint)以及球接頭(spherical joint)。然而，一般市面所使用的球接頭除了具有很大的間隙誤差外，其容許活動角度範圍也較小。上述缺點皆對工具機的精度與靈活度會造成負面的影響，使得複合式工具 機仍然無法被業界所廣泛接受。

基於上述理由，本發明之一主要目的在於提供一種多軸複合式工具機，藉由自行開發設計之球接頭取代習知的球接頭來提升球關節的精度同時增加接頭擺角，藉此提昇並聯機構之靈活度。

本發明之另一目的在於，利用龍門型骨架來結合並聯式結構與串聯式結構，藉此降低兩者之間的累積誤差。

本發明之再一目的在於，在串聯機構中設置一移動單元，所述移動單元具有與並聯機構相同在垂直方向上的自由度，如此，當並聯機構在一靈活度最大的操作平面上運作時，工具機可以藉由所述移動單元來補償並聯機構在垂直方向上的行程，使得工具機在各個位置之靈活度最大化，藉此使工具機能夠在大工作空間的同時，擁有較小的機構尺寸。

本發明之再一目的在於，設置角度補償單元來避開並聯結構的奇異點，藉此增加工具機的可動範圍以及移動性能。

為達成前述之目的，本發明提供一種可維持在最佳操作平面運作之多軸複合式工具機。所述多軸複合式工具機包括：一並聯機構、一串聯機構、一工作平台以及一加工工具組。所述並聯機構包括：一固定板、一可動板以及複數個線性移動模組。所述的複數個線性移動模組之每一者包括一第一伺服馬達。第一伺服馬達係驅動線性移動模組，使其產生線性移動。該些線性移動模組之每一者之一端係分別透過一旋轉插銷關節樞接於固定板，且線性移動模組之每一者之另一端係分別透過一球關節固定於可動板。此外，球關節包括三個旋轉接頭，且旋轉接頭之每一者具有一旋轉軸。三個旋轉接頭係以互相垂直且三個旋轉軸共心交於一點的方式組合成球關節。所述串聯機構包括：一基座，以及至少兩個移動單元。所述至少兩個移動單元係以互相垂直疊置的方式設置於基座上，其中，移動單元之每一者係透過一第二 伺服馬達驅動移動。所述工件平台係設置於串聯機構之移動單元上。工作平台包括一工件夾具，用於夾持一待加工之工件。所述加工工具組係設置於所述並聯機構之可動板上。在上述的多軸複合式工具機中，並聯機構與串聯機構係透過一龍門型骨架而結合。

根據本發明的一實施例，所述線性移動模組之每一者進一步包括：一連桿座、一導螺桿、一滑塊以及一線性襯套。所述連桿座上設有一凹部，且所述第一伺服馬達係固定於連桿座之一端。所述導螺桿係設置於連桿座之凹部內，且導螺桿之一端連接於第一伺服馬達。所述滑塊係設置於導螺桿上，且位於連桿座之凹部內。所述線性襯套係固定於連桿座與第一伺服馬達相反之另一端，所述球關節係穿設於線性襯套並且與滑塊連接。其中，第一伺服馬達驅動導螺桿旋轉並連帶地使滑塊產生線性移動，進而帶動與滑塊相連之球關節產生動作。

根據本發明的一實施例，所述旋轉插銷關節進一步包括：一連桿接塊、兩組軸承座、兩個止推軸承以及一插銷。所述連桿接塊係固定於連桿座之一端。所述兩組軸承座係分別固定於連桿接塊之兩端，且分別固定於並聯機構之固定板上。所述兩個止推軸承係分別設置於兩組軸承座與連桿接塊之間。所述插銷係穿設於該等止推軸承、該等軸承座以及連桿接塊。

根據本發明的一實施例，所述球關節之三個旋轉接頭分別為一第一旋轉接頭、一第二旋轉接頭以及一第三旋轉接頭。每一個球關節進一步包括：一連桿、一轉接塊、一球關節支撐座以及一旋轉軸。所述連桿為第一旋轉接頭，其係穿設於線性襯套內，且連桿之一端係透過一固定座與滑塊連結。所述轉接塊為該第二旋轉接頭，且所述連桿之另一端係可轉動地固定於轉接塊中。所述球關節支撐座具有一凹部，所述轉接塊係容置於凹部中，並且透過兩個固定軸從球關節支撐座的兩側穿入，藉此將轉接塊樞接於球關節支撐座之凹部中。所述旋轉軸為第三旋轉接頭，其一端係可轉動的固定於球關節支撐座的一底部，且旋轉軸之另一端係可轉動的固定於可動板。

