TWI717162B

TWI717162B - 一種多軸加工裝置及其補償方法

Info

Publication number: TWI717162B
Application number: TW108146935A
Authority: TW
Inventors: 黃宜裕; 劉立中
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-01-21
Also published as: TW202124091A

Abstract

本發明提供一種平面型三維位移感測器，應用於多軸加工裝置，藉由該三維位移感測器量測多軸加工裝置，達成一可以有效去除各種變形效應的多軸加工裝置及補償方法。

Description

一種多軸加工裝置及其補償方法

本發明係關於一種多軸加工裝置及其方法，特別是關於一種應用光斑校正誤差之多軸加工裝置及其方法。

習知技術中，工具機之加工性能包括動態精度(dynamic accuracy)及加工性能重複性(repeatability)，其中加工性能重複性是指第一物件之加工品質與最後一件之加工品質維持一致，第一物件加工時機台工作條件(如：機台溫度分布、熱變形、應力變形、磨耗等)、工作環境(如：環境溫度，冷卻條件、濕度變化等)與最後加工物件之工作條件會有顯著變化，而不管加工件數多少、加工工作時間多長，良好加工性能重複性就是要求機台所有加工件的加工品質都必須維持一致。

我國目前業界水準是機台加工性能重複性遠低於德、日產品，我國機台經常是第1、2年好用，但經過一段工作時間，機台加工品質就顯著下降，這包括機台熱變形、應力變形、磨耗變形等效應，累積過多的誤差，無法有效校正補償。

國內工具機相關製造廠商解決工具機熱變形方法，是利用開發CNC數控系統的熱變形控制技術，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)，擷取機台溫度變化；2.架設三維量測儀，來量測及記錄機台溫升變形量；3.利用溫度及熱變形量數據，來建立機台熱變形模型；4.建立機台熱變形量模型及溫升補正驗證。

國內廠商提出CNC數控系統的熱變形控制技術，採用量測機台溫度變化量，再透過機台熱變形模組內建軟體來計算出機台即時熱變形量，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，機台熱源與環境溫度取樣範圍有限，當機台工作時日增加，機台內建馬達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，降低機台工作精度及加工穩定度。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明提供一種平面型三維位移感測器，應用於多軸加工裝置，藉由該三維位移感測器量測多軸加工裝置，達成一可以有效去除各種變形效應的多軸加工裝置及補償方法。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種三維位移感測器，該三維位移感測器包含：一固定元件，可為具一第一外壁、一第二外壁、一第三外壁、一第四外壁及一第五外壁之中空殼體，該等外壁各具一孔洞，該第一外壁與該第三外壁面向該固定元件之一x軸，該第二外壁與該第四外壁面向該固定元件之一y軸，該第五外壁面向該固定元件之一z軸，其中，該x軸、該y軸與該z軸用於建構一三維座標系；一第一位移感測組件，可包含一第一同調光源及一第一光源感測器，成對設置於該第一外壁上及該第三外壁上，該第一光源感測器量測該第一同調光源照射待測物所產生之光斑，並輸出一第一影像訊號至訊號處理器；一第二位移感測組件，可包含一第二同調光源及一第二光源感測器，成對設置於該第二外壁上及該第四外壁上，該第二光源感測器量測該第二同調光源照射待測物所產生之光斑，並輸出一第二影像訊號至訊號處理器；一第三位移感測組件，可為雷射共焦位移感測器、彩色共焦位移感測計、白光干涉位移感測器或三角量測雷射位移感測器，設置於該第五外壁上，該第三位移感測組件量測待測物於該z軸之位移，並輸出一數位訊號至訊號處理器；一訊號處理器，可用於處理該第一影像訊號、該第二影像訊號及該數位訊號，輸出一三維位移座標。

本發明所提出之三維位移感測器，其中，該第一同調光源與該第一光源感測器可分別通過該第一外壁之孔洞及該第三外壁之孔洞量測待測物，該第二同調光源與該第二光源感測器可分別通過該第二外壁之孔洞及該第四外壁之孔洞量測待測物，該第三位移感測組件通過該第五外壁之孔洞量測待測物。

本發明所提出之三維位移感測器，其中，該第一位移感測組件、該第二位移感測組件及該第三位移感測組件可量測待測物之同一表面。

本發明所提出之一方案，提供一種多軸加工裝置，該多軸加工裝置可包含：一參考定位基座，可採用低熱膨脹材料；一平移台固定架，可設置於該參考定位基座之下方，該平移台固定架可具有一固定架本體、一x軸滑軸、一y軸滑軸及一z軸滑軸，該x軸滑軸可與該y軸滑軸相連結，該x軸滑軸可沿y軸滑軸滑動，該y軸滑軸與該z軸滑軸可固定於該固定架本體，該z軸滑軸之一側設置一光斑尺，該光斑尺可採用低熱膨脹材料；一第一滑塊，該第一滑塊可與該x軸滑軸相連結，該第一滑塊可沿x軸滑軸滑動；一第二滑塊，該第二滑塊可與該z軸滑軸相連結，該第二滑塊可沿z軸滑軸滑動；一第一三維位移感測器，該第一三維位移感測器固定於該第一滑塊，可用以量測該參考定位基座；一第二三維位移感測器，該第二三維位移感測器固定於該第二滑塊，可用以量測該光斑尺；一第三三維位移感測器，該第三三維位移感測器固定於該光斑尺，可用以量測該參考定位基座；其中，該第一三維位移感測器、該第二三維位移感測器及該第三三維位移感測器可為本發明所述之三維位移感測器。

