TWI813438B

TWI813438B - 金屬加工件之檢測方法

Info

Publication number: TWI813438B
Application number: TW111133795A
Authority: TW
Inventors: 王岡凌
Original assignee: 卡德爾股份有限公司
Priority date: 2022-09-07
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2023-08-21

Abstract

本發明揭露一種金屬加工件之檢測方法，該方法利用帶電偏折探針觸碰金屬加工件的待測表面上之位置，以克服習知檢測工具難以測量金屬加工件上某些隱蔽結構之困擾。

Description

金屬加工件之檢測方法

本發明關於一種金屬加工件之檢測方法，特別是針對一種具有隱蔽凹槽或溝槽的金屬加工件之檢測方法。

金屬加工件可作為零件而應用於各式各樣的產品中，像是包含許多金屬零件的手機產品、交通工具及機械製造設備等。一般金屬加工件是由機械加工成型。許多因素會導致完成的金屬加工件存在誤差。例如，來自機械加工中震動所導致的低頻和高頻加工因素，切削加工具本身的磨損因素，或是不同電腦輔助設計軟體和電腦輔助製造軟體之間檔案轉換所產生的問題而影響加工路徑。這些加工缺陷一般難以用肉眼觀察，必須等加工完成後才得以對成品進一步檢測。高精確度的檢測技術有光學檢測，例如利用光學的反射或干涉特性來測量金屬加工件的表面平坦度以及成品結構的各項尺寸。

然而，光學檢測仍有許多限制，無法檢測一些具有複雜結構的加工件。如由金屬件加工而成的卡鉗，其內側為了容置活塞和來令片等零件，而具有多個凹槽及溝槽，某些凹槽和溝槽較為隱蔽而無法為機械工具和光學感測器進行探測。

因此，需要一種更為簡便的檢測技術，以滿足這類金屬加工件的檢測。

本發明目的在於提供一種金屬加工件之檢測方法，該金屬加工件具有由一側壁及一底面所界定的一凹槽，該方法包含：提供帶電的一偏折探針，且該偏折探針由一機械手臂掌握，使該偏折探針可沿著一中心軸轉動、傾斜偏轉、縱向移動及水平移動；令該偏折探針伸入該凹槽，並沿著該中心軸轉動，使該偏折探針的末端以一第一方向指向該側壁；令指向該第一方向的偏折探針水平移動直到末端觸碰該側壁的一第一位置而停止，並因應在該第一位置的停止產生一第一偵測訊號；令該偏折探針伸入該凹槽，並沿著該中心軸轉動，使該偏折探針的末端以一第二方向指向該側壁；令指向該第二方向的偏折探針水平移動直到末端觸碰該側壁的一第二位置而停止，並因應在該第一位置的停止產生一第二偵測訊號；及至少基於該第一偵測訊號及該第二偵測訊號決定該側壁的一直徑。

在一具體實施例中，檢測方法更包含：令該偏折探針伸入該凹槽，並沿著該中心軸轉動，使該偏折探針的末端以一第三方向指向該側壁；令指向該第三方向的偏折探針水平移動直到末端觸碰該側壁的一第三位置而停止，並因應在該第三位置的停止產生一第三偵測訊號；及至少基於該第一偵測訊號、該第二偵測訊號及該第三偵測訊號，決定該側壁的一真圓度。

在一具體實施例中，該金屬加工件還具有一溝槽，該溝槽由一朝下表面、一朝上表面及一側壁所界定，且該朝下表面和該朝上表面與界定該凹槽的側壁銜接，使該溝槽環繞該凹槽。該方法更包含：令該偏折探針伸的末端入該溝槽，使該偏折探針的末端先後觸碰該溝槽的朝下表面、朝下表面及側壁，以決定該溝槽的一寬度及一深度。

在一具體實施例中，該金屬加工件還具有一溝槽，該溝槽由一對相對內壁及一朝上表面所界定，且該對相對內壁與該金屬加工件的一朝上表面銜接。該方法更包含：令該偏折探針的末端伸入該溝槽，使該偏折探針的末端先後觸碰該溝槽的相對內壁及底面，以決定該溝槽的一寬度及一深度。