根據本發明之一實施例，所述多軸複合式工具機之 並聯機構係包括三組線性移動模組。所述三組線性移動模組係以對稱的方式設置於固定板以及可動板上。

根據本發明之一實施例，並聯機構之每一個球關節 與可動板之間進一步包括一角度補償單元。所述角度補償單元包括：一連接塊以及一調整塊。所述連接塊係與球關節連接，並且具有延一弧線排列的複數個齒狀凹部。所述調整塊係與可動板連接，其具有與該等齒狀凹部相對應之複數個齒部，且該等齒部係環繞地設置於調整塊上。其中，該等齒部之一部分與連接塊之該等齒狀凹部相嚙合，並且透過一螺栓以及一螺帽將連接塊與調整塊相互固定。

根據本發明之一實施例，所述串聯機構之移動單元 係包括兩個可於水平方向上平移之第一移動單元，以及一個可於垂直方向上下移動之一第二移動單元。其中，所述兩個第一移動單元係配置為分別在一第一方向以及一第二方向上移動，且第一方向係在水平方向上垂直於第二方向。

根據本發明之一實施例，所述第一移動單元進一步 包括：一第一平台、一導螺桿、一滑塊以及一導桿。所述導螺桿係連接於第二伺服馬達。所述滑塊係設置於導螺桿上。所述導桿係與導螺桿平行放置並且與導螺桿共同固定第一平台。當第二伺服馬達驅動導螺桿旋轉時，連帶地使滑塊產生線性移動，進而帶動第一平台產生平移。

根據本發明之一實施例，所述第二移動單元進一步包括：一第二平台、一導螺桿、一螺旋升降器以及複數個導桿。所述導螺桿之一端係固定於第二平台之一底面，且導螺桿之軸向方向係垂直於第二平台之底面。所述螺旋升降器係連接於第二伺服馬達，其可以將第二伺服馬達之旋轉運動轉換為直線運動並且輸出至導螺桿。每一個導桿之一端係分別透過線性襯套固定於第二平台之底面，且導桿之軸向方向係垂直於第二平台。當伺服馬達驅動螺旋升降器旋轉時，其連帶地使導螺桿在垂直方向上產生 線性移動，進而帶動第二平台在垂直方向上產生位移。

此外，本發明另外提供一種球關節，其包括三個旋轉接頭，且旋轉接頭之每一者具有一旋轉軸。所述的三個旋轉接頭係以互相垂直排列且三個旋轉軸共心交於一點的方式組合成球關節。

