TWI633522B - Measuring and correcting compensation system and method for machine tool - Google Patents

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TWI633522B
TWI633522B TW106118182A TW106118182A TWI633522B TW I633522 B TWI633522 B TW I633522B TW 106118182 A TW106118182 A TW 106118182A TW 106118182 A TW106118182 A TW 106118182A TW I633522 B TWI633522 B TW I633522B
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黃宜裕
張偉國
劉立中
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國家中山科學研究院
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Abstract

一種工具機之量測校正補償系統，包含第一定位基座；二第一光斑影像感測器，在工具機加工前及加工時感測工件固定單元在第一定位基座的第一XY平面及第一XZ平面之光斑位置以校正補償工件固定單元的位置；第二定位基座；二第二光斑影像感測器，在工具機加工前及加工時感測刀具固定單元在第二定位基座的第二XY平面及第二YZ平面之光斑位置以校正補償刀具固定單元的位置。藉此，可以較簡化、成本低、熱變形校正精度佳的方式直接精確量得工具機各軸之熱膨脹量，以即時校正工具機各軸之絕對定位座標，讓多軸同動定位精度不會因工具機的熱膨脹而降低。

Description

一種工具機之量測校正補償系統及方法
本發明係關於一種工具機之量測校正補償系統及方法，尤指一種可以較簡化、成本低、熱變形校正精度佳的方式直接精確量得工具機各軸之熱膨脹量，以即時校正工具機各軸之絕對定位座標，讓多軸同動定位精度不會因工具機的熱膨脹而降低者。
工具機在長時間加工的情況下，因為本身產生的熱能或環境溫度的變化，導致工具機因為熱效應而產生熱變形，造成刀具及工件的相對位置發生變化，進而引起加工尺寸或形狀的偏差，降低加工精度。一般來說，工具機加工時的誤差有40%至70%是由熱變形所造成，因此，工具機熱行為表現的優劣程度，可視為衡量精度與穩定度的重要指標之一，若熱行為表現具有重現性與穩定性，表示工具機可長時間維持良好加工品質；反之，若工具機的熱行為模式變異過大，則加工品質便難以確保。有鑒於此，許多廠商便將其因應熱誤差的技術視為達到高加工精度與高穩定度的技術象徵，例如熱親合技術與熱源冷卻抑制技術…等。
國內工具機相關製造廠商解決工具機熱變形方法係為開發CNC數控系統的熱變形控制技術，其包括：1.利用溫度感測器安置於機體溫度變化較顯著位置(可利用紅外線熱像儀進行量測)，以擷取工具機溫度變化；2.架設三維量測儀來量測及記錄工具機溫升變形量；3.利用溫度及熱變形量數據來建立工具機熱變形模型；4.建立工具機熱變形量模型及溫升補正驗證。
熱輻射影像能夠接收到環境各物體所放射出來的熱輻射，藉由接收到的資訊可以作為觀察、分析，若大量的收集與統計這些資料更可以判斷出物體的類型，例如：行人、樹木...等；但利用熱像儀進行物體溫度特性的量測，所得到的熱輻射影像中的溫度資訊都是相對的，例如，在不同張熱輻射影像中，相同灰階的影像卻代表不同溫度，另外還會出現更嚴重的問題是，例如：熱輻射影像中出現一相當高溫物體，使得其他溫度的物體所能呈現的灰階範圍就會被壓縮，因而難以判斷出行人確切位置。
CNC數控系統的熱變形控制技術係採用量測工具機溫度的變化量再透過工具機熱變形模組內建軟體來計算出工具機即時熱變形量，以做為加工主軸熱補償校正位移量。由於熱變形模組軟體開發時，工具機熱源與環境溫度取樣範圍有限，當工具機工作的時日增加，工具機內建馬達的發熱特性改變或環境溫度變化太大都會造成原先設定之校正軟體計算誤差，降低工具機工作精度及加工穩定度。
國外廠商採用多種方法來降低工具機之熱形變量，其包括：1.設計熱對稱及熱平衡的機體結構，使工具機熱變形誤差的產生具備對稱特性與可掌握性；2.採用熱親合機體以有效降低工具機機體的熱變形量；3.採用多通道零熱源冷卻技術以有效降低熱源溫度之變化量；4.機體熱點量測及熱變形補償。以上技術各有功能，且必須全部執行才可達到預定規格，其複雜度、困難度及製作成本都很高。
因此，如何業界極需一種工具機之量測校正補償系統及方法，可使其以較簡化、成本低、熱變形校正精度佳的方式直接精確量得工具機各軸之熱膨脹量，以即時校正工具機各軸之絕對定位座標，藉此，可讓多軸同動定位精度不會因工具機的熱膨脹而降低，達到超高精密加工之目的。
鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種工具機之量測校正補償系統及方法，整合一第一定位基座、一光斑影像感測器、一工件固定單元及一第二定位基座等元件，以即時方式校正工具機各軸之絕對定位座標，讓多軸同動定位精度不會因工具機的熱膨脹而降低的目的。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種工具機之量測校正補償系統，包括：一第一定位基座1，其具有一第一XY平面11及一第一XZ平面12，該第一定位基座1用以設置於該工具機9之機台座96且位於該工具機9之X軸平移台91之旁側，該X軸平移台91設置於該機台座96，該第一定位基座1的材質為零膨脹玻璃、不變鋼或花崗岩；二第一光斑影像感測器2，其用以設置於該工具機9之工件固定單元94，該工件固定單元94在該X軸平移台91上沿X軸平移，該工具機9加工前及加工時，該等第一光斑影像感測器2分別沿X軸感測該工件固定單元94在該第一XY平面11上之光斑位置及該第一XZ平面12上之光斑位置，該工件固定單元94在該第一XY平面11上之光斑位置及該第一XZ平面12上之光斑位置在該工具機9加工前及加工時的差異係用以校正補償該工件固定單元94在該工具機9加工時的位置；一第二定位基座3，其具有一第二XY平面31及一第二YZ平面32，該第二定位基座3用以設置於該工具機9之機台座96且位於該工具機9之Y軸平移台92及Z軸平移台93之旁側，該Y軸平移台92設置於該機台座96，該Z軸平移台93在該Y軸平移台92上沿Y軸平移，該第二定位基座3的材質為零膨脹玻璃、不變鋼或花崗岩；以及二第二光斑影像感測器4，其分別用以設置於該工具機9之刀具固定單元95及Z軸平移台93，該刀具固定單元95在該Z軸平移台93上沿Z軸平移，該工具機9加工前及加工時，該等第 二光斑影像感測器4分別沿Y軸感測該刀具固定單元95在該第二XY平面上31之光斑位置及沿YZ平面32感測該刀具固定單元95在該第二YZ平面32上之光斑位置，該刀具固定單元95在該第二XY平面31上之光斑位置及該第二YZ平面上32之光斑位置在該工具機9加工前及加工時的差異係用以校正補償該刀具固定單元95在該工具機9加工時的位置。
上述之工具機9之量測校正補償系統中，更包含一第一調整支架5、一第二調整支架6及一第三調整支架7，該等第一光斑影像感測器2藉由該第一調整支架5設置於該工具機9之工件固定單元94，該等第二光斑影像感測器4分別藉由該第二及該第三調整支架設置於該工具機之Z軸平移台93及刀具固定單元95。
上述之工具機9之量測校正補償系統中，更包含一第一雷射光源71、一第一干涉鏡72及一第一反射鏡73等所組成之雷射干涉儀。該第一干涉鏡72設置於該第一定位基座1，該第一反射鏡73設置於該第一調整支架5，該第一雷射光源71的雷射光經由該第一干涉鏡72投射到該第一反射鏡73，該第一反射鏡73反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第一反射鏡73及該第一干涉鏡72之相對位移距離，利用該位移距離協助該第一光斑影像感測器2在該工具機9加工前建立該第一XY平面31上及該第一XZ平面32上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
