TW201922437A - 機械手臂加工系統及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一種機械手臂加工系統，包括一機械手臂、一加工模組以及一控制模組。機械手臂用以提供一機械固持力。加工模組設置於機械手臂上，用以對一工件加工。控制模組連接機械手臂或加工模組，控制模組根據工件的反作用力或機械手臂的位移量對應輸出一反動訊號，以抵消工件的反作用力或機械手臂的位移量。

Description

機械手臂加工系統及其加工方法

本發明是有關於一種加工系統，且特別是有關於一種機械手臂加工系統及其加工方法。

機械手臂具有高自由度、移動範圍大及操作靈活度高等優點，然而，機械手臂的剛性不足，若以機械手臂進給並直接對工件進行加工，機械手臂會因為加工的反作用力的影響，使得機械手臂產生變形，因此影響加工精度。

有鑑於此，如何避免機械手臂產生變形，以提高機械手臂加工系統的加工精度，實為業界亟待解決的問題。

本發明係有關於一種機械手臂加工系統及其加工方法，用以提高機械手臂加工系統的加工精度。

根據本發明之一方面，提出一種機械手臂加工系統，包括一機械手臂、一加工模組以及一控制模組。機械手臂用以提供一機械固持力。加工模組設置於機械手臂上，用以對一工件加工。控制模組連接機械手臂或加工模組，控制模組根據工件的反作用力或機械手臂的位移量對應輸出一反動訊號，以抵消工件的反作用力或機械手臂的位移量。

根據本發明之一方面，提出一種機械手臂加工方法，包括下列步驟。以一機械手臂提供一機械固持力。以設置於機械手臂上的一加工模組對一工件加工，其中加工模組包括一進給單元以及一預壓單元，進給單元包括一工具，以對工件加工，預壓單元連接機械手臂，且機械固持力經由預壓單元施加於工件上，其中機械固持力與工件的反作用力的方向相反。以一控制模組連接機械手臂，控制模組根據工件的反作用力或機械手臂的位移量對應輸出一反動訊號，以抵消工件的反作用力或機械手臂的位移量。

根據本發明之一方面，提出一種機械手臂加工方法，包括下列步驟。以一機械手臂提供一機械固持力。以設置於機械手臂上的一加工模組對一工件加工，其中加工模組包括一進給單元、一預壓單元、一感測單元以及一阻抗模擬單元，進給單元包括一工具，以對工件加工，預壓單元連接機械手臂，且機械固持力經由預壓單元施加於工件上，其中機械固持力與工件的反作用力的方向相反，感測單元連接於進給單元，用以偵測進給單元對工件進行加工時輸出的一負載訊號，阻抗模擬單元設置於進給單元與機械手臂之間，阻抗模擬單元根據進給單元輸出的負載訊號評估工件的反作用力以輸出一虛擬阻抗。以一控制模組連接阻抗模擬單元，控制模組根據虛擬阻抗輸出一反動訊號，以抵消工件的反作用力。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。 第一實施例

第1A圖繪示依照本發明一實施例之機械手臂加工系統100的配置示意圖，第1B及1C圖繪示感測單元128的量測值。在本實施例中，機械手臂加工系統100包括一機械手臂110、一加工模組120以及一控制模組130。加工模組120可包括一進給單元121、一預壓單元125以及至少一感測單元128。

請參照第1A圖，依照本發明之一實施例，進給單元121用以施加一加工力於工件10上，進給單元121可包括一驅動器122、一主軸馬達123以及一工具124。工具124例如是切削刀具、鑽孔刀具、銑刀或搪孔刀等，工具124設置在主軸馬達123的軸部上，驅動器122用以驅動主軸馬達123以及工具124往工件10移動，以對工件10進行加工。驅動器122可為氣壓缸組件、線性馬達組件或導螺桿組件等。在本實施例中，進給單元121不限定為單軸向進給單元，也可以是多軸向或多自由度進給單元。

依照本發明之一實施例，進給單元121設置於預壓單元125上，預壓單元125連接機械手臂110，以使機械手臂110可經由預壓單元125施加一預壓力於工件10上。預壓單元125包括一固持平台126以及至少一預壓桿127，其中固持平台126固定在機械手臂110的端部111上，而預壓桿127設置於固持平台126靠近工件10的一側，以使預壓桿127固定抵接於固持平台126與待加工的工件10之間。在一實施例中，預壓桿127的剛性大於機械手臂110的剛性，因此，預壓桿127相對於機械手臂110能承受較大的反作用力F2而不易變形。

