本發(fā)明是一種應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)及其誤差補(bǔ)償方法，特別是指一種使用校正單元建立參考機(jī)制，并通過參考機(jī)制補(bǔ)償量測中幾何誤差及熱誤差的雙球桿系統(tǒng)及其誤差補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)用的加工或組裝機(jī)器或裝置例如工具機(jī)及機(jī)器手臂，各零組件的定位及運(yùn)動(dòng)誤差直接決定機(jī)器的品質(zhì)好壞，為提升機(jī)器或裝置的整體精度，在零組件組裝階段即要以量測裝置控制各零組件的組裝品質(zhì)，在組裝完成后更要以量測裝置量測整體的誤差表現(xiàn)，針對特定的誤差例如幾何誤差或熱誤差，以適當(dāng)方法加以補(bǔ)償。

雙球桿是許多量測裝置的關(guān)鍵組件，其兩端具有球軸承元件，例如量測球或是球窩，并與量測裝置中其它組件上的球軸承元件互補(bǔ)配合，雙球桿上安裝有位移感測器，例如線性可變差分變壓器(LVDT)、激光干涉儀、磁性尺或是光學(xué)尺等，用以量測雙球桿二末端球軸承中心間的距離或位移變化，本說明書中稱此雙球桿兩端量測球中心間的距離為雙球桿中心距離。

已知的LVDT雙球桿量測裝置所量測的行程較短，約小于5mm，且激光雙球桿的價(jià)格昂貴。而采用光學(xué)尺或磁性尺等線性量測尺作為位移感測器的雙球桿，不僅可以降低成本，也可輕易將量測范圍增加至100mm以上。由于使用光學(xué)尺的雙球桿的量測范圍加大，使得量測路徑不局限于單一圓路徑，可以是工作空間內(nèi)的任意路徑及其組合，或是受測機(jī)器受測線性軸或轉(zhuǎn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的路徑，應(yīng)用范圍極大。在本說明書中，稱使用光學(xué)尺的位移感測器的雙球桿為光學(xué)尺雙球桿。

導(dǎo)致光學(xué)尺雙球桿中心距離有誤差的原因極多，可大致分為二類：幾何誤差及熱誤差。例如：光柵尺安裝后不在二量測球中心的連線上、光柵尺方向與二量測球中心的連線不平行、或是雙球桿的結(jié)構(gòu)受重力影響而產(chǎn)生撓曲變形，此類誤差為幾何誤差，具有時(shí)不變特性；另一方面，環(huán)境溫度變化會(huì)造成光學(xué)尺雙球桿元件的熱脹冷縮，使讀頭相對光柵尺產(chǎn)生移動(dòng)，這類誤差則為熱誤差，具有時(shí)變特性。

由于光學(xué)尺讀頭內(nèi)部有電子線路，通電后會(huì)產(chǎn)生熱量，讀頭熱源的功率雖然很小，但因光學(xué)尺雙球桿各元件的質(zhì)量也小，讀頭熱源也會(huì)造成不可忽略的熱誤差。光學(xué)尺雙球桿的時(shí)不變幾何誤差與時(shí)變熱誤差是一并反映在位移量測中，使光學(xué)尺雙球桿的中心距離與位移感測器量測值間的關(guān)系變得非常復(fù)雜，并不具簡單及恒定的線性關(guān)系，且即使使用其他例如磁性尺或激光雙球桿作為位移感測器，上述的熱誤差仍然無法避免。

因此，目前所習(xí)用的雙球桿量測裝置雖然可以通過使用光學(xué)尺或量測尺增大量測行程，但仍未能克服光學(xué)尺雙球桿的中心距離誤差問題，不具備足夠的量測精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為此，鑒于目前雙球桿量測技術(shù)在中心距離誤差控制上所遭遇的障礙，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)及其誤差補(bǔ)償方法，期望通過消除目標(biāo)裝置中雙球桿的幾何誤差以及熱誤差，以得到最佳的量測精度。

依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，提供一種應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)，包含一校正單元、至少一雙球桿為參考雙球桿、至少一雙球桿為工作雙球桿以及一量測模塊。

校正單元設(shè)有至少兩個(gè)球支撐件，此二球支撐件相距一參考中心距離。本實(shí)施方式稱裝設(shè)于校正單元上的雙球桿為參考雙球桿，裝設(shè)于目標(biāo)裝置中的雙球桿為工作雙球桿，參考雙球桿兩端設(shè)置于校正單元的二球支撐件上，且參考雙球桿隨著一環(huán)境溫度的變化而量出一熱誤差位移。此熱誤差位移是參考雙球桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受熱變形所產(chǎn)生的熱誤差，在此一系統(tǒng)內(nèi)，校正單元上二個(gè)球支撐件的參考中心距離不隨環(huán)境溫度的變化而變化。工作雙球桿與參考雙球桿處于同一個(gè)環(huán)境溫度下，且一同受到環(huán)境溫度變化影響。目標(biāo)裝置安裝于受測機(jī)器上，驅(qū)動(dòng)機(jī)器進(jìn)行量測或運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)裝置中的工作雙球桿受帶動(dòng)而產(chǎn)生位移，并量出一位移感測值。量測模塊由上述參考中心距離以及相應(yīng)的雙球桿位移感測值建立校正點(diǎn)及中心距離函數(shù)，并且以中心距離函數(shù)計(jì)算上述工作雙球桿的一中心距離，再另外依據(jù)參考雙球桿量出的熱誤差位移補(bǔ)償工作雙球桿的中心距離，以補(bǔ)償后的工作雙球桿中心距離作后續(xù)的量測數(shù)據(jù)處理。