在一具體實施例中，該金屬加工件還具有一溝槽，該溝槽由一對傾斜面及一底面所界定，該對傾斜面與該金屬加工件的一朝上表面銜接。該方法更包含：令該偏折探針的末端伸入該溝槽，並以該偏折探針的一偏折段大致上與該對傾斜面的其中一傾斜面平行之方位令該偏折探針的末端觸碰該傾斜面。

在一具體實施例中，該偏折探針是包含於一偵測頭中，該偵測頭包含一探針座及由該探針座固持的該偏折探針，該探針座由該機械手臂掌握，藉此控制該偏折探針的運動。

在一具體實施例中，該偏折探針是由一偏折裝置使用一偏折方法所形成。該偏折方法包含：提供一探針座及由該探針座固持一未偏折探針；提供一治具，該治具具有一本體用於部分收容該探針座和該未偏折探針，該治具還具有一樞轉部，可樞轉地連接至該本體並收容該未偏折探針的一部分；令該治具收容該探針座及該未偏折探針；及令該樞轉部相對該本體部樞轉一角度範圍，迫使收容於該樞轉部的探針與收容於該本體部的探針產生偏折，形成該偏折探針。

在一具體實施例中，該探針座包含一錐形部及一凸緣部，該錐形部的收斂端連接該探針，該凸緣部配置於該錐形部的發散端，且該凸緣部配置成經由一連接手段與該偏折裝置的本體固定連接。

在一具體實施例中，該偏折裝置的本體及樞轉部界定可容置該探針之一通道。

10:輸入單元

11:控制單元

12:檢測單元

13:輸出單元

14:治具

20:探針座

21:非偏折段

22:偏折段

23:指向方向

30:金屬加工件

31:側壁

32:底面

33:凹槽

50:金屬加工件

51:表面

52:環形側壁

53:底面

54:凹槽

5A、5B、5C、5D:位置

60:金屬加工件

61:側壁

62:底面

63:凹槽

64:溝槽

65:側壁

66:朝下表面

67:朝上表面

70:金屬加工件

71:側壁

72:底面

73:凹槽

74:朝上表面

75:溝槽

76:內壁

77:底面

80:金屬加工件

81:側壁

82:底面

83:凹槽

84:溝槽

85:傾斜面

86:底面

100:偏折裝置

101:本體

102:樞轉部

103:探針座

104:錐形部

105:凸緣

106:引導部

107:凹槽

108:通道

R:機械手臂

P:偏折探針

M:金屬加工件

L:長度

θ:夾角

C:中心軸

D:深度

W:寬度

參照下列圖式與說明，可更進一步理解本發明。非限制性與非窮舉性實例系參照下列圖式而描述。在圖式中的構件並非必須為實際尺寸；重點在於說明結構及原理。

第一圖示意本發明之檢測系統。

第二圖示意本發明之偏折探針。

第三A圖及第三B圖分別示意本發明偏折探針之垂直移動及水平移動

第四圖示意本發明偏折探針之轉動。

第五圖例示一金屬加工件及本發明偏折探針可觸碰的位置。

第六圖例示以本發明偏折探針伸入一金屬加工件的溝槽。

第七圖例示以本發明偏折探針伸入一金屬加工件的溝槽。

第八圖例示以本發明偏折探針伸入一金屬加工件的溝槽。

第九圖例示本發明檢測系統執行之檢測流程。

第十A圖及第十B圖為利用一偏折裝置形成一偏折探針的偏折方法。

底下將參考圖式更完整說明本發明，並且藉由例示顯示特定範例具體實施例。不過，本主張主題可具體實施於許多不同形式，因此所涵蓋或申請主張主題的建構並不受限於本說明書所揭示的任何範例具體實施例；範例具體實施例僅為例示。同樣，本發明在於提供合理寬闊的範疇給所申請或涵蓋之主張主題。

