TW201024005A - Turning tool calibration method with a non-contact measurement apparatus mounted on the machine and the processing machine - Google Patents

Description

201024005 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於加工機具調校刀具之技術領域，尤指一 種利用機具上設置非接觸式量測儀器搭配控制裝置調校刀 具位置達到校刀目的之加工機具及其校刀方法。 【先前技術】 、 超精密加工機具進行工件的車削加工時，被安裝於加 工機具刀座上之刀具尖端位置，是否位於工件驅動主轴之 ❿中心線等高位置，關係著工件加工後的形狀誤差。若無法 快速而精確地將刀具調校至正確位置，如第六圖a〜c所示， 當刀具（d)之尖端高於主轴（e)中心線（c)或低於主轴（e)中心 線（c)時，於刀具（d)對主軸（e)驅動之工件（a)進行加工後， 會造成工件（a)加工後的形狀誤差大，且於工件（a)端部會 產生一突起部（b)(所謂的“肚臍眼，，現象），前述刀具位置 不正確時，不僅易會造成刀具損壞而縮短其使用壽命，且 無法加工出符合設計尺寸精度要求的工件。因此，刀具調 校位置對於超精密加工機之操作使用，為一重要而不可或 缺的步驟。 目前為超精密車削加工機具的刀具調校方式，主要係 採用機外量測方式，即透過接觸式非球面量測儀或非接觸 式干涉儀或工具鏡等來進行刀具調校。這些量測設備雖可 提供高精度的刀具調校功能，但其設備價格昂貴。而且， 透過工具鏡進行刀具高低位置之調校時，仍然會受限於X、 Y軸向之解析度，造成量測上的誤差，影響校刀作業的速 度及精確度。 201024005 至於使用高精度之接觸式非球面量測儀或非接觸式干 涉儀進行刀具高低位置之調校時，雖可精確的量測出^且 於工件加工後之加工面誤差，但因儀器設備價格昂貴，二 般只有大型專業製造廢方具有使用該些儀器設備的能力， 而且，使用該接觸式非球面量測儀或非接觸式干涉儀進行 刀具高低位置之調校時，必須將工件拆下量測後，再架2 機台進行刀具調校，以致有刀具調校作業時間偏長之 •題。 另目刚已知具有快速調校刀具位置功能之技術，概如 我國申請第091205094號「校刀儀」新型專利所揭示者， 該校刀儀係一種可夾持於刀桿上，並直接於工具機上進行 校正刀具位置之作業，使其具有快速調校刀具之功能。惟 其係利用量錶之測定子與刀具之刀刀接觸而進行刀具位置 之調校，由於該校刀儀係屬接觸量測技術，超精密加工機 具係使用單晶鑽石刀具，該單晶鑽石刀具質地相當脆弱， φ 故該校刀儀不適用於此類刀具的調校作業，若採用此校刀 儀調校該單晶鑽石刀具易對刀具造成損毀的情事。 再者’前述校刀儀必須搭配持刀桿之夾頭使用，而不 同直控的刀桿必須配置相對應的夹持頭，使用上不甚方 便’而且該校刀儀被固定後，其量錶的中心無法調整至對 應夾持刀桿之中心位置，造成量測上之誤差，不利於超精 密加工機具的使用。 