100‧‧‧多軸複合式工具機

3‧‧‧並聯機構

31‧‧‧固定板

310‧‧‧開口

32‧‧‧可動板

33‧‧‧線性移動模組

331‧‧‧第一伺服馬達

3311‧‧‧轉接座

332‧‧‧連桿座

3320‧‧‧凹部

333‧‧‧導螺桿

334‧‧‧滑塊

3341‧‧‧固定座

335‧‧‧線性襯套

336‧‧‧軸承配件

337‧‧‧蓋體

34‧‧‧旋轉插銷關節

341‧‧‧連桿接塊

342‧‧‧軸承座

343‧‧‧止推軸承

344‧‧‧插銷

345‧‧‧螺帽

35‧‧‧球關節

351‧‧‧連桿

352‧‧‧轉接塊

353‧‧‧旋轉軸

354‧‧‧球關節支撐座

3540‧‧‧凹部

355‧‧‧止推軸承

356‧‧‧滾珠軸承

357‧‧‧螺帽

358‧‧‧固定軸

36‧‧‧角度補償單元

36’‧‧‧角度補償單元

361‧‧‧連接塊

3610‧‧‧齒狀凹部

362‧‧‧調整塊

3621‧‧‧齒部

363‧‧‧螺栓

364‧‧‧螺帽

5‧‧‧串聯機構

51‧‧‧第一移動單元

511‧‧‧第一平台

512‧‧‧導螺桿

513‧‧‧滑塊

514‧‧‧導桿

52‧‧‧第二移動單元

521‧‧‧第二平台

522‧‧‧導螺桿

523‧‧‧螺旋升降器

524‧‧‧導桿

525‧‧‧線性襯套

53‧‧‧基座

54‧‧‧第二伺服馬達

6‧‧‧工作平台

7‧‧‧加工工具組

10‧‧‧龍門型骨架

A、C‧‧‧旋轉軸

S‧‧‧補償角度

第一圖為顯示根據本發明較佳實施例之一多軸複合式工具機之一立體圖；第二圖為顯示根據本發明較佳實施例之多軸複合式工具機中一並聯機構之一立體圖；第三A圖為顯示根據本發明較佳實施例之並聯機構之一俯視圖；第三B圖為顯示第三圖中B區域的局部放大圖；第四圖為顯示根據本發明較佳實施例中，用於連接線性移動模組與固定板之一旋轉插銷關節之一立體分解圖；第五圖為顯示根據本發明較佳實施例之線性移動模組之一立體圖；第六圖為顯示根據本發明較佳實施例之線性移動模組之一立體分解圖；第七圖為顯示根據本發明較佳實施例之並聯機構中，用於連接線性移動模組與一可動板之一球關節之一立體分解圖；第八A圖為顯示根據本發明較佳實施例之球關節之一立體圖； 第八B圖為顯示根據本發明較佳實施例之球關節與一角度補償單元之一立體圖；第九A圖為顯示角度補償單元之變化例之一立體分解圖；第九B圖為顯示根據本發明變化例之角度補償單元之一立體圖；第十圖為顯示根據本發明較佳實施例之多軸複合式工具機中一串聯機構之一立體圖。

以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

第一圖為顯示根據本發明之一多軸複合式工具機100之一立體圖。如第一圖所示，根據本發明較佳實施例之多軸複合式工具機100包括：一並聯機構3、一串聯機構5、一工作平台6以及一加工工具組7。

根據本發明的較佳實施例，多軸複合式工具機100為一具有五個自由度以及一個重複自由度的複合式五軸工具機，其係由具有三個自由度的並聯機構3以及具有三個自由度的串聯機構5組合而成。更詳而言之，如第一圖以及第二圖中所標示，並聯機構3提供了兩個旋轉自由度以及一個垂直移動自由度，其中，兩個旋轉自由度係指在C軸以及A軸方向的旋轉自由度，而垂直移動自由度則是指在Z軸方向的移動自由度。串聯機構5則提供了兩個在水平方向上平移的自由度以及一個在垂直方向上移動的自由度，其中，兩個水平方向的平移自由度是指在X軸與Y軸方向的移動自由度，而垂直方向的移動自由度是指在Z軸方向的移動自由度。並聯機構3與串聯機構5係透過一龍門型骨架10而結合，藉此減少兩者之間的累積誤差。在下文中，首先將先針對並聯機構3之元件與組成進行詳細說明。

第二圖所顯示的為根據本發明較佳實施例之多軸複 合式工具機100中並聯機構3之一立體圖。如第二圖所示，所述並聯機構3包括：一固定板31、一可動板32以及複數個線性移動模組33。線性移動模組33之每一者之一端係分別透過一旋轉插銷關節34樞接於固定板31，且線性移動模組33之每一者之另一端係分別透過一球關節35固定於可動板32。每一個線性移動模組33皆包括一第一伺服馬達331。第一伺服馬達331係安裝於線性移動模組33靠近固定板31之一端，並且驅動線性移動模組33使其產生線性移動。

第三A圖為顯示根據本發明較佳實施例之並聯機構 之一俯視圖。如第三A圖所示，在本發明的較佳實施例中，並聯機構3總共包括了三組線性移動模組33。三組線性移動模組33係以對稱且具有等距間隔的方式，分別透過旋轉插銷關節34樞接於固定板31，換言之，三組線性移動模組之間係分別具有120°的間隔。線性移動模組33之另一端則係透過球關節35以相同地對稱的方式固定於可動板32上(未顯示於第三A圖中)。關於線性移動模組33樞接於固定板31之方式，將在以下配合第三B圖與第四圖進行詳細說明。

