三轴并联式机构控制

1、三翰亚聊式榴情控制角且景姓名：吴仲航 洪鼎偷、李名耀、童志秦 王倬偷、蔡一、何冠宏德霖技荷孥院械工程系夜二享095B指毒老g念林柳絮老弗摘要由於工棠技彳桁的快速畿展，现代科技的日新月巽，使得人仍的生活翩步愈来愈快，除了生活上 的各彳重必需品愈来愈筒便之外，在现代工棠上舄求畤效自重力化言殳偷更是如此，自重力化言殳偷快速效果， 已被人仍的新志忍同，但是，以往的自重力化言殳偷大多舄大型檄器，坐寸於一般生活上亚不易使用，所 以，现在在殳言十裂造自重力化殳偷畤，均畲以髓稹大小舄僵先考量，接著在考虑其多功能性，逼将畲 使各侗使用者不再受偏限於空冏不足的K削伉本次暮题除了髓稹小的特色之外，也将使用VB程式

2、和重力1路来控制遑重加丁台，而此重遑重加丁台的雁用相富腐泛，例如：用於工具檄，混化孥桑蒯之 虹台，人髓手足ia健檄，弛行遮虐戈，弛行模摄剖惴柬檄和用於汽事上的避震沮睛有器等，均屠此次 暮题的研究簸圉。本次暮题将以重力1路控制来直流焉建,而接下来将金十封VB程式舆重力1路控制，串聊舆亚 路曜器人的比更交和重力1路板於虹台裂作中遇到的各重冏题作言寸,加上此虹台将遑用程式漏睾款 髓Visual Basic 6.0版和探用重力1路来控制，所以，参舆此次暮题裂作的孥生可藉此檄畲孥者到 在现在各行各棠中遑用非常腐泛的遑重加丁台，逼将使孥生於自重力控制的孥上面更逵一步，因此本 鲍）夬定裂作三翰亚聊式遑重加丁

3、台，研究目的在於比更交使用程式控制史都垂虹台和焉建控制的不同 黑占，由於程式控制有循璞性，鞭易建成自重力化，可得高速工作和直接走生遑重力等僵黑占，因此将焉建 改舄受程式言吾言的晶片控制。致感老&解合我仍逼次畲且指毒我仍，在我仍遇到瓶堑削寺，幻予畤的鼓舆建言嘉使我仍孥 到遇到困雉就必努力解夬，且坐寸亚wrn有更逵一步的了解。前言1.1.帕台情之研究史：最早史都垂虹台檄耦可能是由mcgough所 提出,用来做舄输胎沮睛有虹台1，1965年史都 垂氏畿表亚聊式六翰檄械人的殳言十，亚用来裂 作弛行模摄器彳爰2，史都垂虹台逐渐成舄弛行 模摄器之檬莘檄椿1979年maccallion根撮史 都垂虹台殳言十

4、出第一降做舄檄械手臂的亚W式 檄械人，将其雁用在自重力化装配上3，彳您此以 彳爰史都垂虹台檄械又稍亚W式檄械人，1983年 hunt提出另一型的亚W式六翰檄械人，亚首 度坐寸亚w式檄械人展系统性的檄耦孥分析 4，此彳爰彳也用黑占著眼的研究人，利用美 I!太空言十割舆尖端酱瘵研究的S，B型檄 耦在90年代急速的畿出相富腐泛的雁用镇 域:事审酊模疑定位虹台5，主重力式防震虹台 6，自重瓣且装7.8，精密定位/指向9.10， 手彳桁檄械人11.12,自重力童装13.14等，但是，由 於W具有六侗自由度的空冏檄耦，分析 困雉，因此檄W孥界坐端亥檄W的研究逵展一直 相富有限，直到法！家科孥院的 J.P.

