第三章 自動化系統

大綱 3-1 自動化的意義 3-2 自動化的演進 3-3 自動化元件與控制器 3-4 自動化的設施 3-5 電腦整合製造

3-1 自動化的意義 自動化可定義如下：自動化乃一應用機械、電 子與電腦化的系統來操作及控制生產的技術 自動化所使用的技術包括： 1.處理工件的自動化工具機 2.自動化裝配機器 3.工業機器人 4.自動化物料搬運及儲存系統 5.自動化品質控制檢驗系統 6.自動化製程控制 7.用於規劃、收集資料、作決策等支援製造活動所需的電腦系統

自動化應用在生產系統上又可分成兩種類型： 1.固定式自動化 固定式自動化是以一連串的加工或裝配作業 來處理工件。 2.彈性自動化 彈性自動化是由電腦來控制生產設備，可彈性地改變作業順序，以配合不同的產品結構之需求。

3-2 自動化的演進 自動化的發展則始於1909年，美國的福特汽車公司設立了第一條自動化生產線，用來大量生產汽車。二次大戰後，液壓、氣壓等被大量應用，自動化便由省力化發展到低成本自動化，1952年數值控制問世，加工作業得以數值控制的方式經由程式指令來引導切削刀具的行進位置，隨著微處理機、微電腦之進步，數值控制進展到電腦數值控制機。

「電腦輔助設計與製造」(computer aided design/computer aided manufacturing, CAD/CAM) 的技術出現，使工程師在設計與製造時更能得心應用，生產技術得以大為提高。到了1980年代之後，自動化已發展到將各種自動化的設備組成一個生產系統來同時生產多種樣式的產品群。這些生產設備包含了電腦、機器人、檢驗設備、與電腦數值控制工具機，而且使用自動化的搬運設備允許工件能以任何順序在機器群中被運送，如此構成了所謂「彈性製造系統」。

3-3 自動化元件與控制器 3-3-1 感測元件 在自動化設施中，經常需要檢測工件是否到達所需處理之加工機台的位置，有時則是需檢測出物體的位置移動量，以供控制器決定序列動作。其被用來檢測的元件稱之為感測器。常見的感測器有極限開關、光電開關、近接開關、電位計、與溫度開關等。

3-3-2 致動元件 在自動化的設備中，控制器送出命令來操縱設備中處理物件的部位，例如加工機的切削刀具。此部位通常是一個從動件，其動力乃是由原動件，經由傳動裝置傳送得來。 自動化設備的原動件一般可分成三種： (1)電動式：如電動馬達； (2)液壓式：如油壓幫浦； (3)氣壓式：如空氣壓縮機。

3-3-3 控制器 自動化設備可用的控制器甚多，其中最常被使用的是可程式邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)。 可程式邏輯控制器乃一藉數位或類比輸出入裝置，用特定的命令語言，將邏輯運算、順序控制、定時器、計數器、及算術演算等作成程式，並納入記憶裝置中，以控制機器或程序的電子裝置。

可程式邏輯控制器在使用時，隨時感知輸入信號，由內部作邏輯判斷，將結果輸出，以控制外界機器。其系統組合包括：中央處理單元 (CPU)、記憶體 (ROM 與 RAM)、輸入與輸出模組、電源供應器、及程式書寫器。

3-4 自動化的設施 3-4-1 數值控制工具機 何謂數值控制 所謂數值控制，意指利用一數值、字母與其他符號等來控制機器設備。這些數值、字母與符號係以一適當的格式來編碼，由而定義了某一特定工件的指令之程式。在處理工件時，刀具聽從預設的指令而動作。由於機器改變程式的能力，致使 NC 適用於多種少量或中量產品的生產。

數值控制的應用範圍很廣，適用於很多 種類的製程，諸如鑽孔、車削、銑切、 搪孔與其他金屬品製造之工具機。此外 諸如裝配、繪圖、與檢驗等作業的非工 具機也應用到數值控制。

NC的基本組成要件 數值控制工具機系統包含下列三個基本組成要件： 1.指令程式 2.機器控制單元 3.製程處理設備 製程設備 圖3.8 數值控制工具機組成要件

指令程式是指揮製程處理設備操作的詳細 逐步命令。 機器控制單元包含電子與控制的硬體設 備，可讀取並翻譯程式的指令，並將之轉 換成製程處理設備的機器動作。 製程處理設備是執行實際工作的部分。

