TWI604290B - 具有空間位置誤差補償的數值控制工具機 - Google Patents

Description

具有空間位置誤差補償的數值控制工具機

本發明是有關於一種具有空間位置誤差補償功能的數值控制工具機，尤其是有關於一種即時補償空間加工位置誤差的數值控制工具機。

1890年，阿貝博士(Ernst Karl Abbé,1840~1905)在德國卡爾蔡司(Carl Zeiss)工廠工作時，對量測儀器設計提出了指導性的原則：“在位移量測儀上，該感測位置裝置的量測軸線須與該量測探頭的運動軸線一致，否則會因運動軸的角度誤差產生量測位置誤差”，這種誤差即稱之為阿貝誤差(Abbe error)，此原則亦稱之阿貝原則(Abbe Principle)。阿貝原則已被公認為精密機械的設計準則，可應用於工具機、量測儀器、精密定位平台等。

數值控制工具機為工業界普遍使用中的精密加工設備。任何多軸的數值控制工具機都是由基本的線性運動軸為基底加上旋轉軸所搭建出來的。數值控制工具機的線性移動台是利用裝置於線性移動台下方對應其移動軸的位移感測器來測量線性移動台實際位移量，達到精密定位的功能。但是，一般的線性移動台由於結構設計的限制，其位移感測器，所裝設的量測軸線無法和其在空間加 工點的運動軸線同軸，亦即一般數值控制工具機的結構設計是不符合阿貝原則的，各軸移動台位置感測器的感測點和刀具的空間加工點之間仍存在一個空間位置的偏位，俗稱阿貝偏位(Abbe offset)。由於各軸移動時具有三種角度誤差(Angular errors)，在國際標準規範ISO230-1中分別定義為：俯仰(Pitch)、搖擺(Yaw)及滾動(Roll)，每一種角度誤差將由於阿貝偏位造成實際空間加工點位置和三軸位置感測器所顯示的位置值不同，亦即所謂的空間位置誤差，影響數值控制工具機的加工精度甚巨。

習知的工具機空間位置誤差補償法係先行經校正並儲存對應的空間位置誤差值而建立位置誤差表，再以軟體修正指定的位移量做位置誤差補償，此即所謂的前饋誤差補償(Feed-forward error compensation)，如US 4945501、US5021941、US7171320 B2、US6430465B2、US6164117 A。前饋誤差補償法只有感測並回饋位置資訊，且需要大量的記憶空間以建立誤差表，此誤差表並非即時資料，當操作環境變化時此誤差值會隨著變化，故只能補償先前校正過的空間位置誤差。

本發明提供了一種適用於工具機的即時空間位誤差補償方法，以解決先前技術所需解決的課題。更詳細的說，是提供一種因三軸移動平台的角度誤差而產生一空間加工位置誤差的補償方法。

根據本發明一實施例，其揭露了一種工具機包括刀具、主軸、三軸移動平台、三軸感測位置裝置、三軸角度感測模組、誤差補償單元以及控制器。移動平台有三個，分別用以夾持一加工工件 或是承載主軸與刀具，且沿X軸、Y軸或Z軸運動。各軸感測位置裝置設置於各軸移動平台下方，用以感測各軸移動平台所在位置，而發出各軸移動平台位置資訊。各軸角度感測模組緊鄰於各軸移動平台，用以感測各軸移動平台的俯仰、搖擺與滾動三種轉動角度，而產生各軸角度誤差資訊。誤差補償單元電性連接三軸角度感測模組及三軸感測位置裝置，用以接收各軸感測位置資訊及角度誤差資訊而產生一空間加工位置誤差補償資訊。控制器電性連接主軸、三軸移動平台、三軸感測位置裝置、以及誤差補償單元，用以根據誤差補償單元所產生的加工位置誤差補償資訊操作三軸移動平台而將加工工件進行空間位置誤差補償切削加工。

