测量设备及测量方法与流程

本发明有关一种测量设备及测量方法，尤其是涉及一种能提升测量精密度的测量设备及测量方法。

背景技术：

随着电脑数值控制(Computer Numerical Control，简称CNC)工具机技术蓬勃发展下，加工精度也不断提升，且广泛地应用在精密加工业，但加工物件在基于确保品质一致的目标下，需通过品质管理精度的检测规定。目前仍有部分产品采用人工检测，但人工检测不仅耗时且测量精度有限。因此，市场逐渐导入数字化自动检测的技术。

在现今品质管理的检测中，依产品的需求可反应出许多不同种类的检测特征项目。例如，汽车轮圈需检测的特征项目包含：中心孔径、铝圈直径、节圆直径(Pitch Circle Diameter，简称PCD)、偏转度、平面度、位置度、凸缘厚度等，其中，有些特征项目属于尺寸公差(Dimensioning Tolerance)可直接测量的检定项目。然而，有些特征项目属于具有相依性的几何公差(Geometric Tolerance)的检定项目，因而需要特征之间的相互比较，例如位置度、PCD、偏转度等，故通常需要通过人工检测方法完成品质的确认，例如，以千分表(Micrometer)为工具，且配合各式方式测量物件特征尺寸。

但是，在自动化生产线上，若以传统人工检测方式进行品管，不仅检测精度有限，且费时费工，尤其是精密加工的产品。

因此，在自动化生产线上配置自动检测系统，以增进产品的品管作业的速度，而提升整体产能效率，实为一重要课题。

技术实现要素：

本发明的一实施例提出一种测量设备，包括：多轴式运动装置；感测器，其设于该多轴式运动装置上，以通过该多轴式运动装置调整该感测器的方位，其中，该感测器的扫描限制包含该感测器的可运动范围、该感测器的扫描范围及欲测物件的轮廓的扫描死角；旋转装置，用于供该欲测物件设于其上并用以旋转该欲测物件，以令该感测器测量该旋转装置上的欲测物件；以及数据处理装置，其针对该感测器的扫描限制计算出该感测器的最佳扫描方位，以令该多轴式运动装置调整该感测器至最佳扫描方位。

前述实施例的测量设备中，该旋转装置设于一机台上。

前述实施例的测量设备中，该旋转装置为座体。

前述实施例的测量设备中，该旋转装置设有固定部件，以固定该欲测物件于该旋转装置上。

前述实施例的测量设备中，该多轴式运动装置包含位移组件，以位移该感测器。例如，该位移组件为机械手臂。或者，该位移组件包含两直线轨道及一旋转件，该些轨道为不同轴向且能相对移动，且该旋转件设于其中一该轨道上并设置该感测器。

前述实施例的测量设备中，该感测器为光学感测器。

前述实施例的测量设备中，该数据处理装置为电脑。

前述实施例的测量设备中，该旋转装置包含用以抵靠该欲测物件的杆件，其以其纵轴自转而带动该欲测物件旋转。

本发明的一实施例提出一种测量方法，包括：将欲测物件固定于一测量设备的扫描区，且利用该测量设备的感测器进行第一次旋转扫描而建立一物件坐标系统，且该物件坐标系统并建立于该测量设备的数据处理装置中，其中，该感测器的扫描限制包含：该感测器的可运动范围、该感测器的扫描范围及该欲测物件的轮廓的扫描死角；分析运算该感测器的最佳扫描方位，其包含：连结该物件坐标系统与一测量坐标系统，其中，该测量设备的设计定义出该测量坐标系统；对齐该物件坐标系统与该欲测物件的数值模型坐标系统，其中，该数值模型坐标系统内建于该数据处理装置中；及计算出该感测器在该数值模型坐标系统的扫描位置及角度，再转换至该测量坐标系统，以调整该感测器在该测量坐标系统的扫描位置及角度；依据该测量坐标系统的最佳扫描方位的数据调整该感测器的方位，以进行该欲测物件的轮廓测量；通过该数据处理装置将该轮廓测量数据由该测量坐标系统转换至该物件坐标系统；以及通过该数据处理装置计算出该欲测物件的特征项目。

