TWI668088B - 往復式加工機與機械手臂取放整合系統 - Google Patents

Abstract

一種往復式加工機與機械手臂取放整合系統，包含往復式加工機、 控制器與機械手臂。往復式加工機具有旋轉軸及量測裝置，其中量測裝置設置在旋轉軸上，可以量測往復式加工機的旋轉角度，同時往復式加工機可用於對機械手臂抓取待加工工件進行加工。控制器可根據旋轉角度得到往復式加工機的行程位置資訊，並且控制機械手臂取下或放置工件。

Description

往復式加工機與機械手臂取放整合系統

本發明提供一種往復式加工機與機械手臂取放整合系統加工整合系統，特別的是一種用於改善往復式加工機與機械手臂取放工件效率的系統。

加工機的取放料裝置在加工機進行加工作業時扮演一個非常重要的角色，取放料裝置的性能會直接影響加工機執行加工作業的精準性及效率，而傳統加工機在搭配取放料裝置時需要一個加工機控制器與一個取放料裝置控制器，且控制器與控制器之間是透過輸入與輸出(Input/Output,IO)或總線通訊來交換訊息，又或者是使用加工機控制器多餘的控制軸做機械手臂的控制，但由於加工機控制器與取放料裝置控制器不是專用設計，在工件加工時未能提供有效的取放應用功能。

另外，在另一傳統沖床的加工機與機械手臂取放料中，是以授權訊號之方式進行溝通，發送授權訊號必須要等待機械手臂到達固定之等待點才能繼續進行，不僅效率低落，即時的調整與行程優化也難以進行。

因此，如何提出一種加工機取放料裝置與加工系統進行整合，能夠有效改善習知技術的缺點已成為一個重要的課題。

本發明主要的目的是提供了一種往復式加工機與機械手臂取放整合系統，藉由專用的量測裝置量測旋轉角度，接著由控制器根據旋轉之角度及往復式加工機的線性軸的行程位置可藉以運算出即時行程規劃，達成加速取放料，加快生產速度，減少機器調適時間之效果。

根據上述目的，本發明主要提出一種往復式加工機與機械手臂取放整合系統，包含至少一往復式加工機、控制器及機械手臂。其中，往復式加工機具有旋轉軸及量測裝置，其中量測裝置設置在旋轉軸上，旋轉軸用以帶動往復式加工機以及量測裝置用以量測往復式加工機的旋轉角度。控制器，藉由信號通訊方式與往復式加工機連接，並將往復式加工機的旋轉角度進行計算以獲得往復式加工機的加工速度。機械手臂，藉由信號通訊方式與控制器連接，控制器根據往復式加工機的安全範圍與加工速度以決定機械手臂的取放料區間，且控制器根據取放料區間與機械手臂的取放料路徑計算機械手臂的最小取放料速度，使得控制器將最小取放料速度與機械手臂的最大運作速度進行比對，藉此判斷是否調整加工速度。

