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五軸工具機之動態同步響應分析及誤差肇因分析及性能監管
作者
陳嗚吉、何銘浚、林書字
任職單位: 工研院智機中心
刊登日期:2025/03/04
摘要
五軸工具機是滿足加工生醫、航太、電動車、風力發電等高值化產業零組件不可或缺之利器。然而,目前市面上五軸工具機配套方案不盡完善,缺乏快速且量化之分析工具,無法快速評價設備穩定性優劣。此外,設備使用歷程狀態難以追溯,不易溯源追査肇因而縮短售服時間。五軸動態同步響應分析技術,滿足工具機五軸動態同步響應之調整需求。透過軟體模組自主擷取各軸向之動態迴授速度數據,導入自動參考軸搜尋功能搜尋五軸中動態響應最差之軸向定義為參考軸,並自動產生其他4個軸向之4組對比於參考軸之迴授速度對比圖譜,提供五軸動態同步響應特性可視化工具。五軸設備性能監管技術,透過週期性暖機流程來收集機台設備之動態響應數據,經由數值統計分析與可視化方法顯示軸向伺服動態響應之變異趨勢,能警示機台是否發生動態響應變異,提醒使用者進行檢修,避免不良品的生成,並提供不同時間戳記之數據進行分析比對,來查找影響加工精度與機台動態響應的問題主因。
Abstract
Five-axis machine tools are indispensable tools for processing high-value industrial components such as biomedicine, aerospace, electric vehicles, and wind power generation. However, the supporting solutions for five-axis machine tools currently on the market are imperfect and lack fast and quantitative analysis tools, making it impossible to quickly evaluate the stability of the equipment. In addition, it is difficult to trace the status of the equipment during using, and to trace the cause and shorten the service time. Five-axis dynamic synchronous response analysis technology meets the adjustment needs for the five-axis dynamic synchronous response of machine tools. The software module independently captures the dynamic feedback speed data of each axis, imports the automatic reference axis search function to search for the axis with the worst dynamic response among the five axes, defines it as the reference axis, and automatically generates 4 comparison chart of feedback speed compared with reference axis. A set of feedback speed comparison charts compared with the reference axis provides a visualization tool for the five-axis dynamic synchronization response characteristics. The five-axis equipment performance monitoring technology collects the dynamic response data of the machine equipment through the periodic warm-up process, displays the variation trend of the axial servo dynamic response through numerical statistical analysis and visualization methods, and can warn the machine whether the dynamic response variation occurs., remind users to perform maintenance to avoid the generation of defective products, and provide data with different time stamps for analysis and comparison to find the main causes of problems that affect processing accuracy and machine dynamic response.
前言
五軸工具機之刀尖點誤差,是由機構誤差與伺服運動誤差所組成。機構誤差產生的刀尖點誤差可分為與速度無關之機構誤差和因軸向運動造成機構變形誤差,而伺服運動產生的刀尖點誤差導因於軸向伺服運動所產生相對於命令軌跡的誤差。如圖1所示,追隨誤差是當下實際點與命令點的差距,輪廓誤差是實際點與命令軌跡最近點之距離,但輪廓誤差不一定與追隨誤差成正比,輪廓誤差反映在加工上就是加工件之尺寸誤差,降低追隨誤差,並不一定能有效降低輪廓誤差。一般要有效降低輪廓誤差,在調機時也皆先將各 軸的追隨誤差盡量降低,再調整五軸之間的動態同步響應,使五軸之間的動態同步響應能盡量趨向一致。
目前國內廠商缺少五軸工具機切削軌跡精度 之分析手段,多是採試件加工來進行設備精度的檢驗,但加工耗時長,且加工件之尺寸誤差與設 備靜動態精度的關係難以對應,導致不易擬定後續之改進策略,因此國內工具機業者對於快速檢驗加工精度與誤差源的判別有其剛性需求存在。國內自主發展五軸工具機的性能識別與精度優化 之技術,可提供可視化模組與性能驗證工具,協助業者快速檢測動態同步響應之精度與特性,擬定有策略且精準的動態性能提升方案。
五軸動態同步響應分析技術,滿足工具機五 軸動態同步響應之調整需求。透過軟體模組自主擷取各軸向之動態迴授速度數據,導入自動參考軸搜尋功能,搜尋五軸中動態響應最差軸向定義為參考軸,並自動產生其他4個軸向之4組對比於參考軸之迴授速度對比圖譜,提供五軸動態同 步響應特性可視化工具。五軸設備性能監管技術,透過週期性暖機流程來收集機台設備之動態響應數據,經由數值統計分析與可視化方法顯示軸向伺服動態響應之變異趨勢,能警示機台是否發生動態響應變異,提醒使用者進行檢修,避免不良品的生成,並提供不同時間戳記之數擄進行分析比對,來査找影響加工精度與機台動態響應的問題主因。
五軸動態同步響應分析技術
五軸動態同步響應分析技術之流程圖如下圖2所示,五軸工具機經由執行動態測試軌跡,來評估五軸工具機動態同步響應之特性。透過導入動 態測試軌跡,以 lms 循環時間固定擷取 X、Y、Z、A(B)和 C 五個軸向之命令機械座標與迴授機械座標,自動計算速度命令與迴授速度數據,進行5個軸向之動態同步響應分析與可視化介面之顯示,讓使用者快速得知 5個軸向之動態同步響應特性,以便擬定有策略且精準的動態性能提升方案。常態來說,為求五軸動態響應同步,會去調整各軸 向之驅動器增益以達匹配。然而,單獨從各軸向之速度響應圖,是無法直覺地判斷要調整哪些軸 向來提高五軸的動態同步響應。因此本模組具備自動參考軸搜尋機能,以響應速度最差之軸向作為參考軸,並可自動產生其他4個軸向之4組對比於參考軸之迴授速度對比圖譜,提供五軸動態同步響應特性可視化工具,可快速確認軸向動態 響應調整前後之同步效果。
五軸動態同步響應特性可視化模組介面如下圖3所示,左上方功能按鈕分別為「選擇訊號檔「計算有效區間」、「計算參考軸」、「 繪圖」。操作流程順序為先選擇欲分析的五軸動態 響應數擄,透過演算法自動分析數據之有效區間,自動計算出參考軸後,繪製出下圖4的有效區間圖譜,並將參考軸的速度曲線以虛線標示之,透過視覺化技術呈現,軟體自動產生4組對比於參考軸之迴授速度對比圖贈,提供五軸動態同步響 應特性可視化工具,協助使用者進行五軸動態同步調整依據。
在完成上述之參考軸搜尋與產生對比於參考 軸之迴授速度圖譜後,可切換至速度暫穩態分離頁面,此功能頁面,將根據參考軸對比於其他4軸之4組迴授速度對比圖譜,自動計算參考軸與 比對軸其迴授速度於暫態與穩態2個狀態區間下之同步誤差,如下圖5所示,同步誤差量顯示於 圖左之虛線框中,此圖是以X軸當作參考軸與第4軸迴授速度對比圖為例,亦可切換成其他軸向之比對圖譜。如同所示,將各軸向之速度響應誤差 圖譜區分為暫態與穩態兩個區間,可針對暫態與穩態區間之速度落差來分別調整控制迴路之增益參數以分別降低兩個區間內之速度落差。先以速 度迴路之比例增益(Kp)來調整暫態區間之速度差距,而以積分增益(和) 來調整穩態區間之速度落差,此調整策略可提升伺服動態同步響應。最後再藉由圖6,透過全局的視角看到所有軸向速度響 應趨勢與同步響應狀況。
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2025年03月號
(單篇費用:參考材化所定價)