Chapter13 數值控制與電腦輔助製造.

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1 Chapter13 數值控制與電腦輔助製造

2 本章架構 13.1 前言 13.2 數值控制 13.3 數值控制之機器有何優點 13.4 數值控制系統之基本組成
13.5 數值控制系統之分類 13.6 數值控制運作控制系統 13.7 數值控制程式設計 13.8 數值控制零件程式製作法 13.9 自動控制 13.10 回饋控制系統元件 13.11 電腦數值控制 13.12 直接數值控制 13.13 切削中心 13.14 機械人 13.15 電腦輔助製造

3 13.1 前言

4 前言 數值控制（numerical control，簡稱NC）係在第二次世界大戰後數年，為適應較強而輕之噴射飛機結構要求，方才開始。
自一整塊材料切削成機翼或機身零件以代替將甚多零件用鉚釘接合，其費用可以較低，而整塊結構比較堅固，而且重量較輕。

5 13.2 數值控制

6 13.2 數值控制 數值控制不是一種機械加工的方法，而是一種機械的控制方法。經由儲存在紙帶、表列卡片(tabulating cards)及電腦之儲存單元等方式輸入控制器，或直接輸入資訊（information），以控制工具機的操作。

7 13.3 數值控制之機器有何優點

8 數值控制之機器有何優點 可免除人為操作的錯誤 可降低勞力成本 可以輕易的進行較複雜工件 有較長之刀具壽命(tool life)
可免用特別鑚模（jigs）與夾具（fixtures） 減少檢驗時間 不良率低 可精確估計成本及生產計畫 較小之經濟生產批量

9 13.4 數值控制系統之基本組成

10 數值控制系統之基本組成 指令程式（program of instructions）
機具控制單元（machine control unit, MCU） 工具機（machine tools）

11 13.5 數值控制系統之分類

12 13.5 定位/直切系統 定位系統 定位/直切系統 輪廓系統 輪廓/定位聯合系統

13 定位系統 定位系統（positioning system）或稱為點對點（point to point），此系統是數值控制最簡單之形式。

14 定位/直切系統 定位/直切系統（positioning/straight-cut system）除定位之外，尚沿工具機之每一軸做铣切之操作。

15 輪廓系統 輪廓系統（contouring system）具有最大的伸縮性，所有定位與直切系統之操作，輪廓系統均能進行。

16 輪廓/定位聯合系統 輪廓/定位聯合系統（contouring/positioning combination system）係將每種方法之優點予以聯合。

17 13.6 數值控制運作控制系統

18 數值控制運作控制系統 絕對系統（absolute positioning system）：刀具路徑各點座標﹙X, Y﹚或﹙X,Y,Z﹚值，均以原點為量測標準，每一刀具路徑都各獨據點座標，較複雜，優點為刀具路徑因故當機或停機時，刀具不必由原點重新啟動 增量系統（incremental positioning system）：刀具路徑各點座標﹙X, Y﹚或﹙X,Y,Z﹚值，均依一定增量△X ,△ Y,△Z 行進，PN＋1點為點增量△ X, △ Y,△Z前進之路徑，此系統簡便，缺點為絕對系統優點的相反

19 13.7 數值控制程式設計

20 13.7 數值控制程式設計 數值控制加工語意與其標準順序

21 數值控制程式設計

22 13.7.1 數值控制加工語意與其標準順序（1/3） 順序號碼（sequence number）
準備功能（preparatory work） 座標字組（coordinates） 進給率（feed rate） 切削速率（cutting speed） 刀具選擇（tool selection） 雜項輔助機能（miscellaneous function）

23 數值控制加工語意與其標準順序（2/3）

24 數值控制加工語意與其標準順序（3/3）

25 13.8 數值控制零件程式製作法

26 13.8 數值控制零件程式製作法 數值控制零件程式製作法分
1.人工程式製作（manual part programming） ：零件程式製作師，必須確實知道如何將控帶﹙paper tape﹚編碼，使其能依照製造計畫引動工具機 2.電腦輔助之程式製作系統（computer-assisted part programming, the APT system） ：研究具有電腦程式之數值控制工具機之計畫

27 13.8 數值控制零件程式製作法 自動刀具程式﹙Automatically Programmed Tools , APT ﹚---APT 語言 自動刀具程式是一種強有力之程式製作語言，可以應用與簡單英語相似之語言與電腦溝通。APT 語言有四種敘述類別： 1.幾何敘述（geometry statements） ：定義幾何元件 2.動作敘述（motion statements） ：由刀具來描述路徑 3.後處理敘述（postprocessor statements） ：配合工具機特性規範進給與速度 4.輔助敘述（auxiliary statements） ：確認工件、工具、公差等

28 人工程式製作

29 13.9 自動控制

30 13.9 自動控制 任何控制系統均被認為應具有四種主要特性：感測資料的能力、制定邏輯決定、通訊與引動（communicate and actuate）、儲存資訊於儲存器。

31 13.9 自動控制 自動控制系統有時被稱為伺服機構。伺服機構可能是機電組件的複雜矩陣或可能是一簡單的機械裝置。分為：
開環控制系統 閉環控制系統 系統響應

32 開環控制系統 開環控制系統（open-loop control system）係伺服機構最簡單的形式，是以無回饋（feedback）為其特徵；及輸入控制信號之後，並無感測裝置以確認控制信號的作用。

33 閉環控制系統 閉環控制系統（close-loop control system）係以有回饋為其特徵，系統輸入與驅動組件及（或）定位組件的輸出繼續不斷地加以比較，利用誤差偵測器送回一個信號，該信號係以以輸入與回饋之間的差異成比例。

