自動化機械設計與製作之創意教學研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

自動化機械設計與製作之創意教學研究 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2516-S-011-002-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學機械工程系

計 畫 主 持 人 ： 唐永新

計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理：莊水發

碩士班研究生-兼任助理：楊慧玲、陳宣宇

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 96 年 10 月 15 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告 自動化機械設計與製作之創意教學研究

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 95－2516－S－011－002

執行期間：95 年 08 月 01 日 至 96 年 07 月 31 日

計畫主持人：唐永新 博士 共同主持人：

計畫參與人員：莊水發 楊慧玲 陳宣宇

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學機械系

中 華 民 國 九 十 六 年 十 月 十 五 日

中文摘要

本計畫旨在發展一套新的教學模式與教學方法。在教學中使用了一套仿真模 型教具--Fishertechnic，其機構、電氣、控制、傳感技術、計算機技術等多方面知 識，可使學生得到跨學科综合能力的培養，進一步提高他們的創新能力和競爭能 力。另外本計畫自製具創意性的教具-自動影像夾取機器，結合多項自動化機械設 計與製作的原理與實務，以實作的方式建製工業用機器之類形，並以電腦輔助設 計模擬評估其作動以達到最佳化與合理化的表現。在計畫中，以 Solid work 做為 零件的編輯與規劃的基礎，透過 3D 立體繪圖及建構出之模型，再以 Solid works 的外掛程式 Cosmos motion 進行動態模擬的動作，如機構傳動模擬、干涉運動…

等，經過模擬後，再將其運用 3D 立體圖做為工業級的教具，同時編寫該模擬步 驟之教材，開授自動化設計與製作相關課程，分別教授自動化設計與製作實習及 創意自動化機械設計與製作實務，並制訂相關之教學評量辦法與評估分析，進一 步修正教學方法、教具設計與製作，教材內容與原理等，以達到有效之創意教學 目的。

Abstract

This research aims to develop a set of new teaching ways and teaching methods for automatic machines. We used Fischer model teaching aid in teaching. The Fischer Model combined the knowledge in many aspects, such as mechanism, electric, control, sensing technology, computer science, etc., students can not get the cultivation of ability but improve their innovation ability and competitive power further. Based on the Fishertechnic model, we also made up a creative teaching aid on our own, and combine the principle and practice designed to create automatic machinery. And then students can assess it in order to reach optimization and rationalized behavior by Computer Aided Design simulation. In this plane we teach students theorem and make them in practice. Otherwise, the relevant way of commenting amount of teaching with assess analysis will be made for revising the teaching method, teaching aid to design and manufacturing, and the content and principle of teaching material to reach the goal of creative teaching for the design and manufacturing of automatic machines.

報告內容

一、前言

在自動化機械領域中，機電整合（Mechatronics）是機械與電控技術之結合，

其中包括機械動力傳動機構、機／電轉換、電子信號之處理與放大、控制器之輸 出入介面等相關領域，故機電整合為一整合之學問，其所強調的是一種尋求傳統 機械與電機、電子及電腦軟硬體技術之創意結合的方法，以超越現今在各門技術 領域的能力極限，解決了控制、自動化的侷限。

精密機構設計、自動化機械及自動化產業機具、設備開發之關鍵性技術，為目 前整個工業界及相關領域研究者一直積極探討的問題，在產業快速蓬勃發展、機 電整合技術、人才需求缺乏的情況下，現今國內學術教育單位以及相關法人機構，

乃至政府機關，均致力於機電整合技術層面之推廣，且許多大專院校及研究所雖 有相關設備可供教學研究或訓練之用，但實際運用推廣到產業界之技術日新月 異，且產品性能亦不斷提昇，許多校園或訓練機構內的教學設備，已無法滿足這 些條件，因此更具彈性及靈活性的教學及教具就更需要積極的被開發。

