CNC工具机的热变位补正系统及方法技术领域
本发明关于一种CNC工具机，由指一种CNC工具机的热变位补正系统及方法。
背景技术
工具机是一种用于精密切削金属以生产其他机器或加工金属零件的动力机械制
造装置，工具机于配置一电脑数值控制(Computer Numerical Control,CNC)系统后
即成为一CNC工具机，与传统工具机、大量生产专用机相比，CNC工具机较适合少量
或中量高品质精密零件生产，也较能适应多样不同产品的生产，而随着CNC工具机于
高速加工应用的普遍性，其机台运作效率、精度的稳定性与加工纹路细致化的要求日
益严苛，特别是机台应用在环境温度变化大或高温作业环境之下。
影响CNC工具机加工精度的主要原因为机台温度变化而引起热变形所造成的热
误差，以及由机台切削力引起力变形而造成的切削力误差，对于该些原因所引起的误
差，仅通过对机台结构进行优化设计来提高机台精度，不止成本高而且通常比较困难，
因此现有技术中通常利用一主轴热变位补正系统应付上述的误差问题，该主轴热变位
补正系统主要于一机台上布设有一温度传感器，并通过一微处理器或一小型的PLC将
量测数据收集后通过补正计算出一数据，再通过一信号输出埠与CNC工具机的一信号
输入埠连接并单向的传送该数据，再对其轴向外部机械原点进行偏移，从而修正加工
误差。
而现有技术中又以该CNC工具机执行以下方法，该方法包括以下步骤：第一步，
读入温度、补正开关和各轴补正倍率；第二步，即时撷取主轴、床身的温度数据；第
三步，通过系统PLC(Programmable Logic Controller)计算热误差位移的数据；第四
步，将数据发送给CNC工具机，使机械外部原点发生偏移以实现补正；当所有步骤完
成后，该方法会再返回到第二步继续执行，如此循环往复以不断地对加工中心主轴的
热误差进行计算和补正。
由现有技术可知，目前的主轴热变位补正系统必须单向的持续传送补正计算的数
据给CNC工具机，因此即时性以及计算效能相当地重要，然而通过上述步骤(第一至
第四步)循环往复不断地对加工中心主轴的热误差进行计算和补正确实相当地耗费时
间，尤其是当加工型态是以高速定位钻孔为主，并且又长时间的对连续曲面模具进行
加工时，若即时性不佳或计算效能差，很容易造成纹路不良或段差现象，甚至引起机
台轴向走不动或移动量太大，如此会造成加工件上表面出现断断续续刀痕使得加工精
度与纹路不良等问题发生，因此以目前的现有技术而言，确实有待进一步的提出更佳
改良方案的必要性。
发明内容
本发明的主要目的提供一种CNC工具机的热变位补正系统及方法，其借由软件、
硬件的重新规划与设计，使信号传送速度快又即时，并且通过更有效率的运算、补正
方式，同时提升工具机的加工品质以及运作效率。
欲达成前述目的所采取的技术手段为令前述CNC工具机的热变位补正方法，其通
过一热补偿处理模组分别连接一机台、一个以上的感测器，且所述感测器又与该机台
连接，并由该热补偿处理模组执行以下步骤：
接收所述感测器感测取得的一热误差量测资料；
将接收到的资料载入一预先建立的误差补正模型中进行即时计算；
送出一即时补正量及一组执行指令，该组执行指令包括一变转速指令、一线性插
补指令；
使得该机台直接以一快速等距的方式进行补正，该快速等距的方式包括一变转速
补正、一线性插补补正。
前述方法主要通过所述感测器对该运作中的机台进行热误差量测，以取得该机台
的温度变化或位移变化等状态资料，并由该热补偿处理模组接收该等状态资料，再将
收到的资料载入一个已预先建立好的误差补正模型中进行即时计算，且该误差补正模
型利用一回归分析法所建立，当该热补偿处理模组计算完成则送出一即时补正量及一
组含变转速指令、线性插补指令的执行指令至该机台，使得该机台根据收到的组执行
指令、即时补正量直接以快速等距的方式进行变转速补正、线性插补补正，以达到提
升工具机加工品质与效率的目的。
欲达成前述目的所采取的又一技术手段为令前述CNC工具机的热变位补正系统