5、Merlet 博士彳您1985年引入畿何孥分析法彳爰15，工作 空削16-18则廊真遑重力孥19-20等研究才耕台 利展札不遗在1985-1994年国孥界（以 J.P.Merlet博士舄主涯寸亥虹台檄W的典趣主要 在於特殊用途的虹行式檄械人，1994年英！ geodetic公司再芝加哥工具横展出hexapod五翰 加工檄(由史都垂虹台檄耦提供三侗虹移自由 度外家五翰提供丽侗旋自由度)，美H giddings & lewis公司也同日寺展出variax三翰工 具檄，於是史都垂虹台w-w在工具檄棠馨 名大噪，次闿1995 年)machinery雅M志元月虢丽 篇暮文介别召haxepod工具横，*票

6、题式machines for the 21st centry工具横棠坐寸haxepod工具横 的狂熟，可以彳您德H fraunhofer IWU的研究群的 下述结清楚看出来22:未来模具工棠需要大 量高精度(精度50微米以内),高切削速度 (1000M/min),高 B (5-10M/min)的自由曲面加 工,逼些工件必用五翰加工B行加工才府和 经潸原刖，但是僖统工具檄很雉突破以下四项 畿展上的根本原刖：檄僵及遑重力翰重量太大毒致结W鹭 曲燮形。遑重力量遗大毒致加序咸速不易且耗 能而毒致温昇。B矣合翰加速不易毒致重力熊森差。W翰及元件森差累稹毒致系统整合 森差雉以下降。而虹行檄w因舄高割性，低

7、惯性，w造筒罩， 因此有很大的潜力可以克服前述困能提供下 代工具檄所需的遑重力檄w，由於史都垂檄w 不彳堇可以用在五翰加工檄，遢可以腐泛用在各 彳重需要高聊性，低，嗔性，w造筒罩的量沮帅丁台， 遑重加丁台，精密鲍装等埸所，所以，彳您1995年 到现在短短的三.，四年冏，布店ingersoll公司稹 桎投入方出敷重不同用途的特殊加工稽核量 沮腊殳偷，而且在工棠就需求的弓玺力主毒下，歇 陵各I!也稹桎整合I!家豺源及企棠界的资金， 全力投入相研畿，根撮今年九月份再羲大利 米藤B行的第一次虹行檄w檄械研言寸畲的资 言刊，以及侗人今年暑假B修期冏在法！家科 孥院和merlet博士的言寸3林目前在！外叫

8、值得注 目的研究H隙包括：(1). J.P.Merlet主毒下的法！家科孥院言吾法 !重檄械殳偷著名企棠CMW再遗去三年 的合作基磴上 正在B行herapod CMW200 的第二代中切削五翰加工檄，同畤 J.P.Merlet博士在CMW的引介下正在和西 子嫁商共用控制器的畿展言十割，由於史 都垂虹台檄w相檄w孥上的重要突破泰 半由merlet博士镇先突破，而法！在醐亍 模摄器又有辰期的工棠基磴，因此BH 际的未来研究走向十分值得注意。(2).羲大利！科TB 工棠技彳桁舆自重力化研 究所(CNR-ITIA)在羲大利既有的工具檄 工棠基磴上，展了丽侗跨！8祭的整合 型研究言十割 ACROBOT

9、及 ROBOTOOL，参舆！家含羲大利 (CNR-ITIA)，瑞典(CIMSL，IVF)，法 !(LIRMM)，德！ (WZL/RWTH)，英 !(Delcan plc.)，瑞士(Sulzer NTI)，西 班牙(jkerlan)，比利日寺(Lewen)信亥言十割包 括了 Hexapod,Hexaglide等三重巾丁行横w 的整合性比更如以及三重虹行檄横各自 所需的遑重力孥，奇巽黑占分析，力孥分析， 工作空冏，檄械元件殳言十等相鼎冒冏题。彳您羲大利IITA B丽侗言十割研究方向的分散 度可以碓定歇陛迤金仍未能碓定他仍雁亥走的 方向，B侗现象反映了一侗事W：全世界主要的 研究人力事在1995左右

10、才稹桎投入 因此一片 慌商L照备者的景象，台湾如果要再B侗镇域估 角之偶，现在稹桎投入事棠4酋末晚。1.2亚聊式w舆串聊式w之比段：目前之生走、装配及物流存取殳偷的B矣合檄 w，皆舄串聊式速梓B矣合檄w，即其檄w之畿 何w型皆舄迥路(OPEN-LOOP)结w，串聊方 式是轿泉性翰舆旋翰相结合，包含目前大 部分的工具檄及檄器臂即屠此类配串聊式速梓 檄w主要缺黑占即舄慰臂遗辰(檄器臂舄典型代 表)，结w荷流辰，造成割性不足、结w 受鹭矩荷及熟不坐朴再等冏题，以致系统可控 制的重力熊原宽受到限制，戴畤工作空冏小且 高速移重加寺容易走生大幅振勤，不易控制毒致 常造成定位畤冏的延理，不利於高速化；其解

