TWI754563B - 空間精度誤差量測方法 - Google Patents

Abstract

一種空間精度誤差量測方法，是在工具機的主軸安裝一感測頭，並於該工具機的平台安裝兩個以上的感測元件，於各感測元件設有一球體，該感測頭可感測各球體於其內部定位時的位移量，該主軸移動該感測頭至各球體，設定各球體於該工具機的原點，接著執行一檢測程序，使該感測頭由各原點開始以刀具點跟隨指令沿一檢測路徑移動各感測元件，過程中該感測元件由各球體由各量測點偏移的程度連續地抓取該主軸、該平台於同動過程中偏移的位移量訊號，藉此進行該工具機於各原點的空間誤差分析與補正。

Description

空間精度誤差量測方法

本發明涉及一種工具機的誤差量測方法，尤其涉及一種運用簡單路徑即可進行檢測而能節省時間的空間精度誤差量測方法。

現有量測五軸工具機精度主要是以雷射追蹤儀以及雙球桿儀進行精度的量測。當使用雷射追蹤儀量測、校正五軸工具機的精度時，是在主軸設有標靶，並於旋轉平台上設有雷射頭與控制雷射頭方向的電控單元，藉由電控單元驅動該雷射頭追蹤靶標的位置，自動記錄標靶與雷射頭之間的實際距離，利用工具機控制器座標的位置與實際量測的誤差校正工具機，但此設備於雷射追蹤標靶位置時需要在每個位置停留測量距離，因此檢測耗費的時間長。

當使用雙球桿儀量測、校正五軸工具機的精度時，其構造是兩個精密的小球之間裝有差動電壓式(LVTD)位移傳感器，裝在旋轉平台的小球通過磁性連接座和傳感器桿的一端相連，另一和傳感器一端相固連的小球通過磁性座和主軸相連，球心之間的距離距為已知數值，當工具機以半徑進行圓形軌跡的運動時，通過差動電壓式位移傳感器所讀出的數值，可與控制器座標系比較得出工具機綜合的誤差。但此種量測方式僅能量測一維訊號，或需要量測三維的訊號則需要架設不同的形式進行數據的讀取，如此一來會耗費許多檢測的時間。

由於現有量測工具機精度的手段若非太過於昂貴就是量測耗費時間。為此，本發明以主軸設有的感測器以非接觸且同動的方式追蹤平台上設有的兩個以上的感測元件，藉此於各感測元件的一次檢測路徑中就能抓取多個偏移的位移量訊號，加快精度檢測的進行提升效率。

為達到上述的創作目的，本發明提供一種空間精度誤差量測方法，其方法的步驟包括：於一工具機的主軸安裝一感測頭，該感測頭設有一感測器組，於該感測器組內側的空間形成一量測點，該感測器組用於量測其中心置於該量測點的球體由該量測點偏移的位移量，於該工具機的平台設置兩個以上的感測元件，各感測元件包括一結合於該平台的底座，於各底座支撐一球體；以該主軸移動該感測頭，透過分別將各球體中心置於該感測頭的量測點的方式，取得各球體於該工具機的原點，設定各球體於該工具機的位置；以及執行一檢測程序，是以該主軸將該感測頭逐次移動至各原點，在該感測頭每次抵達各原點時，令該平台帶動各感測元件沿一檢測路徑移動，於各次移動的過程中該工具機的控制器開啟刀具點跟隨指令，使該主軸於該平台動作時保持不變的相對距離同動，並以該感測頭的該感測器組於各次的同動過程中連續地抓取多個各球體的中心偏離該量測點的位移量訊號，藉此進行該工具機於各原點的空間誤差分析與補正。

進一步，本發明該感測頭包括一訊號處理模組，該訊號處理模組接收該感測模組感測的數值計算所述的多個各球體的中心偏離該量測點的位移量訊號並傳輸至該控制器，對該工具機進行各原點誤差量的補正。

進一步，本發明該感測頭設有一環繞設置的支架，該感測器組於該支架對應X軸方向的相反兩側設有一第一雷射頭與第一光點位移感測器，於該 支架對應Y軸方向的相反兩側設有一第二雷射頭與一第二光點位移感測器，該量測點位於第一雷射頭與第一光點位移感測器連線與一第二雷射頭與第二光點位移感測器連線的垂直交錯處；所述各球體是圓形的球透鏡。