在本發明一實施例中，角度感測模組可為一光學感測模組，但不以此為限。該三軸角度感測模組包含X軸移動平台角度感測模組、Y軸移動平台角度感測模組以及Z軸移動平台角度感測模組。X軸移動平台角度感測模組緊鄰於該軸移動平台，用以感測X軸移動平台的三種轉動角度，包括：以X軸為轉軸的滾動角度θ_X(x)、以Y軸為轉軸的俯仰角度θ_y(x)、以及以Z軸為轉軸的搖擺角度θ_z(x)，而產生X軸移動平台的三種轉動角度誤差資訊。Y軸移動平台角度感測模組緊鄰於該移動平台，用以感測Y軸移動平台的三種轉動角度，包括：以X軸為轉軸的俯仰角度θ_x(y)、以Y軸為轉軸的滾動角度θ_y(y)、以及以Z軸為轉軸的搖擺角度θ_z(y)，而產生Y軸移動平台的三種轉動角度誤差資訊。Z軸移動平台角度感測模組緊鄰於該移動平台，用以感測Z軸移動平台的三種轉動角度，包括：以X軸為轉軸的俯仰角度θ_x(z)、以Y軸為轉軸的搖擺角度θ_y(z)、以及以Z軸為轉軸的滾動角度θ_z(z)，而產生Z軸移動平台的三種轉動角度誤差資訊。

在本發明一實施例中，誤差補償單元用以接收X軸、Y軸、以及Z軸移動平台的共計9種轉動角度誤差資訊以及該三軸感測位置資訊而產生刀具在空間加工位置的誤差補償資訊。

在本發明一實施例中，該X軸移動平台的三種轉動角度誤差資訊造成刀具空間加工位置誤差資訊有三個方向分量，包含X方向位置誤差分量為δ_x(x)、Y方向位置誤差分量為δ_y(x)，以及Z方向位置誤差分量為δ _z (x)，分別滿足以下公式：δ_x(x)=L_xz tan(θ_y(x))-L_xy tan(θ_z(x))，L_xz為該X軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離，L_xy為該X軸感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Y軸的最短直線距離。一般工具機各軸的轉動角度均很小，上式也可簡化為：δ_x(x)=L_xz θ_y(x)-L_xy θ_z(x)[公式(1)]。δ_y(x)=L_xx tan(θ_z(x))-L_xz tan(θ_x(x))，L_xx為該X軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行X軸的最短直線距離。一般工具機各軸的轉動角度均很小，上式也可簡化為：δ_y(x)=L_xx θ_z(x)-L_xz θ_x(x)[公式(2)]。δ_z(x)=L_xy tan(θ_x(x))-L_xx tan(θ_y(x))。一般工具機各軸的轉動角度均很小，上式也可簡化為：δ_z(x)=L_xy θ_x(x)-L_xx θ_y(x)[公式(3)]。

在本發明一實施例中，該Y軸移動平台的三種轉動角度誤差資訊造成刀具空間加工位置誤差資訊有三個方向分量，包含X方向位置誤差為δ_x(y)分量、Y方向位置誤差分量為δ_y(y)，以及Z方向位置誤差為δ_z(y)，分別滿足以下公式：δ_x(y)=L_yz tan(θ_y(y))-L_yy tan(θ_z(y))，L_yz為該Y軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離，L_yy為該Y軸 移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Y軸的最短直線距離。一般工具機各軸的轉動角度均很小，上式也可簡化為：δ_x(y)=L_yz θ_y(y)-L_yy θ_z(y)[公式(4)]。δ_y(y)=L_yx tan(θ_z(y))-L_yz tan(θ_x(y))，L_yx為該Y軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行X軸的最短直線距離。一般工具機各軸的轉動角度均很小，上式也可簡化為：δ_y(y)=L_yx θ_z(y)-L_yz θ_x(y)[公式(5)]。δ_z(y)=L_yy tan(θ_x(y))-L_yx tan(θ_y(y))。一般工具機各軸的轉動角度均很小，上式也可簡化為：δ_z(y)=L_yy θ_x(y)-L_yx θ_y(y)[公式(6)]。

在本發明一實施例中，該Z軸移動平台的三種轉動角度誤差資訊造成刀具空間加工位置誤差資訊有三個方向分量，包含X方向位置誤差為δ_x(z)分量、Y方向位置誤差分量為δ_y(z)，以及Z方向位置誤差為δ _z (z)，分別滿足以下公式：δ_x(z)=L_zz tan(θ_y(z))-L_zy tan(θ_z(z))，L_zz為該Z軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離，L_zy為該Z軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Y軸的最短直線距離。一般工具機各軸的轉動角度均很小，上式也可簡化為：δ_x(z)=L_zz θ_y(z)-L_zy θ_z(z)[公式(7)]。δ_y(z)=L_zx tan(θ_z(z))-L_zz tan(θ_x(z))，L_zx為該Z軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行X軸的最短直線距離。一般工具機各軸的轉動角度均很小，上式也可簡化為：δ_y(z)=L_zx θ_z(z)-L_zz θ_x(z)[公式(8)]。δ_z(z)=L_zy tan(θ_x(z))-L_zx tan(θ_y(z))。一般工具機各軸的轉動角度均很小，上式也可簡化為：δ_z(z)=L_zy θ_x(z)-L_zx θ_y(z)[公式(9)]。