本發明所提出之多軸加工裝置，其中，更可包含一驅動及補償系統以電力驅動該第一滑塊及該第二滑塊，用來控制該第一滑塊及該第二滑塊之加工位移量。

本發明所提出之一方案，提供一種多軸加工補償方法，該多軸加工補償方法可包含：提供一前述之多軸加工裝置；將該第一三維位移感測器固定於該第一滑塊，量測該參考定位基座，取得該第一滑塊相對於該參考定位基座之x軸位移量、y軸位移量及z軸位移量，即為一第一三維位移量；將該第二三維位移感測器固定於該第二滑塊，量測該光斑尺，取得該第二滑塊相對於該光斑尺之x軸位移量、y軸位移量及z軸位移量，即為一第二三維位移量；將該第三三維位移感測器固定於該光斑尺，量測該參考定位基座，取得該光斑尺相對於該參考定位基座之x軸位移量、y軸位移量及z軸位移量，即為一第三三維位移量；提供一加工補償處理器，藉由計算該第一三維位移量、該第二三維位移量及該第三三維位移量，獲得一加工處理位移量及補償位移量，該加工補償處理器依該加工處理位移量及該補償位移量調整該第一滑塊及該第二滑塊之移動位置，進行該多軸加工機之加工及補償回饋控制。

本發明所提出之另一方案，提供一種多軸加工裝置，該多軸加工裝置可包含：一參考定位基座，可為低熱膨脹材料；一平移台固定架，可設置於該參考定位基座之下方，該平移台固定架可具有一固定架本體、一x軸滑軸、一y軸滑軸及一z軸滑軸，該x軸滑軸可與該y軸滑軸相連結，該x軸滑軸可沿y軸滑軸滑動，該y軸滑軸與該z軸滑軸可固定於該固定架本體，該z軸滑軸之一側設置一光斑尺，該光斑尺可為低熱膨脹材料；一第一滑塊模組，該第一滑塊模組可包含一第一滑塊、一z軸微量位移平台及一第一治具，該第一滑塊可與該x軸滑軸相連結，該第一滑塊可沿x軸滑軸滑動，該z軸微量位移平台可設置於該第一滑塊上，該第一治具可設置於該z軸微量位移平台上；一第二滑塊模組，該第二滑塊模組可包含一第二滑塊、一xy軸微量位移平台及一第二治具，該第二滑塊可與該z軸滑軸相連結，該第二滑塊可沿z軸滑軸滑動，該xy軸微量位移平台可設置於該第二滑塊上，該第二治具可設置於該xy軸微量位移平台上；一第一三維位移感測器，該第一三維位移感測器固定於該第一滑塊模組；一第二三維位移感測器，該第二三維位移感測器固定於該第二滑塊模組；一第三三維位移感測器，該第三三維位移感測器固定於該光斑尺，用以量測該參考定位基座；其中，該第一三維位移感測器、該第二三維位移感測器及該第三三維位移感測器可為如前述之三維位移感測器。

本發明所提出之多軸加工裝置，其中，該第一滑塊模組更包含一第一連桿單元，該第一連桿單元之一端連結該第一治具，該第一連桿單元之另一端連結該第一三維位移感測器，使該第一三維位移感測器用以量測該參考定位基座；該第二滑塊模組更包含一第二連桿單元，該第二連桿單元之一端連結該第二治具，該第二連桿單元之另一端連結該第二三維位移感測器，使該第二三維位移感測器用以量測該光斑尺。

本發明所提出之多軸加工裝置，其中，該xy軸微量位移平台可包含一x軸微量位移平台及一y軸微量位移平台，該x軸微量位移平台設置於該第二滑塊上，該y軸微量位移平台設置於該x軸微量位移平台上，該第二治具設置於該y軸微量位移平台上。

