TWI388795B - Geometric error detection device - Google Patents

Description

幾何誤差檢測裝置

本發明係關於一種幾何誤差檢測裝置，特別是指一種採用光學非接觸式檢測，以達成得到機具誤差與機具架設之高精確度的誤差檢測裝置。

機具幾何誤差檢測大多採用雷射干涉儀為主要之檢測儀器，也因此雷射干涉儀被公認為最精密的檢測儀器之一；此外，雷射干涉儀兼具大檢測範圍與奈米等級解析度等特點，因而被廣泛的應用在各種精密機具的檢測，包括電腦數值工具機(CNC)、三次元量床(CMM)、高精度磨床、半導體設備等高精度機具。

但是，雷射干涉儀仍無法大量的被應用於一般的加工廠，主要是其價格過高，一套雷射干涉儀基本模組(即僅有位置誤差檢測功能)之售價皆在新台幣六十萬，一般加工廠無法負擔，此外，尚有角度誤差檢測模組、直度誤差檢測模組、垂直度誤差檢測模組、誤差檢測模組等，一套檢測儀器成本超過新台幣一百五十萬元；此外，每個模組僅能檢測單一誤差，且其架設方式皆不同，也直接影響業者的使用意願。

雷射干涉儀由於一次安裝，只能測量一種誤差要素，並且在每項測量前的安裝和雷射道路調整是費時的。因此，一些開發方法與測量系統已經能在工作同時測量多個幾何學誤差以加快量測速率。此外利用大反射鏡的觀念已被提出，使得位移路徑不受單一直線所限制，但是在架設時，大反射鏡必須與雷射光線垂直，此外，架構本身有其他的限制尚未克服。

因此，本發明為開發一套簡易式機具幾何誤差檢測系統，應用光電感測器與準直光源的結合，建構一套可檢測直度、垂直度、角度等誤差之系統，以大幅降低成本。

本發明並依使用者之需求，分別建構直度誤差檢測模組、垂直度誤差檢測模組、角度誤差檢測模組等，以簡化檢測程序與步驟，方便使用者進行機具檢測。

本發明之目的即在於提供一種幾何誤差檢測裝置，以達成高精確度要求之簡易式機具檢測系統之裝置。

本發明之次一目的係在於提供一種光學式儀器具有高解析度，而且並不會受到磁場的干擾造成量測的誤差的檢測機具誤差之裝置。

本發明之另一目的係在於提供一種可以利用於各種工作場合上，並具有低成本、高精確度、體積小、攜帶方便、架設簡易及檢測迅速等特性的檢測機具誤差之裝置。

可達成上述發明目的之幾何誤差檢測裝置，包括有：檢測模組，係由發射裝置產生至少一光束輸出；至少一光電感測器，用以接收光束；其中，該光束輸出方向與檢測方向相互平行，若檢測後無誤差產生，則檢測光點位置與起始光點位置相同；反之，若檢測後有誤差產生，則檢測光點位置會隨著誤差的變化改變。

該檢測模組用於直度檢測，係由單個光電感測器所構成，用於接收檢測模組發射之準直光束，以檢測單一軸向之兩個直度誤差；該檢測模組用於角度檢測，係由一光電式感測器與一個透鏡所構成，用於接收檢測模組發射之準直光束，以檢測單一軸向之兩個角度誤差；該檢測模組用於平行度及橫轉角度檢測，係由二光電感測器所構成，用於接收檢測模組發射之準直光束，以檢測單一軸向橫轉角度與平行度。

請參閱圖一，本發明所提供之幾何誤差檢測裝置，主要包括有：一檢測模組1，係由發射裝置產生至少一光束輸出；至少一光電感測器2，用以接收光束；其中，該光束輸出方向與檢測方向相互平行，若檢測後無誤差產生，則檢測光點位置與起始光點位置相同；反之，若檢測後有誤差產生，則檢測光點位置會隨著誤差的變化改變。

