摘要 因應(yīng)今日全球制造市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，需要借助于更高準(zhǔn)確度及更好品質(zhì)的機(jī)床，因此只是校驗(yàn)及補(bǔ)償三項(xiàng)位移誤差（節(jié)距誤差）是不足夠的，如果能測(cè)得空間定位準(zhǔn)確度，則所有三項(xiàng)位移誤差、六項(xiàng)直線度誤差及三項(xiàng)垂直度誤差能被測(cè)量及補(bǔ)償。 近年來(lái)，光動(dòng)公司已經(jīng)發(fā)展出針對(duì)包含三項(xiàng)位移誤差、六項(xiàng)直線度誤差及三項(xiàng)垂直度誤差空間誤差的激光向量測(cè)量技術(shù)，整個(gè)測(cè)量?jī)H需幾小時(shí)，取代了傳統(tǒng)測(cè)量需耗費(fèi)幾天的時(shí)間。使用激光向量測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)于亞崴配載Fanuc 18M控制器型號(hào)為FV-1000的立式加工中心上測(cè)得其空間定位誤差。在沒(méi)有任何補(bǔ)償條件下，空間誤差為110mm，在節(jié)距誤差補(bǔ)償條件下，空間誤差為95mm，而在空間補(bǔ)償條件下，空間誤差則為12.5mm，整個(gè)改善了900%，關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)的操作原理、硬件架構(gòu)、資料采集與處理及一些測(cè)試結(jié)果將在本篇文章中做討論。 I. 簡(jiǎn)介 CNC機(jī)床可由包含直線位移誤差、直線度誤差、角度誤差及彈性誤差的空間定位準(zhǔn)確度來(lái)測(cè)得CNC機(jī)床的性能或準(zhǔn)確度。然而這些誤差的測(cè)量相當(dāng)復(fù)雜且耗時(shí)，針對(duì)這些原因，一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如ISO 230-6及ASME B5.54[1]建議以體對(duì)角線位移測(cè)量來(lái)作空間性能的快速檢驗(yàn)，這是因?yàn)轶w對(duì)角線對(duì)于所有的誤差組成相當(dāng)靈敏，因此當(dāng)誤差超過(guò)規(guī)范，就沒(méi)有足夠的資料能夠來(lái)鑒別誤差源及作補(bǔ)償。 近年來(lái)，由光動(dòng)公司所發(fā)展出新的激光向量技術(shù)[2,3]，可利用激光位移量尺（LDDM）針對(duì)這些包含三項(xiàng)位移誤差、六項(xiàng)直線度與三項(xiàng)垂直度誤差的空間誤差來(lái)做測(cè)量。使用這項(xiàng)激光向量測(cè)量技術(shù)，已在亞崴型號(hào)為FV-1000的立式切削中心測(cè)量得到相關(guān)數(shù)據(jù)。 II. 體對(duì)角線位移測(cè)量 體對(duì)角線位移測(cè)量方式被建議用來(lái)作機(jī)器定位及幾何準(zhǔn)確度的快速檢驗(yàn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，類似于激光直線位移測(cè)量，取代了激光光束在軸向的指向，而是作體對(duì)角線方向的指向，固定反射鏡在主軸上，并沿著體對(duì)角線方向移動(dòng)主軸，從零點(diǎn)位置開(kāi)始，并使三軸沿著對(duì)角線方向以增量同動(dòng)到新的位置，則位移誤差可被測(cè)得。沿著對(duì)角線任一位置的準(zhǔn)確度是依據(jù)三軸的定位準(zhǔn)確度來(lái)決定，這準(zhǔn)確度包含直線度誤差、角度誤差及垂直度誤差。因此體對(duì)角線位移測(cè)量是一種機(jī)器驗(yàn)證的良好方法，但并沒(méi)有足夠的信息可以來(lái)鑒別誤差源。 III. 向量或分段對(duì)角線測(cè)量 新的向量測(cè)量方法或分段對(duì)角線測(cè)量方法不同于傳統(tǒng)的方法，因?yàn)楦鬏S的是分開(kāi)移動(dòng)的，且定位誤差是在每次X軸、Y軸及Z軸各自移動(dòng)后采集，基于這個(gè)理由，可采集到三倍多的資料，同時(shí)定位誤差因?yàn)楦鬏S各自移動(dòng)，可分離出來(lái)，這些采集到的資料可當(dāng)作各軸沿著對(duì)角線位移的投影來(lái)作處理。 一般的體對(duì)角線位移測(cè)量，標(biāo)靶軌跡是直線，并且以角方鏡來(lái)作標(biāo)靶，因此只能容許較小的側(cè)向位移。向量方法，變成分別沿著X軸、Y軸及Z軸作移動(dòng)，重復(fù)這些動(dòng)作直到對(duì)角線的相對(duì)端點(diǎn)。激光干涉儀是單光束激光，并以平面鏡當(dāng)作標(biāo)靶，注意到當(dāng)以平面鏡當(dāng)作標(biāo)靶時(shí)，當(dāng)移動(dòng)平行平面鏡時(shí)，激光光束并不會(huì)被遮斷及改變與光源的距離，所以測(cè)量不會(huì)受到影響。因此可測(cè)量激光方向的移動(dòng)及容許較大的標(biāo)靶側(cè)向移動(dòng)。 IV. 亞崴機(jī)器上的測(cè)量 測(cè)量在亞崴型號(hào)FV-1000的立式切削中心上進(jìn)行，F(xiàn)V-1000是針對(duì)高速模具加工所設(shè)計(jì)，具強(qiáng)化肋的厚鋼鐵結(jié)構(gòu)，提供機(jī)器較佳的剛性及防止任何可能影響切削準(zhǔn)確度的彎曲或扭轉(zhuǎn)。