時鐘

製程的難題

製程的難題

製程工程師的思考邏輯

產品、生產流程與參數的關係

產品是由一連串的生產流程所製造出來的，每一流程稱為製程，每一單獨製程又擁有許多變因，掌控變因以數值表現出來而成為參數，描述某一產品某一製程的某一種特性若由方程式表現，該方程式必定非常複雜，多變數又非線性，超越大部分人腦袋裡線性思考方式所能理解。因此在思考製程的問題時，需要有多維度且高度非線性的思考模式，很多時候製程發生問題時，很難找到單一原因解決。

參數應該定多少？

一個製程的某一參數值為某一固定值，這樣的描述其意義不是太大，較為適當的問題是：參數精確度需要到多少？在生產過程中參數可以穩定維持住這樣的精確度嗎？以及其產生的結果穩定嗎？精確度到多少要看產生的結果需要穩定在哪個範圍，以及設備能達怎樣的準確度，在非常接近設備準確度的參數設定會產生某種分佈形態，這樣的分佈形態會使產品品質同樣出現變化。因此當產品出現變化時同時也需要思考參數本身就會有的分佈特性。

多維度的參數關係

單一維度的思考方式，就是指當產品發生問題時，只想找出出問題的單一製程參數為何？當然，有時只是某一條件失控產生問題，但多數時候是因為非單一參數在設備穩定極限上跳動組合相遇，產生百分之一、千分之一甚至百萬分之一的產品缺陷。因此在找尋產品品質問題時，需要調查或推測的第一個問題就是問題產品的比例如何？若比例很高，會比較偏向單一製程參數問題，若比例很低，就需要用多維度的思考方式。多維度相較於單一維度，就是在問題發生時需要尋找的是某一些參數組合才會產生的產品缺陷，而非特定參數問題。

產品的好與壞

製程參數跑掉產生問題產品是屬於單一維度的問題，通常製程工程師面對的是參數大致都相同，卻產生時好時壞的產品，若只以單一維度思考必定會落入死胡同。產品品質須以分佈的方式去看待，完全相同的參數設定必定會產生某種品質分佈，訂定一個好壞界限以後，便產生良品與不良品，因此良品與不良品間不必然存在參數差異，而是由所有的參數共同舞動交織而成的結果。

解題的流程

當產品問題發生後，第一個便是要分析問題發生的比例，比例很高便比較頃向單一參數跑掉，比例很低可能是多參數變化組合產生問題，若比例低到生產檢查時很難找到不良品，可是卻總在成品抽驗時偶發，這種問題就比較偏向多參數在精度範圍內跳動造成的問題。先找出問題產品的比例，就能大約猜出問題的難度，單一變數跑掉只要抽驗少量產品就可以檢查，若為多變數變化組合，就需要一定量的檢查及實驗，若為參數“跳舞“就需要大量的生產抽驗調查才能獲得結果。千萬不要以為比例超低的不良品只是某一個製程參數不對造成的，這樣的思考方式是很難找到問題的答案的。

書籍介紹 "泛用伺服馬達應用技術"

自動化機械最常用的元件之ㄧ就是伺服馬達，響應快控制精準且規格齊全。但是要從挑選馬達、配電、參數設定一直到寫程式控制，實在是很難教也很難學，而仿間卻很缺這樣的書籍，不是介紹馬達就是介紹控制程式，幾乎沒有軟硬體及匹配馬達都介紹的入門書。

本書作者採用很多實際的例子說明，除了比較容易進入狀況以外，對於實際運用這些馬達時也會讓人放心許多，非常適合初學者及簡單應用的使用者參考。簡介其章節內容如下：

"泛用伺服馬達應用技術"