概略地描述本實(shí)施方式的架構(gòu)原理，參考中心距離是用于消除工作雙球桿的幾何誤差，而熱誤差位移則是用于消除工作雙球桿的熱誤差。在目標(biāo)裝置量測時(shí)需要準(zhǔn)確量出工作雙球桿二末端量測球中心間的中心距離。由于工作雙球桿的幾何誤差、撓曲變形誤差，或是室溫變化及感測器熱源造成的熱誤差等諸多原因，工作雙球桿的中心距離與位移感測值間的關(guān)系不是線性，已知的關(guān)系也不是恒定不變，而是會(huì)隨環(huán)境溫度變化及使用情況而有動(dòng)態(tài)變化。在這樣的狀態(tài)下，位移感測值的數(shù)值不僅并非是真實(shí)的中心距離，其內(nèi)還包含了許多變動(dòng)誤差。

透過量測模塊依據(jù)對應(yīng)的工作雙球桿在量測中的行為模式、參考中心距離以及位移感測值建立應(yīng)用于工作雙球桿的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，工作雙球桿的幾何誤差可以被精準(zhǔn)地考慮而消除之。詳細(xì)言之，將工作雙球桿放置在校正單元已知參考中心間距離的二球支撐件上即可定義一個(gè)校正點(diǎn)，校正點(diǎn)記錄了工作雙球桿在此長度(即參考中心距離)下的位移感測值，故當(dāng)工作雙球桿的位移感測值有所變動(dòng)時(shí)，即可依據(jù)校正點(diǎn)的資訊計(jì)算出準(zhǔn)確的中心距離。當(dāng)然，校正單元可以設(shè)置多個(gè)球支撐件，如此能夠產(chǎn)生不同長度的參考中心距離、以及對應(yīng)不同參考中心距離的位移感測值，得出多個(gè)校正點(diǎn)，使可供參考的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)更趨完整。

另外，習(xí)知的量測技術(shù)對于誤差的補(bǔ)償機(jī)制僅在特定實(shí)驗(yàn)條件下建立，此種方式的缺點(diǎn)在于：此機(jī)制僅適用于特定實(shí)驗(yàn)條件，例如實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度。然而，真實(shí)的環(huán)境溫度是持續(xù)動(dòng)態(tài)變化的，并不存在一個(gè)固定的誤差補(bǔ)償值，故導(dǎo)致上述習(xí)知方式失去補(bǔ)償?shù)木_度。在本實(shí)施方式中，由于參考中心距離的大小為固定，而工作雙球桿又始終與參考雙球桿在同樣的環(huán)境溫度下，故參考雙球桿量出的熱誤差位移可以較精確地即時(shí)反映工作雙球桿的熱誤差位移，可以即時(shí)地補(bǔ)償工作雙球桿中心距離的熱誤差。

在一實(shí)施例中，有關(guān)上述中心距離的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，在本發(fā)明中稱此計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為一中心距離函數(shù)。量測模塊可由校正點(diǎn)建立一中心距離函數(shù)來作為統(tǒng)一格式的計(jì)算規(guī)則。而由以上介紹可理解的是，工作雙球桿在各種狀態(tài)下的位移感測值將被視為函數(shù)的輸入值，輸出值則為經(jīng)過函數(shù)計(jì)算過后的中心距離。中心距離函數(shù)在本實(shí)施方式中并不限制應(yīng)當(dāng)采取何種形式，其可以是一補(bǔ)償用表格(例如有許多校正點(diǎn)可供查表)、一隱函數(shù)或者一顯函數(shù)，只要中心距離函數(shù)包含了位移感測值及其參考中心距離而可供帶入求解，皆是本實(shí)施方式所適用的。

前述的校正單元可以采用或石英玻璃為材料，上述這些材料的特性是熱膨脹系數(shù)非常小，例如的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，如此可以確保球支撐件不會(huì)隨著校正單元熱脹冷縮而改變彼此距離，故上述熱誤差位移的來源可以視為是來自參考雙球桿，不需要再考慮校正單元的脹縮問題。球支撐件可以黏著劑或螺絲固定于校正單元，可以另外使用定位銷或定心錐面等有形拘束，并采用磁性球窩來固定雙球桿，例如與雙球桿的兩端以三點(diǎn)接觸的方式固定。由于磁性球窩的吸附固定方式以及球窩形狀因素，此可以較大程度地確保參考中心距離不受安裝可能造成的幾何誤差影響，且即使參考雙球桿兩端的量測球有尺寸誤差，參考中心距離亦不受到此影響。

如同前述所說，球支撐件的設(shè)置數(shù)量可以多于兩個(gè)，例如當(dāng)球支撐件的數(shù)量為四，且參考雙球桿的數(shù)量為二時(shí)，另一參考雙球桿可以兩端設(shè)于任兩個(gè)球支撐件上，此時(shí)形成至少第二組參考中心距離，而為了使校正點(diǎn)具有實(shí)際意義，每一個(gè)參考中心距離應(yīng)設(shè)置成各自相異。此處的校正點(diǎn)數(shù)量可視工作雙球桿中心距離的誤差特征決定，誤差特征越復(fù)雜，中心距離函數(shù)也越復(fù)雜，設(shè)置的校正點(diǎn)數(shù)量亦宜增加。

在測量實(shí)務(wù)中，工作雙球桿所需測量的位移經(jīng)常并非水平位移，故在一實(shí)施例中，校正單元可以是水平置放或是與一水平面夾一傾斜角度置放。由于雙球桿結(jié)構(gòu)承受的彎矩與雙球桿與水平面的傾斜角度有關(guān)，例如傾斜角度是零度時(shí)，參考雙球桿為水平，其中央承受的彎矩最大，撓曲變形誤差也會(huì)最大，反之，當(dāng)傾斜角度為90度時(shí)，彎矩以及撓曲變形誤差皆為零。

由此，當(dāng)工作雙球桿不只一支時(shí)，上述傾斜角度可以采用各支工作雙球桿與水平面的夾角角度的平均值，建立中心距離函數(shù)時(shí)，校正板以傾斜角度置放，工作雙球桿即有相同的傾斜角。