10、12、14‧‧‧往復式加工機

20、22‧‧‧機械手臂

30‧‧‧控制器

103、123、143‧‧‧量測裝置

105、125、145‧‧‧旋轉軸

107、127、147‧‧‧線性軸

101、104、106‧‧‧第一子控制器

102、103‧‧‧第二子控制器

40‧‧‧取下已加工工件的機械手臂的取料區間

50‧‧‧放置待加工工件的機械手臂的放料區間

60‧‧‧最小放料速度

62‧‧‧最小取料速度

64‧‧‧加工速度

70‧‧‧工件

80‧‧‧由機械手臂的移動距離以及取料時間點T₂到取放料銜接點T_S的時間計算出機械手臂所需要之最小取料速度

81‧‧‧由機械手臂的移動距離以及取放料銜接點T_S到放料時間點T₁的時間計算出機械手臂所需要之最小放料速度

82‧‧‧機械手臂之最小取料與最小放料速度與機械手臂之最大速度進行大小判定

83‧‧‧觸發相撞警告停止運作

84‧‧‧判定往復式加工機是否還能加速

85‧‧‧判定為已經達到最佳化

86‧‧‧提高往復式加工機的加工速度

A‧‧‧上點位置

B‧‧‧下點位置

D‧‧‧加工距離

G‧‧‧加工點

F‧‧‧安全範圍

T₁‧‧‧放料時間點

T₂‧‧‧取料時間點

Ts‧‧‧取放料銜接點

圖1為根據本發明所揭露的技術，表示往復式加工機與機械手臂取放整合系統第一實施例的示意圖。

圖2為根據本發明所揭露的技術，表示往復式加工機與機械手臂取放整合系統第二實施例的示意圖。

圖3為根據本發明所揭露的技術，表示往復式加工機與機械手臂取放整合系統的往復式加工機的旋轉軸角度示意圖。

圖4為根據本發明所揭露的技術，表示往復式加工機與機械手臂取放整合系統第三實施例的示意圖。

圖5為根據本發明所揭露的技術，表示往復式加工機與機械手臂取放整合系統第四實施例的示意圖。

圖6為根據本發明所揭露的技術，表示往復式加工機與機械手臂取放整合系統的效率優化流程圖。

本發明之優點及特徵以及達到其方法將參照例示性實施例及附圖進行更詳細的描述而更容易理解。然而，本發明可以不同形式來實現且不應被理解僅限於此處所陳述的實施例。相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的此些實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇。

請參考圖1為本發明之往復式加工機與機械手臂取放整合系統第一實施例的示意圖。如圖1所示，本發明之往復式加工機與機械手臂取放整合系統包含往復式加工機10、機械手臂20與控制器30，其中三者藉由信號通訊方式互相連接，例如以有線或無線網路的信號通訊方式。往復式加工機10包含量測裝置103、旋轉軸105及線性軸107，其中量測裝置103設置在旋轉軸105上用以量測往復式加工機10的旋轉角度。具體來說，量測裝置103的一端設置於旋轉軸105上，另一端固 定在往復式加工機10的本體上，當往復式加工機10運作時，量測裝置103隨著旋轉軸105一同旋轉，同時量測裝置103透過偵測自身的角度，進而得知旋轉軸105旋轉的角度，並計算出線性軸107的行程位置。量測裝置103可以是編碼器(encoder)或是解角器(resolver)亦或其他可量測旋轉軸105旋轉角度的感測器。值得注意的是，在本發明的實施例中，控制器30可以外接(如一般電腦)或內建於往復式加工機10與機械手臂20中(如各自的軸控系統)，將於後續實施例中分別說明。

機械手臂20除了會由料盤(未在圖中表示)中抓取待加工的工件70放置於往復式加工機10上，用於執行取料的動作之外，另外也會將已加工完成的工件70從往復式加工機10中取出放置在料盤上，即執行放料的動作。換句話說，機械手臂20可執行取料與放料兩種工作。另外，往復式加工機10與機械手臂20皆可為一個或是多個，當機械手臂20為多個的時候，這些機械手臂20可以同時運作進而增加取料及放料的效率。

接下來將說明多台機械手臂同時運作時的情況，請參考圖2，並同時配合圖1。圖2為本發明之往復式加工機與機械手臂取放整合系統第二實施例的示意圖。如圖2所示，機械手臂20負責執行取料工作，而機械手臂22負責執行放料工作。當控制器30根據量測裝置103所測量的旋轉角度得知目前往復式加工機10處於加工狀態時，便將旋轉角度利用滑件曲柄機構(slider-crank mechanism)或類似的計算模型計算出往復式加工機10的線性軸107的行程位置，接著再將線性軸107行程位置經由差分計算出往復式加工機10的加工速度64。舉例來說，線性軸107可於加工距離D，即如圖2中上點位置A與下點位置B之間的範圍，中往返，控制器30可由旋轉軸105的旋轉角度計算出目前線性軸107 運作於加工距離D中的行程位置。另一方面，在加工過程中，線性軸107若壓下至下點位置B會損害工件70，因此操作人員必須事先設定線性軸107壓下的安全範圍F，在本發明中，線性軸107壓下的安全範圍F為圖2中，上點位置A與加工點G之間的範圍。

