自動(dòng)化設(shè)計(jì)理念與分析

自動(dòng)化設(shè)備制造課程講義自動(dòng)化設(shè)計(jì)的理念與分析2023/2/1十八世紀(jì)工業(yè)革命人類發(fā)明了機(jī)器取代人力理所當(dāng)然人類應(yīng)越來(lái)越清閒人類卻越來(lái)越忙碌但是人類的宿命？上帝的嘲弄？沒(méi)有自動(dòng)化？楔子永無(wú)止境的慾望？2023/2/1內(nèi)容陸、結(jié)束語(yǔ)伍、自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)參、致動(dòng)器(Actuator)貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism)壹、自動(dòng)化設(shè)備組成2023/2/1壹、自動(dòng)化設(shè)備組成2023/2/1壹、自動(dòng)化設(shè)備組成(續(xù))自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)致動(dòng)器控制器控制系統(tǒng)感測(cè)器???2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)間歇機(jī)構(gòu)分度機(jī)構(gòu)凸輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))一、直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供直線之運(yùn)動(dòng)，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(dǎo)軌、...考量因素計(jì)有：行程大小。直線度、各方向偏擺度、平滑程度(運(yùn)轉(zhuǎn))。荷重能力。2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))二、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供旋轉(zhuǎn)之運(yùn)動(dòng)，可與直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)搭配使用合成平面或3D之平移旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。考量因素計(jì)有：行程大小。各方向偏擺度、平滑程度(運(yùn)轉(zhuǎn))。荷重能力。2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：剛體運(yùn)動(dòng)(平面/空間)自由度(DegreeofFreedom)定義物體位置所需參數(shù)個(gè)數(shù)。平面剛體有3個(gè)自由度(X、Y方向平移及Z方向旋轉(zhuǎn))，空間中剛體則有6個(gè)自由度(X、Y、Z方向平移及X、Y、Z方向旋轉(zhuǎn))。非剛體有無(wú)限多個(gè)自由度。提示：可適當(dāng)?shù)呐渲弥本€運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，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(shù)。XYRzXYZRzRxRy2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：剛體運(yùn)動(dòng)(平面/空間)續(xù)拘限(Constrain)限制物體運(yùn)動(dòng)之機(jī)制。平面剛體運(yùn)動(dòng)只要3個(gè)拘限則可固定剛體使之不動(dòng)，空間剛體運(yùn)動(dòng)則需用6個(gè)拘限方可固定剛體使之不動(dòng)。無(wú)論平面或立體空間，均可有無(wú)限多拘限。2023/2/1系統(tǒng)自由度系統(tǒng)之自由度和減去拘限數(shù)所得即為系統(tǒng)自由度。系統(tǒng)自由度為零時(shí)稱為『靜定』(StaticDeterminate)，系統(tǒng)自由度小於零時(shí)稱為『靜不定』(StaticIndeterminate)。靜不定之系統(tǒng)會(huì)因製造誤差或安裝不準(zhǔn)確而產(chǎn)生額外之內(nèi)應(yīng)力。提示：夾製具設(shè)計(jì)為求精確定位應(yīng)採(cǎi)靜定之設(shè)計(jì)。貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：剛體運(yùn)動(dòng)(平面/空間)續(xù)2023/2/13-2-1定理一物體將會(huì)被完全精確的限制在相互垂直之三個(gè)平面中，當(dāng)物體與此三平面分別接觸3、2、1點(diǎn)。提示：以系統(tǒng)自由度之觀點(diǎn)論之，3-2-1定理就是以靜定方式固定一物體，也就是說(shuō)系統(tǒng)自由度正好為零。貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：剛體運(yùn)動(dòng)(平面/空間)續(xù)2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))三、間歇/分度機(jī)構(gòu)提供間歇之運(yùn)動(dòng)，可與其他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)搭配使用合成平面或3D之間歇/分度機(jī)構(gòu)。主要應(yīng)用在多工站同時(shí)工作之場(chǎng)合。常用的有：日內(nèi)瓦及渦輪渦桿機(jī)構(gòu)?？剂恳蛩赜?jì)有：分度數(shù)。驅(qū)動(dòng)角/定位角(轉(zhuǎn)動(dòng)/停止時(shí)間)。分度精度。荷重能力。2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))四、連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)係由一定數(shù)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(yùn)動(dòng)鏈可分為：固定鏈拘束鏈無(wú)拘束鏈等三種。構(gòu)造簡(jiǎn)單維修容易且可依需求合成所需功能為其優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用場(chǎng)合極廣泛。2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))四、連桿機(jī)構(gòu)(續(xù))2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))五、凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)主要以凸輪及從動(dòng)件構(gòu)成。機(jī)構(gòu)中凸輪勻速旋動(dòng)，帶動(dòng)從動(dòng)件往復(fù)移動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊可準(zhǔn)確快速實(shí)現(xiàn)任意規(guī)律運(yùn)動(dòng)。凸輪極適合應(yīng)用在需快速精準(zhǔn)之場(chǎng)合，缺點(diǎn)是修改比較困難。