三轴并联式机构控制.doc

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。397一.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，1994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. 既有萬向接頭和球窩街頭,剛性低而成本高。d. 望遠鏡筒式連桿製造不易。4. 串聯式之缺點：a. 需負載驅動器,結構負載加重,轉動慣量高。b. 再高負載及高速運作的情況下仍容易產生震動。c. 各關節的誤差會累積在輸出端,使精度難以提升。d. 負載能力受到限制。2.3 VB軟體介紹在Windows的畫面上執行開始/程式集/Microsoft Visual Basic 6.0/Microsoft Visual Basic 6.0即可啟動Visual Basic啟動後隨即進到Visual Basic的開始畫面，畫面中央會出現建立新專案對話方塊，選擇標準執行檔再按開啟舊檔，即可出現VB的構成畫面。1、 功能表列：提供了VB中的各種操作命令。2、 工具列：將功能表中常用的指令以圖示按鈕表示，只要再按鈕上按一下，就如同在功能表中選取該指令，如功能表中執行檔案/開啟專案。3、 工具箱：在此列出所有可以在表單上佈置的控制項，如命令鈕、文字方塊。4、 表單：這是編譯VB程式時，最基本的畫面，工具箱內的各控制項皆可佈置在表單上。5、 專案視窗：VB程式是由表單模組(.Frm)、標準模組(Bas)和類別模組(Cls)等模組所構成的，這些組成要素都紀錄在專案檔(.Vbp)裡，因此使用專案視窗將可全覽某一專案的所有組成要素。6、 屬性視窗：控制項的功能或性質稱為屬性，當您選擇了某一控制向後，屬性視窗將顯示出該控制項的所有屬性，以供設定。7、 表單配置視窗：表單執行時，其在螢幕上的顯示位置，可以在此視窗中設定。圖1 VB構成畫面三、控制程式：傳統上學習硬體的輸出輸入(I/O)均為組合語言或是C語言，他們各自有其一些缺點，如組合語言本身很難學，C語言雖然比組合語言好學，但它作I/O實驗也和組合語言一樣是不容易看到實驗的結果，它缺少視覺化物件。Windows作業系統強大的圖形介面支援能力，可以輕鬆的在視窗環境下進行I/O控制。本文採用Visual basic(VB)作為I/O控制的開發工具，VB挾著簡單易學的特性，可以在很短的時間內發展出具備良好圖形的使用者介面之應用軟體，加上VB它可以單步或多步(程序)執行的特色，來作I/O控制實驗可說是最佳選擇之一，可是VB本身並沒有提供I/O任何的指令。因此，我們利用Visual C + +製作IO.DLL，使VB具備I/O功能，OUTP( )作為寫出資料到輸出附上，INP( )是讀取輸入阜上的資料。讓微處理機實驗可以輕鬆的在是環境下進行I/O控制。最後，我們以LED控制燈號為例，將VB如何控制I/O的軟體規劃與硬體電路作一詳細的說明。一般而言，微電腦與外界周邊設備進行I/O的方式可分為並列與串列兩種控制方式，並列控制方式最常使用的是8255這顆可程式化周邊介面晶片(PPI)，它是一顆具有多功能的I/O元件可最為系統匯流排與周邊裝置進行並列式的I/O與印表機輸出阜。至於串列示的I/O控制則可利用電腦內部的RS232(COM1阜與COM2阜)與外界進行串列通信。傳統上學習硬體的輸出輸入(I/O)均為組合語言或是C語言，他們各自有其一些缺點，如組合語言本身很難學，初學者要將所有的佔存器(register)旗標(flag)弄清楚並不是一件容易的事，等這些學完後才開始寫程式，要來控制外界的硬體。C語言雖然比組合語言好學，但它也與組合語言一樣，要面對另一種學習障礙，即傳統上作I/O實驗是不容易看到實驗結果，除非你的軟硬體都正確無誤。3.1.視窗I/O介面控制： VB挾者簡單易學的特性，號稱全美大學生最受歡迎的視窗語言，它的語法與Quick Basic(QB)完全相同，可以在短時間內發展出具備良好的圖形使用者介面之應用軟體，再加上VB它可以單步或多步(程序)執行的角色，並同時具備直譯器與編譯器的功能，來作I/O實驗可說是最佳語言選擇之一，然而VB本身並沒有提供I/O指令，因此無法直接控制I/O裝置(簡稱DLL)，直接將C語言的I/O函式Inportb( )與Outportb( )，包裝起來，設計出IO.DLL動態連結函式庫，以提供Visual Basic直接控制I/O介面可的能力，解決VB無法控制I/O的問題。 對於曾經使用C語言寫過I/O控制程式的人來說，一定非常熟悉OUTP( )合INP( )Microsoft C或Outportb( )和Inportb( )Turbo C兩個輸出與輸入函式，這兩個I/O函式可分別用來寫出資料到輸出阜上或是讀取輸入阜上的資料。而對於熟悉QB的人而言，便可以使用OUT( )和INP( )的函式來完成控制I/O的動作。 