【發明内容】 本發明之主要目的在於提供一種機上具有非接觸式量 ’則儀器之超精密車削校刀方法及超精密加工機具，希望藉 201024005 此’改善先前超精密加工機 設備價格昂貴，以及接、”調校作業使用之量測 時，且量測誤差高等=式置測方法於調校刀具時操作費 為達前揭目的，士益 本發月所設計之機上具有非接觸式量 測儀器之加工機具，係包括： 一機台； 可被驅動旋轉的主軸，係設於機台上，用以固定工 件及帶動工件旋轉； ❹ ❿ 一可被媒動旋轉之刀具載台，係設於機台上； 一刀座，係設於該刀具載台1以固定刀具； 位置驅動裝置’係設於機台上，並可改變刀座與主 抽於二度空間相對位置； 一影像擷取器，係設於刀具載台上；以及 控制裝置’係電連接影像擷取器，且具有動作控制 程式以及影像分析判斷及運算之處理程式，藉以結合影像 擷取器提供刀具位置調校功能。 本發明另一設計之機上具有非接觸式量測儀器之車削 校刀方法，係使用一部附加有影像擷取器之加工機具直接 於機上進行以下步驟： 提供一犧牲工件，將其裝設於加工機具的工件主軸 上； 粗校刀具位置； 加工該犧牲工件之端面，係旋轉犧牲工件並令刀具對 其加工； 擷取與傳輸加工端面影像，由影像擷取器擷取犧牲工 201024005 件之加工端面之影像並傳輸至控制裝置； 判斷有無誤差目標部位，係由控制裝置依據取得的 像分析犧牲X件加卫端面是否具有誤差目標部位；當判斷 犧牲工件加工端面無誤差目標部位時，即結束刀具^度調 校作業；當判斷犧牲工件加工端面存在有誤差 時，執行以下步驟： ϋ

榻取與傳輸誤差目標部位影像，係由影像掏取器棟取 犧牲工件誤差目標部位的影像並傳輸至控制裝置； 汁鼻誤差目標部位尺寸量測值，係'由控制裝置依據取 得的影像計算該誤差目標部位尺寸量測值； 調校刀具高度，係由控制裝置依據該誤差目標部位的 尺寸量測值回饋而調整刀具高度；以及 重回加工該犧牲工件之端面步驟。 本發明藉由前述車削校刀方法及該加工機具之設計， 其特點在於： 1.本發明利用加工機具本身位置控制機構之高精度， 搭配機上附設的影像擷取器以及控制裝置之影像分析，配 合控制機具中刀具與犧牲工件間高精度的位置移動，而能 快速地量測刀具於犧牲工件加工面上的偏差，並回饋調整 刀具移動至正確位置。 2·本發明係利用加工機具原有設備，再附加一具影像 擷取器，以及控制裝置内建影像分析及運算功能之處理程 式，即可達成快速而精確的刀具調整作業，可有效減少量 測儀器之設備成本。 3-本發明除提供刀具調整功能外，尚可應用於工件表 6 201024005 面微結構狀況及結構間距的量測等用途，在無須拆下 的狀態’於機上即可直接確認加工是否符合原設計形狀^件 4.本發明應用於大深度微結構工件加工時， 於換刀的 過程中，也可透過機上直接量測調校之技術手段，協助換 刀時快速對位，減少微結構工件加工錯位的情形。 、 【實施方式】

本發明係包含一種機上具有非接觸式量測儀器之車削 校刀方法以及一種機上具有非接觸式量測儀器之加工機 具，所述車削校刀方法係使用該機上具有非接觸式量測儀 器之加工機具於機上直接進行刀具位置的調校步驟。 如第一、二圖所示，所述機上具有非接觸式量測儀器 之加工機具主要係包括一機台⑴、—可被驅動$轉的主軸 (2)、一可被驅動旋轉的刀具載台（3)、一刀座（句一位置 驅動裝置（5)、一影像操取器（6)以及一控制裝置（？），其中 前述之機台（1)尚可進一步於其底部裝設數組除振裝置 (1〇)，並以該數組除振裝置（10)安裝於地面上，或架設於 一基座（11)上。 叹、 該可被驅動旋轉的主軸（2)係設於機台（1)上於本較 佳實施例中，該主轴(2)係連接一主軸旋轉驅動組件(2〇)， 且該主轴（2)端部包含一工件固定器（21)，用以固定工件， 使工件及主軸（2)可被驅動旋轉，該主轴旋轉驅動組件㈣ 尚可進一步具有分度定位功能之驅動機構者。 