三轴并联式机构控制
390三軸並聯式機構控制組員姓名：吳仲軒、洪鼎倫、李名耀、童志華、王偉倫、蔡一銘、何冠宏德霖技術學院機械工程系夜二專 095B指導老師：林柳絮 老師摘 要由於工業技術的快速發展,現代科技的日新月異，使得人們的生活腳步愈來愈快，除了生活上的各種必需品愈來愈簡便之外，在現代工業上為求時效自動化設備更是如此，自動化設備快速效果,已被人們的新寵認同，但是，以往的自動化設備大多為大型機器，對於一般生活上並不易使用，所以，現在在設計製造自動化設備時，均會以體積大小為優先考量，接著在考慮其多功能性，這將會使各個使用者不再受侷限於空間不足的煩惱，本次專題除了體積小的特色之外，也將使用VB 程式和驅動電路來控制運動平台，而此種運動平台的應用相當廣泛，例如:用於工具機，混化學藥劑之平台，人體手足關節復健機，飛行遊戲,飛行模擬訓練機和用於汽車上的避震測試器等，均屬此次專題的研究範圍。本次專題將以驅動電路控制來直流馬達,而接下來將針對 VB 程式與驅動電路控制，串聯與並聯機器人的比較和驅動電路板於平台製作中遇到的各種問題作討論，加上此平台將運用程式編譯軟體 Visual Basic 6.0 版和採用驅動電路來控制，所以，參與此次專題製作的學生可藉此機會學習到在現在各行各業中運用非常廣泛的運動平台，這將使學生於自動控制的學識上面更進一步，因此本組決定製作三軸並聯式運動平台，研究目的在於比較使用程式控制史都華平台和馬達控制的不同點，由於程式控制有循環性，輕易達成自動化，可得高速工作和直接產生運動等優點，因此將馬達改為受程式語言的晶片控制。致謝感謝老師給我們這次機會且指導我們，在我們遇到瓶頸時，給予適時的鼓勵與建議，使我們學到遇到困難就必須努力解決，且對並聯機構有更進一步的了解。一. 前言1.1.平台機構之研究史：最早史都華平台機構可能是由 mcgough所提出,用來做為輪胎測試平台1 ，1965 年史都華氏發表並聯式六軸機械人的設計，並用來製作飛行模擬器後2 ，史都華平台逐漸成為飛行模擬器之標準機構，1979 年 maccallion 根據史都華平台設計出第一降做為機械手臂的並聯式機械人，將其應用在自動化裝配上3 ，從此以後史都華平台機械又稱並聯式機械人，1983 年 hunt 提出另一類型的並聯式六軸機械人，並首度對並聯式機械人展開系統性的機構學分析4 ，此後從實用觀點著眼的研究人員，利用美國太空計劃與尖端醫療研究的經費，為這型機構在 90 年代急速的開發出相當廣泛的應用領域:車輛模擬定位平台5 ，主動式防震平台6 ，自動組裝7.8 ，精密定位/指向9.10 ，手術機械人11.12, 自動塗裝13.14 等，但是,由於該機構為具有六個自由度的空間機構，分析困難，因此機構學界對該機構的研究進展一直相當有限，直到法國國家科學院的J.P.Merlet 博士從 1985 年引入幾何學分析法後15 ，工作空間16-18與順項運動學19-20等研究才開始順利展開，不過在 1985-1994 年間，學界(以 J.P.Merlet 博士為主) 對該平台機構的興趣主要在於特殊用途的平行式機械人，1994391年英國 geodetic 公司再芝加哥工具機展出hexapod 五軸加工機(由史都華平台機構提供三個平移自由度<外家五軸頭提供兩個旋轉自由度) ，美國 giddings & lewis 公司也同時展出variax 三軸工具機，於是史都華平台機構一實在工具機業聲名大噪，次年(1995 年)machinery雜誌元月號兩篇專文介紹 haxepod 工具機，標題式machines for the 21st centry工具機業對haxepod 工具機的狂熱,可以從德國 fraunhofer IWU 的研究群的下述結論清楚看出來22: 未來模具工業需要大量高精度(精度 50 微米以內),高切削速度(1000M/min),高進給(5-10M/min) 的自由曲面加工,這些工件必須用五軸加工進行加工才府和經濟原則，但是傳統工具機很難突破以下四項發展上的根本原則:(1) 機價及運動軸重量太大導致結構彎曲變形。