本發明所提出之另一方案，提供一種多軸加工補償方法，該多軸加工補償方法可包含：提供一前述之多軸加工裝置；將該第一三維位移感測器固定於該第一治具，量測該參考定位基座，取得該第一治具相對於該參考定位基座之x軸位移量、y軸位移量及z軸位移量，即為一第一三維位移量；將該第二三維位移感測器固定於該第二治具，量測該光斑尺，取得該第二治具相對於該光斑尺之x軸位移量、y軸位移量及z軸位移量，即為一第二三維位移量；將該第三三維位移感測器固定於該光斑尺，量測該參考定位基座，取得該光斑尺相對於該參考定位基座之x軸位移量、y軸位移量及z軸位移量，即為一第三三維位移量；將第二三維位移量與第三三維位移量相加，可獲得第二治具相對於參考定位基座之第四三維位移量；提供一加工補償處理器，藉由該第一三維位移量之x軸位移量、y軸位移量及該第四三維位移量之z軸位移量，獲得一加工處理位移量，由該第一三維位移量之z軸位移量、該第四三維位移量x軸位移量及y軸位移量，獲得一補償位移量；依該加工處理位移量及該補償位移量調整該第一治具及該第二治具之移動位置，進行該多軸加工機之加工及補償回饋控制。

本發明所提出之多軸加工裝置，其中，該低熱膨脹材料可為花崗岩、不變鋼或零膨脹陶瓷。

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。

110‧‧‧固定元件

120‧‧‧第一位移感測組件

121‧‧‧第一光源感測器

122‧‧‧第一同調光源

130‧‧‧第二位移感測組件

131‧‧‧第二光源感測器

132‧‧‧第二同調光源

140‧‧‧第三位移感測組件

150‧‧‧待測物

210‧‧‧參考定位基座

220‧‧‧平移台固定架

221‧‧‧固定架本體

222‧‧‧y軸滑軸

223‧‧‧x軸滑軸

224‧‧‧z軸滑軸

225‧‧‧光斑尺

231‧‧‧第一滑塊

232‧‧‧第二滑塊

241‧‧‧第一三維位移感測器

242‧‧‧第二三維位移感測器

243‧‧‧第三三維位移感測器

310‧‧‧參考定位基座

321‧‧‧固定架本體

322‧‧‧y軸滑軸

323‧‧‧x軸滑軸

324‧‧‧z軸滑軸

325‧‧‧光斑尺

331‧‧‧第一滑塊

332‧‧‧z軸微量位移平台

333‧‧‧第一治具

334‧‧‧第一連桿單元

341‧‧‧第二滑塊

342‧‧‧xy軸微量位移平台

343‧‧‧第二治具

344‧‧‧第二連桿單元

351‧‧‧第一三維位移感測器

352‧‧‧第二三維位移感測器

353‧‧‧第三三維位移感測器

410‧‧‧第一治具

420‧‧‧第一連桿單元

430‧‧‧第一三維位移感測器

510‧‧‧第二治具

520‧‧‧第二連桿單元

530‧‧‧第二三維位移感測器

第一圖係為本發明之三維位移感測器示意圖；

第二圖係為本發明之多軸加工裝置實施例一示意圖；

第三圖係為本發明之多軸加工裝置實施例二示意圖；

第四圖係為本發明之第一連桿單元示意圖；

第五圖係為本發明之第二連桿單元示意圖。

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。

本發明揭露一種平面型三維位移感測器，可以快速執行二個物平面之間的三維即時定位，免除習知三維光斑位移感測器使用的不方便性，習知光斑三維位移感測器，需要量取待測體側面之光斑影像，以獲得待測體z軸(垂直)方向位移量，若只量取待測體上方表面光斑影像，只能獲得待測體x、y方向之位移向量，無法獲得待測物體z軸(垂直)方向位移資訊，所以本發明揭露在xy平面型雙光斑影像讀取頭再組合一個可以精確量測z軸方向的位移感測器，該z軸方向的位移感測器可以是雷射共焦位移感測器、彩色共焦位移感測計、白光干涉位移感測器、三角量測雷射位移感測器等，其中x、y兩軸是光斑影像位移感測器，z軸為雷射共焦位移感測器、彩色共焦位移感測計、白光干涉位移感測器或三角量測雷射位移感測器等，三個位移感測器之雷射光束打到物面同一點，為了量測精度，Z軸位移感測器之雷射光束常需要聚焦，聚焦焦點之直徑<10um，而x、y兩軸光斑取像的雷射光點直徑500-1000um，因為z軸位移感測器聚焦雷射之散射光斑面積很小，幾乎不會影響x、y兩軸光斑影像之比對定位精度。而x、y兩軸光斑影像感測器互相垂直，0°散射光斑強度遠遠大於90°散射光斑，因此x、y兩軸光斑影像之散射光斑幾乎不會互相干擾，所以x、y、z三維位移感測器可以量取物面同一位置之三維位移量。