進一步，本發明該工具機是包含X軸、Y軸、Z軸、A軸以及C軸的五軸加工機，該平台是能以C軸為中心旋轉的旋轉平台，於該平台的相反兩側設有兩個所述的感測元件，當取得各球體於該工具機的原點後，以兩原點的位置計算得出兩球體中心之間的直線距離，利用兩球體中心之間的直線距離計算旋轉軸誤差的補正，各檢測路徑都是沿C軸旋轉360度的角度。

更進一步，本發明該平台是可旋轉地結合於一搖擺座的頂部，該搖擺座沿A軸於一設定角度範圍內，將該平台擺動至數個不同A軸的角度位置，並在該平台位於各A軸的角度位置時，分別執行一次所述的檢測程序。

較佳的，本發明該搖擺座將該平台擺動至不同A軸的角度位置時，是在該設定角度範圍內以等角度間隔的方式將該平台擺動至不同的A軸的角度位置。

本發明藉由前述的方法步驟，透過簡單地將該感測頭以及兩個以上的感測頭設置於工具機的方式，節省設置的成本，能於單次的檢測路徑抓取多個位移量訊號進行誤差的分析與工具機的精度補正，且在一次的檢測程序就能讓所有的感測元件沿檢測路徑移動受該感測頭感測，因此能大幅減少工具機空間誤差量測的時間，並依據不同的需求設計各種檢測路徑，求出多種類型的誤差項。

10:工具機

11:滑座

12:搖擺座

13:平台

14:主軸

15:控制器

20:感測頭

21:支架

22:感測器組

221:第一雷射頭

222:第二雷射頭

223:第一光點位移感測器

224:第二光點位移感測器

23:量測點

24:訊號處理模組

A:第一感測元件

A1:第一球體

B:第二感測元件

B1:第二球體

圖1是本發明較佳實施例的實施步驟流程圖。

圖2是本發明較佳實施例硬體設置的立體圖。

圖3是本發明較佳實施例的感測頭的立體圖。

圖4是本發明較佳實施例的工具機與感測頭的方塊圖。

圖5是本發明較佳實施例感測第一球體原點的示意圖。

圖6是本發明較佳實施例感測第二球體原點的示意圖。

圖7是本發明較佳實施例由第一球體原點開始檢測路徑的示意圖。

圖8是本發明較佳實施例由第一球體原點開始檢測路徑的旋轉動作示意圖。

圖9是本發明較佳實施例由第二球體原點開始檢測路徑的示意圖。

圖10是本發明較佳實施例由第二球體原點開始檢測路徑的旋轉動作示意圖。

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，本發明提供一種空間精度誤差量測方法，是運用在具有X軸、Y軸、Z軸、A軸以及C軸的五軸的工具機10，該工具機10設有一個可沿X軸、Y軸移動的滑座11，於該滑座11的頂部設有一可沿A軸擺動的搖擺座12，於該搖擺座12的頂部設有一可沿C軸旋轉的平台13，於該平台10的上方設有一主軸14，該主軸可沿Z軸移動，該工具機10設有數值控制該滑座11、該搖擺座12、該平台13以及該主軸14動作的控制器15，該控制器15可執行刀尖點跟隨(RTCP)的指令，使該主軸14設定好原點(該平台13上的刀尖點)的位置後，無論該平台13移動、擺動或轉動，該主軸14都能與該平台13上的原點保持不變的相對距離同動，本發明方法的步驟包括：

(S01)架設感測頭與兩球透鏡：於該工具機10的主軸14安裝一感測頭20，該感測頭20設有一環繞設置的支架21，於該支架21等高處設有一該感 測器組22，該感測器組22是在該支架21對應X軸方向的相反兩側設有一第一雷射頭221與一第一光點位移感測器223，於該支架21對應Y軸方向的相反兩側設有一第二雷射頭222與一第二光點位移感測器224，於第一雷射頭221與第一光點位移感測器223連線與第二雷射頭222與第二光點位移感測器224連線的垂直交錯處形成一量測點23。