上述之工具機9之量測校正補償系統中，更包含一第二雷射光源81、一第二干涉鏡82及一第二反射鏡83等所組成之雷射干涉儀。該第二干涉鏡82設置於該第二定位基座3，該第二反射鏡83設置於該第二調整支架6，該第二調整支架6設置於該Z軸平移台93，該第二雷射光源81的雷射光經由該第二干涉鏡82投射到該第二反射鏡83，該第二反射鏡83反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第二反射鏡83及 該第二干涉鏡82之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器4在該工具機9加工前建立該第二XY平面31上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
上述之工具機9之量測校正補償系統中，更包含一第三雷射光源84、一第三干涉鏡85、一第三反射鏡86及一第四反射鏡87等所組成之雷射干涉儀。該第三干涉鏡85設置於該工具機9之機台座96，該第三反射鏡86設置於該Z軸平移台93及該第四反射鏡87設置於該第三調整支架7，該第三調整支架7設置於該刀具固定單元95，該第三雷射光源84的雷射光經由該第三干涉鏡85及設置於該Z軸平移台之第三反射鏡86投射到設置於該第三調整支架7之第四反射鏡87，該第三調整支架7之第四反射鏡87反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第三調整支架7之第四反射鏡87及該第三干涉鏡85之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器4在該工具機9加工前建立該第二YZ平面32上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
為達上述目的及其他目的，本發明的第二態樣係提供一種工具機9之量測校正補償方法，其包含下列步驟：(1)在該工具機9加工前，利用如請求項1所述之工具機9之量測校正補償系統感測該工具機9之工件固定單元94沿X軸在該第一定位基座1之第一XY平面11上之光斑位置及該第一定位基座11之第一XZ平面12上之光斑位置，及感測該工具機9之刀具固定單95元沿Y軸在該第二定位基座3之第二XY平面31上之光斑位置及沿YZ平面在該第二定位基座3之第二YZ平面32上之光斑位置；(2)在該工具機9加工時，利用如請求項1所述之工具機9之量測校正補償系統感測該工具機9之工件固定單94元沿X軸在該第一定位基座1之第一XY平面11上之光斑位置及該第一定位基座1之第一XZ平面12上之光斑位置，及感測該工具機9之刀具固定單元95沿Y 軸在該第二定位基座3之第二XY平面31上之光斑位置及沿YZ平面在該第二定位基座之第二YZ平面32上之光斑位置；以及(3)利用該工件固定單元94在該第一XY平面11上之光斑位置及該第一XZ平面12上之光斑位置在該工具機加工前及加工時的差異校正補償該工件固定單元94在該工具機9加工時的位置，及利用該刀具固定單元95在該第二XY平面31上之光斑位置及該第二YZ平面32上之光斑位置在該工具機9加工前及加工時的差異校正補償該刀具固定單元95在該工具機9加工時的位置。
上述之工具機9之量測校正補償方法中，更包含一第一調整支架5、一第二調整支架6及一第三調整支架7，該等第一光斑影像感測器2藉由該第一調整支架5設置於該工具機9之工件固定單元94，該等第二光斑影像感測器4分別藉由該第二調整支架6設置於該工具機9之Z軸平移台93及由該第三調整支架7設置於該工具機9之刀距固定單元95。
上述之工具機9之量測校正補償方法中，該步驟(1)中，該工具機9之量測校正補償系統更包含一第一雷射光源71、一第一干涉鏡72及一第一反射鏡73等所組成之雷射干涉儀，該第一干涉鏡72設置於該第一定位基座1，該第一反射鏡73設置於該第一調整支架5，該第一雷射光源71的雷射光經由該第一干涉鏡72投射到該第一反射鏡73，該第一反射鏡73反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第一反射鏡73及該第一干涉鏡72之相對位移距離，利用該位移距離協助該第一光斑影像感測器2在該工具機9加工前建立該第一XZ平面11上及該第一XZ平面12上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
上述之工具機9之量測校正補償方法中，該步驟(1)中，該工具機9之量測校正補償系統更包含一第二雷射光源81、一第二干涉鏡82及一第二反射鏡83等所組成之雷射 干涉儀，該第二干涉鏡82設置於該第二定位基座3，該第二反射鏡83設置於該第二調整支架6，該第二調整支架6設置於該Z軸平移台93，該第二雷射光源81的雷射光經由該第二干涉鏡82投射到該第二反射鏡83，該第二反射鏡83反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第二反射鏡83及該第二干涉鏡82之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器4在該工具機9加工前建立該第二XY平面31上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
上述之工具機之量測校正補償方法中，該步驟(1)中，該工具機9之量測校正補償系統更包含一第三雷射光源84、一第三干涉鏡85、一第三反射鏡86及一第四反射鏡87等所組成之雷射干涉儀，該第三干涉鏡85設置於該工具機9之機台座96，該第三反射鏡86設置於該Z軸平移台93及該第四反射鏡87設置於該第三調整支架7，該第三調整支架7設置於該刀具固定單元95，該第三雷射光源84的雷射光經由該第三干涉鏡85及設置於該Z軸平移台93之第三反射鏡86投射到設置於該第三調整支架7之第四反射鏡87，該第三調整支架7之第四反射鏡87反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第三調整支架7之第四反射鏡87及該第三干涉鏡85之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器4在該工具機9加工前建立該第二YZ平面32上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
1‧‧‧第一定位基座
11‧‧‧第一XY平面
12‧‧‧第一XZ平面
2‧‧‧第一光斑影像感測器
3‧‧‧第二定位基座
31‧‧‧第二XY平面
32‧‧‧第二YZ平面
4‧‧‧第二光斑影像感測器
5‧‧‧第一調整支架
6‧‧‧第二調整支架
7‧‧‧第三調整支架
71‧‧‧第一雷射光源
72‧‧‧第一干涉鏡
73‧‧‧第一反射鏡
81‧‧‧第二雷射光源
82‧‧‧第二干涉鏡
83‧‧‧第二反射鏡
84‧‧‧第三雷射光源
85‧‧‧第三干涉鏡
86‧‧‧第三反射鏡
87‧‧‧第四反射鏡
9‧‧‧工具機
91‧‧‧X軸平移台
92‧‧‧Y軸平移台
93‧‧‧Z軸平移台
94‧‧‧工件固定單元
95‧‧‧刀具固定單元
96‧‧‧機台座
第一圖係為本發明一種工具機之量測校正補償系統之示意圖； 第二圖係為本發明一種工件固定單元之光斑位置之示意圖；第三圖係為本發明一種刀具固定單元之光斑位置之示意圖；第四圖係為本發明一種工具機加工前工件固定單元沿X軸之光斑位置之示意圖；第五圖係為本發明一種工具機加工前刀具固定單元沿Y軸之光斑位置之示意圖；第六圖係為本發明一種工具機加工前刀具固定單元沿YZ平面之光斑位置之示意圖；第七圖係為本發明一種工具機加工前工件固定單元及刀具固定單元之光斑位置之示意圖；第八圖係為本發明一種工具機加工前工件固定單元及刀具固定單元於特定位置之光斑位置之示意圖；第九圖係為本發明一種工具機加工時工件固定單元及刀具固定單元於特定位置之光斑位置之示意圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
本發明提出的一種工具機之量測校正補償系統，不同於習知熱變形補償技術係以先量取工具機的溫度變化，再算出工具機的熱變形量，本發明係在多軸工具機上安裝三維定位基座，利用此三維定位基座之低熱變異特性，配合不變形光斑取像定位技術(請參閱US 7,715,016 B2)，同時提供刀具固定單元及工件固定單元之三維熱膨脹感知位移量， 進而可精確獲得刀具固定單元及工件固定單元之三維相對熱飄移量，以校正補償工具機定位精度，滿足多軸工具機之精密加工定位需求。
不變形光斑取像定位技術中的光斑影像感測器係確認一個建射性干涉斑點進入光斑影像感測器的取像窗到移出取像窗，由於此干涉斑點之相對光程差變化量小於五分之一波長，所以進入光斑影像取像範圍之建射性光斑亮點到移出光斑影像取像範圍之光斑，大部分還是維持建設性的干涉，看起來還是一個亮點，此光斑影像經影像處理軟體(例如SAD、SSD、NCC、SURF、SIFT…等)的比對定位即可獲得正確的比對位移量。