二、研究目的

近幾年在台灣技專校院裡正流行著一股自動化機器設計與製作的熱潮，學生 憑著想像力和專業的知識，創作出實務的應用，在國內也成功的舉辦許多的競賽 活動，如已經舉辦第八屆的全國創思機器人大賽、微電腦應用、單晶片微控制創 意賽等等，都創下不錯的佳績。其主要目的促進師生對創意設計及實作之興趣，

並強化學生之創意設計與製作能力，提高全體社會及學校對創意設計與實作之重 視。

然而，自動化機械設計與製作的實務能力，卻也非單一競賽即可完備，而是 必須得有系統地結合機械設計原理、電腦輔助設計與製造、自動化機械控制…等 相關學科與創意設計，不僅將設計理論導入實務操作，並要引領國內自動化機械 設計與製作之教育往下扎根。

本計畫內容將包含風力發電、太陽能發電、生產自動化、自動控制、氣壓控 制、機構設計、感測與量測、程式開發等方面之整合，以實務與理論並重，提升 學生在實作上的適應能力。

而本計畫的目的為發展出一套工業級的教具，計畫內容以研究及工業應用為

基礎撰寫，它提供了具體的方式去協助教師教導創意工程設計，幫助學生以有效 率的方式來擴展他們的創意天分，它可激發工程設計師產生新穎概念以滿足新的 設計需求和限制，或者避免侵犯已存在設計的專利權。先以電腦模擬，在實際動 作，使學生能在課堂上能接觸到實務上的經驗，在製作的過程能夠有合理化的表 現，使其效率達最高。讓台灣從『製造優勢』轉型為『創新驅動』，成為非常亮麗 的明星產業，進而帶動我國經濟發展，我們也將透過精密自動化機械設備與智慧 型機器人產品，來營造國人智慧好生活的環境。

三、文獻探討

目前國內關於自動化機械設計之課程已是相當普遍，但卻流於理論之教導，

然而相對應之實習課程卻也無法相呼應，因此需要有創新之教學模式與教具、教 材，才能引領學生對自動化機械設計與製作之能力與創意。而針對慧魚模型的教 學，在國內僅有吳鳳技術學院擁有，卻也缺乏系統性與擴展性，難以與現代工業 應用及人才培養接軌；相對於國內，在歐美先進國家，對於此方面之教育已普及 至中學程度，甚至海岸對面的中國大陸，每年更舉辦中小學生之創意機器人競賽，

此競賽乃以慧魚模型為輔，創意為主的機器人設計與製作大賽，可見其教育深根 之程度。

雖然國內定期舉辦許多與機電整合相關的機械人比賽，例如台灣科技大學機 械系持續地推動機械系統設計課之「機器人製作專題」活動，或是教育部所舉辦 的 TDK 機械人大賽等等，這些都是機電整合應用在實務上的代表，但是有關這方 面的教學製作與研發，卻是比較少見到的，因此本計畫著眼於教學方法之創新、

理論結合動手設計及製作，將我國自動化機械設計與製作能力題升至國際水準，

且教育普及與先進國家相當。

參考文獻

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四、研究方法

本研究將 Fischertecnik 電控積木模型所使用之機構原理、機構設計、氣壓動 作控制、感測器應用、馬達控制…等應用的實例及技術，引用到機電整合領域的 教學裡，藉由模型了解本領域中所需要知悉的背景知識，達到以實際操作與原理 理論相互結合的目的，進而將已學習並了解到的知識導入，發展工業級的機電整 合模組，延續教學教具，這對於機電整合工程師而言，是一項新的學習模式，亦 迥異於以往的填鴨式教學方法，透過新穎且富變化、彈性的慧魚機構模型，引導 教學理論以產生更高的學習效果、運用創意的組合來達到應用創新化，以上即為 本研究的目的，而圖 1 即為本研究之方法。

