[发明专利]具有空间位置误差补偿的数值控制工具机

说明书

一种工具机包括刀具、主轴、三轴移动平台、三轴位置感测装置、三轴角度感测模块、误差补偿单元以及控制器。三轴移动平台分别用以夹持一加工工件或是承载主轴与刀具，且沿X轴、Y轴或Z轴运动。各轴感测位置装置用以感测各轴移动平台所在位置，而发出各轴移动平台位置信息。各轴角度感测模块用以感测各轴移动平台的三种转动角度，而产生各轴角度误差信息。误差补偿单元用以接收各轴感测位置信息及角度误差信息而产生空间加工位置误差补偿信息。控制器用以根据加工位置误差补偿信息操作三轴移动平台而将加工工件进行空间位置误差补偿切削加工。

技术领域

本发明涉及一种具有空间位置误差补偿功能的数值控制工具机，尤其涉及一种实时补偿空间加工位置误差的数值控制工具机。

背景技术

1890年，阿贝博士(Ernst Karl Abbé,1840-1905)在德国卡尔蔡司(Carl Zeiss)工厂工作时，对量测仪器设计提出了指导性的原则:“在位移量测仪上，该感测位置装置的量测轴线须与该量测探头的运动轴线一致，否则会因运动轴的角度误差产生量测位置误差”，这种误差即称为阿贝误差(Abbe error)，此原则亦称为阿贝原则(Abbe Principle)。阿贝原则已被公认为精密机械的设计准则，可应用于工具机、量测仪器、精密定位平台等。

数值控制工具机是工业界普遍使用中的精密加工设备。任何多轴的数值控制工具机都是由基本的线性运动轴为基底加上旋转轴所搭建出来的。数值控制工具机的线性移动台是利用装置于线性移动台下方对应其移动轴的位移传感器来测量线性移动台实际位移量，达到精密定位的功能。但是，一般的线性移动台由于结构设计的限制，其位移传感器，所装设的量测轴线无法和其在空间加工点的运动轴线同轴，也就是说一般数值控制工具机的结构设计是不符合阿贝原则的，各轴移动台位置传感器的感测点和刀具的空间加工点之间仍存在一个空间位置的偏位，俗称阿贝偏位(Abbe offset)。由于各轴移动时具有三种角度误差(Angular errors)，在国际标准规范ISO230-1中分别定义为:俯仰(Pitch)、摇摆(Yaw)及滚动(Roll)，每一种角度误差会因为阿贝偏位而造成实际空间加工点位置和三轴位置传感器所显示的位置值不同，也就是说所谓的空间位置误差，影响数值控制工具机的加工精度相当大。

现有的工具机空间位置误差补偿法是先经过校正并储存对应的空间位置误差值而建立位置误差表，再以软件修正指定的位移量做位置误差补偿，此即所谓的前馈误差补偿(Feed-forward error compensation),如US 4945501、US5021941、US7171320 B2、US6430465B2、US6164117 A。前馈误差补偿法只有感测并回馈位置信息，且需要大量的记忆空间以建立误差表，这个误差表并非实时数据，当操作环境变化时这个误差值会随着变化，所以只能补偿先前校正过的空间位置误差。

发明内容

本发明提供了一种适用于工具机的实时空间位误差补偿方法，以解决现有技术所需解决的技术问题。更详细的说，是提供一种因三轴移动平台的角度误差而产生一空间加工位置误差的补偿方法。

根据本发明的一实施例，其揭露了一种工具机包括刀具、主轴、三轴移动平台、三轴感测位置装置、三轴角度感测模块、误差补偿单元以及控制器。移动平台有三个，分别用以夹持加工工件或是承载主轴与刀具，且沿X轴、Y轴或Z轴运动。各轴感测位置装置设置于各轴移动平台下方，用以感测各轴移动平台所在位置，而发出各轴移动平台位置信息。各轴角度感测模块紧邻于各轴移动平台，用以感测各轴移动平台的俯仰、摇摆与滚动三种转动角度，而产生各轴角度误差信息。误差补偿单元电连接三轴角度感测模块及三轴感测位置装置，用以接收各轴感测位置信息及角度误差信息而产生一空间加工位置误差补偿信息。控制器电连接主轴、三轴移动平台、三轴感测位置装置、以及误差补偿单元，用以根据误差补偿单元所产生的加工位置误差补偿信息操作三轴移动平台而将加工工件进行空间位置误差补偿切削加工。