刀尖點特性暨參數調整技術應用工具機實務切削

文◆工工研院智慧機械科技中心智慧製造技術組智能化機器技術部周國華資深工程師、王仁傑經理、廖建智副經理、何筱晨工程師、林政傑副工程師

電腦數值控制(CNC)工具機已廣泛應用高速高精密加工，如曲面，齒輪，航太產業，電路(IC)元件和精密零件等。如今工業4.0現在進行式，目標並非創造新穎的製造技術，而是整合現有的製造資源、銷售流程、大數據，建立能夠快速反應市場需求、精準生產、減少成本浪費、跨領域合作的製造產業。隨著產品精度的要求越來越高，工具機專注於如何實現高速和高精度加工，需要更精確的輪廓路徑控制，但是太過於高速高加速度的設定會激發機械結構產生自然頻率振動，進而在工件表面留下紋路，對於控制器加工參數調整是很重要。但是，一般控制器伺服迴路中的迴授硬體有線性光學尺或馬達編碼器，控制器伺服迴路迴授傳動系統的響應特徵，但並沒有迴授主軸刀尖點Tool Center Point(TCP)響應特徵，實際切削行為是主軸刀具與工作台工件的相對關係，傳統人為調整反覆試誤最佳參數耗費時間成本。

智慧化加工參數調整模組

針對工具機精確的控制已經提出了許多策略[1-2]。Matsubara等人[3]提出了一種採用參數調整程序的方法，該調整程序並不是完全自動的，經由疊代測量和模擬機台輪廓加工性能。儘管取得了很好的效果，但其複雜性限制實際應用。本章節介紹智慧化加工參數調整模組的內建功能，透過機台實際跑合二維輪廓路徑(Path)，回饋機台性能，調整適合加工件需求的加工參數(加速度及時間參數)。強調模組可全自動化調整，因各家工具機型式設計理念不同，工具機百百種，無論新機出廠或機械老化，模組依據實際機台性能自動化調整，快速尋找適合的參數，提升調整效率，取代傳統人工調整，有效快速反應市場需求、快速生產、精準調整及減少成本。

加減速參數自動調整功能

ITRI研發智慧化加工參數調整模組，其模組運作流程如圖1所示，模組透過實際機台性能進行參數自動調整，模組中提供使用者選取速度優先、精度優先及光滑度優先的功能，使用者可依據工件產品需求去設定速度、精度及光滑度百分比，例如車燈模加工需求，車燈模表面光滑度較為重要，此時模組可設定速度=0%、精度=0%、光滑度=100%，完成百分比設定同時，模組自動運算目標誤差，目標誤差內容包含轉角誤差(Corner Error)、幾何誤差(Path Error)及軸向追隨誤差(TrackingError)，目標誤差完成定義。

智慧化加工參數調整模組在自動調整加工參數時，由於每台機台調整狀況不同，智慧化加工參數調整模組加入診斷功能圖2，主要判斷軸向最大追隨誤差，偵測輪廓路徑位置迴授是否有位置過衝(Overshoot)及機台振動(Vibration)，診斷迴授訊號可行性與適用性，確保加工參數自動調整時有效排除路徑過衝及機台振動。

工具機刀尖點預測技術

工具機以馬達驅動進行運動控制，機台運動時馬達驅動是主要的動力來源，實際切削加工是刀尖點相對於工作台的關係，但主軸刀尖點(TCP)上並無配置感知器迴授訊號(圖3)至控制器進行控制，切削品質好壞卻由主軸刀尖點的特性與控制迴路響應而決定，一般控制器迴授硬體有線性光學尺或馬達編碼器，換句話說，控制器伺服迴路有考量傳動系統的響應特徵，但並沒有考量主軸刀尖點(TCP)響應特徵。當切削品質不良時，機台操作人員不知道從哪找問題，甚至不知道如何解決問題，馬達推力對於主軸刀尖點(TCP)有很大的影響，在此建立主軸刀尖點(TCP)數位模型整合至智慧化加工參數調整模組，簡而言之，智慧化加工參數調整模組依據傳動系統及主軸刀尖點動態響應進行加工參數的自動調整。

機電整合模擬分析技術對於工具機產業而言，能有效整合伺服控制與機械響應，使兩者相互匹配發揮機台最高效能，主軸刀尖點(TCP)數位模型建立先架設KGM如圖4，控制器端輸入命令馬達執行掃略式Sin波對整機輸入衝擊，每一個赫茲輸入十個Sin波，頻率掃略範圍從1Hz∼1000Hz，測量馬達推力及主軸刀尖點位置響應。掃略式Sin波好處在於每個頻率都能激振，且激發源都能穩定的輸入，透過馬達推力及主軸刀尖點響應關係可轉換頻率域的頻率響應函數，此技術適用各式各樣的工具機，頻率響應函數的定義如下式(2)：

