好文分享：工具機的精度

FB上看到高手分享的文章，

好文給大家參考。

原文連結：FB，

作者：徠通科技梁瑞芳副董事長。

以下是本文：

在我的行業裡有一家日本精度最好的公司做了一款機器有三個編號, 一般等級的精度是3um, 中等級的是2um, 最高等級的是1um, 這三型機器的外觀、結構、零件都相同, 只有機台的編號不一樣，但是價格相差了一倍, 據說最高等級的機器是選出來的，而不是做出來的，生產時誰也無法保證可以做出一台精度1um的機器；

最近在研發一台超精密的機器, 目標就只定在成品加工精度可以做到3um以內, 可想得知, 加工的零組件精度也一定要在3um 以內, 最後所有的零件組合誤差也都在3um內, 才有機會達到目標的精度。第一件事就是去問了加工廠, 可以把線軌承靠面的直線度控制在3um之內嗎? 所有的加工廠都回答: 沒辦法, 那我在反問, 可以把握的是多少? 10um大概是比較能夠拚拚看的精度，再問最近中部新進的一台售價1.1億元的德國機器, 他們回覆是5um有把握，3um不接單；看來, 想以加工的方法來達到所要的精度是不可行的。

一台機器最後展現的精度, 是所有可能的誤差累積所表現出來的, 整機加工表現的誤差來源有:  

1. 機械結構的誤差: 結構受到自身重量及負載的移動變化會使材料做不同程度的變形，進而產生誤差；這個結構誤差在設計時，以有限元素法分析即可知道有多大，台灣有些廠商看不懂有限元素法, 只是拿它來做型錄用的, 機台的誤差大到0.5mm 也放到型錄上去；結構設計在全平面不同負載、不同位置之下誤差會有變動，不能考慮單點的結構誤差，工作台全平面與刀具端的誤差能夠做到3um以內就算是非常的厲害了。

2. 傳動系統的誤差: 包括螺桿、線軌、滑塊與線軌配合間隙的誤差，即使是c1等級的螺桿也有5um的節距誤差，最高等級的線軌(UP級)自身兩個平行面的平行度誤差也有2um，滑塊與線軌的間隙想要移動順暢單邊也要有3um以上間隙, 二隻線軌的組裝若1米要求在3um之內的平行度及直線度, 組裝師傅必定翻臉的，然而高精度的機械, 其整機設計與組裝就是要想辦法去消除這些總合誤差, 做到3um±3 以內，才有機會做到最終的整機要求。

3. 回授及控制的誤差: 控制器命令輸出驅動馬達, 再以光學尺回授, 現有最佳的光學尺其保證誤差能在3um 內, 不過這個誤差是來自光學尺的刻度，只要光學尺組裝沒有問題, 它是固定的誤差, 可以透過控制器的誤差補償予以消除；至於命令的輸出與實際動作的lag，那就是控制器的性能了，高精度的加工，通常是在乎做不做的出來而不是做的快不快。

4. 組裝的誤差: 機器的直線度，垂直度, 平行度, 平面度…以及各個零件, 移動組件的總合誤差, 一般要控制在5um 內即算是非常好的機器了

5. 溫度的誤差: 鐵對溫升的影響, 每1℃即有11.7um/m的變形量, 在加工過程中, 因能量的轉換而產生局部的熱變形, 造成刀具或工件的熱變形, 這一直是工具機的痛, 即使有熱補償功能, 也只是大範圍的補償, 無法做小面積的補償，高精度加工的最好方法還是犠牲速度去控制加工的溫升, 使其小於0.5℃的變化，讓精度可以維持。

6. 材料的變形: 材料從鑄造出來, 內部會有很大內應用, 完全不調質, 其變形量可以大到以mm計算；經過多道退火、深冷的處理, 這個變形量可以幾乎不計，前題就是要花大錢去做多次調質。

7. 夾治具及人為操作誤差: 加工時夾治具是否對稱，夾持的力量是否均勻, 環境是否有震動或其它的干涉… 都會影響加工的精度，這就是大家號稱大立光的競爭力在建廠時就與他人不同的主因了。

8. 其它， 如量測、環境的因素所造成的誤差: 每次客戶要求做精度加工的檢測時, 我的第一個問題即是用什麼測? 在那裡測? 環境溫度幾度? 多年前有次機器賣到浙江金華去, 售服人打電話回來說客戶要求精度, 並且驗收標準2um, 我心想死了, 隨後一反想這個地方要如何做2um 的檢驗, 問了客戶他說他們有游標卡尺, 我笑了一下, 告訴工程師不用煩惱, 最後客戶很高興的收了他心中的2um 機器。 

學過統計的人都知道，以上的每一項誤差都有一個變動範圍, 假如中間值為m, 標準差為s, 則機器最後呈現的誤差量

E= m1+m2+…mn ± √[((3s1)2+(3S2)2+…(3Sn)2)/n] 

以上面討到論m1+m2+…mn 這些誤差即有2+3+3+3+5+…>15um的誤差了，所以整機設計時, 要考慮到中值最好能夠正負誤差相抵如(-2)+(-3)+(-3)+3+5=0 或者是以補償的方式做誤差減低來提升機器的精度，這在機器的系統設計時就要考慮完整；一台機器有固定的誤差, 只要能夠重現就不是問題, 可以透過補償方法降低, 真正困難的是這些誤差變動不一, 也就是標準差的分佈範圍太大無法控制, 在如此眾多的誤差來源之下，如何做到這幾十個誤差的變異量加總起來的總誤差變異量能控制在±3um 以內, 亦即每個誤差的變異量都需要控制在1um之內, 否則是無法達成機器精度的總目標, 這才是真正困難的挑戰。    

所以, 台灣的工具機產業要整體提升, 不單是整機廠提升即可, 供應商伙伴的零組件、加工精度也要跟著能夠提升起來, 整機廠對供應商的要求不是故意要刁難, 只是希望大家能提升擺脫低價的競爭； 不過, 以我小小的公司要去推動這個事是力有未逮，最好還是能由政府或工研院出面，從加工開始提升大家的水準。