工具機線上力量量測技術介紹

前言

在智慧製造與自動化快速發展的背景下，力 量量測技術已成為現代工具機實現高精度與高效 率加工的關鍵，不僅提升製程控制能力，也推動 設備邁向自動化與智慧化。切削力與軸承預壓更 是評估工具機性能與加工品質的核心監測指標。 多軸向切削力感測技術可應用於刀具壽命預 測、加工參數最佳化及表面品質提升[1]；精確量 測切削力，有助於深入理解熱量產生與動態負載 對機構精度的影響。另一方面，預壓力量測對工 具機剛性、元件壽命與加工穩定性同樣具有關鍵 作用，可支援軸承預壓狀態的即時監控，並進行 短期與長期的健康評估[2]。

本文將系統性回顧工具機切削力與軸承預壓 量測技術的發展歷程，分析其當前挑戰與未來潛 力，並比較直接量測（如力量感測器）與間接推 估（如振動、功率、聲學訊號）方法的特性，最 後說明智慧刀把技術的應用現況。

切削力量量測技術

切削力是材料在刀具侵入時產生的反作用 力，廣泛存在於車削、銑削、鑽孔等加工過程中， 其方向與振幅會因加工方式與製程條件而變化。 作為最敏感且能直接反映加工狀態的物理參數之 一，切削力可即時量測刀具負載、材料去除狀況、 切屑形成與加工穩定性。

切削力的量測方式可分為直接式與間接式。 直接式通常整合力量感測器於刀把、刀具座或工 作台上，直接偵測加工過程中的力與扭矩訊號， 具備高解析度與高即時性。

間接式則藉由觀測主軸電流、伺服馬達扭矩、 振動等訊號，並結合物理模型推估切削力，適合 應用於產線環境或無法安裝感測器的情境。

以下將針對兩種量測方法進行介紹。

（一）直接量測方法

直接量測方法中，壓電式力量感測器是切削 力量測最常見的方案之一，通常安裝於刀把或刀 具座上[3]，如圖1 及圖2 所示。其原理為利用石 英、壓電陶瓷等材料在受到機械應力時產生電荷， 並轉換為可量測的電訊號。

壓電式力量感測器具有寬廣的頻率響應、高 靈敏度與優異的訊號雜訊比，非常適合監測高速、 動態加工過程中的瞬時力變化。此外，其高剛性、 良好線性度、極低遲滯以及在高溫環境下的穩定 性，使其不易受電磁干擾影響。

然而，壓電感測器在長時間靜態或低頻力監 測上的表現相對有限，直流響應不佳且易產生漂 移；同時需要高阻抗輸入電路或電荷放大器以維 持穩定訊號。成本方面，其價格通常高於其他類 型感測器，容易影響開發商導入的意願。

綜合而言，壓電式感測器特別適用於研究、 開發與高頻動態監測等應用場域，尤其在刀具破損 預測、顫振偵測與製程改善等方面具備顯著優勢。

（二）間接量測方法

間接切削力量測則是透過經驗相關性或從其 他感測器訊號推算力量，雖精度不如直接量測方 法，但設置簡單、具備更低的成本，適合直接整 合至現行機台應用如圖3 [4]。常見方法為監測主軸與進給馬達的交流伺服驅動電流或功率訊號， 變化可反映刀具磨損或破損狀況，提供製程監測 依據。霍爾效應感測器與電感感測器常用於此類 訊號偵測，其中霍爾感測器具低誤差（可低至 1%）、抗灰塵與水、價格實惠、反應快、壽命長且不受振動影響，並可測量多種電流與頻率，非 接觸式設計避免磨損。然而，其依賴的磁場易受 外部磁場干擾，且溫度變化大時精度可能下降。

電流與功率監測屬非侵入、系統級方法，無需與 切削區直接接觸或改裝刀把與主軸，特別適合改 造現有工具機，利用現有電氣訊號即可在宏觀層 面反映切削力變化，兼顧成本與整合便利性。