国产五轴工具机精度量测调查概况以动柱摇篮式为例

文◆精密机械研究发展中心 验证技术发展部 工程师 陈科睿、吴相儒

五轴加工机拥有高度灵活特性，可加工复杂工件，减少治具与工件转换之停滞时间，可提升加工效率、缩短制程时间与提升刀具寿命，五轴加工机已是现今高精密、高质量工件制作不可或缺的机种之一。

工具机几何精度与性能对于加工质量拥有相当的影响性，精机中心本次针对工具机厂新制的五轴工具机之空间精度进行量测，共计进行27台五轴工具机的精度检测，其中包含动柱式 13台、天车式9台与龙门式5台，检验项目主要有线性轴6自由 度误差、旋转轴定位精度、循圆测试、立体空间对角线分析、 R-Test刀尖跟随同动精度，相关精度误差分析与参考规范如表一所示，本文将以动柱式机型为主体，针对测试方法、测试标准、量测结果等，进行说明与探讨。

1. 工具机构型与角度误差定义说明

• 五轴工具机机型大致上可区分为三类：
• (1)两旋转主轴头(Head-Head)
• (2)两旋转工作台(table-table)
• (3)一旋转主轴一旋转工作台(Head-table)

五轴机型中，动柱式机型与天车式机型皆为两旋转工作台(table-table)机型，如图一、图 二所示，以刀具右手定则定义机械坐标系，动 柱式机型，摇摆轴为绕着Y轴旋转，定义为B 轴，旋转轴围绕着Z轴旋转定义为C轴，整体轴向定义为X、Y、Z、B、C；天车式机型， 摇摆轴为绕着X轴旋转，定义为A轴，旋转轴围绕着Z轴旋转定义为C轴。

五轴机精度检验，本文中其角度误差均以 〝角秒〞表示，如图三所示，1度60角分(arcmin)； 1角分60角秒(arc-sec)；1度为3600角 秒，即一角秒约0.000278度，如以气泡式水平仪表示，如图四所示，泡式水平仪一格为0.02mm/m≒4角秒，或是0.005mm/m(1/4格) ≒1角秒。

2. 标准规范与测试数据解析探讨

针对各项测试之量测手法，参考标准与量测结果进行分析探讨，其量测结果以最大最小值，与正规化数值进行解析探讨。

2.1 线性轴6项自由度误差

五轴工具机一般含有三个线性轴以及两个旋转轴，根据ISO 230-1国际标准定义，五轴机工具机误差项目分为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，三轴线性结构以线性轴分为18个组件误差，另加上三线轴组装后之3个位置误差，即垂直度，所以 三轴线性结构共具有21个误差项，其中单一线性轴包含Pitch、Yaw、Roll(角度误差)，平移误差，包含水平向真直度、垂直向真直度及定位精度等6个自由度误差，如图五所示，本次测试透过Renishaw XM-60(6D Laser)进行量测，如图六所示，单一线性轴量测，可同时量测并解析6个自由度误差，有别传统量测方， 测试结果根据ISO 10791-2(2023)标准规范允收值进行误差分析，如表二、表三所示，其 中EXX、EYY、EZZ为定位精度，可参考ISO 10791-4标准规范。

单轴自由度测试结果如图七~图九所示，定位精度误差，EXX最大误差约：17μm，最小 误差约：2μm；EYY最大误差约：15μm，最 小误差约：2μm；EZZ最大误差约：12μm， 最小误差：2μm，皆符合ISO 19791-4标准规 范，双向定位精度28μm之允收值；平移方向最大误差为EZY约为13μm，最小误为EXY约 为1μm。

旋转方向误差，大多符合ISO 10791-2，其 中X轴向最大误差为EBX约13〞，最小误差 为EAX约1〞；其中Y轴向最大误差为EBY约 8〞，最小误差为EBY约1〞；其中Z轴向最大 误差为EAZ约13〞，最小误差为ECZ约2〞。

