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四/五軸將成工具機升級關鍵
推動智慧機械產業成敗

【作者: 陳念舜】   2017年08月24日 星期四

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隨著全球經濟景氣反彈回溫,機械業突破兆元產值又在今(2017)年台北國際工具機展(TIMTOS)成為話題,而順應航太、基礎建設產業成長可期,台灣機械公會也以航太國機國造、智慧機械、美國製造等五箭,來指引未來工具機廠商可先達到千億元產值助攻的方向。尤其因為國內外工具機發展正趨向多軸化及高效率化為主流,須有高品質零組件,才能使工具機更加多功能化與高效率化,進而提升工具機產業價值與競爭優勢。


而高階五軸及複合加工機由於對零組件設計、加工及組裝技術要求門檻較高,向來被視為台灣工具機產業提高開發能力,升級加值的指標,預料將再成為焦點,帶動週邊產業鏈需求。台灣廠商如何透過自主開發或外購組裝的營運模式獲利,同時維持出廠前後的精度與品質可靠,將是未來能否在國際競爭勝出的關鍵!


對於有意投入開發的整機製造廠商而言,除了少數有能力的一線大廠,才會考慮由內部自主開發四/五軸,以掌握更廣通路,卻未必都能自製關鍵零組件,而台灣比起歐日系大廠,還有待努力提升的空間。多數習慣中部精密機械產業群聚的業者,還是傾向專業四五軸廠商外購的營運模式,再依所要求的速度及扭力、精度,決定四五軸之零組件,配合結構的質量、慣性、元件尺寸大小與匹配的控制器參數,既少了承受過大開發風險與成本,也免得客戶為此修改結構,將更不划算。


高階五軸複合機種 考驗四/五軸組裝技術

依現今四五軸的結構,約可概分為:單/雙臂兩軸工作台、兩軸/萬向/90度擺動頭,而其主要用於將動力元件(驅動馬達)出力傳遞到轉動件(轉盤或主軸)的傳動元件,則可依其對加工產品表面品質的好壞、重或輕切削條件需求而設計。


其中,蝸桿/蝸輪係利用兩元件面磨擦與滾動傳遞不同能量,並以組裝來填補、調整背隙,移除率較大;另有低磨耗蝸桿蝸輪,可經過特殊處理及應用材料來達到耐磨目的,維持穩定迴轉精度和壽命。滾子凸輪(Roller Gear Cam)則透過滾動原理,雖是日本獨有技術,也已逐漸被台廠取得,主要用於五軸、車銑/銑車複合加工機的四五軸。


目前台灣四五軸廠商仍採蝸桿/蝸輪傳動機構居多,除了要求加工、組裝轉軸也須維持同心外;考量長期使用的磨耗問題,業者還須透過雙/變導程機構設計蝸桿,再以螺牙、彈簧、墊片等機構,調整間隙誤差。至於軸承型式的差異,則可依要求承受力大小、軸/徑向、精度等級,以及組裝容易與否而設計,通常斜角滾珠的迴轉精度高,滾柱滾珠(Tapered Roller)精度低但可受徑向力高,經驗不足者將難以預壓。


內藏式DD直驅馬達響應速度較快,若在兩軸頭(叉式結構)搭配DD馬達設計,將更有效縮減空間、避免干涉,進而提高扭矩。惟須留意加工時的同心問題,若兩側DD馬達能準確同心,扭矩相加的速度、出力都會較大;自製DD馬達還可配合較大扭矩、空間,容納更大剎車機構之外徑與出力;同時採用較短的內藏式主軸,搭載DD馬達必備的編碼器(encoder),量測結果將影響後續補償精度。


旋轉工作台機構也可任選DD馬達或蝸桿/蝸輪設計,但為了確保組裝完成後的偏擺公差小、可調整,須先靠加工或鏟花達成「圓要同心、面要平」的難度高。目前雖可搭配編碼器反饋資訊補償,仍須視其安裝位置有別,不僅希望越接近軸承、轉台等旋轉中心越好,還要可防水、防塵且容易組裝,才能更順利校正偏擺。


看好智慧機械需求 零組件廠強化自製力

過去因為四五軸整合難度高,關鍵零組件蝸桿/蝸輪、直驅馬達、高階控制器等無法操之在我,導致價格始終居高不下。如傳統蝸桿/蝸輪約使用1年後,機械結構就會產生背隙,造成誤差等問題,已有四/五軸供應商在設計減速結構時,改用歐系DD馬達替代。如今受惠於這兩年來台灣四/五軸、旋轉台廠商,與關鍵零組件蝸桿/蝸輪、直驅馬達等廠商持續發展,大幅降低成本,可選擇的型式也越來越多樣。也讓過去屢屢大嘆「用不起」或「不敢用」的終端使用者航太、模具等加工業者接受度大為提高。


