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工業機械人知多少

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工 業機械人是機械人中的大家族,如果你在電視上看過工業生產線,你一定對工業機械人有所了解,也會對機械人準確及靈活的動作所驚嘆。在機械人家族中,有 90%是工業機械人,它們在工業生產線中發揮著巨大的作用。美國機械人學會就曾對工業機械人作了以下描述:機械人是一個可以編程的多功能機械手,能移動材 料、零件、工具或是特殊裝置,通過可變的編程完成不同的任務。因此可以說,只要是能夠通過編程,完成人的基本功能的機械手都可以稱隻為機械人。

 

多功能的工業機械人

工業機械人在工業生產中能代替人做某些單調、頻繁和重複的長時間作業,或是在危險、惡劣環境下作業。例如:壓力鑄造、高熱處理、焊接、塗裝、塑料製品成形、機械加工和簡單裝配等工序上,以及在原子能工業等部門中,完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。

工業機械人的結構

工 業機械人主要由3個基本部分組成:主體、驅動系統和控制系統。1)主體﹕即機座和執行結構,包括臂部、腕部和手部,有的機械人還有行走機構。大多數工業機 械人有3至6個運動自由度,其中腕部通常有1至3個運動自由度。2)驅動系統﹕包括動力裝置和傳動機構,用以使執行機構產生相應的動作。3)控制系統﹕按 照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號、並進行控制。

而根據其運動及控制機能可分為「點位型」和「連續軌跡型」。「點位型」即執行部分會準確定位由一點移到另一點,適用於點焊和一般搬運、裝卸等作業。「連續軌跡型」指執行部分會按設定軌跡運動,如連續焊接、噴漆和切割等工作。

為機械人編寫程式

工 業機械人按程序輸入方式可區分有「編程輸入」和「示教輸入」兩類。「編程輸入」是將編好的程序儲存到機械人的記憶體上,但早期的是以穿孔卡、穿孔帶或磁帶 方式儲存。「示教輸入」是只透過控制器控制或人手直接領動執行的機械部分按要求的動作順序和運動軌跡演示一次。過程中機械人會將其運動轉化成信息並存儲起 來。以上兩種輸入,都可以讓機械人在自動工作時,根據已儲存的指令再次演示出來。

各類實用工業機械人

最 常用的配置工業機械人主要有水平關節機械人(SCARA robots)和起重臺架機械人(Gantry Robots)。平面關節型機械人即可動關節只以水平方向移動,它是一種精密型裝配機械人,特點是速度快、精確度高、柔性好。可應用於電子、機械和輕工業 等有關產品的自動裝配、搬運、調試等工作。

起重台架機械人是將機械臂裝置在一條可滑行軌道的上,而機械臂就只能在軌道的範圍內滑行。這樣的組合可使機械臂在狹窄的環境下仍可高速移動。如有有足夠空間及靈活地運用其特點,同樣可達到生產自動化並適用於不同的製造中。

在汽車工廠工作中的起重台架機械人
正在搬運的水平關節機械人

強壯的工業機械臂

提到工業機械人就離不開機械臂,美國機械協會把機械臂定義為可再更新程式的多功能操作器。它的主要用途是透過可更改的程式碼,並可在不同的工作環境下移動原料、工件、工具和其它重要的設備。

採用機械手可以代替人作繁重勞動,實現生產機械化和自動化,能在有害環境下進行操作,保障工人安全。機械手廣泛用於機械製造、冶金、輕工和原子能等部門。機械手常用作機床的附加裝置,如在自動機床和自動生產線上裝卸和傳送工件,在加工中心上更換刀具等。

機械臂結構

機 械手主要由手部和運動部分組成,手部結構可根據被操持物件的重量、形狀、材質和作業要求設計成不同類型,主要有夾持型、托持型和吸附型等。1)夾持型﹕由 手指及其驅動裝置組成,分外夾式和內撐式。外夾式使用廣泛,手指一般呈夾鉗形﹐夾持圓柱體物件時手指通常帶有V型面。多手指外夾式的手部適用於長軸類工 件。內撐式手部用於以內孔作為抓取部位的工件。2)托持型﹕由手部托持而不夾緊,通常用於沒有精確定位要求的場合。3)吸附型﹕有氣吸盤式和磁吸盤式兩 類。氣吸盤能吸取表面較平滑的物件﹕磁吸盤只適用於磁性物件。