為了提升往復式加工機與機械手臂取放整合系統的取放料流程速度，機械手臂20與另一機械手臂22開始運作的取放料時間點及取放料速度必須與往復式加工機10的加工速度64互相配合。接著，將說明控制器30如何設定機械手臂20與另一機械手臂22的取放料時間點。請同時參考圖2與圖3，圖3為根據本發明之往復式加工機與機械手臂取放整合系統的往復式加工機的旋轉軸角度示意圖。控制器30會根據往復式加工機10的加工速度64與安全範圍F來分別設定機械手臂20的取料時間點T₂與機械手臂22的放料時間點T₁。一般說來，當機械手臂20取完料後，機械手臂22隨即要執行放料，因此控制器30將機械手臂20銜接到機械手臂22的時間點設定為取放料銜接點T_S，在本發明的實施例中，取放料銜接點T_S可以是取料時間點T₂與放料時間點T₁中間的任一點。值得注意的是，由於往復式加工機10的運作週期等同於旋轉軸105的運作週期，因此，旋轉軸105旋轉一整圈所需要的時間與加工速度64相關，換句話說，取料時間點T₂、放料時間點T₁與取放料銜接點T_S也與加工速度64相關。

接下來將說明控制器30如何設定機械手臂20與另一機械手臂22的取放料速度。取料時間點T₂到取放料銜接點T_S的這段時間是機械手臂20的取料區間40，機械手臂20在取料區間40內行經的取料路徑如下：先從等待點移動至加工點G上方後，其距離如圖2中所表示的E1，接著機械手臂20再下降抓取已加工工件70(距離未繪示，假設為Y₁)，之後再離開往復式加工機10的範圍(距離未繪示，假設為E₁)，機械手臂20在取料路徑上的移動距離為 2(E₁+Y₁)，可由人工預先設定。由取料路徑以及取料時間點T₂到取放料銜接點T_S的時間可以計算出，在時間內完成這段移動距離的機械手臂20所需要之最小取料速度62。以此類推，機械手臂22的放料區間50則是在取放料銜接點T_S到放料時間點T₁這段時間內，放置待加工工件70的機械手臂22行經的放料路徑如下：從等待點移動至加工點G上方後其距離如圖2中所表示的E2，再下降放置已加工工件70(距離未繪示，假設為Y₂)，之後，機械手臂22的再離開往復式加工機10的範圍E₂，機械手臂22在放料路徑上的移動距離為2(E₂+Y₂)，可由人工預先設定。由放料路徑以及取放料銜接點T_S到放料時間點T₁的時間可以計算出，在時間內完成這段移動距離的機械手臂22所需要的最小放料速度60。

當控制器30分別計算出最小取料速度62及最小放料速度60(以下陳述將最小取料速度62及最小放料速度60簡稱最小取放料速度)後，再將最小取放料速度與機械手臂20與另一機械手臂22的最大運作速度進行比對，藉此判斷是否需要調整加工速度64。一般來說，控制器30的比對結果會有三種情況，以下將分別說明。第一種情況；當最小取放料速度60等於最大運作速度時，此時代表整體取放流程已達最佳化。第二種情況：當最小取放料速度60小於最大運作速度時，控制器30會先判斷目前的加工速度64是否超過往復式加工機10所預設的最大加工速度，若加工速度64小於往復式加工機10所預設的最大加工速度，就代表整體取放流程還有加速的空間，控制器30會先提高目前的加工速度64，之後再重新計算最小取放料速度60，並確認重新計算後的最小取放料速度60是否小於或等於最大運作速度，經由反覆疊代計算直到最小取放料速度60等於最大運作速度或是加工速度64等於往復式加工機10所預設的最大加工速度64，此時可視為已達最佳化的狀態。第三種情況：當最小取放料速度60大於最大運作速度，此時代表機械手 臂20與另一機械手臂22將會撞機，此時控制器30會跳出警告，同時暫停機械手臂20與另一機械手臂22之運作。

