自動化系統詳解大綱1-1自動化的意義1-2自動化的演進1-3自動化元件與控制器1-4自動化的設施1-5計算機整合制造1-6習題1-1自動化的意義(1/4)

自動化是以機械、水力、電力等來替代人力執行工作，自動化可定義如下：自動化所使用的技術包括：1.處理工件的自動化工具機2.自動化裝配機器3.工業機器人4.自動化物料搬運及儲存系統5.自動化質量控制檢驗系統6.自動化制程控制7.用于規劃、收集資料、作決策等支援制造活動所需。自動化應用在生產系統上又可分成兩種類型:1.固定式自動化2.彈性自動化

1-1自動化的意義(2/4)

固定式自動化是以一連串的加工或裝配作業來處理工件，例如早期美國底特律汽車工作以固定式自動化生產線來大量加工生產汽車用零件。固定式自動化所用的大都是硬件式自動化(hardwareautomation)設備，其設備結構成固定不變的型式，一但機具設備設定后，便很難再更改其功能，因此這類自動化較適用于大量生產型的工廠；其優點為生產率高，如果大量生產產品可減少單位成本；而其缺點則為缺乏彈性，如果產品改變，便必須停線、停機、重新換裝模具、夾具、刀具等，甚至須換成不同機具，十分耗時費事。1-1自動化的意義(3/4)

彈性自動化是由計算機來控制生產設備，可彈性地改變作業順序，以配合不同的產品結構之需求。這種作業順序是以計算機軟件程序來控制，而計算機程序乃是一連串的指令碼，可使系統依照指令的指示來運作；若要改變生產流程，則只需將新的程序輸入設備內，便可制造出新的產品。這種自動化非常具有彈性，因此有時稱為軟件式自動化(softwareautomation)。1-1自動化的意義(4/4)1-2自動化的演進(1/2)

自動化的發展則始于1909年，美國的福特汽車公司設立了第一條自動化生產線，用來大量生產汽車。這時的自動化乃是利用凸輪、曲柄、螺桿等傳統機械來運送加工物件為主，以達到省力化為目的。 二次大戰后，液壓、氣壓等被大量應用，自動化便由省力化發展到低成本自動化，使自動化更廣泛被應用到各種產業。1952年數值控制問世，加工作業得以數值控制的方式，經由程序指令來引導切削刀具的行進位置，因而達到可以自動化的方式生產出高精密度的產品。自動化的演進(2/2)

數位計算機的出現，不只影響到工業的制造過程，而且也對產品的設計提供了有利的工具，因此乃有「計算機輔助設計與制造」(computeraideddesign/computeraidedmanufacturing,CAD/CAM)的技術出現，使工程師在設計與制造時更能得心應用，生產技術得以大為提高。 到了1980年代之后，自動化已發展到將各種自動化的設備組成一個生產系統來同時生產多種樣式的產品群。這些生產設備包含了計算機、機器人、檢驗設備，與計算機數值控制工具機，而且用自動化的搬運設備使工件能以任何順序在機器群中被運送，如此構成了所謂「彈性制造系統」。1-3自動化元件與控制器

在自動化設施中，常需檢測工件是否送達加工機臺的位置，有時則是需檢測物體的位置移動量，以供控制器決定序列動作，其被用來檢測的元件稱之為傳感器。常見的傳感器有極限開關、光電開關、近接開關、電位計，與溫度開關等。1-3-1感測元件(1/8)

極限開關(limitswitch)是藉外界物體的接觸，來改變內部接點的狀態；由接點的變化可以檢測物體的存在與否，或機器工作臺的位置。如圖7.1。

常開常開常閉常閉圖7.1極限開關的接點

1-3-1感測元件(2/8) 當極限開關被檢測物體接觸時，接點會由常閉點跳到常開點，或由常開點跳到常閉點；常開點意表電路平時處于無接通的狀態，而常閉點則表示回路平時處于接通的狀態。1-3-1感測元件(3/8) 光電開關(photoelectricsensors)是泛指用各種可見光、不可見光及雷射光控制電器信號的檢測器，其基本原理是以發光二極管或燈泡發射光源，經由被檢測物體的遮光、透光或反射，以控制光電晶體的電流電壓，在經過放大處理，最后以ON或OFF或類比信號輸出，如圖7.2所示。投光器受光器檢出物體圖7.2