依照本發明之一實施例，感測單元128可為一力感測器或一位移感測器，用以偵測工件10的反作用力F2或機械手臂110的位移量。感測單元128例如設置在進給單元121上或設置在機械手臂110上。然而，在另一實施例中，亦可分別設置具有力感測/或位置感測功能的感測單元128於進給單元121以及機械手臂110上，本發明不以此為限。

請參照第1A圖，機械手臂110提供的機械固持力F1與工件10的反作用力F2的方向相反且大於工件10的反作用力F2，即F1＞F2。此外，機械手臂110提供的機械固持力F1減去工件10的反作用力F2等於預壓桿127對工件10的預壓力。

依照本發明之一實施例，控制模組130經由感測單元128接收偵測工件10的反作用力F2或機械手臂110的位移量得到的一量測值，並根據量測值對應調整機械手臂110提供的機械固持力F1。例如，當偵測到工件10的反作用力F2（參見第1B圖的量測值）或機械手臂110的位移量（參見第1C圖的量測值）呈現一週期性震盪波時，為了避免週期性震盪波影響到加工系統100的加工精度，控制模組130連接機械手臂110以輸出與工件10的反作用力F2或機械手臂110的位移量的數值相同但方向相反的一反動訊號σ至機械手臂110，以抵消工件10的反作用力F2或機械手臂110的位移量產生的震動，進而提高加工系統100的加工精度。 第二實施例

第2A圖繪示依照本發明一實施例之機械手臂加工系統101的配置示意圖，第2B圖繪示感測單元129的量測值。第3A及3B圖繪示依照本發明一實施例之長度可變的預壓桿127’的示意圖。在本實施例中，機械手臂加工系統101包括一機械手臂110、一加工模組120以及一控制模組130。加工模組120包括一進給單元121、一預壓單元125以及至少一感測單元129。

本實施例與上述實施例不同之處在於：預壓單元125包含至少一長度可變的預壓桿127’，且預壓桿127’的長度變形量或施加於預壓桿127’上的正向力（正向力=KX，K為彈性係數，X為長度變形量）與機械手臂110的位移量有關，因此，只要知道預壓桿127’的長度變形量或施加於預壓桿127’上的正向力即可推算出機械手臂110的位移量。

在本實施例中，感測單元129例如是一力感測器或一位置感測器，感測單元129可藉由偵測預壓桿127’的長度變形量得到的一量測值，而經由感測單元129，控制模組130可根據量測值對應調整機械手臂110提供的機械固持力F1。例如，當偵測到預壓桿127’的長度變形量（參見第2B圖的量測值）呈現一週期性震盪波時，為了避免週期性震盪波影響到加工系統101的加工精度，控制模組130連接機械手臂110以輸出與預壓桿127’的長度變形量的數值相同但方向相反的一反動訊號σ至機械手臂110，以抵消工件10的反作用力F2或機械手臂110的位移量產生的震動，進而提高加工系統101的加工精度。

上述第一實施例中的感測單元128與第二實施例中的感測單元129可搭配使用或單獨使用，本發明對此不加以限制。

此外，請參照第3A及3B圖，在本實施例中，加工模組120更可包括一座標量測單元140，用以偵測預壓桿127’的長度以得到預壓單元125（或固持平台126）之幾何中心O的一座標值，如此，控制模組130可根據固持平台126之幾何中心O的位移量得知固持平台126的姿態是否改變。如第3A及3B圖所示，預壓單元125包含三個或三個以上長度可變的預壓桿127’，當偵測到長度可變的預壓桿127’相對於工件10的長度等長時，固持平台126之幾何中心O於空間座標系（X,Y,Z）中具有一第一座標值，當偵測到四個預壓桿127相對於工件10的長度不等長時，固持平台126之幾何中心O於空間座標系（X,Y,Z）中具有一第二座標值，控制模組130可透過座標轉換並計算第一座標值與第二座標值之間的位移量得知固持平台126的姿態，並藉由調整機械手臂110以改變固持平台126的姿態。 第三實施例

第4圖繪示依照本發明另一實施例之機械手臂加工系統102的配置示意圖。在本實施例中，機械手臂加工系統102包括一機械手臂110、一加工模組120以及一控制模組130。加工模組120包括一進給單元121、一預壓單元125、一感測單元131以及一阻抗模擬單元132。