包括：
一机台，其具有一第一网络通讯埠、一床身控制模组及一主轴装置；
一感测模组，具有一个以上的感测器及一第一串列通讯埠，所述感测器分别对该
机台的床身控制模组、主轴装置进行热误差量测，并撷取其状态资料；
一热补偿处理模组，其包括一处理器、一第二串列通讯埠及一第二网络通讯埠，
该处理器分别与该第二串列通讯埠及该第二网络通讯埠连接，该第二网络通讯埠与该
机台的第一网络通讯埠连接，该第二串列通讯埠与该感测模组的第一串列通讯埠连接
以接收状态资料；
其中，该处理器通过该第二网络通讯埠接收所述感测器撷取的状态资料，并将接
收到的资料载入一预先建立的误差补正模型中进行即时计算，当该处理器计算完成，
则通过该第二网络通讯埠送出一即时补正量及一组执行指令至该机台的第一网络通
讯埠，该组执行指令包括一变转速指令、一线性插补指令，使得该机台直接以一快速
等距的方式进行补正运算处理，该快速等距的方式包括一变转速补正、一线性插补补
正。
上述的机台于运作时，该床身控制模组、主轴装置产生温度变化或位移变化，通
过该感测模组的感测器进行即时的热误差量测并撷取其状态资料，再将该状态资料以
第一串列通讯埠提供给该热补偿处理模组的处理器进行计算，而且该处理器已利用一
回归分析法预先建立好一误差补正模型，当处理器将该状态资料直接载入该误差补正
模型中并快速地计算完成，并由该第二网络通讯埠送出一即时补正量及一组含变转速
指令、线性插补指令的执行指令至该机台的第一网络通讯埠，使得该机台直接以快速
等距的方式进行变转速补正、线性插补补正运算处理，以控制该机台的床身控制模组
以及该主轴装置动作，能达到提升工具机加工品质与效率的目的。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的系统架构图。
图2为本发明另一较佳实施例的感测模组方块图。
图3为本发明另一较佳实施例的热补偿处理模组方块图。
图4为本发明另一较佳实施例的处理器方块图。
图5为本发明一较佳实施例的热变位补正方法流程图。
图6为本发明一较佳实施例的建立误差补正模型流程图。
附图符号说明：
10 机台
11 第一网络通讯埠 12 床身控制模组
13 主轴装置 14 可编程逻辑控制器
15 电脑数值控制单元
20 感测模组
21 感测器 22 第一串列通讯埠
23 信号转换单元
30 热补偿处理模组
31 处理器
311 温度信号撷取单元 312 参数设定单元
313 补正计算单元
32 第二串列通讯埠 33 第二网络通讯埠
34 人机界面
341 输入单元 342 显示单元
具体实施方式
关于本发明CNC工具机的热变位补正系统的一较佳实施例，请参考图1所示，其
包括一机台10、一感测模组20以及一热补偿处理模组30，该机台10具有一第一网络通
讯埠11、一床身控制模组12及一主轴装置13，且该床身控制模组12与该主轴装置13
连接；本实施例中，该机台10进一步包括一可编程逻辑控制器(Programmable Logic
Controller, PLC)14连接一电脑数值控制(Computer Numerical Control,CNC)单元15，
且该可编程逻辑控制器14与该第一网络通讯埠11连接、该电脑数值控制单元15与该床
身控制模组12连接。
该感测模组20具有一个以上的感测器21及一第一串列通讯埠22，该感测器21可借
由感测取得一热误差量测资料，于本实施例中该感测器21分别对该机台10的床身控制
模组12以及该主轴装置13进行热误差量测，并根据该床身控制模组、主轴装置产生温
度变化或位移变化以撷取其状态资料；本实施例中，该感测模组20进一步包括一信号
转换单元23，该信号转换单元23分别与该感测器21及该第一串列通讯埠22连接，当该
感测器21所输出的信号为模拟信号时，可通过该信号转换单元23转换成数字信号，再
由该第一串列通讯埠22送至该热补偿处理模组30。