11、决之方法常以加大或加粗其矣茴毒来解）夬（工具 檄舄典型代表），但造成以更交大/庵力之重力 源来推BW，除了材料的大量浪费外， 亚造成t力的浪费；然而其僵黑占舄路彳翌规割筒 罩及控制容易反饕邸亚聊式BW路 （CLOSE-LOOP）檄W,其结W舄一二力W件， 荷流短，荷是由速梓檄W以拉伸或厘编的 方式承受，所以具有高同肿性、低惯量的特性， 而且W成材料少，控制原宽大，遒合雁用於高 速化之B矣合檄W，可大幅序咸少串聊式檄W在高 速化所具有的缺黑占；且其结W大都舄熟坐朴再型 熊；由於其例量化及鲍件筒罩，一旦量走彳爰成 本坐寸比WBW便宜言午多，另外，可律 性化之W型鲍合的能力，除了改型容易，更遒 合於

12、生走上的鲍合舆拆装，所以可以根撮需 求例易的融入生走系统中，因此可琪期此一檄 械结WW型将畲坐寸於未来的律性裂造/鲍装技 彳桁提供更大的律性及效率。亚聊式檄W之雁用镇域：亚聊式檄W最早於1965年由Stewart利用六支 亚聊的可伸编速梓雁用到弛行模摄器上，其彳爰 有不少的研究，分析Steward台的檄W空冏、 遑重力舆重力力孥等敷孥理3赢由於其需求大量的 敷孥言十算，再加上遗去控制器言十算能力弱，因 此遗去在走棠上的雁用一直未受重视。近年来 由於控制技彳桁的快速勒展，使得亚聊式榭W在 工棠界雁用的可行性才逐渐增加。亚聊式檄W技彳桁可雁用於如下之镇域：弛行模摄剖惴柬虹台虚摄境之t重力玩具虹台工

13、具檄喷漆、喷膝、焊接及装配鲍立檄械臂 另外彳您市埸成辰面来看，未来工具檄技彳桁 之畿展除了高精度外，主要集中在丽侗方向， 一舄硬材切削，二舄例金屠超高速金先削。其中 第一项由於走品少量多檬及高品要求的趟势 下，造成模具畿的需求高度成辰，所以硬材 切削技彳桁主要是以畿展高速切削、硬切削低成 本高性能技彳桁，金椁寸模具急硬化 （硬度HRC50以上）等材施高速金先削，使表面精度 建到箓面水莘，此方面造成五翰工具檄的需求 增加。至於第二项的需求来自於省能源，例量化 及璞保的需求，再加上3C走棠的快速成辰，例 金屠的大量雁用坐寸是未来趟势。最早是金吕、 金太合金，大量使用在汽檄事及航太工棠上；近 年来合

14、金雁用於3C走品之外克殳尤其是言己 型t胸、硬碟及行重力1言舌外克殳日渐普遍，未来 畿年3 C走品檄克殳及翩踏事之材料坐寸是合 金的畤代，近年来台湾蔽商稹桎投资美合金厘 鳍言殳偷，厘鳍彳爰去毛遑、金先削言殳偷及相附屠 周遑刖使用W统檄械，效率不佳，仍使用大 量人力，此方面需求高速及高B矣合率之工具 朦相原理：2.1亚聊式W工具之基本W型：亚聊式檄W主要可分三彳重基本W型，串、 亚聊混合式檄W主要是结合原有串聊檄W和亚 聊式檄W而成，利如主翰可用原有之串聊式檄 横，工作台用亚聊式檄W承载工件，或是反 来；三重基本W型分别舄屈曲型、速梓伸编型 及接滑重力型，其中HITACHI的PA35舄屈曲 型；

