资源描述
生產支援機器與系統1工業機器人(Industrial Robots)資訊標準組織(ISO)的標準ISO/TR/8373-2.3 中將工業機器人定義如下：工業機器人是一部自動控制、可再程式、多功能、具有多個可程式軸向的機器；在工業自動化應用中，它可以是固定在一個位置或移動中使用。2工業機器人定義中最重要的關鍵字是可再程式與多功能；可再程式意味著兩個特性：(1)機器人的運動是由編輯程式所控制；(2)程式可被修改以改變機器人的運動。多功能強調機器人可以根據程式與現有工具執行多種不同功能。舉例而言，某家公司中的機器人可用程式編輯執行焊接工作；而另一家公司則採用相同型態的機械人於托板上堆疊箱子。3基本的機器人系統(The Basic Robot System)機器人系統根據機器人協會定義如下：工業機器人系統包含機器人(硬體及軟體)如操控器、動力供應器與控制器；端點操控器(end-effectors)；機器人直接連結的任何設備、裝置與感應器；機器人執行工作所需要的任何設備、裝置與感應器；任何操作與監控機器人的通訊介面、裝備與感應器。4基本的機器人系統如圖11-1 所示，包括一個具有手臂端點工具(end-of-armtooling)的機械手臂、連接到每個具有教導裝置的電腦控制器、工作單元介面以及程式儲存裝置。氣壓或油壓的動力來源。製造系統中的加工單元控制透過機器人工作單元介面連結至機器人。5機械手臂是由電動馬達、氣壓裝置或油壓致動器所驅動的機械裝置。基本的驅動元件為線性或轉動致動器，手臂運動的組合將決定手臂的幾何形態，基本的幾何形狀包括直角式、圓柱式、球式以及關節式。6圖11-2 顯示一個關節式機械手臂的所有運動。7機器手臂幾何分類(Robot Arm Geometry Classification)機器人的操縱器之基本機械結構可分成卡式座標(cartesian)圓柱座標(cylindrical)球座標(spherical)關節式(articulated)卡式座標分成橫向式(traverse axes)與高架式(gantry)兩類關節式分成水平式(horizontal)與垂直式(vertical)兩類8卡式座標幾何(直角座標幾何)(Cartesian Geometry)卡式座標幾何(直角座標幾何)(Cartesian Geometry)具有卡式座標幾何的機器人可移動握爪到工作空間的任何位置，橫向式以及高架式。9圖11-3 所示是一個可以在X、Y 及Z 方向移動的高架式例子，工具連接於工具板上可從上面加工，此類機器人的長方體工作空間經常用來從輸送帶系統將工件移動至生產機器中。在高架式例子中，三個定位自由度由箭頭指出其在X、Y 及Z 方向的移動，而腕部的A、B 與C 三個自由度可以用來定向工具板上工具的方位。1011卡式幾何的第二種型態橫向式如圖11-4 所示。12圖11-4 卡式幾何機器人。(資料來源：Courtesy of Metro-fer,Inc.,Pittsburgh,PA)13球座標幾何(Spherical Geometry)球座標幾何手臂通常也叫做極座標式(polar)如圖11-7 所示。球座標幾何式機械手臂以兩個旋轉及一個線性移動所驅動而定位。球座標幾何機器使用油壓或電子以驅動六個軸向的主要運動；並採用氣壓致動器打開或關閉握爪。1415圖11-8 顯示出一部早期由Unimation 公司開發之球座標幾何機器人的工作空間。此類機器手臂經常使用於早期工業應用中。1617關節式幾何(Articulated Geometry)關節式工業機器人通常也稱作關節式手臂(jointed arm)、迴轉式(revolute)或是擬人式(anthropomorphic)機器，具有一個不規則的工作空間。這類機器人包括垂直關節式(vertically articulated)與水平關節式(horizontally articulated)。18垂直關節式機械手臂如圖11-9 所示有三個包含基座旋轉(軸 1)、肩部(軸 2)以及前臂(軸 3)的主要角度移動，其不規則的工作空間如圖11-10 所示，工具板的方位是由腕部的三個旋轉所決定。192021個關節式球座標結構如圖11-11 所示其三個滾動腕部(three-roll)是用來產生工具板上點焊工具的三個腕部方位運動。22水平關節式機械手臂由兩個決定工具位置的角度移動(手臂與前臂旋轉)以及一個垂直方向的線性移動。水平關節式機械手臂具有兩種機械結構：(1)如圖11-12 所示的選擇性順從關節機器手臂(selective compliance articulated robot arm,SCARA)(2)水平關節式基座的手臂。23SCARA 機器手臂(圖11-12)有兩個固定於剛性垂直件上的水平關節手臂部分。改變此兩軸可以達到圓柱工作空間內任何位置，夾爪板的垂直運動是根據位於手臂的端點的Z 軸所致。2425SCARA 機器通常只有一個手腕轉軸，經常用於電子電路板的組裝應用中，因為此類機器擅長於垂直方向插入工件。