本实施例中该感测器21可为一温度感测器或一位移感测器，该温度感测器专门用
于量测热源的温度变化，该位移感测器通过量测涡电流，并经转换后以提供位移数据，
并且该温度感测器更可以是型号为PT100的温度感测器。
该热补偿处理模组30包括一处理器31、一第二串列通讯埠32及一第二网络通讯埠
33，该处理器31分别与该第二串列通讯埠32及该第二网络通讯埠33连接，且该热补偿
处理模组30的第二网络通讯埠33与该机台10的第一网络通讯埠11连接，该热补偿处理
模组30的第二串列通讯埠32与该感测模组20的第一串列通讯埠22连接以接收状态资
料，该处理器31通过该第二网络通讯埠33接收该感测模组20的感测器21所撷取到的状
态资料，并由该处理器31将接收到的状态资料载入一预先建立的误差补正模型中进行
即时计算，而且该处理器31已利用一回归分析法预先建立好一误差补正模型，当该处
理器31将状态资料载入该误差补正模型并计算完成，则通过该热补偿处理模组30的第
二网络通讯埠33送出一即时补正量及一组预设的执行指令至该机台10的第一网络通
讯埠11，使得该机台10直接以一快速等距的方式进行补正运算处理，并驱动该机台10
的床身控制模组12以及主轴装置13。
于本实施例中，该热补偿处理模组30进一步包括一人机界面34，该人机界面34
与该处理器31连结，使用者可通过该人机界面34进行操作或观看目前机台10的运作状
态、温度资料等，并可直接输入执行指令或设定其他相关参数，例如：使用者可在人
机界面34输入一变转速指令、一线性插补指令或一参数化等差指令，使机台10以一快
速等距的方式进行相对应的补正，该快速等距的方式可包括一变转速补正、一线性插
补补正或一参数化等差补正。
于机台10运作的过程中，若机台10收到预设或使用者输入的执行指令包含该变转
速指令，并对应该变转速补正，即在主轴装置13旋转时进行一旋转离心力的误差量补
正处理；若未考虑补正时间所造成一工作物表面粗糙度不均匀的情形，则前述即时补
正量会大于一预设的极限参数，因此当机台10收到的执行指令包含该参数化等差指
令，并对应该参数化等差补正，即根据一次即时补正量的相对关系进行等差数列补正，
并将其补正周期细致化、补正量也平均分割得更小，使其补正量在机台10加工时的精
密度更趋于稳定，易于控制品质，让产品在生产良率上及效率上更加提升；为要让计
算出来的即时补正量更适于均匀分布在工件物表面，当机台10收到的执行指令更包含
该线性插补指令，并对应该线性插补补正，则根据线性插补周期的补正时间搭配每一
次的即时补正量以进行调变，即能够达到使工件物纹路均匀的效果。
再者，该机台10的第一网络通讯埠11及该热补偿处理模组30的第二网络通讯埠33
分别可为一以太网界面埠，该感测模组20的第一串列通讯埠22及该热补偿处理模组30
的第二串列通讯埠32分别可为一RS485界面埠；因此，当本实施例中通过将型号为
PT100的温度感测器安装于该机台10的主轴装置13与床身控制模组12进行温度量测，
并将各个量测点的温度资料借由具有半双工多点通信标准(38400bps)的RS485界面
埠，并通过一Modbus通讯协议传送至该热补偿处理模组30；
该热补偿处理模组30接收到经由该RS485界面埠所传送的温度资料，再由该处理
器31计内建的巨集语言进行计算，并产生一代表误差补正值的即时补正量，同时记录
温度及补正量，该热补偿处理模组30通过该以太网界面埠(10Mbps)即时将即时补
正量及执行指令传送到该机台10的可编程逻辑控制器14进行补正运算处理，并借由该
电脑数值控制单元15驱动机台10的床身控制模组12以及主轴装置13，使其轴向外部机
械原点进行修正偏移而补正加工的误差，达到提升工具机加工品质与效率的目的。
关于本发明CNC工具机的热变位补正系统的另一较佳实施例，请参阅图2与图3
所示，其主要的技术内容与前一实施例大致相同，惟感测模组20与热补偿处理模组30