光電開關1-3-1感測元件(4/8)

近接開關(proximityswitch)不需接觸即能感測出物體，依動作原理分為：電感型(Inductive)：當金屬材質物體進入感測范圍，金屬物體內因感應而產生渦流，同時高頻震蕩線圈也因電組便大而停止擺蕩，并獲得ON或OFF的輸出。其檢出電路如圖7.3所示。高頻振蕩電路M金屬的接近體檢出線圈圖7.3

電感型近接開關1-3-1感測元件(5/8)電容型(Capacitive)：高頻震蕩電路接至電極板檢測頭，若有金屬或非金屬物體接近，其電容會增大，使振蕩的振幅增加而獲得輸出。其檢測電路如圖7.4所示。高頻振蕩電路檢出物體電極板(檢測頭)圖7.4

電容型近接開關1-3-1感測元件(6/8) 電位計是利用電組與長度成正比的原理做成，于電阻兩端加入電壓，然后由被測物體帶動電組之滑動臂，求得相對應位移大小的電壓，如圖7.5所示。檢出電壓E圖7.5

電位計1-3-1感測元件(7/8) 溫度開關可以感知溫度變化，是由物體感知器與開關所組成而成，當溫度變化時，雙金屬片會受熱彎曲，使接點移動，達到開關的功能，如圖7.6所示。接點熱雙金屬片a.

接點地線b.

接點圖7.6

溫度開關1-3-1感測元件(8/8)

自動化設備的原動件一般可分成三種：(1)電動式(electronic)：如電動馬達(2)液壓式(hydraulic)：如油壓幫浦(3)氣壓式(pneumatic)：如空氣壓縮機1-3-2致動元件1-3-3控制器(1/2)

自動化設備可用的控制器甚多，其中最常被使用的是可程序邏輯控制器(programmablelogiccontroller,PLC)。 可程序邏輯控制器是藉數位或類比輸出入裝置，用特定的命令語言，將邏輯運算、順序控制、定時器、計數器，與算術演算等作成程序，存入記憶裝置中，以控制機器或程序的電子裝置。1-3-3控制器(2/2) 可程序邏輯控制器在使用時，隨時感知輸入信號，經邏輯判斷后，將結果輸出，以控制外界機器；其系統組合包括：中央處理單元(CPU)、存儲器(ROM與RAM)、輸入與輸出模塊、電源供應器、及程序書寫器，如圖7.7所示。輸入模組程序書寫器輸出模組CPUROMRAM電源供應器圖7.7

可程序邏輯控制器系統組合1-4-1數值控制工具機(1/5)何謂數值控制

所謂數值控制，意指利用數值、字母與其他符號等來控制機器設備。這些數值、字母與符號系以一適當的格式來編碼，并構成對工件加工的指令與程序。數值控制的應用范圍很廣，適用于很多種類的制程，諸如鉆孔(drilling)、車削(turning)、銑切(milling)、搪孔(boring)，與其他金屬品制造之工具機。此外諸如裝配、繪圖，與檢驗等作業的非工具機也會應用到數值控制。1-4自動化的設施NC的基本組成要件(1/2):數值控制工具機系統包含下列三個基本組成要件：

1.指令程序

2.機器控制單元

3.制程處理設備1-4-1數值控制工具機(2/5)NC的基本組成要件(2/2):

此三基本組成要件的關系，如圖7.8所示。首先，將程序輸入控制單元，然后控制單元便指揮制程處理設備依程序的指令運作。圖7.8

數值控制工具機組成要件程序機器控制單元制程設備1-4-1數值控制工具機(3/5)NC工具機的應用

每一種機制作業都可在某一種工具機上執行，例如車削在車床執行，鉆孔在鉆床執行，銑床可在銑床上完成，研磨也可利用研磨機器來執行。數值控制工具機即是針對需要而設計的，其種類包括：