前述实施例的测量方法中，该测量设备还包括：多轴式运动装置，用于设置该感测器以调整该感测器的方位；以及旋转装置，其设于该扫描区上以旋转该欲测物件，使该感测器能测量该旋转装置上的欲测物件。例如，该旋转装置于旋转该欲测物件时，该感测器会扫描测量出该欲测物件的参考基准面及基准轴，用于建立该物件坐标系统。

此外，该多轴式运动装置包含位移组件，以位移该感测器。例如，该位移组件为机械手臂。或者，该位移组件包含两直线轨道及一旋转件，该些轨道为不同轴向且能相对移动，且该旋转件设于其中一该轨道上并设置该感测器。

前述实施例的测量方法中，该感测器为光学感测器。

前述实施例的测量方法中，该数据处理装置为电脑。

前述实施例的测量方法中，是采用求解最佳化问题的方式计算出该感测器在该数值模型坐标系统的扫描位置及角度。例如，该求解最佳化问题的方式为基因演算法、模拟退火法或粒子群优化。

附图说明

图1为本发明的测量设备的第一实施例的立体示意图；

图1A为图1的局部剖面示意图；

图1B及图1C为图1的局部作动上视图；

图1D及图1E为图1的局部立体示意图；

图1F为图1的感测器于作动时的平面示意图；

图1G及图1H为图1的感测器于作动时的立体示意图；

图2A为本发明的测量设备的第二实施例的立体示意图；

图2B为图2A的另一状态的立体示意图；

图3A为本发明的测量设备的第三实施例的局部立体示意图；

图3B为图3A的另一状态的立体示意图；

图4为本发明的测量方法的流程示意图；

图4A及图4B为本发明的测量设备应用于图4的步骤中的坐标系统的显示图；

图4C为本发明的测量设备应用于图4的调整感测器的位置及角度至最佳或较佳扫描方位的示意图；以及

图5为图4的步骤S3的计算方法的示意图。

符号说明

1,2,3 测量设备

10,30 旋转装置

11 多轴式运动装置

110 支撑架

110a 立柱

12a,12b 感测器

13 数据处理装置

14 固定平台

14a 承载面

15 固定部件

150 夹具

16 位移组件

17 第一机械手臂

17a,17b 轨道

17c 第一旋转件

18 第二机械手臂

18a,18b 轨道

18c 第二旋转件

20 升降机构

24 输送平台

24a 滚杆

240 开口

30a 杆件

9 欲测物件

9’ 物件轮廓

90 孔洞

A 投影面积

D 深度距离

P 感测范围

R,C 箭头方向

S1～S3 步骤

θ 视角范围。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

需知，本说明书所附的附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士的了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」「第一」、「第二」及「一」等的用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当也视为本发明可实施的范畴。

图1为本发明的测量设备1的第一实施例的立体示意图。

如图1所示，本发明的测量设备1包括：一旋转装置10、一多轴式运动装置11、多个感测器12a,12b以及一数据处理装置13。

所述的旋转装置10设于一生产线的机台(如固定平台14)的扫描区上，且用以旋转至少一如轮圈的欲测物件9。

在本实施例中，该旋转装置10具有一转轴，其转轴的轴向平行该固定平台14的承载面14a的垂直轴向(如上下方向或如图1所示的Z轴方向)，使该欲测物件9可相对该垂直轴向旋转。

此外，该旋转装置10可通过升降机构(图略)上、下线性移动(如图1所示的Z轴方向)，且该旋转装置10设有一固定部件15，如图1A所示，以固定该欲测物件9，使该欲测物件9得以该垂直轴向(Z轴方向)作为转轴进行旋转。

又，该固定部件15包含多个夹具150(如图1B所示)及一用来驱动该些夹具150的马达(图略)。例如，该夹具150为铳夹式，其可向外伸展(如图1C所示)以抵靠该欲测物件9的孔洞90(例如，位于该轮圈底面的中心或底面的其它位置)的壁面而卡固该欲测物件9，并可依该欲测物件9的大小移动，以便于固定不同尺寸的欲测物件9。

因此，当该欲测物件9位于该固定平台14对应该旋转装置10的位置上时，该旋转装置10会上升，再通过该固定部件15的马达带动该夹具150以夹持该欲测物件9(如图1C所示的状态)，以便进行检测。待检测结束后，该马达带动该夹具150松开(如图1B所示的状态)该欲测物件9，再令该旋转装置10下降，使该欲测物件9能移至下一个作业区。

