TWI632344B - 光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置與方法（二） - Google Patents

光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置與方法（二） Download PDF

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謝東賢
Tung-Hsien Hsieh
許仲良
Zhong-Liang Hsu
許家銘
Chia-Ming Hsu
張祐維
Yu-Wei Chang
黃森億
Sen-Yi Huang
謝東興
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Abstract

一種光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，包括一標準試棒與一感測模組，當使用時安裝在動力機械的轉軸與旋轉平台之間，該標準試棒設有一圓柱形透鏡以及一位於端部的反光面，該感測模組的上、下層各沿著X、Y軸向該圓柱形透鏡射出一道雷射光，該感測模組的底層朝該反光面伸出一道斜向的雷射光，在動力機械的轉軸旋轉產生誤差後，該感測模組接收雷射光的變化得出該標準試棒的位移變化訊號供計算單元處理，檢測出轉軸與旋轉平台之間的各種誤差，由於裝置是以容易取得的元件組成，能大幅降低使用的成本而可運用於各種動力機械的精度檢測。

Description

光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置與方法（二）
本發明涉及一種光學式誤差檢測的裝置與方法，尤其涉及一種運用於動力機械的光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置與方法。
如圖9所示，一般動力機械的轉軸與旋轉平台的旋轉軸的誤差源A可分成六個，其中在轉軸是分為三個位置誤差(δ x(θ)、δ y(θ)、δ z(θ))以及一個角度偏擺誤差(wobble，α)，在檢測轉軸時主要是透過δ x(θ)、δ y(θ)感測轉軸徑向誤差，由δ z(θ)感測軸向誤差，然後藉由感測角度偏擺誤差(wobble，α)得知轉軸偏擺情形，而轉軸下方的旋轉平台則需另外感測三個X、Y、Z軸的旋轉軸角度定位誤差ε x(θ)、ε y(θ)與ε z(θ)。
現有動力機械轉軸的檢測方法主要分為靜態檢測與動態檢測兩種方法。靜態檢測是利用標準試棒搭配千分表進行檢測，讀取千分表之數值即為轉軸之迴轉誤差，此量測方法有一重大缺點就是量測並非於實際轉速下進行且誤差包含了試棒安裝的誤差，因此無法反應轉軸真正之迴轉精度；動態檢測則是能避免靜態量測之缺點，目前大部分是使用LION TARGA III PCB高速轉軸動態偏擺量測儀進行感測，此儀器通常使用5個非接觸式電容感探頭，可量測轉軸於實際轉速下之迴轉誤差，轉軸偏擺、逕向與軸向誤差，檢測方法通常是依 據美國材料與試驗協會(ASTM)標準編號(ASTM B5.54)的標準進行檢測，但由於電容式探頭價格相當昂貴，因此相當不易購買。
當動力機械例如加工機加工航太元件時，由於大部分的元件都是用刀具將實體塊材進行高效率的移除而成，大部分加工時間都非常長。在工具機進行加工時，各項內外熱源會造成工具機結構或元件熱變形，導致加工定位精度的偏差，使得轉軸，也就是主軸在進行旋轉加工一段時間後必定產生偏心，造成主軸在其軸向與徑向上的跳動、主軸偏擺誤差而喪失加工精度，如此的誤差必須加以解析才能提昇加工精度。但如前所述，目前傳統檢測常用的方法是以昂貴的LION TARGA III PCB高速主軸動態偏擺量測儀對工具機的主軸進行動態的誤差檢測，由於成本高達1、2百萬使得使用者採購意願不足，無法對高速旋轉的工具機主軸的誤差進行解析以提升加工的精度。
由於現有動態檢測動力機械轉軸誤差的設備十分昂貴，無法廣泛地被採用來解析動力機械轉軸在高速旋轉下的誤差。為此，本發明以市面上容易取得的元件來製造誤差量測設備並執行檢測誤差的方法，可取代現有昂貴的檢測儀器而能大幅降低使用的成本。