本說明書內使用的詞彙「在一實施例」並不必要參照相同具體實施例，且本說明書內使用的「在其他(一些/某些)實施例」並不必要參照不同的具體實施例。其目的在於例如主張的主題包括全部或部分範例具體實施例的組合。

第一圖顯示本發明之檢測系統。輸入單元(10)配置成提供操作人員輸入一待測金屬加工件(M)之相關檢測資料，如金屬加工件的原始設計參數、機械手臂的動作及機械手臂執行之程式等。控制單元(11)配置成可根據輸入單元(10)所定義的規則控制一機械手臂(R)的動作及順序。檢測單元(12)配置成接收機械手臂(R)固持的一偏折探針(P)所回傳的電氣訊號並可將電氣訊號轉換成對應的數值(如座標值)或產生對應的指令給控制單元(11)。輸出單元(13)配置成統計檢測單元(12)獲得之數值並計算出該金屬加工件(M)的相關尺寸或公差。

機械手臂(R)配置成具有多維度的運動能力，使本發明偏折探針(P)可以觸及金屬加工件(M)上的隱蔽結構面。偏折探針(P)可上游連接至一電流電源或一電壓電源，使偏折探針(P)是以帶電的狀態進行檢測。例如，檢測單元(12)可與偏折探針(P)電性耦接，以提供一電壓訊號或一電流訊號給偏折探針。當偏折探針(P)觸碰金屬加工件(M)的一表面時，電氣訊號從偏折探針(P)傳導至金屬加工件，而檢測單元(12)因應該觸碰事件識別傳遞至偏折探針(P)之電氣訊號改變，相當於檢測單元(12)自該偏折探針(P)接收一偵測訊號。更具體而言，控制單元(11)，如可程式化邏輯控制器(PLC)，具有一輸入/輸出埠(I/O port)，偏折探針(P)電連接至輸入/輸出埠的正極端，待測金屬加工件(M)電連接至輸入/輸出埠的負極端。當偏折探針(P)末端接觸金屬加工件(M)時形成一封閉迴路，而因應該封閉迴路的形成，機械手臂(R)及/或偏折探針(P)的座標被記錄，作為後續計算數值。在某些可能的實施例中，視金屬加工件的類型而定，提供高電壓(如48V)予正負極，使探針末端於接近金屬加工件前，但未實質接觸時，產生電弧而提前形成封閉迴路。應瞭解，使用所述高電壓進行檢測必須搭配其他電路手段，不可直接連接控制單元(11)的所述輸入/輸出埠。檢測單元(12)還配置成因應該觸碰事件令控制單元(11)立即停止機械手臂(R)的運動。較佳地，識別觸碰事件與下令停止機械手臂運動之間的時間差距應盡量縮短，以避免偏折探針(P)擠壓金屬加工件之表面而變形。機械手臂(R)運動速度應適當控制，尤其是控制單元(11)估計偏折探針(P)即將觸碰金屬加工件(M)之前應令機械手臂(R)減速。

金屬加工件(M)可由一治具(14)固持，以利偏折探針(P)容易伸入金屬加工件(M)的隱蔽凹槽和溝槽中，而不會和其他非檢測部分相互干涉。舉例而言，金屬加工件(M)可經由適當擺放，使凹槽和溝槽暴露於頂部，而機械手臂(R)將偏折探針(P)的指向方向以基本上朝下的方式和金屬加工件(M)的頂部互動，此安排也有利於操作人員從旁監看檢測過程。

第二圖示意本發明之偏折探針(P)，其和一探針座(20)固定連接構成一偵測頭。前述機械手臂(R)固持探針座(20)以控制偏折探針(P)之運動。偏折探針(P)包含一非偏折段(21)和一偏折段(22)，其中非偏折段(21)自探針座(20)延伸並定義該偏折探針(P)具有一中心軸(C)。在一具體配置中，中心軸(C)與所述機械手臂前端的一轉動機構的轉軸為同軸。偏折段(22)與非偏折段(21)為一體成型。偏折段(22)與非偏折段(21)的中心軸(C)之間具有一夾角(θ)。偏折段(22)具有一長度(L)。偏折段(22)具有與長度(L)平行之一指向方向(23)，其代表該偏折探針(P)的指向。偏折段(22)具有一自由端，其為偏折探針(P)之末端(24)，用於觸碰金屬加工件待測表面之點位。