本實施例與上述實施例不同之處在於：感測單元131例如為一電流計或一電壓計，且連接於進給單元121，例如可設置於進給單元121之內部或外部，用以偵測進給單元121對工件10進行加工時輸出的一負載訊號，例如是電流訊號、電壓訊號或電感訊號，其中進給單元121對工件10施加的加工力與負載訊號成正比。

此外，阻抗模擬單元132設置於進給單元121與預壓單元125（或機械手臂110）之間，阻抗模擬單元132可根據進給單元121輸出的負載訊號評估工件10的反作用力F2以對應產生一虛擬阻抗VI，以使控制模組130能根據虛擬阻抗VI產生抵消工件10的反作用力F2的一反動訊號σ，進而提高加工系統100的加工精度。

阻抗模擬單元132例如為一主動式阻抗模擬單元132，可預先評估工件10的反作用力F2，當偵測到工件10的反作用力F2呈現一週期性震盪波時，為了避免週期性震盪波影響到加工系統102的加工精度，控制模組130連接阻抗模擬單元132以輸出與工件10的反作用力F2的數值相同但方向相反的一反動訊號σ至進給單元121，以抵消工件10的反作用力F2產生的震動，進而提高加工系統102的穩定度。

上述第一實施例中的感測單元128、第二實施例中的感測單元129以及第三實施例中的感測單元131可搭配使用或單獨使用，本發明對此不加以限制。 第四實施例

第5A及5B圖分別繪示依照本發明另一實施例之機械手臂加工系統103、103’的配置示意圖。在第5A及5B圖中，機械手臂加工系統103、103’包括一機械手臂110、一加工模組120以及一控制模組130。加工模組120包括一進給單元121、一預壓單元125、一感測單元131、一阻抗模擬單元132以及至少一阻尼單元。在第5A圖中，阻尼單元可為一頂掛式（Skyhook）阻尼單元134。在第5B圖中，阻尼單元可為一阻尼器135。

本實施例與上述實施例不同之處在於：頂掛式（Skyhook）阻尼單元134用以懸掛進給單元121於空中，並提供一虛擬阻尼VD至進給單元121之主軸馬達123，以減少主軸馬達123震動，進而提高主軸馬達123加工的穩定度。頂掛式阻尼單元134可為液壓缸、氣壓缸或避震彈簧等。在本實施例中，頂掛式阻尼單元134可單獨使用或配合阻抗模擬單元132一起使用，當兩者一起使用時能減少主軸馬達123本身的震動並能抑制工件10的反作用力F2產生的震動。此外，在第5B圖中，外部機械力（例如機台震動）對機械手臂110及預壓單元125造成的震動也可能對進給單元121產生間接震動，為了避免影響加工系統103的穩定度，阻尼器135設置於進給單元121與預壓單元125（或機械手臂110）之間，以緩衝外部機械力對主軸馬達123的震動干擾，進而提高加工系統103的穩定度。阻尼器135用以提供一阻尼值D，並可配合阻抗模擬單元132一起使用，阻尼器135例如為液壓缸、氣壓缸或避震彈簧等。

在第5A圖中，控制模組130連接阻抗模擬單元132及頂掛式（Skyhook）阻尼單元134，並根據虛擬阻抗VI及虛擬阻尼VD輸出與工件10的反作用力F2的數值相同但方向相反的一反動訊號σ至進給單元121，以抵消工件10的反作用力F2產生的震動及主軸馬達123本身的震動，進而提高加工系統103的加工精度及穩定度。此外，在第5B圖中，控制模組130連接阻抗模擬單元132及阻尼器135，並根據虛擬阻抗VI及阻尼值D輸出與工件10的反作用力F2的數值相同但方向相反的一反動訊號σ至進給單元121，以抵消工件10的反作用力F2產生的震動及外部震動干擾，進而提高加工系統103’的加工精度及穩定度。 第五實施例

第6圖繪示依照本發明另一實施例之機械手臂加工系統104的配置示意圖。在本實施例中，機械手臂加工系統104包括一機械手臂110、一加工模組120以及一控制模組130。加工模組120包括一進給單元121、一感測單元131、一阻抗模擬單元132以及至少一阻尼單元133。