由于雙球桿的剛性有限，傾斜角度對中心距離函數(shù)的影響無法忽略，因此傾斜角度也可做為中心距離函數(shù)的輸入?yún)?shù)，例如以30度、60度或90度建立校正點(diǎn)及中心距離函數(shù)，并依照不同球支撐件之間的參考中心距離，例如工作雙球桿在最小、最大及中間等不同中心距離，建立不同的校正點(diǎn)及中心距離函數(shù)。

目標(biāo)裝置量測時(shí)，各工作雙球桿的實(shí)際傾斜角可由工作雙球桿兩端的球軸承中心的位置算出，將位移感測值及傾斜角度代入中心距離函數(shù)，即可得出工作雙球桿的中心距離。

關(guān)于參考雙球桿以及工作雙球桿的結(jié)構(gòu)，兩者皆可以包含一讀頭桿組件、一尺桿組件，讀頭桿組件與尺桿組件分別包含一導(dǎo)軌座，兩個(gè)導(dǎo)軌座上分別具有至少一滾動(dòng)軸承，讀頭桿組件與尺桿組件分別包含平行的至少一管件，這些管件用于連接滾動(dòng)軸承以及上述兩個(gè)桿組件，且這些管件可以線性展收，并依靠滾動(dòng)軸承來相互滾動(dòng)導(dǎo)引兩個(gè)桿組件。

再者，在上述實(shí)施方式中，位移感測值可以采用讀頭以及供讀頭讀取的光柵尺來量測，讀頭可以裝設(shè)在讀頭桿組件上，光柵尺則裝設(shè)在尺桿組件上。尺桿組件一端可以包含一撓性結(jié)構(gòu)，借此固定光柵尺的一端，當(dāng)兩個(gè)桿組件相互導(dǎo)引時(shí)，讀頭相對光柵尺于長度方向自由移動(dòng)，使位移感測值隨的改變。另外，雙球桿可藉采用的管件構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)，上述讀頭以及光柵尺可以被安裝在對應(yīng)的桿組件上，如此能夠使變形造成的誤差降至最低。前述的參考雙球桿或工作雙球桿可以使用光學(xué)尺雙球桿或磁性尺雙球桿，且其內(nèi)部使用的管件可以采用殷鋼、或石英玻璃為材料。

在一實(shí)施例中，除了克服幾何誤差的問題外，光柵尺亦可以采用殷鋼、或石英玻璃為材料，以熱膨脹系數(shù)為零的為例，光柵尺在受熱后不會(huì)發(fā)生膨脹，因此受到環(huán)境溫度變化或讀頭熱源影響而產(chǎn)生的熱誤差可以視為零。此狀態(tài)下，參考雙球桿所量出的熱誤差僅來自構(gòu)成中心距離的各部元件的熱誤差，故以一支參考雙球桿即可量出目標(biāo)裝置中任一工作雙球桿的熱誤差位移，并加以補(bǔ)償之。反之，以熱膨脹系數(shù)較低但不為零的殷鋼為例，此時(shí)由于熱誤差不僅來自于構(gòu)成中心距離上的元件，還包含光柵尺自體因熱脹冷縮造成的誤差，在此狀態(tài)下，雙球桿系統(tǒng)可再包含另一參考雙球桿，兩參考雙球桿分別以最大及最小的參考中心距離裝設(shè)于校正單元上，在利用中心距離函數(shù)求出工作雙球桿的中心距離后(介于兩個(gè)參考中心距離之間)，即可利用兩參考雙球桿的熱誤差位移，依照距離比例關(guān)系計(jì)算出補(bǔ)償量。

由上述可知，本實(shí)施方式不需強(qiáng)制使用熱誤差系數(shù)為零的光柵尺，這是因?yàn)閮芍⒖茧p球桿的熱誤差位移中也包含了光柵尺自體的熱誤差，以二熱誤差位移計(jì)算工作雙球桿的熱誤差補(bǔ)償量時(shí)，光柵尺的熱誤差在此比例關(guān)系中已被納入，得出的熱誤差補(bǔ)償量可完全消除任意中心距離工作雙球桿的熱誤差。

參考雙球桿與各工作雙球桿間可能仍有些極微的熱誤差差異，此可利用各雙球桿之間的熱誤差模型進(jìn)一步補(bǔ)償，因熱誤差模型的建立與使用為現(xiàn)有技術(shù)，故此處不多說明其細(xì)節(jié)。然而，為了盡可能的消彌工作雙球桿和參考雙球桿的個(gè)體差異，在工作雙球桿為多個(gè)時(shí)，參考雙球桿可以選擇最接近這些工作雙球桿的熱誤差模型特征值平均值者。亦即，參考雙球桿的熱誤差模型特征值和工作雙球桿熱誤差模型特征值的平均值的差距皆比其他工作雙球桿者小，如此可以確保個(gè)體差異所造成的誤差不被過度放大。在一實(shí)施例中，經(jīng)過選配的參考雙球桿，其與各個(gè)工作雙球桿的熱誤差位移差異可以被控制在正負(fù)1μm內(nèi)。

利用本實(shí)施方式的雙球桿系統(tǒng)，量測裝置可以通過校正單元的參考中心距離建立位移感測值與中心距離間的函數(shù)關(guān)系，且將工作雙球桿的位移感測值代入中心距離函數(shù)后，即可得出正確的中心距離。此外，校正單元又提供熱誤差位移的補(bǔ)償用途，參考雙球桿與工作雙球桿受相同的環(huán)境溫度影響，參考雙球桿量出的熱誤差位移幾乎就是工作雙球桿的熱誤差，也避免了實(shí)驗(yàn)室與量測現(xiàn)場環(huán)境溫度不同導(dǎo)致的補(bǔ)償方法不適用問題。因此，相較于現(xiàn)有量測技術(shù)中精度不足的缺陷，本實(shí)施方式提出的方案能更精確地對工作雙球桿的熱誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

