TWI814648B - 工具機之主軸熱變位量測裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種工具機之主軸熱變位量測裝置，其裝設於一工具機之主軸，主軸熱變位量測裝置包含：一本體，其具有一拉桿、一感測模組以及一處理模組，拉桿一端連接工具機之一打刀機構，另一端與感測模組連接，感測模組及處理模組設於本體內且相互耦接，感測模組取得主軸之一位移訊號以及一溫度訊號，處理模組取得位移訊號以及溫度訊號，並對位移訊號以及溫度訊號進行訊號處理而取得一熱變位量；藉此，更便於攜帶且不易受環境影響而降低熱誤差補償效果。
Description
本發明係關於一種熱膨脹量測相關技術，尤指一種工具機之主軸熱變位量測裝置。
工具機相關產業為追求工具機的高產能與產量，在不影響產品品質的前提下，會提高工具機運作效率以在一定的稼動時間內生產更多的工件。然而，工具機在高速運轉的過程中產生的熱能，工具機機構間的熱轉移、熱擴散與熱分部，以及環境溫度等多種熱源影響因素而產生的熱誤差(Thermal Error)，會導致工具機之金屬鑄件因熱而膨脹變形，以及導致刀具與工件的相對位置發生偏移。
工具機之金屬鑄件因熱膨脹所產生的誤差佔總加工誤差60%以上，目前各大研究單位或廠商主要以ISO國際標準化組織提出的機床測試規範，進行主軸熱變形的數據擷取與數學模型建立。根據ISO 230-3熱效應的測定所定義之量測旋轉主軸引起的熱變形試驗的適用流程與量測設備，量測設備用以擷取數據並建立熱誤差補償模型。
然而，所述量測設備包含分別裝設在工具機不同位置的環境溫度感測器、主軸軸承溫度感測器、測試棒、線性位移感測器以及夾治具，量測設備所含元件複雜且種類繁多，設備成本高昂且不易攜帶，也容易受到工況或是環境溫度影響，而導致熱誤差補償模型的補償效果不如預期。
本發明主要目的在於，提供一種便於攜帶且不易受環境影響而降低熱誤差補償效果的主軸熱變位量測裝置。
為達上述目的，本發明之一項實施例提供一種工具機之主軸熱變位量測裝置，其裝設於一工具機之主軸，主軸熱變位量測裝置包含：一本體，其具有一拉桿、一感測模組以及一處理模組，拉桿一端連接工具機之一打刀機構，另一端與感測模組連接，感測模組及處理模組設於本體內且相互耦接，感測模組取得主軸之一位移訊號以及一溫度訊號，處理模組取得位移訊號以及溫度訊號，並對位移訊號以及溫度訊號進行訊號處理而取得一熱變位量。
藉此，本發明透過由刀桿改良而成且一體成形之主軸熱變位量測裝置，能夠以感測模組即時採集主軸之位移數據以及主要熱源的溫升數據，並透過處理模組進行訊號的放大以及類比數位轉換而換算取得熱變位量，除了裝置簡單而成本較低且易於攜帶之外，也能夠避免量測元件複雜而易受到環境影響而降低補償效果的問題，而提升補償模型可靠度。
為便於說明本發明於上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際元件的比例予以繪製，合先敘明。
請參閱圖1至圖6所示，本發明提供一種工具機之主軸熱變位量測裝置，其裝設於一工具機1之主軸2，主軸熱變位量測裝置包含一本體100，本體100具有一拉桿、一感測模組30、一處理模組40、一外殼50、一定位套60、一上蓋70、一驗證模組80以及一供電模組90。
拉桿一端連接工具機1之一打刀機構，另一端與感測模組30連接，感測模組30、處理模組40、定位套60以及供電模組90設於外殼50內，感測模組30、處理模組40以及供電模組90相互耦接，上蓋70組設於外殼50之頂部，驗證模組80設於外殼50之底部。
