使用角擺檢查儀(API Swivel Check) 進行搖籃式傾斜軸定位精度量測，本文分享實測日本津 田駒傾斜軸定位精度表現，分析其角度編碼器開啟與關閉的精度差異，採用1 度1 分割的 量測方式探討此機械結構作動時的運轉特性。
關鍵字： 角擺檢查儀、搖籃式傾斜軸、角度編碼器、1 度1 分割
▋ 前言
五軸工具機可應用於航空航天工業、醫療器械、汽車工業、模具製造等各種領域，而隨著消 費者對於產品要求之精度愈來愈高，故工具機品質亦須不斷地提升，五軸工具機的靈活性、高精 度和效率使其成為現代製造業中不可或缺的工具之一。
由於科技之進步與軟硬體的發展，使五軸加工機的程式編撰與機器操作不再困難，五軸加工 機具多自由度，其刀具可循一定之角度進行加工（刀尖跟隨功能RTCP 即Rotated Tool Center Point），故可減少安裝工件次數、高精度夾治具的需求、以及不同機器的使用次數，進而提升 表面加工品質與減少成本的支出。就航太、車輛及模具等產業，其主要為較大型之工件，如模具、 機架結構件等，則需以臥式或龍門式主軸旋轉- 傾斜型進行加工；就小型元件如引擎轉子葉片、 齒模、人工關節、小型模具、手錶或珠寶零件等，則以立式工作臺旋轉傾斜型進行加工為宜。
▋ 國際標準定義
實根據ISO230-1 國際標準定義，五軸機誤差項目分為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，三軸下以單一線性軸分 為18 個元件誤差，另加上三軸組裝上3 個位置誤差，所以三軸工具機共21 個誤差項目，而一 般兩軸旋轉工作台為基於三軸工具機下架設另外兩軸（旋轉軸、傾斜軸），通稱為B、C 軸或是 A、C 軸，單一傾斜軸可在分類為6 個元件誤差及5 個位置誤差（圖一），故兩個旋轉軸下共22 個誤差，加上原先三軸21 個誤差，五軸機共43 個誤差量。
由過往文獻及經驗得知，造成旋轉工作台傾斜軸運動中誤差原因綜合如下：包含旋轉工作台 組裝不良所造成形狀誤差、動態切削力激發旋轉工作台自然頻率造成動態變形、傳動機構精度造 成角度誤差、傳動機構零件磨耗造成背隙與角度誤差、工件靜態載重與切削力造成靜態變形誤差、 軸承系統精度及磨耗造成迴轉精度誤差、熱變形造成角度及迴轉精度誤差。
本文所量測誤差為傾斜軸誤差中之EAA 項目，係指旋轉工作台繞傾斜軸線旋轉某一點在運 動後所到達之位置偏離其目標位置之許可差，其所產生偏差值d 為實際位置與目標位置間之距 離，旋轉角度相對於連結其上角位移定位公差為p；所量測到之誤差值ISO 標準中定義為EAA， 包含因角度偏差下所引起旋轉誤差(EBA、ECA)，及因直度偏差量所引起之徑軸向偏差(EXA、 EYA、EZA)，為一傾斜軸運動中因各種幾何及運動誤差所影響下最後產生之路徑表示方法。
▋ 角擺檢查儀
本文使用角擺檢查儀其量測誤差值以角秒為計算單位，為1/3600 度，為計算角度偏差微小 單位；量測中須注意實驗環境溫、濕度變化，變化量須控制在5% 以下。感測元件量測範圍600 度， 解析度0.03arc-sec，最小量測間距為0.0002 度，重量5.7kg；詳細規格可參考下表。
此設備使用精密電子水平儀裝置，解析度達0.03 角秒，使用設備須保證儀器量測方向與旋 轉工作台傾斜軸向平行，故每次實驗前須先將兩軸線使用千分表校正至0.005mm 內，方可開始 使用此設備量測，確保不會因儀器架設誤差而造成影響。量測時需使用訊號線將感測元件及控制 器連接，故需檢查量測時其訊號線是否產生干涉，以利檢驗結果的正確性與安全性。
▋ 日本津田駒 RTT-433 BA 傾斜軸模組
四五軸旋轉軸為五軸工具機的關鍵零組件，近年來國內廠商為達到客戶對於加工機高規格的 性能與精度需求，採用了德國、日本、義大利所生產的搖籃式旋轉模組。目前高階機台皆搭載角 度編碼器來提升性能與加工表現，其角度編碼器能大幅提升旋轉軸定位精度與重複精度，因其位 置訊號非透過馬達而是直接量測旋轉軸，故可將機械誤差減至最小。但也因為採用角度編碼器反 而隱藏了原始機構特性，本文將針對此議題進行研究與探討。本文以日本津田駒公司所生產搖籃 型傾斜軸進行量測探討與說明，外觀如下圖所示。
此搖籃機構傾斜角度為-60~+110°，減速比1/240，最大可承受載重400kg，模組重量 1350kg，搭載HEIDENHAIN RCN2390F 角度編碼器，採用控制系統為FANUC Series oi-MD。