依據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，提供一種應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法，包含以下步驟：提供一校正單元，其上設(shè)有至少二個(gè)球支撐件。測量兩個(gè)球支撐件相距的一參考中心距離。提供至少一工作雙球桿，并裝設(shè)工作雙球桿于兩個(gè)球支撐件上。量測工作雙球桿的一位移感測值。利用前述參考中心距離以及位移感測值定義工作雙球桿的校正點(diǎn)及一中心距離函數(shù)。裝設(shè)前述工作雙球桿于一目標(biāo)裝置上。提供一參考雙球桿，并裝設(shè)其于校正單元的兩個(gè)球支撐件上。啟動(dòng)目標(biāo)裝置以使工作雙球桿位移。量測工作雙球桿位移后的位移感測值，并利用位移感測值以及中心距離函數(shù)計(jì)算工作雙球桿的一中心距離。量測參考雙球桿隨一環(huán)境溫度變化的一熱誤差位移。以及依據(jù)前述熱誤差位移補(bǔ)償前述中心距離。

有關(guān)于各個(gè)元件的用途及中心距離的補(bǔ)償原理已于前一實(shí)施方式說明，此處不再提及。本實(shí)施方式說明誤差補(bǔ)償方法的流程，在實(shí)際量測之前，若工作雙球桿有多支，則參考雙球桿可以經(jīng)由這些工作雙球桿選配而出，一般是選擇熱誤差位移的幅度最接近平均值者。通過選配，當(dāng)工作雙球桿與參考雙球桿的中心距離相同時(shí)，參考雙球桿與工作雙球桿有幾乎相同的熱誤差位移，相互的誤差差異在一定范圍內(nèi)，且可利用熱誤差模型描述其差異。

工作雙球桿可使用絕對或相對位移感測器，使用相對位移感測器時(shí)，位移感測器最好有零點(diǎn)訊號，由于初始狀態(tài)下的中心距離函數(shù)為未知，此時(shí)將工作雙球桿裝設(shè)于兩個(gè)球支撐件上，此步驟系將工作雙球桿的中心距離指定為參考中心距離，由于兩個(gè)球支撐件的距離為已知且固定，故透過此步驟，可以量測出工作雙球桿當(dāng)下的位移感測值，定義出校正點(diǎn)。上述的球支撐件不限于兩個(gè)、工作雙球桿也不僅限定于一支。舉例來說，當(dāng)球支撐件為三個(gè)時(shí)，可知校正單元上有最多三個(gè)相異的參考中心距離(即不等邊三角形)，因此，工作雙球桿即可以三不同的中心距離建立三個(gè)校正點(diǎn)。當(dāng)然，工作雙球桿的中心距離不同，量測到的位移感測值也相異，由多個(gè)參考中心距離及相應(yīng)的位移感測值可建立多個(gè)校正點(diǎn)，即可設(shè)計(jì)出用于求解其他位移感測值下的中心距離的中心距離函數(shù)，例如：在三個(gè)校正點(diǎn)的情況下，可以將中心距離函數(shù)定義為二次多項(xiàng)式，代入校正點(diǎn)而求解出各項(xiàng)次的系數(shù)。對所有工作雙球桿重復(fù)上述步驟，即可得到對應(yīng)于各個(gè)工作雙球桿的中心距離函數(shù)。此處的中心距離函數(shù)并不限于以上示例，根據(jù)工作雙球桿的設(shè)計(jì)性質(zhì)以及誤差復(fù)雜程度，校正點(diǎn)可被應(yīng)用于不同形式的中心距離函數(shù)，例如補(bǔ)償用的表格、插補(bǔ)函數(shù)、逼近函數(shù)或其他可用以求解的函數(shù)。

由于幾何誤差具有時(shí)不變特性，因此在中心距離函數(shù)確立過后，工作雙球桿即可裝設(shè)于目標(biāo)裝置上，并量測其發(fā)生位移后的位移感測值，由上述說明可知，中心距離是以位移感測值作為變數(shù)的函數(shù)，帶入位移感測值后，即可快速地計(jì)算出正確的中心距離。

另一方面，由于熱誤差行為是一種動(dòng)態(tài)變化的行為，隨著溫度與時(shí)間的變化而變化，前述的熱誤差位移并非呈線性變化。因此，在目標(biāo)裝置的量測過程中，參考雙球桿被裝設(shè)于球支撐件上，如同前一實(shí)施方式所述，當(dāng)量測位移感測值的光柵尺不受熱脹冷縮影響時(shí)，可以直接使用單支參考雙球桿量出的熱誤差位移進(jìn)行中心距離的熱誤差補(bǔ)償，若光柵尺會(huì)熱脹冷縮，仍然可以使用多個(gè)的參考雙球桿，通過前述的比例關(guān)系來消除此效應(yīng)的影響，且因參考雙球桿與工作雙球桿的環(huán)境溫度相同，故即使環(huán)境溫度在整個(gè)量測過程中有所變化，校正單元上的熱誤差位移也將對應(yīng)改變，并且同步運(yùn)算出最新的補(bǔ)償值。

在實(shí)際量測中，工作雙球桿少有完全于水平方向量測的狀況，故在一實(shí)施例中，上述校正點(diǎn)以及中心距離函數(shù)可以在校正單元為傾斜的狀態(tài)下進(jìn)行，而由前述介紹可知，校正單元的傾斜角度亦可以作為中心距離函數(shù)的參數(shù)之一，并不僅限定于位移感測值，而上述的校正單元傾斜角度的選擇，亦可以是所有工作雙球桿所有可能出現(xiàn)的傾斜角度的平均值，此舉仍是為了提升各個(gè)工作雙球桿中心距離函數(shù)的準(zhǔn)確度。