在本發明一實施例中，角度感測模組為一光學感測模組。

本發明實施例的工具機誤差補償單元可依據角度感測模組感測移動平台而推導X軸、Y軸及Z軸的空間三正交方向的關於定位誤差的誤差資訊[公式(1)至公式(9)]，且控制器可根據誤差資訊即時補償，使得控制器可準確地調整承載加工工件的移動平台與加工工件的刀具之間的空間相對關係而對加工工件進行加工，而可增加工具機控制器的加工精度。

100‧‧‧工具機

110‧‧‧刀具

112‧‧‧刀具端部

120a‧‧‧X軸移動平台

120b‧‧‧Y軸移動平台

120c‧‧‧Z軸移動平台

122a‧‧‧X軸滑軌

124a‧‧‧X軸滾珠導螺桿

130a‧‧‧X軸移動平台感測位置裝置

130b‧‧‧Y軸移動平台感測位置裝置

130c‧‧‧Z軸移動平台感測位置裝置

132a‧‧‧X軸移動平台感測位置裝置感測點

132b‧‧‧Y軸移動平台感測位置裝置感測點

132c‧‧‧Z軸移動平台感測位置裝置感測點

140‧‧‧三軸角度感測模組

142‧‧‧Y軸角度感測模組

144‧‧‧X軸角度感測模組

146‧‧‧Z軸角度感測模組

150‧‧‧誤差補償單元

160‧‧‧控制器

170‧‧‧主軸

200‧‧‧加工工件

Lxx‧‧‧X軸移動平台的感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離

Lxy‧‧‧X軸感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Y軸的最短直線距離

Lxz‧‧‧X軸感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離

Lyx‧‧‧Y軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行X軸的最短直線距離

Lyy‧‧‧Y軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Y軸的最短直線距離

Lyz‧‧‧Y軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離

Lzx‧‧‧Z軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行X軸的最短直線距離

Lzy‧‧‧Z軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Y軸的最短直線距離

Lzz‧‧‧Z軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離

O‧‧‧軸心

D1‧‧‧X軸移動平台理想加工位置

D2‧‧‧X軸移動平台實際加工位置

θ_x(x)‧‧‧X軸移動平台以X軸為轉軸的轉動角度

θ_y(x)‧‧‧X軸移動平台以Y軸為轉軸的轉動角度

θ_Z(x)‧‧‧X軸移動平台以Z軸為轉軸的轉動角度

為讓本發明之敘述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：圖1係繪示依照本發明一實施例的具有阿貝誤差補償的數值控制工具機的立體示意圖。

圖2係繪示圖1的工具機在加工一工件時X軸移動平台有角度誤差的側視圖。

圖3係繪示圖1的工具機在加工一工件時X軸移動平台有阿貝偏位的立體圖。

圖4係繪示圖1的工具機在加工一工件時X軸、Y軸及Z軸移動平台有阿貝偏位的立體圖。

請參照圖1及圖2，圖1係繪示依照本發明一實施例的具有阿貝誤差補償的數值控制工具機立體示意圖。圖2係繪示圖1的工具機在加工一工件時X軸移動平台有角度誤差的側視圖。如圖1及圖2所示，本實施例的工具機100包括刀具110、三軸移動平台 (120a、120b、120c)、三軸感測位置裝置130、三軸角度感測模組140、誤差補償單元150、控制器160以及主軸170。

三軸移動平台包括X軸移動平台120a、Y軸移動平台120b以及Z軸移動平台120c。X軸移動平台120a與Y軸移動平台120b設置於刀具110的下方，X軸移動平台120a用以夾持一加工工件200且沿X軸運動；Y軸移動平台120b用以承載X軸移動平台120a且沿Y軸運動；Z軸移動平台120a用以承載主軸170與刀具110，且沿Z軸運動，使得刀具110對加工工件200進行切削加工。進一步的說，移動平台(120a、120b、120c)及刀具110可受到控制器160的操控而啟動以進行對加工工件200的切削。