26生產工具(Production Tooling)單獨的機器人並沒有生產能力，但機器手臂上若有生產工具則會變成一個有效率的生產系統，執行工作的工具是附著於手臂端點的工具板上。工具這個名詞經常也被賦予許多名稱，一般用來描述工具的名字是臂端工具(end-of-arm tooling)或是端點操控器(end effector)。用來夾持工件具有開關動作的工具一般稱為握爪(gripper)27用來夾持工件具有開關動作的工具一般稱為握爪(gripper)圖11-13 顯示出兩種標準的握爪結構：夾角式與平行式。2829夾角式與平行式。現今機器人所使用的臂端工具可分成下列三類：1.依據握爪支撐工件的方法。2.依據最後握爪設計的特殊用途工具。3.依據握爪的多功能能力。30第一類的握爪機構包含標準機械壓力握爪(圖11-14)、使用真空支撐或舉起工具(圖11-15)以及電磁裝置。313233第二種分類包含鑽頭、焊槍(圖11-11)以及火嘴(圖11-16)噴漆槍以及研磨器圖11-11 顯示出當車子移動到機器人工作單元時機器人所執行的點焊工作圖11-16 指出機器人使用MIG 焊接工具與焊接視覺系統。343536機器人控制器(Robot Controller)機器人系統中最複雜的部分是控制器如圖11-17 所示，圖11-17 顯示出電動機器人其典型的控制器方塊圖。控制器基本上是屬於特殊用途的電腦，中央處理器(CPU)、記憶體以及輸入輸出裝置。控制器中構成CPU 的微處理器主要負責控制機器人以及操作中的工作單元。控制器經常也透過輸入輸出介面與外部裝置進行通訊(圖11-17)3738教導站機器人的教導站包含教導盒(teach pendant)、教導終端機或面板控制器。39教導站可執行三個活動：(1)開啟機器人與程式製作的準備；(2)程式輸入與編輯；(3)工作單元的程式執行。程式的發展包含鍵入或以控制器語言選擇指令、移動機器手臂到工作站的既定位置以及將位置記錄於程式中。40機器人應用(Robot Applications)機器人是一種非常特殊的生產工具；因此，機器人的應用相當廣泛，這些應用可區分為下面幾類：物料加工。物料搬運。組裝與製造41自動物料搬運(Automated Material Handling)在大部分的生產系統中，零件或原料不是在傳送中、等待中、加工中就是正在檢查中。除了加工的時間外，所有其他操作只會增加成本並沒有增加產品的價值，因此，零件及原料的物料搬運程序應該自動化，從生產流程中移除每個不必要的物料傳輸距離。42進行設計與物料搬運自動化之工作簡化與分析流程開始於生產流程圖。生產流程分析使用如圖11-22 所示的符號將生產系統圖形化。4344介於工作單元以及工作站之間的零件傳送機構有兩個基本功能：(1)在生產機器之間以最適當的方式移動工件；(2)在機器中精確地將工件位置及方向固定以增加生產力並維持品質標準。45自動運送系統(Automated Transfer Systems)用來達成此兩個目標的機構可區分為三類：連續式運送(continuoustransfer)、間斷式運送(intermittent transfer)非同步式運送(asynchronous transfer)。46連續式運送(Continuous Transfer)在一個連續式運送操作中，零件或物料以固定速度在生產程序中移動，這項工作並沒有在工作站中停止以執行生產操作製造領域中的顯著例子就是汽車組裝線上的汽車組裝，在95%的組裝程序中，汽車以固定速度移動，而自動化組裝機器以及人工操作在移動中的汽車上執行。4748間斷式運送(Intermittent Transfer)間斷式或同步式運送的系統有下列特徵：工作站的位置是固定的。運輸裝置的動作是間斷或不連續的，因此工件的週期是介於運動以及靜止之間。工件們的運動是同步的，所以在時間座標中，所有工件同時移動也同時靜止。連續沖壓模具加工應用49用來達成同步間斷式運動的最常見機構如圖11-24 顯示的行走樑式運送系統(walking beam transfer system)。5051非同步式運送(Asynchronous Transfer)非同步代表沒有同步動作；一個非同步運送系統中每個工件是獨立運動的，非同步運送經常也稱作無拘束系統(power-and-free system)，代表工件可以自由地從運送機構中離開或啟動。52此型態的輸送有許多優點完成加工的工件可以移動到下一個生產操作；而其他尚未完成的工件仍停留於生產線中。這類自動化運送的其他優點包含使用具有較長週期時間操作的平行工作站以輔助生產線的平衡；以及較短週期時間的單一生產工作站。此類運送系統也應用於人工生產站與完全自動化操作整合的場所。53唯一缺點就是非同步運送系統的週期率經常比前面兩種型態來得較長。