TWM508389U

TWM508389U - 影像式多軸工具機校正系統

Info

Publication number: TWM508389U
Application number: TW104204714U
Authority: TW
Inventors: Wen-Yuh Jywe; Tung-Hsien Hsieh; Chun-Jen Chen; Tung-Hsing Hsieh; Zai-Yuan Li; Ming-Liang Chen; Jian-An Lin
Original assignee: Univ Nat Formosa
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2015-09-11

Description

影像式多軸工具機校正系統

本新型創作係關於一種影像式多軸工具機校正系統，尤指一種用以檢測多軸工具機的影像式多軸工具機校正系統。

隨著工業技術的不斷精進，產品的加工品質、精度與加工時間已成為重要的競爭指標，而工具機的精度檢測是一個存在已久的問題，而影響工具機精度誤差來源大致可分為靜態誤差和動態誤差等兩大類，其中靜態誤差又可細分為結構上的幾何誤差、工作平台的靜態及動態的偏擺度誤差、熱變形誤差以及體積誤差...等等，而動態誤差可分為迴路增益不匹配、黏滯滑動誤剎等類型，前述所列的誤差皆會影響工具機具的工作性能，在目前國際標準組織(International Organization for Standardization,ISO)的草案規範中要求五軸工具機的同動誤差必須在40微米(μm)以內，而為了達到此標準，建立工具機精確度的檢測與技術提升產品的品質，是最有效且最直接的方式。

現有工具機的量測系統已經發展相當久的歷史，以下分別針對目前五軸工具機的檢測技術與問題進行說明：

1、磁性雙球桿(DBB，Double Ball Bar)，又稱為循圓量測儀，主要係藉由一內藏且可伸縮移動量測元件的磁性雙球桿，藉以量測循圓運動所產生的誤差，但對於量測五軸工具機的動態總誤差有所侷限，而無法進行全工作空間的校正，所以必須藉由不同路徑的方式，來進行量測五軸工具機旋轉軸的動態誤差與幾何誤差，使用上相對不便且耗時；

2、量測傾斜軸定位誤差量具(API，Automated Precision Inc)，傾斜軸的運動路徑是一擺線型態，主要係利用它的旋轉中心進行量測垂直軸與傾斜軸誤差，也可搭配的API 5/6D和XD Laser(六維激光干涉儀)同時進行量測線性軸的六個誤差，包含1個位置誤差、2個直線度誤差、3個角度誤差，但其價錢極為昂貴。

3、探頭-球桿(Probe-Ball)可直接量測五軸工具機總成誤差的量測裝置，藉以評估五軸工具機的精度，其主要係可直接量測五軸工具機的位置誤差所量得數據及建構的探頭，然而，碳頭-球桿的誤差模型，對於部份不可直接量得之誤差項，可由最小平方誤差估算法進行精確估算；

4、既有技術中(例如公司：IBS Precision Engineering)已發展一套R-test(Rotary Axis analyzer)系統，其係可量得五軸工具機同動的靜態誤差及動態誤差的總成誤差，但其僅能取得總成誤差，因此，在五軸工具機各種幾何誤差及動態誤差解析上的應用仍相當有限。

再者，目前有關旋轉軸的檢測技術與問題係如下所述，目前旋轉軸並無法量測，因旋轉軸並沒有相關干涉儀可接收360度訊號用於當作量測基準，其中Renishaw XR20-W(無線旋轉軸校正儀)與HP-E5290C(雷射干涉儀)，主要係是利用外部一高精度旋轉平台搭配一雷射干涉儀作為量測基準，藉以檢測上轉盤與下工具機旋轉軸間的誤差，其主要係將該旋轉平台架設於工具機旋轉軸上，此時在該旋轉軸上輸入一正轉訊號時，利用該高精度的旋轉平台輸入一相同的反轉訊號，再利用該干涉儀檢測兩個旋轉軸間的相對誤差，因此，僅能量測兩旋轉軸之間的光學編碼器或光學尺誤差。

