領袖觀點｜為工具機及機器手臂設計的精密量測系統

一般工具機上會有一個主軸，主軸上通常會裝上刀具，刀具上會定義一個刀尖點。由於機器結構中的元件有製造誤差，也有組裝誤差，環境溫度的變化，或是主軸馬達運轉時產生的熱，使機器中不同材料的元件及組件有不同的熱漲冷縮，產生了熱誤差，綜合起來，主軸上的刀具相對工作台不再垂直，刀尖點的位置也會偏離設定的位置，如圖1所示。在此情況下加工出來的工件，尺寸與形狀就會出現品質管制問題，例如尺寸上孔與孔間的距離不對，形狀上應該是正方形，而實際上卻是菱形。

要提升機器的加工精度，就要準確量出刀具相對工件的誤差，進行誤差分析，找出誤差源頭，從設計端與製造端改善，要求每個零組件有絕對加工精度，但是這樣做會大幅提高零組件的生產成本，降低機器的競爭力。
要使機械非常精密，首先當然要知道有沒有誤差。工具機在操作的過程中，誤差最好非常小。一架工具機做好以後，如果有好的測量系統，就可以發現這些誤差。發現了以後，工程師可以改良原有的設計，比方說，機構本身以及機構的控制系統等等。所以有一個精密的3D量測系統，對於我們的精密工業是非常重要的。
假設我們要測量距離，可以用雷射干涉儀或是光學尺。但是要測量一個3D路徑是否正確，甚至還測量到3D運動時刀具的方向有沒有變化，是相當困難的，圖1中刀尖點的路徑就是一個3D空間的路徑，實際上刀尖點走3D路徑的過程中，主軸的方向也因為機器的誤差而傾斜不正了。我在此要介紹一個台灣工程師所發展出來的3D精密量測系統，它不僅可以測量到刀尖點3D路徑是否正確，還可以測量到主軸的方向是否有偏差。請看圖2。