54自動導引車(Automatic Guided Vehicles)自動導引車(AGV)根據物料搬運協會定義如下：AGV 是一部具有電磁或光學自動導引設備的車輛；車輛可沿著先前所規劃的導引路徑行走；並配備具有車輛程式編輯與停止選擇、阻隔以及系統所需的其他功能。5556自動導引車的種類(Types of AGVs)AGVs 有六種基本型態：拖曳式(towing)、單元負載(unit load)、托板卡車(pallet truck)、堆高機(fork truck)、輕負載(light load)組裝線(assembly line)。每種型態的輪廓如圖11-27 所示；。每種型態的設計是針對特殊製造應用所設計之理想AGV。5758拖曳車(Towing Vehicles)這是最早的型態至今仍然有許多應用。最主要功能是拖曳拖車(圖11-28)；5960單元負載車(Unit Load Vehicles)單元負載車輛具有一個甲板可用來支撐材料棧板；最主要應用於倉庫與區域系統中；AGVs 可以將大體積材料與零件傳送到輸送帶上與工作單元中。圖11-29 顯示一種單元負裝載式AGV。6162托板卡車(Pallet Truck Vehicles)此類主要應用於樓板上的托板承載的分配與移動。63堆高機車(Fork Truck Vehicles)堆高機式AGVs(圖11-30)可以模擬人工操作的堆高機操作，可以在每個工作站中的不同高度中彈性地取起或傳送負載。6465輕裝載車(Light-Load Vehicles)如同名稱所顯示的；輕裝載AGV 只能容納幾百磅的物體。此類AGV 適合於從儲存區將小工件之托盤或容器移動至個別工作站；以提供操作人員執行輕組裝。這類AGV 應用的驗證如電子產品組裝與小產品組裝。66組裝線車(Assembly Line Vehicles)組裝線AGV(圖11-31)可在一系列組裝線程序中直到完成組裝用來承載半組件如汽車引擎6768自動導引車系統(AGV Systems)AGV 系統必須執行五項功能：導引(guidance)、路徑規劃(routing)、交通管理(traffic management)、負載傳遞(load transfer)、系統管理69導 引(Guidance)導 引(Guidance)車輛必須沿著根據物料流程模式所規劃的最佳路徑前進，這些路徑經常將固定電線埋入於樓層表面底下。線導引式AGV 系統使用感測器去感應圍繞在電線周圍的磁場以保持車輛路徑。這些電線通常埋在深1/2 英吋的小槽中，然後用樹脂填埋成光滑表面。圖11-32 顯示樓層地板中所埋電線與AGV 中電子感應器之間的關係。7071AGV 的光學感應器可以追蹤地板上的噴漆路徑。這種光學技術又稱化學導引路徑；採用一個大約1 英吋寬的可見螢光，此種化學導引路徑只有在乾淨的環境中才可以使用線導引系統卻經常使用於重工業製造場所。72另一種導引技術分類稱作無線技術(off-wire technology)，無線系統使用各種不同技術提供AGV 沿著固定路徑所需的位置資訊。化學導引路徑是此類路徑控制中的一個例子其他使用於特殊應用中的技術尚包括光學三角形原理(optical triangulation)、航位推算(dead reckoning)、雷射導引(laser guidance)、慣性導引(inertial guidance)、位置參考指標(positionreference beacons)超音波影像(ultrasonic imaging)。73路徑規劃(Routing)AGV路徑規劃(Routing)AGV 必須有能力根據當時製造條件與需求改變行走至目的地的路徑。74交通管理(Traffic Management)交通管理(Traffic Management)在不引起其他AGV 車輛碰撞的情況下，系統必須使得生產系統的物料流動最大化。有三種最常使用的交通管理技術：區域控制(zone control)、前向感測(forward sensing)以及組合控制(combinationcontrol)。75負載傳遞(Load Transfer)負載傳遞(Load Transfer)材料與及零件的運送及移動不能干擾到其他生產系統。從AGV 上裝載與卸載的搬運方法有下列五種：人工操作。自動連結與分開。動力滾輪與皮帶。水平動力起重機。外部動力的推拉。76系統管理(system management)整個區域的AGVs 作業必須由AGV 系統以經濟的方式管理。系統管理功能包含兩個部分：車輛派遣技術(vehicles dispatch)以及系統監視方法(system monitoring)。派遣技術包括車上派遣(on-board dispatch)、車外呼叫系統(off-board call system)、遠端終端器(remote terminal)、中央電腦(central computer)以及組合(combination)。77
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