TWM504659U - 工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置 - Google Patents

Description

工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置

本創作係與工具機誤差量測技術有關，特別是關於一種可應用於五軸工具機以進行三軸同動或五軸同動精度檢驗的工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置。

旋轉軸誤差為五軸工具機之幾何誤差及定位誤差最主要之來源，因此控制器必須對旋轉軸中心點偏置位置及傾斜角度進行補正，才能確保加工精度。五軸工具機相較於三軸(X、Y、Z軸)工具機，係多了兩軸旋轉軸(A、B、C其中兩個旋轉軸)的旋轉運動，目前在進行五軸同動精度檢驗(例如A、C軸轉動，X、Y、Z軸跟隨移動)及三軸同動精度檢驗(A、B、C其中一旋轉軸轉動，X、Y、Z軸其中二軸跟隨移動)時仍存在許多問題，例如量測裝置不易架設、量測過程耗時、量測結果不準確等等。

目前工具機之雙線性軸同動循圓誤差大多藉由雙球桿量測儀(double ball bar；簡稱DBB)進行量測，因此亦延伸發展出藉由DBB量測五軸工具機三軸或五軸同動誤差之技術，例如我國專利公開編號為200702101之專利案所提供之技術，然而，該專利所提供之技術需在量測前對工具機進行複雜的路徑規劃，且在量測後需對數據進行複雜的換算，才可求得受測之旋轉軸分別在三線性軸上的誤差。

有鑑於上述缺失，本創作之主要目的在於提供一種工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置，係能應用於五軸工具機以進行三軸同動或五軸同動精度檢驗，且能簡便、快速且準確地量測出旋轉軸的位置誤差。

為達成上述目的，本創作所提供之工具機之線性軸與旋轉 軸同動誤差量測裝置係用以設置於一工具機之一轉動件及一移動件，該移動件能相對該轉動件而沿一第一線性軸、一第二線性軸及一第三線性軸位移；該工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置包含有一用以設置於該轉動件之基座、一轉換治具，以及一球桿量測儀。該轉換治具具有一第一安裝部、至少一第二安裝部及至少一第三安裝部，該第一安裝部與該至少一第二安裝部投影於一假想平面時共同定義出一第一假想直線，該第一安裝部與該至少一第三安裝部投影於該假想平面時共同定義出一垂直於該第一假想直線之第二假想直線，該轉換治具係用以設置於該移動件，使得該第一假想直線及該第二假想直線分別平行於該第二線性軸及該第三線性軸。該球桿量測儀具有一第一端部及一第二端部，該第一端部係能轉動地設於該基座，該第二端部係選擇性地設於該轉換治具之第一安裝部、第二安裝部及第三安裝部其中之任一，且該球桿量測儀在該第二端部設於該第一安裝部時實質上平行於該第一線性軸。

藉此，該裝置可在該球桿量測儀之第二端部設於該轉換治 具之第一、二、三安裝部時分別進行一次量測，每次量測過程係藉由該轉動件轉動且該移動件相對該轉動件移動而使該球桿量測儀之第一、二端部進行相同的圓軌跡運動。如此一來，該球桿量測儀在第二端部設於第一安裝部時所測得第一、二端部的距離變化，即為該轉動件與該移動件同動時在第一線性軸上的誤差，而在第二端部設於第二、三安裝部時所測得之距離變化則可利用簡單的公式換算出該轉動件與該移動件同動時在第二及第三線性軸上的誤差。該裝置構造簡單、容易架設，且在三次量測步驟之間只要移動該球桿量測儀之第二端部即可將該球桿量測儀轉換成所需之姿態。此外，在三次量測步驟中進行相同的圓軌跡運動，因此僅需一簡單的圓軌跡路徑即可進行量測，即使應用於五軸工具機，並進行三軸同動或五軸同動精度檢驗，亦容易進行路徑規劃，且不需在各步驟之前進行複雜的定位過程。因此，本創作所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置能簡便、快速且準確地量測出旋轉軸的位置誤差。

較佳地，該基座具有一凹槽，該球桿量測儀之第一端部為 一球體且設於該基座之凹槽。或者，該第一端部亦可為一凹槽且該基座具有一設於該凹槽之球體。

較佳地，該球桿量測儀之第二端部為一凹槽，該轉換治具之第一安裝部、第二安裝部及第三安裝部分別為一能設於該凹槽之球體。或者，該第二端部亦可為一球體且第一、二、三安裝部分別為一凹槽。

