自动化设计理念与分析

自動化設備制造課程講義自動化設計的理念與分析2023/2/1十八世紀工業革命人類發明了機器取代人力理所當然人類應越來越清閒人類卻越來越忙碌但是人類的宿命？上帝的嘲弄？沒有自動化？楔子永無止境的慾望？2023/2/1內容陸、結束語伍、自動化設備開發肆、控制系統(ControlSystem)參、致動器(Actuator)貳、運動機構(Mechanism)壹、自動化設備組成2023/2/1壹、自動化設備組成2023/2/1壹、自動化設備組成(續)自動化設備運動機構致動器控制器控制系統感測器‧‧‧2023/2/1貳、運動機構(Mechanism)直線運動機構連桿機構間歇機構分度機構凸輪旋轉機構2023/2/1貳、運動機構(Mechanism續)一、直線運動機構提供直線之運動，可以兩軸或三軸搭配使用合成平面或3D之平移(X-YTable)。常用的有：線性滑軌、導軌、...考量因素計有：行程大小。直線度、各方向偏擺度、平滑程度(運轉)。荷重能力。2023/2/1貳、運動機構(Mechanism續)二、旋轉機構提供旋轉之運動，可與直線運動機構搭配使用合成平面或3D之平移旋轉機構。考量因素計有：行程大小。各方向偏擺度、平滑程度(運轉)。荷重能力。2023/2/1貳、運動機構(Mechanism續)提示：剛體運動(平面/空間)自由度(DegreeofFreedom)定義物體位置所需參數個數。平面剛體有3個自由度(X、Y方向平移及Z方向旋轉)，空間中剛體則有6個自由度(X、Y、Z方向平移及X、Y、Z方向旋轉)。非剛體有無限多個自由度。提示：可適當的配置直線運動及旋轉機構，而將物體(可為工件、刀具、工具…)送至平面或空間中正確位置。自由度=軸數。XYRzXYZRzRxRy2023/2/1貳、運動機構(Mechanism續)提示：剛體運動(平面/空間)續拘限(Constrain)限制物體運動之機制。平面剛體運動只要3個拘限則可固定剛體使之不動，空間剛體運動則需用6個拘限方可固定剛體使之不動。無論平面或立體空間，均可有無限多拘限。2023/2/1系統自由度系統之自由度和減去拘限數所得即為系統自由度。系統自由度為零時稱為『靜定』(StaticDeterminate)，系統自由度小於零時稱為『靜不定』(StaticIndeterminate)。靜不定之系統會因製造誤差或安裝不準確而產生額外之內應力。提示：夾製具設計為求精確定位應採靜定之設計。貳、運動機構(Mechanism續)提示：剛體運動(平面/空間)續2023/2/13-2-1定理一物體將會被完全精確的限制在相互垂直之三個平面中，當物體與此三平面分別接觸3、2、1點。提示：以系統自由度之觀點論之，3-2-1定理就是以靜定方式固定一物體，也就是說系統自由度正好為零。貳、運動機構(Mechanism續)提示：剛體運動(平面/空間)續2023/2/1貳、運動機構(Mechanism續)三、間歇/分度機構提供間歇之運動，可與其他運動機構搭配使用合成平面或3D之間歇/分度機構。主要應用在多工站同時工作之場合。常用的有：日內瓦及渦輪渦桿機構。考量因素計有：分度數。驅動角/定位角(轉動/停止時間)。分度精度。荷重能力。2023/2/1貳、運動機構(Mechanism續)四、連桿機構連桿機構係由一定數目之連桿組合而成，其組合方式主要有：絞接及滑接(Hinge,Slider)兩種。依運動鏈可分為：固定鏈拘束鏈無拘束鏈等三種。構造簡單維修容易且可依需求合成所需功能為其優點，故應用場合極廣泛。2023/2/1貳、運動機構(Mechanism續)四、連桿機構(續)2023/2/1貳、運動機構(Mechanism續)五、凸輪機構凸輪機構主要以凸輪及從動件構成。機構中凸輪勻速旋動，帶動從動件往復移動，結構簡單緊湊可準確快速實現任意規律運動。凸輪極適合應用在需快速精準之場合，缺點是修改比較困難。2023/2/1貳、運動機構(Mechanism續)提示：自動化設備機構總成進/出料裝置自動進料常用方式有：振動、摩擦、旋轉翼板、片料機構、滾筒、…。其功能須包括進料、方向判別、整列等功能。輸送裝置常用的方式有：輸送帶、鍊條、轉盤、…等。定位/夾定裝置常用的方式有：定位銷、定位槽、…等定位，配以氣缸、凸輪、…等夾定。主裝置依工作物需求不同而有不裝置，常用的有壓入、銑削、旋緊、焊接、…等。2023/2/1參、致動器(Actuator)一、致動器種類致動器旋轉運動直線運動旋轉氣缸線性馬達油壓缸氣缸馬達油壓馬達氣動馬達2023/2/1參、致動器(Actuator續)二、馬達(1)依使用電力型式分類為：馬達直流馬達交流馬達感應馬達同步馬達並激馬達串激馬達脈衝馬達步進馬達2023/2/1參、致動器(Actuator續)二、馬達(續)(2)依功能分類為：馬達伺服馬達步進馬達調速馬達直流伺服馬達交流伺服馬達扭矩馬達直流扭矩馬達交流扭矩馬達2023/2/1參、致動器(Actuator續)二、馬達(續)(3)直流馬達結構與組成2023/2/1二、馬達(續)(4)交流馬達結構與組成三相感應馬達定子--旋轉磁場參、致動器(Actuator續)S1F1S3F3S2F21st