第三B圖為顯示第三圖中B區域的局部放大圖；第 四圖為顯示根據本發明較佳實施例中，用於連接線性移動模組33與固定板31之旋轉插銷關節34之一立體分解圖。由於本發明中所使用的旋轉插銷關節34皆具有相同的結構，因此，以下將僅針對一組旋轉插銷關節34進行說明。如第三B圖與第四圖所示，所述旋轉插銷關節34進一步包括：一連桿接塊341、兩個軸承座342、兩個止推軸承343以及一插銷344。所述連桿接塊341係固定於所述線性移動模組33之一端。所述兩組軸承座342係分別固定於連桿接塊341之兩端，且分別固定於並聯機構3之固定板31上的一開口310之兩側。所述兩個止推軸承343為旋轉零件，分別設置於兩組軸承座342與連桿接塊341之間。所述插銷344係穿設於兩個軸承座342、兩個止推軸承343以及連桿接塊341之中，再由兩個螺帽345從插銷344的兩側將兩組軸承座342與兩個止推軸承343 固定於連桿接塊341之兩側。

值得一提的是，透過尺寸公差的設計，兩組軸承座 342在按照上述的配置安裝完成後，會對連桿接塊341產生一預壓力。由於設置於連桿接塊341與軸承座342之間的止推軸承343可以抵抗兩者之間的預壓力，線性移動模組33仍然可以相對於固定板31進行旋轉運動。透過此種配置，可以藉由預壓力來減少線性移動模組33透過旋轉插銷關節34旋轉時偏擺之誤差，藉此提高並聯機構3之動作精度。

以下係配合第五圖與第六圖，針對線性移動模組33 的構成進行詳細說明。第五圖為顯示根據本發明較佳實施例中，其中之一線性移動模組33之一立體圖；第六圖為顯示根據本發明較佳實施例之線性移動模組33之一立體分解圖。由於本發明中之三個線性移動模組皆具有相同的結構，因此，以下將僅針對一組線性移動模組33進行說明。如第五圖與第六圖所示，根據本發明較佳實施例的線性移動模組33之每一者進一步包括：一連桿座332、一導螺桿333、一滑塊334以及一線性襯套335。

在本發明的較佳實施例中，連桿座332為一鋁合金 結構，線性移動模組33係透過連桿座332之一端與旋轉插銷關節34連接，且透過連桿座332之另一端則與球關節35連接。更詳而言之，所述連桿座332上設有一凹部3320。所述旋轉插銷關節34之連桿接塊341係固定於連桿座332上之一端，而所述第一伺服馬達331係透過一轉接座3311固定於連桿座332之與連桿接塊341相同之一端。導螺桿333係設置於連桿座332之凹部3320內，且其一端透過軸承配件336連接於第一伺服馬達331。所述滑塊334係設置於導螺桿333上，且位於連桿座332之凹部3320內。所述線性襯套335為一單一自由度之拘束限制零件，其內部設有流線型排列之滾珠。線性襯套335係固定於連桿座332與第一伺服馬達331相反之另一端，而所述球關節35係穿設於線性襯套335並且與滑塊334連接。線性移動模組33在依照上述的配置組裝完後，再由一蓋體337將上述元件進一步固定於連桿座上332。

當第一伺服馬達331驅動導螺桿333旋轉時，會連 帶地使滑塊334產生線性移動，進而帶動與滑塊相連之球關節35產生動作。線性櫬套335除了使球關節35可以在其內移動外，也可以限制其移動方向；此外，藉由線性襯套335內部滾珠之滾動，更可以減少兩者之間的摩擦阻力。透過上述配置，線性移動模組33可以把第一伺服馬達331之旋轉動力透過導螺桿333轉換為線性動力輸出至滑塊334，並且藉由滑塊334將動力傳遞至球關節35。

以下係配合第七圖與第八A圖，針對用於連接線性 移動模組33與可動板32之球關節35的構成進行詳細說明。由於本發明中所使用的球關節35皆具有相同的結構，因此，以下將僅針對一組球關節35進行說明。第七圖為顯示根據本發明較佳實施例之球關節35之一立體分解圖；第八A圖為顯示根據本發明較佳實施例之球關節35之一立體圖。

在本發明之較佳實施例中，為了能夠使球關節能具 有更大的擺動角度以及更佳的精度，本發明係以自行設計開發之球關節來替代一般市面上常見的球關節。如第八A圖所示，本發明所採用的球關節35係由三個旋轉接頭(revolute joint)所構成。 旋轉接頭之每一者具有一旋轉軸。三個旋轉接頭係以互相垂直且三個旋轉軸共心交於一點的方式組合成球關節35。