拉桿包括一拉桿件10以及一外套20，外套20套設於拉桿件10，拉桿件10一端連接工具機1之打刀機構(如圖1所示)，拉桿件10另一端伸入外殼50內而與感測模組30連接(如圖3所示)；於本實施例中，拉桿件10為BT30-45度加長刀桿；於本實施例中，外套20為BT30刀把，其主要原型為BT30-NR06-90L高速刀桿，改良處主要包含新增用於安裝感測模組30進行溫升的感測之錐面鑽孔、進行長度修正、新增用於固定上蓋70之定位孔，以及用於配合拉桿件10穿伸之中心通孔。
感測模組30概呈十字型(如圖4所示)，感測模組30鄰近主軸2之主要熱源(前軸承)，感測模組30具有由四壓阻式感測元件所構成之一惠斯頓電橋電路31，以及一溫度感測器(圖中未示)，藉由惠斯頓電橋電路31能夠取得主軸2之一位移訊號，藉由溫度感測器能夠取得主軸2之一溫度訊號；於本實施例中，惠斯頓電橋電路31為全橋安裝。
藉由感測模組30與拉桿件10之連接，惠斯頓電橋電路31透過拉桿件10傳遞之主軸2機構拉力而取得一電壓差訊號，以進一步將所述電壓差訊號轉換為其所對應的位移訊號。
進一步說明，當感測模組30未受力時，惠斯頓電橋因電橋平衡電壓差訊號之輸出為0，當感測模組30受力時，惠斯頓電橋因電橋不平衡會產生微弱的電壓差訊號，感測模組30能夠將所取得之電壓差訊號轉換為其所對應的位移訊號，利用此原理進行主軸2旋轉動態量測其熱伸長。
處理模組40整合有一低壓差線性穩壓器41、一類比數位轉換單元42以及一微控制器43，處理模組40自感測模組30取得位移訊號以及溫度訊號，並能夠對所述位移訊號以及所述溫度訊號進行訊號處理而取得一熱變位量；於本實施例中，處理模組40之電路板輪廓設計與元件佈局對稱，具有易安裝易拆卸維修之特點。
進一步說明，如圖5所示，處理模組40自感測模組30取得位移訊號以及溫度訊號後，首先，透過低壓差線性穩壓器41將位移訊號以及溫度訊號進行訊號放大。
接著，藉由類比數位轉換單元42進行類比數位轉換；於本實施例中，類比數位轉換單元42分為一位移訊號類比數位轉換單元42a以及一溫度訊號類比數位轉換單元42b，以分別進行位移訊號以及溫度訊號之訊號處理。
最後，微控制器43能夠對訊號處理完成之位移訊號以及溫度訊號進行運算而取得熱變位量，微控制器43進一步透過無線傳輸將熱變位量傳送至一終端裝置3，以進行一熱誤差模型之建立與補償；於本實施例中，微控制器43整合有Wi-Fi、雙核心以及520KB SRAM記憶體。
外殼50呈圓筒狀，外殼50具有一容置空間51以及一開口52，開口52連通容置空間51，感測模組30、處理模組40、定位套60以及供電模組90設於容置空間51內。
如圖3、圖6所示，定位套60呈圓筒狀，定位套60之外徑小於外殼50之外徑，定位套60設於外殼50之容置空間51內，以將容置空間51分為一第一容室511以及一第二容室512，其中，第一容室511鄰近拉桿件10，感測模組30設於第一容室511，拉桿件10一端伸入第一容室511與感測模組30結合，處理模組40透過螺絲而組設於第二容室512。
上蓋70設於外套20以及外殼50之間，上蓋70透過螺絲與感測模組30、外殼50以及定位套60結合(如圖3所示)，上蓋70用以封閉開口52。
驗證模組80設於外殼50之底部，驗證模組80之一端伸入第二容室512，並穿過處理模組40而與定位套60結合；於本實施例中，驗證模組80可配合非接觸式電感式位移計同時進行熱溫升量測驗證實驗，以將檢測數據傳輸至終端裝置3進行多重比對與二次驗證。
供電模組90設於第一容室511內，供電模組90用以提供感測模組30以及處理模組40之工作電力。
藉此，本發明透過由刀桿改良而成且一體成形之主軸熱變位量測裝置，能夠以感測模組30即時採集主軸2之位移訊號以及主軸2主要熱源的溫度訊號，並透過處理模組40進行訊號的放大以及類比數位轉換而取得熱變位量，除了本體100裝置簡單而成本較低且易於攜帶之外，也能夠避免量測元件複雜而易受到環境影響而降低補償效果的問題，進而提升補償模型可靠度。