偏折段(22)的長度(L)和偏折幅度(即夾角θ)可視金屬加工件的結構而設計。在某些可能的實施例中，所述偏折探針可包含一個以上的偏折段。可替代地，所述偏折探針可為蜿蜒結構之探針，即可用曲率定義的結構，而非由所述夾角(θ)定義。

第三A圖及第三B圖分別示意本發明偏折探針之垂直移動及水平移動。應瞭解，所述垂直移動和水平移動不改變偏折探針的指向。圖中示意一金屬加工件(30)，其具有由一側壁(31)和一底面(32)界定的一凹槽(33)，例如側壁(31)為一環形側壁，凹槽則為圓柱形空間，像是一卡鉗內側的活塞容置空間。通常當圓柱形凹槽的徑向尺寸小至某種程度時，便不利於機械測量工具伸入，也不利於偵測光源入射和回收。本發明藉由控制偏折探針(P)的指向而可進出這種較微小的凹槽。如第三A圖，當偏折探針指向底面(32)，垂直移動偏折探針可使末端觸碰底面(32)的一位置。如第三B圖，當偏折探針指向一側壁(31)，水平移動偏折探針可使末端觸碰該側壁(31)的一位置。此外，再以第三B圖為例，在不改變偏折探針指向之情況下，垂直移動偏折探針亦可使末端觸碰底面(32)的一位置。

第四圖示意本發明偏折探針之轉動。機械手臂可以偏折探針的中心軸(C)，如第二圖所示，為轉動軸心進行順時針或逆時針之轉動，使偏折探針的指向改變。例如，當偏折探針以中心軸轉動，其指向可從朝向一側壁(31)的一位置變成朝向另一側壁(31)的另一位置。再以第三B圖為例，當偏折探針以中心軸轉動，其指向可從朝一側壁(31)的一位置變成朝向底面(32)的另一位置，而且所述轉動可在凹槽(33)中執行，不會讓偏折探針觸碰到金屬加工件。

此外，本發明偏折探針可藉由機械手臂的運動而進行傾斜偏轉，因而改變偏折探針的指向。與第四圖所示轉動為固定偏折探針的中心軸(C)不同，所述傾斜偏轉改變偏折探針的中心軸(C)方向，藉此連同改變偏折探針的指向。簡言之，第四圖所示轉動是沿著一水平面的運動，而傾斜偏轉是沿著一縱向平面的運動。因此，機械手臂的動作可至少由所述水平移動、垂直移動、轉動及/或傾斜偏轉組合而成，決定出偏折探針的指向及偏折探針觸碰金屬加工件表面的位置。

第五圖示意一金屬加工件(50)的剖面結構，其包含一表面(51)、一環形側壁(52)及一底面(53)。環形側壁(52)延伸於表面(51)和底面(53)之間，以界定出具有圓柱形空間的凹槽(54)。

預測量該凹槽(54)的尺寸數值，可利用本發明之檢測策略。舉例而言，首先，令偏折探針的末端以特定指向伸入凹槽(54)。接著，來回水平移動偏折探針，使探針末端先後觸碰環形側壁(52)的第一位置(5A)和第二位置(5B)。基本上，第一位置(5A)和第二位置(5B)是系統根據金屬加工件(50)之原始設計參數所認為的直徑端點位置。偏折探針因應在第一位置(5A)的觸碰產生一第一偵測訊號，以及因應在第二位置(5B)的觸碰產生一第二偵測訊號。系統的檢測單元根據偏折探針回傳的第一偵測訊號和第二偵測訊號關聯出凹槽(54)的一直徑數值。

具體而言，系統的控制單元因應偏折探針在第一位置(5A)或第二位置(5B)的觸碰而停止機械手臂的水平移動，並進一步因應水平移動的停止而執行另一反向之水平移動，使偏折探針的末端朝下一個目標檢測表面前進。