更詳而言之，根據本發明之較佳實施例，所述球關 節35之三個旋轉接頭分別為一第一旋轉接頭、一第二旋轉接頭以及一第三旋轉接頭。如第七圖以及第八A圖所示，每一個球關節35包括：一連桿351、一轉接塊352、一旋轉軸353以及一球關節支撐座3054。

所述連桿351為第一旋轉接頭，其一端係穿設於線 性移動模組33的線性襯套335，並且透過一固定座3341與滑塊334連結(如第六圖所示)。所述轉接塊352為第二旋轉接頭。連桿351之另一端係可轉動地固定於轉接塊352中。更詳而言之，轉接塊352具有一鋁合金結構。連桿351是穿設於轉接塊352中，且連桿351與轉接塊352之交接處設置有止推軸承355以及滾珠軸承 356，使得連桿351能相對於轉接塊352產生旋轉運動。連桿351穿出轉接塊的部份係以一螺帽357加以鎖緊。其中，止推軸承355可以抵抗鎖緊螺帽時357時所產生的壓力，防止連桿351在其軸向方向上產生鬆動而造成誤差。

球關節支撐座354同樣為一鋁合金結構，其具有一 凹部3540。如上所述之轉接塊352係容置於凹部3540中，並且透過兩個固定軸358從球關節支撐座354的兩側穿入，藉此將轉接塊352樞接於球關節支撐座354之凹部3540中。固定軸358與球關節支撐座354之交接處設置有滾珠軸承356，使得轉接塊352可以相對於球關節支撐座3054旋轉。旋轉軸353為第三旋轉接頭，其一端係可轉動地固定於球關節支撐座354的一底部，而其另一端則是可轉動地固定於可動板32。

值得一提的是，透過尺寸公差的設計，球關節35在 按照上述的配置安裝完成後，球關節支撐座354會對轉接塊352產生一預壓力。由於兩者之間的止推軸承343可以抵抗預壓力，轉接塊352仍然可以相對於球關節支撐座354進行旋轉運動。類似地，球關節支撐座354與可動板32之間也同樣保持預壓。透過此種配置，可以藉由預壓力來減少可動板32與線性移動模組33透過球關節35旋轉時之誤差，藉此提高並聯機構3之動作精度。

如上所述的球關節35，透過三個旋轉接頭垂直放置且其旋轉軸心共交於一點的方式配置，可以達到三方向的旋轉。此外，如第八B圖所示，如上所述的球關節35更可搭配一角度補償單元36來提供一補償角度S，藉此降低球關節35之運動奇異點之影響。根據本發明之較佳實施例，角度補償單元36為一楔形塊。在安裝角度補償單元36時，係將其設置於球關節35與可動板32之間。經由實際機台測試，角度補償單元36所提供的補償角度S為45度時，能夠較佳地改善奇異點的影響，藉此增加並聯機構3之工作範圍與移動性能。第九A圖為顯示根據本發明一變化例之角度補償單元36’之立體分解圖，而第九B圖為顯示角度補償單元36’安裝於可動板以及球關節之間的示意圖。如第九A圖以及 第九B圖所示，所述角度補償單元36’包括：一連接塊361以及一調整塊362。所述連接塊361係與球關節35連接，並且具有延一弧線排列的複數個齒狀凹部3610。所述調整塊362係與可動板32連接，其具有與該等齒狀凹部3610相對應之複數個齒部3621，且該等齒部3621係環繞地設置於調整塊362上。其中，該等齒部3621之一部分與連接塊361之該等齒狀凹部3610相嚙合，並且透過一螺栓363以及一螺帽364將連接塊361與調整塊362相互固定。透過上述的配置，使用者可以自由調整角度補償單元36’所提供之補償角度S，並將角度補償單元36’安裝於球關節35以及可動板32之間。

根據本發明較佳實施例之球關節35，其作動效果與 精度更勝於一般市面上的球接頭，球關節35的偏擺角度可達正負90°。此外，透過角度補償單元36之輔助，可以避開關節運動奇異點的影響，有效增加機構之靈活度，使並聯機構5在第二圖中所顯示的C軸的旋轉角度可達360°，且在第二圖中所示之A軸旋轉角度可達正負45°；此外，並聯機構5在特定工作平面時A軸的旋轉角度最高可達60°。再者，相較於使用習知球接頭的並聯機構，在機台尺寸大小相同的情形下，採用本發明較佳實施例的球關節35之並聯機構3之工作空間明顯更大。

