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運動控制+機器人分進合擊之自動化應用

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工業機器人基本上就是「複雜」而「多軸」的運動控制,相較於一般的三維運動控制來說,工業機器人所需要的運算式,絕對是複雜而多重的,因此對自動化產業來說,機器人的存在一方面是新鮮,一方面也充滿挑戰。ABB
工業機器人基本上就是「複雜」而「多軸」的運動控制,相較於一般的三維運動控制來說,工業機器人所需要的運算式,絕對是複雜而多重的,因此對自動化產業來說,機器人的存在一方面是新鮮,一方面也充滿挑戰。ABB

智慧自動化系統已逐漸迎向第二次自動化時代,這也成為台灣製造業發展的必然趨勢,這與60年代第一次自動化大量生產時代有些不同,其中最具體顯露於外的差別,應是加裝各式力覺、視覺感測器,以反饋上層管理系統來進行運動控制,「智慧化」的需求也成為現在生產線上的重點趨勢。

尤其在3C產業多樣化及彈性生產的需求下,對照近幾年歐日系大廠於德國慕尼黑自動化展表現,包括傾巢而出的多款適用人機混線作業新機種,也顯示運動控制與工業機器人整合人力,在產線上的整合性需求也是重點項目之一,當然亦擴張其安全性需求。機電系統業者若能掌握此趨勢,提供整合模組化產品,似乎將更有助於創造長遠商機。

工業機器人與傳統運動控制最大的不同,的確在於「整合度」的問題,這也是今後如果要善用此兩者的最大課題。研華

工業機器人與傳統運動控制最大的不同,的確在於「整合度」的問題,這也是今後如果要善用此兩者的最大課題。研華

如果要談機器人在自動化的應用,運動控制是免不了拿來比較的技術。傳統上來說,運動控制最早是透過傳統零組件齒輪、凸輪、聯軸器達成,但隨著電子元件、軟體日益發達,逐漸可把硬體設備性能透過軟體模擬,所以於機械開發更為彈性、簡單,只要修改軟體、參數或更換市面上容易取得之電控模組就能升級,未必需要全部更換硬體,因此在已經自動化的現場來說,廠商可能也不一定有將現有設備轉為機器人的需求;以產業別來看,機械業可說是這類的指標性產業,所以當需要轉向發展時的動作較為遲緩。

然而,隨著機器人發展迄今已超過50年歷史,面對著21世紀這個快速變化的時代,不僅高齡少子化現象日趨嚴重,且產品生命週期越來越短,尤其是3C產品未來生產線自動化受到雙重的考驗,一來要應付多量多樣的產品,另外又面臨缺工的問題。機器人必須從原來減少員工枯燥、簡單重複、危險的工作環境中,進化到可以多量多樣的生產,演變成為「智慧型機器人(機器人2.0)」。

加入機器人  想像完全不同

第一次自動化的觀念,可說是為了大量生產時單向取代人力所不及的工作,如3K(髒kitanai、辛苦kitsui、危險kikem)產業等,而第二次自動化(智慧自動化)則強調須具有少量多樣或多樣少量之彈性,以及增加視/力覺等感測元件,提供反饋功能。進而協助人類提升工作效率和作業員的水準,從單純加工進化到管理、維修機器人或自動化設備。

德國機械設備製造商聯合會(VDMA)對於「機器人+自動化=智慧生產」的趨勢報告指出,基於現今產品日益趨向微型化(Miniaturization),需在輕薄短小的空間裡擁有強大功能,以及汽車ABS brakes or ESP(Electronic Stability Program)要求絕對安全與可靠度(Safety and Reliability),透過自動化技術提供100%零缺陷的品質,因此強調應藉由彈性生產系統因應動態市場需求,改變生產技術,以縮短產品上市時間。

另外,把工業機器人整合到生產線上,也是目前運動控制系統發展趨勢之一。以工業機器人的分類來看,目前在系統上應用的主流仍是以四軸或六軸的關節型機器人為主,由於它在產線上的占用面積小,但可運動的範圍大,在靈活度及使用彈性上,成為自動化廠商的主要選項。

相較於主要以歐美與日本起家的關節型機器人,主要應用在像是汽車廠等高髒污、高危險等環境,這是具有發展時空背景所造成的;此外,由於工業機器人的作動一致性高,只要作動設定正確,即可成為取代人力的首選。簡單來說,導入工業機器人的目的,其實主要還是來自於產線規劃的目的,由於工業機器人在某些程度上可以降低產線所需要的面積,加上它可以進行較複雜的作動,也可以減少相關附屬機台需求的建置成本,對設備商與使用者來說,導入工業機器人可在建置系統上節省部分的成本,在某些部分上亦可提升產線的效能。但當工業機器人加入運動控制系統規劃中,將讓運動控制系統產生不同的發展。

同中有異  走出自動化的不同面貌

工業機器人基本上就是「複雜」而「多軸」的運動控制,相較於一般的三維運動控制來說,工業機器人所需要的運算式,絕對是複雜而多重的,很多時候工業機器人的製造商,就須將這些複雜的控制邏輯「包」在獨立的控制器中。由於工業機器人主要仍以自有的模組進行控制為主,與傳統由控制器來送訊息給馬達要求作動的作法,有相當程度的不同,因此工業機器人與目前自動化廠商透過整合泛用型控制器軟硬體,來進行機構設計及行為設計的模式有些不同。由於使用者自行設計工業機器人的軟硬體及行為作動的難度較高,因此與運動控制主要的做法,仍是透過通訊整合工業機器人與產線的互動,透過模組式的整合導入傳統運動控制的生產線上,因此的確存在一些挑戰。

直覺地說,工業機器人與傳統運動控制最大的不同,的確在於「整合度」的問題。以終端使用者的角度來看,相較於運動控制系統仍需要進行與應用環境間的整合規畫,整合度較高的工業機器人當然較受使用者的青睞;但相對來說,以設備商的角度來看,同樣由於它的整合度「太高」,對於應用的發展彈性當然較為弱勢,像是精細加工或是陣列加工等需要產能的部分,仍會是應用運動控制設計,而工業機器人的主要應用環境,應該仍是在取代人力的面向為主,本來不會應用人力進行加工的部分,應用工業機器人可能也無法產生效率。

對設備的擴充來說,由於工業機器人的作動設計已經固定,在產能調整上缺乏彈性,靈活度因此降低,代價也跟著增加,因此導入工業機器人的應用,多以常態化及量大的工作需求為主;此外未來在工業機器人設計上,如何讓它「更接近人」的運作模式,將會是發展的重要課題。

此外,由於在系統同步上需要更穩定的互動,甚至是運動控制與工業機器人、視覺及感測器等其他裝置的整合,在通訊介面上將會是自動化廠商下一階段面臨的重要課題。相較於傳統封閉式的控制邏輯,如果透過Softmotion的技術來取代原有的封閉式控制器,將有助於與運動控制系統的完整整合,透過邏輯演算,可以協助工業機器人與運動控制系統開發完整的同動的邏輯處理。但這樣的趨勢仍在發展當中,前提必須是Softmotion更被市場所接受,可以說是這兩者是會被同步的影響。