(2) 運動質量過大導致加減速不易且耗能而導致溫昇。(3) 進給軸加速不易導致動態誤差。(4) 構軸及元件誤差累積導致系統整合誤差難以下降。而平行機構因為高剛性，低慣性，構造簡單，因此有很大的潛力可以克服前述困難，提供下一代工具機所需的運動機構，由於史都華機構不僅可以用在五軸加工機，還可以廣泛用在各種需要高剛性,低慣性，構造簡單的量測平台，運動平台，精密組裝等場所，所以，從 1995年到現在短短的三.,四年間，布店 ingersoll 公司積極投入開方出數種不同用途的特殊加工稽核量測設備，而且在工業就需求的強力主導下，歐陸各國也積極整合國家財源及企業界的資金，全力投入相關研發，根據今年九月份再義大利米蘭進行的第一次平行機構機械研討會的資訊，以及個人今年暑假進修期間在法國國家科學院和 merlet 博士的討論,目前在國外叫值得注目的研究團隊包括:(1). J.P.Merlet 主導下的法國國家科學院語法國重機械設備著名企業 CMW 再過去三年的合作基礎上，正在進行 herapod CMW200 的第二代中切削五軸加工機，同時 J.P.Merlet 博士在 CMW 的引介下正在和西 門子協商共用控制器的發展計劃，由於史都華平台機構相關機構學上的重要突破泰半由 merlet 博士領先突破 ，而法國在飛行模擬器又有長期的工業基礎，因此這個團隊的未來研究走向十分值得注意。(2). 義大利國科會下屬工業技術與自動化研究所(CNR-ITIA)在義大利既有的工具機工業基礎上，展開了兩個跨國際的整合型研究計劃 ACROBOT 及ROBOTOOL，參與國家含義大利(CNR-ITIA) ，瑞典(CIMSL，IVF) ，法國(LIRMM) ，德國(WZL/RWTH) ，英國(Delcan plc.) ，瑞士(Sulzer NTI) ，西班牙(jkerlan) ，比利時(Lewen),該計劃包括了 Hexapod,Hexaglide 等三種平行機構的整合性比較，以及三種平行機構各自所需的運動學，奇異點分析，力學分析，工作空間,機械元件設計等相關問題。從義大利 IITA 這兩個計劃研究方向的分散度可以確定歐陸迤金仍未能確定他們應該走的方向，這個現象反映了一個事實:全世界主要的研究人力事在 1995 左右才積極投入，因此一片慌亂無頭緒的景象，台灣如果要再這個領域佔一角之偶,現在積極投入事業猶未晚。1.2.並聯式機構與串聯式機構之比較：目前之生產、裝配及物流存取設備的進給機構，皆為串聯式連桿進給機構，即其機構之幾何構型皆為開迴路(OPEN-LOOP) 結構，串聯方式是將線性軸與旋轉軸相結合，包含目前絕大部分的工具機及機器臂即屬此類。串聯式連桿機構主要缺點即為懸臂過長（機器臂為典型代表），結構負荷流線長，造成剛性不足、結構受彎矩負荷及熱不對稱等問題，以致系統可控制的動態頻寬受到限制，負載時工作空間小且高速移動時容易產生大幅振動，不易控制導392致常造成定位時間的延遲，不利於高速化；其解決之方法常以加大或加粗其結構來解決（工具機為典型代表），但造成須以較大馬力之驅動源來推動進給機構，除了材料的大量浪費外，並造成電力的浪費；然而其優點為路徑規劃簡單及控制容易。 反觀並聯式進給機構為閉迴路(CLOSE-LOOP)機構，其結構為一二力構件，負荷流線短，負荷是由連桿機構以拉伸或壓縮的方式承受，所以具有高剛性、低慣量的特性，而且構成材料少，控制頻寬大，適合應用於高速化之進給機構，可大幅減少串聯式機構在高速化所具有的缺點；且其結構大都為熱對稱型態；由於其輕量化及組件簡單，一旦量產後成本絕對比傳統進給機構便宜許多，另外，可彈性化之構型組合的能力，除了改型容易，更適合於生產線上的組合與拆裝，所以可以根據需求輕易的融入生產系統中，因此可預期此一機械結構構型將會對於未來的彈性製造組裝技術提供更大的彈性及效率。 