國產五軸工具機精度量測調查概況以動柱搖籃式為例

文◆精密機械研究發展中心 驗證技術發展部 工程師 陳科睿、吳相儒

五軸加工機擁有高度靈活特性，可加工複雜工件，減少治具與工件轉換之停滯時間，可提升加工效率、縮短製程時間與提升刀具壽命，五軸加工機已是現今高精密、高品質工件製作不可或缺的機種之一。

工具機幾何精度與性能對於加工品質擁有相當的影響性，精機中心本次針對工具機廠新製的五軸工具機之空間精度進行量測，共計進行27台五軸工具機的精度檢測，其中包含動柱式13台、天車式9台與龍門式5台，檢驗項目主要有線性軸6自由 度誤差、旋轉軸定位精度、循圓測試、立體空間對角線分析、 R-Test刀尖跟隨同動精度，相關精度誤差分析與參考規範如表一所示，本文將以動柱式機型為主體，針對測試方法、測試標準、量測結果等，進行說明與探討。

1. 工具機構型與角度誤差定義說明

• 五軸工具機機型大致上可區分為三類：
• (1)兩旋轉主軸頭(Head-Head)
• (2)兩旋轉工作台(table-table)
• (3)一旋轉主軸一旋轉工作台(Head-table)

五軸機型中，動柱式機型與天車式機型皆為兩旋轉工作台(table-table)機型，如圖一、圖 二所示，以刀具右手定則定義機械座標系，動柱式機型，搖擺軸為繞著Y軸旋轉，定義為B軸，旋轉軸圍繞著Z軸旋轉定義為C軸，整體軸向定義為X、Y、Z、B、C；天車式機型， 搖擺軸為繞著X軸旋轉，定義為A軸，旋轉軸圍繞著Z軸旋轉定義為C軸。

五軸機精度檢驗，本文中其角度誤差均以 〝角秒〞表示，如圖三所示，1度60角分(arcmin)； 1角分60角秒(arc-sec)；1度為3600角 秒，即一角秒約0.000278度，如以氣泡式水平儀表示，如圖四所示，泡式水平儀一格為0.02mm/m≒4角秒，或是0.005mm/m(1/4格) ≒1角秒。

2. 標準規範與測試數據解析探討

針對各項測試之量測手法，參考標準與量測結果進行分析探討，其量測結果以最大最小值，與正規化數值進行解析探討。

2.1 線性軸6項自由度誤差

五軸工具機一般含有三個線性軸以及兩個旋轉軸，根據ISO 230-1國際標準定義，五軸機工具機誤差項目分為21個線性軸誤差及22個旋轉軸誤差，並以元件誤差(component error) 及位置誤差(location error)來定義，三軸線性結構以線性軸分為18個元件誤差，另加上三線軸組裝後之3個位置誤差，即垂直度，所以 三軸線性結構共具有21個誤差項，其中單一線性軸包含Pitch、Yaw、Roll(角度誤差)，平移誤差，包含水平向真直度、垂直向真直度及定位精度等6個自由度誤差，如圖五所示，本次測試透過Renishaw XM-60(6D Laser)進行量測，如圖六所示，單一線性軸量測，可同時量測並解析6個自由度誤差，有別傳統量測方， 測試結果根據ISO 10791-2(2023)標準規範允收值進行誤差分析，如表二、表三所示，其 中EXX、EYY、EZZ為定位精度，可參考ISO 10791-4標準規範。

單軸自由度測試結果如圖七~圖九所示，定位精度誤差，EXX最大誤差約：17μm，最小誤差約：2μm；EYY最大誤差約：15μm，最 小誤差約：2μm；EZZ最大誤差約：12μm， 最小誤差：2μm，皆符合ISO 19791-4標準規 範，雙向定位精度28μm之允收值；平移方向最大誤差為EZY約為13μm，最小誤為EXY約 為1μm。

旋轉方向誤差，大多符合ISO 10791-2，其 中X軸向最大誤差為EBX約13〞，最小誤差 為EAX約1〞；其中Y軸向最大誤差為EBY約 8〞，最小誤差為EBY約1〞；其中Z軸向最大 誤差為EAZ約13〞，最小誤差為ECZ約2〞。

