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技術趨勢
Double Ball Bar(DBB) 應用於五軸同動精度試驗技術
2018.08.17∣瀏覽數:212

文 ◆ 財團法人精密機械研究發展中心 (PMC)
機械檢測部  廖志偉

 
因應汽車、航太及國防等產業之加工曲面複雜化之需求,全球工具機產業均朝向多軸化 發展,相對地紛紛投入五軸工具機加工精度與機台空間精度提升之研究,但目前台灣業 者試驗技術普遍地皆停留在針對單一自由度或二個自由度之量測,例如量規試驗幾何精 度、雷射干涉儀試驗線性軸定位精度、角度分割儀試驗旋轉軸定位精度、接觸式雙球桿 循圓量測儀 (Double Ball Bar, 以下稱 DBB) 試驗雙軸同動之真圓度及匹配誤差,在五 軸工具機的同動精度及工具機空間精度試驗技術較為落後,進而影響台灣五軸工具機機 品質提升之重要關鍵。目前ISO 10791-6 國際標準已規範三軸與五軸同動精度試驗方 式,可用精密圓球搭配位移感測器或 DBB 進行試驗。本篇先從 ISO 10791-6 標準試驗 項目說明開始,接續介紹荷蘭IBS 公司R-test 量儀及英國RENISHAW 公司接觸式雙 球桿循圓量測儀(DBB),最後提及同動精度試驗目的、路徑程式編寫方式及量測軟體。


ISO 10791-6 標準規範
五軸同動精度試驗內容規範於ISO 107916 Test conditions for machining centres-Part6 Accuracy of speeds and interpolations( 切削中心 機之試驗標準 - 第 6 部:速率與插值之精度 ), 此份標準已於 2014 年底發佈,試驗項目包含主 軸速度K1、進給速率K2、線性差值運動K3、 圓弧差值運動K4、三軸同動圓弧差值運動( 附 錄 K1 及附錄K2)、五軸同動圓弧差值運動( 附 錄K3 及附錄 K4)。以下分別介紹試驗標準規範 之試驗方式、試驗儀器及允收公差值。

主軸速度試驗 K1:用以檢查控制系統命令與 零組件運動間之電機、電子及運動鏈之總合精度,可用轉速計進行試驗,試驗時正轉與逆轉 皆需試驗,允收公差為 ±5%。

進給速率試驗 K2:用以檢查控制系統命令 與零組件運動間之電動、電子及運動鏈之總 合精度,可用雷射干涉宜進行試驗,試驗時 去程與回程皆需試驗,允收公差為 ±5%。

線性差值運動試驗 K3:用以檢查兩線性軸 配合運動,可用直規進行試驗,允收公差為 任意 100 mm 長 0.02 mm。

圓弧差值運動試驗K4:用以檢查兩線 性軸沿著圓弧路徑配合運動,可用循圓量 測宜進行試驗,量測圓弧需超過360 度,且以兩種移動速度試驗,包含三個平面 XY、YZ、ZX,允收公差為低速G=0.03 mm、G(b)=0.05 mm;高速G=0.05 mm、 G(b)=0.09 mm。

在三軸同動圓弧差值運動及五軸同動圓 弧差值運動內容規範於ISO 10791-6 附錄 K1~K4,2014 年版本僅規範試驗方式,並無 規範試驗允收值。試驗機型分為A Type、B Type、C Type。

三軸同動圓弧差值運動試驗 ( 附錄 K1):兩 線性軸(Y axis & Z axis) 與旋轉軸(A axis) 圓弧差值運動試驗,可用循圓量測儀進行試驗,試驗過程需開啟 TCP 控制功能,以三個 方向 ( 徑向、軸向、切線 ) 進行試驗,旋轉軸 速度以 360 度 /min 進行,旋轉軸角度需大於 180 度,試驗過程需包含旋轉軸正逆轉,其 中可得知旋轉軸與兩線性軸平面間垂直度。

三軸同動圓弧差值運動試驗 ( 附錄 K2):兩 線性軸(X axis & Y axis) 與旋轉軸(C axis) 圓弧差值運動試驗,可用循圓量測儀進行試 驗,試驗過程需開啟 TCP 控制功能,以三個 方向 ( 徑向、軸向、切線 ) 進行試驗,旋轉軸 速度以 360 度 /min 進行,旋轉軸角度需大於 360 度,試驗過程需包含旋轉軸正逆轉,其 中可得知旋轉軸與兩線性軸平面間垂直度。