綜上所述，可發現現有用於多軸工具機的量測裝置，仍存在許多問題，因此，如何對於多軸工具機進行誤差的量測且進行補償是當前重大的關鍵技術，實有需要加以改進之處。

因此，本新型創作有鑑於現有多軸工具機量測裝置，存在操作不便且量測成本高等的缺失與不足，特經過不斷的試驗與研究，終於發展出一種能改進現有缺失之本新型創作。

本新型創作主要在於提供一種影像式多軸工具機校正系統，其主要係透過將電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)無線模組化，將所截取的影像訊號以無線傳輸方式至電腦中的程式進行訊號處理，因此，不再需要再經過訊號放大器等設備，即可達到量測目的，並且可搭配雷射直度量測，進而提供一可方便組裝、自動化量測補償、降低量測成本並且提升工具機精度的影像檢測系統者之目的者。

基於上述目的，本新型創作之主要技術手段在於提供一種影像式多軸工具機校正系統，其係設有一感測頭、一標準圓球固定組及一訊號處理組，其中：該感測頭設有多組感測組，該感測組設有一無線模組及一光源，其中該無線模組設有一無線發射器及一影像擷取器，該光源提供足夠強度之光輸出使該影像擷取器清楚辨識物體，並進行影像的擷取；該標準圓球固定組設有一固定座、一支撐桿、一標準圓球及一磁性座，該標準圓球固設於支撐桿，並將支撐桿固設於該固定座上且將標準圓球伸入該感測頭的感測組的量測範圍中；以及該訊號處理組與該感測頭相連接且設有一無線收發器，該無線收發器與該感測組的無線發射器相連接，藉以接收各無線發射器所輸出的訊號，進行程式運算與分析處理。

其中，所述該感測組可為兩組面型影像擷取器或三組線型影像擷取器，並且提供足夠光源強度即可進行待測物影像辨識，並透過無線發射器將影像傳送至訊號處理組。

其中，標準圓球材質可為金屬、塑膠、礦石等。

其中，該訊號處理組可為一電腦。

其中，該訊號處理組可為一單晶片。

藉由上述之技術手段，本新型創作影像式多軸工具機校正系統，其主要係透過各無線模組量測該多軸工具機，並透過無線傳輸將所擷取的影像傳送至該訊號處理組的電腦或單晶片進行程式處理，再將補償訊號發送至該多軸工具機的控制器，進而可對於多軸工具機進行動態量測、靜態量測，分析量測數據，簡易進行誤差補償系統，並可做為刀長設定器運用，進而有效提供一可方便組裝、自動化量測補償、降低量測成本並且提升工具機精度的影像檢測方法及系統者。