X軸移動平台120a的X軸移動平台感測位置裝置130a設置於該移動平台下方，X軸移動平台感測位置裝置130a的感測點132a用以感測刀具110所在的X軸位置，而發出X軸感測位置資訊。在本實施例中，X軸位置感測點132a與刀具110端部之間平行Z軸的最短直線距離(L_xz)為圖2中的感測點132a到點D1的距離，其中刀具110的端部也就是指刀具110的用以切削加工工件200的加工位置，感測點132a在Z方向的高度為已知的固定值，D1點為X軸移動平台120a無俯仰角轉動時加工工件的200理想加工位置，可由Z軸移動平台的感測位置裝置所發出的Z軸感測位置得知。另一方面，X軸移動平台120a可沿一X軸滑軌122a及一X軸滾珠導螺桿124a移動，其中X軸滑軌122a及X軸滾珠導螺桿124a與作為X軸移動平台感測位置裝置130a的感測軸體大致平行。

然而，雖然X軸滑軌122a及X軸滾珠導螺桿124a與X軸移動平台感測位置裝置130a大致平行，但X軸移動平台120a與X軸移動 平台感測位置裝置130a之間仍可能存在沿X軸、Y軸或Z軸轉動的角度的誤差。也就是指，X軸移動平台120a具有俯仰角、搖擺角、滾動角的角度誤差。

如上所述，本實施例的工具機100的Y軸移動平台120b與Z軸移動平台120c均各自具有俯仰角、搖擺角、滾動角的角度誤差。

因此，本實施例的工具機100還設置一個三軸角度感測模組140來感測前述各軸移動平台的三種角度誤差，此三軸角度感測模組140包括X軸角度感測模組144、Y軸角度感測模組142、以及Z軸角度感測模組146。詳細來說，如圖1所示，X軸角度感測模組144緊鄰X軸移動平台120a、Y軸角度感測模組142緊鄰Y軸移動平台120b、以及Z軸角度感測模組146緊鄰Z軸移動平台120c。如圖2所示，X軸移動平台120a以Y軸為轉軸的俯仰角度θ_y(x)，而產生一Y軸轉動俯仰角度誤差資訊。如圖3所示，X軸移動平台120a以Z軸為轉軸的搖擺角度θ_z(x)，而產生一Z軸轉動搖擺角度誤差資訊。如圖3所示，X軸移動平台120a以X軸為轉軸的滾動角度θ_x(x)，而產生一X軸轉動滾動角度誤差資訊。經由圖2及圖3的教示，可輕易得知的是，Y軸移動平台120b以X軸為轉軸的俯仰角度θ_x(y)，而產生一X軸轉動俯仰角度誤差資訊，以Y軸為轉軸的滾動角度θ_y(y)，而產生一Y軸轉動滾動角度誤差資訊，並以Z軸為轉軸的搖擺角度θ_z(y)，而產生一Z軸轉動搖擺角度誤差資訊；以及，Z軸移動平台120c以X軸為轉軸的俯仰角度θ_x(z)，而產生一X軸轉動俯仰角度誤差資訊，並以Y軸為轉軸的搖擺角度θ_y(z)，而產生一Y軸轉動搖擺角度誤差資訊，並以Z軸為轉軸的滾動角度θ_z(z)，而產生一Z軸轉動滾動角度誤差資訊。在本實施例中，X軸移動平台120a角度感測模組 144、Y軸移動平台120b角度感測模組142以及Z軸移動平台120c角度感測模組146的至少其中之一可由半導體雷射(LD)、四象限光感測器(QPD)、及光學元件組合而成，藉由光學自動視準儀原理而量測移動平台的俯仰與搖擺轉動角度，而產生誤差資訊。

進一步的說，該X軸移動平台沿X方向加工位置誤差資訊為δ_x(x)，也可稱為X方向的定位誤差，也就是指刀具110的端部112(加工點)和感測裝置130a的感測點132a在X軸方向的相對位移，X軸加工位置定位誤差資訊δ_x(x)滿足以下公式：δ_x(x)=L_xz tan(θ_y(x))-L_xy tan(θ_z(x))。如圖3所示，L_xz為該X軸移動平台感測裝置130a的感測點132a與該刀具110的端部112(加工點)之間平行Z軸的最短直線距離。同理，L_xy為該X軸感測位置裝置130a的感測點132a與該刀具110的端部112(加工點)之間平行Y軸的最短直線距離。

由於θ_y(x)與θ_z(x)的角度很小，故，在一些實施例中，X軸加工位置定位誤差資訊為δ_x(x)，其滿足以下公式：δ_x(x)=L_xz θ_y(x)-L_xy θ_z(x)。

