摘要
三軸加工機使用接觸式雙球桿循圓量測儀(Double Ball Bar, DBB)檢驗雙軸同動的動態誤差為目前業界普遍具備的量測技術。而隨著工具機朝向多軸及複合化趨勢使得五軸加工機需求精度提高，東京農工大學堤正臣教授研究室於2010年發表以DBB量測ISO10791-6 AK1~CK2旋轉軸幾何精度的新式三軸同動檢驗技術，後續又提出以DBB模擬ISO10791-7 M3實作工件的五軸同動精度量測技術，大幅降低儀器投資成本及縮短檢驗工時。精機中心(PMC)於2016年11月邀請堤正臣教授至台灣國際工具機展(TMTS)分享相關研究成果，並規劃提教授參訪產學研單位進行技術探討與交流，本文將相關內容作整理與說明。未來預計透過委託堤正臣教授進行技術輔導的合作方式將DBB的同動量測技術導入至精機中心(PMC)，以期提升國內五軸加工機的檢驗水準。
關鍵字： R-test、DBB、ISO10791-6、NAS979
1. 前言及五軸構型簡介
工具機多應用於汽機車、機械零件、3C、能源運輸、生醫及高端設備等加工，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，而隨著新興工業國家對於製造設備的需求，全球工具機生產還有成長空間。
隨著科技之進步與多軸加工軟硬體的發展，使五軸工具機的程式編撰與機器操作不再困難。由於五軸工具機具多自由度，其刀具可循一定之角度進行加工，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，則以立式工作台旋轉傾斜型進行加工為宜。
五軸加工機大致可分為三類，Type A 兩軸旋轉主軸頭、Type B兩軸旋轉工作台、Type C 一個旋轉主軸頭及一個旋轉工作台。
2. 五軸機同動精度量測儀(R-test)
荷蘭商IBS的R-test量測系統是針對ISO10791-6規範所開發的適用量儀，將基準圓球安裝於旋轉端(旋轉工作台或旋轉主軸頭)，將位移感測頭安裝在不旋轉端(主軸或固定工作台)，以控制器的追隨程式進行主軸與工作台間的變位量量測，R-Test包含三個平板機構用以接觸精密陶珠球(或精密鋼球)，可量測X、Y、Z方向的微小變位量△X、△Y、△Z，此為五軸工具機的誤差，經軟體分析可將各別旋轉軸相對於線性軸的位置誤差(Location Error)計算出來，例如C軸的位置誤差XOC、YOC、AOC、BOC。
IBS R-test儀器設計精密且架設允差小，量測範圍約為1.25mm，超過儀器量測範圍時較危險，因其接觸感測器若承受過大位移量，容易造成儀器的毀損。一旦發生破壞性碰撞需送回荷蘭原廠處理，修復日期約兩個星期的時程。
其購置成本據了解約為台幣150萬~200萬間，對於國內中小企業的工具機廠無疑是一大成本支出，另外其量測風險較高，檢驗前置設定工作若有遺漏，容易造成儀器損壞。
2. 接觸式雙球桿循圓量測儀(DBB)
DBB使用兩個萬向球杯座分別固定於工具機主軸及工作台，主軸頭相對於工作台以兩軸同動(如XY軸、XZ軸、YZ軸)進行圓周運動，兩球之間距離R的變化量即可量測出來，為了方便判別與診斷誤差，其量測圖形一般繪成圓形線圖上，例如採用同步的極座標繪圖最後由電腦分析相關數據。以Renishaw公司所售價的DBB量儀價格約台幣20萬~25萬，目前於中小企業的工具機廠約占70%的普及率，其量測範圍約2mm，超過範圍還具有些許伸縮量空間，而球杯座屬於耗材其價格尚為合理。
3. 堤正臣研究室提出以DBB量測ISO10791-6 堤研究室於2010年發表以DBB量測ISO10791-6 AK1~CK2旋轉軸幾何精度的新式三軸同動檢驗技術，所有R-test的量測方法皆可以使用DBB做為替代，詳細載明於規範ISO10791-6內，而DBB亦為量測規範所認定的替代方法；後續堤研究室又提出以DBB模擬ISO10791-7 M3實作工件的五軸同動精度量測技術，此即為ISO10791-6內容所屬的AK3、BK3、CK3量測方法。