進(jìn)一步地，本實(shí)施方式的誤差補(bǔ)償方法更可以適用于多個(gè)參考雙球桿以及多個(gè)工作雙球桿的狀況，具體包含如下步驟：提供另-二球支撐件以及另一參考雙球桿。裝設(shè)另一參考雙球桿于兩個(gè)球支撐件上。量測另一參考雙球桿隨環(huán)境溫度變化的另一熱誤差位移。以及依據(jù)兩個(gè)參考雙球桿的熱誤差位移補(bǔ)償前述中心距離。

亦即，多個(gè)的參考中心距離不只可以應(yīng)用在消除工作雙球桿的幾何誤差，不同的參考中心距離，尤其是最大及最小參考中心距離下的二支參考雙球桿，可以對工作雙球桿在不同中心距離時(shí)的熱誤差進(jìn)行準(zhǔn)確的補(bǔ)償。

借此一實(shí)施方式，量測者可以依據(jù)量測實(shí)驗(yàn)的特性需要，于量測之前建置各個(gè)工作雙球桿所需的中心距離函數(shù)，并快速求得更準(zhǔn)確的量測結(jié)果。此外，熱誤差位移的控制由參考雙球桿自動(dòng)進(jìn)行，量測者僅需事先經(jīng)由選配決定最佳的參考雙球桿，使參考雙球桿與工作雙球桿的熱誤差行為具有高度的一致性，透過參考雙球桿的熱誤差位移，可以對各種中心距離的工作雙球桿進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。

附圖說明

圖1是繪示雙球桿系統(tǒng)的雙球桿立體圖；

圖2是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)的光柵尺固定示意圖；

圖3是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)的校正單元示意圖；

圖4A是繪示球支撐件設(shè)于校正單元的示意圖；

圖4B是繪示球支撐件設(shè)于校正單元的剖示圖；

圖5是繪示本發(fā)明的一實(shí)施方式的雙球桿系統(tǒng)的量測示意圖；

圖6A是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)的最小熱誤差位移示意圖；

圖6B是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)的最大熱誤差位移示意圖；

圖6C是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)的中心距離的熱誤差位移示意圖；

圖7是繪示本發(fā)明的一實(shí)施方式的應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法的步驟流程圖；

圖8是繪示本發(fā)明的另一實(shí)施方式的應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法的步驟流程圖；以及

圖9是繪示本發(fā)明的又一實(shí)施方式的應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法的步驟流程圖。

具體實(shí)施方式

圖1是繪示本發(fā)明的一實(shí)施方式的雙球桿系統(tǒng)100的雙球桿200立體圖。為清楚說明雙球桿系統(tǒng)100的實(shí)際運(yùn)作原理，請先參照圖1，本發(fā)明使用于雙球桿200的位移感測器是光學(xué)線性編碼器，但并不限于此種形式。雙球桿200包含一尺桿組件291及一讀頭桿組件292，兩者的結(jié)構(gòu)相似、且相互導(dǎo)引并作線性運(yùn)動(dòng)。尺桿組件291由一球基座203、一導(dǎo)軌座204及相互平行的三管件構(gòu)成。球基座203上固定有一量測球201，且球基座203與導(dǎo)軌座204透過此三管件相互固定。其中，三支管件又分為二導(dǎo)引管221、222以及一張力管223。

讀頭桿組件292同樣包含一球基座205、一導(dǎo)軌座206以及相互平行的三管件。球基座205的一端固定有另一量測球202，球基座205與導(dǎo)軌座206間同樣固定有相互平行的三管件，其中二支為導(dǎo)引管231以及232，另一支為張力管233。尺桿組件291的導(dǎo)軌座204上包含二滾動(dòng)軸承210、211以及一通孔224，導(dǎo)引管231、232以及張力管233分別對應(yīng)穿設(shè)兩個(gè)滾動(dòng)軸承210、211以及通孔224，且張力管233與通孔224間有余隙而不直接接觸。同理，讀頭桿組件292的導(dǎo)軌座206同樣設(shè)有滾動(dòng)軸承212、213以及通孔234，以分別供導(dǎo)引管221、222以及張力管223對應(yīng)穿設(shè)，且張力管223與通孔234間有余隙而不直接接觸。

整體理解之，雙球桿200在尺桿組件291及讀頭桿組件292的導(dǎo)軌座204與206間，共有四支相互平行的導(dǎo)引管221、222、231以及232，并滾動(dòng)導(dǎo)引讀頭桿組件292與尺桿組件291做線性移動(dòng)。

為了避免受到自體重量影響而變形，雙球桿200采用上述管件構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)以減輕重量，更提供夠大的截面慣性矩，使雙球桿200有足夠的抗彎矩剛性。此外，尺桿組件291及讀頭桿組件292分別包含一光柵尺207以及一讀頭208，兩者分別固定在尺桿組件291的球基座203以及讀頭桿組件292的導(dǎo)軌座206上，且光柵尺207與讀頭208被上述的管件包圍，光柵尺207表面在該雙球桿200二端量測球201與202的中心連線上。

雙球桿200可被定義一中心距離Dc，而此中心距離Dc即是指量測球201與202的球心之間的距離。中心距離Dc內(nèi)的元件包含不同材料，如量測球201與202的材料是不銹鋼，球基座203與205、導(dǎo)軌座204與206的材料是鋁合金、導(dǎo)引管221、222、231以及232、以及張力管223與233的材料是殷鋼、或石英玻璃，但不限于此。光柵尺207的材料也可以為殷鋼、或石英玻璃為材料，以降低環(huán)境溫度變化造成的熱誤差。