同理，該X軸移動平台沿Y方向加工位置誤差資訊為δ_y(x)，也可稱為Y方向的位置誤差，也就是指刀具110的端部112(加工點)和感測裝置130a的感測點132a在Y方向的相對位移，X軸移動平台沿Y方向位置誤差資訊δ_y(x)滿足以下公式：δ_y(x)=L_xx tan(θ_z(x))-L_xz tan(θ_x(x))。如圖3所示，L_xx為該X軸移動平台感測位置裝置130a的感測點132a與該刀具110的端部112(加工點)之間平行X軸的最短直線距離。

由於θ_z(x)與θ_x(x)的角度很小，故，在一些實施例中，X軸移動平台沿Y方向位置誤差資訊δ_y(x)，其滿足以下公式：δ_y(x)=L_xx θ _z (x)-L_xz θ_x(x)。

同理，該X軸移動平台沿Z方向加工位置誤差資訊為δ_z(x)，也可稱為Z方向的位置誤差，也就是指刀具110的端部112(加工點)和X軸移動平台感測位置裝置130a的感測點132a在Z方向的相對位移，X軸移動平台沿Z方向位置誤差資訊δ_z(x)滿足以下公式：δ_z(x)=L_xy tan(θ_x(x))-L_xx tan(θ_y(x))。由於θ_x(x)與θ_z(x)的角度很小，故，在一些實施例中，X軸移動平台沿Z方向位置誤差資訊δ_z(x)，其滿足以下公式：δ_z(x)=L_xy θ _x (x)-L_xx θ_y(x)。

同理，該Y軸移動平台沿X方向加工位置誤差資訊為δ_x(y)，也可稱為該Y軸移動平台在X方向的位置誤差，其滿足以下公式：δ_x(y)=L_yz tan(θ_y(y))-L_yy tan(θ_z(y))。如圖4所示，L_yz為該Y軸移動平台感測位置裝置130b的感測點132b與該刀具110的端部112(加工點)之間平行Z軸的最短直線距離。L_yy為該Y軸移動平台感測位置裝置130b的感測點132b與該刀具110的端部112(加工點)之間平行Y軸的最短直線距離。

由於θ_y(y)與θ_z(y)的角度很小，故，在一些實施例中，Y軸移動平台沿X方向位置誤差資訊δ_x(y)，其滿足以下公式：δ_x(y)=L_yz θ _y (y)-L_yy θ_z(y)。

同理，該Y軸移動平台沿Y方向加工位置誤差資訊為δ_y(y)，也可稱為Y軸移動平台的定位誤差，其滿足以下公式：δ_y(y)=-L_yz tan(θ_x(y))+L_yxtan(θ_z(y))。如圖4所示，L_yx該Y軸移動平台感測位置裝置130b的感測點132b與該刀具110的端部112(加 工點)之間平行X軸的最短直線距離。

由於θ_x(y)與θ_z(y)的角度很小，故，在一些實施例中，Y軸移動平台加工位置定位誤差資訊為δ_y(y)，其滿足以下公式：δ_y(y)=-L_yz θ_x(y)+L_yx θ_z(y)。

同理，該Y軸移動平台沿Z方向加工位置誤差資訊為δ_z(y)，也可稱為Y軸移動平台在Z方向的位置誤差，其滿足以下公式：δ_z(y)=L_yy tan(θ_x(y))-L_yx tan(θ_y(y))。由於θ_x(y)與θ_y(y)的角度很小，故，在一些實施例中，Y軸移動平台沿Z方向加工位置誤差資訊為δ_z(y)，其滿足以下公式：δ_z(y)=L_yy θ_x(y)-L_yx θ_y(y)。

同理，該Z軸移動平台沿X方向加工位置誤差資訊為δ_x(z)，也可稱為該Z軸移動平台在X方向的位置誤差，其滿足以下公式：δ_x(z)=L_zz tan(θ_y(z))-L_zy tan(θ_z(z))。如圖4所示，L_zz為該Z軸移動平台感測位置裝置130c的感測點132c與該刀具110的端部112(加工點)之間平行Z軸的最短直線距離。L_zy為該Z軸移動平台感測位置裝置130c的感測點132c與該刀具110的端部112(加工點)之間平行Y軸的最短直線距離。

由於θ_y(z)與θ_z(z)的角度很小，故，在一些實施例中，Z軸移動平台沿X方向位置誤差資訊δ_x(z)，其滿足以下公式：δ_x(z)=L_zz θ _y (z)-L_zy θ_z(z)。