為達到上述目的，本發明提供一種光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，是使用於具有X軸、Y軸以及Z軸的動力機械且構造包括：一標準試棒，是豎直的桿體並設有一圓柱形透鏡，在該標準試棒的底端形成一反光面；以及一與該標準試棒配合的感測模組，設有一磁性座，在該磁性座上結合一支架底座，在該支架底座的周圍以環繞設置的形態結合一感測器支架，在該感測器支架的內側之間形成一標準試棒量測區，以該標準試棒量測區供該 標準試棒伸入，在該感測器支架沿Z軸方向間隔設有一首層感測器組以及一次層感測器組，該首層感測器組是以可環繞該標準試棒量測區的形態結合在該感測器支架，包括一第一雷射頭、一第二雷射頭、一第一光點位移感測器以及一第二光點位移感測器，其中第一雷射頭以及第一光點位移感測器結合在該感測器支架對應X軸方向的相反兩側，第二雷射頭以及第二光點位移感測器結合在該感測器支架對應Y軸方向的相反兩側；該次層感測器組是以可環繞該標準試棒量測區的形態結合在該感測器支架，包括一第三雷射頭、一第四雷射頭、一第三光點位移感測器以及一第四光點位移感測器，其中第三雷射頭以及第三光點位移感測器結合在該感測器支架對應X軸方向的相反兩側，第四雷射頭以及第四光點位移感測器結合在該感測器支架對應Y軸方向的相反兩側；在該支架底座頂面的相反兩側分別結合一斜向雷射頭以及一反射光點位移感測器，該斜向雷射頭的自由端朝內且朝上延伸，該反射光點位移感測器在朝向該標準試棒量測區的一側形成一接收面。
進一步，本發明所述的感測器支架包括四個成對結合在所述的支架底座對應X軸方向相反兩側以及Y軸方向相反兩側的載板，所述的標準試棒量測區形成在四個載板之間；所述的首層感測器組的第一雷射頭、第二雷射頭、第一光點位移感測器以及第二光點位移感測器分別結合在四載板中的各載板，所述次層感測器組的第三雷射頭、第四雷射頭、第三光點位移感測器以及第四光點位移感測器分別結合在四載板中的各載板。
進一步，本發明所述的首層感測器組是結合在所述的感測器支架的四載板上側，所述的次層感測器組是結合在該感測器支架的四載板下側，當所述的標準試棒伸入所述的標準試棒量測區的中央時，該圓柱形透鏡較上側的位置位於該首層感應器之間，該圓柱形透鏡較下側的位置位於該次層感測器組之間，該反光面的高度高於所述的斜向雷射頭以及所述的反射光點位移感測器 的高度，該斜向雷射頭射出的雷射光經由該反光面的中心反射後會聚焦在所述的接收面的中央。
進一步，本發明所述的斜向雷射頭以及所述的反射光點位移感測器是以對稱的形態設於所述的標準試棒量測區的範圍內，該斜向雷射頭是斜向設置的柱形元件，該斜向雷射頭的軸心線與水平面的夾角為45度，所述的反射光點位移感測器是斜向設置的柱形元件，所述的接收面形成在該反射光點位移感測器自由端的端面，該接收面與水平面的夾角為45度。
較佳的，本發明所述的第一光點位移感測器、第二光點位移感測器、第三光點位移感測器、第四光點位移感測器以及反射光點位移感測器分別是一維光電式感測器、二維光電式感測器、位置感測器、CCD感測器或CMOS感測器。
前述的光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置使用時，是執行一光學式轉軸多自由度誤差檢測方法，該方法的步驟包括：安裝檢測裝置：提供一種光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，將所述的標準試棒安裝在動力機械的轉軸，又將所述的感測模組安裝在動力機械的平台，所述的首層感測器組的中心與所述的次層感測器組的中心沿Z軸方向的長度距離定義為一架設距離L；將檢測裝置歸零：將該標準試棒移動至該感測模組的標準試棒量測區中央，使第一雷射頭射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡後聚焦至第一光點位移感測器的中央，第二雷射頭射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡後聚焦至第二光點位移感測器的中央，第三雷射頭射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡後聚焦至第三光點位移感測器的中央，第四雷射頭射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡後聚焦至第四光點位移感測器的中央；調整所述的反光面的高度，使所述的斜向雷射頭射出的雷射光照射到該反光面的中心後反射至所述的反射光點位移感測器的 