多自由度誤差量測模組技術應用於線軌組裝

前言

在現代高科技製造業中，工具機的精度是決 定其加工品質與產品良率的關鍵。其中，線性滑 軌作為工具機的核心傳動與支撐部件，其製造與 組裝精度直接影響整機的幾何準確性、動態性能 與精度壽命[1]。傳統上，線性滑軌的組裝精度檢 驗多依賴於直規與量表等接觸式量測工具。這種 方法雖然在一定程度上能滿足中低階工具機的品 質要求，但其固有的侷限性也日益凸顯。例如，量表測得的僅是綜合性誤差，難以有效分離單一位置的線性與角度誤差；同時，量測過程易受儀器本身、操作人員以及環境因素（如阿貝誤差）的影響，導致量測結果的不確定性較高。對於高 階工具機而言，部分廠商雖會輔以自動視準儀來 確認角度誤差，或干涉儀進行幾何誤差量測，但此類光學儀器仍面臨單點測量、無法連續量測、以及光路易受遮擋等挑戰，使得幾何誤差的快速、同步量測與分離成為一大難題。

為了解決上述挑戰，本研究應用開發的數位式線軌多自由度誤差量測模組技術[2]，提供一種更高效、高精度且適用於生產線的組裝品質檢驗工具。該技術的核心概念在於取代實體直規的參考基準，而改採用光學準直性作為基準，建構一個虛擬量測框架。此方法透過光電轉換獲得高解析度與高精度的數位量測數據，不僅能簡化傳統 實體量具的架設，更能有效避免因人員操作所引起的基準異動。此外，本模組具有半絕對量測的特性，即一旦光軸基準建立，後續量測皆為絕對值，即使在量測過程中出現暫時性遮斷或校正，亦無需重新歸零，更適合於組裝過程可能需頻取下或修整等情境，可大幅提升了量測的效率與便利性。

本文將介紹此量測模組的架構與操作方法，並與現行傳統量測方法進行比較分析，闡述其在精度、解析度、以及操作效率上的顯著優勢。接著，我們將對模組的校正與不確定度進行分析，確保其量測結果的可靠性。最後，將以工具機鞍座的組裝應用為例，展示本模組如何量測自由度誤差，並與廠內儀器進行比較，確保具備一致性。

多自由度誤差量測模組於線軌組裝之應用本文分成三個部分，第一部分為說明多自由度誤差量測模組的應用量測方法。第二部分利用干涉儀與自動視準儀等作為參考標準件，於實驗室內進行比對校正，以及不確定度的評估。第三部分則應用於鞍座滑軌的檢驗，並與廠商利用自 動視準儀的量測進行一致性的比較。

1. 線軌多自由度誤差量測模組使用介紹

本研究開發之線軌多自由度誤差量測模組，係基於參考準直雷射，能夠同步量測沿長直線軸移動物體的多個姿態誤差，如圖1所示。此模組 安裝於移動部件上，其直線軸沿著光軸遠離光源的方向定義為 +X 軸，並建立模組的移動座標系。 當模組沿此直線軸移動時，可同時量測兩個線性 誤差（水平 H，即 Y 方向；與垂直 V，即 Z 方向），以及兩個角度誤差（繞 Y 軸旋轉的俯仰角 Pitch； 與繞 Z 軸旋轉的偏航角 Yaw）。

量測模組的線性誤差量測範圍可達 ±1.5 mm， 角度範圍為 ±1000 ”，但建議在 ±1 mm 的量測範 圍內使用，以獲得最佳性能。在使用此儀器前，需先架設一參考用的準直雷射光源，其架設方式 為使光軸對準量測行程的始末兩點，並確保光線全程位於量測視窗範圍內。完成初步對準後，可透過短距離移動並搭配量測模組的角度讀值進行微調，藉以簡化長行程量測的架設過程，提升量 測效率。模組完成架設後，即可進行逐點或連續 量測。本模組可搭配不同治具應用於多種量測任務：例如，搭配承靠治具可檢驗滑軌或硬軌基準面；搭配滑塊基準治具則可用於線軌組裝過程的即時 誤差檢驗；此外，亦可應用於已完成組裝之檯面 的移動姿態誤差檢驗，或搭配力量施加器進行線軌次模組的線性與角度剛性檢驗。