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機械工業雜誌
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基於Jacobian-Torsor模型之工具機關鍵組裝品質分析技術建立
作者
曹琳、洪聖翔
刊登日期:2025/10/01
摘要
為提升工具機的精度與可靠度,組裝品質的關鍵性日益受到重視。本研究提出一套基於Jacobian-Torsor模型之工具機關鍵組裝品質分析方法,針對機械零件幾何規格、公差與機構鏈,建立誤差傳遞 模型,系統性評估組裝誤差對六自由度定位精度的影響,並藉由蒙地卡羅模擬方法進行統計分析,以辨 識對整體性能影響較大的關鍵公差。本方法可作為設計與組裝階段的品質優化依據,並有助於建立智慧 化的誤差補償與品質控制機制,進一步強化工具機整體性能與製造競爭力。
Abstract
To enhance the precision and reliability of machine tools, the importance of assembly quality has gained increasing attention. This study proposes a key assembly quality analysis method for machine tools based on the Jacobian-Torsor model. By incorporating geometrical specifications, tolerances, and the kinematic chain of mechanical components, an error propagation model is established to systematically evaluate the influence of assembly errors on positioning accuracy across six degrees of freedom. Through Monte Carlo simulation, the statistical contributions of individual tolerances are analyzed to identify critical tolerance parameters that significantly affect system performance. The proposed method serves as a foundation for quality optimization during both the design and assembly stages and contributes to the development of intelligent error compensation and quality control mechanisms, thereby improving the overall performance and competitiveness of machine tool manufacturing.
前言
目前市面上工具機組裝品質分析與精度補償 技術種類多元,各家廠商自行開發驗證,並無明 確方法或工具可依循,為達到精確預測組裝或加 工精度之目標,解決可能問題,而在現場透過實 際機台進行反覆試誤的方式釐清問題,造成長時 間占用機台,將大幅降低生產力,浪費能源和人 力資源。因此,在現今數位雙生的趨勢下,如何 善用虛擬模型和數位分析技術進行優化管理和製 造、強化產品的可靠度、可用度及可維修度將是 重要課題。
本文章介紹建立工具機關鍵組裝參數之數位 模型技術,針對五軸工具機的線性軸部分,依據 組裝程序,發展組裝品質分析方法。核心技術聚 焦於零件尺寸與組裝誤差在裝配過程中的傳遞與 疊加機制,進而推導出具代表性的數學模型。該 模型可輸入至少四項關鍵組裝品質參數,輸出六 項幾何誤差,並能依影響程度排序各參數,有助 於精準診斷與改善組裝與加工精度,降低資源浪 費。此技術可系統性提升臺灣工具機業者於高精 密加工市場的競爭力,並回應永續製造與環保趨 勢的需求。
雅可比旋量(Jacobian-Torsor)模型
雅可比旋量模型(Jacobian–Torsor Model)[1]2] 是一種整合小位移旋量(Small Displacement Torsor, SDT)與 Jacobian 矩陣之理論架構,廣泛應 用於裝配體的公差分析與誤差傳遞建模。該模型 以 SDT 描述實體幾何特徵與其理論理想位置之間 的微小偏差,並透過 Jacobian 矩陣將局部幾何誤 差轉換至整體裝配系統,實現誤差在多構件間的 傳遞與疊加。由於其兼具幾何靈敏度評估與統計 分析能力,此模型特別適用於複雜機構之裝配誤 差綜合評估與製程容差最佳化設計,為精密機械 組裝品質管控與預測性建模提供有效且具系統性 的分析工具[2][5]。
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2025年10月號
(單篇費用:參考材化所定價)