堤教授認為採用DBB量測同動精度，除了大幅降低儀器投資成本及縮短檢驗工時，而且DBB可執行兩軸同動與模擬M3加工件的切削路徑，是R-test無法檢驗的項目，以下整理兩種儀器的說明比較表。
4.東京農工大學堤正臣副校長背景說明
於1976年自東京工業大學研究所博士班畢業，同年成為東京工業大學助教，1985年升任副教授，1988年轉任東京農工大學教授後，於2013年屆齡退休，隨即於同年4月被聘任為國立東京農工大學理事(負責公共關係、國際事務)至今。
自1985年起從事與工具機相關的日本工業標準(JIS)之更新、制定，1988年起有4年時間擔任ISO/TC39 (Machine tools)/SC2 (Test conditions for metal cutting machine tools) 的日本委員，之後一直參與多數的ISO 標準及JIS 標準之制定工作。特別是初版的ISO 1079-1~9(加工中心機的測試標準)之制定，從ISO 標準之制訂時(1990年)起即參與，並擔任JIS制訂時之主審。之後改訂的ISO 230-1、ISO 230-2、ISO 230-3、ISO 230-4 等之通則的制定也均有參與，同時擔任所有這些相關規格的翻譯，對轉換成JIS做出貢獻。目前ISO 10791-1，ISO 10791-6，ISO 10791-7 的JIS化已大致完成，預計自2016年12月起開始ISO 230-7以及ISO230-10的JIS轉換工作，其翻譯工作剛剛完成。研究方面一直以工具機為研究領域，特別是最近在五軸MC 的幾何誤差之相關研究有多項業績，而且以這些研究成果為基礎，制定了ISO10791-6(第2版)的草案。另外，這些研究也獲得了日本機械學會論文獎、精密工學會論文獎、發那科財團論文獎、工具機振興財團論文獎等國內多數的工具機相關之獎賞。在2002 年因為對標準化的貢獻，也獲得了經濟產業大臣的表揚。
4. 精機中心邀請堤正臣教授訪台行程(一)
【ISO標準動態發展與五軸同動量測技術研討會】
精機中心(PMC)預期透過更多管道接觸國外學者專家來導入量測五軸機的新檢驗技術，進而帶動國內工具機量測技術的發展，於本屆TMTS展覽中邀請到日本東京農工大學 堤正臣副校長分享國際ISO標準動態發展與五軸同動量測技術。
以下紀錄相關技術重點：
針對3軸同動檢驗方法為，AK1、AK2、BK1、BK2、CK1、CK2，可以利用以上方法評估工具機的幾何誤差，更可進一步觀察到旋轉軸的螺距誤差，及反向誤差，依據規範所提出的建議量測儀為DBB、R-test及測微計。而5軸同動檢驗方法是模擬加工圓錐台的圓弧插補運動：AK3、BK3、CK3，這種量測建構在5軸同動的空間圓弧插補運動，相關規範詳細載於ISO10791-7。另一項5軸同動檢驗方法為AK4、BK4、CK4，可用儀器為DBB及R-test，此方法最先於堤研究室提出，但最後堤教授認為此項檢驗方法找不出測試的意義何在，故欲於ISO會議建議刪除此項目，但歐洲學者卻有不同意見認為應保留此量測項目，最後AK4、BK4、CK4依舊保留於標準內。
統整以上量測方法，可以發現DBB可以執行所有同動量測，此為堤教授推崇使用DBB的主要關鍵。
在說明3軸同動前首先須了解旋轉軸誤差方向定義，主要分為徑向、切線向與軸向，如下圖所示。
接著以下圖說明以C軸量測同動誤差，以相同XYC三軸同動進行運作，DBB各別置放於旋轉之軸向、徑向與切線方向，藉由三組量測數據診斷機台XYC三軸同動的幾何精度。
下圖說明以A軸量測同動誤差，以相同YZA三軸同動進行運作，DBB各別置放於旋轉之軸向、徑向與切線方向，藉由三組量測數據診斷機台YZA三軸同動的幾何精度。