接著請參考圖4，圖4為根據本發明之往復式加工機與機械手臂取放整合系統第三實施例的示意圖。在圖4中，當往復式加工機10為多台時，例如連續加工機串聯架構，機械手臂20與另一機械手臂22可在多台往復式加工機10之間執行取料及放料的操作。控制器30可同時收集往復式加工機10、12與14中的量測裝置103、123與143偵測到的旋轉軸105、125與145的旋轉角度，進而計算出線性軸107、127與147的行程位置，並根據行程位置計算出往復式加工機10、12與14的加工速度64。另一方面，控制器30會根據復式加工機10、12與14的加工速度64來調整機械手臂20與另一機械手臂22的取放料時間與取放速度，並判斷是否需調整往復式加工機10、12與14的加工速度64讓整體取放流程最佳化。

另一方面，當機械手臂20取完料後，控制器30會根據線性軸127的行程位置計算機械手臂20需要以多少的放料速度60移動至往復式加工機12執行放料工作。以此類推，控制器30會根據線性軸147的行程位置計算機械手臂22需要以多少的放料速度60移動至往復式加工機14執行放料工作。如此一來，機械手臂20與另一機械手臂22在執行完往復式加工機10與往復式加工機12的取料工作後，可立即接續執行往復式加工機12與往復式加工機14的放料工作，無需在等待點等到線性軸127與線性軸147回到上點位置後才開始執行，以減少整體取放加工流程速度。

圖5為根據本發明之往復式加工機與機械手臂取放整合系統第四實施例的示意圖。在此實施例中，控制器30包含內建於往復式加工機 10、12與14中的第一子控制器101、104與106(如往復式加工機10、12與14的軸控系統)，也包含內建於機械手臂20與22中的第二子控制器102與103(如機械手臂20與22的軸控系統)。其中，第一子控制器101、104與106與第二子控制器102與103藉由有線或無線網路互相連接，用以收集量測裝置103、123與143偵測到的旋轉軸105、125與145的旋轉角度，進而計算出線性軸107、127與147的行程位置，並根據行程位置計算出往復式加工機10、12與14的加工速度64。另一方面，第一子控制器101、104與106與第二子控制器102與103會根據復式加工機10、12與14的加工速度64調整機械手臂20與22的取放料時間與取放速度，並判斷是否需調整往復式加工機10、12與14的加工速度64讓整體取放流程最佳化，判斷流程與上述相同不在此贅述。

接下來，請參考圖6，並同時配合圖2及圖3。圖6為本發明之往復式加工機與機械手臂取放整合系統的效率優化流程圖。在本實施例中，以兩台機械手臂搭配一台往復式加工機為例，來說明本發明取放效率優化流程，首先，機械手臂20的取料時間點T₂、機械手臂22的放料時間點T₁與機械手臂20與機械手臂22的取放料銜接點T_S設定完成後，進行本發明所揭露的往復式加工機與機械手臂取放整合系統的效率優化流程。於步驟80，由機械手臂20的移動距離以及取料時間點T₂到取放料銜接點T_S的時間計算出機械手臂20所需要之最小取料速度62；再接著，步驟81，由機械手臂22的移動距離以及取放料銜接點T_S到放料時間點T₁的時間計算出機械手臂22所需要之最小放料速度60。於另一實施例中，步驟80與步驟81的順序可以互換。接著，於步驟82，機械手臂之最小取料與最小放料速度與機械手臂之最大速度進行大小判定。在步驟82中是由前述步驟80與步驟81計算取得的最小取料速度62以及最小放料速度60與機械手臂20與另一機械手臂22的最大 速度進行大小判定，若最小取料速度62以及最小放料速度60小於機械手臂20與另一機械手臂22的最大速度，則進入步驟84，判定往復式加工機10是否還能加速。在步驟84中，是針對往復式加工機10是否還能提高速度進行判定，若往復式加工機10還能提高速度則進入步驟86，步驟86為提高往復式加工機10的加工速度64，而此往復式加工機與機械手臂取放整合系統的效率優化流程會再回到步驟80與步驟81重新計算最小取料速度62以及最小放料速度60，若往復式加工機10不能提高速度，則進入步驟85，判定為已經達到最佳化。