34 系統響應 每一系統都有其特性的響應（response）時間，此為系統對於輸入信號反應所需的量度。如一個烤麵包機的響應時間可能在3秒就會升高5度 特性響應通常被指定為系統的時間常數，此時間常數，也就是時間常數之量度系統響應到達其希望值的63％所需的時間。

35 13.10 回饋控制系統元件

36 13.10 回饋控制系統元件 一個自動控制系統的正確硬體組態，係依其特定的系統需求條件而定。典型的數值控制伺服機構需要下列組件：換能器、伺服馬達及控制放大器。這些系統組件被整合成一個閉環，如圖13.11所示

37 13.11 電腦數值控制

38 13.11 電腦數值控制 電腦數值控制（computer numerical control, CNC）是利用小型電腦（minicomputer）來控制操作工具機。已非常普遍應用於工廠之實際生產。

39 13.12 直接數值控制

40 13.12 直接數值控制 直接數值控制（direct numerical controls, DNC）是一種數值控制相當新穎的發展，直接自電腦指令自動操作機器。同一電腦在同一時間，可以操作一台以上之工具機 優點 於由控帶可以省卻，故無帶之儲存問題，或帶打錯誤之可能性。 程式校正及修改比較容易，可直接進入電腦變更校正。 工廠各級主管可以對工廠作業有較佳之控制，因為電腦能自動保持紀錄。

41 13.13 切削中心

42 13.13 切削中心 切削中心（machining center）或稱加工中心，是數值控制之工具機系統，有鑽孔、攻螺絲、搪孔等多種零件外形功能，如圖13.12 ，並可自動更換刀具，定位工件於各種位置，以及當一工件正在切削時，可同時裝、卸另一工件。最大特點是節省了刀具的更換時間

43 13.14 機器人

44 13.14 機器人 機器人（robots）俗稱為機械手，具有重複工作能力而不疲倦的特性，在對眼睛有害或不安全的環境中，均可以機械手代替。靠近酸槽、爐子、鍛造、熱鋼錠及壓鑄零件場所之搬運操作。 機械手乃是數值控制之最新應用，先進國家如美、日、德，尤以日本已將機械手應用於電弧焊接的生產線，節省勞工費用，效率提高40%以上

45 13.14 機器人 13.14.1 機械手在工業製造上的應用 13.14.2 機器人的分類 13.14.3 機器人的構造
機器人的用途與應用

46 機械手在工業製造上的應用（1/2） 機器人(robots)在工業上一般稱為工業用機械手（industrial robots）。較新的機械手乃是模仿人體，有肩、手臂 、腕、手掌等六個自由度靈活動作的應用。如圖13.14

47 機械手在工業製造上的應用（2/2）

48 機器人的分類 三種方式 以控制方式分類 以驅動方式分類 以機器手臂幾何型式分類 閉環控制系統：用在塗裝、焊接與裝配操作上
開環控制系統：僅能做簡單的抓取及放置動作 以驅動方式分類 電力馬達（electric motor） 液壓機器人（hydraulically driven robots）以液壓機器人抓舉的能力最大，所佔體積最小 氣壓機器人（pneumatically driven robots） 以機器手臂幾何型式分類 球形關節幾何機器人 直線運動幾何機器人 圓柱幾何機器人 球座標機器人

49 機器人的構造 機器結構：含本體構造、機構、關節、連桿及齒輪元件 動力系統：有液壓、氣壓、電力驅動
感測系統：含位置、速度、加速度及力矩等內部感測元件。及溫度、壓力、視覺及觸覺等外部感測元件。 人工智慧：乃結合系統分析與高等方法的綜合性領域。如影像分析處理、語音辨識、程式解讀與資料庫分析，進而擬定對策

50 機器人的用途與應用 醫學用途 工業用機器人 夾持處理放射性材料 外科手術遙控機械臂 顯微鏡操控手術機 裝配、搬運、裝填與握持用機器人
輔助生產製造用機器人（如鑄造、鍛造、衝壓及一般機械加工等）

51 13.15 電腦輔助製造

52 13.15 電腦輔助製造 電腦輔助製造，簡稱CAM，一般係指於生產製造時，利用電腦的功能來協助規劃、管理及控制的各項過程。
包括電腦數值控制（NC、CNC、DNC）、電腦輔助製程規劃（CAPP）、生產排程（MPS）、物料需求規劃（MRP）、自動倉儲系統（AMHS、AS/RS）、彈性製造系統（FMC、FMS）

53 13.15 電腦輔助製造 製造規劃 製造控制

54 13.15.1 製造規劃 製造成本估計（cost estimating） 電腦輔助製程規劃
生產製造活動相關製程、加工機具及設備等資訊之監控（computer process monitoring） 電腦輔助NC零件程式製作（computer-assisted NC part programming） 工作標準之開發（development of work standards） 電腦輔助生產線上平衡（computer aided line balancing ） 生產與庫存品之規劃（production and inventory planning）

55 13.15.2 製造控制 調整的控制（regulatory control）：維持穩定生產製程
預先計畫的控制（regulatory control）：如程式控制、DNC及順序控制，事先依需要設定之控制 穩定狀態的最佳控制（steady state optimal control）：應用電腦輔助求取最佳運作條件 適時的控制（adaptive control）：生產製程中最佳運作的策略，維持最佳運作過程 進給向前的控制（feed forward control）：排除預期可能發生擾亂之衝擊，使生產依序進行 線上尋找技術（on line search techniques）：能直接找到大而繁雜不妥的製程，指示出適當的改變條件，增進製程之時效

56 Q & A