蘇中源、林式庭、林志哲、葉建南、蔡孟樵、張培毓、林志修、王伶文、郭秀怡／工研院微系統中心
工具機加工精度的主要關鍵在於進給系統，而進給系統精度又直接受滾珠螺桿之預壓力與溫度影響。目前市面上的智慧螺桿進給系統大多採用振動感測器間接估算預壓值，導致準確性較差且易受干擾。有鑑於此，工研院團隊串聯國內產業能量，開發全動態直效嵌入式複合感測器於智慧螺桿進給系統，可直接測量滾珠螺桿之預壓力與溫度，並整合回饋預析模組推估智慧螺桿進給系統之健康狀態與故障原因，以便管理者擬訂維修保養規劃與排程；以及定位誤差補償模組校正工具機進給系統位置變異，維持精度使加工品質更加穩定。
【內文精選】
前 言
螺桿進給系統為工具機加工精度的主要關鍵，高階螺桿進給系統長年來被日本與歐美國際大廠掌握，而低階市場近年來則受到中國的削價競爭，導致台灣既有市場漸受到侵蝕。中國紅色供應鏈興起，其機械設備企業的數量已成長至三萬八千多間，且市場競爭力逐漸提高，透過自行研發、國外技術合作、併購國外企業、提高機械設備自製率等多種方式，逐漸減少國外中高階機械設備進口，並擴大外銷中低階產品，對台灣的影響逐年提高。
螺桿進給系統之感測技術現況
分析螺桿進給系統的國際大廠(THK、NSK、HIWIN)之專利布局，大多採用振動感測器或溫度計間接估算預壓(如圖二所示)，主要原因是全世界缺少直接量測螺桿預壓力(Preload)的關鍵感測器，且現有力量感測器規格不符及價格昂貴，無法導入。因此，國際大廠目前僅能以間接推算預壓力(如振動感測)，導致準確性較差且較為複雜，安裝成本亦較高。
因為振動感測器在安裝時需在滾珠螺桿(Ball Screw)的法蘭面上另行鑽孔，且可能會突出螺帽表面，影響進給系統的作動。當進給系統啟動後，滾珠螺桿來回作動(或加工)會因為預壓的改變產生不同的振動反應，透過感測振動的特徵頻率，間接估算滾珠螺桿的預壓。而本研究開發的直效嵌入式複合感測器(Hybrid Sensor)，能與原有滾珠螺桿的預壓片整合，不需額外加工，桿作動時(動態)，也能量測不同位置的預壓。此外，預壓力不會受到工具機整機結構的干擾，僅會偵測安裝處的力量，具備較高的準確性。
嵌入式複合感測結構設計
本研究設計之嵌入式複合式感測結構(如圖三(a))，其主要包含：一體成型的力傳感結構、外殼(Housing)、蓋子(Cap)、應變規與溫度計所組成。其中，應變規貼附在傳感結構的下方，組成全橋式讀取電路。此傳感結構採用630不鏽鋼製作而成，感測器實體圖如圖三(b)所示。當進行預壓力檢測時，雙螺帽將會接觸複合式感測器的上下兩端；當螺帽的預壓改變時，所施加的壓力將會透過上下墊片傳遞至傳感機構，並使傳感機構產生變形，接著再藉由應變規檢測其變形量，便可進一步換算出螺帽預壓力。而溫度計則安裝於力感測結構中應變較低處，以避免受到應變影響輸出，以及長時間作用時的可靠度不足。
圖三、嵌入式複合式感測器 (a)結構設計示意圖；(b)實體圖
智慧螺桿進給系統性能驗證
本研究所開發之智慧螺桿進給系統亦整合於CNC工具機進行產品Beta-site測試驗證(如圖十四)，此驗證平台主體為一走心櫛式加工機，具備雙主軸與正副主軸動力刀具系統與五個進給軸向，並採用PCbased控制器。且透過複合感測器之預壓力/溫度量測訊號，結合訊號處理、監測軟體與控制程序，判斷當溫度變化與進給軸預壓改變時，工業電腦中的定位誤差補償模型與補償控制迴路將傳送一定位補償值給控制
器，進行即時補償。
另外，針對智慧螺桿進給系統定位精度，亦規劃一系列驗證項目，以驗證定位精度補償性能。驗證項目分為：①冷機且未開啟定位補償時之定位精度驗證；②冷機且開啟定位補償時之定位精度驗證；③熱機且未開啟定位補償時之定位精度驗證；④熱機且開啟定位補償時之定位精度驗證。驗證過程中，依照ISO 230-2的量測規範與使用Renishaw XL-80 雷射干涉儀於進給軸進行運動精度量測。本研究所提出之精密定位誤差補償控制系統，在熱機狀態下，可有效使驗證機台的定位精度由37.1 μm 改善至3.8 μm。
商業化應用與市場機會
在全球智慧製造與工業4.0的發展趨勢，以及未來航太與汽車需求下，將帶動工具機與其關鍵零組件的成長；以智慧製造為例，全世界智慧製造市場需求預測將以…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》415期，更多資料請見下方附檔。