本實施例與上述實施例不同之處在於：工件10以卡固結構或夾持結構136提供一固持力，且機械手臂110可不需經由上述實施例中的預壓桿127對工件施加預壓力，此外，阻尼單元133包括一頂掛式阻尼單元134以及一阻尼器135並與阻抗模擬單元132一起使用，且控制模組130連接阻抗模擬單元132及阻尼單元133，並根據虛擬阻抗VI、虛擬阻尼VD及阻尼值D輸出與工件10的反作用力F2的數值相同但方向相反的一反動訊號σ至進給單元121，以減少主軸馬達123本身的震動、抑制工件10的反作用力F2產生的震動以及緩衝外部機械力對主軸馬達123的震動干擾，進而提高加工系統104的加工精度及穩定度。

本發明上述實施例所揭露之機械手臂加工系統，可偵測工件的反作用力或機械手臂的位移量，並輸出一反動訊號抵消工件的反作用力或機械手臂的位移量，進而避免機械手臂產生變形或位移，以提高機械手臂加工系統的加工精度。此外，在另一實施例中，本系統可藉由偵測預壓桿的長度變形量即可推算出機械手臂的位移量，並能藉由偵測預壓桿的長度以得知固持平台之幾何中心的姿態。另外，在另一實施例中，本系統還可藉由偵測進給單元對工件進行加工時輸出的一負載訊號評估工件的反作用力，進而產生對應工件的反作用力的一虛擬阻抗，並可輸出一反動訊號以抵消工件的反作用力，以提高加工系統的加工精度。再者，在另一實施例中，阻尼單元可單獨使用或配合阻抗模擬單元一起使用，如此能減少主軸馬達本身的震動並能抑制工件的反作用力產生的震動，進而提高加工系統的加工精度。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧工件

100、101、102、103、103’、104‧‧‧機械手臂加工系統

110‧‧‧機械手臂

111‧‧‧端部

120‧‧‧加工模組

121‧‧‧進給單元

122‧‧‧驅動器

123‧‧‧主軸馬達

124‧‧‧工具

125‧‧‧預壓單元

126‧‧‧固持平台

127‧‧‧預壓桿

127’‧‧‧長度可變的預壓桿

128‧‧‧感測單元

129‧‧‧感測單元

130‧‧‧控制模組

131‧‧‧感測單元

132‧‧‧阻抗模擬單元

133‧‧‧阻尼單元

134‧‧‧頂掛式阻尼單元

135‧‧‧阻尼器

136‧‧‧夾持結構

140‧‧‧座標量測單元

F1‧‧‧機械固持力

F2‧‧‧反作用力

O‧‧‧幾何中心

VI‧‧‧虛擬阻抗

VD‧‧‧虛擬阻尼

D‧‧‧阻尼值

σ‧‧‧反動訊號

第1A圖繪示依照本發明一實施例之機械手臂加工系統的配置示意圖。 第1B及1C圖繪示感測單元的量測值。 第2A圖繪示依照本發明另一實施例之機械手臂加工系統的示意圖。 第2B圖繪示感測單元的量測值。 第3A及3B圖繪示依照本發明一實施例之長度可變的預壓桿的示意圖。 第4圖繪示依照本發明另一實施例之機械手臂加工系統的配置示意圖。 第5A及5B圖分別繪示依照本發明另一實施例之機械手臂加工系統的配置示意圖。 第6圖繪示依照本發明另一實施例之機械手臂加工系統的配置示意圖。

Claims (21)