01‧‧‧多軸工具機

02‧‧‧主軸

03‧‧‧工作平台

10‧‧‧感測頭

11‧‧‧上蓋

12‧‧‧下蓋

13‧‧‧連接桿

141‧‧‧第一無線模組

142‧‧‧第二無線模組

151‧‧‧第一光源

152‧‧‧第二光源

16‧‧‧滑塊

17‧‧‧影像擷取器

18‧‧‧鏡頭

19‧‧‧無線發射器

20‧‧‧標準圓球固定組

21‧‧‧標準圓球

22‧‧‧支撐桿

23‧‧‧固定座

24‧‧‧磁性座

圖1是本新型創作之影像式多軸工具機校正系統設置於一多軸工具機上的立體外觀圖。

圖2是本新型創作之影像式多軸工具機校正系統之感測頭的立體外觀圖。

圖3是本新型創作之感測頭之無線模組的立體分解圖。

圖4是本新型創作之影像式多軸工具機校正之標準圓球固定組的立體外觀圖。

圖5是本新型創作之影像式多軸工具機校正系統設置於一多軸工具機上的第一種裝設態樣的立體外觀圖。

圖6是本新型創作之影像式多軸工具機校正系統設置於一多軸工具機上的第二種裝設態樣的立體外觀圖。

圖7是本新型創作之影像式多軸工具機校正系統之操作流程方塊圖。

為能詳細瞭解本新型創作的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，玆進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如后，請參閱如圖1所示，本新型創作之影像式多軸工具機校正系統係設置於一多軸工具機01上，其中該多軸工具機01設有一主軸02、一工作平台03及一控制器，而本新型創作的影像式多軸工具機校正系統包含有一感測頭10、一標準圓球固定組20及一訊號處理組，其中：配合參看如圖2及圖3所示，該感測頭10與該多軸工具機01相結合且設有一上蓋11、一下蓋12、至少一感測組及一連接桿13，進一步，如圖5及圖6所示，該感測頭10可與該多軸工具機01的主軸02或工作平台03相固設結合，其中該上蓋11與該下蓋12相平行設置而形成一量測空間，且該上蓋11貫穿設有一穿孔，藉以將一感測物伸設置該量測空間中，該下蓋12於頂面設有至少一軌道，該至少一感測組設於該下蓋12的至少一軌道上，該至少一感測組設有一滑塊16、一無線模組及一光源，其中該滑塊16與該下蓋12的軌道相結合，該無線模組141、142與該滑塊16相結合而可相對該下蓋12的軌道滑動，該無線模組設有一影像擷取器17(CCD)及一無線發射器19，該影像擷取器17於朝向該上蓋11設置該穿孔的方向設有一鏡頭18，其中該滑塊16與該軌道的結合方式，可提供該影像擷取器17一調整焦距的功能，該無線發射器19設於該無線模組141、142且與該影像擷取器17相電性連接，藉以將影像擷取器17的影像訊號進行無線傳輸，該光源設置於該感測頭10的量測空間中，並且提供足夠光源強度使影像擷取器17可達到清楚辨識物體的功能。

進一步，該感測頭10設有兩感測組且該下蓋12設有兩軌道，其中兩感測組的無線模組分別為一第一無線模組141及一第二無線模組142，兩無線模組141、142分別設置於該下蓋12的兩軌道上，而兩感測組的光源分別為一第一光源151及一第二光源152，提供兩無線模組的影像擷取器17清楚辨識標準圓球21位置。該連接桿13設於該下蓋12的底部，藉以讓該感測頭10可與該多軸工具機01相結合。

請配合參看如圖1及圖4所示，該標準圓球固定組20與該多軸工具機01相結合且與該感測頭10相面對，該標準圓球固定組20設有一固定座23、一支撐桿22、一標準圓球21及一磁性座24，其中該固定座23可如圖5及圖6所示固定於該多軸工具機01的工作平台03或主軸02上，藉以與該感測頭10呈相互面對的空間配置，該支撐桿22固設於該固定座的一側面且朝該感測頭10的穿孔方向延伸，該標準圓球21固設於該支撐桿22遠離該固定座23的一端且經該穿孔而伸入該感測頭10的量測空間中，本新型創作以該球形的標準圓球22作為感測元件，因球體在量測時僅會產生位置誤差，而不會產生角度誤差，因此使用標準圓球22當作感測元件，可減少誤差的產生，而該磁性座24固設於該固定座23的一側，藉以提供該標準圓球固定組20一磁力吸引的固定效果。

該訊號處理組與該感測頭10及該多軸工具機01相連接，該訊號處理組設有一無線收發器，該無線收發器與各感測組的無線發射器19相連接，藉以接收各無線發射器19所輸出的訊號，進行程式運算與分析處理，且該無線收發器與該多軸工具機01的控制器相連接，藉此達到控制多軸工具機01進行誤差量測補償，進一步，該訊號處理組可為一電腦或一單晶片。

請配合參看如圖1及7所示，本新型創作影像式多軸工具機校正系統對於該多軸工具機01進行經度量測時，其中可如圖5所示將該感測頭10的連接桿13與該多軸工具機01的主軸02(固定端)相結合，並且透過該磁性座24與該工作平台03磁性相吸的方式，將該標準圓球固定組20固定於該工作平台03(移動端)上，或者如圖6所示將該感測頭10與該多軸工具機01的工作平台03(移動端)相結合，並且透過該磁性座24與該主軸02磁性相吸的方式，將該標準圓球固定組20固定於該主軸02(固定端)上，使位於該支撐桿上22的標準圓球21設於該感測頭10的量測空間中且位於兩感測組的量測範圍之間。