第1章　泛用伺服驅動器應用

介紹伺服馬達及其驅動器、參數的意義及設定方法。

第2章　伺服控制介面

從基本電學迴路開始說明一直到實際介紹幾個大廠牌伺服驅動器的配線方式。

第3章　伺服控制器應用

第4章　介面接線及控制程式實驗

採用三菱及歐姆龍的定位控制器介紹實際定位運作的程式。

第5章　伺服與步進馬達選用

介紹轉動慣量、加減速轉矩等選用馬達所需的計算。

2009工商時報台中自動化機械展

今年的台中自動化展，感覺比較偏向加工機零組件，反而比較少精緻的東西。看到比較特別現象大概有兩個：

大型國產同步伺服馬達出現：有好幾家廠商都展出大型同步伺服馬達，甚至有到40~50kW的，但是encoder解析度大約都只有2500pls以下，有業務號稱有搭配32767的，但是查他給我的資料卻只有2500pls，不知道怎麼回事。這種馬達主要是針對全電式射出機開發，但是國內全電式射出機發展的並不好，所以馬達廠商都不太積極。不過有這樣的中大型伺服馬達出現，其實對整個機械產業是很好的事，一方面可以降低原本採用此類元件設備的成本，令一方面也可能產生新的設備類型及原本受限的應用。

視覺系統較不受重視：前幾年產出都有非常多視覺系統的廠商參加，包含燈具、鏡頭、控制主機以及整套的系統，今年只有幾家元件廠商，整套系統展出的也不多，這也是這次展覽感覺比較偏加工系統的原因吧。

整體來說這次展覽還滿熱鬧的，起碼可以感覺到金融海嘯的影響已經開始漸漸的變弱了，大家也比較有活力些。

找工作的問題

最近遇到ㄧ位失業將近半年的朋友，打算到工廠應徵基層的員工，他原本是學有專精的技術人員，高中畢業工作到三十出頭，失業的半年內有五六次的面試機會，但大都沒辦法與剛畢業的新鮮人競爭，畢竟大部分公司還是會找新人來培養，比較專精的又沒有辦法勝任，變得高不成低不就的，漸漸就失去信心想放棄了。其實看看他的經歷還滿豐富的，所以才會一直有面試機會，只是最近工作真的很難找，很多人被被裁員，僧多粥少工作自然難找。我鼓勵他繼續尋找跟他學經歷相關的工作，不然之前累積的都白費了，況且在這麼多不利因素之下，他都還能有幾次的面試機會，其實也已經證明他還是有他的價值。


找工作除了看供需，還需要下很多工夫，主要是要能展現本質學能、積極度及誠意，在此提供幾項對於找工作的個人建議。

每一封履歷都要量身定做，不要只用網路上的標準版本到處e-mail，履歷上要展現自己的學經歷，與應徵公司及工作內容有關的部份要詳細，關連性小的要簡略，無關連的省略。自傳不要風花雪月（除非你應徵文字工作），只要將與該工作內容可能有相關的學經歷詳細說明即可，最後要簡單說明應徵這個工作的理由及感謝對方花時間閱讀等，簡單扼要。

對工作內容及應徵公司進行事前的資料搜尋與研讀，上網或去圖書館、書店翻翻相關的資料等，並思考與自己的學經歷的連結性，同時適當的展現在履歷上。

寄履歷時的e-mail也很重要，將要應徵的項目及本人姓名直接寫在e-mail title上，以方便對方作業，也避免遭遺漏，隔兩天若沒有任何通知，可以打電話去確認。

面試過程要記錄檢討，問了些什麼問題，哪些知道哪些不知道，要檢討以避免犯同樣的錯誤。

面試後通常都會給個日期等通知，可以在通知日期過後打個電話去確認，即使會被小姐念也沒有關係，禮貌一點就好。

在找工作的過程中，盡量讓自己保持一種類工作狀態，早起早睡，除了準備面試的資料以外，要有計畫的培養自己所欠缺的能力，也要花一些時間讓自己快樂一點，反正難得可以放這麼長的假嘛。

