• 前言：
• 國際標準定義：
• 角擺檢查儀（API Swivel Check）：
• 旋轉軸校正儀（Renishaw XR20）
• 傾斜軸量測位置與前置作業
• 傾斜軸量測位置實際拍攝及要點說明
• 結果分析與討論：
• 結論：
• 參考資料

國產傾斜軸定位精度量測實務與探討

本文採用角擺檢查儀（API Swivel Check）及旋轉軸校正儀（Renishaw XR20），分別針對傾斜軸之主動端、工作台面及支撐端進行定位精度量測，藉此比較不同量測位置之定位精度差異及其關聯性。

關鍵字： 角擺檢查儀、角度分割儀、搖籃式傾斜軸、主動端、工作台面、支撐端

前言：

傾斜軸為五軸工具機的關鍵模組之一，其性能直接影響機台之定位精度及加工品質。早期國內工具機多採用進口傾斜軸模組，隨著國內相關技術逐漸成熟，近年已有越來越多工具機業者採用國產四、五軸模組（如圖一），顯示國產關鍵零組件已具備相當程度的技術能量。

本文記錄一項由國內知名工具機業者協助完成之特殊量測案例，針對傾斜軸主動端、工作台面及支撐端三個不同位置進行定位精度量測與比較，探討各量測位置之精度表現及其相互關聯性。由於不同量測位置所反映的結構特性及工程意義並不相同，因此藉由本案例之量測分析，可進一步了解傾斜軸定位精度於結構中的傳遞特性，以及不同量測位置對精度評估之影響。

本研究分別使用角擺檢查儀（API Swivel Check）及角度分割儀（Renishaw XR20），於傾斜軸不同位置進行定位精度量測與比對，期望藉由本案例提供五軸工具機設計、製造、組裝及精度檢測相關人員更完整的量測經驗與技術參考，並作為未來傾斜軸性能評估及量測方法建立之依據。

國際標準定義：

根據 ISO 230-1 國際標準之定義，五軸工具機的幾何誤差項目可分為 21 個線性軸誤差及 22 個旋轉軸誤差，並以「元件誤差（component error）」與「位置誤差（location error）」進行分類與定義。以三軸工具機為例，單一線性軸包含 6 個元件誤差，三軸共計 18 個元件誤差；此外，三軸彼此組裝後所產生之位置誤差共計 3 項，因此三軸工具機合計為 21 個幾何誤差項目。一般五軸工具機則是在三軸工具機架構上，再增加兩個旋轉軸，通常為旋轉軸與傾斜軸的組合，依機台結構不同可稱為 B、C 軸或 A、C 軸。以單一旋轉軸而言，可再細分為 6 個元件誤差及 5 個位置誤差（如圖二），兩個旋轉軸合計 22 個誤差項目。因此，五軸工具機的完整幾何誤差模型，係由原有三軸的 21 個誤差，加上兩個旋轉軸的 22 個誤差所組成，共計 43 個幾何誤差項目。

本文所量測誤差為傾斜軸誤差中之EAA(或為EBB，依實際安裝來定義)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角度許可差。

角擺檢查儀（API Swivel Check）：

本文使用角擺檢查儀進行量測（如圖三），量測誤差以角秒（arcsec）表示，1 角秒為 1/3600 度。量測過程應盡可能維持環境溫度與相對濕度穩定，避免環境變化對量測結果造成影響。感測元件量測範圍為 600 度，解析度 0.03 arcsec，最小量測間距 0.0002 度，設備重量約 5.7 kg。設備架設時，須確保量測方向與旋轉工作台傾斜軸平行，並於量測前使用千分表將兩軸線校正至 0.005 mm 以內，以降低架設誤差。此外，量測過程須確認訊號線無干涉，以確保量測結果之正確性與操作安全。

旋轉軸校正儀（Renishaw XR20）

旋轉軸校正儀XR20（Renishaw XR20-W）是一款專門用於旋轉軸定位精度檢測的高精度量測設備（如圖四），可應用於五軸工具機、旋轉工作台及其他旋轉機構之精度量測。其設備輕巧，主機重量約 1.2 kg，具備最高 ±1 角秒的量測精度，適合進行現場旋轉軸定位精度檢測。量測時，首先將標準固定環安裝於旋轉工作台表面，再利用固定環上的刻度及定心輔助工具，將量測設備對準旋轉軸中心。相較於傳統使用千分表進行精密同心度調整的方式，XR20 的安裝與定心程序較為簡便，可縮短量測前的準備時間，並提高現場量測的便利性。

