【李家同】為台灣加油打氣專欄(226)水平三軸機械手臂

張貼者:2021年2月21日 下午11:52台灣精密工程學會

李家同

侯冠維

 

機械手臂在工業自動化中是極為重要的設備,我們在此要介紹一種水平多軸機械手臂,又稱為SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm),圖一所顯示的是一個水平三軸機械手臂。


圖一、水平三軸機械手臂

 

在圖一的機械手臂中有三個可以水平轉動的關節,分別是ABC。這三個關節能夠轉動,主要是因為有馬達的緣故。在機械手臂及許多工具機或工業自動化設備當中,馬達都是一個非常重要的零組件,還有另外兩個重要的零組件,分別是減速機和控制器,請看圖二。

 

圖二、三大關鍵零組件

 

控制器包含了硬體和軟體,軟體就是程式碼,工程師要設計程式碼來命令控制器工作。控制器的任務,是要產生電子訊號給馬達,這個電子訊號可以命令馬達轉動或者停止,轉動又有分為順時針轉和逆時針轉,也有不同的轉速,這些都可以由工程師寫的程式碼來決定。

 

馬達的轉速可以很高,但旋轉的扭力是小的,沒有辦法推動很大的負載,這時我們要使用減速機。減速機內部有很多齒輪,可以將轉速降低,把扭力加大,如此一來就可以推動比較大的負載。

 

以上這些關鍵零組件,在機械手臂中非常重要,但還不夠,工程師還需要了解運動學演算法,請看圖三。


圖三、水平三軸機械手臂和運動學演算法

 

比方說,我們要機械手臂移動到某一個位置,這中間可能要做直線運動或者圓弧運動,手臂如何能夠移動?答案是要靠關節的轉動,我們只能命令馬達轉動,馬達轉動帶動關節轉動,只要三個關節都有適當的角度,機械手臂就可以移動到我們所要的位置。因此我們知道,想要讓機械手臂做出我們要的動作,就需要知道每一個關節對應的角度。

 

運動學是一套數學理論,它可以根據我們想要的機械手臂姿態,去計算出所有關節正確的角度。工程師把這套數學理論寫成程式碼,在軟體中實現運動學的數學計算,如此一來就可以快速的計算出關節的角度,並且命令馬達轉動到適當的位置。

 

        我們當然希望機械手臂的活動範圍是大的,一般的水平三軸機械手臂受限於手臂內部線材扭繞曲要求,機械手臂活動範圍大約是270度。為了提高機械手臂的活動範圍,我國的工程師自行開發了一套運動學演算法軟體,這套軟體中具備機械手臂的數位孿生(Digital Twin),能夠對機械手臂的虛擬與實體進行監測與回饋,這項技術使得機械手臂的活動範圍增加到420(一般正常使用處於360度範圍)


圖四、三軸機械手臂活動範圍示意圖

 

        除了機械手臂的活動範圍較大外,這家公司的機械手臂載重量也較高。一般的水平三軸機械手臂載重量大約3~5公斤,但他們的機械手臂載重是20公斤,這牽涉到機械手臂的機構設計,工程師必須注意結構強度、耐久性、振動抑制和升溫等問題。

 

我們國家已經有能力自行設計與製造這種水平三軸機械手臂,並且將它應用於晶圓倉儲自動化搬運系統,目前我們已經有能力輸出整廠設備。由於有自行開發的運動學演算法軟體,這家公司的機械手臂和軟體是互相搭配的,軟體價值是一億台幣,如圖五所示。

 

 

                                                            (a)半導體製品Tray載具搬運            (b) PCB高階製程製品取板

圖五 三軸機械手產業整合應用情境

 

值得我們注意的是,目前全世界有70%的減速機都是日本製的,而且價值是極高的。假如我們使用普通的減速機,它可能在運作幾個小時以後升溫到攝氏70度,這是會有問題的。而高級的減速機即使長時間運作,溫度都保持在攝氏40度。這一點顯示了精密工業的重要性,想要有高級的產品,就絕對不能不注意各種工業用的關鍵零組件。

 

我們已經有整廠輸出的公司,也可以賣掉價值1億元台幣的軟體,實在不是一件容易的事,非常值得大家高興的。

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