使用角摆检查仪（API Swivel Check）进行摇篮式倾斜轴定位精度量测，本文分享实测日本津田驹倾斜轴定位精度表现， 分析其角度编码器开启与关闭的精度差异，采用1度1分割的量测方式探讨此机械结构作动时的运转特性。
五轴工具机可应用于航空航天工业、医疗器械、汽车工业、 模具制造等各种领域，而随着消费者对于产品要求之精度愈来愈高，故工具机质量亦须不断地提升，五轴工具机的灵活性、高精度和效率使其成为现代制造业中不可或缺的工具之一。
由于科技之进步与软硬件的发展，使五轴加工机的程序编撰与机器操作不再困难，五轴加工机具多自由度，其刀具可循 一定之角度进行加工（刀尖跟随功能RTCP即Rotated Tool Center Point），故可减少安装工件次数、高精度夹治具的需求、 以及不同机器的使用次数，进而提升表面加工质量与减少成本的支出。就航天、车辆及模具等产业，其主要为较大型之工件， 如模具、机架结构件等，则需以卧式或龙门式主轴旋转-倾斜 型进行加工；就小型组件如引擎转子叶片、齿模、人工关节、小型模具、手表或珠宝零件等，则以立式工作台旋转倾斜型进行加工为宜。
根据ISO230-1国际标准定义，五轴机误差项目分为21个线性轴误差及22个旋转轴误差，并以组件误差（component error）及位置误差（location error）来定义，三轴下以单一线性轴分为18个组件误差，另加上三轴组装上3个位置误差，所以三轴工具机共21个误差项目，而一般两轴旋转工作台为基于三轴工具机下架设另外两轴（旋转轴、倾斜轴），通称为B、C 轴或是A、C 轴，单一倾斜轴可在分类为6个组件误差及5个位置误差（图一），故两个旋转轴下共22个误差，加上原先三轴21个误差，五轴机共43个误差量。
由过往文献及经验得知，造成旋转工作台倾斜轴运动中误差原因综合如下：包含旋转工作台组装不良所造成形状误差、动态切削力激发 旋转工作台自然频率造成动态变形、传动机构精度造成角度误差、传动机构零件磨耗造成背 隙与角度误差、工件静态载重与切削力造成静 态变形误差、轴承系统精度及磨耗造成回转精度误差、热变形造成角度及回转精度误差。
本文所量测误差为倾斜轴误差中之EAA项目，系指旋转工作台绕倾斜轴线旋转某一点在运动后所到达之位置偏离其目标位置之许可差，其所产生偏差值d 为实际位置与目标位置间之距离，旋转角度相对于连结其上角位移定位公差为p；所量测到之误差值ISO标准中定义为EAA，包含因角度偏差下所引起旋转误差 （EBA、ECA），及因直度偏差量所引起之径轴向偏差（EXA、EYA、EZA），为一倾斜轴运动中因各种几何及运动误差所影响下最后产生之路径表示方法。
本文使用角摆检查仪其量测误差值以角秒为计算单位，为1/3600度，为计算角度偏差微小单位；量测中须注意实验环境温、湿度变化， 变化量须控制在5%以下。感测组件量测范围600度，分辨率0.03arc-sec，最小量测间距为0.0002度，重量5.7kg；详细规格可参考表 一。
此设备使用精密电子水平仪装置，分辨率达0.03角秒，使用设备须保证仪器量测方向与旋转工作台倾斜轴向平行，故每次实验前须先将两轴线使用千分表校正至0.005mm内，方可开始使用此设备量测，确保不会因仪器架设误差而造成影响。量测时需使用讯号线将感测组件及控制器连接，故需检查量测时其讯号线是否产生干涉，以利检验结果的正确性与安全性。
四五轴旋转轴为五轴工具机的关键零组件， 近年来国内厂商为达到客户对于加工机高规格的性能与精度需求，采用了德国、日本、义大 利所生产的摇篮式旋转模块。目前高阶机台皆搭载角度编码器来提升性能与加工表现，其角度编码器能大幅提升旋转轴定位精度与重复精度，因其位置讯号非透过马达而是直接量测旋转轴，故可将机械误差减至最小。但也因为采用角度编码器反而隐藏了原始机构特性，本文 将针对此议题进行研究与探讨。本文以日本津田驹公司所生产摇篮型倾斜轴进行量测探讨与说明，外观如图四所示。