如第二圖所示，加工工具組7係設置於所述並聯機 構之可動板32上。當並聯機構3之第一伺服馬達331帶動三個線性移動模組33在線性方向作動時，則連帶地透過球關節35調整可動板32之位置與角度，將加工工具組7移動至所需之姿態。

已下將針對串聯機構5之元件與組成進行詳細說 明。第十圖為顯示根據本發明較佳實施例之多軸複合式工具機中串聯機構5之一立體圖。如第十圖所示，在本發明之較佳實施例中，所述串聯機構5係包括兩個可於水平方向上平移之第一移動單元51、一個可於垂直方向上下移動之一第二移動單元52以及一基座53。兩個第一移動單元51以及一個第二移動單元52是以互相垂直的方式疊置於基座53上。其中，所述兩個第一移動單元51 係配置為分別在一第一方向以及一第二方向上移動，且第一方向係在水平方向上垂直於第二方向。移動單元之間疊置的順序並不限於本較佳實施例中的順序。為了方便理解，第一方向為第十圖中所標示的X軸的方向，第二方向為第十圖中所標示的Y軸的方向，而垂直方向則為第十圖中所標示的Z軸的方向。

第一移動單元51包括：一第一平台511、一導螺桿 512、一滑塊513以及一導桿514。所述導螺桿512係連接於第二伺服馬達54。所述滑塊513係設置於導螺桿512上。所述導桿514係與導螺桿512平行放置，並且與導螺桿512共同固定第一平台511。當第二伺服馬達54驅動導螺桿512旋轉時，連帶地使滑塊513產生線性移動，進而帶動第一平台51產生平移。在本發明的較佳實施例中，上方的兩個移動單元皆為第一移動單元51，其分別係配置為在X軸與Y軸的方向上移動。

第二移動單元52包括：一第二平台521、一導螺桿 522、一螺旋升降器523以及複數個導桿524。所述導螺桿522之一端係固定於第二平台521之一底面，且導螺桿522之軸向方向係垂直於第二平台521之底面。螺旋升降器523係連接於第二伺服馬達54，其可以將第二伺服馬達54之旋轉運動轉換為Z軸方向的直線運動並且輸出至導螺桿522。每一個導桿522之一端係分別透過線性襯套525固定於第二平台之底面，且導桿522之軸向方向係垂直於第二平台521。當第二伺服馬達54驅動螺旋升降器524旋轉時，其連帶地使導螺桿522在垂直方向上產生線性移動，進而帶動第二平台521在Z軸方向上產生位移。

如第十圖所示，工作平台6係設置於串聯機構5最 上方的移動單元上。其係包括一工件夾具61，用於夾持一待加工之工件。

透過上述配置，根據本發明較佳實施例的串聯機構 50透過互相垂直疊置的三個移動單元，可以產生X、Y與Z軸三個方向的移動自由度。串聯機構5具有比並聯機構3更大的工作空間，可以補償並聯機構3工作空間上的不足。此外，透過平行 導桿的設置，可以減少串聯機構5各個移動單元之間的阿貝誤差。

本發明所提供的多軸複合式工具機100中，雖然並 聯機構3具有相較於習知並聯機構而言較大的工作空間以及偏擺角度，但並聯機構3仍然具有靈活度不一致的特性。並聯機構在Z軸上不同位置時，其可偏擺之角度範圍會隨著改變。舉例來說，並聯機構3於其C軸不動的情形下，當Z軸高度在468mm時，其在A軸的偏擺角度只有9.9度；然而，當並聯機構3在Z軸高度508mm時，其在A軸的可偏擺角度則可以上升到45度。並聯機構在C軸方面的旋轉角度亦有此靈活度不一致之情況發生。

因此，基於上述理由，本發明所提供的多軸複合式 工具機100透過同樣具備有在Z軸方向自由度的並聯機構3以及串聯機構5，提供一套補償方法，藉以消除上述並聯機構靈活度不一致現象對工具機所造成的影響。