較佳地，該轉換治具具有一位於其第一安裝部、第二安裝部及第三安裝部與該移動件之間且朝向該移動件之基準面，該第一安裝部較第二安裝部或第三安裝部更靠近該基準面。藉此，該等安裝部之位置可依據第一、二夾角而設計，使得該移動件在三次量測步驟之間不需配合該球桿量測儀之第二端部而移動，以更簡便且快速地進行量測。

較佳地，該球桿量測儀在該第二端部設於該轉換治具之第二安裝部時係與該第二線性軸夾一小於或等於45度之第一夾角，該球桿量測儀在該第二端部設於該轉換治具之第三安裝部時係與該第三線性軸夾一小於或等於45度之第二夾角，藉以產生較佳之量測靈敏度。甚至，該第一夾角及該第二夾角可設計為0度以達到最佳之量測靈敏度，且在此狀況下，該球桿量測儀在第二端部設於第二、三安裝部時所測得之距離變化即分別為該轉動件與該移動件同動時在第二及第三線性軸上的誤差。

有關本創作所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測方裝置的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本創作領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本創作所列舉的特定實施例，僅係用於說明本創作，並非用以限制本創作之專利申請範圍。

10‧‧‧線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置

20‧‧‧基座

22‧‧‧固定塊

24‧‧‧球杯

242‧‧‧凹槽

30‧‧‧轉換治具

32‧‧‧圓盤

322‧‧‧基準面

324‧‧‧底面

326‧‧‧容置槽

34‧‧‧第一安裝部

36‧‧‧第二安裝部

38‧‧‧第三安裝部

40‧‧‧球桿量測儀

42‧‧‧伸縮桿

44‧‧‧第一端部

46‧‧‧第二端部

50‧‧‧工具機

52‧‧‧轉動件(工作台)

54‧‧‧移動件(主軸)

56‧‧‧旋轉座

58‧‧‧刀把

A1‧‧‧第一旋轉軸

A2‧‧‧第二旋轉軸

L1‧‧‧第一假想直線

L2‧‧‧第一假想直線

θ1‧‧‧第一夾角

θ2‧‧‧第二夾角

第1圖為本創作一第一較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置與一五軸工具機的立體組合圖；第2圖為本創作該第一較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置的立體分解圖；第3圖為本創作該第一較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置之一轉換治具的底視圖； 第4圖為第1圖之局部前視圖，係顯示該工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置之一球桿量測儀呈現平行於一第一線性軸之姿態；第5圖為本創作該第一較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測方法之步驟a的流程示意圖；第6圖係類同於第4圖，惟顯示該工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置之球桿量測儀呈現倒向一第二線性軸之姿態；第7圖為本創作該第一較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測方法之步驟b的流程示意圖；第8圖概為第1圖之局部側視圖，惟顯示該工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置之球桿量測儀呈現倒向一第三線性軸之姿態；第9圖為本創作該第一較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測方法之步驟c的流程示意圖；第10圖至第12圖為本創作一第二較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測方法之步驟a至步驟c的流程示意圖；第13圖至第15圖為本創作一第三較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測方法之步驟a至步驟c的流程示意圖；第16圖為本創作一第四較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置與一工具機的局部前視圖，係顯示該球桿量測儀呈現水平地倒向該第二線性軸之姿態；以及第17圖及第18圖為本創作一第五較佳實施例所提供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置與一工具機的局部前視圖，係顯示該球桿量測儀以不同方向及不同角度倒向該第二線性軸之姿態。

申請人首先在此說明，在以下將要介紹之實施例以及圖式 中，相同之參考號碼，表示相同或類似之元件或其結構特徵。其次，當述及一元件設置於另一元件上時，代表前述元件係直接設置在該另一元件上，或者前述元件係間接地設置在該另一元件上，亦即，二元件之間還設置有一個或多個其他元件。而述及一元件「直接」設置於另一元件上時，代表二元件之間並無設置任何其他元件。

請先參閱第1圖及第2圖，本創作一第一較佳實施例所提 供之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置10包含有一基座20、一轉換治具30，以及一球桿量測儀40，該基座20及該轉換治具30分別用以設置於一工具機50之一轉動件52及一移動件54，該球桿量測儀40設於該基座20與該轉換治具30之間，用以量測該轉動件52轉動時的位置誤差。

