實驗系統架構

3-1 實驗設備硬體架構

3-1-1 實驗設備簡介

本論文所使用的實驗設備為 YAMAHA 雙軸直交型機械手臂（圖 3-1），驅 動系統係使用交流伺服馬達驅動滾珠導螺桿使機械臂臂端在四組線性滑軌上作 直線運動；X 軸固定於基座上、Y 軸再固定於 X 軸上做往復運動。馬達末端連 接脈衝編碼器做為位置信號回饋而構成半閉迴路控制。雙軸控制器為脈衝回授 型，主要是使用在點對點運動控制的場合；此種型式之機械手臂廣泛應用於物 料取放（Pick and Place）、視覺定位檢測等工業界場合；由於此種形式機械臂的 中長行程特性，在精度等級要求上不像微動平台或定位平台之高，因此在系統 位置回饋偵測儀器的選擇上採用解析度為 1μm 光學尺。

3-1-2 實驗設備硬體架構組成

實驗設備的整個控制系統架構如圖 3-4 示，基本組成單元介紹如下：

1. 兩軸直交機械臂：

驅動方式為傳統型式之伺服馬達驅動滾珠導螺桿使平台移動，其最大行程 為 550 mm*550 mm，伺服馬達最高轉速設限為 3600 rpm，軸的運動最大速度為 1200 mm/sec，單向重複定位精度範圍±0.01 mm；編碼器為絕對型，停電時可自 動記憶平台的停留位置值，脈衝數為 2048(pulse/rev.)；導螺桿導距長（Lead length）20 mm/rev ，精密等級為 C7 等級；原點的尋找方式採用扭矩控制。

2. 控制器：

為脈衝命令控制型，針對點對點運動而設計，利用迴轉編碼器之回饋以構 成半閉迴路控制。

3. 個人電腦：

主要作用是作為簡易的人機介面，以下達點運動命令，在定位點座標位置 上亦作為資料擷取及處理之用；此處使用 Pentium III-366 處理器及 256MB RAM 系統。

4. 光學尺：

如圖 3-2 示為光學尺之外觀，Mitutoyo 製造之型號 AT-11TL，為增量型，

以 A、B 兩相差動（Differential）訊號輸出，可降低對雜訊的敏感度及有效傳 輸距離較長，常用來作為 CNC 機器的閉迴路控制用；量測有效長 600 mm，解 析度 1μm。

圖 3-2 光學尺外觀圖

5. 光學尺解碼卡：

國內廠商健昇公司製造，型號 ENC-9266，如圖 3-3 示；為 ISA 介面之光 學尺/編碼器專用解碼介面卡，採用光耦合電路具有高抗雜訊能力，輸入脈波經 四倍頻後可提高解析度。

兩軸控制器

主電腦 光學尺解碼介面卡

直交軸機械臂

光學尺 RS232

ISA 介面

圖 3-4 硬體系統架構圖

系統的運作方式如下：

機械臂的位置移動命令經由電腦編輯，產生的命令可為單純的點位置移動 指令，或經由補償法則運算後產生的最佳移動命令，經由 RS232 串列介面將此 命令傳送至伺服控制器，驅動機械臂移動至目標點；同時光學尺的訊號經由解 碼介面卡傳送至電腦讀取機械臂的實際位置。

3-2 光學尺架構

3-2-1 光學尺的原理

光學尺的型式依編碼的方式可區分為增量型（Incremental）及絕對型

（Absolute）兩種；依光源照射方式區分可分為穿透式（Transparent）及反射式

（Reflective）兩種。本實驗選擇採用之光學尺屬於穿透式增量型線性編碼器

（Incremental glass transparent linear encoder），其基本組成單元為：

1. 光源（Light source）：一般採用 LED 光源。

2. 主尺（Main scale），

3. 副尺（Index scale）：主尺與副尺通常使用熱膨脹係數極小的玻璃為材料，

並以蝕刻方式於其上刻有光柵。

4. 光接收器（Photo-transister）：

圖 3-5 示穿透式光源的光學尺偵測的基本構造原理；

光源(LED)