另外，請參閱中華民國發明第I532016號，其係利用尺度不變特徵轉換(SIFT、Scale Invariant Feature Transform)圖像比對定位技術或加速強健型特徵(SURF、Speed Up Robust Feature)圖像比對定位技術，以擷取相鄰兩張不變形光斑影像進行光斑影像特徵點之產生與比對，之後利用統計消去法去除大於位移標準差1.5倍之特徵配對點，便可精確比對出兩張相鄰光斑影像在像平面位移量之標準差小於0.008像素大小，其約等於百分之一像素之標準差大小。也就是說，利用光斑影像感測器擷取熱膨脹物體表面前後兩張光斑影像，再經SIFT或SURF等圖像比對定位方法，便可精確獲得物面熱膨脹前後之相對熱膨脹位移量。
綜上所述，請參考第一圖至第三圖，本發明的第一態樣係提供一種工具機9之量測校正補償系統，其包含一第一定位基座1、二第一光斑影像感測器2、一第二定位基座3及二第二光斑影像感測器4。其中，該第一定位基座1可為方形柱體且具有一第一XY平面11及一第一XZ平面12，該第一定位基座1用以設置於該工具機9之機台座96且位於該工具機9之X軸平移台91之旁側，該第一XY平面11係朝上， 該第一XZ平面12係朝該X軸平移台91，該X軸平移台91設置於該機台座96，該第一定位基座1的材質為零膨脹玻璃、不變鋼或花崗岩；該等第一光斑影像感測器2可為不變形光斑讀取頭且用以設置於該工具機9之工件固定單元94，該工件固定單元94可固定加工用之工件且在該X軸平移台91上沿X軸平移，另外，該工件固定單元94可以C軸為旋轉軸，該工具機9加工前及加工時，該等第一光斑影像感測器2分別隨該工件固定單元94沿X軸感測該工件固定單元94在該第一XY平面11上之光斑位置及該第一XZ平面12上之光斑位置，該工件固定單元94在該第一XY平面11上之光斑位置及該第一XZ平面12上之光斑位置在該工具機9加工前及加工時的差異係用以校正補償該工件固定單元94在該工具機9加工時的位置；該第二定位基座3可為寬扁形的矩形體且具有一第二XY平面31及一第二YZ平面32，該第一定位基座1的第一XY平面11及第一XZ平面12係垂直於該第二定位基座3的第二YZ平面32，該第二定位基座3用以設置於該工具機9之機台座96且位於該工具機9之Y軸平移台92及Z軸平移台93之旁側，該第二XY平面31係朝上，該第二YZ平面32係朝該Y軸平移台92及該Z軸平移台93，該Y軸平移台92設置於該機台座96，該Z軸平移台93在該Y軸平移台92上沿Y軸平移，該第二定位基座3的材質為零膨脹玻璃、不變鋼或花崗岩；該等第二光斑影像感測器4可為不變形光斑讀取頭且分別用以設置於該工具機9之刀具固定單元95及Z軸平移台93，該刀具固定單元95可固定加工用之刀具且在該Z軸平移台93上沿Z軸平移，另外，該刀具固定單元95可以A軸為旋轉軸，該工具機加工前及加工時，該等第二光斑影像感測器4分別隨該Z軸平移台93沿Y軸感測該刀具固定單元95在該第二XY平面31上之光斑位置，及隨該Z軸平移台93及該刀具固定單95元沿YZ平面32感測該刀具固定 單元95在該第二YZ平面32上之光斑位置，該刀具固定單元95在該第二XY平面31上之光斑位置及該第二YZ平面32上之光斑位置在該工具機9加工前及加工時的差異係用以校正補償該刀具固定單元95在該工具機9加工時的位置。另外，上述之該第一定位基座用以設置於該工具機之X軸平移台之旁側，及該第二定位基座用以設置於該工具機之Y軸平移台及Z軸平移台之旁側係為一例示，舉凡該第一定位基座用以設置於該工具機之Y軸平移台之旁側，及該第二定位基座用以設置於該工具機之X軸平移台及Z軸平移台之旁側，或該第一定位基座用以設置於該工具機之Z軸平移台之旁側，及該第二定位基座用以設置於該工具機之X軸平移台及Y軸平移台之旁側，皆屬本發明之保護範圍。
請參考第一圖至第三圖，上述之工具機9之量測校正補償系統中，更可包含一第一調整支架5、一第二調整支架6及第三調整支架7，該等第一光斑影像感測器2藉由該第一調整支架5設置於該工具機9之工件固定單元94，該等第二光斑影像感測器4分別藉由該第二及該第三調整支架設置於該工具機9之Z軸平移台93及刀具固定單元95。藉此，該等第一光斑影像感測器2可藉由該第一調整支架5進一步調整其位置及方位，該等第二光斑影像感測器4分別可藉由該第二調整支架6及該第三調整支架7進一步調整其位置及方位。
請參考第一圖至第三圖，本發明的第二態樣係提供一種工具機9之量測校正補償方法，其包含下列步驟：(1)在該工具機9加工前，利用如上所述之工具機9之量測校正補償系統感測該工具機之工件固定單元94沿X軸在該第一定位基座1之第一XY平面11上之光斑位置及該第一定位基座1之第一XZ平面12上之光斑位置，及感測該工具機9之刀具固定單元95沿Y軸在該第二定位基座3之第二XY平面上31 之光斑位置及沿YZ平面在該第二定位基座3之第二YZ平面上32之光斑位置；(2)在該工具機9加工時，利用如上所述之工具機9之量測校正補償系統感測該工具機9之工件固定單94元沿X軸在該第一定位基座1之第一XY平面11上之光斑位置及該第一定位基座1之第一XZ平面12上之光斑位置，及感測該工具機9之刀具固定單元95沿Y軸在該第二定位基座3之第二XY平面31上之光斑位置及沿YZ平面在該第二定位基座3之第二YZ平面32上之光斑位置；以及(3)利用該工件固定94單元在該第一XY平面11上之光斑位置及該第一XZ平面12上之光斑位置在該工具機加工前及加工時的差異校正補償該工件固定單元94在該工具機9加工時的位置，及利用該刀具固定單元95在該第二XY平面31上之光斑位置及該第二YZ平面32上之光斑位置在該工具機9加工前及加工時的差異校正補償該刀具固定單元95在該工具機9加工時的位置。
請參考第一圖至第三圖，上述之工具機9之量測校正補償方法中，更可包含一第一調整支架5、一第二調整支架6及一第三調整支架7，該等第一光斑影像感測器2藉由該第一調整支架5設置於該工具機9之工件固定單元94，該等第二光斑影像感測器2分別藉由該第二及該第三調整支架設置於該工具機9之Z軸平移台93及刀具固定單元95。藉此，該等第一光斑影像感測器2可藉由該第一調整支架5進一步調整其位置及方位，該等第二光斑影像感測器4分別可藉由該第二調整支架6及該第三調整支架7進一步調整其位置及方位。
請參考第二圖，該工件固定單元94藉由該等第一光斑影像感測器2所定位的兩個光斑影像定位點座標分別是Y=0及第一XZ平面12之光斑影像定位點座標(Xobject,i,0,Zobject)，及Z=Z1及第一XY平面11之光斑影像定位點座標(Xobiect,i, Yobject,Z1)，綜合二定位點座標即可得該工件固定單元94定位於該第一定位基座1之光斑影像定位座標為(Xobject,i,Yobject,Zobject)。請參考圖3，該刀具固定單元95可在該第二YZ平面32上移動，該刀具固定單元95藉由該等第二光斑影像感測器4所定位的兩個光斑影像定位點座標分別是Z=Z2及第二XY平面31之光斑影像定位點座標(Xcutter,Ycutter,i,Z2)，及X=0及第二YZ平面32之光斑影像定位點座標(0,Ycutter,i,Zcutter,j)，綜合二定位點座標即可得該刀具固定單元95定位於該第二定位基座3之光斑影像定位座標為(Xcutter,Ycutter,i,Zcutter,j)。由該工件固定單元94定位於該第一定位基座1之光斑影像定位座標(Xobject,i,Yobject,Zobject)及該刀具固定單元95定位於該第二定位基座3之光斑影像定位座標(Xcutter,Ycutter,i,Zcutter,j)，並配合該第一調整支架5、該第二調整支架6及該第三調整支架7設置的尺寸及方位，即可獲得該工件固定單元94及該刀具固定單元95的幾何中心相對於該第一定位基座1及該第二定位基座3之絕對座標位置。另外，可製作X、Y、Z三軸之起始定位標線，例如製作Z=Z1及第一XY平面11之X=X0之X軸起始定位標線，及製作Y=0及第一XZ平面12之X=X0之X軸起始定位標線，此二條X軸起始定位標線之X軸讀值是一樣的。再者，可製作Z=Z2及第二XY平面31之Y=Y0之Y軸起始定位標線，及製作X=0及第二YZ平面32之Z=Z0之Z軸起始定位標線。再者，由於該第一定位基座1及該第二定位基座3的材質可為零膨脹玻璃、不變鋼或花崗岩，其可使總變形量小於規格值；另外，由於工具機9的熱量不易傳到該第一定位基座1及該第二定位基座3，且該第一定位基座1及該第二定位基座3之溫度容易被精確控制，因此該第一定位基座1及該第二定位基座3可提供一個極佳、極穩定之三維校正補償系統。