由於動柱式五軸機構型，X軸向須背負滑座、鞍座、頭座等Y、Z軸結件重量，如圖一 所示，因此X軸向時運行時，因受質量與慣性力等緣故，使得EBX角度誤差大，如圖十所示，將X軸旋轉自由度誤差值正規化，大多機台EBX誤差會大於EAX與ECX，此外在量測單軸自由度時，同時於不動件（工作台）架設 電子水，量測工作台動態水平，相關測試結果進行正規化後，如圖十一所示，由測試結果顯示，當移動X軸向時，工作台雖然為固定不動，但還是會受到移動件慣量的影響，能會導致EBX誤差較大。

2.2 旋轉軸定位精度

旋轉軸定位精度使用Renishaw XL-80與 XR-20進行量測，如圖十二所示，定位精度量測方式是依據ISO 230-2標準規範進行量測與計算誤差，允收標準可參考ISO 10791-4標準規範，如圖十三所示，旋轉軸雙向定位精度應在28〞內，單向定位精度應在22〞內。旋轉軸定位精度誤差結果如圖十四所示，整體而言搖擺軸整體誤差大於C軸，由測試結果顯示，C軸無論有無clamping，誤差皆在20〞內，符合 ISO 10791-4允收標準，B軸無clamping時， 最大誤差約為27〞，當clamping時，最大誤差約為38〞，透過測試結果顯示，當旋轉軸clamping時，定位精度與未clamping差異較大時，建議可調整旋轉軸剎車，使定位精符合允收標準，提高加工品質。

2.3 循圓測試

• 循圓測試使用Renishaw QC-20進行量測， 相關測試條件與允收標準可參考ISO 10791- 6，如表四所示，本次測試條件如下列所示：
• • XY平面

  量測角度：360度 進給速度(F)：1000mm/min

• • YZ平面

  量測角度：220度 進給速度(F)：1000mm/min

• • YZ平面

  量測角度：220度 進給速度(F)：1000mm/min

真圓度誤差分析

真圓度誤差主要是依據ISO 230-4標準規範定義，進行圓度誤差分析，如圖十五所示，真圓度誤差為單一實際循圓軌跡，利用最小平方法求得虛擬圓心後，以此圓心當為基準進行畫圓，其循圓軌跡之最小內切圓與最大外接圓之半徑差，即為真圓度誤差。

真圓度誤差分析結果如圖十六所示，由測試結果顯示，三平面真圓度誤差皆在30μm以內，符合ISO 10791-6允收標準，整體而言XY平面優於YZ、XZ本次測試結果XY平面最大誤差約為10μm，最小誤差約為4μm，XZ平面最大誤差約為18μm，最小誤差約為6μm，YZ平面最大誤差約為14μm，最小誤差約為7μm。

2.4 立體空間4條對角線分析

立體空間4條對角線精度量測，使用儀器為Renishaw XL-80，如圖十七所示，主要是依據ISO 230-6如圖十八所示，為D1、D2、 D3、D4路徑，其量測點數每米至少5點，測速路度須小於最高進給速率之20%，相關量測方式可參考ISO 230-2定位精度檢驗方式。

量測空間精度，建議以增量式量測，架設起點座標為P1(X1,Y1,Z1)，終點座標為 P2(X2,Y2,Z2)，量測長度(D)可透過公式1計算。

每個量測位置單軸向所需移動的距離，可以通過公式計算，以X軸為例，利用公式(2)計算出X軸的總距離(XV)，求得X軸向移動總距離 後，可透過公式(3)求得X軸單次點位移動距離 (IX)，Y、Z軸向以此類推。

對角線空間精度量測，標準規範並無規定允收數值，本次測試結果如圖二十所示，整 體誤差差約在30μm以內，D1最大誤差約為25μm，最小誤差約為6μm；D2最大誤差約為 30μm，最小誤差約為7μm；D3最大誤差約為27μm，最小誤差約為6μm；D4最大誤差約為28μm，最小誤差約為5μm。