TWI888158B - 五軸空間精度量測治具 - Google Patents

Abstract

一種五軸空間精度量測治具，包含主體與底座；主體具有第一側邊、第二側邊與第三側邊，第一側邊平行於第一方向，且具有相對兩端分別連接第二側邊與第三側邊，第一側邊分別與第二側邊、第三側邊的夾角均為45度，第二側邊與第三側邊的夾角為90度；於主體之一面設有至少三個安裝孔，各用以安裝球體，該至少三個安裝孔之中心連線平行於第一方向，且任二相鄰安裝孔的中心距離相同；主體可樞轉地設置於底座，並再設置於五軸工具機之工作台面上。

Description

五軸空間精度量測治具

本揭露涉及加工技術領域，尤指一種可快速進行五軸工具機精度量測與補償工作的五軸空間精度量測治具。

基於全球能源轉型與航太產業帶動五軸高精度加工需求，業者為了節省人力與提高曲面加工精度，紛紛投入五軸加工設備發展，促使工件能一次性夾持下完成複雜的切削製程，並透過空間幾何運算做插補，以進行例如渦輪葉片、人工關節等產品高精度、高品質加工，以達到最佳效能要求。

傳統五軸精度量測方式需整合雷射干涉儀、指針式量表結合大型直規、方規、循圓測試儀等昂貴設備，進行含有線性軸21項誤差加上兩個旋轉軸22項誤差，共有43項誤差之量測項目，完成整個量測與精度校正與調整，不但過程煩雜且耗時。

此外，於利用精度量測治具對五軸工具機進行量測時，依量測項目的不同，必須多次移動治具，耗時且費工。再者，因為操作人員經驗與方式不同而造成量測上的偏差勢無法避免。

據此，如何發展出一種「五軸空間精度量測治具」，可快速進行五軸工具機的精度量測與補償工作之技術，是相關技術領域人士亟待解決之課題。

於一實施例中，本揭露提出一種五軸空間精度量測治具，其包含： 主體，具有第一側邊、第二側邊與第三側邊，第一側邊平行於第一方向且具有相對兩端，第二側邊與第三側邊分別連接於該相對兩端，第一側邊分別與第二側邊、第三側邊之間的第一夾角、第二夾角均為45度，第二側邊與第三側邊之間的第三夾角為90度；於主體之第一面上設有至少三個安裝孔，該至少三個安裝孔之中心連線平行於第一方向，且任二相鄰安裝孔中心之間的距離相同；以及 一底座，主體可樞轉地設置於底座，主體之樞轉軸心平行於第三方向，第一方向與第三方向相互垂直。

請參閱圖1至圖4所示，本揭露之五軸空間精度量測治具100，其例如包含一主體10與一底座30。其中主體10的材質為低膨脹係數的材料，例如可為花崗岩。

請參閱圖1至圖4所示，主體10例如是具有一第一側邊11、一第二側邊12與一第三側邊13之三角形塊體，但本揭露不作此限制；此三側邊均為平整之表面。

第一側邊11平行於一第一方向F1並具有相對兩端。第二側邊12與第三側邊13分別連接於第一側邊11之相對兩端。

請參閱圖3所示，第一側邊11與第二側邊12之間具有一第一夾角θ1。第一側邊11與第三側邊13之間具有一第二夾角θ2。第二側邊12與第三側邊13之間具有一第三夾角θ3。第一夾角θ1與第二夾角θ2均為45度，第三夾角θ3則為90度。藉此，使主體10呈現一直角三角形的外型。

請參閱圖1、圖3及圖4所示，主體10具有一第一面16，第一面16平行於由第一方向F1與一第二方向F2構成的平面，第一方向F1與第二方向F2相互垂直。第一面16的週緣與第一側邊11、第二側邊12及第三側邊13相鄰接，呈現直角三角形。

必須說明的是，圖示主體10的第一側邊11與第二側邊12鄰接處，第一側邊11與第三側邊13鄰接處，以及，第二側邊12與第三側邊13鄰接處，皆具有倒角，但是該些導角設計並非必要，例如，可以弧角取代導角，或保持尖角。

請參閱圖2及圖3所示，主體10第一面16上設有三個安裝孔14，各用以安裝一球體20。三個安裝孔14之中心連線C14平行於第一方向F1，且任二相鄰安裝孔14中心之間的距離D3相同。

於本實施例中，安裝孔14軸線均平行於第三方向F3並貫穿主體10。各球體20具有一固定座21，且固定座21具有一固定孔22。安裝孔14與固定孔22例如可為螺孔。藉由螺栓23穿設於對應之安裝孔14與固定孔22，可將球體20固定於主體10上。

球體20 是一種可應用於對五軸工具機進行光電式非接觸量測的光電式感測器模組之球形透鏡(probe styli, touch probe)。

請參閱圖3及圖4所示，各球體20平行於第二方向F2垂直伸出於第一側邊11上，各球體20之中心C20與第一側邊11之間的距離相同。

必須說明的是，主體10與球體20之間的連接方式不限於上述結構，能將球體20定位於主體10上，與各球體20之中心C20等高且與第一側邊11皆平行於第一方向F1即可。此外，球體20的數量不限於三個，但至少為三個。