圖2是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)100的光柵尺207固定示意圖。請配合參照圖2，光柵尺207的一端可通過螺絲241鎖設(shè)，并由二個(gè)定位銷242以及243固定在尺桿組件291球基座203上，光柵尺207的另一端以螺絲245固定在具有一撓性結(jié)構(gòu)246的導(dǎo)軌座204上，當(dāng)光柵尺207與導(dǎo)軌座204受室溫變化影響而有不同的熱伸長量時(shí)，任何相對導(dǎo)軌座204的熱伸長量可由撓性結(jié)構(gòu)246吸收。

圖3是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)100的校正單元300示意圖。繼續(xù)參照圖3，校正單元300是用于初始化上述的中心距離D_c、以及于量測過程中補(bǔ)償熱誤差。在圖3中，校正單元300被置于一傾斜的支架上，而視量測的實(shí)際需要，校正單元300的擺放也可以是水平的。圖4A是繪示球支撐件301設(shè)于校正單元300的示意圖。圖4B是繪示球支撐件301設(shè)于校正單元300的剖示圖。請配合參照圖4A以及圖4B，校正單元300上固定有多個(gè)球支撐件301，這些球支撐件301可以使用磁性球窩，磁性球窩中央設(shè)有磁鐵，對置于其上的量測球201以及202形成三點(diǎn)支承。為維持球支撐件301的中心座標(biāo)位置的穩(wěn)定性，校正單元300用于固定球支撐件301的固定孔設(shè)有加工內(nèi)錐面300a，以黏著液或螺絲310將球支撐件301固定在校正單元300上時(shí)，球支撐件301的外錐面301a與固定孔的內(nèi)錐面300a互相緊配定心，另外也可以定位銷使球支撐件301長時(shí)間穩(wěn)定的固定在校正單元300上。如圖3所示，裝設(shè)于球支撐件301上雙球桿200被視為一參考雙球桿400(參考雙球桿400與雙球桿200的結(jié)構(gòu)相同)。同時(shí)，此時(shí)的中心距離D_c被視為一參考中心距離D_r。校正單元300可將中心距離D_c設(shè)置成四種參考中心距離D_r，圖3僅舉例其中單一參考雙球桿400的設(shè)置狀態(tài)，而由圖中可知，參考中心距離D_r可以被設(shè)定多種不同長度，例如最小、中間以及最大。當(dāng)校正單元300以一傾斜角度A被置于支架上時(shí)，參考雙球桿400亦以此傾斜角度A傾斜。上述的傾斜角度A可以選擇多個(gè)工作雙球桿500裝設(shè)于欲量測的一目標(biāo)裝置700時(shí)的水平面夾角的平均值，此是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)狀況中不可能設(shè)置無限多個(gè)角度的校正點(diǎn)，以上述夾角的平均值來決定參考雙球桿400的傾斜角度A，可以避免參考雙球桿400和特定的工作雙球桿500的傾角差異過大。

另外，雙球桿200作為參考雙球桿400或工作雙球桿500，其可以選用光學(xué)尺或磁性尺，但其種類亦非本發(fā)明所欲限制的。參考雙球桿400可以經(jīng)由選配決定，詳細(xì)來說，不同雙球桿200之間必定存在細(xì)微的個(gè)體差異因素，預(yù)先測知各個(gè)雙球桿200的熱膨脹系數(shù)，并取最接近平均值者作為參考雙球桿400、其余者作為工作雙球桿500，可以有效地消彌這些差異。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，各支工作雙球桿500在量測過程中因環(huán)境溫度變化的熱變形量，與參考雙球桿400的熱誤差位移的差值為正負(fù)1μm以內(nèi)。

圖5是繪示本發(fā)明的一實(shí)施方式的雙球桿系統(tǒng)100的量測示意圖。請參照圖5，雙球桿系統(tǒng)100包含一校正單元300、多個(gè)參考雙球桿400、多個(gè)工作雙球桿500以及一量測模塊600。校正單元300可以裝設(shè)有兩個(gè)參考雙球桿400，兩者分別具有不同的參考中心距離D_r，關(guān)于參考中心距離D_r對于誤差補(bǔ)償?shù)囊饬x已如前述說明，此處不再次提及。工作雙球桿500與參考雙球桿400實(shí)際上皆與雙球桿200的結(jié)構(gòu)相同，差別在于工作雙球桿500是裝設(shè)于一目標(biāo)裝置700上。如圖5所示，六支工作雙球桿500可用于典型的六連桿平行機(jī)構(gòu)量測裝置，但由上述說明可知，工作雙球桿500所需的數(shù)量視量測目的而定，并不影響本發(fā)明是否能夠?qū)嵤┝繙y模塊600輸入各個(gè)參考雙球桿400及工作雙球桿500的位移感測值，并通過各個(gè)工作雙球桿500的中心距離函數(shù)計(jì)算各個(gè)工作雙球桿500的中心距離D_c。同時(shí)，量測模塊600依據(jù)參考雙球桿400的熱誤差位移，對各個(gè)工作雙球桿500的中心距離D_c做出補(bǔ)償。

以下說明關(guān)于中心距離D_c的計(jì)算細(xì)節(jié)。由上述說明可知，同一工作雙球桿500的中心距離D_c可以利用球支撐件301而被設(shè)定多個(gè)參考中心距離D_r，若將不同的參考中心距離D_i以及對應(yīng)的位移感測值n_i以校正點(diǎn)的方式表示，可得P_i＝(D_i，n_i)，其中P_i代表第i個(gè)校正點(diǎn)，量測模塊600可由上述校正點(diǎn)P_i建立工作雙球桿500的一中心距離函數(shù)D(n)，并借以計(jì)算該中心距離D_c。

以多項(xiàng)式為例，由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，三個(gè)校正點(diǎn)可以求解出三個(gè)未知數(shù)，因此中心距離函數(shù)D(n)可以表示為：

