精密機械的幾何誤差量測補償技術

對於精密智慧製造而言，精密機械線性位移平台與旋轉平台的幾何誤差對於機器定位與加工精度有著巨大的影響。因此，10年來，劉教授研究團隊致力於設計與發展國內自主的精密機械幾何誤差量測與補償系統，以客製化、降低成本跟專利設計為特色，包含接觸式與非接觸式量測系統。此量測系統的關鍵核心能力是空間誤差分析與誤差解耦合。本研究團隊能利用所開發的量測系統，與業界實務的應用做結合，針對廠商機器的問題進行實驗與分析，並可客製化設計，可為廠商提供一套有效檢測機器幾何運動誤差的方法。

　　對於精密智慧製造與機械產業而言，高精度的線性位移平台與旋轉平台扮演非常重要的角色。近年來，多軸工具機已被廣泛應用於幾何形狀複雜、高精度且高效率的製造應用中，其中線性位移平台與旋轉平台的幾何誤差對於加工精度有著巨大的影響。目前針對工具機線性位移平台與旋轉平台的幾何誤差，已訂定有ISO 230-2、ISO230-6與ISO 230-7等相關國際標準檢驗規範。對於理想的線性位移平台或旋轉平台而言，當線性位移平台或旋轉平台移動定位時，其僅具有單一自由度幾何運動誤差；但實際上，當線性位移平台或旋轉平台作動時，將同時產生六個自由度幾何運動誤差，此六個幾何運動誤差將影響線性位移平台或旋轉平台的幾何精度。目前工業應用上，雷射干涉儀、雷射都普勒儀、自動視準儀、Ball Bar與R-TEST等已廣泛應用於量測線性位移平台或旋轉平台幾何運動誤差。當中最具代表性的量測設備就是雷射干涉儀，其具有高精度與可信度等優點，但大多數雷射干涉儀單次量測僅能搭配特定之光學鏡組，量測單一幾何誤差。因此，使用雷射干涉儀量測機台多個自由度幾何誤差明顯曠日廢時，若是大量使用干涉儀建立量測系統，亦會大量增加系統建構成本。且大部分其他市售產品也同樣具有此缺點。綜觀文獻回顧，大多數的量測系統十分昂貴，且量測系統包含許多光學零組件十分複雜，架設不易。另外市售產品亦無法滿足客製化的需求。

圖1 CNC五軸加工機的AC旋轉平台幾何運動誤差量測系統

       因此，劉教授研究團隊致力於設計與發展國內自主的精密機械幾何誤差量測系統，以客製化、降低成本跟專利設計為特色，包含接觸式與非接觸式量測系統。接觸式量測系統使用市售的接觸式測頭與標準測球，其優點為價格相當實惠，且精度高，而接觸式測頭本身安裝上相當簡易、迅速。圖1是劉教授研究團隊所發展的五軸CNC加工機的AC旋轉平台幾何運動誤差量測系統，以獨有的三球發明專利來量測旋轉平台幾何運動誤差。目前已可同步量測出旋轉平台的10個自由度幾何運動誤差。非接觸式量測系統以幾何光學法為基礎，利用創新的機制來實現工具機長行程線性軸定位誤差量測，並同時量測其他幾何運動物誤差，以提升量測精度及效率。圖2是劉教授研究團隊所發展的CNC工具機線性位移平台幾何運動誤差量測系統。目前已可同步量測出線性位移平台的6個自由度幾何運動誤差。

圖2 CNC工具機線性位移平台幾何運動誤差量測系統

       劉教授研究團隊能利用所開發的量測系統，與業界實務的應用做結合，針對廠商機器的問題進行實驗與分析，為廠商提供一套有效檢測機器幾何運動誤差的方法。期望未來對精密機械產業的發展會有幫助。