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「絕對」出色的旋轉工作台

機床在現今工業領域具有不可或缺的地位。由於近年來5軸機床的普及,工業產品,特別是一些要求精細加工的產品,其設計的靈活性大大提升。以往不能實現批量生產的複雜設計,現在都能一一實現,而且效率和品質更高。我們每天使用的智慧手機和平板電腦等電子產品的金屬機身,都是通過這些先進的機床加工而成的。

目前多軸複合機床的技術發展漸趨成熟,對旋轉工作台(簡稱轉台)的精度和速度的要求不斷提升。ITRI — 臺灣工業技術研究院(簡稱工研院)看准未來市場的龐大需求,自主開發了雙軸轉台,配置雷尼紹RESOLUTE™系列絕對式光學旋轉編碼器,通過Panasonic串列協定連接到內部開發的控制器上,協助業界開發具競爭力的轉台方案。

轉台在機床上的價值

轉台是機床中一個十分重要的附加元件,當需要加工具有複雜曲面的工件時尤其如此。廠商應對不同的加工需求開發各種不同結構的轉台。

轉台的使用可擴展加工中心的加工自由度,提供第4軸、第5軸旋轉軸。傳統的3軸加工中心沒有配置轉台,工件被固定在加工台面上,每次的加工面只有頂面,而5軸加工中心,通過旋轉台的移動,工件只需裝夾一次即可完成5面體的加工,大大縮短裝卸工件的時間。臺灣工業研究院資深工程師陳冠文先生解釋轉台的結構:「市場上的轉台種類繁多,有單軸、雙軸搖籃、多心軸式等等。結構主要由本體、主軸承、工作盤面、傳動系統、伺服馬達、編碼器及刹車系統所組成。為了降低成本,大部分組件都是我們自主開發或在本地採購。經過多年努力,整體成本目前已較眾多國際品牌大幅降低50%以上,而我們的最終目標就是把這些技術和生產方案轉移到本地的廠商,協助他們開發具競爭力的轉台。」

工研院開發的轉台配有旋轉軸和傾斜軸,兩者均採用自主開發的直驅馬達,優點在於其高轉矩、高剛性、低磨耗及無反向間隙等,前者容許360度轉向,後者轉動範圍為170度。兩軸均配置RESOLUTE RESA絕對式旋轉編碼器,提供23 Bit解析度,連接Panasonic伺服驅動和工研院自主開發的控制器。轉台兩軸整體定位精度和重複精度分別為+/-10角秒和+/-5角秒,系統最小解析度達0.001度。盤面直徑為250 mm,提供扭力為170/300 Nm(旋轉軸)和245/440 Nm(傾斜軸)。 

直驅馬達內的RESOLUTE絕對式旋轉編碼器

直驅馬達機構設計的特性促使編碼器一般內藏在馬達內,由於馬達內部空間有限,故對編碼器讀頭的體積有嚴格的要求,設計必須緊湊。陳冠文先生說道:「我們在編碼器選型時,體積是重要的考慮因素之一,而且必須選開放式的編碼器,原因是封閉式編碼器有封裝外殼,體積過於龐大,一般不適合安裝在直驅馬達的機構上。另外加工中心的工作環境一般十分嚴峻,充斥大量切削殘屑、油漬等污染物,不過由於編碼器內藏在馬達內,故對開放式編碼器來說不是問題。RESOLUTE的防護等級達IP64,足以應付一般污染,就算是編碼器意外被冷卻液或削屑弄髒,清潔後即可正常工作。」

雷尼紹RESOLUTE絕對式光學編碼器設計緊湊,讀頭尺寸僅36 x 14.9 x 16.5 mm,是市場上少數高規格但體積輕巧的編碼器,支援多種工業串列協定。讀頭採用先進光學濾波鏡組,有效過濾因光學尺環上的污染物而造成的雜訊,維持超低的雜訊等級(抖動達10納米RMS)以促成絕佳的位置穩定性,同時從根本著手使用強化型的檢測機制,實現僅±40納米的極低細分誤差 (SDE),促使機床加工出表面更加光滑的工件。

RESOLUTE光學編碼器在傾斜軸上
旋轉工作台安裝在機床上


提升生產效率

時間就是金錢,特別是在現今產品生命週期縮短,產品多樣化的激烈競爭年代。生產商在追求產品的品質以滿足客戶要求的同時,必須不斷提升生產效率,務求新產品能儘快推出市場,這就要求相應提升生產設備的效率加以配合。陳經理說道:「轉台速度的提升能顯著降低整體生產成本,要知道有些規模龐大的生產線每天有數以萬計的設備投產,或大或小的任何停頓和延誤都會造成整體成本的上升。絕對式編碼器其中一個特點就是每次啟動時即時採集絕對位置,無須返回原點,而且在電源重啟或更換斷刀後能在停頓位置繼續執行先前的工作,不像增量式編碼器需要重新返回原點重啟,這無疑大大縮短了整體生產時間。」

定制化方案

工研院一直致力於開發業界新技術,如其他創新者一樣,在開發過程中難免會碰到一些挑戰。陳冠文先生說道:「我們當初的計畫就是要做一款具競爭力的轉台,鑒於工研院與Panasonic多年友好關係和對其產品的經驗,我們選擇採用Panasonic伺服驅動。不過當時市場上並沒有能滿足我們規格要求同時相容Panasonic串列協定的開放絕對式旋轉編碼器。我們只好嘗試聯絡編碼器廠商查詢定制化方案,幸好最後與雷尼紹達成共識,他們願意為我們開發相關的RESOLUTE絕對式旋轉編碼器,經過Panasonic、工研院與雷尼紹三方的努力,最後得以成功開發出臺灣地區第一台採用Panasonic串列協定的直驅轉台。與雷尼紹合作多年,有感他們的售後支持一直做得十分到位,而RESOLUTE編碼器的表現與我們採用過的SiGNUM系列增量式編碼器和XL-80雷射干涉儀同樣出色。」

公司簡介

工業技術研究院成立於1973年,是國際級的應用科技研發機構,擁有近6000位科技研發精英,其宗旨是以科技研發帶動產業發展,創造經濟價值,增進社會福祉。成立四十年來,累積超過2萬件專利,培育及孵化260家公司。工研院提供全方位的研發合作與商業顧問服務,包括新技術與新產品委託開發、小型試量產、制程改善、檢校量測,以及技術轉移、智慧財產權增值服務等,並設置開放實驗室及孵化中心,積極培育及推動創業公司發展,加速產業技術開發及孕育新興高科技產業。