六維運動量測系統

Six Degree of Freedom Motion Measurement System

余志文(Chih-Wen Yu)

指導教授 ： 雷衛台

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2008年)

摘要

CNC工具機每個線性軸之定位誤差可以六個運動誤差項表示，以具三線性軸的CNC工具機為例，每軸六個定位誤差，再加上三軸彼此間的三個垂直度誤差，總共有21個誤差項。在五軸同動工具機上，除增加轉動軸的12個誤差項，還有9個座標轉移連接誤差。要在一次量測過程中，量得CNC工具機所有的誤差項目前是不可能的。
本論文從史都華機構的六維運動特性中，提出新的設計應用，創造出一個新的量測系統，命名為6D運動量測裝置。（Six Degree of Freedom Motion - Measurement Device，6D-MMD）。此量測系統基於史都華平台機構，將六隻連接伸縮桿改成被動式精密量測球桿，當上下平台因CNC工具機驅動定位而產生相對運動，可從量測六隻雙球桿桿長值的變化，計算出上下平台間6D相對運動的關係，即得出CNC工具機驅動定位之位置及指向誤差值（X、Y、Z、α、β、γ）。
6D-MMD要能夠以微米精度等級進行6維定位或運動誤差量測，有兩個核心技術要掌握：一、準確定義或得出上下平台各6個球軸承中心位置；二、依實際機構參數進行機構正轉換的計算。本論文中利用三邊量測法，以下平台上三參考點建立參考座標系，量測此三參考點與各球軸承中心之距離，計算出其在基礎參考座標系之準確位置，進而確立上下平台之座標轉換與桿長相對關係。正轉換過程利用牛頓法以及逆轉換具有唯一解的特性，以遞迴逼近方式，從六隻雙球桿桿長量測值計算出上下平台間之相對運動關係。
6D-MMD設計上最大的關鍵在於六根量測雙球桿的精度以及行程範圍。本論文使用光學尺搭配線性滑軌，製作出量測解析度度為0.1μm之雙球桿，並以絕對長度校正裝置，進行雙球桿桿長值設定。量測結果與雷射干涉儀進行比對，精度得到驗證。
本論文提出之6D-MMD量測系統，為世界首創可以在同一個參考座標系下，一次完整量測出三軸工具機在中央位置之三驅動軸運動方向，及各軸運動之運動定位誤差，共21個誤差項。也能一次完整量測出五軸同動工具機的五個機械驅動軸運動方向及運動定位誤差共42個誤差項，量測精度可以達到1μm，為工具機量測領域裡的一大突破。

關鍵字

史都華平台機構 ； CNC工具機量測系統 ； 工具機運動誤差項 ； 六維運動系統 ； 雙球桿

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參考文獻

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