放棄當然是很容易，但是積極面對絕對會讓你學到很多東西。順便老話一句，先秤秤自己的斤兩再來要求別人應該給你什麼樣的待遇吧，就算要離職也要先找到工作阿。

SolidWorks轉動慣量計算

在大略設計好機構以後，需要為機構挑選馬達等驅動元件，再挑選之前就需要計算重量及轉動慣量，重量計算比較簡單，但轉動慣量就比較難了，但我們可以利用3D繪圖軟體，透過簡單的設定便可以得到所需。以下將依步驟介紹如何在SolidWorks的組合圖上，計算指定轉軸位置的轉動慣量。

1. 檢查組合件內的各零件是否都有指定正確材質。

2. 插入3D草圖

3. 於轉軸中心畫點

4. 插入->參考幾何->座標系統

5. 將座標系統原點設於剛產生的點上，Z軸方向參考平面點選底面，確認Z軸方向與轉軸相合。

6. 點選工具->物質特性

7. 點選輸出座標軸系統為座標系統1，按”重新計算”鈕。最下方 " 慣性張量:(公克*平方毫米 g*cm2)由輸出座標系統決定。Izz "即為所求之轉動慣量。

附註 :

轉動慣量的單位

一般馬達指稱的  J(SI) 是為 Rotor inertia, GD^2(Gravitational system)為 Rotor flywheel effect,  J = (GD^2)/4
單位換算 :
   1 kg*m2 = 10^4 kg*cm2 = 10^6 kg*mm2
   1 kg*mm2 = 1/g kg*mm*sec2
   1 kg*cm2 = 1/g kg*cm*sec2

g : 9800 mm/sec2 or 980 cm/sec2

簡單的自動化機械設計

3D軟體+翻閱型錄的設計方法


從機械便覽+AutoCAD開始？

從前的機械設計大多會先從AutoCAD畫概念圖，然後翻閱機械設計便覽尋找相關元件，再往回修改概念圖成為真正的概念設計，經過計算評估以後再重新修圖成真正的設計圖，超過書本規格的設計也不知道到底買的到買不到這樣的東西，沒有這樣的規格又要重新再來修改概念圖。因為牽涉的過程非常複雜，因此很難一次就完成精確的組合件，靠這樣的程序要培養機械設計的人才，需要非常長的時間。

3D繪圖軟體提供的捷徑

3D繪圖軟體(例如SolidWorks、ProEngineer以及SolidEdge等)提供一個虛擬的場所，使得所有的複雜建圖過程變的簡單，先有2D或3D的概念草圖，翻閱廠商提供的型錄，初步挑選可能的元件建圖以後就可以開始虛擬實體的評估工作。現在有很多廠商甚至都有提供3D的零件圖檔，只要拖拉擺放就可以完成設計。那相關的計算工作該如何做呢？還是去翻書嗎？

規範擺在心理，設計只要簡單計算或查表

書本上的設計規範只要擺在心理，很多元件大廠都會提供詳細的設計規範，而且通常都會做簡化或變成表單，只要查表就好。筆者最推薦的就是台灣三住(Misumi)的型錄，裡面有非常完整的自動化設計所可能使用到的所有機構元件，從橡膠輪胎、門板一直到軸承、線性滑套、珠滾珠螺桿，應有盡有。那該怎麼開始使用呢？

型錄設計法

以台灣三住工廠自動化標準零件為例，其原則是可以推廣到所有型錄的使用。目錄最前面部份是所有元件的代表圖及其頁碼並分門別類放置於各單元(左列為網路版型錄的內容)，每一單元的最前面會簡介該元件的一些基本使用範例或使用環境，並仔細介紹所有該元件的各種類型、適用條件及限制，甚至相關的配合元件在哪些其他章節等；每個型號的零件均有詳細的尺寸圖、規格及其材料等；型錄最後有較詳細的技術資料提供參考。