該可被驅動旋轉之刀具載台（3)係設於機台（1)上位 於該主轴（2)—側，於本較佳實施例中’該刀具載台（3)係 連接一旋轉驅動組件（30)，使該刀*载台（3)可被驅動旋 7 201024005 轉。 該刀座（4)係設於該刀具載台（3)上，提供車削刀具（9) 等固設定位其上。 該位置驅動裝置（5)係設於機台（1)上，並可改變刀座（4) 與主轴（2)於三度空間相對位置，於本較佳實施例中，該位 置驅動裝置（5)係包括一 X轴向位移驅動組件（5〇)、一 γ轴 * 向位移親動組件（51)以及一 Z轴向位移驅動組件（52)，該 X轴向位移驅動組件（50)可設於機台（1)上，該X軸向位移 籲驅動組件（50)包含一可被驅動沿X軸向移動之父軸向移動 台（501)，該Y軸向位移驅動組件（51)設於該X軸向移動台 (501)上，該γ軸向位移驅動組件（51)包含一可被驅動沿γ 軸向移動之Y軸向移動台（511)，該γ轴向移動台（511)供 驅動主軸（2)之主軸旋轉驅動組件（2〇)裝設其上；該z轴向 位移驅動組件（52)設於該機台（1)上位於X軸向位移驅動組 件（50)的一侧，該z轴向位移驅動組件（52)包含一可被驅 藝動沿z轴向移動之z軸向移動台（521)，該2：軸向移動台（521) 供連接刀具載台（3)之旋轉驅動組件（3〇)設置其上，藉此， 使該位置驅動裝置（5)可以改變刀座（4)與主軸（2)於三度空 間相對位置。 該影像擷取器（6)係設於刀具載台（3)上，且具有物件 放大及影像梅取的功能。 該控制裝置（7)係電連接影像擷取器（6)，於本實施例 中’該控制震置（7)係為一電腦，並具有動作控制程式，用 以驅動别述主轴（2)、刀座（4)以及改變主軸⑺與刀座⑷間 的相對位置，該控制裝置⑺且包含影像分析判斷及運算之 201024005 處理程式，藉以結合該影像擷取器（6)提供刀具（9)位置調 校功能。所述控制裝置⑺尚包括一顯示器(7〇)，用以顯示 該影像擷取器（6)所擷取之影像晝面。 如第一、二、三圖所示，本發明車削校刀方法係使用 一組附加有影像擷取器之加工機具直接於機上來進行，所 述加T機具可如上述加工機具設計，其實施步驟係包括： 提供一犧牲工件（8)裝設於加工機具中的主軸上， 其係令犧牲工件（8)固定於主軸（2)端部的工件固定器（21) 對加工機具進行粗校刀具位置，其係利用位置驅動裝 置⑼令刀具(9)之刀刀端部接近犧牲工件其中可利用目 測方式進行刀具位置的判斷； 驅動加工機具之主軸(2)帶動犧牲工件(8)旋轉，及人 =具幅近犧牲工件（8)並對其端面加工出球面加工: 面，待停止後，令刀具（9)遠離犧牲工件（8) · 由影像擷取器(6)擁取犧牲工件(8)之加工端 及傳輪至控制裝置（7)，由控制裝 乂像 析判斷犧牲工件（8)加工端 刀 —扣^ 有誤差目標部位（80U仫 —犬起部，即肚臍眼，如第五圖所示者）； 係 當判斷犧牲工件（8)加工端面| ep Λ,. 磲面無誤差目標部位（8〇)睡 =束刀具(9)高度調校作業；當判斷犧牲工件(8)加二 面存在有誤差目標部位(80)時，即執行以下步驟：端 由影像擷取器（6)擷取犧牲工 *ιτ , 丨卞、0^加工端面的誤装〇 禚部位的影像，並傳送至控制裝置； '差目