傳動機構為雙導程蝸桿蝸輪，此機構優點為高強度、高傳動效率、嚙合面積大，其分散接觸 壓力耐久性高，且背隙可透過推向小齒厚方向作調整。
▋ 檢驗流程規劃
本文將比較分析開啟/ 關閉角度編碼器其檢驗圖形，進而探討傾斜軸性能。檢驗流程圖如下 圖所示，進行開啟/ 關閉角度編碼器的傾斜軸定位精度量測，以10 度為間距；在來進行圖形判 別與分析，經補正後圖形正常即完成，若圖形異常則在異常範圍內進行1 度1 分割的量測檢驗， 探討其機構特性。
▋ 開啟/ 角度編碼器
首先開啟角度編碼器進行去回一趟量測，圖形判斷為正常情況後，進行補償後量測去回五 趟，確認改善定位精度，最後比較補償前後圖形變化。由以下檢驗圖形可以得知，其補償前即達 到5.7arc-sec 的微小誤差，補償後更縮至4.7arc-sec；最後比較補償前後圖形，因誤差皆小於 6arc-sec 內，經由軟體計算其圖形路徑重疊率達85%，統整以上測試結果可以確認，於開啟角 度編碼器情況下此模組性能非常高。
▋ 關閉/ 角度編碼器
在來關閉角度編碼器進行去回一趟量測，圖形發現異常，進行補償後量測去回五趟，比較 補償前後圖形變化，其定位精度精度雖有改善，但於0 度位置有不正常的誤差現象，最後採 用1 度1 分割的量測方法，探討本模組的機構特性。由以下檢驗圖形可以得知，其補償前誤差 為155arc-sec，但於0 度附近位置其圖形有斷差現象，非一線性圖形；進行補償後誤差改善為 19arc-sec，但圖形於正負10 度區間內產生異常交叉圖形；然後比較補償前後圖形其誤差改善 87%；在來進行補償後去回五趟定位精度量測，其圖形幾乎為重疊的情況，代表此模組的重複性 佳；綜合以上討論補償後雖明顯的提升定位精度，但其於正負10 度區間圖形實屬異常情況，故 針對此情況必須進行1 度1 分割的分析，了解此機構的運作特性。
於正負10 度區間進行1 度1 分割量測，其誤差達45arc-sec，亦代表以10 度進行量測將忽 略45arc-sec 的誤差。
▋ 開啟/ 角度編碼器 VS 關閉/ 角度編碼器：1 度1 分割比較
最後開啟角度編碼器試圖與之比較，於正負10 度區間進行1 度1 分割量測其誤差僅4arcsec， 這說明了採用角度編碼器可以提升定位精度性能並改善原始機構的缺陷；最後比較開啟/ 關閉角度編碼器補償後1 度1 分割量測圖形，開啟角度編碼器之定位精度改善誤差89%。
▋ 分析與討論
透過檢驗可得知津田駒傾斜軸在開啟/ 角度編碼器的情況下，其定位精度與重複性皆非常的 準確；但是在關閉/ 角度編碼器的情況下於正負10 度區間會有產生非線性的運轉，若於此範圍 進行正反向的轉換加工將導致非常大的誤差。
為什麼原始機構運轉於正負10 度區間誤差這麼大？其實跟搖籃傾斜軸的運作與機械結構有 關，由於搖籃擺動時其重心一直在變化，尤其接近0 度位置承靠面受慣性力影響會進行承靠位置 的轉換，此範圍誤差是非線性且難以預測的，此狀況於此款津田駒傾斜軸特別的明顯。
由以上分析與討論統整資訊：關閉/ 角度編碼器使用津田駒傾斜軸所量測之原始精度，由於 受到重心及慣性力影響於正負10 度區間誤差大，故在進行加工時需避免正反向的轉換，以免導 致過大的加工誤差；若此款傾斜軸有開啟/ 角度編碼器，其定位精度及重複性皆始於高水準表現， 性能優良。
▋ 結論
本文透過角擺檢查儀檢驗日本津田駒搖籃型之傾斜軸，比較分析關啟/ 角度編碼器與關閉/ 角度編碼器的兩種情況之定位精度圖形，最後以1 度1 分割的量測去探討此機構的特性，得以掌 握在五軸機之傾斜軸具有的加工表現；1 度1 分割的量測方法可以檢驗機構細部的原始精度表現， 甚至可解析出機構運轉及控制器補償能力的相關關鍵技術，於開發機種非常推薦此量測方法。
期盼國內業者在開發或應用旋轉軸模組，能掌握其機構運轉之特性並轉化為自己的研發能 量，能開發更優良工具機，朝著提升國內加工精度之目標邁進。
▋ 參考資料
- International Standard, "Geometric Accuracy Of Machines Operating Under No-Load or Quasi-Static Conditions", ISO230-1(2012).
- International Standard, "Determination of Accuracy and Repeatability of Positioning Numerically Controlled axes", ISO230-2(2014).