接收面的中央，該標準試棒沿Z軸方向移動的距離△z與該反射的雷射光在該接收面的中央朝旁移動的距離△x的比值定義為一增益值K；啟動轉軸旋轉取得位移變化數據：啟動動力機械的轉軸旋轉，當該轉軸偏心並使該標準試棒位移時，第三光點位移感測器量測該圓柱形透鏡較下側位置的Y軸位移變化Y1，該第四光點位移感測器量測該圓柱形透鏡較下側位置的X軸位移變化X1，該第一光點位移感測器量測該圓柱形透鏡較上側位置的Y軸位移變化Y2，該第二光點位移感測器量測該圓柱形透鏡較上側位置的X軸位移變化X2，該反射光點位移感測器的接收面量測反射的雷射光由接收面的中央朝旁移動距離△x；以及計算得出轉軸與旋轉軸的自由度誤差：將上述位移變化的X1、Y1、X2、Y2的數據以及△x的數據傳輸至一計算單元，配合架設距離L與增益值K代入下列方程式運算得出六個自由度的誤差：X軸方向徑向誤差：δ x(θ)=X1；Y軸方向徑向誤差：δ y(θ)=Y1；Z軸方向徑向誤差：△z=K*△x；角度偏擺誤差(wobble)： X軸方向角度定位誤差： Y軸方向角度定位誤差：
進一步，本發明在所述安裝檢測裝置的步驟前進行一取得檢測裝置的增益值的步驟，是以儀器將所述的標準試棒置於所述感測模組的標準試棒量測區的中央，接著調整該反光面的高低位置，使該感測模組的斜向雷射頭射出的雷射光在照射到反光面的中心後，反射至該反射光點位移感測器的接收面 的中央，接著儀器沿Z軸方向移動該標準試棒，以儀器校正的方式取得所述的增益值K。
由於本發明上述的檢測裝置與檢測方法，其中的標準試棒容易製造，且感測模組能採用一般常見的光電元件製造，因此檢測裝置以及實施方法相較於現有的動態檢測手段更為便宜，可大幅提升廠商採用的意願，用於各種動力機械轉軸與旋轉軸精度檢測，提升業界對高速旋轉的動力機械轉軸誤差進行解析的普遍性，取得誤差數據以改進動力機械轉軸或工具機主軸的加工精度。
10‧‧‧工具機
11‧‧‧主軸
12‧‧‧平台
20‧‧‧標準試棒
21‧‧‧圓柱形透鏡
22‧‧‧反光面
30‧‧‧感測模組
31‧‧‧磁性座
32‧‧‧支架底座
33‧‧‧感測器支架
331‧‧‧載板
34‧‧‧首層感測器組
341‧‧‧第一雷射頭
342‧‧‧第二雷射頭
343‧‧‧第一光點位移感測器
344‧‧‧第二光點位移感測器
35‧‧‧次層感測器組
351‧‧‧第三雷射頭
352‧‧‧第四雷射頭
353‧‧‧第三光點位移感測器
354‧‧‧第四光點位移感測器
36‧‧‧斜向雷射頭
37‧‧‧反射光點位移感測器
371‧‧‧接收面
40‧‧‧計算單元
50‧‧‧標準試棒量測區
A‧‧‧誤差源
L‧‧‧架設距離
△z‧‧‧距離
△x‧‧‧距離
圖1是本發明較佳實施例的立體圖。
圖2是本發明較佳實施例部分放大的立體圖。
圖3是本發明較佳實施例俯視的剖面圖。
圖4是本發明較佳實施例俯視的剖面圖。
圖5是本發明較佳實施例感測模組部分剖面的前視圖。
圖6是本發明較佳實施例反光面反射雷射的示意圖。
圖7是本發明較佳實施例升降標準試棒使雷射光反射位置變化的狀態圖。
圖8是本發明較佳實施例方法的步驟流程圖。
圖9是現有動力機械的轉軸與旋轉平台旋轉軸誤差源的示意圖。
為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如下。
如圖1至圖5所示的較佳實施例，本發明提供一種光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，其使用時是設置在動力機械的轉軸與平台，例如本較佳實施例是設置在一工具機10的主軸11與平台12之間，該工具機10至少具有X軸、Y軸以及Z軸，例如本較佳實施例中該工具機10是多軸工具機，該平台12是旋轉平台。