由控制裝置依據取得的影德八k L R “象分析言十算㈣差目標部位 201024005 (8〇)(犬起部）尺寸的量測值(D)，於本實施例 標部位_尺寸„突起部之㈣_值；例中，誤差目 由控制裝置（7)以内建處理程式依據誤 的量測值回饋而進行刀具（9)高度調整；q 部位尺寸 於刀具(9)高度調整後，重回加工該犧牲 =與犧牲工件(8)端面影像以及判斷犧牲工件(8面)加 ^面有無誤差目標部位，直至判斷犧牲工件⑻加工端面 …誤差目標部位時，結束刀具（9)高度調校作業。 前述之車削校刀方法中，於此擷取與傳輸加工端面影 像步驟前，更可進-步包含影像擷取器（6)對焦該犧牲工件 (8)之加工端面之步驟，係改變該影像擷取器（6>與犧牲工 工 件（8)的相對位置，使該影像擷取器（6)清晰地對焦犧牲 件（8)之加 工端面0 刖述之車削校刀方法中，於擷取與傳輸誤差目標部位 (8〇)影像步驟前，更包含影像摘取器（6)對焦該犧牲工件⑻ 之誤差目標部位（80)之步驟，係改變該影像擷取器（6)與犧 牲工件（8)的相對位置，使該影像擷取器（6)清晰地對焦犧 牲工件（8)之誤差目標部位。 本發明利用前述之加工機具以及校刀方法設計，也可 應用於工件表面微結構狀況及結構間距的量測等用途，並 在無須拆下工件的狀態下，於機上即可直接確認工件之加 工是否符合原設計；另一方面，尚可應用於大深度微結構 工件加工作業，於換刀的過程中，也可透過機上直接量測 調校之技術手段，協助刀具更換後，能使刀具快速對位， 進而減少微結構工件加工錯位的情形。如第四圖所示，本 201024005 發明亦可應用於成形有内凹曲折加工面之工件（A)，於換刀 時’刀具（B)於加該曲折加工面之對準用途。 據上所述，本發明所設計之機上具有非接觸式量測儀 器之車削校刀方法及加工機具，確可為超精密加工作業提 供了項叹備成本低，且能快速而高精密度地調校刀具於 正確位置之校刀方式及加工機具，是故，本發明確為一項 極具產業利用價值之實用發明。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明加工機具之一較佳實施例之立體示意 圖。 第二圖係本發明加工機具較佳實施.例之實施狀態參考 圖。 第三圖係本發明車削校刀方法之實施流程圖。 第四圖係本發明亦可應用於刀具與曲折凹面的對位實 施例圖。 第五圖係犧牲工件加工存在有誤差目標部位之平面示 意圖。 第六圖A〜C係習用加工機具於刀具位於不同高度位 置處，令工件端部產生不同加工面之平面示意圖。 【主要元件符號說明】 (1)機台 （10)除振裝置 ου基座 (20)主軸旋轉驅動組件 (2)主軸 (21)工件固定器 11 201024005 (3)刀具載台 (30)旋轉驅動組件 (4)刀座 (5)位置驅動裝置 (50) X軸向位移驅動組件 (501)X軸向移動台 (51) Y轴向位移驅動組件 (511)Υ軸向移動台 (52) Ζ轴向位移驅動組件 參 (521)Ζ軸向移動台 (6) 影像擷取器 (7) 控制裝置 (70)顯示器 (8) 犧牲工件 (9) 刀具 (8a)工件 (Α)工件 (D)量測值 ⑻工件 ® (b)突起部（肚臍眼） (C)刀具 (B)刀具 12

Claims (1)