請參考第四圖，上述之工具機9之量測校正補償系統中，更可包含一第一雷射光源71、一第一干涉鏡72及一 第一反射鏡73等所組成之雷射干涉儀，該第一干涉鏡72設置於該第一定位基座1之第一XY平面11上，該第一反射鏡73設置於該第一調整支架5上，該第一雷射光源71的雷射光經由該第一干涉鏡72投射到該第一反射鏡73，該第一反射鏡73反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第一反射鏡73及該第一干涉鏡72之相對位移距離，利用該位移距離協助該第一光斑影像感測器2在該工具機9加工前建立該第一XY平面11上及該第一XZ平面12上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
請參考第四圖，上述之工具機9之量測校正補償方法中，該步驟(1)中，該工具機9之量測校正補償系統更可包含一第一雷射光源71、一第一干涉鏡72及一第一反射鏡73等所組成之雷射干涉儀，該第一干涉鏡72設置於該第一定位基座1之第一XY平面11上，該第一反射鏡73設置於該第一調整支架上5，該第一雷射光源71的雷射光經由該第一干涉鏡72投射到該第一反射鏡73，該第一反射鏡73反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第一反射鏡73及該第一干涉鏡72之相對位移距離，利用該位移距離協助該第一光斑影像感測器2在該工具機9加工前建立該第一XY平面11上及該第一XZ平面12上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
詳述如下，請參考第四圖，首先在X軸全程位移範圍內仔細校正該第一反射鏡73回到該第一干涉鏡72之雷射光點，以使其不會因該第一反射鏡73的移動而有任何飄移。之後將該X軸平移台91位移起點定位於Z=Z1、X=X0之X軸起始標線上，再利用X軸的光學尺以固定距離(約20um-100um)連續移動n次。在每次位移定位後，由該等第一光斑影像感測器2取得該第一定位基座1之第一XY平面11上之光斑影像及該第一定位基座1之第一XZ平面12上之光斑影像，共分別記錄n+1張光斑位置影像，並由該第一雷射光源71、該第一干涉鏡72及該第一反射鏡73等所組成的雷射干涉 儀(如安捷倫5530雷射干涉儀等)量得該等光斑影像在X軸上的座標位移量。接著建立該第一XY平面11上之光斑位置資料庫及該第一XZ平面12上之光斑位置資料庫，其分別為：1. Y=0之第一XZ平面12之光斑位置資料庫(Xobject,i,0,Zobject)i=0,1,2...,n，其中X軸起始點Xobject,0之座標值為X0，其餘位置之Xobject,i座標值由該第一雷射光源71、該第一干涉鏡72及該第一反射鏡73等所組成的雷射干涉儀所量得。所以在光斑位置資料庫(Xobject,i,0,Zobject)i=0,1,2...,n內包含n+1個座標光斑影像及其相對應的絕對定位座標。2. Z=Z1之第一XY平面11之光斑位置資料庫(XObject,i,Yobject,Z1)i=0,1,2...,n，其中X軸起始點Xobject,0之座標值為X0，其餘位置之Xobject,i座標值由該第一雷射光源71、該第一干涉鏡72及該第一反射鏡73等所組成的雷射干涉儀所量得。所以在光斑位置資料庫(Xobject,i,Yobject,Z1)i=0,1,2...,n內包含n+1個座標光斑影像及其相對應的絕對定位座標。之後綜合以上二光斑位置資料庫即可得該工件固定單元94於該第一定位基座1之光斑位置座標為(Xobject,i,Yobject,Zobject)i=0,1,2...,n，其中Y=0及第一XZ平面12之即時位置光斑影像與(Xobject,i,0,Zobject)i=0,1,2...,n光斑位置資料庫之座標光斑影像比對後產生之位移向量(△X,△Z)Y=0、第一XZ平面可提供Xobject,i之位移量△X及Zobject之位移量△Z；在Z=Z1及第一XY平面11之即時位置之光斑影像與(Xobject,i,Yobject,Z1)i=0,1,2...,n光斑位置資料庫之座標光斑影像比對後產生之位移向量(△X,△T)Z=Z1、第一XY平面，可提供Xobject,i之位移量△X及Yobject之位移量△Y。該第一XY平面11及該第一XZ平面12之即時光斑位置之X軸位移量二者應該一樣或其差要小於系統定位計算精度，而為求得更精確之△X位移量，△X可用二個位移量之平均值，即△X=(△XY=0、第一XZ平面+△XZ=Z1、第一XY平面)/2。
請參考第五圖，上述之工具機9之量測校正補償系統中，更可包含一第二雷射光源81、一第二干涉鏡82及一第二反射鏡83等所組成之雷射干涉儀，該第二干涉鏡82設 置於該第二定位基座3之第二XY平面31上，該第二反射鏡83設置於該第二調整支架6上，該第二調整支架6設置於該Z軸平移台93，該第二雷射光源81的雷射光經由該第二干涉鏡82投射到該第二反射鏡83，該第二反射鏡83反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第二反射鏡83及該第二干涉鏡82之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器4在該工具機9加工前建立該第二XY平面31上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
請參考第五圖，上述之工具機9之量測校正補償方法中，該步驟(1)中，該工具機9之量測校正補償系統更可包含一第二雷射光源81、一第二干涉鏡82及一第二反射鏡83等所組成之雷射干涉儀，該第二干涉鏡82設置於該第二定位基座3之第二XY平面31上，該第二反射鏡83設置於該第二調整支架6上，該第二調整支架6設置於該Z軸平移台93，該第二雷射光源81的雷射光經由該第二干涉鏡82投射到該第二反射鏡83，該第二反射鏡83反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第二反射鏡83及該第二干涉鏡82之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器4在該工具機9加工前建立該第二XY平面31上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
請參考第六圖，上述之工具機9之量測校正補償系統中，更可包含一第三雷射光源84、一第三干涉鏡85、一第三反射鏡86及一第四反射鏡87等所組成之雷射干涉儀。該第三干涉鏡85設置於該工具機9之機台座96，該第三反射鏡86設置於該Z軸平移台93及該第四反射鏡87設置於該第三調整支架7，該第三調整支架7設置於該刀具固定單元95，該第三雷射光源84的雷射光經由該第三干涉鏡85及設置於該Z軸平移台93之第三反射鏡86投射到設置於該第三調整支架7之該第四反射鏡87，該第三調整支架7之該第四反射 鏡87反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第三調整支架7之該第四反射鏡87及該第三干涉鏡85之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器4在該工具機9加工前建立該第二YZ平面32上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
請參考第六圖，上述之工具機9之量測校正補償方法中，該步驟(1)中，該工具機之量測校正補償系統更可包含一第三雷射光源84、一第三干涉鏡85、一第三反射鏡86及一第四反射鏡87等所組成之雷射干涉儀。該第三干涉鏡85設置於該工具機9之機台座96，該第三反射鏡86設置於該Z軸平移台93及該第四反射鏡87設置於該第三調整支架7，該第三調整支架7設置於該刀具固定單元95，該第三雷射光源84的雷射光經由該第三干涉鏡85及設置於該Z軸平移台93之第三反射鏡86投射到設置於該第三調整支架7之該第四反射鏡87，該第三調整支架7之該第四反射鏡87反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第三調整支架7之該第四反射鏡87及該第三干涉鏡85之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器4在該工具機9加工前建立該第二YZ平面32上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