D(n)＝a(nk)²+b(nk)+c。

其中k為光柵尺207的解析度，n為位移感測值。假設(shè)取最小的中心距離D₁為第一個(gè)校正點(diǎn)，此時(shí)重置位移感測值為零(即n₁＝0)，則可以得到c＝D₁，再帶入另外兩組校正點(diǎn)，即可求出中心距離函數(shù)D中的系數(shù)a以及b。此為簡單的聯(lián)立方程解，故此處不詳述其計(jì)算過程。在中心距離函數(shù)D(n)的所有系數(shù)a,b,c皆求得后，量測模塊600即可將任一位移感測值n代入上述中心距離函數(shù)D(n)，即可求出正確的中心距離D_c。而由此處示例可知，上述多項(xiàng)式僅是中心距離函數(shù)D(n)的一種選擇，實(shí)際上中心距離函數(shù)D(n)可采用其他方式，例如表格、插補(bǔ)函數(shù)、逼近函數(shù)或任何隱函數(shù)以及顯函數(shù)，只要可以利用上述校正點(diǎn)求解者，皆是本實(shí)施方式所適用的。此外，中心距離函數(shù)可以不僅僅是位移感測值的函數(shù)，也可以將前述傾斜角度A作為參數(shù)之一。

圖6A是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)100的最小熱誤差位移示意圖。圖6B是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)100的最大熱誤差位移示意圖。圖6C是繪示圖1的雙球桿系統(tǒng)100的中心距離D_c的熱誤差位移示意圖。請一并參照圖6A、圖6B以及圖6C，本實(shí)施方式的校正單元300采用為材料，目的在于令工作雙球桿500或參考雙球桿400裝設(shè)于球支撐件301上時(shí)，參考中心距離D_r維持不變，這是因?yàn)椴牧系臒崦浵禂?shù)為零，于環(huán)境溫度變化時(shí)校正單元300并不會(huì)發(fā)生熱脹冷縮，因此各個(gè)球支撐件301間的相對距離也就保持不變。此意味著當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，讀頭與光柵尺207因熱脹冷縮產(chǎn)生的讀值變化僅來自于雙球桿200本身，而不會(huì)摻雜校正單元300本身的熱誤差。

為便于說明，下列附圖簡化雙球桿200的結(jié)構(gòu)，僅保留與量測值有關(guān)的元件。圖6A至圖6C分別表示雙球桿200分別被置于校正板上最小、最大及任一中心距離D_c的球支撐件301上。在圖6A中，雙球桿200的中心距離D_c為最小，可表示為D_min，讀頭208位于光柵尺207的量測起點(diǎn)S上方，亦即量測點(diǎn)P等于量測起點(diǎn)S，讀頭208至量測球202中心C_L的距離為I_L，光柵尺207的末端可因熱脹冷縮而相對其固定位置在長度方向移動(dòng)。光柵尺207的量測起點(diǎn)S距離固定位置的距離為I_S，光柵尺207固定位置至量測球201中心C_R的距離為I_R，雙球桿200的中心距離D_c為最小值D_min時(shí)，若忽略雙球桿200的幾何誤差及受重力影響造成的撓曲變形誤差，則最小值D_min是上述各元件長之和，即D_min＝I_min＝I_L+I_S+I_R，此時(shí)雙球桿200的熱誤差可表示為：

δD_min＝δI_min＝δI_L+δI_S+δI_R。

圖6B中的雙球桿200的中心距離D_c為最大，可表示為D_max，讀頭208距離量測起點(diǎn)S的距離為I_M，即：D_max＝I_max＝D_min+I_M。最大的中心距離D_c的熱誤差可表示為：

δD_max＝δI_max＝δD_min+δI_M。

在圖6C中，讀頭208位于光柵尺207上的一量測點(diǎn)P，則此時(shí)光柵尺207的量測起點(diǎn)S距離量測點(diǎn)P的距離為I_P，雙球桿200的中心距離為D_p，D_p＝D_min+I_p，且0≦I_P≦I_M。

假設(shè)雙球桿200構(gòu)成最小中心距離D_min的各元件的等效熱脹系數(shù)為α，光柵尺207的熱脹系數(shù)為β，當(dāng)雙球桿200的熱誤差模型以一階系統(tǒng)描述時(shí)，假設(shè)室溫以步階方式上升ΔT℃，構(gòu)成最小中心距離D_min的各元件的熱誤差步階響應(yīng)時(shí)間常數(shù)是τ_R，光柵尺207的熱誤差步階響應(yīng)時(shí)間常數(shù)是τ_S，則中心距離Dc為最小、最大及中間的量測點(diǎn)P的雙球桿200的熱誤差分別為：

上述的步階響應(yīng)時(shí)間為現(xiàn)有技術(shù)的熱誤差模型所使用，故此處不多解釋其意義。由上式觀察之，當(dāng)時(shí)間趨近于無限大時(shí)，熱誤差行為趨于穩(wěn)態(tài)，可得：

故上述熱誤差在趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)可簡化關(guān)系如下：

δD_min＝αI_minΔT；

δD_max＝αI_minΔT+βI_MΔT；

δD_P＝αI_minΔT+βI_PΔT。

亦即，任一中心距離雙球桿200于量測點(diǎn)P的熱誤差為雙球桿200于最小中心距離D_c的熱誤差位移以及光柵尺207的在量測起點(diǎn)S與量測點(diǎn)P之間產(chǎn)生的熱誤差的總和。而在本發(fā)明中，最小的中心距離D_c熱誤差δD_min是所有光學(xué)尺雙球桿200共有的熱誤差，此項(xiàng)可由校正單元300上的參考雙球桿400直接量測得出。更可由此算出ΔT及量測起點(diǎn)S與量測點(diǎn)P間的熱誤差加以補(bǔ)償。