待該感測頭10及該標準圓球固定組20安裝於該多軸工具機01上後，透過移動該多軸工具機01的X軸與Y軸的方式，讓兩光源151、152可通過標準圓球21並照射至相對應的無線模組，並將各影像擷取器17所產生的影像訊號，經相對應的無線發射器19及無線收發器而傳送至該訊號處理組的電腦或單晶片中，即可對於兩無線模組所擷取的影像訊號進行運算處理，其中如圖1所示透過該第一無線模組141的感測訊號，可量測出另外Y 軸及Z軸的偏移量，而透過該第二無線模組142的感測訊號，可測量出另外X軸及Z軸的偏移量，再經過計算分析該標準圓球21的球心位置，即可取得該多軸工具機01誤差值。

其中有關取得該多軸工具機01誤差值的部分，該第一無線模組141的該影像擷取器17平行於該多軸工具機01的X軸方向，並由該第一光源151提供足夠之光輸出，使該第一無線模組141的該影像擷取器17可清楚的辨識檢測物體後，該第一無線模組141的該影像擷取器17可獲得Y軸(CCD1Y)與Z軸(CCD1Z)方向的訊號；而該第二無線模組142的該影像擷取器17平行於該多軸工具機01的Y軸方向，由第二光源152提供足夠之光輸出，使該第二無線模組142的該影像擷取器17可清楚的辨識檢測物體後，該第二無線模組142的該影像擷取器17可獲得X軸(CCD2X)與Z軸(CCD2Z)方向的訊號。於本新型創作實施例中，僅需要有足夠強度之光輸出提供平行X軸方向與Y軸方向的的該影像擷取器17檢測物體，並不限定必須同時包含該第一光源151或該第二光源152，或該第一光源151及該第二光源152可設置於該感測頭10中之位置為不限定。經由下列的公式即可求出該標準圓球21的球心的偏移量：球心X軸方向偏移量：△X=CCD_2X ；球心Y軸方向偏移量：△Y=CCD_1Y ；以及球心Z軸方向偏移量：△Z=(CCD_1Z +CCD_2Z )/2。

當該訊號處理組的電腦或單晶片，透過該感測頭10及該標準圓球21而計算出該多軸工具機01的誤差值後，將其轉換成一與該誤差值相對應的補償值無線訊號，並將該補償值訊號傳送至該控制器，即可經由該控制器，對於該多軸工具機01進行自動化的誤差補償。

藉由上述的技術手段，本新型創作影像式多軸工具機校正系統可對於多軸工具機01的背隙檢測、靜態檢測、角度檢測、刀長設定器等用途進行使用，其如下所述：在背隙檢測時，將標準圓球固定組20固定至一量測軸，使該量測軸進行往複運動，並藉由該標準圓球21的偏移量，計算背隙誤差並傳送至機台進行補償；而在靜態檢測時，則遵循ISO/CD 10791-6規範中五軸CNC工具機檢測K1、K2、K4路徑依照檢測參數(起始角、終止角、間格角度)取樣完成後，利用最小區域法計算圓心偏移量傳送至機台進行補償，其中該K1路徑檢測為A軸旋轉依照ISO規範參數設定，Y、Z軸同動，藉由該標準圓球21的移動位置，可得到A軸的偏心誤差，該K2路徑檢測為C軸旋轉依照ISO規範參數設定，X、Y軸同動，藉由該標準圓球21的移動位置，可得C軸的偏心誤差，該K4路徑檢測為A、C軸旋轉依照ISO規範參數設定，X、Y、Z軸同動，藉由該標準圓球21的移動位置，即可取得總程誤差。

綜上所述，本新型創作係一種影像式多軸工具機校正系統，其主要係透過各無線模組量測該多軸工具機，並透過無線傳輸將所擷取的影像傳送至該訊號處理組的電腦或單晶片進行程式處理，再將補償訊號發送至該多軸工具機的控制器，進而可對於多軸工具機進行動態量測、靜態量測，分析量測數據，簡易進行誤差補償系統，並可做為刀長設定器運用，進而有效提供一可方便組裝、自動化量測補償、降低量測成本並且提升工具機精度的影像檢測系統者。

以上所述，僅是本新型創作的較佳實施例，並非對本新型創作作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本新型創作所提技術方案的範圍內，利用本新型創作所揭示技術內容所作出局部更動或修飾的等效實施例，並且未脫離本新型創作的技術方案內容，均仍屬於本新型創作技術方案的範圍內。