在本實施例及下文中的各實施例中，該工具機50為一五軸 工具機，該轉動件52為一用以安裝工件之工作台，該移動件54為一用以安裝刀具之主軸，該轉動件52設於一能繞一第一旋轉軸A1轉動之旋轉座56上，且該轉動件52能相對該旋轉座56而繞一第二旋轉軸A2轉動，亦即，該轉動件52不但能以該第二旋轉軸A2為中心而自轉，且能隨著該旋轉座56轉動而以該第一旋轉軸A1為中心而公轉。該移動件54能沿一第一線性軸(Z軸)位移，該轉動件52與該旋轉座56能同時沿一第二線性軸(X軸)及一第三線性軸(Y軸)位移，因此該移動件54能相對該轉動件52而沿第一、二、三線性軸位移。然而，本創作能應用於其他類型之多軸加工機，且應用方式能隨工具機類型而變化，例如可將該基座20設置於主軸上(亦即轉動件為主軸)，並將該轉換治具30設置於工作台上(亦即移動件為工作台)。本創作亦不限於應用在五軸工具機，惟本創作之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置10及方法應用於五軸工具機時有更為顯著之功效。

該基座20包含有一用以固定於該轉動件52之固定塊22，以及一固設於該固定塊22頂部的球杯24，該球杯24具有一凹槽242。

該轉換治具30包含有一圓盤32，以及固定於該圓盤32底部且分別為一球體之一第一安裝部34、一第二安裝部36及一第三安裝部38，該圓盤32頂部有一基準面322，該圓盤32底部中央有自一底面324凹陷的一容置槽326，該第一安裝部34部分位於該容置槽326內因而較完全位於該底面324外之第二、三安裝部36、38更靠近該基準面322。若將該 等安裝部34、36、38投影於一假想平面(亦即類同於第3圖所示之平面)，第一、二安裝部34、36共同定義出一第一假想直線L1，第一、三安裝部34、38共同定義出一垂直於該第一假想直線L1之第二假想直線L2。該圓盤32固定於一設於該主軸54之刀把58，亦即，該轉換治具30藉由該刀把58而間接地固定於該主軸54，此時，該基準面322位於該等安裝部34、36、38與該移動件54之間且朝向該移動件54，第一、二假想直線L1、L2分別平行於第二線性軸(X軸)及第三線性軸(Y軸)。

該球桿量測儀40包含有一伸縮桿42、一固設於該伸縮桿42 一端且為一球體之第一端部44，以及一位於該伸縮桿42另一端且為一凹槽之第二端部46，該第一端部44係能轉動地設於該基座20之凹槽242，該第二端部46係選擇性地設於該轉換治具30之第一安裝部34、第二安裝部36及第三安裝部38其中之任一，藉以構成一雙球桿量測儀(double ball bar)。 該第一端部44與該第二端部46亦可皆為球體，且各該安裝部34、36、38為具有可與該第二端部46配接之凹槽的球杯；該球桿量測儀40亦可顛倒設置而使該第一端部44為一凹槽，且該基座20具有一能設於該凹槽之球體。

以下將以前述之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置10為 例，並以該轉動件52本身不自轉、僅隨著該旋轉座56而繞該第一旋轉軸A1公轉的情況為例，藉以說明本創作所提供之工具機之旋轉軸誤差量測方法。該旋轉軸誤差量測方法包含有下列步驟：a.如第4圖及第5圖所示，將該球桿量測儀40以實質上平行於第一線性軸(Z軸)的姿態設置於工具機50之轉動件52與移動件54之間，並將該球桿量測儀40之第一端部44及第二端部46分別相對固定於該轉動件52及該移動件54，然後藉由該轉動件52轉動帶動偏離該轉動件52之旋轉中心(在本實施例中為第一旋轉軸A1)的該第一端部44繞該旋轉中心轉動且該移動件54相對該轉動件52繞該旋轉中心移動，而使該球桿量測儀40之第一端部44及第二端部46進行相同的圓軌跡運動。

詳而言之，該基座20及該轉換治具30係以該球杯24之凹 槽242與該第一安裝部34相對的方式設置，該球桿量測儀40之第二端部46在此步驟係設於該第一安裝部34。本實施例中該球桿量測儀40之第一、二端部44、46分別隨著該轉動件52及該移動件54所進行之圓軌跡運動， 係沿著在Y-Z平面上之假想圓弧形軌跡移動；換言之，由於該第一端部44偏離該轉動件52之旋轉中心(在本實施例中為第一旋轉軸A1)，該轉動件52只要轉動即可帶動該第一端部44在Y-Z平面上進行圓軌跡運動，該移動件54則藉由沿Y軸及Z軸移動而帶動該第二端部46產生與該第一端部44相同的圓軌跡運動。

b.如第6圖及第7圖所示，將該球桿量測儀40之第一端部 44維持於與步驟a相同的位置，並將該球桿量測儀40之第二端部46設於使該球桿量測儀40倒向該第二線性軸(X軸)的位置(亦即設於第二安裝部36)且相對固定於該移動件54，使得該球桿量測儀40與該第二線性軸(X軸)夾一小於90度且大於或等於0度之第一夾角θ1，然後使該球桿量測儀40之第一、二端部44、46進行與步驟a相同的圓軌跡運動。