2023/2/1貳、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：自動(dòng)化設(shè)備機(jī)構(gòu)總成進(jìn)/出料裝置自動(dòng)進(jìn)料常用方式有：振動(dòng)、摩擦、旋轉(zhuǎn)翼板、片料機(jī)構(gòu)、滾筒、…。其功能須包括進(jìn)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(zhuǎn)盤(pán)、…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(dòng)器(Actuator)一、致動(dòng)器種類致動(dòng)器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)氣缸線性馬達(dá)油壓缸氣缸馬達(dá)油壓馬達(dá)氣動(dòng)馬達(dá)2023/2/1參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))二、馬達(dá)(1)依使用電力型式分類為：馬達(dá)直流馬達(dá)交流馬達(dá)感應(yīng)馬達(dá)同步馬達(dá)並激馬達(dá)串激馬達(dá)脈衝馬達(dá)步進(jìn)馬達(dá)2023/2/1參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))二、馬達(dá)(續(xù))(2)依功能分類為：馬達(dá)伺服馬達(dá)步進(jìn)馬達(dá)調(diào)速馬達(dá)直流伺服馬達(dá)交流伺服馬達(dá)扭矩馬達(dá)直流扭矩馬達(dá)交流扭矩馬達(dá)2023/2/1參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))二、馬達(dá)(續(xù))(3)直流馬達(dá)結(jié)構(gòu)與組成2023/2/1二、馬達(dá)(續(xù))(4)交流馬達(dá)結(jié)構(gòu)與組成三相感應(yīng)馬達(dá)定子--旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))S1F1S3F3S2F21st

相3rd相2nd

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相3rd相SSSSSS2023/2/1二、馬達(dá)(續(xù))(4)交流馬達(dá)結(jié)構(gòu)與組成(續(xù))單相感應(yīng)馬達(dá)定子--振盪磁場(chǎng)參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))SFSS2023/2/1二、馬達(dá)(續(xù))(4)交流馬達(dá)結(jié)構(gòu)與組成(續(xù))感應(yīng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子--分鼠籠型及線圈型兩種參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))2023/2/1二、馬達(dá)(續(xù))(4)交流馬達(dá)結(jié)構(gòu)與組成(續(xù))感應(yīng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)原理佛萊銘右手定則：參考下圖參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))2023/2/1參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向NS轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁場(chǎng)方向SN二、馬達(dá)(續(xù))(4)交流馬達(dá)結(jié)構(gòu)與組成(續(xù))感應(yīng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)原理(續(xù))由佛萊銘右手定則得知，當(dāng)定子磁場(chǎng)作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子之銅棒因切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，透過(guò)兩端端板造成迴路產(chǎn)生感應(yīng)電流而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，參考右圖，兩磁場(chǎng)互相作用而使轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速同步時(shí)轉(zhuǎn)子之銅棒無(wú)切割磁場(chǎng)故無(wú)法輸出扭力。同步轉(zhuǎn)速為：(電源頻率)(2)(60)/(馬達(dá)極數(shù))2023/2/1二、馬達(dá)(續(xù))(4)交流馬達(dá)結(jié)構(gòu)與組成(續(xù))同步馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)原理定子同感應(yīng)馬達(dá)。轉(zhuǎn)子繞線並透過(guò)滑環(huán)以直流電源激磁產(chǎn)生磁極。因轉(zhuǎn)子之磁場(chǎng)非感應(yīng)而來(lái)故其轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步，同步馬達(dá)名稱由此而得。轉(zhuǎn)速為：(電源頻率)(2)(60)/(馬達(dá)極數(shù))。參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))2023/2/1二、馬達(dá)(續(xù))(5)伺服馬達(dá)參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))控制信號(hào)馬達(dá)本體編碼器Driver2023/2/1二、馬達(dá)(續(xù))(6)步進(jìn)馬達(dá)參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))2023/2/1二、馬達(dá)(續(xù))(7)線性馬達(dá)任何一種轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)，只要將其從圓心沿半徑切開(kāi)，再開(kāi)來(lái)攤成平的一直線，就會(huì)得到相對(duì)應(yīng)於該轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)的線性馬達(dá)可應(yīng)用於磁浮列車及無(wú)纜繩電梯。參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))2023/2/1三、氣缸(1)氣動(dòng)系統(tǒng)參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))2023/2/1三、氣缸(續(xù))(2)氣缸分類與操作原理參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))氣缸直線氣缸迴轉(zhuǎn)氣缸尺條齒輪式葉片式單動(dòng)式雙動(dòng)式2023/2/1三、氣缸(續(xù))(3)方向控制閥有手動(dòng)及電動(dòng)兩類，個(gè)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(chǎng)合。