2018科創講堂

高速單層平台之結合運動與定位控制設計

講者/顏家鈺(臺灣大學機械工程學系終身特聘教授)

撰文/整理/科學人
2018/11/20

2018科創講堂

高速單層平台之結合運動與定位控制設計

講者/顏家鈺(臺灣大學機械工程學系終身特聘教授)

撰文/整理/科學人
2018/11/20


機械工程乍聽之下離我們很遙遠,腦中浮現的印象不是巨大且轟隆作響的忙碌工廠,就是充滿精密動作的高科技機器人實驗室。但其實機械與人的關係相當悠久也很密切,從5000年前第一個輪子發明,到現在生活周遭幾乎所有非生物物體都是機械或由機械生產的製品。


現代機械製造追求效率,近年隨著資訊科技的快速發展,嘗試把網路、物聯網與巨量資料的處理和機械製造結合以增進機械控制的能力,便能打造新的智慧工廠,臺灣大學機械工程學系終身特聘教授顏家鈺說「這也是工業4.0的其中一項目標。」


精密的機械製造需要工具機平台,平台的動作則必須精準且迅速,因此平台的控制系統是研究人員與各家廠商研發的重點。不過顏家鈺提到:「精密和速度其實是互相矛盾的概念。」要怎麼才能在這兩項要求之間取得平衡,達到最大效益?


挑戰速度與精準度的極限


首先,平台若要運動得夠快,負載量絕對不大,耐力板(PC板)的製作便是最常見的應用。當製作產品的面積越來越小,例如要放在手機裡的,鑽孔的大小甚至和一根頭髮的粗細相同僅約50微米,再加上孔洞類型繁多,盲孔、穿孔各異,深度也不同,要鑽的數目也相當多,這因此成為研發人員的挑戰。


還有一項困難,這類工具機平台多為二維,通常一軸會帶著另一軸一起運動,因此設計時特別著重各軸的阻抗匹配。目前產業界所能達到最快的速度大約每分鐘60公尺,定位精度約25奈米。


顏家鈺的實驗室目前採取的方式是運用四個線性馬達驅動二維平台,但由於他的設計沒有導軌,該如何讓平台的運動和具有導軌的設計一樣好?顏家鈺嘗試使四個馬達各自獨立控制,讓平台動起來就像有導軌一般。問題是,若彼此運動有些微差異,機器會互相補償,因而造成震動,便無法達到精準定位的要求。


虛實結合


目前,藉由蒐集並處理巨量資料,可以幫助這類平台的運動在控制上更精確。因此,研究人員必須考慮工業控制器的內部結構,提供與結構相關的參數,並運用巨量資料技術進行分析,使這些參數達到最佳化,研究人員便能增加控制的自由度。


然而,現在學界設計出的結構與工業控制器的結構並不一致,顏家鈺嘗試發展出一種邏輯,使研究人員希望達到的最佳化設計與工業控制器的結構相同,這樣一來,計算出的參數便能直接應用在工業控制器上,平台便能達到希望的精度與速度。


顏家鈺現在能達到的定位精度大約20奈米,速度大約每分鐘40公尺。對於機械工程的未來,顏家鈺認為虛與實終將結合,雖然資訊與智慧科技蓬勃發展,但最後仍需要機械來實現想法。