此摇篮机构倾斜角度为-60~+110°，减速比1/240，最大可承受载重400kg，模块重量1350kg， 搭载HEIDENHAIN RCN2390F 角 度编码器，采用控制系统为FANUC Series oi- MD。
传动机构为双导程蜗杆蜗轮，此机构优点为高强度、高传动效率、啮合面积大，其分散接触压力耐久性高，且背隙可透过推向小齿厚方向作调整。
本文将比较分析开启/关闭角度编码器其检验图形，进而探讨倾斜轴性能。检验流程图如图六所示，进行开启/关闭角度编码器的倾斜 轴定位精度量测，以10 度为间距；在来进行图形判别与分析，经补正后图形正常即完成， 若图形异常则在异常范围内进行1度1分割的量测检验，探讨其机构特性。
首先开启角度编码器进行去回一趟量测，图形判断为正常情况后，进行补偿后量测去回五趟，确认改善定位精度，最后比较补偿前后图 形变化。由以下检验图形可以得知，其补偿前即达到5.7arc-sec的微小误差，补偿后更缩至4.7arc-sec；最后比较补偿前后图形，因误差皆小于6arc-sec内，经由软件计算其图形路径重迭率达85%，统整以上测试结果可以确认，于开启角度编码器情况下此模块性能非常高。
在关闭角度编码器进行去回一趟量测，图形发现异常，进行补偿后量测去回五趟，比较补偿前后图形变化，其定位精度精度虽有改善，但于0度位置有不正常的误差现象，最后采用1度1分割的量测方法，探讨本模块的机构特性。由以下检验图形可以得知，其补偿前误差为155arc-sec，但于0度附近位置其图形有断差现象，非一线性图形；进行补偿后误差改善 为19arc-sec，但图形于正负10度区间内产生异常交叉图形；然后比较补偿前后图形其误差改善87%；在来进行补偿后去回五趟定位精度 量测，其图形几乎为重迭的情况，代表此模块的重复性佳；综合以上讨论补偿后虽明显的提 升定位精度，但其于正负10 度区间图形实属异常情况，故针对此情况必须进行1度1分割的分析，了解此机构的运作特性。
于正负10度区间进行1度1分割量测，其误差达45arc-sec，亦代表以10度进行量测将忽略45arc-sec的误差。
最后开启角度编码器试图与之比较，于正负10度区间进行1度1分割量测其误差仅4arcsec，这说明了采用角度编码器可以提升定位精度性能并改善原始机构的缺陷；最后比较开启/关闭角度编码器补偿后1度1分割量测图形，开启角度编码器之定位精度改善误差89%。
透过检验可得知津田驹倾斜轴在开启/角度编码器的情况下，其定位精度与重复性皆非常的准确；但是在关闭/角度编码器的情况下于正负10度区间会有产生非线性的运转，若于此范围进行正反向的转换加工将导致非常大的误差。
为什么原始机构运转于正负10度区间误差这么大？其实跟摇篮倾斜轴的运作与机械结构有关，由于摇篮摆动时其重心一直在变化，尤其接近0度位置承靠面受惯性力影响会进行承靠位置的转换，此范围误差是非线性且难以预测的，此状况于此款津田驹倾斜轴特别的明显。
由以上分析与讨论统整信息：关闭/角度编码器使用津田驹倾斜轴所量测之原始精度，由于受到重心及惯性力影响于正负10度区间误差大，故在进行加工时需避免正反向的转换， 以免导致过大的加工误差；若此款倾斜轴有开启/角度编码器，其定位精度及重复性皆始于高水平表现，性能优良。
本文透过角摆检查仪检验日本津田驹摇篮型之倾斜轴，比较分析关启/角度编码器与关闭/角度编码器的两种情况之定位精度图形，最后以1度1分割的量测去探讨此机构的特性， 得以掌握在五轴机之倾斜轴具有的加工表现；1度1分割的量测方法可以检验机构细部的原始精度表现，甚至可解析出机构运转及控制器补偿能力的相关关键技术，于开发机种非常推荐此量测方法。
期盼国内业者在开发或应用旋转轴模块，能掌握其机构运转之特性并转化为自己的研发能量，能开发更优良工具机，朝着提升国内加工精度之目标迈进。