本發明包括一標準試棒20以及一與該標準試棒20配合的感測模組30，為了計算該感測模組30量測該標準試棒20的結果，設有一以電連接或無線連接的方式接收該感測模組30的誤差訊號的計算單元40，本實施例實施時，是將該標準試棒20結合在該主軸11，並將該感測模組30結合在該平台12的形態實施，其中：該標準試棒20是直桿體，該標準試棒20以豎直且同軸心的形態結合在該主軸11的底端，該標準試棒20設有一圓柱形透鏡21，該圓柱形透鏡21是可透光的圓柱體，該圓柱形透鏡21可以是該標準試棒20上的一段，或是以該圓柱形透鏡21構成整個標準試棒20，如本較佳實施例是以該圓柱形透鏡21構成整個標準試棒20，在該圓柱形透鏡21的自由端，也就是該標準試棒20底端的端面以鍍膜的方式形成一反光面22，該反光面22是水平面。
該感測模組30是在該平台12的頂面結合一磁性座31，在該磁性座31上結合一支架底座32，在該支架底座32的周圍以環繞的形態結合一感測器支架33，該感測器支架33包括四個成對結合在該支架底座32對應該工具機10X軸方向相反兩側以及Y軸方向相反兩側的載板331，各載板331是豎直的板體，在四個載板331的內側之間形成一標準試棒量測區50，前述的標準試棒20朝下伸入該標準試棒量測區50的中央。
在該感測器支架33的上側以環繞該標準試棒量測區50的形態結合一首層感測器組34，包括一第一雷射頭341、一第二雷射頭342、一第一光點 位移感測器343以及一第二光點位移感測器344，其中第一雷射頭341及第一光點位移感測器343結合在該感測器支架33對應X軸方向相反兩側的兩載板331上側，第一雷射頭341的中心與第一光點位移感測器343的中心左右相對，第二雷射頭342以及第二光點位移感測器344結合在該感測器支架33對應Y軸方向相反兩側的兩載板331上側，第二雷射頭342的中心與第二光點位移感測器344的中心前後相對。
在該感測器支架33的下側以環繞該標準試棒量測區50的形態結合一次層感測器組35，包括一第三雷射頭351、一第四雷射頭352、一第三光點位移感測器353以及一第四光點位移感測器354，其中第三雷射頭351以及第三光點位移感測器353結合在該感測器支架33對應X軸方向相反兩側的兩載板331下側，第三雷射頭351的中心以及第三光點位移感測器353的中心左右相對，第四雷射頭352以及第四光點位移感測器354結合在該感測器支架33對應Y軸方向相反兩側的兩載板331下側，第四雷射頭352的中心以及第四光點位移感測器354的中心前後相對。首層感測器組34與次層感測器組35設置的位置上下對齊，首層感測器組34的中心與次層感測器組35的中心沿Z軸方向的長度距離定義為一架設距離L。
在該支架底座32位於該標準試棒量測區50範圍內的頂面，沿X軸方向的相反兩側分別以對稱的形態結合一斜向雷射頭36以及一反射光點位移感測器37，該斜向雷射頭36是斜向設置的柱形元件且自由端朝內且朝上延伸，該反射光點位移感測器37是斜向設置的柱形元件且自由端同樣朝內且朝上延伸，在該反射光點位移感測器37自由端的端面形成一接收面371，該斜向雷射頭36的軸心線與水平面的夾角為45度，該反射光點位移感測器37的接收面371與水平面的夾角為45度。
上述的第一光點位移感測器343、第二光點位移感測器344、第三光點位移感測器353、第四光點位移感測器354以及反射光點位移感測器37可分別選用一維或二維光電式感測器、位置感測器、CCD感測器、CMOS感測器等非接觸式光電感測器。當該工具機10還未啟動，令該標準試棒20以及該感測模組30位於歸零的位置時，上述的第一雷射頭341以及第二雷射頭342分別射出的雷射光是正十字交錯在該圓柱形透鏡21較上側位置的中心，第三雷射頭351以及第四雷射頭352分別射出的雷射光線是正十字交錯在該圓柱形透鏡21較下側位置的中心，如圖6所示，該斜向雷射頭36射出的雷射光照射到反光面22的中心後反射至該反射光點位移感測器37的接收面371的中央。