1-4-1數值控制工具機(4/5)1.鉆床2.銑切機器3.車削機器4.搪孔機器5.研磨機器NC的利益 : NC工具機被金屬加工工業廣泛采用，采用數值控制的利益有： 1.減少生產時間。 2.簡化裝置夾具的動作。 3.減少整備時間。 4.較具制造彈性，容易適應工程設計的改變。 5.改進工件的精確度。1-4-1數值控制工具機(5/5)機器人的定義(1/2):所謂工業機器人是指具有一般用途，擁有類似人類特性的可程序化控制機器。機器人類似人類的特性最明顯的是其機器機器手臂，它可以做各種不同的生產工作。典型的機器人之工作包括點焊、物料輸送、噴漆，以及裝配等。

1-4-2機器人(1/16)機器人的定義(2/2)

: 機器人工業協會(roboticsindustriesassociation)對工業機器人(industrialrobot)的定義如下：

機器人是一種可以程序化，具有多種功能的操作器，可經由事先設計好的各種可變動作，來搬運物料、零件、機具、或其他特殊裝置，并執行各種不同的工作。1-4-2機器人(2/16)機器人的實體組件(1/2):

工業機器人的基本組件包括：1.操縱器(manipulator)：通常包含手臂(arm)、手腕(wrist)、及末端器(endeffectors)。

2.致動器(actuator)：一般有電動式驅動、液壓式驅動，與氣壓式驅動三種方式，提供動力以驅動操縱器。

3.控制單元：控制機器人運動的單元。1-4-2機器人(3/16)機器人的實體組件(2/2):

工業機器人的操縱器的手臂部份系由一串的關節與環節所構成。工業機器人的關節很類似人類的關節，它可連結兩個環節，并提供其相對運動，每一關節可提供一個運動自由度(degreeoffreedom)。連結關節的兩個環節，其中一個稱為輸入環節(inputlink)，另一個稱為輸出環節(outputlink)。關節的主要作用乃在提供輸入關節與輸出關節間相對移動的功能。1-4-2機器人(4/16)工業機器人的類型工業機器人的關節可分為五種類型：1.線性關節(linearjoint)。2.正交關節(orthogonaljoint)。3.旋轉關節(rotationaljoint)。4.扭轉關節(twistingjoint)。5.回轉關節(revolvingjoint)。1-4-2機器人(5/16)1.線性關節

輸入環節與輸出環節之間的相對移動，是一種線性的滑動，而且此二環節的軸是相互平行的。此種關節又稱為L型關節，如圖7.9所示。輸入輸出輸入輸出圖7.9

線性關節1-4-2機器人(6/16)2.正交關節

這也是一種線性的滑動關節，但輸入環節與輸出環節在運動過程中是相互垂直的。此關節又稱為O型關節，如圖7.10所示。輸入輸出輸入輸出圖7.10

正交關節1-4-2機器人(7/16)3.旋轉關節

此類型關節可提供關節的旋轉相對運動，而轉動軸與輸入和輸出環節的軸相互垂直。此關節又稱為R型關節，如圖7.11所示。輸出輸入圖7.11

旋轉關節1-4-2機器人(8/16)4.扭轉關節 這也是一種旋轉運動的關節，但轉動軸系與兩個環節的軸相互平行。此關節又稱為T型關節，如圖7.12所示。輸出輸入圖7.12

扭轉關節1-4-2機器人(9/16)5.回轉關節 此種關節的輸入環節的軸與關節的旋轉軸相互平行，而輸出環節的軸則與關節的旋轉軸垂直。此關節又稱為V型關節，如圖7.13所示。輸出輸入圖7.13

回轉關節1-4-2機器人(10/16)機器人結構: 大部分的機器人皆安裝在一個固定基底上，由此基座在聯結各環節與關節，如圖7.14所示。基座環節0環節1環節2關節2(R)關節1(R)圖7.14

機器人結構圖例1-4-2機器人(11/16)機器人的手臂: 工業機器人的手臂是用來對物體作定位，而其手腕則可用來調整物體方向。手腕一般需三個自由度，這三個自由度的架構是：