4. 並聯式機構之應用領域 並聯式機構最早於 1965 年由 Stewart 利用六支並聯的可伸縮連桿應用到飛行模擬器上，其後有不少的研究，分析 Stewart 平台的機構空間、運動與動力學等數學理論，由於其需求大量的數學計算，再加上過去控制器計算能力弱，因此過去在產業上的應用一直未受重視。近年來由於控制技術的快速發展，使得並聯式機構在工業界應用的可行性才逐漸增加。 並聯式機構技術可應用於如下之領域： 飛行模擬訓練平台 虛擬實境之電動玩具平台 工具機 噴漆、噴膠、焊接及裝配組立機械臂 另外從市場成長面來看，未來工具機技術之發展除了高精度外，主要集中在兩個方向，一為硬材切削，二為輕金屬超高速銑削。其中第一項由於產品少量多樣及高品質要求的趨勢下，造成模具開發的需求高度成長，所以硬材切削技術主要是以發展高速切削、硬切削低成本高性能技術，針對模具鋼、硬化鋼(硬度HRC50 以上) 等鋼材實施高速銑削，使表面精度達到鏡面水準，此方面造成五軸工具機的需求增加。 至於第二項的需求來自於省能源，輕量化及環保的需求，再加上 3C 產業的快速成長，輕金屬的大量應用絕對是未來趨勢。最早是鋁、鈦合金，大量使用在汽機車及航太工業上；近年來鎂合金應用於 3C 產品之外殼尤其是筆記型電腦、硬碟及行動電話外殼日漸普遍，未來幾年C 產品機殼及腳踏車之材料絕對是鎂合金的時代，近年來台灣廠商積極投資鎂合金壓鑄設備，壓鑄後去毛邊、銑削設備及相關附屬周邊則使用傳統機械，效率不佳，仍須使用大量人力，此方面需求高轉速及高進給率之工具機。二. 相關原理：2.1 並聯式機構工具機之基本構型 並聯式機構主要可分三種基本構型，串、並聯混合式機構主要是結合原有串聯機構和並聯式機構而成，利如主軸可用原有之串聯式機構，工作台用並聯式機構承載工件，或是反過來；三種基本構型分別為屈曲型、連桿伸縮型及接頭滑動型，其中 HITACHI 的 PA35 為屈曲型；Giddings & Lewis 的 Hexacenter 為連桿伸縮型；Aachen 的 Dyna-M 為接頭滑動型；以下(表一) 為各型連桿機構之優缺點比較。表一 各型連桿機構之優缺點比較393以下將對以上三種構型及目前各家廠商所開發出來的機型作一介紹：(1)、屈膝型並聯式機構為日本 Hitachi Seiki 所推出的並聯式工具機，採用 Delta 機構，此種機構具有速度放大的特性，所以這台機器可輕易達到 100m/min的進給速度，其主要功能是定位在高速鑽孔攻牙了能力上。 (2)、連桿伸縮型機構在 Ingersoll、Hexel 及 Giddings & Lewis 等公司相繼推出伸縮式的並聯式機構之後，此型架構一直是過去眾家廠商與學術單位的研究主流，如 MIKUROMAT、OKUMA 及 Hexel 的Hexabot 五軸銑削平台。 (3)、接頭滑動型機構為 Renault Automation 公司在 1999 年在巴黎 EMO 展推出的 Urane SX，此機與目前其他機器的不同點在於它是以臥式的機型來呈現，在機台的配置上具有較大的彈性，而且進給系統已採用線型馬達，所以進給速度更遠高於其他機種，惟其精度與其他資料並未於型錄中列出，可能尚未商品化而仍處於開發實驗的階段。2.2 串並聯式工具平台優缺點比較：1. 並聯式之優點：a. 結構質量輕,慣性。b. 慣性質量與轉動慣性低,在相同驅動馬力下,可達較快加速度。c. 剛性高,質量低震動頻率較高,動態性高。d. 機構運動控制需要逆向運動學,使控制器所需計算負荷及記憶容量都比較小。e. 不會累積誤差,且誤差會平均化。f. 具有六個自由度的操作性。2. 串聯式之優點：a. 採開迴路結構,工作區間大而跨越障礙較容易。b. 可伸入小空間工作。3. 並聯式之缺點：a. 相對於串聯式工具平台,其工作空間小。b. 奇異點上無法達成驅動的目的。c