在本發明安裝在工具機10使用之前，能夠以儀器將該標準試棒20置於該標準試棒量測區50的中央，調整該反光面22的高低位置，使該斜向雷射頭36自由端中央射出的雷射光在照射到反光面22的中心後，能反射至該反射光點位移感測器37的接收面371的中央，如圖7所示，接著沿Z軸方向移動該標準試棒20，以儀器校正的方式取得該標準試棒20沿Z軸方向移動的距離△z與該反射的雷射光在該接收面371的中央朝旁移動的距離△x的比值，該比值稱為增益值K。
如圖3所示，該第一雷射頭341射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡21較上側的位置後會聚焦至第一光點位移感測器343的中央，該第二雷射頭342射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡21較上側的位置後會聚焦至第二光點位移感測器344的中央；如圖4所示，該第三雷射頭351射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡21較下側的位置後會聚焦至第三光點位移感測器353的中央，該第四雷射頭352射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡21較下側的位置後會聚焦至第四光點位移感測器354的中央；如圖5、圖6所示，該斜向雷射頭36射出的雷射光照射到該反光面22的中心後會以90度夾角反射聚焦至該反射光點位移感測器37自由端的中央。
當該工具機10的主軸11開始高速旋轉，該工具機10內部的機構因內部的熱源或外部熱源產生熱變形，使該主軸11的位置偏心連帶令該標準試棒20在該標準試棒量測區50中的位置移動時，由於該圓柱形透鏡21較下側位置的移動會造成射入的兩條雷射光在該第三光點位移感測器353與第四光點位移感測器354上的聚焦位置變化，因此該第三光點位移感測器353可量測到該圓柱形透鏡21較下側位置的Y軸位移變化Y1，該第四光點位移感測器354則可量測到該圓柱形透鏡21較下側位置的X軸位移變化X1。
當該標準試棒20隨主軸11的位置偏心而在該標準試棒量測區50中的位置移動時，由於該圓柱形透鏡21較上側位置的移動會造成射入的兩條雷射光在該第一光點位移感測器343與第二光點位移感測器344上的聚焦位置變化，因此該第一光點位移感測器343可量測到該圓柱形透鏡21較上側位置的Y軸位移變化Y2，該第二光點位移感測器344則可量測到該圓柱形透鏡21較上側位置的X軸位移變化X2。當該標準試棒20隨主軸11的位置偏心而在該標準試棒量測區50中的位置移動時，如圖7所示，由於該標準試棒20沿Z軸方向位置的移動距離△z會造成反光面22上下移動，使得反光面22反射的雷射光射至接收面371的位置產生變化，這時該反射光點位移感測器37的接收面371可量測到反射的雷射光由接收面371的中央朝旁移動距離△x。
該計算單元40可以是單晶片或電腦，如本較佳實施例中該計算單元40是電腦，並且以電連接或無線連接的方式接收該次層感測器組35感測到的該圓柱形透鏡21較下側位置的X軸位移變化X1以及Y軸位移變化Y1，該首層感測器組34感測該圓柱形透鏡21較上側位置的X軸位移變化X2以及Y軸位移變化Y2，以及反射的雷射光由該接收面371的中央朝旁移動的距離△x，再配合已知的架設距離L以及增益值K進行主軸11與平台12的旋轉軸的誤差運算。
本發明除上述較佳實施例，是將該反射光點位移感測器37的接收面371設為與水平面的夾角為45度的形態以外，該接收面371與水平面的夾角也可以是其他任意的角度，例如0度或60度的角度，只要該接收面371能接收到由該反光面22反射的雷射光即可；此外，該斜向雷射頭36的軸心線與水平面的夾角除了是45度以外，也可以改變為其他的角度，只要由斜向雷射頭36射出的雷射光能夠照射到該反光面22的中心後反射至接收面371即可。當斜向雷射頭36的軸心線與水平面的夾角改變，或者該接收面371與水平面的夾角改變時，本發明的增益值K的數值就會改變，這時需要先透過儀器再度校正，找出本發明新的增益值K。
