然而,真實世界的情況並非如此。慣性定律告訴我們,一個物體的加速度越快,要把它停下來,需要越大的剎車力道,而且加減速的力量會影響到整個機械手臂系統的穩定,引發各種振動現象。
玩過夾娃娃機的讀者應該都會觀察到,當夾爪高速移動到定位,準備下去夾娃娃時,即便夾爪已經停在所想要的X、Y軸座標上,夾爪還是會因為慣性力道的大小而出現程度不一的搖晃,導致最後夾爪的落點未必會在所想要的位置上。
被動式抑振一字訣:等
機械手臂上的夾爪、吸盤等夾治具也一樣,當手臂高速運動到定點並停下來時,夾治具往往還會振動一段時間,特別是帶有延伸臂的夾治具,延伸臂末端的振動情況會更明顯。
對於需要進行精密加工或組裝工序的應用來說,因慣性而產生的振動,對完成品的良率會造成很大的影響。振動除了會導致夾治具與工件的接觸點不正確之外,如果是結合機器視覺的應用,工業相機的取像作業也會受到影響,甚至導致系統產生誤判。
要解決這個問題,傳統作法其實很簡單–等。通常由慣性產生的振動,都會在1~2秒內停止,因此手臂移動到定點後,只要稍微等待一下,讓夾治具或相機穩定下來,再開始作業即可。
但這看似微不足道的等待時間,累積起來也很可觀。假設一支機械手臂一天要做100台產品,每台產品只有一個加工動作,每次都要等待1秒讓振動停止,等待時間就長達100秒。在真實的產線應用上,情況只會更糟,因為一支機械手臂可能每天要處理成千上萬台產品,加工動作也不只一個。機械手臂浪費在等待振動停止的時間,是不容小看的。
除了等待振動停止之外,為了減少慣性引起的振動,提高夾治具的剛性,有時也能發揮效果。但這種作法有其副作用,因為夾治具的剛性越高,通常重量也越重,這會使手臂的荷重(Pay Load)增加負擔,手臂的馬達、減速機等都必須提高力量,才能完成同樣的工作。因此,增加夾治具剛性的作法,在實務上很少採用。
在物理法則的限制下,對機械手臂而言,速度、精準度與穩定度是三個必須互相妥協的參數。運動速度越快,精準度跟穩定度就得妥協;若要做非常高精密度或需要高穩定度的加工組裝,手臂的速度就不能太快。
然而,對機械手臂的使用者來說,為了提高產能,加快投資回收,生產速度還是必須盡可能快,否則投資機械手臂的吸引力就會大打折扣。而這也促使手臂供應商必須設法用主動式技術來抑制振動,特別是專注於工業用機械手臂的業者。因為工業用手臂的運動速度極快,慣性所造成的問題也更明顯(圖1)。
結合感測/控制算法實現主動抑振
為了因應高速運動所衍生的慣性振動,愛普生(Epson)發展出獨家的振動抑制技術(VRT)。該技術是以Epson的QMEMS感測技術為基礎,搭配其自行開發的軟體平台跟控制器硬體,來抑制手臂高速運動時的振動。
對使用者來說,這項技術能帶來的效益有二,一是減少機械手臂等待振動停止所浪費的時間,二是延長減速機的使用壽命,降低機械手臂故障或維修所帶來的成本。
事實上,手臂或夾治具的振動會縮短減速機的壽命,因為減速機必須出力才能抵銷慣性跟其所帶來的振動,慣性力或振動越大,減速機的對應出力也就越大。減速機又是機械手臂的核心零部件,維修成本不低。減速機的使用壽命延長,有助於降低機械手臂的整體持有成本。
但需要特別釐清的是,抑振技術無法讓振動完全消失,因為振動產生的根源是慣性,這是無法完全消除的。抑振技術只能縮短振動持續的時間,讓手臂更快執行下一個動作(圖2)。
機器視覺/延伸臂夾治具獲益最大
以產線運用情境來看,最能從主動式抑振技術中獲益的主要有二,一是帶有機器視覺的機械手臂應用,二是搭配吸盤或帶有延伸臂夾治具的機械手臂。
以機器視覺為例,如果工業相機是安裝在機械手臂上,則主動式抑振技術可明顯縮短相機的晃動時間,提高影像的品質。但如果工業相機是安裝在手臂以外的某個定點,例如用工業相機做二次定位的手機面板精密組裝,主動抑振同樣可以發揮效益,因為手臂把工件帶到到相機鏡頭前的時候,工件的晃動可以更快停止,甚至幾乎不用等待時間,相機也能取得清晰的影像。
機械手臂搭配吸盤或使用帶有延伸臂夾治具的情況,則是另一個主動式抑振技術的最佳應用範例。前文提到,由慣性引發的振動,在延伸臂末端會特別明顯,因此更需要主動式抑振技術來減少振動時間。
除了機器視覺跟夾治具振動外,手臂本體在運作時也會造成振動,特別是手臂若安裝在剛性或重量不夠的工作平台上時,手臂的振動會更加明顯。此外,若一條生產線上採用多支機械手臂,且這些手臂安裝在同一個工作平台上,隔鄰手臂的振動也會藉由平台傳導到其他機械手臂上。
在這兩種情況下,採用抑振技術也能發揮一定的效果,避免手臂運作受到干擾,或是去干擾其他手臂運作(圖3),進而幫助使用機械手臂的企業,實現更具競爭力的生產製造過程。