15、Giddings & Lewi的 Hexacentei速木旱伸编 型；Aachen的Dyna-M舄接滑重力型；以下（表 一）舄各型速梓檄W之僵缺黑占比更如型式新伸曜，接滑鲂型出力V小#大，大，速度非常快，快，快，割性W差，佳,佳1工作空珂地比W好，差，普通#吉横大小及重量mwM 大/重#大/普通#表一各型速梓檄W之僵缺黑占比更交以下将封以上三彳重耦型及目前各家蔽商所畿 出来的檄型作一介藉：、屈膝型亚聊式檄耦舄日本Hitachi Se所雎出的亚聊式工具 檄，探用Delt谶耦，此重檄耦具有速度放大的 特性，所以逼台檄器可鞭易建到100m/min的逵 幻速度，其主要功能是定位在高速鳞孔攻牙了 能力上

16、。(2、速梓伸编型檄耦在 Ingers(、lHexel及 Giddings & Lewi等公 司相推出伸编式的亚聊式檄耦之彳爰，此型架 耦一直是遗去浆家蔽商舆孥彳桁罩位的研究主 流，如 MIKUROMAT 、OKUMA 及 Hexel的 Hexabot五翰金先削虹台。(3、接滑重力型申撕毒舄Renault Automation司在1999年在巴黎 EMO展推出的Urane SX此檄舆目前其他檄器 的不同黑占在於它是以推入式的檄型来呈现，在檄 台的配置上具有更交大的律性，而且逵幻系统已 探用型焉建，所以逵幻速度更递高於其他檄 重，惟其精度舆其他资料亚末於型金荥中列出， 可能尚未商品化而仍虚於WB

17、的陪段。2.2串亚聊式工具帕台侵缺黏比段：亚聊式之僵黑占：W量鞭，嗔性。惯性量舆重为嗔性低,在相同重力 焉力下，可建更交快加速度。割性高，量低震重械率更交高，重力熊性 高。檄W遑重力控制需要逆向遑重力孥,使控 制器所需言十算荷及言印意容量都比 更交小。不畲累稹森差，且森差畲虹均化。具有六侗自由度的操作性。串聊式之僵黑占：探迥路结W,工作匾冏大而跨越障磔更交容易。可伸入小空冏工作。亚聊式之缺黑占：相坐寸於串聊式工具虹台，其工作空冏 小。奇巽黑占上照法建成勤的目的。既有蔑向接和球窝街，m性低而 成本高。望递箓筒式速梓裂造不易。串聊式之缺黑占：需戴重力器，结W戴加重，M1量 高。再高戴及高速遑作的情

18、兄下仍容易 走生震重力。各筋的森差畲累稹在翰出端,使精度 雉以提升。戴能力受到限制。VB软髓介：在Windows的重面上朝行始/程式集 /Microsoft Visual Basic 6.0/Microsoft Visual Basic 6.0即可启攵重力Visual Basic启攵珈爰随即逵到Visual Basic的耕台重面，重面 中央畲出现建立新暮案坐蜻舌方墟，邀撑檬 莘朝行总再按 傅启攵冒勤，即可出现VB的 W成重面。1、功能表列：提供了 VB中的各重操作命令。2、工具列：将功能表中常用的指令以圜示按 表示，只要再按上按一下，就如同在 功能表中邀取指令如功能表中朝行禧 案/启攵暮案。3

19、、工具箱：在此列出所有可以在表罩上怖置 的控制【房如命令、文字方墟。4、表罩：逼是；S VB程式畤，最基本的重 面，工具箱内的各控制项皆可怖置在表罩 上。5、暮案视窗：VB程式是由表罩模务且(.Frm)、 檬湄莫且(Bas)和类朗I模且(Cls)等模且所 W成的，逼些且成要素都第己金荥在暮案禧(.Vbp准，因此使用暮案视窗将可全竟某 一暮案的所有且成要素。6、屠性视窗：控制项的功能或性gB性，富您邀撑了某一控制向彳爰，B性视窗将示出控制项的所有性，以供言殳定。7、表罩配置视窗：表罩朝行畤，其在萤幕上 的示位置，可以在此视窗中殳定。圜1 VB耦成重面三、控制程式：僖统上孥者硬髓的翰出翰入(1/0

