摘要
本文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，最後採用1度1分割探討此結構作動時的特性。本研究使用角擺檢查儀(API Swivel Check)進行搖籃式傾斜軸定位精度量測。
關鍵字： 角擺檢查儀、搖籃式傾斜軸、角度編碼器、1度1分割
1. 前言
當談及五軸機床時，我們可以看到它所呈現的一系列趨勢和優勢。首先，它展現了多功能性的特點，這種機床能夠處理多種加工工作，包括曲面、斜面和複合加工，這使得它能夠滿足不同行業對於加工需求的多樣性。其次，五軸機床具有高精度的優勢，由於其更多的運動自由度，能夠實現多角度、多方向的加工，從而保證了加工件的高精度和表面質量。此外，五軸機床還能夠提高生產效率，相較於傳統的機床，它可以在一次夾持中完成複雜零件的加工，從而節省了裝夾和調整時間，提高了生產效率。同時，由於擁有更多的加工自由度，五軸機床可以實現複雜零件的一次成型，減少了加工步驟和工時，進而降低了加工成本。最後，五軸機床的應用範圍非常廣泛，它被廣泛應用於航空航天、汽車製造、模具製造、醫療器械等高端制造行業，能夠加工出形狀複雜、精密度要求高的零部件。綜上所述，五軸機床以其高精度、高效率、多功能性等優勢，成為了現代制造業中不可或缺的重要設備之一。
根據ISO10791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BC 軸或是AC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；此43個誤差會互相影響，儀器所能量測值很難判斷為單一誤差。摘要
本文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，最後採用1度1分割探討此結構作動時的特性。本研究使用角擺檢查儀(API Swivel Check)進行搖籃式傾斜軸定位精度量測。
關鍵字： 角擺檢查儀、搖籃式傾斜軸、角度編碼器、1度1分割
1. 前言
當談及五軸機床時，我們可以看到它所呈現的一系列趨勢和優勢。首先，它展現了多功能性的特點，這種機床能夠處理多種加工工作，包括曲面、斜面和複合加工，這使得它能夠滿足不同行業對於加工需求的多樣性。其次，五軸機床具有高精度的優勢，由於其更多的運動自由度，能夠實現多角度、多方向的加工，從而保證了加工件的高精度和表面質量。此外，五軸機床還能夠提高生產效率，相較於傳統的機床，它可以在一次夾持中完成複雜零件的加工，從而節省了裝夾和調整時間，提高了生產效率。同時，由於擁有更多的加工自由度，五軸機床可以實現複雜零件的一次成型，減少了加工步驟和工時，進而降低了加工成本。最後，五軸機床的應用範圍非常廣泛，它被廣泛應用於航空航天、汽車製造、模具製造、醫療器械等高端制造行業，能夠加工出形狀複雜、精密度要求高的零部件。綜上所述，五軸機床以其高精度、高效率、多功能性等優勢，成為了現代制造業中不可或缺的重要設備之一。
根據ISO10791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BC 軸或是AC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；此43個誤差會互相影響，儀器所能量測值很難判斷為單一誤差。
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。
2. 使用量儀
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，為計算角度偏差極小單位，故使用儀器互相驗證以保證量測到最正確數值；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。
2. 津田駒搖籃式傾斜軸
旋轉模組為五軸工具機的精度關鍵，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，紛紛採用德國、日本、義大利所生產的旋轉模組。目前高規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，因其位置訊號不透過馬達而是直接量測旋轉軸，故可提升機械精度。
本研究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，本案採用控制系統為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。
3. 檢驗流程
本研究將比較分析開啟/關閉角度編碼器其檢驗圖形，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，若圖形異常則進行1度1分割的量測檢驗，探討其機構特性。
3. 量測結果與探討
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。
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；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；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，代表此模組的重覆性佳；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，其誤差竟達45arc-sec，亦代表以10度進行量測隱藏了45arc-sec的誤差在其中。
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4arc-sec，這說明了採用角度編碼器可以提升定位精度性能並隱藏原始機構的缺陷；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%。
5. 分析與討論
透過檢驗可以了解此傾斜軸在搭載角度編碼器的情況下，其定位精度重覆性皆非常的優良；但是在沒角度編碼器的輔助下於正負10度區間會有產生非線性的誤差，若於此範圍進行正反向的轉換加工，將導致非常大的誤差。
正負10度區間誤差與其搖籃傾斜軸的運作有關，因搖籃旋轉時其重心一直在變化，尤其接近0度位置承靠面受重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。
由以上分析與討論統整資訊：使用無角度編碼器的情況下，由於受到重心影響於正負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。若此款傾斜軸有搭載角度編碼器，其定位精度及重覆性皆於高水準表現，性能優良。
本研究透過開關角度編碼器可得知傾斜軸機構特性，並透過1度1分割的量測方式可以了解實際會造成的誤差有多大。
6. 結論
針對津田駒傾斜軸分析如下：
a.此模組不管有無角度編碼器其重複性皆屬優良。
b.無角度編碼器，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。
c.搭載角度編碼器，其定位精度及重覆性皆於高水準表現，性能優良。
當開發或購置國外四五軸模組時，建議工具機廠商可針對開啟、關閉角度編碼器進行確認，得以掌握五軸機在不同狀況下具有的加工表現。1度1分割的量測方法可以量測出機構原始的精度表現，甚至可能解析出機構運轉及控制器補償的技術關鍵。期盼國內業者在使用四五軸模組時，能更掌握其零組件特性，轉化為自己的研發能量，開發出更優良的五軸機台朝著提升國內工具機品質目標邁進。
7. 參考文獻
1. http://www.renishaw.com/ http://www.heidenhain.com/
2. Dr. Johannes Heidenhain GmbH, “Influence of Position Measurement on Accuracy in 5-Axis Machining, ” HEIDENHAIN Technical Information, 2011.
3. Dr. Johannes Heidenhain GmbH, “Product Information RCN 2000 RCN 5000 RCN 8000 Absolute Angle Encoders for Safety-Related Applications, ” HEIDENHAIN Product Information, 2013.