當(dāng)光柵尺207使用為材料時(shí)，上述的β為零，故僅需使用一支參考雙球桿400即可對任意中心距離雙球桿200進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。在本發(fā)明的雙球桿系統(tǒng)100中，目標(biāo)裝置700所使用的工作雙球桿500、以及校正單元300上的參考雙球桿400是經(jīng)過選配，即各支雙球桿200的熱誤差有幾乎相同的變化趨勢，相互間的差異在允許范圍內(nèi)。換言之，各雙球桿200有幾乎同的熱誤差模型特征參數(shù)，因此各雙球桿200的步階響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ_R幾乎相同。在本發(fā)明的雙球桿系統(tǒng)100中，使用二支參考雙球桿400時(shí)，以最小中心距離的參考雙球桿400量出受環(huán)境溫度變化的熱誤差δD_min，以及最大中心距離D_c的參考雙球桿400量出熱誤差δD_max，再依量測距離比例關(guān)系算出任一中心距離雙球桿200的熱誤差δD_P，并加以補(bǔ)償如下式：

δD_p＝δD_min+(δD_max-δD_min)*((D_p-D_min)/(D_max-D_min))。

如此，各雙球桿200的熱誤差模型相同時(shí)，可完全消除目標(biāo)裝置700中工作雙球桿500的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)熱誤差。

圖7是繪示本發(fā)明的一實(shí)施方式的應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法的步驟流程圖。由圖7可知，應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法包含步驟S01，提供一校正單元，其上設(shè)有至少二個(gè)球支撐件。步驟S02，量測二球支撐件相距的一參考中心距離。步驟S03，提供至少一工作雙球桿，并裝設(shè)工作雙球桿于二該球支撐件上。步驟S04，量測工作雙球桿設(shè)于二球支撐件時(shí)的一位移感測值。步驟S05，利用參考中心距離以及位移感測值建立該工作雙球桿的一校正點(diǎn)及一中心距離函數(shù)，其中中心距離函數(shù)可為一表格、一插補(bǔ)函數(shù)或一逼近函數(shù)，或者中心距離函數(shù)可為一多項(xiàng)式函數(shù)，且多項(xiàng)式函數(shù)的次數(shù)大于等于二。步驟S06，裝設(shè)工作雙球桿于一目標(biāo)裝置上。步驟S07，提供至少一參考雙球桿，并裝設(shè)其于二球支撐件上。步驟S08，啟動(dòng)目標(biāo)裝置以使工作雙球桿位移。步驟S09，量測工作雙球桿位移后的位移感測值，并利用位移感測值以及中心距離函數(shù)計(jì)算工作雙球桿的一中心距離；詳細(xì)來說，中心距離依據(jù)二參考中心距離而以距離比例關(guān)系計(jì)算出。步驟S10，量測參考雙球桿隨一環(huán)境溫度變化的一熱誤差位移。步驟S11，依據(jù)熱誤差位移補(bǔ)償中心距離。另外，誤差補(bǔ)償方法可另包含傾斜校正單元的步驟，并依據(jù)參考中心距離以及校正單元傾斜時(shí)的位移感測值定義工作雙球桿的另一中心距離函數(shù)。詳細(xì)來說，計(jì)算所述工作雙球桿與一水平面的夾角角度的平均值為一傾斜角度；以及以傾斜角度傾斜校正單元。

圖8是繪示本發(fā)明的另一實(shí)施方式的應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法的步驟流程圖。延續(xù)上述圖7的實(shí)施方式的各步驟，圖8的實(shí)施方式的應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法，還包含步驟S811，提供至少另二球支撐件以及另一參考雙球桿。步驟S812，量測另二球支撐件相距的至少另一參考中心距離；其中任一中心距離可介于二參考中心距離之間。步驟S813，裝設(shè)另一參考雙球桿于另二球支撐件上。步驟S814，量測另一參考雙球桿隨環(huán)境溫度變化的另一熱誤差位移。步驟815，依據(jù)所述熱誤差位移補(bǔ)償中心距離。

圖9是繪示本發(fā)明的又一實(shí)施方式的應(yīng)用于量測的雙球桿系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法的步驟流程圖。延續(xù)上述圖7及圖8的實(shí)施方式的各步驟，還包含步驟S911，提供多個(gè)的工作雙球桿，較佳地，可提供數(shù)量為六的工作雙球桿。當(dāng)上述步驟S811另提供多個(gè)球支撐件，步驟S912，建立所述工作雙球桿的該校正點(diǎn)及該中心距離函數(shù)。步驟S913，量測各工作雙球桿位移后的位移感測值，并利用各位移感測值以及各中心距離函數(shù)計(jì)算各工作雙球桿的中心距離。步驟S914，依據(jù)熱誤差位移補(bǔ)償所述中心距離。

通過上述所介紹的實(shí)施方式，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，本發(fā)明在相同的溫度環(huán)境之下建置參考雙球桿以及工作雙球桿，由于兩者恒處于相同的溫度環(huán)境，經(jīng)由選配過后的參考雙球桿具有與其他工作雙球桿幾乎相同的熱誤差模型，各個(gè)工作雙球桿因環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生的極為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)熱誤差是被參考雙球桿直接量出，以之為基礎(chǔ)對于各個(gè)工作雙球桿的熱誤差補(bǔ)償，因而極為精確而簡單；第二，本發(fā)明使用熱脹系數(shù)為零或是幾乎為零的材料做為校正單元，通過正確無誤的參考中心距離以及位移感測值來建立各個(gè)工作雙球桿的中心距離函數(shù)，僅需將工作雙球桿在其他中心距離的位移感測值代入中心距離函數(shù)即可迅速計(jì)算出正確的中心距離；第三，本發(fā)明可利用二個(gè)參考雙球桿完全補(bǔ)償各個(gè)工作雙球桿的熱誤差；第四，工作雙球桿的多個(gè)校正點(diǎn)可以包含距離、角度等參數(shù)，除了增加量測時(shí)的準(zhǔn)確度以外，亦可適用于各種不同形式的量測作業(yè)。