前述發射裝置為一雷射光源、或一準直光源、或一光源11經介質透鏡分解成二或三光束；其中，該介質透鏡為分光鏡12、聚焦透鏡、準直透鏡。

如圖一所示，當機台進行單一軸向(X軸)運動時，分別對另外兩個軸向(Y軸與Z軸)產生平移現象，此稱為直度誤差；本發明為利用二維光電感測器2，配合檢測模組1內的準直光源11，建構一直度誤差檢測模組1，以簡化直度檢測之程序；本發明的發射裝置為將一準直光源11輸出一光束，如圖二所示，該光束入射於移動端上的光電感測器2，且該光束輸出方向與光電感測器2的檢測方向相互平行，經由起始光點位置與檢測光點位置是否相同，以檢測移動端的直度誤差。利用二維光電感測器2之特性，在單一次檢測程序中，即可獲得二個軸向(Y軸與Z軸)的直度誤差，大幅減少檢測時間。該移動端為移動主軸或是移動床台

該直度誤差檢測之架設方式有二，分別為：該檢測模組1架設於待測機台之固定端，該二維光電感測器2架設於待測機台之移動端；準直光源11之方向與機台移動方向平行；該檢測模組1架設於待測機台之移動端，該二維光電感測器2架設於待測機台之固定端。

在檢測時，準直光源11之方向與機台移動方向相互平行。在檢測時，若無直度誤差產生，則檢測光點位置與起始光點位置點相同；反之，則檢測光點位置會隨著誤差的變化，改變，如圖三所示。最後再經由公式之計算，即可獲得待測機台之兩個軸向直度誤差。

機具在組裝時，由於各個因素的影響，導致三個線性軸(X、Y與Z軸)無法完全垂直地被組裝。如圖四與圖五所示，本發明為利用二維光電感測器2，配合檢測模組1內的準直光源11與分光鏡12，建構一垂直度誤差檢測模組1，其中該發射裝置為將準直光源11入射一分光鏡12，使之產生互為垂直之穿透光與反射光，利用此兩道光束入射於移動端上互為垂直的二光電感測器2，經由起始光點位置與檢測光點位置是否相同，以檢測移動端的垂直度誤差。

如圖六所示，該發射裝置能為二垂直設置的雷射光源11或準直光源11，二雷射光源11或二準直光源11亦能產生互為垂直的二光束。

如圖七所示，亦可利用準直光源11入射一分光鏡12的光路設計，將準直光源11分為二道互為垂直之光束。

如圖八所示，亦可利用準直光源11入射二分光鏡12的光路設計，將準直光源11分為三道互為垂直之光束，即可檢測機具三軸之垂直度。

如圖九所示，該發射裝置能為三垂直設置的準直光源11，三準直光源11亦能產生互為垂直的三光束，以檢測機具三軸之垂直度。

該移動端為移動主軸或是移動床台，其垂直度檢測程序為如下：

1.將檢測模組1架設於機具之主軸上；

2.架設光電感測器2於對應光束之機台上；

3.光束入射光電感測器2；

4.將光電感測器2測得之數據導入計算後，即可獲得對應軸的垂直度誤差。

機具之角度誤差包括俯仰角度(Pitch)、搖擺角度(Yaw)與橫轉角度(Roll)等。本發明依檢測角度不同，可分為二個部分，第一部分為俯仰角度與搖擺角度的檢測，而第二部分為橫轉角度的檢測。

如圖十所示，該檢測模組1內的發射裝置為準直光源11所輸出一光束，且其中該光電感測器2進而於輸入端前增設一聚焦透鏡21，使該光束入射於移動端上的聚焦透鏡21與光電感測器2後，該光束輸出方向與光電感測器2的檢測方向相互平行，並應用視準儀原理消除發射裝置與光電感測器2距離變化之影響，經由起始光點位置與檢測光點位置是否相同，以檢測移動端的俯仰角度與搖擺角度誤差。其架設與檢測程序為：

1.將檢測模組1架設於機具固定端，並調整光束方向為待測機具之檢測軸方向(即移動軸之方向)；

2.將光電感測器2固定於相對檢測模組1之光束之機具移動端；

3.移動機具進行檢測。

如圖十一與圖十二所示，該檢測模組1內的發射裝置為將準直光源11入射複數分光鏡12，以產生兩道光束入射於移動端上互為平行的二光電感測器2，當橫轉角度誤差產生時，檢測模組1會沿著光電感測器2移動方向旋轉，藉由起始光點位置與檢測光點位置是否相同以檢測移動端的橫轉角度誤差。圖十四為準直光源11入射複數分光鏡12，以產生兩道相互垂直光束之示意圖，以提供同時量測二個線性軸(X軸與Y軸、Y軸與Z軸、Z軸與X軸)。