本發明上述的光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置在使用時，是執行一光學式轉軸多自由度誤差檢測方法，如圖8所示，其步驟包括：取得檢測裝置的增益值：以儀器將前述光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置的標準試棒20置於該感測模組30的標準試棒量測區50的中央，接著調整該反光面22的高低位置，使該感測模組30的斜向雷射頭36射出的雷射光在照射到反光面22的中心後，能反射至該反射光點位移感測器37的接收面371的中央，接著儀器沿Z軸方向移動該標準試棒20，以儀器校正的方式取得該標準試棒20沿Z軸方向移動的距離△z與該反射的雷射光在該接收面371的中央朝旁移動的距離△x的比值，該比值稱為增益值K。
安裝檢測裝置：將該光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置的標準試棒20安裝在動力機械的轉軸，例如一工具機10的主軸11底端，又將一感測模組30安裝在動力機械的平台，例如該工具機10的平台12，該工具機10是至少具有X軸、Y軸以及Z軸的多軸加工機，該平台12可為雙軸平台或旋轉平台。
將檢測裝置歸零：啟動工具機10移動主軸11與該標準試棒20，將該標準試棒20移動至該感測模組30的標準試棒量測區50的中央，將首層感測器 組34環繞在該圓柱形透鏡21較上側位置的周圍，又將次層感測器組35環繞在該圓柱形透鏡21較下側位置的周圍，該第一雷射頭341射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡21後聚焦至第一光點位移感測器343的中央，該第二雷射頭342射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡21後聚焦至第二光點位移感測器344的中央，第三雷射頭351射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡21後聚焦至第三光點位移感測器353的中央，該第四雷射頭352射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡21後聚焦至第四光點位移感測器354的中央，該斜向雷射頭36射出的雷射光照射到該標準試棒20的反光面22的中心後反射至該反射光點位移感測器37的接收面371的中央。
啟動轉軸旋轉取得位移變化數據：啟動工具機10的主軸11旋轉，當主軸11高速旋轉產生偏心的變化後，連帶使該標準試棒20在該感測模組30內的位置移動，這時第三光點位移感測器353量測該圓柱形透鏡21較下側位置的Y軸位移變化Y1，該第四光點位移感測器354量測該圓柱形透鏡21較下側位置的X軸位移變化X1，該第一光點位移感測器343量測該圓柱形透鏡21較上側位置的Y軸位移變化Y2，該第二光點位移感測器344量測該圓柱形透鏡21較上側位置的X軸位移變化X2，該反射光點位移感測器37的接收面371可量測到反射的雷射光由接收面371的中央朝旁移動距離△x。
計算得出轉軸與旋轉軸的自由度誤差：該感測模組30將上述標準試棒20的位移變化包括X1、Y1、X2、Y2以及△x的數據以電連接或無線連接的方式傳輸至所述的計算單元40，配合架設距離L代入下列誤差的程式運算而得出下列主軸11與平台12的旋轉軸的六個自由度的誤差：X軸方向徑向誤差：δ x(θ)=X1；Y軸方向徑向誤差：δ y(θ)=Y1；Z軸方向徑向誤差：△z=K*△x；角度偏擺誤差(wobble)： X軸方向角度定位誤差： Y軸方向角度定位誤差：