門柱是一體成形鑄造可以符合較大的切削性能及吸收振動(dòng)，門柱鎖在床臺(tái)頂部以確保最佳準(zhǔn)確度的調(diào)校與垂直度，并可符合最大的剛性。機(jī)器工作空間是1050mm乘上600mm乘上540mm，控制器為Fanuc 18M。 V. 激光向量方法、測(cè)量與補(bǔ)償 1. 激光測(cè)量系統(tǒng) 激光校驗(yàn)系統(tǒng)為激光都普勒位移量尺（LDDM），由美國(guó)光動(dòng)公司所制造，型號(hào)為MCV-500。它是新一代應(yīng)用都普勒效應(yīng)的單光束激光干涉儀，此系統(tǒng)具調(diào)整鏡，容易操控激光光束到對(duì)角線方向。 在機(jī)器移動(dòng)部的標(biāo)靶為一75×100mm的平面鏡，空氣溫度及壓力可被測(cè)得并可補(bǔ)償機(jī)器的熱膨脹，自動(dòng)資料采集，誤差分析及自動(dòng)產(chǎn)生補(bǔ)償表，這些皆在光動(dòng)公司LDDM版本2.50的窗口軟件上執(zhí)行。 2.架設(shè)與調(diào)校 應(yīng)用激光向量方法，機(jī)器可沿著四條體對(duì)角線進(jìn)行測(cè)量，激光頭固定于機(jī)器床臺(tái)上，并使用調(diào)整鏡來(lái)調(diào)校激光光束使其平行對(duì)角線，平面鏡則固定于主軸上，并使其表面與激光光束垂直，如圖1所示，機(jī)器可設(shè)計(jì)工件程序使主軸由起始端點(diǎn)到相對(duì)端點(diǎn)移動(dòng)。 亞崴立式切削中心外觀及激光在床臺(tái)與平面鏡在主軸上的分段對(duì)角線測(cè)量架設(shè)照片3. 空間誤差資料采集與分析 測(cè)量資料會(huì)由LDDM的窗口軟件在每次機(jī)器停止或各單軸移動(dòng)后自動(dòng)采集，誤差資料由LDDM軟件分析，而每一軸的誤差會(huì)自動(dòng)計(jì)算，應(yīng)用這些誤差亦可自動(dòng)產(chǎn)生誤差補(bǔ)償表，在此次試驗(yàn)中，機(jī)器不具任何誤差補(bǔ)償、具節(jié)距誤差補(bǔ)償、具空間誤差補(bǔ)償?shù)倪@幾筆測(cè)量資料皆會(huì)被采集到。 4. 測(cè)量結(jié)果 機(jī)器在不具任何補(bǔ)償時(shí)的體對(duì)角線位移誤差如圖2所示，其中對(duì)角線的方向以對(duì)角線的正向或反向增量表示。 不具任何補(bǔ)償?shù)乃臈l體對(duì)角線位移誤差，總誤差為110mm機(jī)器在不具任何補(bǔ)償時(shí)所測(cè)得的最大對(duì)角線位移誤差為110mm，同樣地，機(jī)器在具節(jié)距誤差補(bǔ)償時(shí)的體對(duì)角線位移誤差如圖3所示，在此其最大位移誤差為95mm，改善率為15%，而機(jī)器在具空間誤差補(bǔ)償時(shí)的體對(duì)角線位移誤差如圖4所示，其最大位移誤差為12.5mm，改善率為900%。 具節(jié)距誤差補(bǔ)償?shù)乃臈l體對(duì)角線位移誤差，總誤差為95mm，只有較小的改善 具空間誤差補(bǔ)償?shù)乃臈l體對(duì)角線位移誤差，總誤差為12.5mm，改善了900%。VI. 討論與總結(jié) 總結(jié)前面所述，我們已在亞崴的立式切削中心上完成向量測(cè)量與空間補(bǔ)償，亞崴的立式切削中心的空間定位準(zhǔn)確度可獲得改善超過(guò)900%，在此可注意到如果只作節(jié)距誤差補(bǔ)償，則僅改善15%，因此只作節(jié)距誤差補(bǔ)償是不足夠的，能夠同時(shí)補(bǔ)償節(jié)距誤差及直線度誤差是相對(duì)重要的。 此外激光向量測(cè)量?jī)H需2到4小時(shí)，大大取代了一般激光干涉儀需要20到40小時(shí)去測(cè)量的時(shí)間，激光架設(shè)相當(dāng)簡(jiǎn)單，并且資料可自動(dòng)采集，數(shù)據(jù)處理與補(bǔ)償文件產(chǎn)生皆為自動(dòng)，排除手動(dòng)操作并減少誤差，因此毋需經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，機(jī)器操作者在接受訓(xùn)練后即可操作激光校驗(yàn)及校驗(yàn)。 參考文獻(xiàn) [1] “Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers” An American National Standard, ASME B5.54-1992 by the American Society of Mechanical Engineers, p69, 1992. [2] C. Wang, “ Laser Vector measurement Technique for the determination and compensation of volumetric positioning errors. Part I: Basic theory”, Review of Scientific Instruments, Vol. 71, No 10, pp 3933-3937, October 2000. [3] J. Jenecko, B. Griffin and C. Wang, “Laser Vector Measurement Technique for the determination and compensation of volumetric positioning errors. Part II: Experimental verification”, Review of Scientific Instruments, Vol. 71, No. 10, pp.3938-3941, October 2000.