另外，该欲测物件9的种类繁多，但本发明是基于测量时的旋转运动，故该欲测物件9的种类特别针对具基准面/基准轴的欲测物件9，也就是针对轴对称性的工件，常见具有中心孔径(central hub)等物件，如轴承(bearing)、刹车盘(brake disc)等，并不限于上述的圆形轮圈(wheel)。

所述的多轴式运动装置11架设于该固定平台14上且于测量时位于该旋转装置10的周围。

在本实施例中，该多轴式运动装置11为龙门状，其包含一可移动地设于该固定平台14上的支撑架110、及一设于该支撑架110上的位移组件16，以令该位移组件16可通过该支撑架110的移动而位于该旋转装置10的上方与左侧(及/或右侧)。

此外，该支撑架110可利用如轨道的位移机构(图略，其配置于该固定平台14的左右两侧边)沿该固定平台14的前后方向(如图1所示的X轴方向)直线移动。

又，该位移组件16包含第一机械手臂17与第二机械手臂18，该第一机械手臂17位于该旋转装置10的上方，且该第二机械手18位于该旋转装置10的左侧。

具体地，如图1D所示，该第一机械手臂17包含二个直线轨道17a,17b及一个第一旋转件17c，其中，该些直线轨道17a,17b为不同轴向(如图所示的Y轴轨道17a与Z轴轨道17b)，且Y轴轨道17a跨设于该支撑架110的两立柱110a上，而该Z轴轨道17b设于该Y轴轨道17a上以相对该支撑架110左右移动并能相对该Y轴轨道17a上下伸缩，该第一旋转件17c设于该Z轴轨道17b的下端部并以Y轴作为转轴进行旋转(如箭头方向R的前后摆动)。

另一方面，如图1E所示，该第二机械手臂18包含二个直线轨道18a,18b及一个第二旋转件18c，其中，该些直线轨道18a,18b为不同轴向(如图所示的Y轴轨道18a与Z轴轨道18b)，且Z轴轨道18b铺设于该支撑架110的其中一立柱110a上，而Y轴轨道18a设于该Z轴轨道18b上以相对该立柱110a下上移动并能相对该Z轴轨道18b左右伸缩，该第二旋转件18c设于该Y轴轨道18a的左端部并以X轴作为转轴进行旋转(如箭头方向C的左右摆动)。

因此，在进行测量作业时，可先移动该支撑架110以调整其立柱110a的位置，使该第一机械手臂17位于该旋转装置10的上方，再作动该第一与第二机械手臂17,18。

所述的感测器12a,12b分别设于该多轴式运动装置11的第一与第二旋转件17c,18c上，以通过该第一机械手17与第二机械手臂18位移该些感测器12a,12b而调整该些感测器12a,12b的测量方位，使该些感测器12a,12b能有效测量该旋转装置10上的欲测物件9。

在本实施例中，该感测器12a,12b为光学距离感测器(optical distance sensor)，如激光式测量模块，但本发明不限于此。

此外，该感测器12a,12b的扫描限制(constraints)包含该感测器12a,12b的可运动范围、该感测器12a,12b的扫描范围及该欲测物件9的轮廓的扫描死角。具体地，该感测器12a,12b为光学距离感测器，其用于扫描物件表面以测量几何尺寸，但扫描时容易因物件轮廓9’而具有扫描死角(如图1G所示的虚线)，且该感测器12a,12b的规格也具有扫描限制(constraints)，如图1F所示的视角范围θ(View Angle，入射与表面法线夹角限制)、有效感测深度距离D(Depth Of Field，扫描深度范围限制)等，再加上该感测器12a,12b的可运动范围受限于该多轴式运动装置11，故需克服上述限制条件才可测量取得完整的有效数据，例如，调整该感测器12a,12b的方位以解决该物件轮廓9’的扫描死角的问题(如图1H所示)。

因此，所述的感测器12a,12b的可运动范围为依据该多轴式运动装置11的设计，且所述的感测器12a,12b的扫描范围为依据该感测器12a,12b的种类，而所述的欲测物件9的轮廓的扫描死角为依据该欲测物件9的构造。

此外，考虑该欲测物件9于安装时的姿态上的随机偏差，进而动态调整该感测器12a,12b的位置及姿态，并于固定后，通过旋转该欲测物件9的运动方式进行测量该欲测物件9的轮廓，以进行特征尺寸检测，且更可测量一些特殊的动态特征项目，如动态偏转度公差等。

