大家都希望有精密工業(yè)，我國在數(shù)控機床方面是有不錯的成績，但是仍然希望有極高級的數(shù)控機床。也就是說，我們希望能夠提高精密度。究竟精密度是如何得到的？
數(shù)控機床的誤差來源及精度挑戰(zhàn)
在我們行業(yè)里有一家日本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。這三款機器的外觀、結(jié)構(gòu)、零件都相同，僅機臺的編號不一樣，但是價格多了一倍。據(jù)說「最高等級的機器是選出來的，而不是做出來的」，生產(chǎn)時誰也無法保證可以做出一臺精度1um的機器。最近在研發(fā)一臺超精密的機器，目標就只定在成品加工精度可以做到3um以內(nèi)，可想得知，加工的零組件精度也一定要在3um以內(nèi)，最后所有的零件組合誤差也都在3um內(nèi)，才有機會達到目標的精度。為此，第一件事便是去詢問加工廠：「可以把線軌承靠面的直線度控制在3um之內(nèi)嗎？」所有的加工廠都回答：「沒辦法」；那我再反問：「可以把握的是多少？」所得到的回覆是，10um大概是比較能夠拼拼看的精度。再問最近中部進的一臺售價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。
一臺機器最后展現(xiàn)的精度，是所有可能的誤差累積所表現(xiàn)出來的，整機加工表現(xiàn)的誤差來源有：
(1)機械結(jié)構(gòu)的誤差：結(jié)構(gòu)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(chǎn)生誤差；這個結(jié)構(gòu)誤差在設計時，以有限元素法分析即可知道有多大。我國有些廠商看不懂有限元素法，只是拿它來做型錄用的，機臺的誤差大到0.5mm也放到型錄上去；結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)誤差，工作臺全平面與刀具端的誤差能夠做到3um以內(nèi)就算是非常的厲害了。
(2)傳動系統(tǒng)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(jié)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，二只線軌的組裝若1米要求在3um之內(nèi)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(nèi)，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(qū)動馬達，再以光學尺回授，現(xiàn)有最佳的光學尺其保證誤差能在3um內(nèi)，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；至于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，通常是在乎做不做得出來而不是做得快不快。
(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，一般控制在5um內(nèi)即算是非常好的機器了。
(5)溫度的誤差：每升溫1℃便會影響鐵產(chǎn)生11.7um/m的變形量，在加工過程中，因能量的轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生局部的熱變形，造成刀具或工件的熱變形，一直是數(shù)控機床的痛。即使有熱補償功能，也只是大范圍的補償，無法做小面積的補償，高精度加工的最好方法還是牲速度去控制加工的溫升，使其小于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(nèi)部會有很大內(nèi)應用，完全不調(diào)質(zhì)，其變形量可以大到以mm計算；經(jīng)過多道退火、深冷的處理，這個變形量可以幾乎不計，前提就是要花大錢去做多次調(diào)質(zhì)。
(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(huán)境是否有震動或其它的干涉⋯等，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)其它誤差(如量測、環(huán)境因素影響)：每次客戶要求做精度加工的檢測時， 我的第一個問題即是「用什么測？在那里測？環(huán)境溫度幾度？」多年前曾將機器賣到浙江金華，售服人打電話回來說客戶要求精度，并且驗收標準2um，我心想完蛋了⋯，隨后一反想，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，最后客戶很高興的收了他心中的2um機器。
學過統(tǒng)計的人都知道，以上的每一項誤差都有一個變動范圍，假如中間值為m，標準差為s，則機器最后呈現(xiàn)的誤差量E=m1+m2+⋯mn ± √[((3s1)2+(3S2)2+⋯(3Sn)2)/n]
上述討論到m1+m2+⋯mn的誤差，加總即有2+3+3+3+5+⋯>15um的誤差，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?shù)姆绞阶稣`差減低，進而提升機器的精度。這在機器的系統(tǒng)設計時就要考慮完整，一臺機器有固定的誤差，只要能夠重現(xiàn)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，也就是標準差的分布范圍太大無法控制。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(nèi)，亦即每個誤差的變異量都需要控制在1um之內(nèi)，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(zhàn)。
因此，我國的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)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數(shù)控機床協(xié)會出面，從加工開始提升大家的水準。
高精度的機臺理論分析到實務驗證
整機的精度要達到3um以內(nèi)真的是頗具有難度，往下每降1um價格就要翻倍，如3um精度的機器要300萬，那么2um的可能就要600萬元了！每個可控制的因素如：零件精度、組裝精度、環(huán)境溫度都要調(diào)整到以0um為中值的誤差，再盡量把標準差給降低。
經(jīng)過了幾年的努力，以理論為基礎(chǔ)，以推理為過程，以實機量測做驗證，終于做出一臺在有荷重下，X軸400mm長，pitch的8次精度誤差在0.8um；Y軸300mm長，pitch的精度誤差在0.6um。從圖形可以看到，機臺X軸在250~380mm 的位置上組裝或加工有問題待檢查及修正；Y軸在量測時，室溫有明顯的變動， 幾次量測的起始和終點完全不重合。最高興的是理論的分析與實際的驗證結(jié)果幾乎完全一致，誤差都是在0.8um左右。
精密機械的設計、加工、組裝、量測、調(diào)整、補償、修正、環(huán)境、分析⋯每個點都是學問，只憑經(jīng)驗沒有理論，無法設計出好的產(chǎn)品，也永遠分析不出問題在哪里；只有理論沒有經(jīng)驗，面對多個零件都是3um以上的誤差和容許裕度，怎么算也算不出來1um的精度，只有理論與實務的反覆推理驗證，才能得到理想的高精度結(jié)果。
