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。