所述的数据处理装置13用以处理该感测器12a,12b的扫描限制，使该多轴式运动装置11能调整感测器12a,12b至最佳扫描方位。

在本实施例中，该数据处理装置13为控制室电脑或可携式电脑，其包含控制器、运算单元、处理器或已知配备等。

此外，该数据处理装置13以有线式或无线式接收该些感测器12a,12b的相关数据信号，其中，该数据信号包含：该些感测器12a,12b的可运动范围、该些感测器12a,12b的扫描范围及该欲测物件9的轮廓的扫描死角。

又，该数据处理装置13可电连接该多轴式运动装置11，以操控该多轴式运动装置11的运动。

图2A及图2B为本发明的测量设备2的第二实施例的立体示意图。本实施例与第一实施例的差异在于生产线的机台，其它构造大致相同，因而不再赘述相同处。

如图2A所示，该生产线的机台为输送平台24，其输送带由多个滚杆24a平放所构成。

在本实施例中，该输送平台24于对应该旋转装置10的位置处形成开口240，如图2B所示，以令该旋转装置10通过升降机构20上升后可夹固该欲测物件9。

于其它实施例中，该输送平台24的输送带也由如延展性佳的绝缘带状体构成。

图3A及图3B为本发明的测量设备3的第三实施例的立体示意图。本实施例与第二实施例的差异在于旋转装置，其它构造大致相同，因而不再赘述相同处。

如图3A及图3B所示，该旋转装置30包含可左右方向移动的直立杆件30a，以于该欲测物件9位于扫描区时，该些杆件30a由外向内移动以抵靠该欲测物件9而夹固该欲测物件9。

在本实施例中，该旋转装置30的杆件30a的数量为四个，其相互间隔设置并构成矩形轮廓范围，以利于夹固该欲测物件9。

此外，该杆件30a以其纵轴(如上下方向或如图3A所示的Z轴方向)自转而带动该欲测物件9旋转。应可理解地，该杆件30a与该欲测物件9之间的相互运动如同拨转，故两者的间的旋转作动构造可利用齿轮、摩擦力或现有技术等方式设计。

另一方面，在第一至第三实施例中，虽然该测量设备1,2,3设有两个感测器12a,12b，但该些感测器12a,12b为配合该多轴式运动装置11的设计，故应可理解地，该测量设备也可仅设置一个感测器或设置三个以上的感测器，只要能扫描该欲测物件9的上方及侧向即可。

图4为本发明的测量方法的流程图。在本实施例中，该测量方法可利用上述实施例的测量设备1,2或3进行。

待该待测物件(如该欲测物件9)固定于扫描区(如夹固于该旋转装置10,30上)后，取得该待测物件的一物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)，如图4A所示。具体地，利用该支撑架110与该第一机械手臂17，将该感测器12a移动至该旋转装置10,30的转轴处(如中心处)上方，再利用该旋转装置10,30将该欲测物件9旋转一圈并同步利用该感测器12a进行测量扫描以测量出该欲测物件9的参考基准面及基准轴，用于建立该物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)于该数据处理装置13中。

接着，分析运算该第二机械手臂18的感测器12b的最佳扫描方位，如图所示的步骤S1至步骤S3，具体如下所述：

步骤S1：连结该物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)与一测量坐标系统(Xm,Ym,Zm)，其中，如图4A所示，由该测量设备1,2或3的设计定义出该测量坐标系统(Xm,Ym,Zm)。在本实施例中，因该欲测物件9固定于该测量设备1,2或3时会有随机偏差，故需建立该物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)与该测量坐标系统(Xm,Ym,Zm)的转换关系。

步骤S2：对齐该物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)与该欲测物件9的数值模型(CAD model)坐标系统(Xc,Yc,Zc)，如图4B所示，以建立该物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)与该CAD模型坐标系统(Xc,Yc,Zc)的转换关系。在本实施例中，该CAD模型坐标系统(Xc,Yc,Zc)内建于该数据处理装置13中。

步骤S3：计算出该感测器12b在该CAD模型坐标系统(Xc,Yc,Zc)的扫描位置及角度，再转换至该测量坐标系统(Xm,Ym,Zm)，以调整该感测器12b在该测量坐标系统(Xm,Ym,Zm)的扫描位置及角度。