20、)均舄鲍合 言吾言或是C言吾言，他仍各自有其一些缺黑占，如 鲍合言吾言本身很雉孥，C吾言虽隹然比鲍合吾言 好孥，但它作I/O 莆愈也和鲍合吾言一檬是不 容易看到莆愈的结果，它缺少视嵬化物件。 Windows作棠系统弓玺大的圜形介面支援能力， 可以例耘的在视窗璞境下逵行I/O控制。本文 探用Visual basic(VB)作舄I/O控制的畿工 具，VB校著筒罩易孥的特性，可以在很短的畤 冏内畿展出具偷良好I!形的使用者介面之雁用 款髓，加上VB它可以罩步或多步(程序)朝行的 特色 来作I/O控制莆愈可是最佳邀撑之一， 可是VB本身亚没有提供I/O任何的指令。因 此，我仍利用Visual C +

21、+裂作IO.DLL，使 VB 具偷I/O功能，OUTP()作舄舄出资料到翰出 附上，INP()是取翰入阜上的资料。微虚 理WB可以例耘的在是璞境下逵行I/O控 制。最彳爰，我仍以LED控制做舄例，将VB 如何控制I/O的款髓规割舆硬髓雷路作一志羊常出 的明。一般而言微1胸舆外界周遑殳偷逵行I/O 的方式可分舄亚列舆串列丽彳重控制方式，亚列 控制方式最常使用的是8255逼颗可程式化周 遑介面晶片(PPI)，它是一颗具有多功能的I/O 元件可最舄系统胜流排舆周遑装置逵行亚列式 的I/O舆印表檄翰出阜至於串列示的I/O控制 刖可利用1胸内部的RS232(COM1阜舆COM2 阜)舆外界逵行串列通信。

22、僖统上孥者硬髓的翰出翰入(【/。)均舄鲍合 吾言或是C吾言，他仍各自有其一些缺黑占，如 鲍合吾言本身很雉孥，初孥者要将所有的估存 器(register )旗檬(flag)弄清楚亚不是一件容易的 事，等逼些孥完彳爰才始舄程式，要来控制外 界的硬髓。C吾言虽隹然比鲍合吾言好孥，但它 也舆鲍合吾言一檬，要面空寸另一重孥者障磔， 即僖统上作I/O WB是不容易看到WB结果， 除非你的软硬髓都正ffiBo 3.1貌窗I/O介面控制：VB校者筒罩易孥的特4虫虢稍全美大孥生 最受戳迎的视窗吾言，它的吾法舆Quick Basic(QB)完全相同，可以在短畤冏内畿展出具 偷良好的！形使用者介面之雁用款髓，再加上

23、 VB它可以罩步或多步(程序)朝行的角色，亚同 畤具偷直器器的功能，来作i/o WB 可是最佳吾言邀撑之一，然而VB本身亚没 有提供I/O指令因此垢法直接控制I/O装置值 稍DLL)，直接将C吾言的I/O函式Inportb() 舆Outportb()，包装起来，殳言十出IO.DLL重力熊 遂帛吉函式厘，以提供Visual Basic直接控制I/O 介面可的能力，解)夬VB照法控制I/O的冏题。坐寸於曾经使用C吾言舄遗I/O控制程式的 人，一定非常熟悉OUTP()合INP()Microsoft C或 Outportb()和 Inportb()Turbo C丽侗翰出舆翰入函式，逼丽侗I/O函式可分

24、 别用来舄出资料到翰出阜上或是取翰入阜上 的资料。而坐寸於熟悉QB的人而言，便可以使 用OUT()和INP()的函式来完成控制I/O的重力 作。但坐寸於工科的孥生不能找是在DOS下 撰邀硬髓的控制程式，他仍一定很想誉地在 Windows下控制硬髓的控制程式，藉由Windows弓玺大的圜形使用者介面之支援能力， 可以例耘地畿H形监控系统，舄了常助一般 工科孥生完成此一心J1,我仍誉言有利用Visual C+言殳言十而成，而将INP()和OUTP()嗣固函式 包装起来，完成IO.DLL重力熊速结函式厘的裂 作，亚解夬VB照法控制I/O的冏题。者可自行将它彳复裂到Windows System 目金荥

25、下，在下一段中将畲有更部出的明如何 在VB中使用IO.DLL。圜2 明了视窗I/O介 面控制是由作棠系统(Windows98/95)、I/O重力熊 速结式厘(IO.DLL)、介面可、及IO装置之冏的 蒯系。S 2视窗I/O介面控制方墟H3.2. I/O.DLL 使用：本筋兑明如何使用IO.DLL来遛行I/O控 制，IO.DLL是使用Visual C+殳言十而成，而其 内含有洞固最基磴的重俞出入函式Outportb()和 Inportb()，坐寸於如何使用DLL重力熊道结函式 厘，可以在暮案中引入IO.bas禧案中看到逼丽 值函式的宣告bas用来定羲具有暮案屑次等级 的燮敷和函敷，其基本上宣告如