有所不同，于本实施例中，该感测模组20包括多数的感测器21及多数的信号转换单元
23，且信号转换单元23分别与一感测器21连接，该感测模组20的第一串列通讯埠22
分别与信号转换单元23连接，利用此方式扩充感测器21的数量，并设置在机台10上进
行热误差量测；该热补偿处理模组30的人机界面34主要由一输入单元341、一显示单
元342所组成，该输入单元341与该显示单元342分别与该处理器31连接，使用者可通
过该输入单元341直接输入执行指令或设定其他相关参数，并于该显示单元342观看目
前机台10的运作状态、温度资料等；
如图4所示，该处理器31包括一温度信号撷取单元311、一参数设定单元312、一
补正计算单元313，该参数设定单元312分别与该温度信号撷取单元311、该补正计算
单元313连接，该温度信号撷取单元311、该补正计算单元313又分别与该第二串列通
讯埠32、该第二网络通讯埠33连接；其中，借由该温度信号撷取单元311接收感测器
21所撷取到的状态资料，并于参数设定单元312将接收到的状态资料、执行指令或使
用者设定的其他相关参数等传送给该补正计算单元313，由该补正计算单元313载入一
通过回归分析法所预先建立的误差补正模型，并进行即时计算，当计算完成则通过该
热补偿处理模组30的第二网络通讯埠33送出一即时补正量及一组预设的执行指令至
该机台10，让该机台10直接以快速等距的方式进行补正运算处理。
由上述本发明的各个较佳实施例的具体应用方式以及说明，可进一步的归纳出
CNC工具机的热变位补正方法，如图5所示，其通过一热补偿处理模组30分别连接一
机台10、一个以上的感测器21，且该感测器21又与该机台10连接，并由该热补偿处理
模组30执行以下步骤：
接收该感测器21对该机台10进行热误差量测所取得的状态资料(S51)；
将接收到的状态资料载入一预先建立的误差补正模型中进行即时计算(S52)，
以产生一即时补正量及一组执行指令，该组执行指令包括一变转速指令、一线性插补
指令；
对该机台10送出该即时补正量及该组执行指令(S53)，本实施例中，该组执行
指令更可包括一参数化等差指令；
使得当该机台10收到该即时补正量及该组执行指令时，并根据执行指令直接以一
快速等距的方式进行相对应的补正(S54)，该快速等距的方式包括一变转速补正、
一线性插补补正，本实施例中，该快速等距的方式更可包括一参数化等差补正。
再者，在上述步骤中的“将接收到的状态资料载入一预先建立的误差补正模型中
进行即时计算(S52)”步骤，其进一步于本实施例中提供一预先建立误差补正模型
流程，如图6所示，该方法更包括以下步骤：
接收该感测器21对该机台10进行热误差量测所取得的状态信息(S61)；
对该机台10发送一驱动信号以驱动该主轴装置13进行高速运转(S62)；
当该主轴装置13于高速运转的同时，通过该感测器21撷取状态资料(S63)；
根据撷取到的状态资料执行一回归分析法建立该误差补正模型(S64)；
对该误差补正模型进行进行最佳化调整并取得验证分析结果(S65)。
当上述该热补偿处理模组30利用回归分析法预先建立好误差补正模型，并将该状
态资料直接载入该误差补正模型中并快速地计算完成，使该机台10以快速等距的方式
进行补正运算处理，不仅达到提升工具机加工品质与效率的目的，更基于舍弃传统机
台10之间以I/O数字信号或A/D模拟信号进行传输较费时，改用串列通讯埠、网络通讯
埠提升传输速度，并即时运算、补正，系统的软、硬件架构相对于现有技术而言，确
实具有效能更高、运算速度与传送资料更快速、软件修改及调校参数容易等优点。
以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背
本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的保护范围应
视权利要求范围为准。