在本实施例中，分析该欲测物件9的曲面以机率方法逼近求解最佳扫描位置及姿态(角度)，也就是采用机率方法(probabilistic technique)逼近求解最佳化问题(Optimization problem)。例如，本步骤S3的最优化演算法(Optimization Algorithms)为基因演算法(Genetic Algorithm，简称GA)，以计算该感测器12b在该CAD模型坐标系统下的最佳扫描位置及角度。于其它实施例中，该最优化演算法也可为模拟退火法(Simulated annealing，简称SA)、粒子群优化(Particle Swarm Optimization，简称PSO)等，并无特别限制。

此外，如图5所示，应用该基因演算法(GA)的具体实施方式可包含：

初始化(Initialization)：设计每个染色体具有六个基因(包含扫描位置3个参数、姿态角度3个参数)，并定义每个基因的值域范围(即该感测器12a,12b的可运动范围)。

评估(Evaluation)：计算此世代族群的所有染色体(即扫描位置、角度)的适应值(其表示扫描欲测物件曲面所能有效涵盖的范围大小)。

终端判断(termination criteria)，判断整体染色体的适应值优劣，若可通过结束门槛，则所有染色体计算平均值(即扫描位置、角度)作为最佳解；若否，则进入选择(Selection)、复制(Reproduction)、交叉(Crossover)、突变(Mutation)等过程，再重新评估。

又，该感测器12b具有以下扫描限制：该感测器12b的可运动范围；因物件轮廓而可能出现的扫描死角；以及感测器的感测范围或扫描限制，如视角(View Angle)、景深距离(Depth Of Field)等。因此，通过所谓的最优化演算法以求取在测量该欲测物件9的曲面时，可满足最多测量范围的感测器12b的扫描位置及角度，以达成可产生最少无效测量数据的目的。

在完成步骤S3之后，如图4所示，进行第二次旋转扫描测量，通过该第二机械手臂18将该感测器12b调整至最佳或较佳的扫描方位，如图4C所示(该感测器12b的感测范围P可涵盖该欲测物件9的曲面的投影面积A)，再启动该旋转装置10,30，使该些感测器12a,12b进行同步轮廓测量，并以该数据处理装置13处理该些感测器12a,12b的轮廓测量数据，且将该轮廓测量数据由该测量坐标系统(Xm,Ym,Zm)转换至该物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)，以将该轮廓测量数据进行特征公差的计算。

最后，该数据处理装置13读取及存储该物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)的轮廓测量数据，以计算该欲测物件9的特征精度或特征公差。

因此，本实施例的测量方法配合前述各实施例的测量设备1,2,3，通过该旋转装置10,30及该多轴式运动装置11克服该感测器12a,12b的扫描限制，故使用者将该欲测物件9固定安装至该旋转装置10,30，利用该第一机械手臂17的感测器12a测量该欲测物件9的基准面及基准轴，以计算其此时被固定在空间上的物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)，再连结该测量设备1,2,3的测量坐标系统(Xm,Ym,Zm)。之后，经由对齐该物件坐标系统(Xo,Yo,Zo)与该模型坐标系统(Xc,Yc,Zc)，以计算该欲测物件9于该模型坐标系统中的最佳测量角度，即可经由该模型坐标系统(Xc,Yc,Zc)中的最佳位置及姿态换算后，自动调整该第二机械手臂18的感测器12b在该测量坐标系统(Xm,Ym,Zm)中的最佳扫描位置及姿态，以进行多个感测器12a,12b的同步测量，用于避免扫描无效测量的问题。

此外，本实施例基于已知该欲测物件9的数值模型(CAD model)，针对欲扫描的特征在克服该感测器12b的扫描限制时，可分析计算出该感测器12b在该模型坐标系统(Xc,Yc,Zc)中的较佳或最佳位置及姿态。

又，应可理解地，本发明的测量方法不限应用于前述各实施例的测量设备1,2,3，特此述明。

由上各实施例可知，本发明的测量设备及测量方法，可通过旋转装置及多轴式运动装置克服感测器的扫描限制，以解决或减少无效测量的问题、解决测量时需反复调整的作业流程及减少人工作业时间等，且能减少因运动所造成的测量误差。

综上所述，本发明的测量设备及测量方法，可应用于自动化生产线上，不仅能提升检测精度，且省时省力，尤其是精密加工的产品。

上述实施例仅用以例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。