摘要 因應今日全球制造市場的競爭，需要借助于更高準確度及更好品質的機床，因此只是校驗及補償三項位移誤差（節距誤差）是不足夠的，如果能測得空間定位準確度，則所有三項位移誤差、六項直線度誤差及三項垂直度誤差能被測量及補償。 近年來，光動公司已經發展出針對包含三項位移誤差、六項直線度誤差及三項垂直度誤差空間誤差的激光向量測量技術，整個測量僅需幾小時，取代了傳統測量需耗費幾天的時間。使用激光向量測量技術，已經于亞崴配載Fanuc 18M控制器型號為FV-1000的立式加工中心上測得其空間定位誤差。在沒有任何補償條件下，空間誤差為110mm，在節距誤差補償條件下，空間誤差為95mm，而在空間補償條件下，空間誤差則為12.5mm，整個改善了900%，關于此項技術的操作原理、硬件架構、資料采集與處理及一些測試結果將在本篇文章中做討論。 I. 簡介 CNC機床可由包含直線位移誤差、直線度誤差、角度誤差及彈性誤差的空間定位準確度來測得CNC機床的性能或準確度。然而這些誤差的測量相當復雜且耗時，針對這些原因，一些國際標準如ISO 230-6及ASME B5.54[1]建議以體對角線位移測量來作空間性能的快速檢驗，這是因為體對角線對于所有的誤差組成相當靈敏，因此當誤差超過規范，就沒有足夠的資料能夠來鑒別誤差源及作補償。 近年來，由光動公司所發展出新的激光向量技術[2,3]，可利用激光位移量尺（LDDM）針對這些包含三項位移誤差、六項直線度與三項垂直度誤差的空間誤差來做測量。使用這項激光向量測量技術，已在亞崴型號為FV-1000的立式切削中心測量得到相關數據。 II. 體對角線位移測量 體對角線位移測量方式被建議用來作機器定位及幾何準確度的快速檢驗。簡單來說，類似于激光直線位移測量，取代了激光光束在軸向的指向，而是作體對角線方向的指向，固定反射鏡在主軸上，并沿著體對角線方向移動主軸，從零點位置開始，并使三軸沿著對角線方向以增量同動到新的位置，則位移誤差可被測得。沿著對角線任一位置的準確度是依據三軸的定位準確度來決定，這準確度包含直線度誤差、角度誤差及垂直度誤差。因此體對角線位移測量是一種機器驗證的良好方法，但并沒有足夠的信息可以來鑒別誤差源。 III. 向量或分段對角線測量 新的向量測量方法或分段對角線測量方法不同于傳統的方法，因為各軸的是分開移動的，且定位誤差是在每次X軸、Y軸及Z軸各自移動后采集，基于這個理由，可采集到三倍多的資料，同時定位誤差因為各軸各自移動，可分離出來，這些采集到的資料可當作各軸沿著對角線位移的投影來作處理。 一般的體對角線位移測量，標靶軌跡是直線，并且以角方鏡來作標靶，因此只能容許較小的側向位移。向量方法，變成分別沿著X軸、Y軸及Z軸作移動，重復這些動作直到對角線的相對端點。激光干涉儀是單光束激光，并以平面鏡當作標靶，注意到當以平面鏡當作標靶時，當移動平行平面鏡時，激光光束并不會被遮斷及改變與光源的距離，所以測量不會受到影響。因此可測量激光方向的移動及容許較大的標靶側向移動。 IV. 亞崴機器上的測量 測量在亞崴型號FV-1000的立式切削中心上進行，FV-1000是針對高速模具加工所設計，具強化肋的厚鋼鐵結構，提供機器較佳的剛性及防止任何可能影響切削準確度的彎曲或扭轉。門柱是一體成形鑄造可以符合較大的切削性能及吸收振動，門柱鎖在床臺頂部以確保最佳準確度的調校與垂直度，并可符合最大的剛性。機器工作空間是1050mm乘上600mm乘上540mm，控制器為Fanuc 18M。 V. 激光向量方法、測量與補償 1. 激光測量系統 激光校驗系統為激光都普勒位移量尺（LDDM），由美國光動公司所制造，型號為MCV-500。它是新一代應用都普勒效應的單光束激光干涉儀，此系統具調整鏡，容易操控激光光束到對角線方向。 在機器移動部的標靶為一75×100mm的平面鏡，空氣溫度及壓力可被測得并可補償機器的熱膨脹，自動資料采集，誤差分析及自動產生補償表，這些皆在光動公司LDDM版本2.50的窗口軟件上執行。 2.架設與調校 應用激光向量方法，機器可沿著四條體對角線進行測量，激光頭固定于機器床臺上，并使用調整鏡來調校激光光束使其平行對角線，平面鏡則固定于主軸上，并使其表面與激光光束垂直，如圖1所示，機器可設計工件程序使主軸由起始端點到相對端點移動。 亞崴立式切削中心外觀及激光在床臺與平面鏡在主軸上的分段對角線測量架設照片3. 空間誤差資料采集與分析 測量資料會由LDDM的窗口軟件在每次機器停止或各單軸移動后自動采集，誤差資料由LDDM軟件分析，而每一軸的誤差會自動計算，應用這些誤差亦可自動產生誤差補償表，在此次試驗中，機器不具任何誤差補償、具節距誤差補償、具空間誤差補償的這幾筆測量資料皆會被采集到。 4. 測量結果 機器在不具任何補償時的體對角線位移誤差如圖2所示，其中對角線的方向以對角線的正向或反向增量表示。 不具任何補償的四條體對角線位移誤差，總誤差為110mm機器在不具任何補償時所測得的最大對角線位移誤差為110mm，同樣地，機器在具節距誤差補償時的體對角線位移誤差如圖3所示，在此其最大位移誤差為95mm，改善率為15%，而機器在具空間誤差補償時的體對角線位移誤差如圖4所示，其最大位移誤差為12.5mm，改善率為900%。 具節距誤差補償的四條體對角線位移誤差，總誤差為95mm，只有較小的改善 具空間誤差補償的四條體對角線位移誤差，總誤差為12.5mm，改善了900%。VI. 討論與總結 總結前面所述，我們已在亞崴的立式切削中心上完成向量測量與空間補償，亞崴的立式切削中心的空間定位準確度可獲得改善超過900%，在此可注意到如果只作節距誤差補償，則僅改善15%，因此只作節距誤差補償是不足夠的，能夠同時補償節距誤差及直線度誤差是相對重要的。 此外激光向量測量僅需2到4小時，大大取代了一般激光干涉儀需要20到40小時去測量的時間，激光架設相當簡單，并且資料可自動采集，數據處理與補償文件產生皆為自動，排除手動操作并減少誤差，因此毋需經驗豐富的工程師，機器操作者在接受訓練后即可操作激光校驗及校驗。 參考文獻 [1] “Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers” An American National Standard, ASME B5.54-1992 by the American Society of Mechanical Engineers, p69, 1992. [2] C. Wang, “ Laser Vector measurement Technique for the determination and compensation of volumetric positioning errors. Part I: Basic theory”, Review of Scientific Instruments, Vol. 71, No 10, pp 3933-3937, October 2000. [3] J. Jenecko, B. Griffin and C. Wang, “Laser Vector Measurement Technique for the determination and compensation of volumetric positioning errors. Part II: Experimental verification”, Review of Scientific Instruments, Vol. 71, No. 10, pp.3938-3941, October 2000.