圖示為兩位置控制閥。參、致動(dòng)器(Actuator續(xù))2023/2/1一、控制系統(tǒng)分類(1)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)輸入信號(hào)送入控制器(控制器包括PLC﹑單片機(jī)控制器﹑工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等)﹐控制器將給定信號(hào)處理后送入放大器(放大器﹑驅(qū)動(dòng)器)﹐放大器將控制器輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大后﹐輸出驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如步進(jìn)馬達(dá))。肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)命令輸入控制器放大器完成命令規(guī)定動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)2023/2/1一、控制系統(tǒng)分類(續(xù))(2)半閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入信號(hào)送入控制器(如PLC﹑單片機(jī)控制器﹑工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等)﹐控制器將給定信號(hào)處理后輸出﹐送進(jìn)放大器(如伺服驅(qū)動(dòng)器)﹐放大器將控制器輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大輸入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如伺服馬達(dá))。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中有信號(hào)檢測(cè)元件(如速度編碼器)﹐隨時(shí)將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況反饋到控制器﹐控制器將反饋信號(hào)與控制信號(hào)進(jìn)行比較﹐如發(fā)現(xiàn)有偏差值﹐控制器立即輸出控制信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正偏差﹐使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度﹐但它不能清除執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如絲桿)的機(jī)械誤差。肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)命令輸入完成命令規(guī)定動(dòng)作控制器放大器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)感測(cè)元件比較器2023/2/1一、控制系統(tǒng)分類(續(xù))(3)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)與半閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別﹕全閉環(huán)控制系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)元件直接安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上﹔它能克服絲桿等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械誤差﹐能達(dá)到相當(dāng)高的控制精度抗干擾能力很強(qiáng)﹐但是調(diào)試相當(dāng)困難﹐它僅用在控制精度要求相當(dāng)高的場(chǎng)合。肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)比較器完成命令規(guī)定動(dòng)作控制器放大器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)感測(cè)元件命令輸入2023/2/1二、感測(cè)器(1)簡(jiǎn)述能感受規(guī)定的被測(cè)量並按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測(cè)裝置,能感受到被測(cè)量的信息,並能將檢測(cè)感到的信息,按一定規(guī)律變換為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、儲(chǔ)存、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)2023/2/1二、感測(cè)器(續(xù))(2)分類肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)物理量感測(cè)器溫度感測(cè)器流量感測(cè)器速度感測(cè)器壓力感測(cè)器位移感測(cè)器2023/2/1二、感測(cè)器(續(xù))(2)分類(續(xù))肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)感測(cè)器工作原理光電感測(cè)器光柵感測(cè)器霍爾感測(cè)器電壓感測(cè)器電阻感測(cè)器電容感測(cè)器電感感測(cè)器2023/2/1二、控制器控制器是自動(dòng)化設(shè)備的靈魂，有如人類的頭腦，悠關(guān)設(shè)備整體功能與性能表現(xiàn)?？刂破鹘邮茌斎胫噶罴皝?lái)自感測(cè)器之回饋信號(hào)，利用其內(nèi)部經(jīng)適當(dāng)編輯之控制軟體及內(nèi)建之硬體，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換(D/A、A/D)、比對(duì)、運(yùn)算、判斷、…等處理後，送出控制信號(hào)經(jīng)過(guò)放大驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，完成輸入指令要求。常用的控制器有：PLC、多軸控制器、工業(yè)PC、單片機(jī)、傳統(tǒng)邏輯電路、…等等。肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)2023/2/1伍、自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)需求提出需求確認(rèn)可行性可行性評(píng)估需求分析方案提出方案確認(rèn)初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)審查細(xì)部設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)審查採(cǎi)購(gòu)加工系統(tǒng)組裝調(diào)校測(cè)試驗(yàn)機(jī)交機(jī)責(zé)任擔(dān)當(dāng)客方供方雙方20