主尺

副尺 光接收器

光學尺的主尺與副尺均刻有光柵（Grading），當兩者之間有相對位置移動 時，光源穿過主尺與副尺的光柵後，於光接收器產生與光柵間距（Pitch）相同 週期的明暗規則性疊紋變化，藉由此疊紋變化以判斷兩者間相對位移變化。通 常以兩相位差為 90°的正弦波輸出（一般以 A 相、B 相表示），再依不同的光學 尺型式將此訊號經前置放大器轉換成方波型式直接輸出至控制器；圖 3-6 是常 見之光學尺訊號以兩相方波訊號輸出。

圖 3-6 光學尺波形輸出

由於光學尺主尺與副尺間各自獨立，在安裝過程中會因為安裝偏差而產生 量測誤差，一般而言安裝過程可能造成的誤差來源可分成三項：

1. 主尺尺身的撓屈變形：

由於尺身為玻璃材質製造，其厚度通常為 3mm，有效量測長度在超過 500mm 時需特別注意此問題；尺身的可能撓屈變形型式如圖 3-7 示；其中各參 數所代表的意義如下：

a：安裝變形量，因兩側固定端的位置較易控制，因此假設最大變形發生在尺身 中間點；

t：玻璃尺厚；

L₀：尺身未變形總長度；

L：尺身變形後之長度；

因此量測誤差值（e）可表示如下：

e

＝

L0 – L

其中 L0

≒（

R

＋

t/2

）Δθ

L

≒

R

Δθ

∴

e

≒（

t/2

）Δθ

撓度 a

＝

R

－

R cos

（Δθ

/2

）

e ≒ 4ta/L

θ

a t

R

L L

^o

圖 3-7 光學尺安裝誤差示意圖

由上式得知一行程 500mm 的光學尺，主尺玻璃厚 3mm，若安裝時中間最 大橈度為 0.10mm，則其造成的全長量測誤差為 0.0024mm（2.4μm）。

2. 主尺尺身與移動平台行進方向的平行度偏差：

移動平台行進方向的測定面指線性滑軌運動的平面，因此光學尺於此處需 校正兩個長邊分別與平台行進方向平行與垂直的面與平台行進方向間的平行度 偏差，各光學尺製造商提供的容許偏差為 0.10mm。

3. 主尺與副尺間的對正（Alignment）公差；

兩者之間於相對運動時與平台特性一樣，具有五個自由度的相對誤差，分 別為偏滾（Roll），俯仰（Pitch）、擺角（Yaw）等三個角度誤差，與偏移（Offset）、 遠離（Stand off）等兩個線性誤差；圖 3-8 為此五個誤差的圖示說明；

Y

Z

圖 3-8 光學尺主尺與副尺間相對位移時存在的五個自由度誤差

因此主尺與副尺間的校正過程需控制的參數為偏移（盡量兩者保持同中 心）、遠離（標準值 1.50mm）、角度誤差，以控制兩著之間的平行度。

3-2-2 光學尺的架設與校正

由於光學尺為外加儀器，在實驗前需先進行安裝及測試工作，以增加檢測 結果的信賴度及可靠度。光學尺在安裝前附有原製造廠的檢驗報告，理論上在 安裝與平行度校正上，如果能符合其所訂定之規範，則光學尺能保證與出廠時 的精度一致。

安裝過程中尺身與機械臂移動軸方向的平行度需隨時以解析度 0.001 mm 的千分表（Dial Gage）來校正。校正方式為將千分表固定於機械臂移動平台上，

表針接觸到欲測平面並調整到可感應範圍，再於機械臂的全行程範圍緩慢移動 平台，觀察千分表指針變化情況，並控制偏差值在容許範圍內，確認後再將光 學尺固定。圖 3-9 示為單軸校正時所需控制的各處平行度偏差。