但對於工科的學生，總不能找是在DOS下撰選硬體的控制程式，他們一定很想嘗試地在Windows下控制硬體的控制程式，藉由Windows強大的圖形使用者介面之支援能力，可以輕鬆地開發圖形監控系統，為了幫助一般工科學生完成此一心願，我們嘗試利用Visual C+設計而成，而將INP( )和OUTP( )兩個函式包裝起來，完成IO.DLL動態連結函式庫的製作，並解決VB無法控制I/O的問題。讀者可自行將它複製到Windows System目錄下，在下一段中將會有更詳細的說明如何在VB中使用IO.DLL。圖2說明了視窗I/O介面控制是由作業系統(Windows98/95)、I/O動態連結式庫(IO.DLL)、介面可、及IO裝置之間的關係。圖2 視窗I/O介面控制方塊圖3.2. I/O.DLL使用：本節將說明如何使用IO.DLL來進行I/O控制，IO.DLL是使用Visual C+設計而成，而其內含有兩個最基礎的輸出入函式Outportb( )和Inportb( )，對於如何使用DLL動態連結函式庫，可以在專案中引入IO.bas檔案中看到這兩個函式的宣告，bas用來定義具有專案層次等級的變數和函數，其基本上宣告如下:Declare Function inportb IO.DLL(ByVal Address As Integer)As IntegerDeclare Sub outportb Lib IO.DLL(ByVal Address As Integer,ByVal date As Integer) 上面宣告有兩個用途，其一方面為幫忙vb做語法檢查的工作，另一方面告訴VB這兩個函式在何處，以便程式在執行時可以找到該函式。Inputb主要工作是讀取值，故宣告成函式型態，而address為值定I/O的位址，而在outportb則宣告成副程式型態，並包含I/O位址(address)及輸出資料(date)。 在本系統中，使用者只要先在VB中，利用這些生動活潑的控制項，組合起來，進行另人賞心悅目的軟體程式，等到軟體測試正確無誤後，再去控制硬體做軟硬體的整合測試。在程式中我們可以設計當軟硬體合在一起作整和測試時，只要外界狀態有任何改變，則在Windows中其相對應的視覺化控制項上，就會根據外在環境的改變，適時地做適當的更新顯示，如此一來，使用者便可以經由圖形變化來掌握所有硬體裝置變化情形，以使實驗在最沒有障礙下進行，讓使用者對自己有信心，進而提高對硬體的興趣。四、系統硬體：本專題系統硬體主要由三軸並聯機構主體、驅動電路、電腦與電源供應器四大部份所組成。4.1 三軸並聯機構主體：:主要由三個直流馬達、連桿、萬向接頭與機架所組裝而成，如圖3所示 圖3、 三軸並聯機構主體圖4.2 驅動電路：驅動電路的功能為將電腦之控制訊號放大並驅動三個直流馬達動作，電路圖與實體圖，如圖4、圖5所示圖4、驅動電路圖圖5、驅動器圖4.3 電腦：電腦為控制器與人機界面，控制程式使用VB撰寫而成，如圖6所示圖6、PC:控制器圖4.4 電源供應器：這是一般家用電腦所使用的電源供應器，我們因看上它的輸出電壓既穩定又剛好符合我們在電壓上的需求而決定使用它，如圖7所示。圖7、電源供應器圖4.5 系統硬體實物圖圖8、系統硬體實物圖五結語 從工具機高速化及高加速度化的發展趨勢及國內模具業及3C產業的蓬勃發展角度來看，高速化（高主軸轉速及進給速率）、高生產效率機種絕對是未來市場的主流，近年來歐、日較先進之工具機進給速度已達100M/min以上，加速度也在1.5G至2G，有些實驗機種已到3.5G5G的加速度；傳統串聯式機構工具機由於機構的限制及成本的考量，欲達上述之技術指標，有其很大之障礙，故並聯式機構絕對是工具機高速化很好的應用方式。 目前世界上只有非常少之並聯式機構工具機量產，然而部分已有數十台的銷售實績，例如HITACHI之超高速鑽孔、攻牙機PA35(M3X0.5X6L螺孔0.7秒孔)及NEO ROBOTICS AB公司的TRICEPT(搭配西門子控制器)皆有台以上的銷售實績，證明並聯式機構工具機確實可實際應用於生產線；其中在五軸工具機的加工應用領域中，並聯式機構工具機之成本遠低於傳統串聯式機構工具機。然而並聯式機構工具機之發展，無論在機構構型、工作空間分析、專利問題、高剛性關節、機構運動、動態數學模式的研究、空間誤差、溫昇誤差補償及專用控制器之路徑、速度、控制法則研究，皆比傳統工具機複雜許多，難度較高，如能整合國內資源，研究上述問題，必能提昇我國工具機技術與先進國家並駕齊驅，再結合國內強勢之3C 產品之代工產業之應用，必可使我國工具機居於領先地位。 經過了兩個學期所學習的專題製作，讓我們知道不是只有刻版印象的傳統機械，在現代工業上自動化機械設備快速效果，使機械不需人力控制，直接受電腦自動化，所以我們學到的是最新電腦軟體來操控，和許多機械原理合併在電腦應用程式，不再受到侷限，因此我們覺得所學到的是