1. 201024005 七、申請專利範圍： 1. 機上具有非接觸式量測儀器之加工機具，係包括： 一機台； 一可被驅動旋轉的主轴，係設於機台上，用以固定工 件及帶動工件旋轉； 一可被驅動旋轉之刀具載台，係設於機台上； 一刀座，係設於該刀具載台，用以固定刀具； 一位置驅動裝置’係設於機台上，並可改變刀座與主 籲轴於三度空間相對位置； 一影像擷取器，係設於刀具載台上；以及 一控制裝置，係電連接影像擷取器，且具有動作控制 程式以及影像分析判斷及運算之處理程式，藉以結合影像 擷取器提供刀具位置調校功能。 2. 如申請專利範圍第1項所述之機上具有非接觸式量 測儀器之加工機具，其中，該主軸端部包含一工件固定器· 該刀具載台係連接一旋轉驅動組件；以及該位置驅動襞置 響係包括： 一 X軸向位移驅動組件，係設於機台上，該X轴向位 移驅動組件包含一可被驅動沿χ軸向移動之χ軸向移動 台； —Y轴向位移驅動組件，係設於該X軸移動台上，該 Y軸向位移驅動組件包含一可被驅動沿γ轴向移動之γ軸 向移動台，驅動主轴之主轴旋轉驅動組件裝設於該γ軸向 移動台上；以及 —Z軸向位移驅動組件，係設於該機台上位於χ軸向 13 201024005 位移驅動組件的—側，該z軸向位移驅動組件包含一可被 驅動沿Z軸向移動之z軸向移動台該z轴向移動台供連 接刀具載台之旋轉驅動組件設置其上。 3·如申請專利範圍第1或2項所述之機上具有非接觸 式量測儀器之加工機具，其中，該機台底部裝設數組除振 裝置。 4·如申請專利範圍第3項所述之機上具有非接觸式量 測儀益之加丁 目 J+ L · ^、’其中’該機0以其底部之數組除振裝 置架設於一基座上。 5· 一種機上具有非接觸式量測儀器之車削技刀方法， 係使用一附加右影後& 影像擷取|§之加工機具直接於機上進行以 下步驟： 提·供· 一犧括工**··〇 上； 牛，將其裝設於加工機具的工件主軸 粗校刀具位置^ . 參 加工該犧牲工件之端面，係旋轉犧牲工件並令刀具對 其加工； / 操取舆傳輪加工端面影 ,^ 碣面I像，由影像擷取器擷取犧牲工 件之加工端面之影後计金 I像並傳輸至控制裝置； 判斷有無誤差目標部位 ^ & 丨位，係由控制裝置依據取得的影 像分析犧牲工件加τ姑1丄 . 有無誤差目標部位；當判斷犧牲 工件加工端面盔誤葚 m田列軏裉牴 孝·合判斷艤： 七位時’即結束刀具高度調校作 行以下步驟： 鸲面存在有誤差目標部位時’執 操取與傳輸誤差 不4位影像’係由影像擷取器擷取 201024005 犧牲工件誤差目標部位的影像並傳輸至控制裝置； 計算誤差目標部位尺寸量測值，係由控制裝置依據取 得的影像計算該誤差目標部位尺寸量測值； 調校刀具高度，係由控制裝置依據該誤差目標部位的 尺寸量測值回饋而調整刀具高度；以及 重回加工該犧牲工件之端面步驟。 6.如申請專利範圍第5項所述之機上具有非接觸式

   量測儀器之車削校刀方法，其中，於擷取與傳輸加工端面 影像步驟前’更包含影像擷取器對焦該犧牲工件之加工端 面之步驟’係改變該影像擷取器與犧牲工件的相對位置， 使該景/像操取器清晰地對焦犧牲工件之加工端面。 7-如申請專利範圍第5或6項所述之機上具有非接 觸式篁測儀器之車削校刀方法纟中於擷取與傳輪誤差 目標部位影像步驟前，更包含影像擷取器對焦該犧牲工件 之誤差目標部位之步驟’係改變該影像摘取器與犧牲工件 的相對位置’使該影像掏取器清晰地對焦犧牲 目標部位。 I 申明專利乾圍第5或6項所述之機上具有 觸式量測儀器之直制> 之車削校刀方法，其中，該誤差目標部. 犬起部，該誤差目標部位尺寸量測值係為該突起 外徑量測值。 ~〜 突起部，該誤2=，，該誤差目標部位係 量測值。 π部位尺寸量測值係為該突起部之 15