第一章
第一章 緒論
1.1
研究動機與目的隨著工業的進展，製造業目前已處於時間與品質並重的時代，因此目前自動 化製造設備一直朝向高速高精度的方向發展。在傳統的可動式浮動攻牙中，是藉 由機構的方式補償主軸與 Z 軸之間的追蹤誤差，由於採用機構補償的方式，所 以加工速度不能太快。因此大部分都採取剛性攻牙[1-2]，其補償方式採用伺服控 制補償追蹤誤差，加工的速度與精度可以大大的提升，刀具的磨耗也可降低
一般用來切削的馬達稱為主軸馬達，主要功能為帶動刀具高速旋轉，以達到 切、磨、割等動作。在專用控制器(如 FANUC、三菱、西門子..)所使用之主軸馬 達均為伺服主軸，響應快，馬達性能佳。但缺點為價格高且頇搭配其所設計之控 制器，成本大增。國內工具機廠所進口之控制器往往佔了整體成本的 1/3，所以 降低控制器整體價格一直是業界努力的目標，其中將伺服主軸改成變頻主軸為主 要降低成本的方法之一。此外網路通訊在自動化工廠也日趨重要，因為訊息已變 得大量且即時。所以結合網路與多軸控制系統，成為目前的趨勢。
攻牙在加工過程中，主軸與 Z 軸必頇維持一定的位置比例，也就是主軸每 旋轉一圈，Z 軸必頇位移一個節距(pitch)。但是主軸與 Z 軸分別使用的是感應馬 達和永磁馬達，兩者響應不同使雙軸無法同步，並且整體機台還存在著摩擦力以 及擾動等非線性因素。因此如何建立攻牙策略降低同動誤差，為本論文的重點。
1.2
問題陳述(1) 主軸與 Z 軸響應不同
攻牙過程中，主軸和 Z 軸需要密切的配合，兩軸之間的位移關係為一直線。
若是沒有達到此直線關係，攻牙出來的比例就會不對，整體的輪廓誤差變大，更 嚴重的甚至會造成崩牙，一旦崩牙後續的處理更是耗費成本及人力。要維持兩軸
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位移關係為一直線，兩軸必頇同動，但每顆馬達的特性都不一樣，尤其主軸(感 應馬達)和 Z 軸(永磁馬達)的特性更是不同。感應馬達因為有滑差的關係，響應 比永磁馬達慢，而整個攻牙過程大部分時間都是在加減速狀態，若是分別下命令 控制，同動特性差會導致位移關係並非我們想要的直線。
(2) 非線性摩擦力
馬達由靜止起動時，需克服最大靜摩擦力，此外在運轉時也會存在著動摩 擦力。而每顆馬達受到的摩擦力都不相同，主軸的負載只有切削刀具，因此摩擦 力較小，但 Z 軸在運轉時會帶動轉軸移動機台，轉軸之間的摩擦力較大。摩擦 力會使馬達要運轉時延遲一小段時間，因此在孔底時，雙軸因摩擦力不同導致起 動時間不同，同動誤差變大。
(3) 機台擾動
馬達在運轉時一定會產生擾動，擾動的原因有很多，包含馬達自身的抖動、
訊號干擾、機台抖動等等。這些擾動都是非線性因素，兩軸的位移關係會不是我 們要的直線，而是在直線附近上下抖動，使攻牙出來的螺紋不平順，同動誤差也 會因此變大。
(4) 一般驅動器難以實現
通常改善同動之間的問題所使用的方法為交叉耦合控制器(CCC)，但是原 始的交叉耦合控制器將補償值由速度迴路輸入，一般使用現成購買的驅動器時，
提供的基本功能無法支援，需額外在撰寫程式才能將以實現。
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1.3
研究方法(1) 使用交叉耦合控制器補償兩軸特性不同
改善多軸之間因為特性不同而造成的不同步現象，最常使用的就是交叉耦 合控制器。事實上交叉耦合控制器並無法直接改變各軸的運動控制迴路，而是將 將各軸的追跡誤差同時納入考量，藉由補償器產生適當的回授信號，送至各軸使 得動態響應能夠匹配。
(2) 非線性摩擦力補償器
對於機械設備中存在著摩擦力的問題，採用前饋式非線性補償器補償非 線性摩擦力，而非線性補償器是由 off-line 的方法識別出之非線性曲線來加 以補償。
(3) 擾動觀測器
為了解決多個原因導致的擾動問題，使用擾動觀測器觀測出受到的擾動 量，並加以補償。使用此方法並不需要知道擾動的原因，只需將對應的擾動 量從輸入訊號扣除，即可有效的抑制外部擾動。
(4) 位置模式交叉耦合控制器(Positional type CCC)
本文將原有的交叉耦合控制器架構做一些推導改變，使原本從速度迴路 的補償值改由位置命令輸入，如此便可輕易的在一般市售的驅動器上實現。
在沒有網路延遲的情況下，新推導架構的補償效果較原始架構略差，但是當 網路延遲變大後，新架構反而比原始架構好並且網路延遲的容忍度也較高。
在本文中將以新設計位置迴路耦合控制器 P_type CCC 和傳統之速度迴路耦 合控制器 V_type CCC 做一比較
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1.4 論文架構
本論文共分六章，第一章簡述研究的動機與目的，並陳述研究的問題和 方法。第二章介紹感應馬達的模型推導、座標系統轉換、控制架構、轉子常 數調整以及弱磁控制。第三章介紹攻牙的策略，各個策略的理論推導和架構，
以及各自達成的效果。第四章介紹在實際雙軸馬達攻牙運轉上實現各個策略 的效果。第五章推導新提出的交叉耦合控制器架構，並分析和原始的交叉耦 合控制器架構之間的差異及優缺點。第六章對於本研究成果做分析探討與結 論。
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