相3rd相2nd

相1st

相2nd

相3rd相SSSSSS2023/2/1二、馬達(續)(4)交流馬達結構與組成(續)單相感應馬達定子--振盪磁場參、致動器(Actuator續)SFSS2023/2/1二、馬達(續)(4)交流馬達結構與組成(續)感應馬達轉子--分鼠籠型及線圈型兩種參、致動器(Actuator續)2023/2/1二、馬達(續)(4)交流馬達結構與組成(續)感應馬達運轉原理佛萊銘右手定則：參考下圖參、致動器(Actuator續)2023/2/1參、致動器(Actuator續)定子磁場旋轉方向NS轉子感應磁場方向SN二、馬達(續)(4)交流馬達結構與組成(續)感應馬達運轉原理(續)由佛萊銘右手定則得知，當定子磁場作順時針旋轉時，轉子之銅棒因切割磁場而產生感應電動勢，透過兩端端板造成迴路產生感應電流而產生感應磁場，參考右圖，兩磁場互相作用而使轉子跟隨定子磁場而旋轉。當轉子轉速與定子磁場轉速同步時轉子之銅棒無切割磁場故無法輸出扭力。同步轉速為：(電源頻率)(2)(60)/(馬達極數)2023/2/1二、馬達(續)(4)交流馬達結構與組成(續)同步馬達運轉原理定子同感應馬達。轉子繞線並透過滑環以直流電源激磁產生磁極。因轉子之磁場非感應而來故其轉速與定子旋轉磁場同步，同步馬達名稱由此而得。轉速為：(電源頻率)(2)(60)/(馬達極數)。參、致動器(Actuator續)2023/2/1二、馬達(續)(5)伺服馬達參、致動器(Actuator續)控制信號馬達本體編碼器Driver2023/2/1二、馬達(續)(6)步進馬達參、致動器(Actuator續)2023/2/1二、馬達(續)(7)線性馬達任何一種轉動馬達，只要將其從圓心沿半徑切開，再開來攤成平的一直線，就會得到相對應於該轉動馬達的線性馬達可應用於磁浮列車及無纜繩電梯。參、致動器(Actuator續)2023/2/1三、氣缸(1)氣動系統參、致動器(Actuator續)2023/2/1三、氣缸(續)(2)氣缸分類與操作原理參、致動器(Actuator續)氣缸直線氣缸迴轉氣缸尺條齒輪式葉片式單動式雙動式2023/2/1三、氣缸(續)(3)方向控制閥有手動及電動兩類，個別又分兩位置及三位置兩種，三位置比兩位置多一中位置，用於須鎖定場合。圖示為兩位置控制閥。參、致動器(Actuator續)2023/2/1一、控制系統分類(1)開環控制系統輸入信號送入控制器(控制器包括PLC﹑單片機控制器﹑工業控制計算機等)﹐控制器將給定信號處理后送入放大器(放大器﹑驅動器)﹐放大器將控制器輸出信號進行功率放大后﹐輸出驅動執行機構(如步進馬達)。肆、控制系統(ControlSystem)命令輸入控制器放大器完成命令規定動作執行機構2023/2/1一、控制系統分類(續)(2)半閉環控制系統輸入信號送入控制器(如PLC﹑單片機控制器﹑工業控制計算機等)﹐控制器將給定信號處理后輸出﹐送進放大器(如伺服驅動器)﹐放大器將控制器輸出信號進行功率放大輸入驅動機構(如伺服馬達)。驅動機構中有信號檢測元件(如速度編碼器)﹐隨時將驅動機構的運行狀況反饋到控制器﹐控制器將反饋信號與控制信號進行比較﹐如發現有偏差值﹐控制器立即輸出控制信號對驅動機構進行糾正偏差﹐使整個系統達到較高的控制精度﹐但它不能清除執行機構(如絲杆)的機械誤差。肆、控制系統(ControlSystem)命令輸入完成命令規定動作控制器放大器驅動機構運動機構感測元件比較器2023/2/1一、控制系統分類(續)(3)閉環控制系統閉環控制系統與半閉環控制系統的區別﹕全閉環控制系統的信號檢測元件直接安裝在執行機構上﹔它能克服絲杆等執行機構的機械誤差﹐能達到相當高的控制精度抗干擾能力很強﹐但是調試相當困難﹐它僅用在控制精度要求相當高的場合。肆、控制系統(ControlSystem)比較器完成命令規定動作控制器放大器驅動機構運動機構感測元件命令輸入2023/2/1二、感測器(1)簡述能感受規定的被測量並按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器是一种檢測裝置,能感受到被測量的信息,並能將檢測感到的信息,按一定規律變換為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、儲存、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。肆、控制系統(ControlSystem)2023/2/1二、感測器(續)(2)分類肆、控制系統(ControlSystem)物理量感測器溫度感測器流量感測器速度感測器壓力感測器位移感測器2023/2/1二、感測器(續)(2)分類(續)肆、控制系統(ControlSystem)感測器工作原理光電感測器光柵感測器霍爾感測器電壓感測器電阻感測器電容感測器電感感測器2023/2/1二、控制器控制器是自動化設備的靈魂，有如人類的頭腦，悠關設備整體功能與性能表現。控制器接受輸入指令及來自感測器之回饋信號，利用其內部經適當編輯之控制軟體及內建之硬體，經過信號轉換(D/A、A/D)、比對、運算、判斷、…等處理後，送出控制信號經過放大驅動致動器，完成輸入指令要求。常用的控制器有：PLC、多軸控制器、工業PC、單片機、傳統邏輯電路、…等等。肆、控制系統(ControlSystem)2023/2/1伍、自動化設備開發需求提出需求確認可行性可行性評估需求分析方案提出方案確認初步設計設計審查細部設計設計審查採購加工系統組裝調校測試驗機交機責任擔當客方供方雙方20