TWI707214B - 機械手臂教學模組 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種機械手臂教學模組，其包含有一可程式自動化控制器(Programmable Automation Controller,PAC)；一可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，係電性連接可程式自動化控制器；一人機介面(Human Machine Interface,HMI)，係電性連接可程式自動化控制器；一多軸機械手臂，係電性連接可程式自動化控制器，其具有複數個機械關節、複數個機械臂部與一設置於多軸機械手臂之一端的取料單元；一輸送裝置，係電性連接可程式自動化控制器；一置料台，係鄰近該多軸機械手臂設置；以及一檢測裝置，係電性連接可程式自動化控制器，並設置於輸送裝置之一端，其具有一金屬感測單元與一顏色感測單元。

Description

機械手臂教學模組

本發明係有關於一種機械手臂教學模組，尤其係指一種能夠讓學生熟悉可程式自動化控制器(Programmable Automation Controller,PAC)之操作的模組，藉由機械手臂的實作，去培養機電整合儲備人才，可滿足產業界的需求，提升學生畢業後在職場上的競爭力。

按，工業發展至今，已經經歷了四次的工業革命，第一次工業革命由人力與獸力的方式進展為利用水力及蒸汽的力量作為動力源，減輕了勞力的負擔，第二次工業革命進入了電氣化的時代，利用電力為大量生產提供動力與支援，也讓機器生產機器的目標實現，第三次工業革命為電子化的時代，許多資訊、數據透過資料庫系統進行分析，即是利用電子裝置及資訊技術來消除人為影響以增進工業製造的精準化；而現今製造業已經朝著全自動化的方向發展，為第四次的工業革命，稱為工業4.0，在製造廠房內不再有人力的出現，同時整合資訊與機械，使機器能夠全自動化的進行製造作業，並排除障礙。

機電整合為工廠自動化的核心，更是廣泛的被應用在半導體、光電產業、生技產業、智慧型機器人、汙水處理、綠色能源及小型製程等相關的生產設備上，智慧製造的需求是多種技術整合的產業，因此，學習及了解機電整合的學識即顯得相當重要；由於廠 商對機電整合人才的需求日漸上升，在就學時，學生不應僅僅注重在理論的課程，在實作的部分也同等重要。

中國專利公告號CN207352869U「一種機器人教學實訓裝置」揭露一種控制機械手臂的教學平台，其包含有工作台、設置在工作台的機器人、PLC控制模塊以及碼垛輸送組件，而機器人包括了機器人控制器、與機器人控制器電連接的示教器以及手部工具，此教學平台主要係利用PLC進行控制，讓學生對機械手臂的應用能夠有實際操作的經驗；然而，其佔用空間大，又不方便移動，要實際在教室中使用，仍會有許多不便。

爰此，如何提供一種可以培養學生學習到機電整合系統中操作機械手臂的概念，並了解控制介面的使用，又提供方便收納及移動的設備，此即為發明人所思及之方向。

今，發明人即是鑑於上述現有之機械手臂教學設備於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種機械手臂教學模組，其可協助學生或是產業界初級工程人員進行教學，以熟悉機電整合中的元件與控制的技術，且針對機械手臂的技術去進行實作，係能透過本發明學習到如何在機電整合的架構下達到機械手臂的定位控制。

為了達到上述實施目的，本發明一種機械手臂教學模組，其包含有一可程式自動化控制器(Programmable Automation Controller,PAC)；一可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，係電性連接可程式自動化控制器；一人機介面(Human Machine Interface,HMI)，係電性連接可程式自動化控制 器；一多軸機械手臂，係電性連接可程式自動化控制器，其具有複數個機械關節、複數個機械臂部與一設置於多軸機械手臂之一端的取料單元；一輸送裝置，係電性連接可程式自動化控制器，並鄰近多軸機械手臂設置；一置料台，係鄰近多軸機械手臂設置；以及一檢測裝置，係電性連接可程式自動化控制器，並設置於輸送裝置之一端，其具有一金屬感測單元與一顏色感測單元。