在步驟82中，由步驟80與步驟81計算取得的最小取料速度62以及最小放料速度60與機械手臂20與另一機械手臂22的最大速度進行大小判定，若最小取料速度62以及最小放料速度60大於機械手臂20與另一機械手臂22的最大速度，則進入步驟83，觸發相撞警告停止運作。在步驟83中，相撞警告是由控制器30跳出警告，且同時暫停機械手臂20與另一機械手臂22之運作，與此機械手臂20與另一機械手臂22信號方式連接的往復式加工機10以及其他的機械手臂20與另一機械手臂22也會收到暫停警告並停止運作。另一情況下，若最小取料速度62以及最小放料速度60等於機械手臂20的最大速度，則進入步驟85，判定為已經達到最佳化。

上述所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡依本發明精神所作之等效修飾或變化，依照相同概念所提出之往復式加工機與機械手臂取放整合系統的系統架構，皆應仍屬本創作涵蓋之範圍內。

Claims (10)

1. 一種往復式加工機與機械手臂取放整合系統，包含：至少一往復式加工機，具有一旋轉軸及一量測裝置，其中該量測裝置設置在該旋轉軸上，該旋轉軸用以帶動該往復式加工機，及該量測裝置用以量測該往復式加工機的一旋轉角度；一控制器，藉由一信號通訊方式與該往復式加工機連接，並將該往復式加工機的該旋轉角度進行計算以獲得該往復式加工機的一加工速度；以及至少一機械手臂，藉由該信號通訊方式與該控制器連接，該控制器根據該往復式加工機的一安全範圍與該加工速度以決定該機械手臂的一取放料區間，且該控制器根據該取放料區間與該機械手臂的一取放料路徑計算該機械手臂的一最小取放料速度，使得該控制器將該最小取放料速度與該機械手臂的一最大運作速度進行比對，藉此判斷是否調整該加工速度。
2. 如請求項1所述的往復式加工機與機械手臂取放整合系統，其中該控制器包括配置於該往復式加工機中的至少一第一子控制器與配置於該機械手臂中的至少一第二子控制器，該第一子控制器與該第二子控制器根據該往復式加工機的該旋轉角度計算該往復式加工機的該加工速度，並根據該安全範圍與該往復式加工機的該加工速度決定該取放料區間，且該第一子控制器與該第二子控制器根據該取放料區間與該取放料路徑計算該最小取放料速度，並藉由該第一子控制器與該第二子控制器將該最小取放料速度與該最大運作速度進行比對，藉此判斷是否調整該加工速度。
3. 如請求項1或2所述的往復式加工機與機械手臂取放整合系統，其中當該最小取放料速度小於該最大運作速度時，該控制器會進一步判斷該加工速度與該往復式加工機一最大加工速度之間的關係，當該加工速度小於該最大加工速度時，該控制器經由反覆疊代重新計算該最小取放料速度直到該最小取放料速度等於該最大運作速度或是該加工速度等於該最大加工速度。
4. 如請求項1或2所述的往復式加工機與機械手臂取放整合系統，其中當該取放料速度大於該最大運作速度時，該控制器會跳出警告訊息並暫停該往復式加工機的運作。
5. 如請求項1或2所述的往復式加工機與機械手臂取放整合系統，其中該量測裝置為一編碼器(encoder)或一解角器(resolver)。
6. 如請求項2所述的往復式加工機與機械手臂取放整合系統，其中該第一子控制器與該第二子控制器分別為該往復式加工機與該機械手臂的一軸控系統。
7. 如請求項1或2所述的往復式加工機與機械手臂取放整合系統，其中該機械手臂由該往復式加工機的一加工點位置取下或放置一工件。
8. 如請求項7所述的往復式加工機與機械手臂取放整合系統，其中該控制器根據該往復式加工機的一線性軸在加工中的一上點位置與該加工點位置計算出該安全範圍。
9. 如請求項1所述的往復式加工機與機械手臂取放整合系統，其中該取放料區間包含一取料時間點與一放料時間點，該取料時間點為允許 該機械手臂取下一已加工工件的一起始時間，而該機械手臂於該放料時間點前放置一待加工工件。
10. 如請求項9所述的往復式加工機與機械手臂取放整合系統，其中該取放料區間更包含一取放料銜接點，該取放料銜接點可以是該取料時間點與該放料時間點之間的任一點，使得該機械手臂需在該取料時間點與該取放料銜接點的範圍內取下該已加工工件，並在該放料時間點與該取放料銜接點的範圍內放置該待加工工件。