詳述如下，請參考第五圖，首先在Y軸全程位移範圍內仔細校正該第二反射鏡83回到該第二干涉鏡82之雷射光點，以使其不會因為該第二反射鏡83的移動而有任何飄移。之後將Y軸平移台92位移起點定位於Z=Z2、Y=Y0之Y軸起始標線上，再利用Y軸光學尺以固定距離(約20-100um)連續移動移動n次。在每次位移定位後，由該第二光斑影像感測器4取得該第二定位基座3之第二XY平面31上之光斑影像，共記錄n+1張光斑位置影像，並由該第二雷射光源81、該第二干涉鏡82及該第二反射鏡83所組成的雷射干涉儀量得該等光斑影像在Y軸上的座標位移量。接著建立Z=Z2及該 第二XY平面31上之光斑位置資料庫(Xcutter,Ycutter,i,Z2)i=0,1,2...,n，其中Ycutter,0之座標值為Y0，其餘i=1~n之Ycutter,i相對位移值由該第二雷射光源81、該第二干涉鏡82及該第二反射鏡83所組成的雷射干涉儀所量得。所以在光斑位置資料庫(Xcutter,Ycutter,i,Z2)i=0,1,2...,n內包含n+1個座標光斑影像及其相對應的絕對定位座標。之後請參考圖6，首先在Z軸全程位移範圍內仔細校正該等第四反射鏡87回到該第三干涉鏡85之光點，以使其不會因為該第四反射鏡87的移動而有任何飄移。由於是要建立X=0及該第二YZ32平面之光斑位置資料庫，因此須利用Z=Z2及該第二XY平面31上之光斑位置資料庫(Xcutter,Ycutter,i,Z2)i=0,1,2...,n。首先確定該Z軸平移台93在Y軸方向之光斑位置，再來標定Z軸方向之光斑位置。首先，執行該Z軸平移台93回歸Y軸起始工作點的作業，其利用光斑位置資料庫(Xcutter,Ycutter,i,Z2)i=0,1,2...,n將該Y軸平移台起點92(Xcutter,Y0,Z2)之光斑影像叫出，之後移動該Z軸平移台93，將該Z軸平移台93端面上之第二光斑影像感測器4擷取之即時光斑影像與(Xcutter,Y0,Z2)之位置光斑影像利用SIFT比對定位方法，將該Z軸平移台93移至Ycutter,0=Y0的位置(定位誤差小於系統定位精度)，以完成該Z軸平移台93回歸Y軸起始工作點的作業。接著將該刀具固定單元95上之第二光斑影像感測器4之光斑定位點移至X=0、Ycutter,0=Y0、Zcutter,0=Z0之Z軸起始工作點的定位標線上，利用Z軸光學尺以固定距離(約20-100um)連續移動n次。在每次位移定位後，由該第二光斑影像感測器4取得該第二定位基座3之第二YZ平面32上之光斑影像，共記錄n+1張光斑位置影像，並由該第三雷射光源84、該第三干涉鏡85、該第三反射鏡86及該第四反射鏡87所組成之雷射干涉儀量得該等光斑影像在Z軸上的座標位移量，即在該第二YZ平面32上X=0、Y=Ycutter,0=Y0位置建立第0條Z軸方向之光斑位置資料庫(0,Ycutter,0,Zcutter,j)j=01,2...,n，其中Ycutter,0之座標值為Y0，Zcutter,0之座標值為 Z0，其餘j=1,2,3,...n之Zcutter,j相對位移座標值由該第三雷射光源84、該第三干涉鏡85、該第三反射鏡86及該第四反射鏡87所組成之雷射干涉儀所量得。所以在光斑位置資料庫(0,Ycutter,0,Zcutter,j)j=01,2...,n內包含n+1個座標光斑影像及其相對應的絕對定位座標。接著，利用光斑位置資料庫(Xcutter,Ycutter,i,Z2)i=0,1,2...,n將該Y軸平移台92第一定位點(Xcutter,Ycutter,1,Z2)之光斑影像叫出，之後移動該Z軸平移台93將該Z軸平移台93端面上之第二光斑影像感測器4所擷取之即時光斑影像與(Xcutter,Ycutter,1,Z2)之光斑影像利用SIFT比對定位方法將該Z軸平移台93移至Ycutter,1位置(定位誤差小於系統定位精度)。之後，將該刀具固定單元95上之第二光斑影像感測器4之光斑定位點移至X=0、Y=Ycutter,1、Zcutter,0=Z0之Z軸起始工作點的定位標線上，利用Z軸光學尺以固定距離(約20-100um)連續移動n次。在每次位移定位後，由該第二光斑影像感測器4取得該第二定位基座3之第二YZ平面32上之光斑影像，共記錄n+1張座標光斑影像，並由該第三雷射光源84、該第三干涉鏡85、該第三反射鏡86及該第四反射鏡87所組成之雷射干涉儀量得該等光斑影像在Z軸上的座標位移量，即在該第二YZ平面32上X=0、Y=Ycutter,1位置建立第1條Z軸方向之光斑位置資料庫(0,Ycutter,1,Zcutter,j)j=0,1,2...,n，其中Zcutter,0之座標值為Z0，其餘j=1,2...,n之Zcutter,j相對位移值由該第三雷射光源84、該第三干涉鏡85、該第三反射鏡86及該第四反射鏡87所組成之雷射干涉儀所量得。所以在光斑位置資料庫(0,Ycutter,1,Zcutter,j)j=01,2...,n內包含n+1個座標光斑影像及其相對應的絕對定位座標。持續上述步驟，建立該第二YZ平面32上X=0、Y=Ycutter,i位置之Z軸光斑影像資料庫。接著，將該Y軸平移台92第i定位點(Xcutter,Ycutter,i,Z2)之光斑影像叫出，並移動該Z軸平移台93將該Z軸平移台93端面上之第二光斑影像感測器4擷取之即時光斑影像與(Xcutter,Ycutter,i,Z2)之光斑影像利用SIFT比對定位方法，將該Z軸平移 台93移至Ycutter,i位置(定位誤差小於系統定位精度)。之後，將該刀具固定單元95上之第二光斑影像感測器4之光斑定位點移至X=0、Y=Ycutter,i、Zcutter,0=Z0之Z軸工作點的起始定位標線上，利用Z軸光學尺以固定距離(約20-100um)連續移動n次。在每次位移定位後，由安裝於該刀具固定單元95之第二光斑影像感測器4取得該第二定位基座3之第二YZ平面32上之光斑影像，共記錄n+1張光斑影像，並由該第三雷射光源84、該第三干涉鏡85、該第三反射鏡86及該第四反射鏡87所組成之雷射干涉儀量得該等光斑影像在Z軸上的座標位移量，即在該第二YZ平面32上X=0、Y=Ycutter,i位置建立第i條Z軸方向光斑位置資料庫(0,Ycutter,i,Zcutter,j)j=0,1,2...,n，其中Zcutter,0之座標值為Z0，其餘j=1,2...,n之Zcutter,j相對位移值由該第三雷射光源84、該第三干涉鏡85、該第三反射鏡86及該第四反射鏡87所組成之雷射干涉儀所量得，最後便可完成該第二定位基座3之第二YZ平面32之光斑位置資料庫(0,Ycutter,i,Zcutter,j)i=0,1,2...,n,j=0,1,2...,n之建立。如上所述，由該第二定位基座3之第二YZ平面32之即時光斑影像與該第二定位基座3之第二YZ平面32之光斑位置資料庫比對定位所獲得之定位精度會優於分別從Y軸光學尺及Z軸光學尺所取得之定位精度，更重要的是該第二定位基座3之第二YZ平面32之光斑位置資料庫提供之定位精度不會因為工具機的熱膨脹而改變。
請參考第七圖，綜合該第二定位基座3之第二XY平面31之光斑位置資料庫及該第二定位基座3之第二YZ平面32之光斑位置資料庫便可得到該刀具固定單元95定位於該第二定位基座3之光斑位置為(Xcutter,Ycutter,i,Zcutter,j)i=0,1,2...,n,j=0,1,2...,n。其中，在Z=Z2及該第二XY平面31之即時光斑影像與該第二定位基座3之第二XY平面31之光斑位置資料庫比對後產生之位移向量(△X,△Y)Z=Z2、第二XY平面可提供Xcutter之位移量△X及Ycutter,i之位移量△Y。由於該刀具固定單元95是 固裝於該Z軸平移台93上，所以該Y軸平移台92之位置修正量△Y較不直接，因此只會採用△X修正量。△Y誤差值會採用較直接的X=0及該第二YZ平面32之比對定位校正量(△Y,△Z)X=0、第=YZ平面。在X=0及該第二YZ平面32之即時光斑影像與該第二定位基座3之第二YZ平面32之光斑位置資料庫比對後產生之位移向量(△Y,△Z)X=0、第二YZ平面可提供Ycutter,i之位移量△Y及Zcutter,j之位移量△Z。此直接利用該第二定位基座3之第二YZ平面32建立之光斑位置資料庫用來做平面之絕對定位方法，會比分別用X軸光學尺及Y軸光學尺之讀值定位來得更直接，更精準。