關於5軸同動檢驗方法是模擬加工圓錐台的圓弧插補運動，是一種以DBB取代實際加工的檢驗方法。當採用實際切削工件(如NAS979)，完成後在拿工件至CMM量測幾何精度其過程非常耗時，而當廠內沒有CMM的話又需要送至其他量測機構，將花費更多的檢驗時間。
故堤研究室提出以DBB來模擬加工圓錐台的路徑，可以於短時間內評估機台的性能，具有以下優勢：
1. 不需拆卸工件，即可就地量測出真圓度。
2. 可量測出中心偏移(offset)。
3. 更改測試條件容易(如運轉速度)。
4. 不需要昂貴的加工材。
5. 不需要CMM。
5. 精機中心邀請堤正臣教授訪台行程(二)
【五軸加工機檢測技術國際論壇】
於研討會後隨即舉辦五軸加工機檢測技術國際論壇，主持人為精機中心董事長嚴瑞雄，出席貴賓包含日本東京農工大學副校長堤正臣、中正大學校長馮展華與百德公司總經理廖子恩。產學界專家學者針對五軸加工機檢測等關鍵技術提出精闢的見解，藉由五軸加工機同動精度量測及未來儀器發展方向進行深入剖析與趨勢觀察，而本論壇與會人員達百人以上，可謂盛況空前。精機中心期待國內業者能藉著本次論壇所分享的內容，著手厚植國內五軸機的檢驗技術，提升國內機台在國際上的競爭力，帶動台灣工具機產業的發展。
6. 精機中心邀請堤正臣教授訪台行程(三)
【產學研單位進行技術探討與交流】
精機中心安排堤教授參訪國內廠商，包含東台精機、油機工業、台中精機(TMTS)、百德機械(TMTS)、亞太菁英，特別於東台精機、油機工業辦理技術交流會，由製造廠商提出機台相關研發、製程、檢驗問題，提教授提出個人看法與探討。
針對ISO10791-6的量測系統Non-Bar System虎尾科技大學校長覺文郁其研究團隊已耕耘多年，故精機中心安排堤教授至虎科拜訪；由研究室成員實機展示其所開發的量測系統，最後與堤教授進行深入的量測探討。
7. 總結
DBB用於工具機雙軸同動的量測在國內已屬成熟，但依據ISO10791-6使用DBB進行三軸同動量測與五軸同動量測方法在國內明顯落後日本，本次透過堤教授在研討會的講解與分享，可以了解到DBB可以檢驗的項目，請參考以下整理表：
另外，使用DBB的量測優勢整理如下：
1. 三軸同動檢測技術，市面上IBS R-TECH儀器較昂貴，若能利用已經普及化的DBB來檢測ISO10791-6 (AK1，AK2，BK1，BK2，CK1，CK2)等三軸同動項目，可減少業者設備投資成本85%。
2. 五軸同動檢測技術，業者原本需要以實作切削的方式來檢測調整機台參數，花費在校刀校工件加工至少要二小時，更需要送三次元靜置同溫量測又要24小時；而利用普及化DBB來模擬ISO10791-7 M3(NAS979)圓錐工件加工路徑，可省去校刀校工件三次元靜置同溫量測24小時以上，至少節省工時80%。
3. 國內業者對上述檢測技術進入門檻低，相關技術傳承可透過研討會模式，短時間作大量傳承，提升技術普及效率。
精機中心於堤教授訪台行程，規畫了ISO標準動態發展與五軸同動量測技術研討會、五軸加工機檢測技術國際論壇、國內產學研單位拜訪與技術交流等活動，成功串起產學研界與日本專家的技術交流，期待開啟國內業者量測視野，厚植國內五軸機的檢驗技術，提升國內機台在國際上的競爭力，帶動台灣工具機產業的發展。
8. 參考文獻
1. International Standard, "Test Conditions for machining centres-Part6： Accuracy of speeds and interpolation", ISO10791-6(2014).
2. http://www.g-tech-inst.com/
3. http://www.renishaw.com/
4. 堤正臣，「5軸MC插補運動精度測試：基於ISO10791-6使用球桿儀的測試的測試和測試結果的有效應用」，TMTS研討會講義資料。