本發明三維位移感測器之x、y兩軸光斑影像位移感測器擷取物面同一點，互相垂直角度之2張光斑影像，每一定位點分別記錄X軸方向光斑影像陣列強度分布[I_n,I_m]_X軸-xi,yj及Y軸方向光斑影像陣列強度分布[I_n,I_m]_Y軸-xi,yj外，還記錄光斑影像中心點之(x_i,y_j,z_k)三維座標，x、y兩軸光斑影像可使用SIFT(Scale Invariant Feature Transform)比對定位技術或是SAD(Sum And Difference)、SSD(Sum of Square Difference)及NCC(Normalized Cross Correlation)等方法之次像素(Sub-pixel)比對定位技術；使用SIFT比對定位技術，定位精度0.01-0.1um，定位重複率1-100Hz；使用SAD、SSD、NCC等之次像素比對定位技術，定位精度0.05-0.5um、定位重複率1-10kHz，z軸位移感測器，定位精度0.001-0.1um、定位重複率可超過10kHz，使用SAD、SSD、NCC等之次像素比對定位的xy平面光斑影像位移感測器，整合z軸高度位移感測器，可獲得高定位精度(<0.1um)、高定位重複率(>10kHz)之三軸位移感測器，不只對靜態目標做三維位移定位，也可以對移動物體進行三維位移即時定位，本發明以下實施例中，第一位移感測組件及第二位移感測組件皆是指光斑影像位移感測器，而第一位移感測組件及第二位移感測組件可組合成一xy平面光斑影像位移感測器。

請參閱第一圖，係為本發明之三維位移感測器示意圖，如第一圖所示，本發明提出一種三維位移感測器，該三維位移感測器包含：一固定元件(110)，具一第一外壁、一第二外壁、一第三外壁、一第四外壁及一第五外壁之中空殼體，該等外壁各具一孔洞，該第一外壁與該第三外壁面向該固定元件(110)之一x軸，該第二外壁與該第四外壁面向該固定元件(110)之一y軸，該第五外壁面向該固定元件(110)之一z軸，其中，該x軸、該y軸與該z軸用於建構一三維座標系；一第一位移感測組件(120)，包含一第一同調光源(122)及一第一光源感測器(121)，成對設置於該第一外壁上及該第三外壁上，該第一光源感測器(121)量測該第一同調光源(122)照射待測物(150)所產生之光斑，並輸出一第一影像訊號至訊號處理器；一第二位移感測組件(130)，包含一第二同調光源(132)及一第二光源感測器(131)，成對設置於該第二外壁上及該第四外壁上，該第二光源感測器(131)量測該第二同調光源(132)照射待測物(150)所產生之光斑，並輸出一第二影像訊號至訊號處理器；一第三位移感測組件(140)，可為雷射共焦位移感測器、彩色共焦位移感測計、白光干涉位移感測器或三角量測雷射位移感測器，設置於該第五外壁上，該第三位移感測組件(140)量測待測物(150)於該z軸之位移，並輸出一數位訊號至訊號處理器；一訊號處理器，用於處理該第一影像訊號、該第二影像訊號及該數位訊號，輸出一三維位移座標。

其中，該第一同調光源與該第一光源感測器分別通過該第一外壁之孔洞及該第三外壁之孔洞量測待測物，該第二同調光源與該第二光源感測器分別通過該第二外壁之孔洞及該第四外壁之孔洞量測待測物，該第三位移感測組件通過該第五外壁之孔洞量測待測物，該第一位移感測組件、該第二位移感測組件及該第三位移感測組件可量測待測物之同一表面。

本發明揭露的三維位移感測器與目前業界使用的雷射共焦位移感測器、彩色共焦位移感測計、白光干涉位移感測器或三角量測雷射位移感測器等三維位移量測裝置都不相同，因為定位精度需求，這些量測裝置量測z軸的雷射光束常需要聚焦，因此量測光斑直徑都很小(<10um)，且必需配合xy軸掃描光學系統或xy軸伺服位移平台等，在量測z軸高度時，同步執行x、y軸平面掃描定位，才可以完成物面三維輪廓之建立，且目前這些裝置只能執行物體三維輪廓掃描，但無法執行待測物與感測器之間的三維相對位移量測。

請參閱第二圖，係為本發明之多軸加工裝置實施例一示意圖，如第二圖所示，本發明提出一種多軸加工裝置，該多軸加工裝置包含：一參考定位基座(210)，採用低熱膨脹材料；一平移台固定架(220)，設置於該參考定位基座(210)之下方，為了盡量降低該參考定位基座與該平移台固定架之間的摩擦變形效應，該平移台提供多點(至少3點)支撐該參考定位基座，並在該參考定位基座側邊與該平移台固定架之間單點固裝，更佳地，該參考定位基座(210)距離該平移台固定架(220)在20公分內，以避免三維位移感測器無法量測到參考定位基座，該平移台固定架(220)具有一固定架本體(221)、一x軸滑軸(223)、一y軸滑軸(222)及一z軸滑軸(224)，該x軸滑軸(223)與該y軸滑軸(222)相連結，該x軸滑軸(223)可沿y軸滑軸(222)滑動，該y軸滑軸(222)與該z軸滑軸(224)固定於該固定架本體(221)，該z軸滑軸(224)之一側設置一光斑尺(225)，該光斑尺(225)採用低熱膨脹材料；一第一滑塊(231)，該第一滑塊(231)與該x軸滑軸(223)相連結，該第一滑塊(231)可沿x軸滑軸(223)滑動；一第二滑塊(232)，該第二滑塊(232)與該z軸滑軸(224)相連結，該第二滑塊(232)可沿z軸滑軸(224)滑動；一第一三維位移感測器(241)，該第一三維位移感測器(241)固定於該第一滑塊(231)，用以量測該參考定位基座(210)；一第二三維位移感測器(242)，該第二三維位移感測器(242)固定於該第二滑塊(232)，用以量測該光斑尺(225)；一第三三維位移感測器(243)，該第三三維位移感測器(243)固定於該光斑尺(225)，用以量測該參考定位基座(210)；其中，該第一三維位移感測器(241)、該第二三維位移感測器(242)及該第三三維位移感測器(243)為如前述之三維位移感測器。

