多軸複合化加工機之體積空間精度應用分析

摘要：多軸複合化加工機因控制難度高且構型複雜，尚未普及被製造業所採用，以往均適用於航太、生醫等高值化產業應用。以五軸工具機為例雖是由三軸綜合加工機疊加兩旋轉軸，透過運動軌跡的規劃大幅擴充應用領域，創造更多複雜的工藝。然而，正因為複雜度的提升，業者對於五軸綜合加工機的掌握度遠不及三軸綜合加工機，無論是專業人才培育、加工精度控管、切削特性監控、機台性能評估...等，均是目前五軸工具機應用所面臨之難題。因此本文透過五軸體積空間精度校正及補償軟硬體整合模組，整機體積空間精度提升至國際頂規標竿，同時提供體積空間精度異常預警，大幅提升加工品質與機台壽命。
Abstract：Due to the high complexity of control and configuration, multi-axis composite machining centers have not yet been widely adopted in the manufacturing industry. Historically, they have been applied mainly in high-value industries. Five-axis machine tool involves stacking two rotational axes on top of a three-axis composite machining center, expanding the application field significantly through motion trajectory planning, and enabling the creation of more complex processes. However, due to the increased complexity, operators' mastery of five-axis composite machining centers lags far behind that of three-axis counterparts. Therefore, this article addresses these challenges through the integration of a five-axis volume spatial accuracy calibration and compensation hardware-software module. The overall volume spatial accuracy of the machine has been improved to the international top-level standard, simultaneously providing intelligent anomaly warnings for volume spatial accuracy. This enhancement significantly elevates both machining quality and machine tool lifespan.

關鍵詞：多軸複合化加工機、體積空間精度、補償
Keywords：Multi-axis composite machining centers, Volume spatial accuracy, Compensation

前言
COVID-19疫情後，製造業營運者的商業布局與關鍵決策，被迫直球對決以往勞力密集策略，其紛紛轉型以因應產業環境變遷。根據工具機暨零組件工業同業公會統計整理，2021年工具機出口產值綜合加工機仍舊奪冠，較去年同期成長20.3%。然而，深入探討綜合加工機需求攀升主因，應歸功於電動車供應鏈的崛起。根據EVvolumes資料顯示，自2012年起，全球電動車需求趨勢正逐步攀升，尤以2021景氣復甦年，需求量相較於去年同期成長108%，全球電動車市場爆發性的需求也直接對應綜合加工機的貿易出口量大增。整體論之，電動車產業為了有效能源最大化，無不朝向結構輕量化以及傳輸低能耗兩大出發點進行設計。然而，為能充分滿足客戶構形複雜之設計，以達成輕量低耗能之客製化需求，傳統三軸中心綜合加工機已無法滿足，進而將目標聚焦於五軸綜合加工機。
為能夠跨越五軸加工機代工生產的經營模式，擴大銷售市場，國內業者應持續深化五軸加工機製造技術升級，將現有國內自主之量測技術平台結合與支援五軸機體積空間精度量測技術開發，突破五軸加工機體積空間精度之瓶頸，逐步邁向五軸機生產大國。透過體積空間精度量測建立並結合空間精度量測與診斷機制解析國內外高階五軸機以優化設計、製造及組裝指標，掌握世界級五軸加工機生產核心技術，乃為國內業者邁向五軸機應用市場推動亟需跨入之門檻。
國際知名五軸工具機大廠DMG、MAZAK、OKUMA早已著手布局各自的五軸機體積空間精度補償技術平台，協助其應用推動。國際知名大廠德國DMG公司早在2019年發表體積空間精度量測補償模組技術(VCS Complete)[1]，持續改善機台精度並大幅提升高階市場占有率。日本MAZAK所開發的空間精度補償功能(SMOOTH Volumetric Compensation)，透過Renishaw XM60多光束雷射干涉儀補償每個軸向6個自由度之空間精度誤差。日本OKUMA開發空間精度補償功能(5-AATS)，採用1個標準球完成校正11項空間幾何精度誤差，廣泛加裝於傳統與高階機種，強化產品銷售能力。對此，國內業者為了讓數位轉型得以被實證，應積極朝向五軸機體積空間精度補償及預警技術邁進及開發相關之應用配套模組，如此才可有效解決五軸機體積空間精度問題，帶來國產五軸機提升工藝水準的莫大效益。
臺灣工具機業者未來應盡量擺脫發展同質性高的泛用機種，朝向複合、五軸化或智慧化發展。高階工具機競爭的軸心正由加工速度、剛性和精度，朝向操作性、流程集成、自動化及turnkey solution等，因此多軸體積空間精度校正及補償主要包含兩技術項，分述如下，如圖1所示。

圖1 多軸體積空間精度校正及補償技術

‧積木式多軸機體積空間精度量測模組：建立積木式體積空間精度檢測技術，採用非接觸式位移感測器與多組光學量測標準球並自動量測與分析各點的位置座標，可量測定位精度、直線度、垂直度，以及旋轉軸定位精度、中心偏移精度，以及各點ISO 10791-6 K4圓弧插值精度，其具備之垂直與水平基準面則能夠量測旋轉角度(縱搖/偏滾/偏轉)。建立空間幾何與旋轉中心精度量測技術，於工作範圍以3D形式劃分之空間網格進行量測，透過精度檢測巨集程式將繁複量測過程簡化，大幅縮短量測時間且避免生不必要錯誤風險。透過轉台直徑500 mm搖籃五軸機進行驗證，量測包含有直線軸定位、真直度、垂直度、旋轉角度(縱搖/偏滾/偏轉)、旋轉軸定位、中心偏移精度，以及ISO 10791-6 K4圓弧插值精度檢測，建構國產五軸機體積空間精度診斷模式，打造高精度國際級五軸機產品以保持銷售競爭優勢。