此外，可以其他方向來回水平移動偏折探針，使探針末端先後觸碰環形側壁(52)的第三位置(5C)和第四位置(5D)，其對於系統而言是根據金屬加工件(50)之原始設計參數所認為的直徑端點位置，其不同於第一位置(5A)和第二位置(5B)，再根據偏折探針回傳的第三偵測訊號和第四偵測訊號關聯出凹槽(54)的另一直徑數據。再者，可以多個水平方向移動偏折探針，使探針末端觸碰環形側壁(52)的多個位置以關聯出其他尺寸數值。例如，探針末端可先後觸碰上述位置(5A、5B、5C、5D)之其中三個，以檢測環形側壁(52)的真圓度。

第六圖示意一金屬加工件(60)的剖面結構，其如同第五圖具有由一側壁(61)和一底面(62)界定的一凹槽(63)，並進一步在側壁(61)形成一溝槽(64)。溝槽(64)是由一側壁(65)、一朝下表面(66)和一朝上表面(67)界定而成，其中朝下表面(66)和朝上表面(67)分別與側壁(61) 銜接。溝槽(64)具有一深度(D)和一寬度(W)。這種在空間中進一步延伸的空間相對較為隱蔽，難以用已知的機械工具和光學設備進行測量。

本發明偏折探針可經由適當傾斜偏轉控制指向，使偏折段的末端能夠伸入溝槽(64)中，且除了探針末端以外的其他部分不與其他加工件的表面產生結構干涉。當偏折探針的末端指向側壁(65)，水平移動偏折探針可使探針末端觸碰側壁(65)的一位置。當偏折探針的末端指向呈非水平時，垂直移動偏折探針可使探針末端觸碰朝下表面(66)或朝上表面(67)的一位置。如第六圖中偏折探針之指向呈現非水平，垂直移動該偏折探針可使探針末端觸碰朝下表面(66)。系種之檢測單元可根據偏折探針分別在側壁(65)、朝下表面(66)及朝上表面(67)因應觸碰所回傳的多個偵測訊號，關聯出該溝槽(64)的深度(D)及寬度(W)等數值。

第七圖示意一金屬加工件(70)的剖面結構，其如同第五圖具有由一側壁(71)和一底面(72)界定的一凹槽(73)，並進一步在一朝上表面(74)形成一溝槽(75)。溝槽(75)是由一對以間隙隔開的相對內壁(76)及一底面(77)界定而成，其中相對內壁(76)分別與朝上表面(74)銜接。溝槽(75)具有一深度(D)和一寬度(W)。這種圍繞著凹槽(73)的溝槽(75)，其尺寸相對較為狹小，難以用已知的機械工具和光學設備進行測量。

本發明偏折探針可經由適當傾斜偏轉控制指向，使偏折段的末端能夠伸入溝槽(75)中。水平移動及轉動的組合可使探針的末端觸碰相對內壁(76)以關聯出溝槽(75)的寬度(W)。水平移動及垂直移動的組合可使探針的末端觸碰朝上表面(74)及底面(77)以關聯出溝槽(75)的深度(D)。此外，可採用三點觸碰的策略分別檢測該相對內壁(76)之其中一者的真圓度。

第八圖示意一金屬加工件(80)的剖面結構，其如同第五圖具有由一側壁(81)和一底面(82)界定的一凹槽(83)，並進一步在底面(82)形成一溝槽(84)。溝槽(84)是形成於底面(82)的環形溝槽，其至少由一對相對的傾斜面(85)和一底面(86)界定而成，且該相對的傾斜面(85)相互平行。這種溝槽(84)，其尺寸相對較為狹小且歪斜，難以用已知的機械工具和光學設備進行測量。