請參閱第三圖，為本發明之多軸加工裝置實施例二示意圖，如第三圖所示，本發明提出另一種多軸加工裝置，該多軸加工裝置可包含：一參考定位基座(310)，可為低熱膨脹材料；一平移台固定架(320)，設置於該參考定位基座(310)之下方，該平移台固定架具有一固定架本體(321)、一x軸滑軸(323)、一y軸滑軸(322)及一z軸滑軸(324)，該x軸滑軸(323)與該y軸滑軸(322)相連結，該x軸滑軸(323)可沿y軸滑軸(322)滑動，該y軸滑軸(322)與該z軸滑軸(324)固定於該固定架本體(321)，該z軸滑軸(324)之一側設置一光斑尺(325)，該光斑尺(325)可為低熱膨脹材料；一第一滑塊模組，該第一滑塊模組包含一第一滑塊(331)、一z軸微量位移平台(332)、一第一治具(333)、一第一連桿(334)及一第一三維位移感測器(351)，該第一滑塊(331)可與該x軸滑軸(323)相連結，該第一滑塊(331)可沿該x軸滑軸(323)滑動，該z軸微量位移平台(332)設置於該第一滑塊(331)上，該第一治具(333)設置於該z軸微量位移平台(332)上；該第一連桿(334)設置於該第一治具(333)側邊，該第一三維位移感測器(351)固定於該第一連桿(334)上，用以量測該參考定位基座(310)；一第二滑塊模組，該第二滑塊模組可包含一第二滑塊(341)、一x軸微量位移平台(342-1)、一y軸微量位移平台(342-2)、一第二治具(343)、一第二連桿(344)及一第二三維位移感測器(352)，該第二滑塊(341)可與該z軸滑軸(324)相連結，該第二滑塊(341)可沿z軸滑軸(324)滑動，該x軸微量位移平台(342-1)設置於該第二滑塊(341)上，該y軸微量位移平台(342-2)設置於該x軸微量位移平台(342-1)上，該第二治具(343)設置於該y軸微量位移平台(342-2)上，該第二連桿(344)設置於該第二治具(343)側邊，該第二三維位移感測器(352)固定於該第二連桿(344)上，用以量測該光斑尺(325)；一第三三維位移感測器(353)，該第三三維位移感測器(353)固定於該光斑尺(325)，用以量測該參考定位基座(310)；其中，該第一三維位移感測器(351)、該第二三維位移感測器(352)及該第三三維位移感測器(353)可為如前述之三維位移感測器。

請參閱第四圖，為本實施例之第一連桿單元示意圖，如第四圖所示，該第一滑塊模組包含一第一連桿單元(420)，該第一連桿單元(420)之一端連結該第一治具(410)，該第一連桿單元(420)之另一端連結該第一三維位移感測器(430)，使該第一三維位移感測器(430)用以量測該參考定位基座；請參閱第五圖，為本實施例之第二連桿單元示意圖，如第五圖所示，該第二滑塊模組包含一第二連桿單元(520)，該第二連桿單元(520)之一端連結該第二治具(510)，該第二連桿單元(520)之另一端連結該第二三維位移感測器(530)，使該第二三維位移感測器(530)用以量測該光斑尺。

