CNC 工具機 — 用於精密加工的高精度編碼器

CNC 工具機在現代製造業中扮演著關鍵角色，能夠以高精度、高效率和高重複性來實現複雜零件的生產。這些工具機涵蓋了銑削、車削、磨削、放電加工 (EDM)、雷射切割以及 3D 列印等多種工藝。

編碼器在精密加工中的應用

A banner of various Renishaw position encoders, including optical encoders and magnetic encoders.jpg

精密製造

精密製造對位置和運動控制的要求極為嚴格，其中編碼器（Encoder）是工具機高效運作的核心技術。高精度編碼器能夠提供即時且準確的回饋，確保每一個加工步驟都達到設計要求。若位置回饋不精確，則可能會導致嚴重的加工誤差和材料浪費，進而降低生產效率並影響最終產品的品質。

Illustration of a 5-axis CNC milling machine, explaining the role of encoders in linear, spindle, and rotary motions controls..jpg

Picture of a 5-axis CNC milling machine.jpg

一台五軸 CNC 銑床

線性軸

在 CNC 精密加工中，線性軸（Linear axis）是指工具機直線移動的軸向，通常對應於 X、Y、Z 軸。X 軸通常控制左右移動，Y 軸控制前後移動，而 Z 軸控制上下移動。這三個線性軸允許工件或刀具在三維空間中進行精確的定位和移動，其精確運動對於刀具或工作物的定位至關重要，影響最終工件的尺寸精度與表面品質。

位置回饋：線性光學尺可即時提供精準的位置資訊，使 CNC 工具機控制器能精確驅動伺服馬達定位刀具或工件。這種精密的位置回饋是確保機台準確度和重複性的基礎。

閉迴路控制：CNC 工具機採用閉迴路控制系統，將光學尺回饋與指令位置不斷比較。任何偏差都會自動被系統修正，以確保實際位置與期望位置相匹配。

精密加工：線性光學尺提供高解析度回饋，使 CNC 工具機能夠實現精細的位置調整，實現高精度的加工操作。這對於航空航太、半導體、模具製造等對尺寸公差要求極高的產業尤其重要。

A 5-axis CNC with Fortis enclosed encoder installed.gif

Renishaw 的 FORTiS™ 封閉式線性光學尺專為工具機應用而設計，具備優異的抗污染、防震及耐溫變性能，即使在高振動、潤滑油或切削液密布的嚴苛加工環境中，也能維持穩定可靠的回饋訊號，確保精度長期穩定。

主軸

主軸（Spindle axis）是工具機中用來驅動刀具或工件旋轉的軸。它是工具機旋轉驅動系統的核心，負責帶動刀具旋轉以執行切削、鑽孔等加工操作，通常具有高轉速和高精度。主軸的轉速穩定性與角度控制直接影響加工品質與效率。

速度控制：主軸編碼器能夠實時提供主軸轉速回饋。CNC 控制器可根據刀具材質與工件特性，自動調整切削速度，達到最佳切削效果並延長刀具壽命。

刀具同步：在多刀具系統或進行自動換刀（ATC）時，主軸編碼器能協助實現主軸與機械手臂的同步動作，避免刀具碰撞或換刀失誤。

熱補償：加工過程中主軸升溫會造成熱膨脹影響精度。主軸編碼器可提供實時回饋資料，配合控制器執行熱補償演算法，確保長時間加工下仍能保持尺寸穩定。

Spindle of a 5-axis CNC milling machine.jpg

Renishaw 的主軸編碼器 SpinCo™ 系統專為工具機主軸設計。作為工具機中的主要感測器，訊號穩定和抗汙能力強的 SpinCo™ 能提供高精度的角度和速度回饋。該增量式磁性編碼器系統由讀頭和磁環兩個關鍵元件組成，能夠在嚴苛的工業環境中保持高性能，確保 CNC 工具機在高精度加工過程中的穩定性和可靠性。

旋轉軸 / 直驅轉台

旋轉軸（Rotary axis）是 CNC 工具機中負責旋轉運動的軸向，通常以直驅轉台的形式出現，用於將工件或刀具在加工過程中旋轉至指定角度，以實現複雜的加工操作。此功能對於五軸加工、立體輪廓切削和多面加工至關重要。