運用本發明的裝置執行所述的光學式轉軸多自由度誤差檢測方法時，有兩種安裝裝置的方式：第一種方式是將感測模組30架設於工具機10的主軸11底端，再將標準試棒20架設於工具機10的平台12，此種方式可感測動力機械轉軸的四自由度誤差，分別為δ x(θ)、δ y(θ)、△z與角度偏擺誤差(wobble，α)；第二種方式是將標準試棒20架設於工具機10的主軸11底端，再將感測模組30架設於工具機10的平台12，此種方式可感測動力機械轉軸的六自由度誤差，分別為δ x(θ)、δ y(θ)、△z、ε x(θ)與ε y(θ)與角度偏擺誤差(wobble，α)，此第二種架設的方式是前述方法的較佳實施例所採用的安裝方式。
本發明的裝置與方法的功效在於，該標準試棒20的形狀容易製造，且感測模組30採用的元件，例如首層感測器組34以及次層感測器組35的元件都是一般常見的光電元件，因此由標準試棒20配合感測模組30組成的動態誤差檢測裝置以及實施的方法更為便宜，可大幅降低動態檢測工具機10主軸11的實施可能性的風險，未來可用於各種動力機械的轉軸與旋轉軸精度檢測，提升業界對高速旋轉的動力機械轉軸誤差進行解析的普遍性以提升動力機械精度或工具機的加工精度。
本發明有別於先前架構，可以感測轉軸與旋轉軸角度的誤差變化，與先前單純只能感測X、Y、Z軸位移變化的發明大大不同，提高了本發明應用於動力機械主軸與旋轉軸之方便性，將可大幅被應用於動力機械的線上檢測中，當檢測時本發明至多可感測六個自由度誤差。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明主張的權利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

Claims (7)

  1. 一種光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，是使用於具有X軸、Y軸以及Z軸的動力機械且構造包括：一標準試棒，是豎直的桿體並設有一圓柱形透鏡，在該標準試棒的底端形成一反光面；以及一與該標準試棒配合的感測模組，設有一磁性座，在該磁性座上結合一支架底座，在該支架底座的周圍以環繞設置的形態結合一感測器支架，在該感測器支架的內側之間形成一標準試棒量測區，以該標準試棒量測區供該標準試棒伸入，在該感測器支架沿Z軸方向間隔設有一首層感測器組以及一次層感測器組，該首層感測器組是以可環繞該標準試棒量測區的形態結合在該感測器支架，包括一第一雷射頭、一第二雷射頭、一第一光點位移感測器以及一第二光點位移感測器，其中第一雷射頭以及第一光點位移感測器結合在該感測器支架對應X軸方向的相反兩側，第二雷射頭以及第二光點位移感測器結合在該感測器支架對應Y軸方向的相反兩側；該次層感測器組是以可環繞該標準試棒量測區的形態結合在該感測器支架，包括一第三雷射頭、一第四雷射頭、一第三光點位移感測器以及一第四光點位移感測器，其中第三雷射頭以及第三光點位移感測器結合在該感測器支架對應X軸方向的相反兩側，第四雷射頭以及第四光點位移感測器結合在該感測器支架對應Y軸方向的相反兩側；在該支架底座頂面的相反兩側分別結合一斜向雷射頭以及一反射光點位移感測器，該斜向雷射頭的自由端朝內且朝上延伸，該反射光點位移感測器在朝向該標準試棒量測區的一側形成一接收面。
  2. 如請求項1之光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，其中，所述的感測器支架包括四個成對結合在所述的支架底座對應X軸方向相反兩側以及Y軸方向相反兩側的載板，所述的標準試棒量測區形成在四個載板之間；所述的首層感測器組的第一雷射頭、第二雷射頭、第一光點位移感測器以及第二光點位移感測器分別結合在四載板中的各載板，所述次層感測器組的第三雷射頭、第四雷射頭、第三光點位移感測器以及第四光點位移感測器分別結合在四載板中的各載板。
  3. 如請求項2之光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，其中所述的首層感測器組是結合在所述的感測器支架的四載板上側，所述的次層感測器組是結合在該感測器支架的四載板下側，當所述的標準試棒伸入所述的標準試棒量測區的中央時，該圓柱形透鏡較上側的位置位於該首層感應器之間，該圓柱形透鏡較下側的位置位於該次層感測器組之間，該反光面的高度高於所述的斜向雷射頭以及所述的反射光點位移感測器的高度，該斜向雷射頭射出的雷射光經由該反光面的中心反射後會聚焦在所述的接收面的中央。