圖 1 研究方法流程圖

四、結果與討論

本計畫分兩階段進行，第一階段為基礎應用，配合慧魚模型完成自動化機械 設計與製作之教具製作與基礎教材編寫；第二階段為創意應用，結合自製教具之 應用、原理之延伸與創意之發揮設計與製作光機電整合之自動化機械。

z 第一階段：

由慧魚模型中，學生可以獲得的以下充實之訓練：視覺、觸覺和辨别能力的 感覺統合訓練；手與腦、手與手臂的協調發展；順序、邏輯、推論、計算、選擇、

構造、修正等智能的成長；透過想像、感覺、表達、改進模型的過程使創造力成 長；在培養自信心、耐心、注意力、獨立自主能力及團隊精神的同時，強調個體 的發展。仿真模型的建立，可達到現實真實操作的效果。既節省了大量資金，又 不受限制，方便教學。而且，與傳統的實習相比，避免了操作者與實際機台、刀 具等近距離接觸，確保了操作者的人身安全。

圖 2 第一階段自動化機械設計與製作創意教學成果

z 第二階段：

工業級教具目的在於自動化機械之教學課程中，能實際地把使用在目前工業 界裡所應用到的設備機具之機電系統核心技術擷取出來，放進自主發展設計的教 具裡，一方面能夠與現在目前工業界所使用的技術相配合且不會造成脫節，並避 免掉學校裡所學與往後職場上遇到相似情況時卻產生落差的情況發生；另一方面 配合教學課程的進行，在第一階段實施的慧魚模組教學之後，以此工業級教具作 為進階模組的訓練，而建構成教學領域裡一個完整的區塊，如圖 3 所示，機電整 合所需學習之技術以教學為建構之主體，彼此緊密地結合在一起，此即為開發教 學教具所希望達成之目的。

圖 3 以教學建構機電整合技術

而在這套教具的設計採用模組化之結構設計，其功用上是為了能夠滿足其中 機構模組的互換性，而能與目前工業界上使用的機台設備相互做比擬，以達到多 功能用途，如：工業界常使用的小型雕刻機、點焊、塗膠、鎖螺絲機、光學檢測、

檢查、PCB 板上、下料、教學應用、搬運輸送等，多樣化的功能模擬不但可以使 教學的應用範圍更為擴大，更能讓學生學習到各種機電設備的整合運用。

圖 4 自動化光學夾取機器系統教具 實體圖

圖 5 自動化光學夾取機器系統教具 3D 立體模擬圖

圖 6 自動化光學夾取機器系統教具 電控系統圖

z 成果應用討論：

產業界應用

„ 協助精密自動化機械、光電及LCD製造與檢測產業建立創意及有效設計開發 平台，訓練工程人員軟體程式開發，並提升其產品自製能力。

„ 透過3D立體繪圖以及建構出之模型可以幫助不同產業上之溝通，以縮短生產 之前置作業時間。

„ 清楚了解各相關產業領域之原理，進而評估及統合各產業、各個相關領域，

以促進產業升級、轉型及整合，並可提昇業界在國際市場之競爭力。

„ 藉由小型模組勾勒出之實體模型雛形，了解各系統開發之可行性，並且避免 直接開發可能遭遇之機構等相關問題，同時可以省去系統及機具開發的成 本損耗以及降低開發失敗風險。

人才培育

„ 訓練學生熟悉電腦輔助工程設計與光機電軟體程式開發能力，培養創意設計 之專業人才。

„ 訓練學生建立正確之學習態度與觀念，為未來就業奠下良好之基礎。

„ 訓練學生靈活設計與3D動態模擬之能力，使產品可以更人性化的呈現，進而 跟上世界e化腳步，使國內之科技人才更具有與全球競爭之能力。

„ 訓練學生創新思考以及系統整合之能力，為未來就業做準備，以不負主管所 託付之專案任務。

„ 訓練學生組織能力，並且統合各相關領域，進而促進溝通協調之能力。