請參考第八圖及第九圖，本發明之工具機9之量測校正補償方法詳述如下，首先考慮Y=0及該第一XZ平面12之校正補償方法，當工具機開機時先取得於Y=0及該第一XZ平面12之即時光斑影像，將此即時光斑影像與光斑影像資料庫(Xobject,i,0,Zobject)i=0,1,2,...,n內所有座標光斑影像利用SIFT方法比對便可獲得最接近即時光斑影像之座標光斑影像及其光斑位置座標(Xobject,i-最接近起點，0,Zobject)及此二光班影像之位移資訊(△Xobject,i-最接近起點、△Zobject-起點)，因此可獲得開機起點Y=0及該第一XZ平面12之即時光斑影像之絕對光斑位置座標(Xobject,i-最接近起點+△Xobject,i-最接近起點，0,Zobject+△Zobject-起點)，此位置座標即是在Y=0及該第一XZ平面12在開機起點時該工件固定單元94在Y=0及該第一XZ平面12之絕對座標。接著，該工件固定單元開始依程式起動，依光學尺移動記錄該工件固定單元94的位移資訊，以累積1秒中該X軸平移台91上的該工件固定單元94的位移資訊，△X1秒。1秒校正時距之選取可隨工具機9的熱膨脹變化速度及工具機9的定位精度而改變，本實施例以1秒為工具機9的熱膨脹校正時距。在1秒後讀取該工件固定單元94於Y=0及該第一XZ平面12之即時光斑影像，利用1秒之X軸光學尺累積位移量△X1秒，加上X軸起動點座標(Xobiect,i-最接 近起點+△Xobject,i-最接近起點)便可獲得1秒後光學尺的預測定位座標(Xobject,i-最接近起點+△Xobject,i-最接近起點+△X1秒，0,Zobject+△Zobject-起點)，之後將最接近此預測位置之資料庫座標光斑影像叫出，(Xobject,i-最接近預測位置-1秒，0,Zobject)，利用SIFT方法與1秒後之即時光斑影像比對定位便可獲得1秒後之即時光斑影像之定位修正量(△Xobject-i-最接近預測位置-1秒、△Zobject-1秒)。該工件固定單元在Y=0及該第一XZ平面12於1秒後之預測定位光斑位置為(Xobject,i-最接近點+△Xobject,i-最接近起點+△X1秒，0,Zobject+△Zobject-起點)，但1秒後經即時光斑影像與資料庫之光斑影像比對定位後之絕對光斑位置為(Xobject,i-最接近預測位置+△Xobject-i-最接近預測位置-1秒，0,Zobject+△Zobject-1秒)，所以可以獲得該工件固定單元在Y=0及該第一XZ平面12在工作1秒後之絕對定位校正誤差[(Xobject,i-最接近預測位置-1秒+△Xobject-i-最接近預測位置-1秒)-(Xobject,i最接近起點+△Xobject,i-最接近起點+△X1秒),(Zobject+△Zobject-1秒)-(Zobject+△Zobject-起點)]。接著，考慮該工件固定單元在Z=Z1及該第一XY平面11之校正補償方法，當工具機開機時，先取得於Z=Z1及該第一XY平面11之即時光斑影像，將此即時光斑影像與光斑影像資料庫(Xobject,i,Yobject,Z1)i=0,1,2,...,n內所有座標光斑影像利用SIFT方法比對便可獲得最接近即時光斑影像之座標光斑影像及其光斑位置座標(Xobject,i-最接近起點，Yobject,Z1)及此二光班影像之位移資訊(△Xobject,i-最接近起點、△Yobject-起點)，因此可獲得在Z=Z1及該第一XY平面11在開機起始點之即時光斑影像之絕對定位光斑位置座標(Xobject,i-最接近起點+△Xobject,i-最接近起點，Yobject+△Yobject-起點，Z1)，此光斑位置就是該工件固定單元在Z=Z1及該第一XY平面11在開機起始點時之絕對座標。之後，該X軸平移台91開始依程式起動，依X軸光學尺移動記錄累積1秒中該X軸平移台91的移動距離，△X1秒。在1秒後讀取該工件固定單元94於Z=Z1及該第一XY平面11之即時光斑影像。利用1秒之X軸光學尺累積位移量△X1秒，加上X軸起動點座標(Xobject,i-最接近起始點+△Xobject,i-最接近起始點)便可獲得1秒後X軸光學尺的預測定位座標(Xobiect,i-最接近起始點+△Xobject,i-最接近起始點+△X1秒，Yobject+△Yobject-起點，Z1)，將最接 近此預測位置之資料庫座標光斑影像叫出(Xobject-i-最接近預測位置-1秒，Yobject,Z1)，並利用SIFT方法與1秒後之即時光斑影像比對定位便可獲得1秒後即時光斑影像之定位修正量(△Xobject-i-最接近預測位置-1秒、△Yobject-1秒)。該工件固定單元94於Z=Z1及該第一XY平面11之預測定位光斑位置為(Xobject,i-最接近起始點+△Xobject,i-最接近起始點+△X1秒，Yobject+△Yobject-起點，Z1)，但1秒後經即時光斑影像與資料庫之光斑影像比對定位後之絕對光斑位置為(Xobject-i-最接近理論位置-1秒+△Xobject-i-最接近理論位置-1秒，Yobject+△Yobject-1秒，Z1)，所以可以獲得該工件固定單元94在Z=Z1及該第一XY平面11在工作1秒後之絕對定位校正誤差[(Xobject,i-最接近預測位置-1秒+△Xobject,i-最接近預測位置-1秒)-(Xobject,i-最接近起始點+△Xobject,i-最接近起始點+△X1秒),(Yobject+△Yobject-1秒)-(Yobject+△Yobject-起點)]。綜合該X軸平移台91二個光斑影像定位點於該X軸平移台91工作1秒後之工件固定單元94相對於該第一定位基座1之絕對定位誤差校正量為[(Xobject,i-最接近預測位置-1秒+△Xobject,i-最接近預測位置-1秒)-(Xobject,i-最接近起始點+△Xobject,i-最接近起始點+△X1秒),(△Yobject-1秒-△Yobject-起點),(△Zobject-1秒-△Zobject-起點)]。依上述方法，在每一秒後獲得該工件固定單元94之絕對定位誤差校正量後，將此校正量回饋給該工具機9的軸控系統，以精密校正X軸、Y軸、Z軸之加工精度。
請參考第八圖及第九圖，本發明之工具機9之量測校正補償方法詳述如下，首先考慮該Z軸平移台93於Z=Z2及該第二XY平面31之校正補償方法，當工具機9開機時，先取得於Z=Z2及該第二XY平面31之即時光斑影像，將此即時光斑影像與光斑影像資料庫(Xcutter,Ycutter,i,Z2)i=01,2,...,n內所有座標光斑影像利用SIFT方法比對定位便可獲得最接近即時光斑影像之座標光斑影像及其光斑位置座標(Xcutter,Ycutter,i-最接近起點，Z2)及此二光班影像之位移資訊(△Xcutter-起點、△Ycutter,i-最接近起點-XY)，因此可獲得此即時光斑影像於該第二定位基座3之絕對定位光斑位置座標(Xcutter+△Xcutter-起點，Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-XY,Z2)，此位置座標就是該刀具固定單元95於Z=Z2及該第二XY平面31在起 動點之絕對座標。接著，該Z軸平移台93開始依程式起動，依Y軸光學尺移動記錄累積1秒中該Z軸平移台93的移動距離，△Y1秒。在1秒後讀取該Z軸平移台93於Z=Z2及該第二XY平面31之即時光斑影像，利用Y軸光學尺1秒之的累積位移量△Y1秒，加上Y軸起動點座標(Ycuttet,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-XY)便可獲得1秒後該刀具固定單95元於Z=Z2及該第二XY31平面的預測定位座標(Xcutter+△Xcutter-起點，Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-XY+△Y1秒，Z2)，之後將最接近此預測位置之資料庫座標光斑影像叫出，(Xcutter,Ycutter,i-最接近預測位置-1秒，Z2)，利用SIFT方法與1秒後之即時光斑影像比對定位便可獲得1秒後之即時光斑影像之定位修正量(△Xcutter-1秒、△Ycutter,i-最接近預測位值-1秒)。1秒後該刀具固定單元95於Z=Z2及該第二XY平面31之預測定位光斑位置為(Xcutter+△Xcutter-起點，Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-XY+△Y1秒，Z2)，但1秒後經即時光斑影像與資料庫之光斑影像比對定位後之絕對光斑位置為(Xcutter+△Xcutter-1秒，Ycuttert-最接近預測位置-1秒+△Ycutter-最接近預測位置-1秒，Z2)，所以可以獲得該刀具固定單元95於Z=Z2及該第二XY平面31在工作1秒後之絕對定位校正誤差[(△Xcutter-1秒-△Xcutter-起點),(Ycutter-最接近預測位置-1秒+△Ycutter-最接近預測位置-1秒)-(Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-XY+△Y1秒)]。