有關應用於本實施例一之多軸加工補償方法，可包含：提供一如實施例一所述之多軸加工裝置；將該第一三維位移感測器固定於該第一滑塊，量測該參考定位基座，取得該第一滑塊相對於該參考定位基座之x軸位移量(△x_{第一滑塊對參考定位基座})、y軸位移量(△y_{第一滑塊對參考定位基座})及z軸位移量(△z_{第一滑塊對參考定位基座})，即為一第一三維位移量(△x、△y、△z)_{第一滑塊對參考定位基座}；將該第二三維位移感測器固定於該第二滑塊，量測該光斑尺，取得該第二滑塊相對於該光斑尺之x軸位移量(△x_{第二滑塊對光斑尺})、y軸位移量(△y_{第二滑塊對光斑尺})及z軸位移量(△z_{第二滑塊對光斑尺})，即為一第二三維位移量(△x、△y、△z)_{第二滑塊對光斑尺}；將該第三三維位移感測器固定於該光斑尺，量測該參考定位基座，取得該光斑尺相對於該參考定位基座之x軸位移量(△x_{光斑尺對參考定位基座})、y軸位移量(△y_{光斑尺對參考定位基座})及z軸位移量(△z_{光斑尺對參考定位基座})，即為一第三三維位移量(△x、△y、△z)_{光斑尺對參考定位基座}；將第二三維位移量與第三三維位移量相加，可獲得第二滑塊相對於參考定位基座之第四三維位移量(△x_、△y_、△z)_{第二滑塊對參考定位基座}；提供一加工補償處理器，藉由該第一三維位移量之x軸位移量(△x_{第一滑塊對參考定位基座})、y軸位移量(△y_{第一滑塊對參考定位基座})及該第四三維位移量之z軸位移量(△z_{第二滑塊對參考定位基座})，獲得一加工處理位移量(△x_{第一滑塊對參考定位基座}、△y_{第一滑塊對參考定位基座}、△z_{第二滑塊對參考定位基座})；及藉由該第一三維位移量之z軸位移量(△z_{第一滑塊對參考定位基座})、該第四三維位移量之x軸位移量(△x_{第二滑塊對參考定位基座})及y軸位移量(△y_{第二滑塊對參考定位基座})，獲得一補償位移量(△x_{第二滑塊對參考定位基座}、△y_{第二滑塊對參考定位基座}、△z _{第一滑塊對參考定位基座})，該加工補償處理器依該加工處理位移量及該補償位移量調整該第一滑塊及該第二滑塊之移動位置，進行該多軸加工裝置之加工及補償回饋控制。

此外，本發明提供一種多軸加工補償方法之實施例，以建立可以有效消除各種變形效應的多軸加工機台：先將一塊低熱膨脹量花崗岩平台表面建立二維光斑影像座標資料庫{[I_n,I_m]_X軸-xi,yj、[I_n,I_m]_Y軸-xi,yj}及三維輪廓座標資料庫(x_i,y_j,z_k)，再將此低熱膨脹量花崗岩平台安裝於多軸加工機頂端，當作多軸加工機台三維參考定位基座。

在花崗岩平台下面安裝xy軸位移平台，xy軸位移平台滑塊上方安裝三維位移感測器，下方則安裝第一治具，利用xy軸位移平台滑塊上的三維位移感測器，即時量取xy軸位移平台滑塊相對於花崗岩平台定位基座的三維定位座標。

xy軸位移滑塊採用低熱膨脹材料製作，如不變鋼、零膨脹陶瓷等，並要求良好鋼性，工作時只要適當控制xy軸位移滑塊溫度，即可確保xy軸位移滑塊的變形量遠低於系統定位精度，因此，可以確認滑塊上方三維位移感測器與滑塊下方第一治具之間的三維變形量可以遠小於系統定位精度。

所以，xy軸位移滑塊上方三維位移感測器相對花崗岩平台定位基座之三維位移量測，等於是xy軸位移滑塊下方第一治具的三維位移量測，其中，xy平面的位移量(△x,△y)_xy _{軸滑塊對參考定位基座}是直接參照不變形的花崗岩定位基座，所以(△x,△y)_{xy軸滑塊對參考定位基座}是包含x、y軸伺服馬達推量+機台本體及(xy)平移台之熱變性、應力變形、磨耗變形等總變形量的總位移量，將(△x,△y)_{xy軸滑塊對參考定位基座}即時量測值回饋到伺服定位系統，等於將機台本體及xy平移台之所有變形量都正確量測並回饋到伺服定位系統，真正反應第一治具(可視為第一治具同等位置)在x、y軸方向之位移量。另外，在xy軸平移台上之滑塊沒有Z軸方向之加工行為，所以三軸位移感測器量得之z軸位移量△z_{xy軸滑塊對參考定位基座}，純粹是機台本體加xy軸平移台在z軸方向之總變形量，這個△z_{xy軸滑塊對參考定位基座}即時量測值需要回饋到z軸伺服馬達進行校正補償。