由于动柱式五轴机构型，X轴向须背负滑座、鞍座、头座等Y、Z轴结件重量，如图一 所示，因此X轴向时运行时，因受质量与惯性力等缘故，使得EBX角度误差大，如图十所示，将X轴旋转自由度误差值正规化，大多机台EBX误差会大于EAX与ECX，此外在量测单轴自由度时，同时于不动件（工作台）架设 电子水，量测工作台动态水平，相关测试结果进行正规化后，如图十一所示，由测试结果显示，当移动X轴向时，工作台虽然为固定不动，但还是会受到移动件惯量的影响，能会导致EBX误差较大。

2.2 旋转轴定位精度

旋转轴定位精度使用Renishaw XL-80与 XR-20进行量测，如图十二所示，定位精度量测方式是依据ISO 230-2标准规范进行量测与计算误差，允收标准可参考ISO 10791-4标准规范，如图十三所示，旋转轴双向定位精度应在28〞内，单向定位精度应在22〞内。旋转轴定位精度误差结果如图十四所示，整体而言摇摆轴整体误差大于C轴，由测试结果显示，C轴无论有无clamping，误差皆在20〞内，符合 ISO 10791-4允收标准，B轴无clamping时， 最大误差约为27〞，当clamping时，最大误差约为38〞，透过测试结果显示，当旋转轴clamping时，定位精度与未clamping差异较大时，建议可调整旋转轴剎车，使定位精符合允收标准，提高加工质量。

2.3 循圆测试

• 循圆测试使用Renishaw QC-20进行量测， 相关测试条件与允收标准可参考ISO 10791- 6，如表四所示，本次测试条件如下列所示：
• • XY平面

  量测角度：360度 进给速度(F)：1000mm/min

• • YZ平面

  量测角度：220度 进给速度(F)：1000mm/min

• • YZ平面

  量测角度：220度 进给速度(F)：1000mm/min

真圆度误差分析

真圆度误差主要是依据ISO 230-4标准规范定义，进行圆度误差分析，如图十五所示，真圆度误差为单一实际循圆轨迹，利用最小平方法求得虚拟圆心后，以此圆心当为基准进行画圆，其循圆轨迹之最小内切圆与最大外接圆之半径差，即为真圆度误差。

真圆度误差分析结果如图十六所示，由测 试结果显示，三平面真圆度误差皆在30μm以 内，符合ISO 10791-6允收标准，整体而言XY平面优于YZ、XZ本次测试结果XY平面最大误差约为10μm，最小误差约为4μm，XZ平面最大误差约为18μm，最小误差约为6μm，YZ平面最大误差约为14μm，最小误差约为7μm。

2.4 立体空间4条对角线分析

立体空间4条对角线精度量测，使用仪器为Renishaw XL-80，如图十七所示，主要是依据ISO 230-6如图十八所示，为D1、D2、 D3、D4路径，其量测点数每米至少5点，测速 路度须小于最高进给速率之20%，相关量测方 式可参考ISO 230-2定位精度检验方式。

量测空间精度，建议以增量式量测，架设起点坐标为P1(X1,Y1,Z1)，终点坐标为 P2(X2,Y2,Z2)，量测长度(D)可透过公式1计算。

每个量测位置单轴向所需移动的距离，可以通过公式计算，以X轴为例，利用公式(2)计算出X轴的总距离(XV)，求得X轴向移动总距离 后，可透过公式(3)求得X轴单次点位移动距离 (IX)，Y、Z轴向以此类推。

对角线空间精度量测，标准规范并无规定允收数值，本次测试结果如图二十所示，整 体误差差约在30μm以内，D1最大误差约为 25μm，最小误差约为6μm；D2最大误差约为 30μm，最小误差约为7μm；D3最大误差约为27μm，最小误差约为6μm；D4最大误差约为28μm，最小误差约为5μm。