於本發明之一實施例中，可程式自動化控制器、可程式邏輯控制器與人機介面係容設於一箱體中，而多軸機械手臂、輸送裝置、置料台與檢測裝置係容設於另一箱體中。

於本發明之一實施例中，兩個機械臂部之間係由一個機械關節所連接，且機械關節可例如會連接至步進馬達。

於本發明之一實施例中，多軸機械手臂之取料單元係設置於其中一個機械臂部之一端。

於本發明之一實施例中，多軸機械手臂之取料單元係選用電磁鐵。

於本發明之一實施例中，輸送裝置係具有一輸送帶與一連接輸送帶之減速馬達。

於本發明之一實施例中，置料台係為立體置料台，其具有複數個階部。

(1):可程式自動化控制器

(2):可程式邏輯控制器

(3):人機介面

(4):多軸機械手臂

(41):機械關節

(411):步進馬達

(42):機械臂部

(43):取料單元

(5):輸送裝置

(51):輸送帶

(52):減速馬達

(6):置料台

(61):階部

(7):檢測裝置

(71):金屬感測單元

(72):顏色感測單元

(8):箱體

(9):料件

第一圖：本發明其較佳實施例之整體外觀圖。

第二圖：本發明其較佳實施例之整體架構方塊圖。

第三圖：本發明其較佳實施例之搬運部分架構圖。

第四圖：本發明其較佳實施例之送料實施圖(一)。

第五圖：本發明其較佳實施例之送料實施圖(二)。

第六圖：本發明其較佳實施例之取料實施圖(一)。

第七圖：本發明其較佳實施例之取料實施圖(二)。

本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

請參閱第一圖~第三圖，本發明一種機械手臂教學模組，其包含有：一可程式自動化控制器(1)；一可程式邏輯控制器(2)，係電性連接可程式自動化控制器(1)；一人機介面(3)，係電性連接可程式自動化控制器(1)；一多軸機械手臂(4)，係電性連接可程式自動化控制器(1)，其具有複數個機械關節(41)、複數個機械臂部(42)與一設置於其中一個機械臂部(42)之一端的取料單元(43)，兩兩機械臂部(42)之間會由一個機械關節(41)所連接，且機械關節(41)再連接至步進馬達(411)，由步進馬達(411)控制其動作，而取料單元(43)可例如使用電磁鐵；一輸送裝置(5)，係電性連接可程式自動化控制器(1)，並鄰近多軸機械手臂(4)設置，輸送裝置(5)可例如具有一輸送帶(51)與一連接輸送帶(51)之減速馬達(52)；一置料台(6)，可例如為立體置料台(6)，其具有複數個階部(61)，且鄰近多軸機械手臂(4)設置；以及一檢測裝置(7)，係電性連接可程式自動化控制器(1)，並設置於輸送裝置(5)之一端，其具有一金屬感測單元(71)與一顏色感測單元(72)。

其中，可程式自動化控制器(1)、可程式邏輯控制器(2)與人機介面(3)可容設於一箱體(8)中，而多軸機械手臂(4)、輸送裝置(5)、置料台(6)與檢測裝置(7)則容設於另一個箱體(8)中，使本發明將控制部分與機械手臂部分縮小成能夠容置於箱體(8)的尺寸， 以方便移動整體之設備，透過模組化的方式，讓機電整合之技術的實作更為便利。

此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。

請繼續參閱第一圖~第三圖，本發明一種機械手臂教學模組主要是作為機械手臂的教學用途，係可將元件分別放置在兩個箱體(8)中，可程式自動化控制器(1)、可程式邏輯控制器(2)與人機介面(3)屬於控制部分，其容設於一箱體(8)中，多軸機械手臂(4)、輸送裝置(5)、置料台(6)與檢測裝置(7)則屬於搬運部分，即是被控制的部分，其可容設於另外一個箱體(8)中，如此，若轉換教學地點，僅要直接移動箱體(8)到達目的地即可。

請再一併參閱第四圖與第五圖，本發明實際使用時，係先啟動總電源，進行歸零後，再開始執行機械手臂控制與料件(9)辨識的作業，而作業中的過程皆會顯示在人機介面(3)上；在本實施例中，分別提供了金屬可反光料件(9)、金屬不可反光料件(9)與非金屬可反光料件(9)，使用者可隨機放上某一個料件(9)於輸送裝置(5)之輸送帶(51)上，可程式自動化控制器(1)會傳輸訊號給可程式邏輯控制器(2)，由可成是邏輯控制器控制減速馬達(52)作動，使減速馬達(52)驅動輸送帶(51)，讓輸送帶(51)上的料件(9)得以被帶動至檢測裝置(7)的位置，檢測裝置(7)係透過金屬感測單元(71)去檢測料件(9)是否為金屬，以及透過顏色感測單元(72)去檢測料件(9)是否反光，檢測的資訊會回傳至可程式邏輯控制器(2)，進行判斷後，再將辨識的結果輸出給可程式自動化控制器(1)，並將料件(9)移動至置料台(6)上指定的階部(61)；當然，上述的檢測裝置(7)除了本實施例所舉之金屬感測單元(71)、顏色感測單元(72)之外，其他例如磁性感測器、重量感測器等等，皆可視教學或現場實際需求做更 改或增加。