滑台直線移動方向 尺身水平面

尺身垂直面

副尺固定面

圖 3-9 光學尺各平面校正圖

直交機械臂上安裝光學尺在實際的架設與校正上 X 軸與 Y 軸分別依下述的 三個步驟進行，圖 3-10 及圖 3-11 分別為 Y 軸及 X 軸的校正過程；

1. 主尺尺身水平面與行進方向間之平行度，全行程之偏差校正至 0.10mm 以 內，偏差調整以墊片（Spacer）來控制。此處之調整誤差值分別為：X 軸 +0.001/-0.003 mm，Y 軸為+0/-0.003 mm。

2. 主尺尺身垂直面與行進方向間之平行度，同樣校正至 0.10mm 以內；偏差 調整則須靠螺絲固定時控制。此處之調整誤差值分別為：X 軸+0.005/-0.003 mm，Y 軸為+0.007/-0.005 mm。。

3. 副尺與主尺間之關係，兩者間距為 1.5 mm，及副尺固定座與平台滑座間平 行度則須控制在 0.10 mm 以內，此處偏差之控制須靠光學尺本身提供的主 尺－副尺間固定治具（Fixture）配合游標尺（Caliper）為之。

圖 3-10 “Y”軸光學尺校正圖

圖 3-11 “X”軸光學尺校正圖

3-3 軟體程式架構

3-3-1 程式架構

本論文實驗重點可分類為三大項，分別為：

1. 定位點座標之驅動控制，透過 RS232 通信介面呼叫控制器內部的控制指令 來驅動機械臂移動至目標設定點。

2. 光學尺訊號解碼並讀出數值，此處直接引入製造商提供之解碼程式並於介面 上連續讀取解碼座標值。

3. 以光學尺座標點訊號讀值作為機械臂定位精度檢測等實驗的位置回饋參考 訊號，以提昇設備的精密度。

根據上述三項重點而設計簡易的控制程式作為機械臂點對點運動控制之操 控介面，並使用 Borland C++ Builder 作為編輯軟體，簡易人機介面畫面如圖 3-12，

程式分成三個群組（Group），執行流程如圖 3-13 示，三個群組分別為：

1. 光學尺位置讀值：顯示各軸由光學尺偵測的位置數值，解碼後讀值解析 度為 0.001mm；同時可記錄進行中的各命令移動點之位置讀值以方便誤差數值 之記錄與分析。

2. 手動模式：提供機器原點復歸、各軸的點座標移動、及機械手臂控制器 相關的命令輸入、參數呼叫、修改等功能。機器原點復歸動作於開機時會執行 一次，其後於連續同一實驗項目進行時不需執行，直到變更檢測項目時再執行 一次即可。

3. 檢測項目選擇：以選單方式直接選擇將要進行的檢測項目，此處避開繁 瑣的點位置及補償資料的設定而將之直接編於程式內。

開 始

原點復歸

變更檢測項目 檢測項目選擇

檢測執行

No

Yes

繼續實驗檢測 Yes

No

結 束

圖 3-13 控制程式執行流程圖

3-3-2 位置監測原理

機械臂系統本身有提供迴轉編碼器作為位置回饋以構成半閉迴路控制，編 碼器的脈波數為 4096 pulse/rev，導螺桿導程長（Lead length）20 mm/rev，因此 編碼器經過四倍頻分割後我們可求得機械臂之分解能為：

) / ( 001 . ) 0 / ( 4096

* 4

) / (

20 mm pulse

rev pulse

rev

mm =

因此在理論上機械臂本身是可以達到微米（μm）等級的控制解析度。

實驗所採用的光學尺解析度為 1μm，為 A,B,Z 相差動（Differential）訊號 輸出，其輸出波形訊號如圖 3-14 示；

1 CYCLE

Logic 1 Logic 0 PHASE A

PHASE A

t PHASE B

PHASE B

PHASE C PHASE C

圖 3-14 差動訊號光學尺

光學尺 AB 訊號相位差 90º，並可檢測出正反轉，利用軟體程式作判斷並施 以計數加減以得到精確的絕對位置；訊號經由解碼卡解碼後將計數值傳送至電 腦做資料處理，解碼訊號經電路分割將相位四倍頻後可以使光學尺的解析度提 昇至 0.00025 mm（0.25μm）。

在文檔中 誌 謝 (頁 32-45)