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第十一章 生產支援機器與系統. 許多製造作業中，工廠中的 半成品 與 原料 得花上 數天 甚至 數月 於移動中，等待可用的生產機器，從機器上被 裝載 、 卸載 以及 檢驗 等等。 減少或消除這些無實益的操作是世界級公司的目標，然而，完全消除這些增加成本的作業經常是不可能的。. 生產硬體如 機器人 、 物料搬運系統 以及 儲存系統 是必需的。 為了減少增加成本作業的衝擊而進行之 自動化系統分析 是重要的 ; 首先從 工業機器人 的描述開始。. 第十一章 生產支援機器與系統. 11.1 工 業機器人 11.2 自動物料搬運 11.3 自動導引車
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許多製造作業中，工廠中的半成品與原料得花上數天甚至數月於移動中，等待可用的生產機器，從機器上被裝載、卸載以及檢驗等等。許多製造作業中，工廠中的半成品與原料得花上數天甚至數月於移動中，等待可用的生產機器，從機器上被裝載、卸載以及檢驗等等。 • 減少或消除這些無實益的操作是世界級公司的目標，然而，完全消除這些增加成本的作業經常是不可能的。
生產硬體如機器人、物料搬運系統以及儲存系統是必需的。生產硬體如機器人、物料搬運系統以及儲存系統是必需的。 • 為了減少增加成本作業的衝擊而進行之自動化系統分析是重要的;首先從工業機器人的描述開始。
第十一章 生產支援機器與系統 • 11.1 工業機器人 • 11.2 自動物料搬運 • 11.3 自動導引車 • 11.4 自動儲存與擷取 • 11.5 摘 要
11.1 工業機器人 • 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。
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。 • 可程式的彈性可由下列看出。例如：若工件的抓取點置於影像系統中時，當機器人移動到工件處時，工件的位置將傳送至機器人中 。
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。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。
基本的機器人系統 • 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。 • 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。
基本的機器人系統如圖11-1所示，包括一個其有手臂端點工具的機械手臂、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。基本的機器人系統如圖11-1所示，包括一個其有手臂端點工具的機械手臂、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。 • 除此之外，還有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。
機械手臂 • 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、球式及關節式。 • 圖11-2顯示一個關節式機械手臂的所有運動。
六種動作區分成兩類： • 第一類稱為定位運動包含手臂掃瞄、肩部旋轉及肘部伸展。這三種運動的結合可使手臂移動到加工空間中任何位置。 • 第二類的運動是有關於手臂端點的腕部運動包含仰轉、擺轉及扭轉。這三種運動的結合稱作定向動作，可使得手腕將工具板與工具指向工作的正確方向。
機器手臂幾何分類 • 機器人的操縱器之基本機械結構可分成： • 1.卡式座標 • 2.圓柱座標 • 3.球座標 • 4.關節式 • 卡式座標分成兩類:橫向式與高架式。 • 關節式分成水平式與垂直式兩類。
1.卡式座標幾何(直角座標)：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，兩種幾何結構包含橫向式及高架式。1.卡式座標幾何(直角座標)：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，兩種幾何結構包含橫向式及高架式。 • 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。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。 • 卡式幾何的第二種型態橫向式如圖11-4所示。
2.圓柱座標幾何：圓柱座標機械手臂系統如圖11-5所示，可以在一個圓柱體的體積內移動握爪，系統由R及Z兩個線性移動方向與一個繞著Z軸旋轉的方向所定位。2.圓柱座標幾何：圓柱座標機械手臂系統如圖11-5所示，可以在一個圓柱體的體積內移動握爪，系統由R及Z兩個線性移動方向與一個繞著Z軸旋轉的方向所定位。 • 圓柱座標式機器人是由氣壓、液壓或電力方式驅動。一部小型的氣壓圓柱幾何式機器人如圖11-6所示。
3.球座標幾何：球座標幾何手臂也叫做極座標式如圖 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。 • 工具板上的方向可以透過手腕部位的三個旋轉 (A、B與C)所達成。理論上，繞著Y軸的角度是180度或者得更大，而繞著Z軸的腕部旋轉可達360度。
圖11-8顯示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。圖11-8顯示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。 • 球座標幾何機器人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。
4.關節式幾何：關節式工業機器人也稱作關節式手臂、迴轉式或是擬人式機器，具有一個不規則的工作空間。4.關節式幾何：關節式工業機器人也稱作關節式手臂、迴轉式或是擬人式機器，具有一個不規則的工作空間。 • 這類機器人包括垂直關節式與水平關節式。 • 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，如同前面所設計的機械手臂般，工具板的方位是由腕部的三個旋轉所決定。
大部分機器都其有回饋控制系統的電子裝置，一個關節式球座標結構如圖11-11所示，注意其三個滾動腕部是用來產生工具板上點焊工具的三個腕部方位運動。大部分機器都其有回饋控制系統的電子裝置，一個關節式球座標結構如圖11-11所示，注意其三個滾動腕部是用來產生工具板上點焊工具的三個腕部方位運動。
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。 • (2)水平關節式基座的手臂。
SCARA機器手臂有兩個固定於剛性垂直件上的水平關節手臂部分。SCARA機器手臂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。 • 因為此類機器擅長於垂直方向插入工件。
生產工具 • 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。 • 用來夾持工件具有開關動作的工具一般稱為握爪，圖11-13顯示出兩種標準的握爪結構: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: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。
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。 • 圖11-14顯示指出雙平行握爪中的一個握爪從輸送帶舉起一個鋼製圓柱體並將之裝載至車削中心上，在裝載圓柱體之前，另一個平行握爪用來將車削中心的製成品卸載。 • 圖11-15顯示四個具有特殊設計的臂端工具之真空握爪，可用來在汽車生產線中將窗戶放置於車上。
圖11-14 將鋼製圓柱體裝載至車削中心的兩個平行握爪
工具的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。工具的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，而圖11-16指出機器人使用MIG焊接工具與焊接視覺系統。 • 第三類的握爪工具包含針對特殊工作所設計的特殊功能握爪，例如，具有特殊工具的機器人可以舉起一個折疊箱子並打開填充之。
機器人控制器 • 機器人系統中最複雜的部分是控制器如圖11-17所示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，其有許多與電腦相類似的元件如中央處理器(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。
教導站 • 機器人的教導站包含教導盒、教導終端機或面板控制器。 • 某些機器人具有許多的程式編輯裝置用來編輯機器人系統的程式，而其他則僅提供單一程式編輯單元。 • 除此之外，某些機器人使用IBM PS/2s或與PC相容的微電腦作為程式編輯站。 • 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
機器人應用 • 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: • 1.物料加工 • 2.物料搬運 • 3.組裝與製造
第一類中，機器人使用工具去加工原料，例如，機器人上的工具如鑽頭可以在原料上進行鑽孔操作。第一類中，機器人使用工具去加工原料，例如，機器人上的工具如鑽頭可以在原料上進行鑽孔操作。 • 圖11-18所示中的機器人正在執行一個研磨作業以移除鑄造件的毛邊。 • 第二類物料搬運是機器人最通常的應用。在許多單元中，機器人取代操作人員在生產機器上裝載與卸載。
圖11-19所示前面的機器人正在一個製造列印滾輪的彈性製造系統中之兩個車削中心進行裝載與卸載。圖11-19所示前面的機器人正在一個製造列印滾輪的彈性製造系統中之兩個車削中心進行裝載與卸載。 • 組裝是另一個大量使用機器人的應用，機器人可用來組裝生產線上的汽車(圖11-15所示)或(圖11-20所示)中的糖果箱等許多產品。