以上所舉實施例僅用以說明本發明而已，非用以限制本發明之範圍。舉凡不違本發明精神所從事的種種修改或變化，俱屬本發明意欲保護之範疇。
1:工具機
2:主軸
3:終端裝置
100:本體
10:拉桿件
20:外套
30:感測模組
31:惠斯頓電橋電路
40:處理模組
41:低壓差線性穩壓器
42:類比數位轉換單元
42a:位移訊號類比數位轉換單元
42b:溫度訊號類比數位轉換單元
43:微控制器
50:外殼
51:容置空間
511:第一容室
512:第二容室
52:開口
60:定位套
70:上蓋
80:驗證模組
90:供電模組
圖1係本發明實施例假設於工具機之示意圖。
圖2係本發明實施例之本體外觀示意圖。
圖3係沿圖2之3-3剖面線所取之剖面示意圖(一)。
圖4係本發明實施例之感測模組外觀示意圖。
圖5係本發明實施例感測模組、處理模組與終端裝置之方塊連結示意圖。
圖6係沿圖2之6-6剖面線所取之剖面示意圖(二)。
100:本體
10:拉桿件
20:外套
50:外殼
70:上蓋
80:驗證模組
Claims (9)
- 一種工具機之主軸熱變位量測裝置，其裝設於一工具機之主軸，該主軸熱變位量測裝置包含：一本體，其具有一拉桿、一感測模組以及一處理模組，該拉桿一端連接該工具機之一打刀機構，另一端與該感測模組連接，該感測模組及該處理模組設於該本體內且相互耦接，該感測模組取得該主軸之一位移訊號以及一溫度訊號，該處理模組取得該位移訊號以及該溫度訊號，並對該位移訊號以及該溫度訊號進行訊號處理而取得一熱變位量；及該處理模組具有一低壓差線性穩壓器、一類比數位轉換單元以及一微控制器，該低壓差線性穩壓器能夠將該位移訊號以及該溫度訊號進行放大，並藉由該類比數位轉換單元進行類比數位轉換，該微控制器能夠對訊號處理完成之該位移訊號以及該溫度訊號進行運算而取得該熱變位量，該微控制器進一步透過無線傳輸將該熱變位量傳送至一終端裝置，以進行一熱誤差模型之建立與補償。
- 如請求項1所述之工具機之主軸熱變位量測裝置，其中，該感測模組具有由四壓阻式感測元件所構成之一惠斯頓電橋電路，以及一溫度感測器，該惠斯頓電橋電路透過該拉桿傳遞之主軸機構拉力而取得一電壓差訊號，以進一步將該電壓差訊號轉換為其所對應的所述位移訊號。
- 如請求項1所述之工具機之主軸熱變位量測裝置，其中，該本體更具有一外殼，該外殼呈圓筒狀，該外殼具有一容置空間，該感測模組以及該處理模組設於該容置空間內。
- 如請求項3所述之工具機之主軸熱變位量測裝置，其中，該拉桿具有一拉桿件以及一外套，該拉桿件一端連接該打刀機構，另一端連接該感測 模組，該外套套設於該拉桿件。
- 如請求項4所述之工具機之主軸熱變位量測裝置，其中，該本體更具有一上蓋，該上蓋設於該外套以及該外殼之間，該外殼具有一開口，該開口連通該容置空間，該上蓋用以封閉該開口。
- 如請求項4所述之工具機之主軸熱變位量測裝置，其中，該本體更具有一定位套，該定位套設於該容置空間內，以將該容置空間分為一第一容室以及一第二容室，該感測模組設於該第一容室，該處理模組設於該第二容室。
- 如請求項6所述之工具機之主軸熱變位量測裝置，其中，該第一容室鄰近該拉桿件。
- 如請求項6所述之工具機之主軸熱變位量測裝置，該本體更具有一驗證模組，該驗證模組設於該外殼之底部，該驗證模組之一端伸入該外殼且穿過該處理模組而與該定位套結合。
- 如請求項6所述之工具機之主軸熱變位量測裝置，其中，該本體更具有一供電模組，該供電模組設於該第一容室內，該供電模組與該感測模組以及該處理模組耦接，而提供該感測模組以及該處理模組之工作電力。
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