於該平台13的頂面內、外兩側分別設有一第一感測元件A以及一第二感測元件B，於該第一感測元件A的頂端設有一第一球體A1，於該第二感測元件B的頂端支撐設有一第二球體B1，在本較佳實施例中該第一球體A1以及該第二球體B1分別是圓形玻璃或可透光材質的球透鏡。

當有圓形的球透鏡以其中心位於該量測點23的方式設置於該感測頭20內時，第一雷射頭221以及第二雷射頭222發出的雷射會直線穿過球透鏡直射至第一光點位移感測器223以及第二光點位移感測器224的中心，當球透鏡的位置有偏移時，這時兩道雷射光不再穿過該球透鏡的中心，使得該第一光點位移感測器223以及該第二光點位移感測器224偵測到雷射光偏移以及偏移量，該感測器組22將雷射光偏移量傳輸至一設於該感測頭20的訊號處理模組24，由該訊號處理模組24計算出球透鏡的中心由量測點23偏移的偏移量訊號，該訊號處理模組24與該工具機10的控制器15電連接，將前述的偏移量訊號傳輸至該控制器15。

(S02)設定球透鏡原點：請參看圖3、圖5以及圖6所示，以該主軸14移動該感測頭20，透過分別將第一球體A1與第二球體B1的中心置於該感測頭20的量測點23的方式，取得第一球體A1與第二球體B1於該工具機20的控制器座標系的原點，設定第一球體A1與第二球體B1在該工具機10的位置，並以兩原點的座標計算第一球體A1中心與第二球體B1中心之間的直線距離。

(S03)運行工具機連續抓取誤差數值：該工具機10的搖擺座12沿A軸於一設定角度範圍內，如本較佳實施例是從負60度的角度開始至正30度的角度結束，以等角度的間隔例如每10度的間隔角度，將該平台13擺動至不同的A軸的角度位置，並在該平台13位於各A軸的角度位置時，分別執行一次檢測程序。

該平台13於每個A軸偏擺的角度位置所執行的檢測程序，如圖3、圖7以及圖8所示，是先以該主軸14將該感測頭20移動至第一球體A1的原點，在該感測頭20抵達第一球體A1的原點時，令該平台13帶動該第一感測元件A沿一檢測路徑，如本較佳實施例該檢測路徑是該平台13沿C軸旋轉360度的角度，於該第一感測元件A旋轉移動的過程中，該工具機10的控制器15開啟刀具點跟隨指令，使該主軸14於該平台13動作時保持不變的相對距離同動，並於同動過程中，以該感測頭20的感測器組22配合該訊號處理模組24，連續地抓取多個第一球體A1的中心偏離該量測點23的位移量訊號。

接著如圖3、圖9以及圖10所示，再以該主軸14將該感測頭20移動至第二球體B1的原點，在該感測頭20抵達第二球體B1的原點時，令該平台13帶動該第二感測元件B沿一檢測路徑，如本較佳實施例該檢測路徑是該平台13沿C軸旋轉360度的角度，於該第二感測元件B旋轉移動的過程中，該工具機10的控制器15開啟刀具點跟隨指令，使該主軸14於該平台13動作時保持不變的相對距離同動，並於同動過程中，以該感測頭20的感測器組22配合該訊號處理模組24，連續地抓取多個第二球體B1的中心偏離該量測點23的位移量訊號。

(S04)空間誤差分析與補正：將該工具機10的平台13於不同的A軸的角度位置，所分別執行的檢測程序所檢測的第一球體A1的原點與第二球體B1的原點於各檢測路徑產生的位移量訊號，輸入該工具機10的控制器15進行該工具機10的空間誤差分析與補正，其中有關旋轉軸的誤差是以位移量訊號(直角座標系)配合兩球體中心之間的直線距離計算得出。

本發明除前述較佳施例，是從負60度的角度開始至正30度的角度結束，以等角度的間隔例如每10度的間隔角度，將該平台13擺動至不同的A軸的角度位置執行所述的檢測程序以外，可以增加該平台13擺動至不同的A軸的角度位置，並且增加每個檢測程序過程中所抓取的位移量訊號的數量；執行檢測程序的該平台13的A軸的角度位置越多，且於各檢測程序抓取的位移量訊號的數量越多，就能夠將該工具機10於控制器座標的精度補正為越精細的程度。本發明於單次的檢測路徑即可抓取多個位移量訊號進行分析與補正，因此在檢測點相當時，能大幅減少檢測的時間；並視檢測路徑的設計，可以求出多種類型的誤差項進行補正，方法所需的構造不複雜，可以節省設置的成本。