再將一長條低熱膨脹量花崗岩板表面，建立一維光斑影像座標資料庫[I_n,I_m]_Z軸-xi,yj及三維輪廓座標資料庫(x_i,y_j,z_k)，當作z軸光斑尺；在z軸平移台側邊安裝z軸光斑尺，z軸光斑尺上方架設三維位移感測器，即時量取光斑尺頂端相對於花崗岩參考基座之三維位移量(△x,△y,△z)_{光斑尺對參考定位基座}，於z軸滑塊側邊安裝另一套三維位移感測器，即時量測z軸滑塊相對於z軸光斑尺的三維位移量(△x,△y,△z)_{z軸滑塊對光斑尺}，由(△x,△y,△z)_{z軸滑塊對光斑尺}+(△x,△y,△z)_{光斑尺對參考定位基座}可以獲得z軸滑塊相對於花崗岩參考基座之三維位移量(△x,△y,△z)_{z軸滑塊對參考定位基座}

z軸光斑尺採用低熱膨脹材料製作，如不變鋼、零膨脹陶瓷、零膨脹玻璃等，並要求良好鋼性，工作時只要適當控制z軸光斑尺溫度，即可確保z軸光斑尺的變形量遠低於系統定位精度；同法，z軸滑塊也採用低熱膨脹材料製作，如不變鋼、零膨脹陶瓷等，並要求良好鋼性。工作時只要適當控制z軸滑塊溫度，即可確保z軸滑塊的變形量遠低於系統定位精度，因此第二治具(可視為第二治具同等位置)相對於花崗岩平台定位基座之z軸位移量(△z)_{z軸滑塊對參考定位基座}，已包含z軸伺服馬達推量加機台本體加z軸平移台之熱變性、應力變形、磨耗變形等總變形量的總位移量，將(△z)_{z軸滑塊對參考定位基座}即時回饋到伺服定位系統，等於將機台本體及z軸平移台之所有z軸方向變形量都正確量測並回饋到伺服定位系統，真正反應第二治具在z軸方向之位移量。

另外第二治具於x軸、y軸兩個方向並沒有任何加工作為，所以三維位移感測器量得的實際變形量(△x,△y)_{z軸滑塊對參考定位基座}，此二維變形量純粹是機台本體及z軸平移台在xy平面之總變形量，這個(△x,△y)_{z軸滑塊對參考定位基座}即時量測值需要回饋到x、y軸伺服馬達進行校正補償。

由於實施例一之多軸加工裝置存在一些困難，就是xy軸滑塊相對於參考定位基座之△z_{xy軸滑塊對參考定位基座}即時量測值必須由z軸伺服馬達來補償，還有z軸滑塊相對於參考定位基座之(△x,△y)_{z軸滑塊對參考定位基座}即時量測值需要由x、y軸伺服馬達進行校正補償，這些交叉式的補償定位，會增加伺服系統複雜性及不確定性。

為了去除上述之交叉式補償定位之困擾，本發明提出另一實施例：提供一種多軸加工裝置，該多軸加工裝置可包含：一參考定位基座，可為低熱膨脹材料；一平移台固定架，可設置於該參考定位基座之下方，該平移台固定架可具有一固定架本體、一x軸滑軸、一y軸滑軸及一z軸滑軸，該x軸滑軸可與該y軸滑軸相連結，該x軸滑軸可沿y軸滑軸滑動，該y軸滑軸與該z軸滑軸可固定於該固定架本體，該z軸滑軸之一側設置一光斑尺，該光斑尺可為低熱膨脹材料；一第一滑塊模組，該第一滑塊模組可包含一第一滑塊、一z軸微量位移平台、一第一治具、一第一連桿及一第一三維位移感測器；該第一滑塊可與該x軸滑軸相連結，該第一滑塊可沿x軸滑軸滑動，該z軸微量位移平台可設置於該第一滑塊上，該第一治具可設置於該z軸微量位移平台上，該第一連桿可設置於該第一治具側邊，該第一三維位移感測器可固裝於該第一連桿上，可用以量測該參考定位基座；一第二滑塊模組，該第二滑塊模組可包含一第二滑塊、一x軸微量位一平台、一y軸微量位移平台、一第二治具、一第二連桿及一第二三維位移感測器；該第二滑塊可與該z軸滑軸相連結，該第二滑塊可沿z軸滑軸滑動，該x軸微量位移平台可設置於該第二滑塊上、該y軸微量位移平台可與該x軸微量位移平台相結，該第二治具可設置於該y軸微量位移平台上，該第二連桿可設置於該第二治具側邊，該第二三維位移感測器可固裝於該第二連桿上，可用以量測該光斑尺；一第三三維位移感測器，該第三三維位移感測器固定於該光斑尺，可用以量測該參考定位基座；其中，該第一三維位移感測器、該第二三維位移感測器及該第三三維位移感測器可為如前述之三維位移感測器。

本發明所提出之多軸加工裝置，其中，更可包含一驅動及補償系統以電力驅動該x軸滑軸、該y軸滑軸、該z軸滑軸、該x軸微量位移平台、該y軸微量位移平台及該z軸微量位移平台。

因此本發明提出之多軸加工裝置，使用方法上，在第一滑塊與第一治具之間安裝z軸微量位移平台，用來即時補償、校正第一治具於z軸方向之變形量(△z)_第一治具，在第二滑塊與第二治具之間安裝x軸、y軸兩個微量位移平台，用來即時補償、校正第二治具於x軸、y軸兩個方向之變形量(△x,△y)_第二治具，安排x、y、z三軸微量位移平台分別來單獨補償機台+平移台等因為熱變形、磨耗變形、應力變形等物理現象產生之總變形量，不需干擾原先加工伺服系統；用(△x,△y)_第一治具回饋於x、y軸伺服系統，(△z)_第二治具回饋於z軸伺服系統，進行傳統加工伺服控制，不需修改原先伺服控制系統，就可以執行去除各種變形效應之多軸加工伺服控制系統。