如圖十一與圖十三所示，該檢測模組1內的發射裝置為將二準直光源11產生兩道光束入射於移動端上互為平行的二光電感測器2，當橫轉角度誤差產生時，檢測模組1會沿著光電感測器2移動方向旋轉，藉由起始光點位置與檢測光點位置是否相同以檢測移動端的橫轉角度誤差。

當橫轉角度誤差產生時，機具會沿著移動軸旋轉，因此，藉由二組光電感測器2，即可檢測出橫轉角度誤差。其架設與檢測程序為：

1.將檢測模組1架設於機具固定端，並調整光束方向為待測機具之檢測軸方向(即移動軸之方向)；

2.將二光電感測器2固定於相對檢測模組1之光束之機具移動端；

3.移動機具進行檢測。

在檢測時，準直光源11之方向與機台移動方向相互平行。在檢測時，若無角度誤差產生，則檢測光點位置與起始光點位置點相同；反之，則檢測光點位置會隨著誤差的變化，改變，如圖三所示。最後再經由公式之計算，即可獲得待測機台之角度誤差。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1．．．檢測模組

11．．．光源

12．．．分光鏡

2．．．光電感測器

21．．．聚焦透鏡

圖一為發射裝置以一光束入射光電感測器檢測直度誤差的立體示意圖；

圖二為發射裝置以雷射光源或準直光源射出一光束之視圖；

圖三為該光電感測器上檢測光點位置會隨著誤差變化的示意圖；

圖四與圖五為發射裝置產生互為垂直的光束於二光電感測器檢測垂直度誤差的立體示意圖；

圖六為發射裝置以二垂直設置的雷射光源或準直光源射出二光束之示意圖；

圖七為發射裝置以雷射光源或準直光源入射一介質透鏡，並分為二道互為垂直光束之示意圖；

圖八為該發射裝置以雷射光源或準直光源入射複數介質透鏡，並分為三道互為垂直光束之示意圖；

圖九為發射裝置以三垂直設置的雷射光源或準直光源，產生互為垂直的三道光束之示意圖；

圖十為發射裝置輸出一光束並入射聚焦透鏡與光電感測器以檢測俯仰角度與搖擺角度誤差的立體示意圖；

圖十一為發射裝置輸出二光束並入射二光電感測器以檢測橫轉角度誤差的立體示意圖；

圖十二為該發射裝置以雷射光源或準直光源入射複數介質透鏡，以提供二道互為平行光束之示意圖；

圖十三為發射裝置以二平行設置的雷射光源或準直光源射出二光束之示意圖；

圖十四為該發射裝置以雷射光源或準直光源入射複數介質透鏡，以提供相互垂直二道光束之示意圖。

1．．．檢測模組

2．．．光電感測器

Claims (4)

1. 一種檢測固定端與移動端之幾何誤差之裝置，包括：檢測模組，係由發射裝置產生至少一光束輸出；至少一光電感測器，且該光電感測器進而於輸入端前增設一聚焦透鏡，用以接收光束；其中，該光束入射於移動端上的聚焦透鏡與光電感測器後，該光束輸出方向與光電感測器的檢測方向相互平行，並應用視準儀原理消除發射裝置與光電感測器距離變化之影響，經由起始光點位置與檢測光點位置是否相同，以檢測移動端的俯仰角度與搖擺角度誤差。
2. 如申請專利範圍第1 項所述之裝置，其中該移動端為移動主軸或是移動床台。
3. 如申請專利範圍第1 項所述之裝置，其中該發射裝置為將準直光源入射二分光鏡，以產生兩道光束入射於移動端上互為平行的二光電感測器，當橫轉角度誤差產生時，檢測模組會沿著光電感測器移動方向旋轉，藉由起始光點位置與檢測光點位置是否相同以檢測移動端的橫轉角度誤差。
4. 如申請專利範圍第1 項所述之裝置，其中該發射裝置為將二準直光源產生兩道光束入射於移動端上互為平行的二光電感測器，當橫轉角度誤差產生時，檢測模組會沿著光電感測器移動方向旋轉，藉由起始光點位置與檢測 光點位置是否相同以檢測移動端的橫轉角度誤差。