五軸同動圓弧差值運動試驗 ( 附錄 K3):三 線性軸與兩旋轉軸之五軸同動刀尖軌跡偏差 試驗,可用循圓量測儀進行試驗,傾斜角與 頂角有兩種情況,10 度 /30 度 ( 進給速率變 化大 );30 度 /90 度 (X 與 Z 移動範圍較大 ), 兩者可擇一試驗,圓弧路徑約200 mm,且 進給速率 1000 mm/min,試驗過程需包含旋 轉軸正逆轉。

五軸同動圓弧差值運動試驗( 附錄K3) 是 模擬圓錐標準工件的圓弧插補運動,可用循 圓量測儀取代實際加工的試驗方法。一般實 際切削ISO 10791-7 M3 工 件 完 成 後, 需 將工件送至CMM 量測工件精度,其過程非 常耗時,若當廠內沒有CMM 的話又需要送 至其他量測機構,將花費更多的試驗時間。

若以循圓量測儀來模擬圓錐標準工件加工路 徑,可以於短時間內評估機台的性能。

五軸同動圓弧差值運動試驗( 附錄K4): 三線性軸與兩旋轉軸之五軸同動刀尖軌跡偏 差試驗,可用循圓量測儀進行試驗,試驗過 程需開啟 TCP 控制功能,以三個方向 (X 向、 Y 向、Z 向 ) 進行試驗,旋轉軸 (C axis) 速度 以 360 度 /min 進行,試驗過程需包含旋轉軸 正逆轉。

ISO 10791-6 附錄K1、附錄K2 及附錄 K4 之試驗,TCP 控制功能需開啟後,才進 行所有試驗,下表說明各控制器 TCP 控制功 能開啟與關閉之程式碼。
 
同動精度量測儀器 
荷蘭商IBS 的 R-test 量測系統是針對 ISO10791-6 規範所開發的適用量儀,將基 準圓球安裝於旋轉端( 旋轉工作台或旋轉主 軸頭),將位移感測頭安裝在不旋轉端( 主 軸或固定工作台),以控制器的追隨程式進 行主軸與工作台間的變位量量測,R-test 包 含三個平板機構用以接觸精密陶珠球( 或精 密鋼球),可量測X、Y、Z 方向的微小變 位量△X、△Y、△Z,此為五軸加工機的 誤差,透過軟體分析可將各別旋轉軸相對 於線性軸的位置誤差(Location Error) 計算 出來,例如C 軸的位置誤差XOC、YOC、 AOC、BOC。三軸同動量測可分析出位置誤 差 (Location Error),五軸同動量測用來評價 刀具端與工作台間的誤差,可從原始資料進
一步找出機構傳動特性,例如蝸桿蝸輪嚙合精度或煞車離合器造成的位移等。

英國商RENISHAW 的接觸式雙球桿循圓 量測儀(RENISHAW DBB) 使用兩個萬向球杯座分別固定於工具機主軸及工作台,主軸 頭相對於工作台以兩軸同動( 如 XY 軸、XZ 軸、YZ 軸 ) 進行圓周運動,兩球之間距離R 的變化量即可量測出來,為了方便判別與診 斷誤差,其量測圖形一般繪成圓形線圖上, 例如採用同步的極座標繪圖最後由電腦分析相關數據。 

DBB 價格較便宜,量測一次擷取一方向數 據,所有項目皆可完成試驗;R-test 價格較昂 貴,維修等待期較長,量測一次擷取三方向數 據,兩軸同動精度與圓錐標準工件加工模擬無法試驗,下表整理兩種儀器的說明比較。
 
同動精度試驗目的 
透過三軸同動精度試驗( 附錄K1 與附錄 K2) 之結果,經計算可得兩個旋轉軸之迴轉 中心偏差值。

透過三軸同動精度試驗( 附錄K1 與附錄 K2)可用來評價五軸機幾何精度誤差與匹配, 亦可得知線性軸與旋轉軸同步響應延遲誤差。

透過三軸同動精度切線方向試驗 ( 附錄 K1 與附錄K2) 可用來檢查旋轉軸機構週期誤差與缺陷。

依據參考資料10 所述,應用DBB 進行試 驗時,變換工作台杯座位置及測試桿方向,進行兩直線軸與一旋轉軸之試驗,亦可得出 更多旋轉軸之位置誤差,例如 EXC、EYC、 EAC、EBC 等。