請參閱圖1、圖2、圖4及圖5所示，底座30大致呈圓盤狀，於底座30頂部設有一柱體31，於底座3底部則設有四個定位孔32，定位孔32平行於第二方向F2貫穿底座30。

主體10樞設於柱體31，使主體10可樞轉地設置於底座30上。主體10之樞轉軸心C10平行於一第三方向F3。第一方向F1、第二方向F2與第三方向F3相互垂直。

如圖5所示，主體10可以樞轉軸心C10為中心轉動，使第二側邊12或第三側邊13平行於第一方向F1。主體10轉動至所需的角度後，可藉由螺栓、卡鉤、棘齒等物件或機構將主體10固定，使主體10維持在所需的角度而不致轉動。

必須說明的是，主體10與底座30之間的連接方式不限於上述結構，能將主體10可樞轉地定位於底座30上，且主體10之樞轉軸心C10平行於第三方向F3即可；至於主體10、球體20與底座30的相關尺寸則依實際應用時的五軸工具機之工作台面尺寸而定。

請參閱圖3及圖4所示，例如，若工作台面為直徑600毫米的圓形台面時，底座30的直徑D1可為300毫米，亦即底座30的外徑小於工作台面的外徑即可。此外，第一側邊11的長度L1可為537毫米。第一側邊11與底座30底部的距離D2可為270毫米。相鄰兩安裝孔14的中心C14的距離D3可等距同為220毫米，但亦可為不等距。主體10之第一側邊11至主體10的底緣15的長度L2可為233毫米，主體10的厚度T1可為30毫米。

球體20的中心C20向下投影位置沒有限制，於圖4中顯示球體20的中心C20的投影位置P1與底座30的中心C30錯位，但不限於此，例如，投影位置P1可落在底座30的中心C30。

請參閱圖6所示，以螺栓33穿設於底座30的定位孔32與五軸工具機200之工作台面202上的溝槽204，即可將五軸空間精度量測治具100可分離地設置於五軸工具機200之工作台面202上。

工作台面202平行於XY平面，XY平面是由相互垂直的X軸與Y軸構成，工作台面202平行於Z軸朝向上方，X軸、Y軸與Z軸相互垂直。

圖6所示工作台面202是圓形，因此將圓形的底座30同心設置於工作台面202上，但不限於此，例如，底座30可以偏心設置於工作台面202。

於圖6實施例中，五軸工具機200為搖籃式五軸工具機。但本揭露適用的五軸工具機並不限於搖籃式五軸工具機，工作台面202也不限於圓形。

請參閱圖7至圖10所示，說明本揭露所提供之五軸空間精度量測治具100應用於工作台面202上進行不同項目量測時之狀態。

請參閱圖7所示，五軸空間精度量測治具100設置於工作台面202上，工作台面202平行於X軸與Z軸構成的XZ平面，工作台面202平行於Y軸朝向前方。主體10的第一側邊11的長度方向平行於Z軸。利用一直徑式萬分量錶40A之錶針貼靠於第一側邊11上並且平行於Z軸移動，以及，利用另一直徑式萬分量錶40B錶針貼靠於主體10的第一面16並且平行於Z軸移動，藉此對工作台面202進行三軸真直度量測，再根據量測數據總合進行誤差分析與補償。本揭露不包括直徑式萬分量錶40A或直徑式萬分量錶40B。

請參閱圖8所示，五軸空間精度量測治具100設置於工作台面202上，工作台面202平行於X軸與Y軸構成的XY平面，工作台面202平行於Z軸朝向上方。主體10的第二側邊12的長度方向平行於X軸，主體10的第三側邊13的長度方向平行於Z軸。利用一直徑式萬分量錶40A錶針貼靠於第二側邊12並且平行於X軸移動，以及，利用另一直徑式萬分量錶40B錶針貼靠於第三側邊13並且平行於Z軸移動，藉此對工作台面202進行三軸垂直度量測，再根據量測數據總合進行誤差分析與補償。本揭露不包括直徑式萬分量錶40A或直徑式萬分量錶40B。

請參閱圖9所示，五軸空間精度量測治具100設置於工作台面202上，工作台面202平行於X軸與Z軸構成的XZ平面，工作台面202平行於Y軸朝向前方。主體10的第一側邊11的長度方向平行於Z軸。利用一光電量測模組50對各球體20進行量測，藉此對工作台面202進行三軸定位精度量測精度量測，再根據量測數據總合進行誤差分析與補償。上述光電量測模組50例如是中華民國發明專利第I378843號中之感測頭。本揭露不包括該光電量測模組50。

請參閱圖10所示，五軸空間精度量測治具100設置於工作台面202上，工作台面202平行於X軸與Y軸構成的XY平面，工作台面202平行於Z軸朝向上方。主體10的第一側邊11的長度方向平行於Y軸。利用光電量測模組50對各球體20進行量測，藉此對工作台面202進行A/C兩軸之旋轉軸誤差項量測，再根據量測數據總合進行誤差分析與補償。