傾斜軸量測位置與前置作業

量測前需確認傾斜軸模組處於絕對水平狀態（如圖五），以避免因設備初始姿態偏差造成量測結果誤差，確保各量測位置皆於相同基準條件下進行，以提升實驗數據之客觀性與可靠性。本次實驗主要探討傾斜軸於不同量測位置下之定位精度差異，並分析主動端、支撐端及工作台面三者之間的精度關聯性。為了解傾斜軸結構在不同位置下的實際定位表現，本研究規劃於三個不同量測位置進行測試。

第一項量測位置為傾斜軸主動端，即馬達驅動端及角度編碼器安裝位置，此位置為旋轉運動的控制來源，主要反映伺服系統、角度回授元件及驅動機構本身之定位能力。透過於主動端進行量測，可了解控制系統所呈現之旋轉定位精度。

第二項量測位置為傾斜軸支撐端，該位置主要提供旋轉機構之支撐功能，屬於浮動支撐結構。由於支撐端並無直接驅動及角度回授功能，其量測結果可用於評估軸承間隙、結構剛性、組裝誤差及旋轉過程中所產生之偏移量，進一步了解支撐端對整體傾斜軸精度之影響。

第三項量測位置為傾斜工作台面，該位置為實際加工過程中工件與治具安裝之主要基準面，因此最具加工應用上的代表性。本研究於工作台面使用角擺檢查儀進行量測，以觀察傾斜軸經由整體結構傳遞後，最終反映於工作區域之定位精度表現。

藉由上述三個位置之量測與比對，可進一步了解傾斜軸從驅動端、支撐端至工作台面的精度傳遞關係，並評估不同量測方法與量測位置對五軸工具機旋轉軸精度檢測結果之影響。

規劃於三個傾斜軸不同位置進行量測：

旋轉軸校正儀於傾斜軸主動端(馬達驅動端含角度編碼器)（如圖六）

旋轉軸校正儀於傾斜軸支撐端(浮動設計僅有支撐效果)（如圖七）

角擺檢查儀於傾斜工作台(最有工件代表性)（如圖八）

傾斜軸量測位置實際拍攝及要點說明

本案例針對傾斜軸三個不同位置進行量測，並依據各量測位置之結構特性與架設條件，規劃相對應之治具設計與校正方式。

第一項量測位置為傾斜軸主動端，因該位置包含馬達、角度編碼器及相關管線配置，周邊干涉條件較為複雜，因此需設計專用轉接治具，以避開旋轉過程中可能產生之機構干涉，並確保旋轉軸校正儀能穩定安裝於量測位置（如圖九）。第二項量測位置為傾斜軸支撐端，由於該位置主要提供旋轉支撐功能，周邊結構相對單純，架設難度較低，僅需設計適當之轉接旋轉平面，即可進行量測（如圖十）。

上述兩項使用旋轉軸校正儀之量測位置（如圖十一、圖十二），皆須控制轉接旋轉平面之偏擺量，以降低因治具加工及安裝誤差造成之量測影響。本案例將旋轉平面偏擺量控制於 10 μm 以下（以直徑 100 mm 量測基準計算），確保旋轉軸校正儀之量測基準符合精度需求。

旋轉軸校正儀於量測過程中，需特別控制儀器架設時所產生之偏擺角度誤差。若量測軸線與傾斜軸旋轉中心未保持良好對準，將使量測結果受到安裝偏差影響，並產生週期性的正弦曲線誤差（Sine Error）。此類誤差並非來源於旋轉軸本身之定位精度，而是由於量測基準與旋轉軸線之間存在角度偏移所造成，容易導致元件誤差判讀失真。

因此，在進行旋轉軸校正儀架設時，需透過精密校正程序降低儀器與旋轉軸之間的角度偏差（如圖十三），確保量測基準與實際旋轉軸線一致，以避免架設誤差對量測結果造成影響，提升旋轉軸定位精度評估之準確性與可靠性。

第三項量測位置為傾斜工作台面，使用角擺檢查儀進行量測。由於此位置最接近實際加工時工件安裝之狀態，因此架設精度對量測結果具有高度影響。本項量測主要控制兩項關鍵條件：第一，確保傾斜工作台面之絕對水平精度，前後及左右方向皆控制於 0.002 mm/m 以內（如圖十四）；第二，確保量測儀器與傾斜軸向保持平行（如圖十五），其平行度誤差控制於 10 μm 以下（以直徑 100 mm 量測基準計算），以降低設備架設誤差對量測結果之影響。