同理，該Z軸移動平台沿Y方向加工位置誤差資訊為δ_y(z)，也可稱為該Z軸移動平台在Y方向的位置誤差，其滿足以下公式：δ_y(z)=L_zx tan(θ_z(z))-L_zz tan(θ_x(z))。如圖4所示，L_zx該Z軸移動平台感測位置裝置130c的感測點132c與該刀具110的端部112(加工點)之間平行X軸的最短直線距離。

由於θ_z(z)與θ_x(z)的角度很小，故，在一些實施例中，Z軸移動平台在Y方向的加工位置誤差資訊為δ_y(z)，其滿足以下公式：δ_y(z)=L_zx θ_z(z)-L_zz θ_x(z)。

同理，該Z軸移動平台沿Z方向加工位置誤差資訊為δ_z(z)，也可稱為Z軸移動平台在Z方向的定位誤差，其滿足以下公式：δ_z(z)=L_zy tan(θ_x(z))-L_zx tan(θ_y(z))。由於θ_x(z)與θ_y(z)的角度很小，故，在一些實施例中，Z軸移動平台加工位置定位誤差資訊為δ_z(z)，其滿足以下公式：δ_z(z)=L_zy θ_x(z)-L_zx θ_y(z)。

在本發明一實施例中，三軸移動平台在X軸加工位置誤差資訊為δ_x(x)、δ_x(y)及δ_x(z)，在Y軸加工位置誤差資訊為δ_y(x)、δ_y(y)及δ_y(z)，及在Z軸加工位置誤差資訊為δ_z(x)、δ_z(y)及δ_z(z)，可為阿貝誤差資訊，但不以此為限。

誤差補償單元150電性連接三軸移動平台角度感測模組140(包括142、144、146)及三軸移動平台感測位置裝置(包括130a、130b、130c)，用以接收感測各軸位置資訊及角度誤差資訊而產生一空間加工位置誤差補償資訊，由於加工工件200設置於X軸移動平台120a的軸心O上，加工位置資訊即為關於加工工件200的位置資訊。進一步的說，誤差補償單元150用以接收該X軸移動平台120a的俯仰、偏擺與滾動(θ_y(x),θ_z(x),θ_x(x))三轉動角度誤差資訊、該Y軸移動平台120b的俯仰、偏擺與滾動(θ_x(y),θ_z(y),θ_y(y))三轉動角度誤差資訊、該Z軸移動平台120c的俯仰、偏擺與滾動(θ_x(z),θ_y(z),θ_z(z))三轉動角度誤差資訊以及該三軸移動平台感測位置資訊而產生該三軸移動平台空間加工位置誤差資訊。因此，誤差補償單元150可根據三軸移動平台感測位置裝置(包括130a、 130b、130c)提供關於刀具110的端部112的與三軸移動平台感測位置裝置的感測點(包括132a、132b、132c)最短直線距離的感測資訊(舉例來說，如圖2所示，X軸移動平台感測位置裝置130a所感測到的加工工件200的加工位置為D1)以及關於三軸移動平台傾斜產生的角度誤差的誤差資訊而將感測位置資訊即時補償空間位置誤差資訊後產生關於X軸移動平台120a上的加工工件200的空間加工點的位置資訊(舉例來說，如圖2所示，X軸移動平台感測位置資訊所提供的關於加工工件200的加工位置應為D2)。電性連接主軸170、三軸移動平台(包括120a、120b、120c)、三軸移動平台感測位置裝置(包括130a、130b、130c)以及誤差補償單元150的控制器160可根據三軸移動平台位置資訊以及空間加工位置誤差資訊操作三軸移動平台而將設置於X軸移動平台120a上的加工工件200進行精確的空間位置誤差補償切削加工。

舉例來說，當X軸移動平台120a感測位置裝置感測到X軸移動平台120a上的加工工件200在X軸上的位置為X'，加上X軸移動平台的轉動角度所造成的刀具加工點空間位置誤差資訊δ_x(x)，即為誤差補償單元150發出的空間位置誤差資訊中關於X軸方向的空間位置資訊，控制器160可根據前述的位置資訊即時準確地補償X軸移動平台120a上的加工工件200在X軸上的空間位置誤差，同理，誤差補償單元150也可發出關於Y軸及Z軸的空間位置誤差資訊而使控制器160可根據前述的空間位置誤差資訊即時準確地補償X軸移動平台120a上的加工工件200在Y軸及Z軸上的位置。