完成主軸刀尖點頻率響應函數，其函數包含機台結構與進給馬達系統，可將頻率響應函數作曲線擬合(Curve Fitting)，鑑別機台自然頻率下質量-阻尼-剛性，如圖5上圖為機台虛部圖，圖5下圖為機台實部圖，橫軸為頻率(Hz)，縱軸為振幅，實線代表主軸刀尖點之頻率響應函數，虛線代表曲線擬合結果，擬合結果與主軸刀尖點之頻率響應函數誤差均小於10%，完成主軸刀尖點(TCP)數位模型，其數位模型準確性高。曲線擬合鑑別出一組質量參數與多組各頻率下質量(M)-阻尼(C)-剛性(K)參數之轉移函數，第一組質量參數是以機台結構與馬達的加總慣量代表，其餘參數則是機台結構的自然頻率響應，將主軸刀尖點(TCP)數位模型匯入於智慧化加工參數調整模組。

主軸刀尖點(TCP)數位模型在加工精度或路徑誤差的呈現結果，仍須回到時域輪廓路徑進行模擬驗證，以雙軸同動命令驗證主軸刀尖點(TCP)數位模型，位置命令以KAKINO輪廓路徑為輸入訊號，位置命令經過數位模型運算後產生位置回授，將位置回授與位置命令端相減並進行XY兩方向整合計算即可得路徑誤差(Path Error)，驗證結果如圖6，此圖即為主軸實際在加工時所產生的幾何路徑誤差，中心線為實驗值，虛線為模擬，實線為基準值，本圖誤差已放大1000倍，圖中可發現在直線轉斜線、圓弧接圓弧⋯等特徵位置處的實際誤差與模擬誤差比對相似，代表主軸刀尖點(TCP)數位模型有一定的準確性，由於位置命令的頻寬較高，導致激起結構振動，並在輪廓路徑上呈現出振動的行為，在實際加工切削中就會在工件表面留下振紋。

本節建立機台主軸刀尖點(TCP)數位模型，透過輪廓路徑命令輸入數位模型進行路徑誤差計算，模擬輪廓路徑誤差與實驗輪廓路徑誤差進行驗證，證實主軸刀尖點(TCP)數位模型預測的準確性，後續應用上，依據主軸刀尖點(TCP)數位模型預測主軸刀尖點特性進行加工參數自動化調整，且主軸刀尖點(TCP)數位模型可依不同機台客製化建立，判斷加工參數對於主軸刀尖點(TCP)是否會產生振動或是路徑過衝，進而調整加工參數使主軸刀尖點(TCP)消除振動及路徑過衝行為。

實務切削應用

高精度零件很大的因素取決於工具機整個的動態性能，動態性能在高精度製造是非常重要，包括航太產業和生物醫學應用。在某些切削條件下，工具機切削激發機台自然頻率，而且振幅不小，對於良好的表面光滑度是不希望發生的，導致工件表面上產生水波狀圖7左，本文選用賓士模作為實務切削應用，賓士模是許多工具機廠用來檢測機台性能，例如可觀察轉角是否過切、圓角精度及多軸同動振動與否，賓士模屬於全面性切削的標準測試件，利用賓士模切削探討智慧化加工參數調整模組在調整前後差異。

賓士模切削，其切削條件每間隔0.1mm一次循環、主軸轉速10000rpm及進給速度2500mm/min，切削結果如圖7透過智慧化加工參數調整模組調整前後差異，圖7左圖皆為廠商出機之初始參數切削結果，圖7右圖使用智慧化加工參數調整模組調整後切削結果。

圖7主要改善工件水波狀的表面特徵，初始參數進行賓士模切削如圖7左圖虛線框框內表面產生水波狀紋路，判斷切削時激發機台振動而在工件留下異常紋路，此頻率為主軸點頭振型。然而，智慧化加工參數調整模組整合工具機刀尖點預測技術，透過加工參數設定預測刀尖點振動量，進而調整適當加速度(Acceleration)及時間參數(Time Constant)，模組自動調整後圖7右圖有效降低自然頻率振動，切削良好的表面光滑度。

快速反應市場需求、精準生產

本文建立工具機刀尖點預測技術並整合智慧化加工參數調整模組，模組可靠性透過賓士模實務切削應用驗證，藉由工具機刀尖點預測技術，預測主軸刀尖點(TCP)振動量及偏移量，進而調整適當加速度(Acceleration)及時間參數(Time Constant)，有效改善表面光滑度及精度，提升切削品質。目前國內工具機廠商使用國外控制器如FANUC、HEIDENHAIN或SIEMENS等，調機人員以人工方式調整反覆試誤最佳參數，調整耗費時間成本，調整加工參數設定可應付各種加工條件，但保守的加工參數設定所呈現出來的切削速度影響加工效率，智慧化加工參數調整模組的全自動化調整可提升調整效率，且可判斷加工參數對於主軸刀尖點(TCP)是否會產生振動或是路徑過衝，進而調整加工參數使主軸刀尖點(TCP)消除振動及路徑過衝行為，簡而言之，智慧化加工參數調整模組依據實際主軸刀尖點與工作台的相對關係執行加工參數自動化調整，可快速反應市場需求、精準生產、減少成本浪費。

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