其中，第一治具在x軸、y軸方向真實位移量可參照機台頂端花崗岩平台三維定位基座而絕對定位，而在z軸方向之變形量可以由z軸微量位移平台即時補償；第二治具在z方向真實位移量可參照z軸光斑尺及機台頂端花崗岩平台三維定位基座而絕對定位，而在x軸、y軸兩個方向之變形量可以由x、y兩軸微量位移平台即時補償，依此架構，第一治具所有的變形量，包括熱變形量、應力變形量、磨耗變形量，都可以被正確量出並進行校正補償；同法，第二治具所有的變形量，包括熱變形量、應力變形量、磨耗變形量，也都可以被正確量出並進行校正補償，因此在此我們揭露一種有效去除各種變形效應之多軸加工機台架構。

更進一步說明，本發明提出在第一治具側邊安裝第一連桿單元，將原先安裝於第一滑塊上的平面型三維位移感測器移置第一連桿單元上，用來量測第一治具相對於花崗岩平板基座之三維位移量(△x,△y,△z)_第一治具，第一連桿單元採用低熱膨脹材料製作，如不變鋼、零膨脹陶瓷等，並要求良好剛性，工作時只要適當控制第一連桿單元溫度，即可確保第一連桿單元的變形量遠低於系統定位精度，第一治具可精確的定位於花崗岩平台參考基座上。

在第二治具側邊安裝第二連桿單元，將原先安裝於第二滑塊上的平面型三維位移感測器移置第二連桿單元上，用來時時量測第二治具相對於光斑尺的三維位移量(△x,△y,△z)_{第二治具對光斑尺}，在由光斑尺上的平面型三維位移感測器，時時量測光斑尺相對於定位基座之三維位移量(△x’,△y’,△z’)_{光斑尺對參考定位基座}，藉由計算(△x+△x’,△y+△y’,△z+△z’)_{第二治具對參考定位基座}進而獲得第二治具相對於花崗岩平板基座之三維位移量(△x+△x’,△y+△y’,△z+△z’)_第二法具，第二連桿單元採用低熱膨脹材料製作，如不變鋼、零膨脹陶瓷等，並要求良好剛性，工作時只要適當控制第二連桿單元溫度，即可確保第二連桿單元的變形量遠低於系統定位精度，第二治具可精確的定位於光斑尺，同樣的，光斑尺採用低熱膨脹材料製作，如不變鋼、零膨脹陶瓷等，並要求良好剛性，工作時只要適當控制光斑尺溫度，即可確保光斑尺的變形量遠低於系統定位精度，第二治具可精確的定位於花崗岩平板基座。

在第一滑塊與第一治具之間安裝z軸微量位移平台，用來即時補償、校正第一治具變形量(△z)_第一治具，在第二滑塊與第二治具之間安裝x軸、y軸兩個微量位移平台，用來即時補償、校正第二治具變形量(△x,△y)_第二治具，安排x、y、z三軸微量位移平台分別來單獨補償(機台)+(平移台)等產生之變形量，不需干擾原先加工伺服系統；用(△x,△y)_第一治具回饋於x、y軸伺服系統，(△z)_第二治具回饋於z軸伺服系統，進行傳統加工伺服控制，除了傳統三軸位移平台架構外，這種包含額外三軸微量位移平台之加工機台，不需修改原先加工伺服控制系統，就可以執行去除各種變形效應之多軸加工伺服控制系統。

上述實施例中，為了盡量降低該參考定位基座與該平移台固定架之間的摩擦變形效應，該平移台可提供多點(至少3點)支撐該參考定位基座，並在該參考定位基座側邊與該平移台固定架之間單點固裝。

工具機之加工性能包括動態精度(dynamic accuracy)及加工性能重複性(repeatability)，其中加工性能重複性是指第一物件之加工品質與最後一件之加工品質維持一致。第一物件加工時機台工作條件(如：機台溫度分布、熱變形、應力變形、磨耗等)、工作環境(如：環境溫度，冷卻條件、濕度變化等)與最後加工物件之工作條件會有顯著變化。而不管加工件數多少、加工工作時間多長，良好加工性能重複性就是要求機台加工前後之加工品質都必須維持一致，本發明係一種揭露可以有效消除各種變形效應的多軸加工機台，有機會讓國內綜合加工機、車銑複合機及多軸加工機之定位精度由目前15-20um，精進到1-5um，趕上並超越先進國家定位精度，讓國內工具機業者擺脫韓國、中國大陸之追趕，一舉超越德、日，成為精密加工機械的領航者。

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。