詳細而言，三軸角度感測模組140的X軸移動平台角度感測模組144、Y軸移動平台角度感測模組142以及Z軸移動平台角度感 測模組146可即時地量測各對應的移動平台(包括120a、120b、120c)在各位置時關於俯仰、搖擺及滾動的轉動角度在X方向的誤差資訊(包括θ_x(x)、θ_x(y)、θ_x(z))、在Y方向的誤差資訊(包括θ_y(x)、θ_y(y)、θ_y(z))、在Z方向的誤差資訊(包括θ_z(x)、θ_z(y)、θ_z(z))，整體而言即為前述的九種轉動角度誤差資訊。九種轉動角度誤差資訊經由介面卡進入誤差補償單元150後，誤差補償單元150可參考接收的各軸感測位置資訊而即時計算出運動指令的加工點三正交方向的空間誤差值，而控制器160可即時的根據位置資訊進行操控三軸移動平台(包括120a、120b、120c)，使得實際加工位置相較傳統只設有感測位置裝置(包括130a、130b、130c)的工具機100更為準確。在本實施例中，前述的介面卡可為網路卡的數位傳輸、類比/數位轉換卡(A/D converter)或USB，但不以此為限。

由上述本發明實施例可知，應用本發明具有以下優點。本發明的工具機誤差補償單元可依據三軸角度感測模組與三軸移動平台感測位置裝置而推導X軸、Y軸及Z軸的三正交方向的關於空間加工位置誤差的誤差資訊，且控制器可根據空間位置誤差資訊即時補償，使得控制器可準確地調整承載加工工件的移動平台與加工加工工件的刀具之間的空間相對關係而對加工工件進行加工，而可增加工具機的加工精度。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧工具機

110‧‧‧刀具

120a‧‧‧X軸移動平台

120b‧‧‧Y軸移動平台

120c‧‧‧Z軸移動平台

140‧‧‧三軸角度感測模組

142‧‧‧Y軸角度感測模組

144‧‧‧X軸角度感測模組

146‧‧‧Z軸角度感測模組

150‧‧‧誤差補償單元

160‧‧‧控制器

170‧‧‧主軸

200‧‧‧加工工件

O‧‧‧軸心

Claims (7)