移動料件(9)時，係透過多軸機械手臂(4)執行，請再一併參閱第六圖與第七圖，在本發明中運用了可程式自動化控制器(1)的靈活操控特性，賦予多軸機械手臂(4)的控制定位核心，可快速顯示及擷取多軸機械手臂(4)當前的三維座標位置，方便編輯執行步驟程序；本實施例中，多軸機械手臂(4)具有三個機械臂部(42)及三個機械關節(41)，兩兩機械臂部(42)之間由一個機械關節(41)連接，三個機械關節(41)分別執行X軸、Y軸、Z軸三個方向的位移，X軸機械關節(41)為水平方向的旋轉，Y軸機械關節(41)與Z軸機械關節(41)則負責控制機械臂部(42)的位移；可程式自動化控制器(1)會傳輸訊號給可程式邏輯控制器(2)，可程式邏輯控制器(2)再控制步進馬達(411)，使步進馬達(411)驅動機械關節(41)，讓多軸機械手臂(4)做到三個方向的位移，於取料時，Y軸機械關節(41)與Z軸機械關節(41)會帶動機械臂部(42)，以移動靠近位於輸送帶(51)上接受檢測裝置(7)檢測的料件(9)，使固定在機械臂部(42)之一端的取料單元(43)與料件(9)接觸，由於取料單元(43)使用電磁鐵，於是會產生磁力去吸附料件(9)，Y軸機械關節(41)與Z軸機械關節(41)再帶動機械臂部(42)把料件(9)提起，接續透過X軸機械關節(41)進行水平旋轉，讓料件(9)帶動至置料台(6)之指定的階部(61)上方，如此，根據可程式自動化控制器(1)判斷的結果，料件(9)會被放置在指定的階部(61)上，以對料件(9)進行分類。

由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：

1.本發明機械手臂教學模組係包含有可程式自動化控制器、可程式邏輯控制器、人機介面、多軸移載裝置與輸送裝置等元 件，其能夠讓使用者學習如何操作並編輯可程式自動化控制器與可程式邏輯控制器的程式碼，以機電整合的架構熟悉機械手臂的控制。

2.本發明機械手臂教學模組透過多工感測檢測裝置判料及料件儲放裝置，可針對不同料件的特性，去進行辨識與分類，搭配可程式邏輯控制器的指令，能夠將料件分類到指定的位置，讓學生得以學習物料分揀機構執行系統的分析與設計選擇，深入實現了機械化和自動化的有效結合。

3.本發明機械手臂教學模組係將各個元件放入在箱體中，以體積小、方便攜帶的優勢，讓教學地點不受限制，且亦能夠透過低成本完成高度自動化的設備，令使用者更容易學習到機電整合領域中應有的知識。

綜上所述，本發明之機械手臂教學模組，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(1):可程式自動化控制器

(2):可程式邏輯控制器

(3):人機介面

(4):多軸機械手臂

(41):機械關節

(42):機械臂部

(5):輸送裝置

(43):取料單元

(51):輸送帶

(52):減速馬達

(7):檢測裝置

(71):金屬感測單元

(72):顏色感測單元

Claims (6)

1. 一種機械手臂教學模組，係包含有：一可程式自動化控制器(Programmable Automation Controller,PAC)；一可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，係電性連接該可程式自動化控制器；一人機介面(Human Machine Interface,HMI)，係電性連接該可程式自動化控制器；一多軸機械手臂，係電性連接該可程式自動化控制器，其具有複數個機械關節、複數個機械臂部與一設置於該多軸機械手臂之一端的取料單元；一輸送裝置，係電性連接該可程式自動化控制器，並鄰近該多軸機械手臂設置；一置料台，係鄰近該多軸機械手臂設置，該置料台係為立體置料台，其具有複數個階部；以及一檢測裝置，係電性連接該可程式自動化控制器，並設置於該輸送裝置之一端，其具有一金屬感測單元與一顏色感測單元；其中，該多軸機械手臂、該輸送裝置、該置料台與該檢測裝置係容設於一箱體中。
2. 如請求項1所述機械手臂教學模組，其中該可程式自動化控制器、該可程式邏輯控制器與該人機介面係容設於另一箱體中。
3. 如請求項1所述機械手臂教學模組，其中兩個該複數個機械臂部之間係由一個該複數個機械關節所連接，且該機械關節係連接步進馬達。
4. 如請求項1所述機械手臂教學模組，其中該多軸機械手臂之取料單元係設置於其中一該複數個機械臂部之一端。
5. 如請求項1所述機械手臂教學模組，其中該多軸機械手臂之取料單元係選用電磁鐵。
6. 如請求項1所述機械手臂教學模組，其中該輸送裝置係具有一輸送帶與一連接該輸送帶之減速馬達。

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