透過五軸同動精度( 附錄K3) 路徑試驗, 可模擬ISO 10791-7 M3 精加工試驗之運動精度試驗。實際加工會遇到許多問題,前 置作業與切削需花費時間、加工試件卸下至 CMM 量測真圓度需要花費時間與費用、無法 立即調整機械參數,原本需要以實作切削的 方式來試驗調整機台參數,花費在校刀校工 件加工至少要二小時,更需要送三次元靜置 同溫24 小時候量測,應用DBB 試驗可省去 校刀、校工件、機上參數調整、三次元同溫 靜置與三次元量測,可節省工時 80% 以上,可立即評價真圓度、中心偏置、輕易變更測 試條件 ( 進給速率 )、不需切削工件成本、不 需 CMM 量測,但仍需考慮實際切削與模擬 切削中間之差異影響,例如工件載重、切削 負荷、刀具種類、切削液、切削力等。

試驗路徑程式編寫 (TCP/Non TCP) 
ISO 10791-6 附錄 K1 與附錄 K2 試驗過程 需開啟 TCP 控制功能,試驗項目可以固定點 路徑或圓弧路徑進行,TCP 控制功能開啟僅 能以圓弧路徑(DBB 方向始終保持圓運動的 半徑、軸線、切線方向) 進行,若要以固定 點 (DBB 方向始終保持與直線軸平行) 進行 需在 Non TCP 模式以極座標方式編寫試驗路徑程式。

極座標(Polar coordinate) 是一個二維座 標。該座標系中任意位置皆可由一個夾角與 一段相對原點—極點的距離來表示。當兩點 間的關係用夾角與距離較容易表示時,極座 標系就顯得有幫助。

以極座標方式呈現需在編寫程式之前,得 知起點座標、終點座標、圓心座標等資訊。 G03 後面XY 座標為終點座標;IJ 值為圓心相對於起點之位置。若是畫全圓,僅需給圓 心相對於起點之位置即可。

TCP 模式程式碼僅需撰寫旋轉軸角度移 動,Non TCP 模需得知起點座標、終點座標 及圓心座標等資訊來計算座標值撰寫程式碼。
 
量測軟體 (Ballbar 20& Ballbar Trace) 
Renishaw 兩套軟體Ballbar 20& Ballbar Trace,兩套軟體擷取之原始資料皆相同, Ballbar 20 會取原始資料計算出圓度偏差 ( 最 大與最小半徑之間的差值,排除中心偏置之 影響 )、徑性偏差、中心偏置、進給速率等資 訊,Ballbar Trace 則是以時間序繪出圖形計 算出最大與最小偏差值。

參考資料
1.ISO 10791-6:2014, Test conditions for machining centres-part 6 : Accuracy of speeds and interpolations.
2.ISO 841:2001, Industrial automation systems and integration -- Numerical control of machines -- Coordinate system and motion nomenclature.
3.ISO 10791-7:2014, Test conditions for machining centres -- Part 7: Accuracy of finished test pieces.
4. 東京農工大學堤正臣研究室。
5.Masaomi  TSUTSUMI, Interpolation motion tests of 5-axis MCs.
6.M. Tsutsumi &A. Saito,Identification and compensation of systematic deviations particular to 5-axis machining centers.
7.Masaomi TSUTSUMI & Ken YAMAMOTO & Akinori SAITO & K. M. Muditha DASSANAYAKE & Shigetaka MIKAMI,Identification of Geometric Deviations Using Simultaneous Five-axis Control Technique in Five-axis Machining Centers with Double Pivot Spindle Head.
8.Chengri CUI & Kenji HIGASHIYAMA & Masaomi  TSUTSUMI & K.M. Muditha DASSANAYAKE,A Method for Identifying Geometric Deviations Inherent to Multi - Tasking Turning Centers.
9.Renishaw,  ISO 10791-6 using QC20-W.
10.Soichi Ibaraki1 , Yoshiaki Yoshiaki Yoshiaki Yoshiaki Kakino2 , Takayuki Takayuki Takayuki Takayuki Akai3 , Naoshi Takayama akayama akayama akayama3 , Iwao Yamaji1 , Keiji Ogawa4 1Dept. of Micro Engineering, Engineering, Engineering, Engineering, Kyoto University University University University, Japan 2Kakino Research Research Research Research Institute Institute Institute Institute, Japan 3Mori Seiki Co. Ltd., Japan 4Dept. of Mechanical Mechanical Mechanical Mechanical Systems Systems Systems Systems Engineering Engineering Engineering Engineering, the University University University University of Shiga Prefecture., Prefecture., Prefecture., Prefecture., Japan ,Measurement of Error motions on Five axis Machine Tools by Ball Bar Tests.
11. 荷蘭商 IBS 公司,R-test 量儀資訊。
 

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