自動化設(shè)計理念與分析

自動化設(shè)備制造課程講義自動化設(shè)計的理念與分析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)越來越清閒人類卻越來越忙碌但是人類的宿命？上帝的嘲弄？沒有自動化？楔子永無止境的慾望？2023/2/1內(nèi)容陸、結(jié)束語伍、自動化設(shè)備開發(fā)肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)參、致動器(Actuator)貳、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(Mechanism)壹、自動化設(shè)備組成2023/2/1壹、自動化設(shè)備組成2023/2/1壹、自動化設(shè)備組成(續(xù))自動化設(shè)備運(yùn)動機(jī)構(gòu)致動器控制器控制系統(tǒng)感測器???2023/2/1貳、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(Mechanism)直線運(yùn)動機(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)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))一、直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)提供直線之運(yùn)動，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)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))二、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供旋轉(zhuǎn)之運(yùn)動，可與直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)搭配使用合成平面或3D之平移旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?？剂恳蛩赜嬘校盒谐檀笮?。各方向偏擺度、平滑程度(運(yùn)轉(zhuǎn))。荷重能力。2023/2/1貳、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：剛體運(yùn)動(平面/空間)自由度(DegreeofFreedom)定義物體位置所需參數(shù)個數(shù)。平面剛體有3個自由度(X、Y方向平移及Z方向旋轉(zhuǎn))，空間中剛體則有6個自由度(X、Y、Z方向平移及X、Y、Z方向旋轉(zhuǎn))。非剛體有無限多個自由度。提示：可適當(dāng)?shù)呐渲弥本€運(yùn)動及旋轉(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)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：剛體運(yùn)動(平面/空間)續(xù)拘限(Constrain)限制物體運(yùn)動之機(jī)制。平面剛體運(yùn)動只要3個拘限則可固定剛體使之不動，空間剛體運(yùn)動則需用6個拘限方可固定剛體使之不動。無論平面或立體空間，均可有無限多拘限。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)自由度為零時稱為『靜定』(StaticDeterminate)，系統(tǒng)自由度小於零時稱為『靜不定』(StaticIndeterminate)。靜不定之系統(tǒng)會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)計為求精確定位應(yīng)採靜定之設(shè)計。貳、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：剛體運(yùn)動(平面/空間)續(xù)2023/2/13-2-1定理一物體將會被完全精確的限制在相互垂直之三個平面中，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，也就是說系統(tǒng)自由度正好為零。貳、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：剛體運(yùn)動(平面/空間)續(xù)2023/2/1貳、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))三、間歇/分度機(jī)構(gòu)提供間歇之運(yùn)動，可與其他運(yùn)動機(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)用在多工站同時工作之場合。常用的有：日內(nèi)瓦及渦輪渦桿機(jī)構(gòu)?？剂恳蛩赜嬘校悍侄葦?shù)。驅(qū)動角/定位角(轉(zhuǎn)動/停止時間)。分度精度。荷重能力。2023/2/1貳、運(yùn)動機(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)動鏈可分為：固定鏈拘束鏈無拘束鏈等三種。構(gòu)造簡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)用場合極廣泛。2023/2/1貳、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))四、連桿機(jī)構(gòu)(續(xù))2023/2/1貳、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))五、凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)主要以凸輪及從動件構(gòu)成。機(jī)構(gòu)中凸輪勻速旋動，帶動從動件往復(fù)移動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊可準(zhǔn)確快速實(shí)現(xiàn)任意規(guī)律運(yùn)動。凸輪極適合應(yīng)用在需快速精準(zhǔn)之場合，缺點(diǎn)是修改比較困難。