本發明偏折探針可經由適當傾斜偏轉控制指向，使偏折段的末端能夠伸入溝槽(84)中。水平移動及轉動的組合可使探針的末端觸碰相對傾斜面(85)以關聯出溝槽(84)的寬度(W)。水平移動及垂直移動的組合可使探針的末端觸碰底面(82)及傾斜表面(85)上的多個位置，以關聯出個傾斜面(85)與底面(82)所界定的夾角(θ)，並再進一步關聯出該相對傾斜面(85)的平行程度。

第九圖例示本發明檢測系統執行之檢測流程。

新增工件輸入：建立待測金屬加工件的檔案。

工件庫：儲存多個輸入的金屬加工件檔案。

原始設計參數：每個金屬加工件的數學模型定義參數，如由電腦輔助設計軟體或由電腦輔助製造軟體所定義的參數。

機械手臂檢測順序動作：由操作人員決定機械手臂的動作組合及順序，即偏折探針預計先後觸碰的第一位置至最後一位置，以及機械手臂的運動計畫。

機械手臂自動編程：根據金屬加工件的原始設計參數，將機械手臂的動作程式化。

控制單元：依據機械手臂的編程輸出控制指令給機械手臂，如已知的可程式化邏輯控制器(PLC)。

工件上載台/治具關閉後寬度：將金屬加工件以治具固定，使待測結構位於機械手臂的偏折探針的可觸及範圍。將治具的相關參數輸出作為控制單元的指令依據。

人機顯示/選擇工件：供操作人員與系統互動並選擇待測之金屬加工件。例如，可以圖形化使用者介面呈現各項檢測數據。

合格/不合格：機械手臂控制偏折探針觸碰金屬加工件的各預定位置，偏折探針因應各觸碰回傳相對應的偵測訊號至系統的檢測單元來判斷位置或尺寸公差。可根據預定的容忍範圍決定尺寸公差是否合格。若合格，偏折探針移動至下一個測量位置(如果有)。若不合格，系統可經由人機顯示發出警示，並由操作人員判斷警示的原因，以進行適當人工排除，或忽略警示，繼續朝下一個位置進行測量。

全點位測量結束：因應偏折探針觸碰所有預計的測量位置，控制單元令機械手臂停止或回歸至初始位置。

顯示原始數值與測量數值比對：系統將金屬加工件的原始設計參數(尺寸)和測量的所有數值進行比對，透過人機顯示即時向操作人員呈現比對結果。

第十A圖及第十B圖為利用一偏折裝置(100)形成一偏折探針(P)的偏折方法。偏折裝置(100)包含一本體(101)和一樞轉部(102)。在本圖實施例中，探針(P)是固定連接至一探針座(103)。探針座(103)基本上具有一錐形部(104)，探針(P)固定連接於錐形部(104)的收斂端。錐形部(104) 的發散端提供有一凸緣(105)。本體(101)的一側連接有一引導部(106)，而樞轉部(102)則樞接至該引導部(106)。本體(101)的該一側還形成有一凹槽(107)，其界定的空間可匹配探針座(103)的結構。本體(101)和樞轉部(102)還共同界定有一通道(108)，其與凹槽(107)連通，並一路延伸至樞轉部(102)。

將未偏折探針(P)固定連接至探針座(103)上，如第十A圖。先將未偏折探針(P)部分伸入通道(108)前段，藉著讓探針座(103)塞入凹槽(107)中，使凸緣(105)抵持在本體(101)的底部。可採用已知的固定手段，如螺絲，將凸緣(105)固定至本體(101)的底部，使探針座(103)穩度地與本體(101)結合。此時，未偏折探針(P)收容於通道(108)中。

將樞轉部(102)相對本體(101)進行偏轉，使原本筆直的通道(108)產生彎折，並迫使探針(P)一併受到樞轉部(102)產生彎折，如第十B圖。完成彎折後，在以適當方式將探針(P)連同探針座(103)自本體(101)移除，而不使探針(P)變形。

綜上所述，本發明實施例利用偏折探針的細微特性和指向性加上機械手臂的精確控制，可針對金屬加工件的一些細微和隱蔽結構進行檢測。應瞭解，本發明不限於實施例所示金屬加工件的種類及檢測策略。