以下將針對配合本發明之多軸複合式工具機100所使用的一補償策略進行說明。首先，工具機會由判斷加工工件時所需的角度，來判斷並聯機構3是否已經旋轉到達其動作的極限。若是並聯機構3尚未到達極限，多軸複合式工具機100採取正常運作模式，即，並聯機構3會先移動至所需之姿態已完成該角度，接著，再由串聯機構5來提供在X、Y及Z軸方向的剩餘量。若是並聯機構3在到達其動作的極限後仍然無法滿足所需之角度需求，則多軸複合式工具機100會啟動補償機制。多軸複合式工具機100會在一預先建立之工作空間資料庫進行搜索，找到並聯機構3在Z軸方向上可以提供該角度之位置。接著，將並聯機構3移至該最佳操作平面後，達成該角度旋轉。最後，再由串聯機構5來補償在Z軸方面的行程，使得並聯機構3可以保持在該最佳操作平面上。

透過上述的控制方法，根據本發明的多軸複合式工具機100可以將並聯機構3保持在最佳操作平面上，使其在具有最適合之偏擺角度的操作平面上運作，再利用串聯機構5進行Z軸行程的補償。如此一來，便可以消除並聯機構3靈活度不一致 對多軸複合式工具機所造成的影響。

以上所述僅係本發明的實施例及其應用範例，當不可用以限定本發明可實施的範圍，而任何熟知此技藝一般技術者根據本文內容所能完成的各種改良及變化，均應視為不脫離本發明實質內容而涵蓋於下文所申請專利範圍內者。凡是利用本文內容及所附圖式而達成的等效結構，不論是直接或間接應用於此技藝或其他相關技術領域，均應視為屬於本發明的申請專利範圍內。

100‧‧‧多軸複合式工具機

10‧‧‧龍門型骨架

3‧‧‧並聯機構

5‧‧‧串聯機構

6‧‧‧工作平台

7‧‧‧加工工具組

Claims (12)