接著，考慮該Z軸平移台於X=0及該第二YZ平面32之二維光斑牆定位補償方法，由於該刀具固定單元95的移動是Y軸及Z軸同動之二維運動，所以必須利用該第二YZ平面32之光斑座標影像與該刀具固定單元95於X=0及該第二YZ平面之即時光斑影像比對定位才可獲得該刀具固定單元之即時絕對定位座標。為了能有效快速取得X=0及該第二YZ平面32之即時光斑影像與資料庫最接近之光斑座標影像進行校正比對定位，因此先對Y軸位置進行光斑影像的絕對定位，再找出與Y軸座標位置最接近之第二YZ平面32之Z軸光斑影像資料庫，將此資料庫的所有光斑座標影像與X=0及第二YZ平面32取得之即時光斑影像利用SIFT比對方法進行即時光斑影像絕對定位， 詳述如下。當工具機開機時，安置於該刀具固定單元之該等第二光斑影像感測器會分別擷取Z=Z2及該第二XY平面31及X=0及該第二YZ平面32之二張即時光斑影像。首先，先將Z=Z2及該第二XY平面31取得的即時光斑影像與光斑位置資料庫(Xcutter,Ycutter,i,Z2)i=0,1,2,...,n內所有座標光斑影像利用SIFT比對定位便可獲得與即時光斑影像最接近之座標光斑影像及其光斑位置座標(Xcutter，Ycutter,i-最接近起點，Z2)及此二光斑影像之位移量(△Xcutter-起點、△Ycutter,i-最接近起點-XY)。獲得Y軸定位資訊Ycutter,i-最接近起點後，立即將X=0及該第二YZ平面32之光斑位置資料庫(0,Ycutter,i,Zcutter,j)i=0,1,2,...,n,j=0,1,2,...,n內之(0,Ycutter,i-最接近起點，Zcutter,j)j=0,1,2,...,n資料庫內所有座標光斑影像叫出，將X=0及該第二YZ平面32取得的即時光斑影像與光斑位置資料庫(0,Ycutter,i-最接近起點，Zcutter,j)j=0,1,2,...,n內所有座標光斑影像利用SIFT比對定位，便可獲得最接近此即時光斑影像之座標光斑影像及其光斑位置座標(0，Ycutter,i-最接近起點，Zcutter,j-最接近起點)及此二光斑影像之位移量(△Ycutter,i-最接近起點-YZ、△Zcutter,j-最接近起點)。理論上，在Z=Z2及該第二XY平面31之即時光斑在Y軸方向校正誤差△Ycutter,i-最接近起點-XY與X=0及該第二YZ平面32之即時光斑在Y軸方向校正誤差△Ycutter,i-最接近起點-YZ，兩者應該相同(或小於系統定位精度)，若兩者有明顯差距可採用兩個修正量之平均值(△Ycutter,i-最接近起點=0.5×(△Ycutter,i-最接近起點-XY+△Ycutter,i-最接近起點-YZ)。由上述步驟便可取得開機時在X=0及該第二YZ平面32之即時光斑影像定位於該第二YZ平面32的絕對定位座標(0,Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點，Zcutter,j-最接近起點+△Zcutter,j-最接近起點)。接著，該刀具固定單元95及該Z軸平移台93開始依程式起動，依Y軸光學尺及Z軸光學尺移動之各別記錄，累積1秒中該Z軸平移台的移動距離△Y1秒，及該刀具固定單元95的移動距離△Z1秒。在1秒後分別讀取Z=Z2及該第二XY平面31之即時光斑影像及X=0及該第二YZ平面32之即時光斑影像。在X=0及該第二YZ平面32，利用Z軸光學尺1秒的累積位移量△Z1秒，加上Z軸起 動點座標(Zcutter,j-最接近起點+△Zcutter,j-最接近起點)便可獲得1秒後Z軸光學尺的預測定位座標(0,Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-YZ+△Y1秒，Zcutter,j-最接近起點+△Zcutter,j-最接近起點+△Z1秒)，將最接近此預測位置之座標光斑影像叫出，(0,Ycutter-i-最接近預測位置-1秒，Zcutter-j-最接近預測位置-1秒)利用SIFT方法與1秒後於X=0及第二YZ平面32之即時光斑影像比對定位，便可獲得1秒後即時光斑影像之定位修正量(△Ycutter,i-最接近預測位值-1秒-YZ、△Zcutter-j-最接近預測位置-1秒)。1秒後該刀具固定單元95之預測位置定位座標為(0,Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-YZ+△Y1秒，Zcutter,j-最接近起點+△Zcutter,j-最接近起點+△Z1秒)，但1秒後經即時光斑影像與光斑位置資料庫之座標光班影像比對定位後之絕對座標為(0,Ycuttert-最接近預測位置-1秒+△Ycutter-最接近預測位置-1秒-YZ,Zcutter-j-最接近預測位置-1秒+△Zcutter-j-最接近預測位置-1秒)，所以可以獲得在X=0及該第二YZ平面32，Z軸光學尺工作1秒後之絕對定位校正誤差[(Ycutter-i-最接近預測位置-1秒+△Ycutteri-最接近預測位置-1秒-YZ)-(Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-YZ+△Y1秒),(Zcutter-j-最接近預測位置-1秒+△Zcutter-j-最接近預測位置-1秒)-(Zcutter,j-最接近起點+△Zcutter,j-最接近起點+△Z1秒)]。理論上，在Z=Z2及該第二XY平面31，1秒後之即時光斑在Y軸方向校正誤差[(Ycutter-最接近預測位置-1秒+△Ycutter-最接近預測位置-1秒-XY)-(Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-XY+△Y1秒)]與X=0及該第二YZ平面32，1秒後之即時光斑在Y軸方向校正誤差[(Ycutter-i-最接近預測位置-1秒+△Ycutter-i-最接近預測位置-1秒-YZ)-(Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-YZ+△Y1秒)]，兩者應該相同(或小於系統定位精度)，若兩者有明顯差距可採用X=0及該第二YZ平面32之校正誤差值[(Ycutter-i-最接近預測位置-1秒+△Ycutter-i-最接近預測位置-1秒-YZ)-(Ycutter,i-最接近起點+△Ycutter,i-最接近起點-YZ+△Y1秒)]。由上述步驟，可以取得1秒以後，在X=0及該第二YZ平面32之即時光斑影像定位於該第二YZ平面32的絕對定位座標(0,Ycuttert-最接近預測位置-1秒+△Ycutter-最接近預測位置-1秒-YZ,Zcutter-j-最接近預測位置-1秒+△Zcutter-j-最接近預測位置-1秒)。綜合該刀具固定單元95之光斑影像定位點及該Z軸平移台93之光斑影像定位點，在該刀具固定單元95工作1秒後相對於該第二定位基座3之絕對定位誤差校正量為[(△Xcutter-1秒-△Xcutter-起點)、(Ycutter-最接近預測位置-1秒+△Ycutter-最接近預測位置-1秒-)-(Ycutter,i-最接近起點 +△Ycutter,i-最接近起點+△Y1秒)、(Zcutter-j-最接近預測位置-1秒+△Zcutter-j-最接近預測位置-1秒)-(Zcutter,j-最接近起點+△Zcutter,j-最接近起點+△Z1秒)。依上述方法，在每一秒後獲得該刀具固定單元95之絕對定位誤差校正量後，將此校正量回饋給該工具機之軸控系統以精密校正X軸、Y軸、Z軸之加工精度。
本發明在多軸加工機台上，置入低膨脹係數之三維校正定位基座，利用三維校正定位基座本身之低熱變異特性及良好穩定剛性，提供一個不會隨溫度變化之三維座標定位系統，配合時時讀取物件單元及刀具單元於此三維定位基座之絕對定位座標，回饋於軸控單元，進行精密加工，此加工定位方法，預估可以時時消除機台熱變形誤差，獲得極佳之加工精度。
不同於目前熱變形補償技術先量取機台溫度變化，再算出機台熱變形量，本發明可以直接精確量得機台各軸之熱膨脹量，時時校正機台各軸之絕對定位座標，讓多軸同動定位精度不會因為機台熱膨脹而降低。本發明之光斑熱膨脹感知及校正定位技術有機會讓綜合加工機、車銑複合機及多軸加工機定位精度由目前15~20um，精進到1-5um，以提升工具機的效能。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (10)