Rotary table in a CNC machine that rotates along the rotary axis.gif

角度位置回饋：透過編碼器提供的即時角度回饋，CNC 控制器可精確調整工件旋轉角度，是進行多面加工、傾斜面加工與三維輪廓銑削的基礎。

分度和輪廓加工：無論是進行分度還是連續輪廓加工，編碼器提供的旋轉軸回饋皆確保精確的角度定位及加工動作準確無誤，幫助 CNC 控制器準確執行設計的加工路徑和輪廓，提升機台加工靈活性與成品品質。

多軸協調：在多軸 CNC 系統中，編碼器提供的回饋對多軸同步尤為關鍵。CNC 控制器可根據旋轉軸與線性軸的實時資料進行協同控制，實現高階的五軸同動加工（Simultaneous 5-axis machining）。

A shop floor worker in Haozhi fitting an Renishaw's RESOLUTE true-absolute encoder onto a direct-drive motor.jpg

Haozhi’s direct-drive rotary tables are fitted with RESOLUTE true-absolute encoder.jpg

昊志直驅轉台配備 RESOLUTE 系列絕對式光學尺以提升運動控制精度

RESOLUTE™ 絕對式光學尺支援高速、高解析度回饋，適用於高階直驅轉台、傾斜軸等應用。其位置量測解析度可達 1 nm，速度高達 100 m/s，加上 IP67 的防護等級足以滿足目前絕大部份精密加工的要求。

在工業環境中確保高精度

在精密製造的工業環境中，工具機必須面對多種嚴苛條件，這些條件會直接影響到其性能和精度。一些主要的挑戰包括：

高溫或低溫運作：極端溫度會對設備的運作造成影響，可能導致材料膨脹或收縮，進而影響到精度和穩定性。
高強度的衝擊和震動：工具機在運作過程中會承受來自外部的衝擊和震動，這可能導致機器精度的偏差，進一步影響加工品質。
粉塵和液體：許多工業環境中充滿粉塵、液體或其他污染物，這些物質可能會侵入機器內部，導致運作不穩定。
腐蝕性物質：如冷媒、潤滑劑或化學品等腐蝕性物質，可能會損害設備的組件，影響其長期運作。
長時間運作：工業設備通常需要長時間不間斷運作，這對於機器的穩定性和耐用性提出了更高要求。

這些嚴苛條件要求工業設備在設計和製造過程中必須具備出色的耐用性、可靠性和高精度。尤其是在工具機等精密製造設備中，編碼器的選擇至關重要，因為它們直接影響到機器的運動控制和定位精度。

Renishaw 提供的封閉式線性編碼器、旋轉編碼器和主軸編碼器在這些苛刻環境中表現出色。這些編碼器經過精心設計，可以抵抗溫度波動、振動、污染物等影響，並在極端條件下仍保持高效運作。

為工具機選擇編碼器系統時需要考慮哪些因素？

下表列出了選擇精密定位編碼器系統時通常評估的關鍵因素。這些因素包括編碼器性能、環境條件、安裝要求以及其他相關考量。

CNC 工具機

性能

✔ 光學尺精度
✔ 光學尺線性度
✔ 解析度
✔ 電子細分誤差
✔ 光學尺熱膨脹係數
✔ 速度
✔ 控制器輸入頻率
✔ 電纜撓曲半徑
✔ 電纜撓曲壽命

環境

✔ 溫度
✔ 濕度
✔ 振動
✔ 電磁相容性 (EMC)
✔ IP 防護等級

安裝

✔ 尺寸
✔ 頂部或側面安裝
✔ 間隙公差
✔ 扭擺/俯仰/滾擺
✔ 讀頭行程方向
✔ 線纜出線位置
✔ 連接器
✔ 基材類型
✔ 安裝方式
✔ 參考基準
✔ 限值

其他

✔ 類比/數位
✔ 細分時脈頻率
✔ 報警類型
✔ 參考限值
✔ 終止
✔ 序列介面協議

我們推薦的解決方案

工具機

RESOLUTE™ 真正的絕對式光學尺

這款真正的絕對式光學尺是高速、高解析度位置量測系統。該光學尺在通電後無需任何移動便可立即獲取位置資訊，進而可實現平穩的速度控制和可靠的位置穩定性。RESOLUTE 光學尺具有線性光學尺和旋轉光學尺選項，以及各種序列介面。