1. 一種工具機，包括：一刀具；一主軸，承載該刀具；一X軸移動平台，設置於該刀具的下方，其中該移動平台用以夾持一加工工件，且沿X軸運動，使得該刀具對該加工工件進行X軸切削加工；一Y軸移動平台，設置於該X軸移動平台的下方，其中該移動平台用以夾持X軸移動平台，且沿Y軸運動，使得該刀具對該加工工件進行Y軸切削加工；一Z軸移動平台，設置於該X軸移動平台與該Y軸移動平台的側方，其中該Z軸移動平台用以承載該主軸及該刀具，且沿Z軸運動，使得該刀具對該加工工件進行Z軸切削加工；一X軸移動平台感測位置裝置，設置於該移動平台下方，用以感測該刀具在該移動平台所在位置，而發出一X軸感測位置資訊；一Y軸移動平台感測位置裝置，設置於該移動平台下方，用以感測該刀具在該移動平台所在位置，而發出一Y軸感測位置資訊；一Z軸移動平台感測位置裝置，設置於該移動平台下方，用以感測該刀具在該移動平台所在位置，而發出一Z軸感測位置資訊；一三軸角度感測模組，分別緊鄰於該X軸移動平台、該Y軸移動平台以及該Z軸移動平台，分別用以感測該X軸移動平台、該Y軸移動平台以及該Z軸移動平台的每一移動平台的三種轉動角度，而產生九種角度誤差資訊；一誤差補償單元，電性連接該三軸角度感測模組及該X軸移動平台感測位置裝置、該Y軸移動平台感測位置裝置以及該Z軸移動平台感測位置裝置，用以接收該X軸感測位置資訊、該Y軸感測位置資訊、該Z 軸感測位置資訊及該九種角度誤差資訊而產生一刀具加工空間位置誤差資訊；一控制器，電性連接該刀具、該X軸移動平台、該Y軸移動平台、該Z軸移動平台以及該誤差補償單元，用以根據該三軸移動平台位置資訊以及該刀具加工空間位置誤差資訊來操作該刀具及該X軸移動平台、該Y軸移動平台與該Z軸移動平台而將設置於該X軸移動平台上的該加工工件進行空間位置誤差補償切削加工。
2. 如申請專利範圍第1項所述之工具機，其中該三軸角度感測模組包含：一X軸移動平台角度感測模組，緊鄰於該X軸移動平台，用以感測該X軸移動平台以X軸為轉軸的轉動角度θ_x(x)、以Y軸為轉軸的轉動角度θ_y(x)、以及以Z軸為轉軸的轉動角度θ_z(x)，而產生該X軸移動平台的三種轉動角度誤差資訊；一Y軸移動平台角度感測模組，緊鄰於該Y軸移動平台，用以感測該Y軸移動平台以X軸為轉軸的轉動角度θ_x(y)、以Y軸為轉軸的轉動角度θ_y(y)、以及以Z軸為轉軸的轉動角度θ_z(y)，而產生該Y軸移動平台的三種轉動角度誤差資訊；以及一Z軸移動平台角度感測模組，緊鄰於該Z軸移動平台，用以感測該Z軸移動平台以X軸為轉軸的轉動角度θ_x(z)、以Y軸為轉軸的轉動角度θ_y(z)、以及以Z軸為轉軸的轉動角度θ_z(z)，而產生該Z軸移動平台的三種轉動角度誤差資訊。
3. 如申請專利範圍第2項所述之工具機，其中該刀具加工空間位置誤差資訊包括該X軸移動平台的X方向的刀具加工空間位置誤差資訊為δ _x(x)、Y方向的刀具加工空間位置誤差資訊為δ _y(x)、以及Z方向的刀具加工空間位置誤差資訊為δ _z(x)，其分別滿足以下公式：δ_x(x)=L_xz θ_y(x)-L_xy θ_z(x)；δ_y(x)=L_xx θ_z(x)-L_xz θ_x(x)；以及δ_z(x)=L_xy θ_x(x)-L_xx θ_y(x)； L_xz為該X軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離，L_xy為該X軸感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Y軸的最短直線距離，L_xx為該X軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行X軸的最短直線距離。
4. 如申請專利範圍第2項所述之工具機，其中該刀具加工空間位置誤差資訊包括該Y軸移動平台的X方向的刀具加工空間位置誤差資訊為δ_x(y)、Y方向的刀具加工空間位置誤差資訊為δ_y(y)、Z方向的刀具加工空間位置誤差資訊為δ_z(y)，其分別滿足以下公式：δ_x(y)=L_yz θ _y (y)-L_yy θ_z(y)；δ_y(y)=L_yx θ_z(y)-L_yz θ_x(y)；以及δ_z(y)=L_yy θ_x(y)-L_yx θ_y(y)；L_yz為該Y軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離，L_yy為該Y軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Y軸的最短直線距離，L_yx為該Y軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行X軸的最短直線距離。
5. 如申請專利範圍第2項所述之工具機，其中該刀具加工空間位置誤差資訊包括該Z軸移動平台的X方向的刀具加工空間位置誤差資訊為δ_x(z)、Y方向的刀具加工空間位置誤差資訊為δ_y(z)、Z方向的刀具加工空間位置誤差資訊為δ_z(z)，其分別滿足以下公式：δ_x(z)=L_zz θ _y (z)-L_zy θ_z(z)；δ_y(z)=L_zx θ_z(z)-L_zz θ_x(z)；以及δ_z(z)=L_zy θ_x(z)-L_zx θ_y(z)；L_zz為該Z軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行Z軸的最短直線距離，L_zy為該Z軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間 平行Y軸的最短直線距離，L_zx為該Z軸移動平台感測位置裝置的感測點與該刀具之間平行X軸的最短直線距離。
6. 如申請專利範圍第3項所述之工具機，其中該控制器電性連接刀具、該X軸移動平台、該Y軸移動平台、該Z軸移動平台以及該誤差補償單元並用以根據誤差補償單元所產生的加工位置誤差補償資訊操作該X軸移動平台、該Y軸移動平台以及該Z軸移動平台而將加工工件進行空間位置誤差補償切削加工，該X軸移動平台的空間位置誤差補償資訊為δ_x(x)+δ_x(y)+δ_x(z)，該Y軸移動平台的空間位置誤差補償資訊為δ_y(x)+δ_y(y)+δ_y(z)，該Z軸移動平台的空間位置誤差補償資訊為δ_z(x)+δ_z(y)+δ_z(z)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之工具機，其中該三軸角度感測模組為一光學感測模組。