工具機幾何誤差量測於智慧製造之應用

作者:

林明賢、謝宗翰

刊登日期:2021/09/29

摘要:五軸工具機是智慧製造的重要生產設備之一,目前已整合許多的智慧化技術,例如刀具的磨耗診斷及路徑優化,智慧化技術可確保高品質機械成品。其中幾何精度是五軸工具機的智慧化重要基礎之一,為確保五軸工具機的準確定位能力,工具機製造商常以雷射干涉儀進行幾何誤差的量測與補償,在高達43項幾何誤差的五軸工具機上,如何快速且準確地完成量測與補償已成為業者迫切的需求。本文介紹二維尺寸標準件分析工具機幾何誤差,將二維標準件於座標量測儀的量測結果與傳統標準件進行比較及建立五軸工具機數位化量技術系統協助製造業不斷升級。
Abstract:Five-axis machine tool is one important equipment for smart manufacturing, and many five-axis machine tools were integrated with smart technologies, such as tool-wearing diagnosis and path optimization technology. Intelligent technology ensures high quality to machinery products. For five-axis machine tools, achieving geometric accuracy is one of the important basis of intelligence. To ensure accurate positioning capability of the five-axis machine tools, machine tool manufacturers often measure and compensate the geometric errors by using laser interferometer. With up to 43 geometric errors on five-axis machine tools, a technology to complete the measurement and compensation quickly and accurately has become an urgent need for the tool manufacturers. This article introduces the use of two-dimensional hole plate to analyze the geometric errors of machine tool. By comparing the measurement results of two-dimensional hole plate and traditional standard on a coordinate measuring machine, we established a digital measurement technology system on five-axis machine tool to assist the upgrade of the manufacturing industry.
關鍵詞:智慧製造、幾何誤差、二維標準件量測
Keywords:Smart manufacturing, Geometric error, Hole plate measurement

前言 
隨著科技發展,工業4.0(Industry 4.0)、物聯網(Internet of Things, IoT)、大數據(big data)、與人工智慧(Artificial Intelligence, AI)等智慧製造技術發展皆是熱門國際科技議題,無論工業4.0、IoT或是AI,其衍生的商機持續不斷的獲得政府及業者的重視。其中智慧製造即是與全面連網、自動化與生產效益等劃上等號,促使傳統工廠朝工業4.0發展,由於各項新舊技術的翻新,大數據分析、虛實整合及製造業智慧化等科技技術亦逐步被導入工業4.0應用中。使用智慧化技術優化製造流程的方法皆可稱為智慧製造,智慧製造要素主要包含自動化設備、設備連結、數據整合、遠端監控及AI技術,而智慧製造主要是以數據化為基礎,建構智慧化產品、智慧化生產、智慧化設備、智慧化管理等製造流程,從設計、生產到服務等各個層面,提升產品製造效率並降低生產成本。在此科技發展趨勢下,政府政策推動精密機械升級為智慧機械,將生產體系導入資料整合,提升智慧製造能力。智慧製造核心是善用數位化技術,使產品製造過程中能夠自動收集和分析資料,而在持續積累製造數據下,導入製程分析及管理將可進一步做出更明智的決策並優化生產,透過物聯網蒐集來自感應器和機械設備的資料,實現資料快速交換、流動與整合,提供遠端監控和管理流程,並具備快速變更生產計畫的能力。
五軸工具機導入智慧製造時,如何將智慧製造搭配工具機創造新價值形成全新的價值創造方式為各國智慧化製造產業發展的重點,智慧製造是一個多領域結合的系統,從設計生產到服務層面,提升製造效率降低生產成本。現有工具機智慧化功能,包括工件線上量測、刀具壽命管理、主軸變形補償、幾何誤差線上量測補償與品質控制等。針對線上量測校正與補償部分,由於機台量測校正的時間與產品生產的時間並非同時造成當發現加工產品不符合要求時已經出現大量異常產品,透過智慧製造及早發現異常而進行重新校正可有效地減少異常提升產品生產效率減少大量時間及成本,因此工件線上量測與五軸幾何誤差線上量測等技術為目前優先發展項目,工具機智慧化相對應的智慧化量測功能,可以進一步了解產業對量測幾何誤差的需求,例如在工件線上量測,廠商可針對機台同時進行幾何誤差線上量測與補償進而隨時監控避免產生大量異常產品,原因為進行產品生產時會遇到工廠端環境溫度變異及機台幾何誤差改變而造成產品品質異常,因此如何隨時確保工具機量測準確度為一重點課題,工業技術研究院量測技術發展中心為因應智慧製造量測需求,建立二維尺寸標準件作為線上量測尺寸參考標準件,透過刀具交換系統,將刀具交換為3D量測測頭,使五軸工具機量測測頭對二維尺寸標準件進行量測,校正五軸工具機幾何誤差,依據ISO 230-1[1]與ISO 230-7[2]的定義,五軸工具機的幾何誤差項目共有43項,透過幾何誤差校正可提升五軸工具機三維量測表現,使五軸工具機量測測頭對加工工件進行量測如同座標量測儀具有追溯性及準確度,並藉此提升國內五軸工具機之競爭力。
研究方法
1.二維尺寸標準件(Hole plate)介紹
二維標準件的發展非常早,具有沿著x與y方向排列的量測特徵,透過提供兩量測特徵間的標準長度作為追溯標準,準確的量測其特徵間的長度,以進一步獲得特徵中心位置之座標,供CMM或工具機進行幾何誤差量測與分析,即為二維標準件校正技術的關鍵技術。以五軸工具機做為座標量測儀時,其3個線性軸幾何誤差校正技術為開發重點,可藉由圖1所示的低熱膨脹係數二維尺寸標準件(hole plate)作為量測標準,藉由降低產線環境溫度變異對量測結果的影響,同時減少校正時的量測不確定度,二維尺寸標準件單一架設位置僅能量測平面座標位置,因此需於機台上進行不同方向架設,以達到三維量測結果,因此需設計硬體架設可分為兩種形式,水平架設及垂直架設如圖2,水平方向架設可量測X軸向及Y軸向,垂直方向架設可量測X軸向及Z軸向與Y軸向及Z軸向,固定二維標準件以三點支撐方式,水平架設治具支撐點間距離為400 mm及垂直架設治具支撐點間距離為430 mm;二維標準件尺寸為650ⅹ650 mm2、孔距為50 mm,實際量測範圍為550 mm。本技術是利用五軸工具機上的刀具交換系統,將刀具交換為3D量測測頭,以二維尺寸標準件為參考標準件,進行量測、分析與校正五軸工具機中幾何誤差,建立五軸工具機量測之追溯鏈及加工尺寸量測技術誤差分析。

圖1 二維標準件

圖2 二維尺寸標準件硬體設計示意圖

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