NC 工具機的應用 每一種機製作業都可在某一種工具機上 執行，其種類包括： ˙鑽床 ˙銑切機器 ˙車削機器 ˙搪孔機器 ˙研磨機器

3-4-2 機器人 機器人的定義 機器人工業協會 (robotics industries association) 對工業機器人 (industrial robot) 的定義如下： 機器人是一種可以程式化，具有多種功能 的操作器，可經由事先設計好的各種可變 動作，來搬運物料、零件、機具、或其他 特殊裝置，並執行各種不同的工作。

機器人的實體組件 工業機器人的基本組件包括： 1.操縱器 (manipulator)：通常包含手臂(arm)、手腕 (wrist)、及末端器 (end effectors)。 2.致動器 (actuator)：一般有電動式驅動、液壓式驅動、與氣壓式驅動三種方式，提供動力以驅動操縱器。 3.控制單元：控制機器人運動的單元。

工業機器人的操縱器的手臂部份係由一串的關節與環節所構成。 工業機器人的手臂是用以對物體定位，而其手腕即在於調整物體方向。 工業機器人通常使用工具或夾具，附著於其腕部，而進行工作。此一附著於腕部的工具與夾具，稱為末端器。

3-4-3 自動檢驗設備 檢驗的目的與自動檢驗效能 檢驗意指檢查產品，以判定其是否符合產品設計者設計的標準。檢驗之目的有量測某特定產品的實際值與只簡單地檢查某特徵是否符合設計標準。

自動化檢驗感測器 感測器可分成兩大類： 1.接觸式檢驗 接觸式檢驗係使用一機械探針或其他儀 器，可與受檢的產品相接觸。接觸式方 法通常用來檢查零件之物理量度。 　　 2.非接觸式檢驗 非接觸式檢驗最常用的為光學感測檢驗 法，其中較為著名的為機器視覺。

　座標量測機 　座標量測機 (coordinate measuring machine, CMM) 係由一接觸式探測針與定位探測針所需之機構組成。探針並不只要求相對於零件做定位，也應正確與精密地記錄欲量測之部位的位置，以獲得零件幾何形狀之三度空間的資料。

機器視覺 　機器視覺的定義為，獲取影像資料，並以電腦來處理和解讀這些資料，以供某些有用途的應用。

3-4-4 自動搬運 定義 　美國物料搬運學會 (Material Handling Institute, MHI) 對無人搬運車所下的定義為： 　一種有電磁的或光學的自動導引系統搬運車輛，此種車輛可按照程式所下的命令導引路線行進、停止、與轉彎，並具有一些能夠與搬運系統連結工作的特殊功能。

自動搬運車系統的組成 　自動搬運車的主要組成有無人搬運車、導引系統、控制系統、通訊系統、週邊設備、與安全裝置。無人搬運車是一種以蓄電池為動力來源，可依循預定的導引路徑，按照事先設定的程式，自動前往目的地，取代人工從事各種物料裝卸及搬運的車輛。

3-4-5 自動倉儲系統 定義 根據美國物料搬運學會 (Material Handling Institute, MHI) 對自動化儲存/檢索系統 (automated storage/retrieval system, AS/RS) 所下的定義為： 在一界定的自動化程度下，準確、正確與快速地搬運、儲存、檢索物料，所需的設備與控制的組合。

AS/RS之基本元件 所有的自動化儲存／檢索系統皆由某些基本元件所組成，這些元件包括： 1.儲存結構 2.S/R機器 3.儲存模組 4.夾取／存放工作站

儲存結構是由鋼筋鐵架所構成，可承受存放在 AS/RS 內的重物。 儲存模組是儲存物料的容器。 夾取／存放工作站用以傳送負荷物至 AS/RS， 並自 AS/RS 載送負荷物。

3-5 電腦整合製造 電腦整合製造 (computer integrated manufacturing, CIM) 意指利用電腦來設計產品、計畫生產流程、控制生產作業、並執行與製造公司有關的一切企業功能。

CAD/CAM 電腦輔助設計 (computer aided design, CAD) 可定義為任何與電腦之有效運用之有關的設計活動，此時電腦用來產生、修正、或註解工程設計。電腦輔助製造(computer aided manufacturing, CAM) 定義為有效地運用電腦科技於製造功能中的規劃、管理、與控制上。

電腦整合製造 電腦整合製造包括了 CAD/CAM 之所有的工程功能，而且也包含了公司的企業功能。理想的 CIM 系統將電腦科技應用到製造產品所需的生產作業功能與資訊處理功能上，包括自訂單的接收，經由設計與生產，到產品的送貨。

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