1. 一種可維持於最佳操作平面運作之多軸複合式工具機，包括：一並聯機構，包括；一固定板；一可動板；以及複數個線性移動模組，該等線性移動模組之每一者之一端係分別樞接於該固定板，且該等線性移動模組之每一者之另一端係分別透過一球關節固定於該可動板；其中，該並聯機構之每一個該球關節與該可動板之間進一步包括一角度補償單元；一串聯機構，該串聯機構包括：一基座；以及至少兩個移動單元，該等移動單元係以互相垂直疊置的方式設置於該基座上，其中，該等移動單元之每一者係透過一第二伺服馬達驅動移動；一工件平台，設置於該串聯機構之該等移動單元上，該工作平台包括一工件夾具，用於夾持一待加工之工件；以及一加工工具組，設置於該並聯機構之該可動板上；其中，該並聯機構與該串聯機構係透過一龍門型骨架所結合。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之多軸複合式工具機，其中，該等線性移動模組之每一者進一步包括：一連桿座，該連桿座內設有一凹部，該第一伺服馬達係固定於該連桿座之一端；一導螺桿，設置於該連桿座之該凹部內，且其一端連接於該第一伺服馬達；以及一滑塊，設置於該導螺桿上且位於該連桿座之該凹部內；以及一線性襯套，固定於該連桿座之與該第一伺服馬達相反之另一端，該球關節係穿設於該線性襯套並且與該滑塊連接；以及其中，該第一伺服馬達驅動該導螺桿旋轉並連帶地使該滑塊產生線性移動，進而帶動與該滑塊相連之該球關節產生動作。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之多軸複合式工具機，其中，該等線性移動模組之每一者之一端係分別透過一旋轉插銷關節樞接於該固定板，所述旋轉插銷關節進一步包括：一連桿接塊，固定於該連桿座之一端；兩組軸承座，分別固定於該連桿接塊之兩端，且分別固定於該並聯機構之該固定板上；兩個止推軸承，分別設置於該兩組軸承座與該連桿接塊之間；以及 一插銷，穿設於該等止推軸承、該等軸承座以及該連桿接塊。
4. 根據申請專利範圍第2項所述之多軸複合式工具機，其中，該球關節包括三個旋轉接頭，該等旋轉接頭之每一者具有一旋轉軸，該三個旋轉接頭係以互相垂直排列且該三個旋轉軸共心交於一點的方式組合成該球關節，該球關節之三個旋轉接頭分別為一第一旋轉接頭、一第二旋轉接頭以及一第三旋轉接頭，該球關節進一步包括：一連桿，該連桿為該第一旋轉接頭，其係穿設於該線性襯套內，該連桿之一端係透過一固定座與該滑塊連結；一轉接塊，該轉接塊為該第二旋轉接頭，該連桿之另一端係可轉動地固定於該轉接塊中；一球關節支撐座，其具有一凹部，該轉接塊係容置於該凹部中，並且透過兩個固定軸從該球關節支撐座的兩側穿入，將該轉接塊樞接於該球關節支撐座之凹部中；以及一旋轉軸，該旋轉軸為該第三旋轉接頭，該旋轉軸之一端係可轉動的固定於該球關節支撐座的一底部，該旋轉軸之另一端係可轉動的固定於該可動板。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之多軸複合式工具機，其中，該並聯機構包括三組該線性移動模組，且所述三組線性移動模組係以對稱的方式設置於該固定板以及該可動板上。
6. 根據申請專利範圍第5項之多軸複合式工具機，其中，該等線性移動模組之每一者包括一第一伺服馬達，該第一伺服馬達係驅動該線性移動模組，使其產生線性移動。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之多軸複合式工具機，其中，該角度補償單元進一步包括：一連接塊，該連接塊係與該球關節連接，並且具有延一弧線排列的複數個齒狀凹部；以及一調整塊，該調整塊係與該可動板連接，其具有與該等齒狀凹部相對應之複數個齒部，該等齒部係環繞地設置於該調整塊上；其中，該等齒部之一部分與該連接塊之該等齒狀凹部相嚙合，並且透過一螺栓以及一螺帽將該連接塊與該調整塊相互固定。
8. 根據申請專利範圍第1項所述之多軸複合式工具機，其中，該串聯機構之該等移動單元係包括兩個可於水平方向上平移之第一移動單元，以及一個可於垂直方向上下移動之一第二移動單元，其中，該兩個第一移動單元係配置為分別在一第一方向以及一第二方向上移動，且該第一方向係垂直於該第二方向。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之多軸複合式工具機，其中，所述第一移動單元包括：一第一平台；一導螺桿，連接於該第二伺服馬達；一滑塊，設置於該導螺桿上；以及 一導桿，與該導螺桿平行放置並且與該導螺桿共同固定該第一平台；其中，當該第二伺服馬達驅動該導螺桿旋轉時，連帶地使該滑塊產生線性移動，進而帶動該第一平台產生平移。
10. 根據申請專利範圍第8項所述之多軸複合式工具機，其中，該等移動單元包括可於垂直方向上下移動之至少一第二移動單元，所述第二移動單元包括：一第二平台；一導螺桿，其一端係固定於該第二平台之一底面，且該導螺桿與該第二平台互相垂直；一螺旋升降器，連接於該第二伺服馬達，所述螺旋升降器係將該第二伺服馬達之旋轉運動轉換為直線運動，並且輸出至該導螺桿；以及複數個導桿，每一個該等導桿之一端係分別透過一線性襯套固定於該第二平台之該底面，該等導桿與該第二平台互相垂直；其中，當該伺服馬達驅動該螺旋升降器旋轉時，連帶地使該導螺桿在垂直方向上產生線性移動，進而帶動該第二平台在垂直方向上產生位移。
11. 一種球關節，包括：三個旋轉接頭，該等旋轉接頭之每一者具有一旋轉軸；其中，該三個旋轉接頭係以互相垂直排列且該三個旋轉軸共心交於一點的方式組合成該球關節； 其中，該球關節之三個旋轉接頭分別為一第一旋轉接頭、一第二旋轉接頭以及一第三旋轉接頭，該球關節進一步包括：一連桿，該連桿為該第一旋轉接頭；一轉接塊，該轉接塊為該第二旋轉接頭，該連桿之一端係可轉動地固定於該轉接塊中；一球關節支撐座，其具有一凹部，該轉接塊係容置於該凹部中，並且透過兩個固定軸從該球關節支撐座的兩側穿入，將該轉接塊樞接於該球關節支撐座之凹部中；以及一旋轉軸，該旋轉軸為該第三旋轉接頭，該旋轉軸之一端係可轉動的固定於該球關節支撐座的一底部；以及該球關節進一步包括一角度補償單元。
12. 根據申請專利範圍第11項所述之球關節，其中，該角度補償單元進一步包括：一連接塊，該連接塊係與該球關節連接，並且具有延一弧線排列的複數個齒狀凹部；以及一調整塊，其具有與該等齒狀凹部相對應之複數個齒部，該等齒部係環繞地設置於該調整塊上；其中，該等齒部之一部分與該連接塊之該等齒狀凹部相嚙合，並且透過一螺栓以及一螺帽將該連接塊與該調整塊相互固定。