自上屆台灣國際工具機展(TMTS)上銀科技發表四/五軸專用DD馬達,率先推動五軸機國產化以來,到了去(2016)年TMTS已可見到開花成果。為擺脫以往對進口的倚賴,上銀集團旗下陸聯精密還再接再厲,首度將國產直驅馬達四/五軸(A/C、C軸)安裝在量產型五軸機上,揭示台灣工具機產業整合群聚的集體力量展現,在技術上成長已進入全新世代。現除了工研院智慧機械科技中心正式展出高精度兩軸旋轉主軸頭,甚至能見到旭陽、普森等零組件廠商自製或搭配台廠,紛紛發表相關系列產品。


其中,有別過去搭載在五軸加工機上的兩軸旋轉主軸頭,進口價高達500~600萬元,且有交期長、維修與售服無法即時處理等問題,不利我工具機廠商對外報價接單,現在透過工研院自行研發該產品,利用國產化熱處理、精車/銑加工、高精研磨與組裝調校等手段,已將生產成本大幅降低一半,促成工具機大廠協鴻公司下單採購,將搭載在大型龍門加工機使用,行銷到國際市場。


旭陽國際精機迎合國內外工具機廠商與機械加工客戶,在金屬加工尋求升級的需求,所展出的直驅式數控分度盤,係該公司專為第四軸加工需求所研發上市。在自行研發出首款直驅馬達後,經實地測試在相同規格條件下,發現其扭矩數值比歐洲大廠同級產品還高,可與同業在市場區隔。分別搭載於鑽孔攻牙中心機(Tapping enter)及立式加工中心機;或作為第四軸,組裝到五軸加工機O170mm~1m不等的交換工作台盤面上。因為搭載該項新產品的成本增加不多,卻可利用其零背隙及磨耗特性,大幅提升加工效率、精度與可靠度、延長使用壽命,成為台灣精密機械產業降低生產成本,促進升級加值的最佳武器。


普森精密主軸也在現場發表其投入大量資源,開發出全新CNC直驅馬達立/臥兩用旋轉分度盤,即採用大銀微系統直驅馬達,並率先推出O170/250/350mm共3種規格新品,分度單位可達0.001°、定位精度10arc-sec、重複精度4arc-sec,將成為客戶在發展工業4.0與智能化生產的最佳夥伴。


執行一度一分割 確保幾何與定位精度

值得一提的是,現今大部份台灣廠商對於五軸、複合工具機的觀念仍只停留在工作台上多了一具旋轉/搖擺頭,雖然可在出廠前經過插補,符合幾何、定位精度檢測,卻在真正五軸加工時失誤。「甚至在去除插補參數後,反而更準。」可見在實際加工前,量測四/五軸精度的重要性,並將旋轉軸量測角度單位定義為arc-sec。一般業界會認為國際規範ISO230-2的定位精度值比德國VDI3441小而準,也逐漸形成主流;也不能忽略幾何精度的重要性,ISO230-1則對五軸誤差定義為43項(三軸21項+四五軸22項),包括:三軸幾何異常、三軸與四五軸相對位置異常、四五軸模組異常等。此涉及四五軸模組本身幾何,與製造、組裝廠商的品質管控機制,不能只靠四五軸廠商出具精度報告即可,而應確認旋轉軸與三軸軸向的正確性。


否則,若將四五軸模組建立於錯誤基準,即可能導致三軸幾何異常;三軸與四五軸相對異常,也會造成補償過度或不足的弦波誤差,應管控旋轉軸品質;四五軸模組幾何精度異常,或肇因於旋轉模組本身轉動偏擺誤差,須透過品質管控機制排除。


此外,雖然目前台灣已有許多整機組裝廠強調在安裝四/五軸前,會先在廠內校正。大多數卻只用光學尺量測A軸軸心定位精度,忽略了整機出廠後,遇到結構變形或剛性不足時,軸心準也不一定有用,容易在出貨到客戶端時發生問題。因此,整機組裝廠應在補償後,確認A軸0?原點有沒有跑掉、90?有無偏擺?在對搖擺頭補償前,則要確認是否與工作台對準0??


若須外購四五軸組裝前,對於旋轉軸角度量測應有別於線性軸,應先關閉光學尺/角度編碼器,取得機構原始量測值,提高重覆性;再以「一度一分割」方式,才能發現四五軸廠商以往被編碼器隱藏在機構硬體內的缺陷,免得如以往出貨到終端客戶處才收到抱怨,對機台開發也有幫助。即便每部機器未必都能安裝編碼器,自主要求達到國外五軸同動機的精度等性能,也能考慮與精密機械研發中心(PMC)等法人單位合作。


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