26、下： Declare Function inportb IO.DLL(ByVal Address As Integer)As IntegerDeclare Sub outportb Lib IO.DLL(ByVal Address As Integer,ByVal date As Integer)上面宣告有丽侗用途，其一方面舄常忙vb 做言吾法梭查的工作，另一方面告言斥VB逼丽侗 函式在何虚，以便程式在朝行畤可以找到函 式。Inputb主要工作是言取值，故宣告成函式 型熊，而address制值定I/O的位址，而在 outportb刖宣告成副程式型熊，亚包含I/O位址 (address)及输出资

27、料(date)。在本系统中，使用者只要先在VB中，利 用逼些生重力活潦的控制项，鲍合起来，逵行另 人：心悦目的款髓程式，等到款髓沮睛有正碓照 森彳爰，再去控制硬髓做款硬髓的整合沮睛有。在 程式中我仍可以殳言十富款硬髓合在一起作整和 沮睛削寺，只要外界状熊有任何改燮，刖在 Windows中其相坐寸雁的视嵬化控制项上，就畲 根撮外在璞境的改燮，遒畤地做遒富的更新 示，如此一来，使用者便可以经由圜形燮化来 掌握所有硬髓装置燮化情形，以使莆愈在最没 有障TB行，襄使用者坐寸自己有信心，逵而 提高封硬髓的典趣。四、系统硬髓：本暮题系统硬髓主要由三翰亚wm主 髓、重力1路、1胸舆1源供雁器四大部份所 务且

28、成。4.1三翰亚w檄m主髓：主要由三侗直流焉 建、速梓、蔑向接舆檄架所且装而成， 如1! 3所示n 3、三翰亚w檄m主髓n4.2 1路：焉贤重力1路的功能舄将1胸之控 制言刊虢放大亚重力三侗直流,庵建重力作，1 路SWS，如1! 4、d 5所示圜4、焉贤重力1路圜H 7、1源供雁器H4.5系统硬髓物H圜5、焉贤重力器圜H 8、系统硬髓物n1胸：1胸舄控制器舆人檄界面，控制程式使用VB撰舄而成，如! 6所示圜6、PC:控制器圜1源供雁器：逼是一般家用1胸所使用的1源供雁器，我仍因看上它的翰出1厘既 穗定又同好符合我仍在1厘上的需求而 决定使用它，如1! 7所示。五、结胡彳您工具檄高速化及高加速度

29、化的畿展趟势 及H内模具棠及3C走棠的蓬勃畿展角度来 看，高速化（高主翰速及逵幻速率）、高生 走效率檄彳重坐寸是未来市埸的主流，近年来 欧、日更交先逵之工具B速度已建100M/min 以上，加速度也在1.5G至26，有些WBS 已到3.5G5G的加速度；僖统串聊式檄耦工具 檄由於檄耦的限制及成本的考量，欲建上述之 技彳桁指檬，有其很大之障磔，故亚聊式檄耦 坐寸是工具檄高速化很好的雁用方式。目前世界上只有非常少之亚聊式檄耦工具 檄量走，然而部分已有敷十台的金肖售W，例 如HITACHI之超高速鳞孔、攻牙 PA35（M3X0.5X6L 螺孔 0.7秒/ 孔）及 NEO ROBOTICS AB公司的

30、TRICEPT（搭配西子控 制器）皆有6 0台以上的金肖售W，明亚聊式 檄耦工具檄碓W可W8祭雁用於生走富泉；其中在 五翰工具檄的加工雁用镇域中，亚聊式檄耦工Stewart D., 1965-1966,Platform with SixDegree of FreedomProc. Institute ofMechanical Engineering ,Vol. 180,part 1,No 5,pp.371-386.Martin Eastman., 19W5ll Hexapods go fromshow :Cutting tool engineering,June,pp.102T10.linton, C. M., Zhang, G., Wavering, A. J., 1997,Stiffness Mod