  4. 如請求項3之光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，其中所述的斜向雷射頭以及所述的反射光點位移感測器是以對稱的形態設於所述的標準試棒量測區的範圍內，該斜向雷射頭是斜向設置的柱形元件，該斜向雷射頭的軸心線與水平面的夾角為45度，所述的反射光點位移感測器是斜向設置的柱形元件，所述的接收面形成在該反射光點位移感測器自由端的端面，該接收面與水平面的夾角為45度。
  5. 如請求項1至4任一項之光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，其中所述的第一光點位移感測器、第二光點位移感測器、第三光點位移感測器、第四光點位移感測器以及反射光點位移感測器分別是一維光電式感測器、二維光電式感測器、位置感測器、CCD感測器或CMOS感測器。
  6. 一種光學式轉軸多自由度誤差檢測方法，其方法步驟包括：安裝檢測裝置：提供一種如請求項1之光學式轉軸多自由度誤差檢測裝置，將所述的標準試棒安裝在動力機械的轉軸，又將所述的感測模組安裝在動力機械的平台，所述的首層感測器組的中心與所述的次層感測器組的中心沿Z軸方向的長度距離定義為一架設距離L；將檢測裝置歸零：將該標準試棒移動至該感測模組的標準試棒量測區中央，使第一雷射頭射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡後聚焦至第一光點位移感測器的中央，第二雷射頭射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡後聚焦至第二光點位移感測器的中央，第三雷射頭射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡後聚焦至第三光點位移感測器的中央，第四雷射頭射出的雷射光穿過該圓柱形透鏡後聚焦至第四光點位移感測器的中央；調整所述的反光面的高度，使所述的斜向雷射頭射出的雷射光照射到該反光面的中心後反射至所述的反射光點位移感測器的接收面的中央，該標準試棒沿Z軸方向移動的距離△z與該反射的雷射光在該接收面的中央朝旁移動的距離△x的比值定義為一增益值K；啟動轉軸旋轉取得位移變化數據：啟動動力機械的轉軸旋轉，當該轉軸偏心並使該標準試棒位移時，第三光點位移感測器量測該圓柱形透鏡較下側位置的Y軸位移變化Y1，該第四光點位移感測器量測該圓柱形透鏡較下側位置的X軸位移變化X1，該第一光點位移感測器量測該圓柱形透鏡較上側位置的Y軸位移變化Y2，該第二光點位移感測器量測該圓柱形透鏡較上側位置的X軸位移變化X2，該反射光點位移感測器的接收面量測反射的雷射光由接收面的中央朝旁移動距離△x；以及計算得出轉軸與旋轉軸的自由度誤差：將上述位移變化的X1、Y1、X2、Y2的數據以及△x的數據傳輸至一計算單元，配合架設距離L與增益值K代入下列方程式運算得出六個自由度的誤差：X軸方向徑向誤差：δ x(θ)=X1；Y軸方向徑向誤差：δ y(θ)=Y1；Z軸方向徑向誤差：△z=K*△x；角度偏擺誤差(wobble)：
    Figure TWI632344B_C0001
    X軸方向角度定位誤差：
    Figure TWI632344B_C0002
    Y軸方向角度定位誤差：
    Figure TWI632344B_C0003
  7. 如請求項6之光學式轉軸多自由度誤差檢測方法，其中在所述安裝檢測裝置的步驟前進行一取得檢測裝置的增益值的步驟，是以儀器將所述的標準試棒置於所述感測模組的標準試棒量測區的中央，接著調整該反光面的高低位置，使該感測模組的斜向雷射頭射出的雷射光在照射到反光面的中心後，反射至該反射光點位移感測器的接收面的中央，接著儀器沿Z軸方向移動該標準試棒，以儀器校正的方式取得所述的增益值K。
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