1-4-2機器人(12/16)1.轉動(roll)：可用T型關節來完成，使物體對手臂軸旋轉。2.上下投物動作(pitch)：類似投球的上下轉動，通常以R型關節來執行3.左右偏移動作(yaw)：手腕向左向右轉動，也是以R型關節來執行。手腕自由度:圖7.15說明手腕三個自由度的動作手腕上視圖yaw手腕前視圖pitchroll圖7.15

機器人手腕的三個動作1-4-2機器人(13/16)末端器的定義:

工業機器人通常使用工具或夾具，將其附著于腕部來進行工作。此一附著于腕部的工具與夾具，稱為末端器。

1-4-2機器人(14/16)末端器的應用(1/2): 當使用工具為末端器，是使機器人能夠執行一些制程作業。機器人必須能夠操縱工具，穩定的或緩慢的沿著行進路徑移動，這種應用的例子包括：

1-4-2機器人(15/16)1.點焊槍。2.噴漆槍。3.鉆孔與挖掘等旋轉刀具。4.裝配工具。5.加熱槍。6.噴水切削器。末端器的應用(2/2)

: 當使用夾具為末端器，主要是用來抓取和操縱物體，此時的物體通常是從某一位置移動至另一位置的工件；用機器人來裝卸工件，即是屬于這類的例子。應用于工業機器人上的夾具類型例子包括：機械式夾具：藉由摩擦力或物理結構來抓住物體。真空夾具：可夾住平板物體的吸杯。磁力夾具：以磁力吸住含鐵的工件。1-4-2機器人(16/16)1-4-3自動檢驗設備(1/9)檢驗的目的與自動檢驗效能

檢驗意指檢查產品，以判定其是否符合產品設計者設計的標準，例如尺寸大小與表面光滑等。檢驗之目的有量測某特定產品的實際值，與只簡單地檢查某特定特征是否符合設計標準。

自動化檢驗傳感器 自動化檢驗設備通常會使用傳感器，而這些傳感器受計算機控制，并將資料傳輸至計算機。 傳感器可分成兩大類： 1.接觸式檢驗 2.非接觸式檢驗

1-4-3自動檢驗設備(2/9)接觸式檢驗 接觸式檢驗系使用機械探針或其他儀器，來與受檢的產品相接觸。接觸式方法常用來檢查零件之物理量度，因此接觸式檢驗乃是較早廣泛被使用于機械制造業的方法，最常見的自動化檢驗設備是坐標測量機。1-4-3自動檢驗設備(3/9)非接觸式檢驗 非接觸檢驗方式并不直接與產品接觸，其傳感器系置于距物體某一距離的地方，而仍可測得所要的特性。非接觸式檢驗之潛在的優點包括：

1.減少檢驗時間并可避免由于零件之接觸而破壞零件或傳感器。

2.不需對零件作特別的搬運與定位，因此檢驗的過程較為迅速。1-4-3自動檢驗設備(4/9)坐標量測機(1/3) 坐標量測機(coordinatemeasuringmachine,CMM)系由一接觸式探測針與其所需之機構組成。 在座標測量機的架構中，探針系固定在某種結構體上，允許探針相對于零件做相對移動，此一零件則置放于與結構體相連結的工作平臺上。

1-4-3自動檢驗設備(5/9)坐標量測機(2/3)圖7.16顯示橋梁式構造的坐標量測機XYZ圖7.16

橋梁式構造的坐標量測機1-4-3自動檢驗設備(6/9)坐標量測機(3/3) 坐標測量機可執行的測量工作類型有：1.尺寸大小。6.平坦度。

2.孔的位置與直徑。7.兩平面間的夾角。3.圓柱軸與直徑。8.兩平面間的平行程度。4.球體中心與直徑。9.兩直線相交的點與夾角。5.定義出平面。

1-4-3自動檢驗設備(7/9)機器視覺(1/2) 機器視覺(machinevision)是獲取物體影像資料，并以計算機來處理和解讀這些資料，以供某些用途的應用。機器視覺的作業可區分為下列三種功能：