該平台13的A軸的角度位置，以及執行各檢測程序時，在其他的較佳實施例中，第一感測元件A以及第二感測元件B移動的檢測路徑隨使用者的需求可以作更動，各檢測程序由各感測元件的原點開始的檢測路徑可以不同，且檢測路徑的設定可以依序需求而為不同軸向的直角座標系、旋轉軸系，或兩者之間的結合。此外，本發明除了在該平台13上設有兩個感測元件以外，也可以在該平台13上設有三個以上的檢測元件，這時該主軸14同樣移動該感測頭20感測各檢測元件的球體的原點，於執行各檢測程序時，則是依次由三個以上的原點開始沿設定的檢測路徑移動，並以該感測頭20進行連續抓取多個球體中心偏移的位移量訊號的動作。

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。

S01至S04:步驟

Claims (6)

1. 一種空間精度誤差量測方法，其方法的步驟包括：於一工具機的主軸安裝一感測頭，該感測頭設有一感測器組，於該感測器組內側的空間形成一量測點，該感測器組用於量測其中心置於該量測點的球體由該量測點偏移的位移量，於該工具機的平台設置兩個以上的感測元件，各感測元件包括一結合於該平台的底座，於各底座支撐一球體；以該主軸移動該感測頭，透過分別將各球體中心置於該感測頭的量測點的方式，取得各球體於該工具機的原點，當取得各球體於該工具機的原點後，以兩原點的位置計算得出兩球體中心之間的直線距離，並設定各球體於該工具機的位置；以及執行一檢測程序，是以該主軸將該感測頭逐次移動至各原點，在該感測頭每次抵達各原點時，令該平台帶動各感測元件沿一檢測路徑移動，於各次移動的過程中該工具機的控制器開啟刀具點跟隨指令，使該主軸於該平台動作時保持不變的相對距離同動，並以該感測頭的該感測器組於各次的同動過程中連續地抓取多個各球體的中心偏離該量測點的位移量訊號，藉此位移量訊號配合兩球體中心之間的直線距離進行該工具機於各原點的空間誤差分析與補正。
2. 如請求項1所述之空間精度誤差量測方法，其中該感測頭包括一訊號處理模組，該訊號處理模組接收該感測模組感測的數值計算所述的多個各球體的中心偏離該量測點的位移量訊號並傳輸至該控制器，對該工具機進行各原點誤差量的補正。
3. 如請求項1或2所述之空間精度誤差量測方法，其中該感測頭設有一環繞設置的支架，該感測器組於該支架對應X軸方向的相反兩側設有一第一雷射頭與一第一光點位移感測器，於該支架對應Y軸方向的相反兩側設有一第二雷射頭與一第二光點位移感測器，該量測點位於第一雷射頭與第一光點位移感 測器連線與第二雷射頭與第二光點位移感測器連線的垂直交錯處；所述各球體是圓形的球透鏡。
4. 如請求項3所述之空間精度誤差量測方法，其中該工具機是包含X軸、Y軸、Z軸、A軸以及C軸的五軸加工機，該平台是能以C軸為中心旋轉的旋轉平台，於該平台的相反兩側設有兩個所述的感測元件，利用兩球體中心之間的直線距離計算旋轉軸誤差的補正，各檢測路徑都是沿C軸旋轉360度的角度。
5. 如請求項4所述之空間精度誤差量測方法，其中該平台是可旋轉地結合於一搖擺座的頂部，該搖擺座沿A軸於一設定角度範圍內，將該平台擺動至數個不同A軸的角度位置，並在該平台位於各A軸的角度位置時，分別執行一次所述的檢測程序。
6. 如請求項5所述之空間精度誤差量測方法，其中該搖擺座將該平台擺動至不同A軸的角度位置時，是在該設定角度範圍內以等角度間隔的方式將該平台擺動至不同的A軸的角度位置。

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