｜工具機主軸質量偏心偵測與平衡技術

摘要：傳統CNC車床加工主要加工對象是圓柱型和軸對稱外型的工件，然而隨著工具機在高速高精度的多軸複合加工技術的進步，現代的車銑複合機的加工的料件不再侷限在圓柱型的對稱物料，尤其在生醫領域與汽車零件有許多形狀複雜與不對稱性的精密零件的應用愈來愈多。另外，現代的CNC車床加工廠商爲了提高加工速度與降低製造成本，CNC車削加工的轉速也愈來愈高，因此若要同時提高加工速度與更高的加工精度、但是又必須考量機台的安全性，國外工具機大廠開始針對車床的工件主軸上開發動平衡的自動偵測與主動補償技術，本計畫主要在開發一個工具機主軸動平衡之系統，目前研究果已經開發出一個單晶片的主軸質量偏心自動偵測技術以協助技術人員進行主軸平衡之調整。

Abstract: Conventional turning centers of machine tools are only required to turn symmetrical workpieces.  However, modern multi-tasking machine tool technology is now capable to turn un-symmetrical workpieces in high-speed and high precision conditions, especially in precision machining of medical devices and automotive components where high spindle speed is demanded to obtain smooth surfaces at lower manufacturing costs.  Therefore, the spindle of the modern turning centers now needs to run in higher frequencies, while demands higher machining accuracy at the same time.  Machine tool makers have to develop auto-balancing technology for the machine tool spindle in order to meet the higher speed, higher precision, and machine safety requirements. This study is focused on the development of an automatic spindle balancing system on turning machines.  At the current status, we have successfully developed a MCU-based unbalance mass detection and analyzer of the machine tool spindles to assist the machine tool operators to achieve mass balance correction.

關鍵詞：數控機床、高速高精度、主軸質量不平衡

Keywords：Numerical control machine tool, High-speed and high-precision, Mass unbalance

背景說明
在全球機械製造和金屬加工領域，複合加工技術正以其強大的加工能力被不斷發展與應用。所謂複合加工技術，即是在一台機台上完成車、銑、鑽、搪、攻絲、鉸孔、擴孔等多種加工要求，這樣集合複數工序和複數工種的加工於同一機台具有Done-in-one功能機台稱為車銑複合加工機（如圖1的日本Mazak公司的車銑複合加工機所示[1]）。車銑複合加工機的最突出優點是可以大大縮短工件的生產周期、提高工件加工精度，更能實現複雜形狀工件的加工。車銑複合加工機目前在醫療器材、汽機車零組件、航太產業與能源產業等加工應用愈來愈廣。

由於車銑複合的被加工工件常為複雜且不對稱性形狀，工件的質量中心不在主軸的軸心線上，因此在高轉速時的離心力可產生明顯的振動，進而傷害到加工精度、機器零組件壽命或刀具壽命，甚或機器操作人員的安全性，因此Mazak公司發展出所謂的IBA （Intelligent Balance Analyzer）模組（如圖2所示），IBA模組可以線上監控並指出工件不平衡量的位置（location）與量值（weight amount），指示機器操作人員進行配重，也可在加工過程中自動監控振動量，當振動量操過某個預設數值時通知控制器自動停機。IBA模組補充說明的是該功能只能分析與偵測出工件主軸不平衡量的大小並對技術人員提出警告，工件主軸頭上並未裝設任何實際的自動化動平衡裝置，不平衡量的調整必須停機並藉由人工來完成實際的平衡工作。

Mori Seiki在NC車床技術長期居全球的領導者，該公司在2008年JIMTOF也展出了數項智能化技術，包括：主動式動平衡技術、機台振動抑制技術與機台方碰撞技術等等。Mori-Seiki目前獨步全球的車床工件主軸的主動式動平衡（active balancing system）技術，在車床工件主軸上埋入兩個能快速反應的動平衡配重環（balancer ring），利用電磁致動力原理可以用電腦自動控制或調整配重的位置以消除不平衡量，在生醫人工關節與汽車零件的加工案例中顯示可以提高加工轉速數倍以上，降低實際加工時間達40 %以上（如圖3所示）。Mori Seiki公司的技術是目前全球唯一商品化的車銑複合加工機的工件主軸的主動式動平衡技術，可以在不停機的狀態下，由控制系統以全自動化的方式來完成工件主軸的平衡速度。工件主軸的動平衡原理如圖4所示，當原始轉軸有一的主軸質量不平衡量存在時（由紅色圈圈所示），主動式動平衡機構設有兩個具有預設配重塊的可調動平環轉（如圖中的藍色圈圈所示），再利用電磁力致動原理將動平衡環調整到適當的位置來平衡調主軸的質量不平衡。根據Mori-Seiki的資料顯示此電磁力致動的動平衡技術完成一次自動化平衡的週期時間為6~10秒，是一個快速且自動化的主動式動平衡技術, 可提升加工效益達40 %以上但是此技術的缺點該裝置由於需要使用相對複雜的精密機械軸承與陣列式永久磁鐵構造，目前價格相當昂貴，且體積太大不易會犧牲較大的車床可用的加工行程。