✔ 高速運作

✔ 抗汙能力優

✔ 低電子細分誤差 (SDE)

✔ 低抖動

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FORTiS™ 封閉式線性光學尺

這款新一代封閉型絕對式光學尺，專用於嚴苛的應用環境，它採用非常堅固的封閉式設計，與傳統式系統相比具有優異的性能和顯著的優勢。

✔ 經業界驗證的位置量測技術

✔ 密封性優

✔ 安裝簡便

✔ 非接觸式

更多詳情

SpinCo™ 增量式磁性編碼器

SpinCo™ 編碼器系統由兩個關鍵元件組成：讀頭和磁環。它專門設計用作工具機主軸的主要感測器，以提供位置和速度回饋。

✔ 高速運作

✔ 設計堅固耐用

✔ 訊號穩定

✔ 讀頭尺寸小巧

更多詳情

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成功案例：工具機

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提升工具機精度，大幅降低零件磨損風險

工具機的精度受多種環境和物理因素的影響，如底座鑄件、導軌、軸承等自身誤差，或是零件的熱效應所引起的誤差及組裝過程中出現的幾何誤差等等 ⋯ 如何有效地減少這些誤差是製造商需要解決的難題。除了可以藉著優化組裝過程和補償來提高工具機的精度，採用精度定位系統也是一個非常有效的方法。

傳統光學尺的內部機構包括彈簧、導軌、滾子軸承等機械組件，容易出現背隙、刮損等問題，並增加零件磨損的風險。FORTiS 光學尺的非接觸式設計大幅降低了光學尺破損的風險，並且避免了傳統光學尺的這些缺點。

赫騏精密科技有限公司已將 Renishaw FORTiS™ 系列封閉式光學尺列為全系列加工中心的標配之一。

FORTiS 光學尺的安裝非常簡便。透過檢視設置 LED，我們平均只需花費 7 分鐘便可完成每軸光學尺的安裝。以赫騏 LH800 機型為例，三軸光學尺的安裝時間不到半個小時，比以往使用其他品牌所需要的一個小時快上一倍。

赫騏精密科技有限公司 (台灣)

支持主流工業通訊協定，提升直驅馬達的整體性能

昊志的直驅技術在中國處於領先地位，廣泛應用於工具機和機器人。

在昊志的運動控制產品中，編碼器是最關鍵的零組件之一。旋轉馬達的重要編碼器誤差包括電子細分誤差 (SDE)、抖動、安裝誤差（包括柵尺偏心）、柵尺刻度誤差，以及馬達和編碼器圓柵尺之間的耦合柔順性。

市場上有許多控制器廠商，相關的通訊協定眾多。Renishaw 的 RESOLUTE 絕對式光學尺支持絕大部分主流工業通訊協定，包括 FANUC、MITSUBISHI、SIEMENS 和 BISS 協議等，為我們提供極大的靈活性。

協定種類範圍不僅充足，而且不管什麼協定，讀頭和旋轉光學尺的尺寸均沒有差異，免除更改機構設計的需要。

廣州昊志機電股份有限公司 (中國)

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支持多軸旋轉工作台設計革新

台灣工業技術研究院 (ITRI) 看準未來市場的龐大需求，自主開發了雙軸轉台，配置 RESOLUTE™ 絕對式旋轉光學尺，通過 Panasonic 串列協定連接至內部開發的控制器，以協助業界開發具競爭力的轉台方案。

加工中心的工作環境一般十分嚴峻，充斥著大量切削殘屑、油漬等污染物，不過由於光學尺內藏在馬達內，故對開放式光學尺來說不是問題。

工業技術研究院（台灣）

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成本控制與技術進步間的平衡

晟昌機電股份有限公司 (SOLPOWER) 是台灣一家專業生產直驅旋轉工作台、一體式主軸馬達和線性馬達等產品的製造商。製造成本控制是台灣工具機業取得成功一個關鍵因素。

我們開發的轉台的特色之一就是性價比高，在市場上同類型的產品中晟昌提供的規格有相當的競爭力，這意味著從設計，採購零部件到生產都必須嚴格控製成本。

而 Renishaw 則是其中能滿足我們需求的供應商之一。

晟昌機電股份有限公司（台灣）

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