2023/2/1貳、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(Mechanism續(xù))提示：自動化設(shè)備機(jī)構(gòu)總成進(jìn)/出料裝置自動進(jìn)料常用方式有：振動、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、…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、致動器(Actuator)一、致動器種類致動器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動直線運(yùn)動旋轉(zhuǎn)氣缸線性馬達(dá)油壓缸氣缸馬達(dá)油壓馬達(dá)氣動馬達(dá)2023/2/1參、致動器(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)磁場參、致動器(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--振盪磁場參、致動器(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、致動器(Actuator續(xù))2023/2/1參、致動器(Actuator續(xù))定子磁場旋轉(zhuǎn)方向NS轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁場方向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)定子磁場作順時針旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子之銅棒因切割磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，透過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，參考右圖，兩磁場互相作用而使轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子磁場轉(zhuǎn)速同步時轉(zhuǎn)子之銅棒無切割磁場故無法輸出扭力。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)子繞線並透過滑環(huán)以直流電源激磁產(chǎn)生磁極。因轉(zhuǎn)子之磁場非感應(yīng)而來故其轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場同步，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、致動器(Actuator續(xù))2023/2/1二、馬達(dá)(續(xù))(5)伺服馬達(dá)參、致動器(Actuator續(xù))控制信號馬達(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)動馬達(dá)，只要將其從圓心沿半徑切開，再開來攤成平的一直線，就會得到相對應(yīng)於該轉(zhuǎn)動馬達(dá)的線性馬達(dá)可應(yīng)用於磁浮列車及無纜繩電梯。參、致動器(Actuator續(xù))2023/2/1三、氣缸(1)氣動系統(tǒng)參、致動器(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式雙動式2023/2/1三、氣缸(續(xù))(3)方向控制閥有手動及電動兩類，個別又分兩位置及三位置兩種，三位置比兩位置多一中位置，用於須鎖定場合。圖示為兩位置控制閥。參、致動器(Actuator續(xù))2023/2/1一、控制系統(tǒng)分類(1)開環(huán)控制系統(tǒng)輸入信號送入控制器(控制器包括PLC﹑單片機(jī)控制器﹑工業(yè)控制計算機(jī)等)﹐控制器將給定信號處理后送入放大器(放大器﹑驅(qū)動器)﹐放大器將控制器輸出信號進(jìn)行功率放大后﹐輸出驅(qū)動執(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)輸入信號送入控制器(如PLC﹑單片機(jī)控制器﹑工業(yè)控制計算機(jī)等)﹐控制器將給定信號處理后輸出﹐送進(jìn)放大器(如伺服驅(qū)動器)﹐放大器將控制器輸出信號進(jìn)行功率放大輸入驅(qū)動機(jī)構(gòu)(如伺服馬達(dá))。驅(qū)動機(jī)構(gòu)中有信號檢測元件(如速度編碼器)﹐隨時將驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況反饋到控制器﹐控制器將反饋信號與控制信號進(jìn)行比較﹐如發(fā)現(xiàn)有偏差值﹐控制器立即輸出控制信號對驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正偏差﹐使整個系統(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)定動作控制器放大器驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動機(jī)構(gòu)感測元件比較器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)的信號檢測元件直接安裝在執(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)高的場合。肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)比較器完成命令規(guī)定動作控制器放大器驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動機(jī)構(gòu)感測元件命令輸入2023/2/1二、感測器(1)簡述能感受規(guī)定的被測量並按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,並能將檢測感到的信息,按一定規(guī)律變換為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、儲存、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)2023/2/1二、感測器(續(xù))(2)分類肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)物理量感測器溫度感測器流量感測器速度感測器壓力感測器位移感測器2023/2/1二、感測器(續(xù))(2)分類(續(xù))肆、控制系統(tǒng)(ControlSystem)感測器工作原理光電感測器光柵感測器霍爾感測器電壓感測器電阻感測器電容感測器電感感測器2023/2/1二、控制器控制器是自動化設(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碜愿袦y器之回饋信號，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)過信號轉(zhuǎn)換(D/A、A/D)、比對、運(yùn)算、判斷、…等處理後，送出控制信號經(jīng)過放大驅(qū)動致動器，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、自動化設(shè)備開發(fā)需求提出需求確認(rèn)可行性可行性評估需求分析方案提出方案確認(rèn)初步設(shè)計設(shè)計審查細(xì)部設(shè)計設(shè)計審查採購加工系統(tǒng)組裝調(diào)校測試驗(yàn)機(jī)交機(jī)責(zé)任擔(dān)當(dāng)客方供方雙方20