1. 一種機械手臂加工系統，包括： 一機械手臂，用以提供一機械固持力； 一加工模組，設置於該機械手臂上，用以對一工件加工；以及 一控制模組，連接該機械手臂或該加工模組，該控制模組根據該工件的反作用力或該機械手臂的位移量對應輸出一反動訊號，以抵消該工件的反作用力或該機械手臂的位移量； 其中，該加工模組包括一進給單元，該進給單元包括一工具，以對該工件加工。
2. 如申請專利範圍第1項所述的機械手臂加工系統，其中該加工模組包括一預壓單元，連接該機械手臂，且該機械固持力經由該預壓單元施加於該工件上，其中該機械固持力與該工件的反作用力的方向相反。
3. 如申請專利範圍第2項所述的機械手臂加工系統，其中該預壓單元包括至少一長度可變的預壓桿。
4. 如申請專利範圍第3項所述的機械手臂加工系統，更包括至少一感測單元，設置於該預壓單元上，用以偵測該至少一長度可變的預壓桿的長度變化量。
5. 如申請專利範圍第4項所述的機械手臂加工系統，其中該加工模組更包括一座標量測單元，用以偵測該至少一長度可變的預壓桿的長度以得到該預壓單元的一座標值。
6. 如申請專利範圍第1項所述的機械手臂加工系統，更包括至少一感測單元，設置於該加工模組上或該機械手臂上，用以偵測該工件的反作用力或該機械手臂的位移量；其中，該加工模組更包括一預壓單元，連接該機械手臂，且該機械固持力經由該預壓單元施加於該工件上，其中該機械固持力與該工件的反作用力的方向相反。
7. 如申請專利範圍第1項所述的機械手臂加工系統，更包括至少一感測單元，連接於該進給單元，用以偵測該進給單元對該工件進行加工時輸出的一負載訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述的機械手臂加工系統，更包括一 阻抗模擬單元，設置於該進給單元與該機械手臂之間，該阻抗模擬單元根據該進給單元輸出的該負載訊號評估該工件的反作用力。
9. 如申請專利範圍第8項所述的機械手臂加工系統，其中該阻抗模擬單元為一主動式阻抗模擬單元，用以產生一虛擬阻抗。
10. 如申請專利範圍第9項所述的機械手臂加工系統，更包括一頂掛式阻尼單元，連接該進給單元，用以懸掛該進給單元並提供一虛擬阻尼至該進給單元。
11. 如申請專利範圍第10項所述的機械手臂加工系統，更包括一阻尼器，設置於該進給單元與該機械手臂之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述的機械手臂加工系統，更包括一夾持結構，連接該工件，用以提供一固持力至該工件。
13. 一種機械手臂的加工方法，包括： 以一機械手臂提供一機械固持力； 以設置於該機械手臂上的一加工模組對一工件加工，其中該加工模組包括一進給單元以及一預壓單元，該進給單元包括一工具，以對該工件加工，該預壓單元連接該機械手臂，且該機械固持力經由該預壓單元施加於該工件上，其中該機械固持力與該工件的反作用力的方向相反；以及 以一控制模組連接該機械手臂，該控制模組根據該工件的反作用力或該機械手臂的位移量對應輸出一反動訊號，以抵消該工件的反作用力或該機械手臂的位移量。
14. 如申請專利範圍第13項所述的機械手臂加工方法，更包括： 設置至少一感測單元於該預壓單元上，其中該預壓單元包括至少一長度可變的預壓桿；以及 以該至少一感測單元偵測該至少一長度可變的預壓桿的長度變化量。
15. 如申請專利範圍第14項所述的機械手臂加工方法，更包括設置一座標量測單元於該加工模組上，用以偵測該至少一長度可變的預壓桿的長度以得到該預壓單元的一座標值。
16. 如申請專利範圍第13項所述的機械手臂加工方法，更包括設置至少一感測單元於該加工模組上或該機械手臂上，用以偵測該工件的反作用力或該機械手臂的位移量。
17. 一種機械手臂的加工方法，包括： 以一機械手臂提供一機械固持力； 以設置於該機械手臂上的一加工模組對一工件加工，其中該加工模組包括一進給單元、一預壓單元、一感測單元以及一阻抗模擬單元，該進給單元包括一工具，以對該工件加工，該預壓單元連接該機械手臂，且該機械固持力經由該預壓單元施加於該工件上，其中該機械固持力與該工件的反作用力的方向相反，該感測單元連接於該進給單元，用以偵測該進給單元對該工件進行加工時輸出的一負載訊號，該阻抗模擬單元設置於該進給單元與該機械手臂之間，該阻抗模擬單元根據該進給單元輸出的該負載訊號評估該工件的反作用力以輸出一虛擬阻抗；以及 以一控制模組連接該阻抗模擬單元，該控制模組根據該虛擬阻抗輸出一反動訊號，以抵消該工件的反作用力。
18. 如申請專利範圍第17項所述的機械手臂加工方法，其中該阻抗模擬單元為一主動式阻抗模擬單元。
19. 如申請專利範圍第17項所述的機械手臂加工方法，更包括配置一頂掛式阻尼單元，連接該進給單元，用以懸掛該進給單元並提供一虛擬阻尼至該進給單元。
20. 如申請專利範圍第17項所述的機械手臂加工方法，更包括配置一阻尼器於該進給單元與該機械手臂之間。
21. 如申請專利範圍第17項所述的機械手臂加工方法，更包括： 配置一頂掛式阻尼單元，連接該進給單元，用以懸掛該進給單元並提供一虛擬阻尼至該進給單元，且設置一阻尼器於該進給單元與該機械手臂之間。