建議的使用方法：

1. 把整本數千頁的型錄從頭到尾看完：要對所有元件的使用環境有一定的認識，在思考概念圖時就可以正確的採用各種元件，同時避免不合理的使用方法。

2. 盡量採用機械元件：要快速的建立設計，就必須盡量採用元件，減少使用機械加工件(所謂加工件就是需要出工程圖請機械加工廠加工的自行設計件)。

3. 建立實體模型示意圖：使用3D繪圖軟體建構整個模型示意圖，不需太精確，只需要有主要必要元件及概念機構，便可以跟其他設計者或者使用者討論可行性，隨時可以變變更修改而不會大費周章。

4. 技術規格試算：利用各種元件的技術資料試算是否符合規範。

5. 完成細部設計。

這裡僅提供機構的設計方法，關於電控還需要其他的討論才行。

高推力與高速度伺服馬達快速切換設計

伺服馬達與離合器的配合

設計需求

高精度(5um)高速度(1m/sec)重型機械設備(1000kgf)的自動化設計，如果高推力與高速度並不是在同一個時間點，通常都可以利用機構去放大，例如肘節(toggle)及凸輪(cam)的設計，可是肘節機構過於複雜，凸輪定位精度有限，該如何解決呢？

一次達成兩個願望的馬達？

高精度與高轉速，通常都會採用伺服馬達(Servo Motor)，但要達成高推力就需要大功率的伺服馬達再加上減速機，但以15kW以上的伺服馬達為例，極限轉速大概都不超過3000rpm，因此很難採取高減速比提高扭力以後還能保持高轉速，如果不提高減速比，那所需求的伺服馬達功率會很可怕。線性馬達(Linear Motor)可以達到高速度，但是推力卻普遍很小；步進馬達(Stepper Motor)及DC無刷馬達(Brushless DC Motor)則沒有千瓦等級的。因此唯一的選擇是分開兩種需求。

分離需求

如果將兩種需求分開，就可以避免掉這些問題。可以有幾種選擇，雙馬達雙驅動機構，單馬達雙驅動機構，雙馬達單驅動機構等，簡潔設計的話僅採取單馬達雙驅動機構或者雙馬達單驅動機構，道理是一樣的，就是需要離合器(Clutch)去切換。

離合器與伺服馬達

先介紹離合器，再來討論可否用在高速切換問題上。

上圖為標準的電磁離合器(Electro Magnatic Clutch)圖，主要結構就是利用電磁鐵吸引接觸後傳遞扭力(離合器動作原理影片)。除了利用電磁產生吸引力，還有手拉、空壓及油壓等方式；傳遞扭力方式也有分摩擦盤、磁粉(magnetic particle clutch)及齒接觸(tooth clutch)還有完全採用電磁力傳遞非接觸等。通常都使用在定轉速的馬達停止、開始、扭力限制或切換不同速度時使用。

有了可以切換馬達的元件，再來的問題是，精度及切換速度是否可以達到一般自動化控制的程度呢？以及壽命如何？有沒有其他問題？

摩擦傳遞扭力的離合器會有發熱、未完全接觸時滑移、摩擦消耗間隙需要調整以及作動頻率不能太高等問題，並不太適合伺服馬達的操作方式。磁粉及完全電磁吸引可以達到高的作動頻率，但不能傳遞很大的扭力且會有滑移。齒接觸式則有零背隙、傳遞扭力大以及作動速度快(大型的離合器約需0.1~0.2 sec時間)等優點，因無摩擦所以熱的問題較小，也較無壽命問題，唯一較不方便的是通常都需要接近停止時才能咬合作動，但這一點對伺服控制則非常容易，同時齒接觸離合器也可以承受正反轉高速定位，因此對本案是絕佳的解決方案。

採用齒接觸離合器切換兩顆伺服馬達以達成高扭力及高轉速切換的效果基本上可行，但是0.1~0.2sec的切換時間似乎只有達到可用的程度而已，而且在切換時需要停止，也會延長動作時間，最佳的解決方案仍然是找到一顆超高轉速的大型伺服馬達，例如：15kW 8000rpm Servo Motor，不過短時間內暫時應該是不會有這樣的產品。