運動機構使手部完成各種轉動、移動或複合運動,以實現規定的動作,改變被操持物件的位置和姿勢。運動機構所能實現的昇降、伸縮、旋轉等獨立的運動方式,稱 為機械手的自由度。多數專用機械手有2至3個自由度。運動機構由液壓、氣動、電氣裝置驅動,或藉助主機的動力通過凸輪機構、連杆機構等機械裝置傳動。

機械臂往往附屬於主機,一般沒有獨立的控制裝置。某些需要由人直接操縱的操作裝置,如用於原子能部門操持危險品的主從式操作手也常被稱為機械手。

日製先進機械臂

日 本安川電機成功開發了產業機械人“MOTOMAN-DA20”,它具有繞垂直軸旋轉的關節的機身及身上配備了兩個六軸驅動臂的機械人。由於它實現了接近人 類兩臂的動作及構造,因此可以穩定地搬運工件。而且還可從事緊固螺母以及部件的組裝和插入等作業。另外,與協調控制兩個機械臂相比,其設置面積更小。單臂 負重能力為20kg,雙臂可最大搬運40kg的工件。DA20在關節部位均配備了新開發的伺服馬達。該馬達採用減速器及制動器為一體的設計。右圖 : MOTOMAN-DA20有接近人類兩臂的動作及構造

新一代工業機械人

機械人一般可分成三種,一是示教再現型,這是比較簡單的機械人,可以對人類演示教育的動作給予再現、重複;二是具有感知功能的機械人,具有觸覺、視覺等感觀功能,可根據外界環境變化自動調節;三是智慧機械人,也就是具有一定思維和情緒的機械人。

新 一代的工業機械人都趨向以下發展:1)主張多台機械人一同協調動作,以增進工作效率。2)引進智慧型控制技術,當中包含3-D 影像處理、力量控制及碰撞偵測(Collision Detection)等功能。3)潔淨室應用:如半導體廠製程之晶圓存取、搬運或液晶顯示器製程中LCD Panel 的搬運。4)新安裝的工業機械人以技術層次較高的多軸機械人為主道。

新形潔淨室機械人

今 年工業機械人生產商KUKA Robotics公司就推出了一系列潔淨室機械人,它們是專門針對半導體生產加工、測試和操作應用而設計的。適用於整個半導體製造處理工藝中的晶片和積體 電路處理,以及其他的測試、封裝、操作和處理應用。而且該系列的機械人均為六軸設計,以其動作更靈巧。

時間繼電器

最 常見的繼電器要數熱繼電器(Thermal relay),它可作為交流電動機過載保護的繼電器。雙金屬片式熱繼電器是其中一種,它主要由電阻發熱元件、雙金屬片、動觸點、靜觸點以及動作機構等組 成。它是利用雙金屬片受熱彎曲特性而控制電器通電斷電的器件。當熱繼電器快速地控制電路的通斷時,它可成為自動的閃燈開關,如用於汽車方向燈、燈塔、節日 燈飾及廣告燈等。

KUKA Robotics潔淨室機械人

裝上傳感器的工業機械人

工業機械人中,傳感器的作用日益重要,除採用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機械人還應用了視覺、力覺等傳感器;如生產工序有需要的話,更會裝上聽覺、觸覺等傳感器。

有 視覺的機械人會對工作場景的變化作出反應,從而提高生產效率。工業機械人的視覺是透過安裝的光學傳感器,它使機械人能更具適應力,並完成更為複雜的工作。 Quiss便是其中一間為汽車製造業和包裝業提供機械眼的公司。該公司先後研制出多種視覺技術的機械眼令機械人可以發現並修正車身裝配過程中的偏差,並配 合光學傳感器,使機械人可辨認方向和距離。此外,這種技術也可用於質檢。從前只可透過人手對產品進行抽查,現在有視覺的工業機械人可隨時發現產品上的磕痕 或裂痕等,並挑出不達標的產品。

機械人正在檢驗產品

日 本山崎馬扎克開發出一種「智慧主軸」,它可通過在主軸上的多種傳感器,並通過NC裝置對傳感器資訊進行處理,能對故障等做到防患於未然。 主軸上裝有溫度、振動、位移和距離等多種傳感器。傳感器信號由NC裝置對進行不間斷監控。在溫度升高、振動加劇、夾具壽命即將到期時可起到預防保護作用。 另外,發生異常振動或夾具有錯誤時,能夠立刻關機,確保安全。對於熱位移,可通過修正,進行高精度加工。廠商更準備開發更先進的智慧化功能,如主軸振動一 旦增大,就會自動降低轉速,改變加工條件。反過來,如果在溫度和振動方面還有餘地,就會加大轉速,提高加工效率。

檢驗結果自動顯示在螢幕上
備有多種傳感器的智慧主軸

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