  1. 一種工具機之量測校正補償系統，包括：一第一定位基座，其具有一第一XY平面及一第一XZ平面，該第一定位基座用以設置於該工具機之機台座且位於該工具機之X軸平移台之旁側，該X軸平移台設置於該機台座，該第一定位基座的材質選自零膨脹玻璃、不變鋼或花崗岩其中之一；二第一光斑影像感測器，其用以設置於該工具機之工件固定單元，該工件固定單元在該X軸平移台上沿X軸平移，該工具機加工前及加工時，該等第一光斑影像感測器分別沿X軸感測該工件固定單元在該第一XY平面上之光斑位置及該第一XZ平面上之光斑位置，該工件固定單元在該第一XY平面上之光斑位置及該第一XZ平面上之光斑位置在該工具機加工前及加工時的差異係用以校正補償該工件固定單元在該工具機加工時的位置；一第二定位基座，其具有一第二XY平面及一第二YZ平面，該第二定位基座用以設置於該工具機之機台座且位於該工具機之Y軸平移台及Z軸平移台之旁側，該Y軸平移台設置於該機台座，該Z軸平移台在該Y軸平移台上沿Y軸平移，該第二定位基座的材質係選自零膨脹玻璃、不變鋼或花崗岩其中之一；以及二第二光斑影像感測器，其分別用以設置於該工具機之刀具固定單元及Z軸平移台，該刀具固定單元在該Z軸平移台上沿Z軸平移，該工具機加工前及加工時，該等第二光斑影像感測器分別沿Y軸感測該刀具固定單元在該第二XY平面上之光斑位置及沿YZ平面感測該刀具固定單元在該第二YZ平面上之光斑位置，該刀具固定單元在該第二XY平面上之光斑位置及該第二YZ平面上之光斑位置在該 工具機加工前及加工時的差異係用以校正補償該刀具固定單元在該工具機加工時的位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之工具機之量測校正補償系統，其中，更包含一第一調整支架、一第二調整支架及一第三調整支架，該等第一光斑影像感測器藉由該第一調整支架設置於該工具機之工件固定單元，該等第二光斑影像感測器分別藉由該第二及該第三調整支架設置於該工具機之Z軸平移台及刀具固定單元。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之工具機之量測校正補償系統，其中，更包含一第一雷射光源、一第一干涉鏡及一第一反射鏡等所組成之雷射干涉儀。該第一干涉鏡設置於該第一定位基座，該第一反射鏡設置於該第一調整支架，該第一雷射光源的雷射光經由該第一干涉鏡投射到該第一反射鏡，該第一反射鏡反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第一反射鏡及該第一干涉鏡之相對位移距離，利用該位移距離協助該第一光斑影像感測器在該工具機加工前建立該第一XY平面上及該第一XZ平面上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之工具機之量測校正補償系統，其中，更包含一第二雷射光源、一第二干涉鏡及一第二反射鏡等所組成之雷射干涉儀。該第二干涉鏡設置於該第二定位基座，該第二反射鏡設置於該第二調整支架，該第二調整支架設置於該Z軸平移台，該第二雷射光源的雷射光經由該第二干涉鏡投射到該第二反射鏡，該第二反射鏡反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第二反射鏡及該第二干涉鏡之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器在該工具機加工前建立該第二XY平面上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之工具機之量測校正補償系統，其中，更包含一第三雷射光源、一第三干涉鏡、一第三反射鏡及一第四反射鏡等所組成之雷射干涉儀。該第三干涉鏡設置於該工具機之機台座，該第三反射鏡設置於該Z軸平移台及該第四反射鏡設置於該第三調整支架，該第三調整支架設置於該刀具固定單元，該第四雷射光源的雷射光經由該第三干涉鏡及設置於該Z軸平移台之第三反射鏡投射到設置於該第三調整支架之第四反射鏡，該第三調整支架之第四反射鏡反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第三調整支架之第四反射鏡及該第三干涉鏡之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器在該工具機加工前建立該第二YZ平面上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
  6. 一種工具機之量測校正補償方法，其包含下列步驟：(1)在該工具機加工前，利用如請求項1所述之工具機之量測校正補償系統感測該工具機之工件固定單元沿X軸在該第一定位基座之第一XY平面上之光斑位置及該第一定位基座之第一XZ平面上之光斑位置，及感測該工具機之刀具固定單元沿Y軸在該第二定位基座之第二XY平面上之光斑位置及沿YZ平面在該第二定位基座之第二YZ平面上之光斑位置；(2)在該工具機加工時，利用如請求項1所述之工具機之量測校正補償系統感測該工具機之工件固定單元沿X軸在該第一定位基座之第一XY平面上之光斑位置及該第一定位基座之第一XZ平面上之光斑位置，及感測該工具機之刀具固定單元沿Y軸在該第二定位基座之第二XY平面上之光斑位置及沿YZ平面在該第二定位基座之第二YZ平面上之光斑位置；以及 (3)利用該工件固定單元在該第一XY平面上之光斑位置及該第一XZ平面上之光斑位置在該工具機加工前及加工時的差異校正補償該工件固定單元在該工具機加工時的位置，及利用該刀具固定單元在該第二XY平面上之光斑位置及該第二YZ平面上之光斑位置在該工具機加工前及加工時的差異校正補償該刀具固定單元在該工具機加工時的位置。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之工具機之量測校正補償方法，其中，更包含一第一調整支架、一第二調整支架及一第三調整支架，該等第一光斑影像感測器藉由該第一調整支架設置於該工具機之工件固定單元，該等第二光斑影像感測器分別藉由該第二及該第三調整支架設置於該工具機之Z軸平移台及刀具固定單元。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之工具機之量測校正補償方法，其中，該步驟(1)中，該工具機之量測校正補償系統更包含一第一雷射光源、一第一干涉鏡及一第一反射鏡等所組成之雷射干涉儀，該第一干涉鏡設置於該第一定位基座，該第一反射鏡設置於該第一調整支架，該第一雷射光源的雷射光經由該第一干涉鏡投射到該第一反射鏡，該第一反射鏡反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第一反射鏡及該第一干涉鏡之相對位移距離，利用該位移距離協助該第一光斑影像感測器在該工具機加工前建立該第一XY平面上及該第一XZ平面上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之工具機之量測校正補償方法，其中，該步驟(1)中，該工具機之量測校正補償系統更包含一第二雷射光源、一第二干涉鏡及一第二反射鏡等所組成之雷射干涉儀，該第二干涉鏡設置於該第二定位基座，該第二反射鏡設置於該第二調整支架，該第二調整支 架設置於該Z軸平移台，該第二雷射光源的雷射光經由該第二干涉鏡投射到該第二反射鏡，該第二反射鏡反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第二反射鏡及該第二干涉鏡之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器在該工具機加工前建立該第二XY平面上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之工具機之量測校正補償方法，其中，該步驟(1)中，該工具機之量測校正補償系統更包含一第三雷射光源、一第三干涉鏡、一第三反射鏡及一第四反射鏡等所組成之雷射干涉儀。該第三干涉鏡設置於該工具機之機台座，該第三反射鏡設置於該Z軸平移台及該第四反射鏡設置於該第三調整支架，該第三調整支架設置於該刀具固定單元，該第四雷射光源的雷射光經由該第三干涉鏡及設置於該Z軸平移台之第三反射鏡投射到設置於該第三調整支架之第四反射鏡，該第三調整支架之第四反射鏡反射雷射光回到雷射干涉儀，量取該第三調整支架之第四反射鏡及該第三干涉鏡之相對位移距離，利用該位移距離協助該第二光斑影像感測器在該工具機加工前建立該第二YZ平面上之光斑位置座標及光斑位置資料庫。
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