1.影像獲取與數字化。

2.影像處理與分析。

3.解讀。1-4-3自動檢驗設備(8/9)機器視覺(2/2) 典型的機器視覺之工業檢驗工作包括： 1.尺寸大小量測。 2.尺寸大小量規。 3.查驗某組合產品是否裝有某零組件。 4.零件或原料表面上瑕疵之辨識。 5.印刷標簽上瑕疵的辨識。1-4-3自動檢驗設備(9/9)1-4-4自動搬運(1/4)定義(1/2)

自動搬運是指使用自動控制、機械，與動力等裝置取代人力的搬運系統，而搬運系統最常采用的搬運設備為自動導引車(automatedguidedvehicle,AGV)，亦即所謂的無人搬運車。無人搬運車乃利用聲光、電磁、紅外線、…等自動導引設備的無人駕駛搬運車。定義(2/2) 美國物料搬運學會(MaterialHandlingInstitute,MHI)對無人搬運車所下的定義為： 一種有電磁的或光學的自動導引系統搬運車輛，此種車輛可按照程序所下的命令導引路線行進、停止、轉彎，并具有一些能夠與搬運系統連結工作的特殊功能。1-4-4自動搬運(2/4)自動搬運車系統的組成(1/2)

自動搬運車的主要組成有無人搬運車、導引系統、控制系統、通訊系統、外圍設備，與安全裝置。 導引系統能自動導引無人搬運車到達其所欲前往的目標。 搬運車的通訊系統可分為固定地點通訊與任意地點通訊方式兩種：

1.固定地點通訊多半在引導路線開溝埋入導引線。

2.任意地點通訊以采用無線電為主。1-4-4自動搬運(3/4)自動搬運車系統的組成(2/2) 搬運車的外圍設備就是搬運系統中的輔助設施，包括裝卸裝置、暫存站，與充電設備等。 搬運車的安全裝置可分為機械式與電子式兩種，機械式裝置如裝于車體前端的檔板或檔桿，當碰到人或物體時，傳送信號給控制器，可立即停止車輛行進；而電子式采用超音波，當車子發出超音波后，利用反射音波之間所需之時間，求出障礙物和搬運車的距離長短，以控制搬運車減速或緊急停止等動作。1-4-4自動搬運(4/4)1-4-5自動倉儲系統(1/4)定義 根據美國物料搬運學會(MaterialHandlingInstitute,MHI)對自動化儲存/檢索系統(automatedstorage/retrievalsystem,AS/RS)所下的定義為： 在一界定的自動化程度下，準確、正確，與快速地搬運、儲存、檢索物料，所需的設備與控制的組合。AS/RS圖7.17繪示一典型的AS/RS通道1通道2通道3界面輸送帶S/R機器P&D工作站高度,Hs長度,Ls圖7.17

一典型AS/RS之布置與正面圖1-4-5自動倉儲系統(2/4)AS/RS之基本元件(1/2)

所有的自動化儲存/檢索系統皆由某些基本元件所組成，這些元件包括：

1.儲存結構

2.S/R機器

3.儲存模塊

4.夾取/存放工作站1-4-5自動倉儲系統(3/4)AS/RS之基本元件(2/2) 儲存結構是由鋼筋鐵架所構成，可承受存放在AS/RS內的重物。

S/R機器用來做儲存的處理，自輸入站載送負荷物至儲存站，或自儲存站檢索負荷物，將之載送至輸出站。 儲存模塊是儲存物料的容器，例如托板、鋼線圍繞所成的籃子、托盤、儲存箱，以及特殊的抽屜等。 夾取/存放工作站是用來傳送負荷物至AS/RS，并自AS/RS載送負荷物。它們通常是位于通道的末端，便利于S/R機器與外部搬運系統的作業，因此其設計必須考慮能與S/R機器和外部搬運系統兼容。1-4-5自動倉儲系統(4/4)1-5計算機整合制造(1/6) 計算機整合制造(computerintegratedmanufacturing,CIM)意指利用計算機來設計產品、計劃生產流程、控制生產作業、執行與制造公司有關的一切企業功能。CAD/CAM 計算機輔助設計(computeraideddesign,CAD)可定義為任何與計算機之有效運用有