透過上述量測架設規劃與精度控制，可確保不同量測位置皆具備一致且可靠之量測條件，進一步分析傾斜軸主動端、支撐端及工作台面（如圖十六）之定位精度差異與精度傳遞關係。

結果分析與討論：

本案例定位精度量測結果顯示（如圖十七），傾斜軸主動端定位精度為 3 arcsec（如圖十八）、支撐端為 21 arcsec（如圖十九），而傾斜工作台面定位精度為 5 arcsec（如圖二十）。由量測結果可發現，主動端與工作台面之定位精度僅相差 2 arcsec，兩者數據相當接近，顯示傾斜軸之驅動端定位能力可有效傳遞至工作台面，整體結構剛性與組裝品質良好，工作台面並未因動力傳遞、結構變形或組裝累積誤差而產生明顯定位精度衰減。由於工作台面為工件實際安裝位置，因此其量測結果亦能更真實反映機台於加工狀態下之旋轉定位能力。

相較之下，支撐端之定位精度量測結果為 21 arcsec，明顯高於主動端及工作台面。分析其原因，主要與國內傾斜軸模組之設計理念有關。支撐端主要功能在於提供旋轉結構之支撐與承載能力，並維持整體機構之剛性，其本身並非驅動端，亦未配置高精度角度回授元件，因此設計上並未將定位精度列為主要控制目標。換言之，支撐端屬於輔助支撐機構，其量測值較主動端及工作台面高，符合設計特性。

由本案例可知，若欲評估五軸工具機傾斜軸之實際加工定位能力，應優先以主動端或工作台面之量測結果作為判斷依據，而不宜僅以支撐端量測數據評估整體旋轉軸定位精度，以避免造成定位精度判讀上的誤差。

結論：

本研究利用旋轉軸校正儀（Renishaw XR20）及角擺檢查儀（API Swivel Check），分別針對傾斜軸主動端、支撐端及工作台面三個不同位置進行定位精度量測與分析，藉由不同量測位置之比對，探討傾斜軸定位精度之傳遞特性及各量測位置之工程意義。

量測結果顯示，傾斜軸主動端定位精度為 3 arcsec、工作台面為 5 arcsec，兩者僅相差 2 arcsec，顯示驅動端之定位能力可有效傳遞至實際加工位置，整體結構具有良好的定位精度保持能力。相較之下，支撐端量測結果為 21 arcsec，雖明顯高於主動端及工作台面，但考量其設計目的主要為提供旋轉結構支撐及承載功能，並未配置高精度回授元件，因此其定位精度並非主要設計指標。由此可知，不同量測位置所代表之工程意義並不相同，若欲評估五軸工具機實際加工能力，應優先參考工作台面或主動端之量測結果，而不宜僅以支撐端數據作為整體性能判斷依據。

依據本案例量測結果顯示，現階段國產傾斜軸模組於定位精度表現已具備相當水準。由本案例亦可驗證，國產模組於定位精度表現已能滿足多數五軸加工應用需求。然而，近年來仍有部分工具機業者於實際加工過程中反映，五軸同動加工或傾斜軸位於特定重力方向時，偶有加工誤差不穩定之現象。此類問題多半與結構剛性不足、受力變形、軸承配置、組裝精度及重力效應等因素有關，其影響已超越靜態定位精度量測所能完整反映的範圍。

因此，本研究認為，未來提升國產傾斜軸模組性能之關鍵，將不再侷限於靜態定位精度的提升，而應朝向結構剛性優化、受力變形控制、重力補償技術及五軸同動加工穩定性等方向發展，並建立兼具靜態與動態特性之完整性能評估方法，使旋轉軸精度驗證更貼近實際加工需求。

最後，也期望透過本案例之量測經驗，能提供國內工具機業者、傾斜軸模組製造商及研究單位作為參考，未來共同投入傾斜軸關鍵技術之研究與驗證，包括定位精度、結構剛性、動態特性及加工精度等面向，建立更完善之量測與評估方法。藉由產、學、研跨領域合作，持續提升國產傾斜軸模組之性能與可靠性，進一步強化臺灣五軸工具機關鍵零組件之自主研發能力與國際競爭力，推動臺灣工具機產業朝向高精度、高可靠度及高附加價值方向持續發展。

參考資料