詳而言之，該球桿量測儀40之第二端部46在此步驟係設於 該轉換治具30之第二安裝部36，而且，在步驟a與步驟b之間，僅有該第二端部46自第一安裝部34移動至第二安裝部36，該裝置10其餘部份及該工具機50皆不需移動。然而，若該球桿量測儀40轉換成此姿態時，該第二端部46之高度並非剛好能設於該第二安裝部36，則該電腦程式會自動扣除高度誤差。

c.如第8圖及第9圖所示，將該球桿量測儀40之第一端部 44維持於與步驟a相同的位置，並將該球桿量測儀40之第二端部46設於使該球桿量測儀40倒向該第三線性軸(Y軸)的位置(亦即設於第三安裝部38)且相對固定於該移動件54，使得該球桿量測儀40與該第三線性軸(Y軸)夾一小於90度且大於或等於0度之第二夾角θ2，然後使該球桿量測儀40之第一、二端部44、46進行與步驟a相同的圓軌跡運動。

詳而言之，該球桿量測儀40之第二端部46在此步驟係設於 該轉換治具30之第三安裝部38，而且，在步驟b與步驟c之間，僅有該第二端部46自第二安裝部36更換至第三安裝部，該裝置10其餘部份及該工具機50皆不需移動。然而，若該球桿量測儀40轉換成此姿態時，該第二端部46之高度並非剛好能設於該第三安裝部38，則該電腦程式會自動扣除高度誤差。

前述之步驟a、步驟b及步驟c順序可任意對調，只要該球 桿量測儀40之第一端部44在步驟a~c中維持在相同的位置即可。在步驟a、步驟b及步驟c中，該球桿量測儀40之第一、二端部44、46與該轉換治具30之第一、二、三安裝部34、36、38通常係藉由磁吸力而暫時相對固定，使得該球桿量測儀40之第一、二端部44、46分別暫時地相對固定於該轉動件52及該移動件54。

d.利用該球桿量測儀40在步驟a、步驟b及步驟c所送出之訊號計算出該轉動件52與該移動件54同動時在該第一線性軸(Z軸)、該第二線性軸(X軸)及該第三線性軸(Y軸)之誤差。

詳而言之，該球桿量測儀40在步驟a、步驟b及步驟c所送出之訊號可由電腦擷取，並藉由預先寫入電腦程式中之下列公式自動計算出誤差：△1=△Z；△2=△Z‧sinθ1+△X‧cosθ1；△3=△Z‧sinθ2+△Y‧cosθ2；其中，△1、△2、△3分別為該球桿量測儀40在步驟a、步驟b、步驟c所測得其第一、二端部44、46的距離變化，△Z、△X、△Y分別為該轉動件52繞該第一旋轉軸A1轉動時在第一線性軸(Z軸)、第二線性軸(X軸)、第三線性軸(Y軸)上的誤差。

如第10圖至第12圖所示之本創作一第二較佳實施例，前述之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置10及方法亦可應用在該轉動件52本身自轉而該旋轉座56不轉動的情況，在本實施例中，該轉動件52之旋轉中心為第二旋轉軸A2，將基座20裝設於偏離該轉動件52旋轉中心一距離之位置，該第一端部44即可受該轉動件52帶動而在X-Y平面上進行圓軌跡運動，該移動件54則藉由沿X軸及Y軸移動而帶動該第二端部46產生與該第一端部44相同的圓軌跡運動。換言之，在本實施例中，該球桿量測儀40之第一、二端部44、46在步驟a、步驟b、步驟c中所進行之圓軌跡運動，係沿著在X-Y平面上之假想圓形軌跡移動。如此一來，△Z、△X、△Y分別為該轉動件52繞該第二旋轉軸A2轉動時在第一線性軸(Z軸)、第二線性軸(X軸)、第三線性軸(Y軸)上的誤差。