上述A/C兩軸就搖籃式五軸工具機200而言，工作台面202環繞X軸旋轉的軸心稱之為A軸，而工作台面202環繞Z軸旋轉的軸心稱為C軸，如圖10中所標示軸A、軸C。

請參閱圖11A~11D所示，如前所述，球體20的數量不限於三個，但至少為三個，而且相鄰兩球體20之間的距離可以等距或不等距。欲達成上述目的，可於主體10設置等距或不等距的對應之安裝孔。

例如圖11A所示，主體10等距設有五個安裝孔14，於每一安裝孔14皆設有一球體20，共五個球體20且相鄰兩球體20的距離相同。

例如圖11B所示，主體10等距設有五個安裝孔14，但僅於其中四個安裝孔14設有球體20，共四個球體20且相鄰兩球體20的距離相同或不同。

例如圖11C所示，主體10不等距設有六個安裝孔14，但僅於其中四個安裝孔14設有球體20，共四個球體20且相鄰兩球體20的距離不同。

例如圖11D所示，主體10不等距設有四個安裝孔14，但僅於其中三個安裝孔14設有球體20，共三個球體20且相鄰兩球體20的距離不同。

綜上所述，本揭露所提供之五軸空間精度量測治具，具有特殊設計的三角形狀結構以搭配至少三個球體的位置裝設，在一次定位下即可量測誤差占比最大的至少28組數據，以最短的時間達到最大的精度改善效果，於量測過程中無須移動治具，且可共用三軸直度與兩軸角度運動量測，可快速且精準地量測出五軸工具機的空間幾何誤差，以作為插補運算數據的基礎。

本揭露利用建立高精度治具為基礎，量測工具機台的相對精度，可大幅降低雷射設備所需成本。此外，本揭露利用光電式非接觸量測技術與簡化流程，避免人為量測誤差，且有效加快量測效率。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:五軸空間精度量測治具 10:主體 11:第一側邊 12:第二側邊 13:第三側邊 14:安裝孔 15:底緣 16:第一面 20:球體 21:固定座 22:固定孔 23:螺栓 30:底座 31:柱體 32:定位孔 33:螺栓 40A,40B:直徑式萬分量錶 50:光電量測模組 200:五軸工具機 202:工作台面 204:溝槽 A.C:軸 C10:樞轉軸心 C14,C20,C30:中心 D1:直徑 D2,D3:距離 F1:第一方向 F2:第二方向 F3:第三方向 L1,L2:長度 P1:投影位置 T1:厚度 θ1:第一夾角 θ2:第二夾角 θ3:第三夾角

圖1為本揭露之一實施例之立體結構示意圖。 圖2為圖1實施例另一角度之立體結構且搭配球體之示意圖。 圖3為圖1實施例之前視結構示意圖。 圖4為圖1實施例之右側視結構且搭配球體之示意圖。 圖5為圖1實施力之主體樞轉於底座之結構示意圖。 圖6為圖1實施例固定於五軸工具機工作台面之結構示意圖。 圖7為圖1實施例應用於工作台面之三軸真直度量測之示意圖。 圖8為圖1實施例應用於工作台面之三軸垂直度量測之示意圖。 圖9為圖1實施例應用於工作台面之三軸定位精度量測之示意圖。 圖10為圖1實施例應用於工作台面之A/C兩旋轉軸誤差項量測之示意圖。 圖11A~11D為本揭露不同實施例搭配球體之前視結構示意圖。

100:五軸空間精度量測治具

10:主體

11:第一側邊

12:第二側邊

13:第三側邊

14:安裝孔

16:第一面

30:底座

31:柱體

32:定位孔

C10:樞轉軸心

F1:第一方向

F2:第二方向

F3:第三方向

Claims (4)

1. 一種五軸空間精度量測治具，其包含： 一主體，具有一第一側邊、一第二側邊與一第三側邊，該第一側邊平行於一第一方向並具有相對兩端，該第二側邊與該第三側邊分別連接於該第一側邊之該相對兩端，該第一側邊與該第二側邊之間具有一第一夾角，該第一側邊與該第三側邊之間具有一第二夾角，該第二側邊與該第三側邊之間具有一第三夾角，該第一夾角與該第二夾角均為45度，該第三夾角為90度；於該主體之一第一面上設有至少三個安裝孔，該至少三個安裝孔之中心連線平行於該第一方向且該任二相鄰安裝孔中心之間的距離相同；以及 一底座，該主體可樞轉地設置於該底座上，該主體之樞轉軸心平行於一第三方向，該第一方向與該第三方向相互垂直，該第一面垂直於由該第一方向與該第三方向構成的平面，該第一面的週緣與該第一側邊、該第二側邊及該第三側邊相鄰接。
2. 如請求項1之五軸空間精度量測治具，其中該至少三個安裝孔的軸線方向均平行於該第三方向。
3. 如請求項1之五軸空間精度量測治具，其中該底座的頂部設有一柱體，該主體樞設於該柱體上。
4. 如請求項1之五軸空間精度量測治具，其中該底座的底部設有複數定位孔。