如第13圖至第15圖所示之本創作一第三較佳實施例，前述 之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置10及方法亦可應用在該轉動件52本身自轉且亦隨著該旋轉座56轉動的情況，如此一來，△Z、△X、△Y分別為該轉動件52同時繞第一、二旋轉軸A1、A2轉動時在第一線性軸(Z軸)、第二線性軸(X軸)、第三線性軸(Y軸)上的誤差。

由前述內容可得知，本創作所提供之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置10構造簡單、容易架設，且在步驟a、步驟b及步驟c之間轉換該球桿量測儀40之姿態時可僅移動該球桿量測儀40之第二端部44。此外，本創作所提供之旋轉軸誤差量測方法在步驟a、步驟b及步驟c中進行相同的圓軌跡運動，因此僅需一簡單的圓軌跡路徑即可進行量測，即使應用於五軸工具機，並進行三軸同動(第一、二較佳實施例)或五軸同動(第三較佳實施例)精度檢驗，亦容易進行路徑規劃，且不需在各步驟前進行複雜的定位過程，量測後利用簡單的公式即可換算出結果。因此，本創作所提供之工具機之旋轉軸誤差量測方法及裝置能簡便、快速且準確地量測出旋轉軸誤差。

在工具機之行程長度允許的情況下，前述之第一夾角θ1及第二夾角θ2可設計成小於或等於45度，以達到較佳之量測靈敏度。甚至，該第一夾角θ1及該第二夾角θ2可設計為0度，例如第16圖所示之本創作一第四較佳實施例，係顯示該第一夾角θ1為0度之態樣，如此不但可達到最佳之量測靈敏度，且該球桿量測儀40在步驟b及步驟c所測得之距離變化即分別為該轉動件52轉動時在第二線性軸(X軸)及第三線性軸(Y軸)上的誤差，亦即△2=△X；△3=△Y。

此外，該轉換治具30亦可設有皆位於該第一假想直線L1上的複數第二安裝部36，且亦可設有皆位於該第二假想直線L2上的複數第三安裝部38，例如第17圖及第18圖所示之本創作一第五較佳實施例，係顯示該轉換治具30具有四第二安裝部36之態樣，如此即可依使用需求調整該球桿量測儀40傾斜之方向及角度，應用上更具變化性。

最後，必須再次說明，本創作於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置

20‧‧‧基座

30‧‧‧轉換治具

322‧‧‧基準面

40‧‧‧球桿量測儀

50‧‧‧工具機

52‧‧‧轉動件(工作台)

54‧‧‧移動件(主軸)

56‧‧‧旋轉座

58‧‧‧刀把

A1‧‧‧第一旋轉軸

A2‧‧‧第二旋轉軸

Claims (5)

1. 一種工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置，係設置於一工具機之一轉動件及一移動件上，該移動件能相對該轉動件而沿一第一線性軸、一第二線性軸及一第三線性軸位移；該線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置包含有：一基座，係用以設置於該轉動件；一轉換治具，具有一第一安裝部、至少一第二安裝部及至少一第三安裝部，該第一安裝部與該至少一第二安裝部投影於一假想平面時共同定義出一第一假想直線，該第一安裝部與該至少一第三安裝部投影於該假想平面時共同定義出一垂直於該第一假想直線之第二假想直線，該轉換治具係用以設置於該移動件，使得該第一假想直線及該第二假想直線分別平行於該第二線性軸及該第三線性軸；以及一球桿量測儀，具有一第一端部及一第二端部，該第一端部係能轉動地設於該基座，該第二端部係選擇性地設於該轉換治具之第一安裝部、第二安裝部及第三安裝部其中之任一，且該球桿量測儀在該第二端部設於該第一安裝部時實質上平行於該第一線性軸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置，其中該基座具有一凹槽，該球桿量測儀之第一端部為一球體且設於該基座之凹槽。
3. 如申請專利範圍第1項所述之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置，其中該球桿量測儀之第二端部為一凹 槽，該轉換治具之第一安裝部、第二安裝部及第三安裝部分別為一能設於該凹槽之球體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置，其中該轉換治具具有一位於其第一安裝部、第二安裝部及第三安裝部與該移動件之間且朝向該移動件之基準面，各該第一安裝部、第二安裝部及第三安裝部為一球體或一球杯，該第一安裝部較第二安裝部或第三安裝部更靠近該基準面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之工具機之線性軸與旋轉軸同動誤差量測裝置，其中該球桿量測儀在該第二端部設於該轉換治具之第二安裝部時係與該第二線性軸夾一小於或等於45度之第一夾角，該球桿量測儀在該第二端部設於該轉換治具之第三安裝部時係與該第三線性軸夾一小於或等於45度之第二夾角。