自动化与机电科技的发展与人物

第十章自動化與機電科技的發展與人物10.1自動化與工業進步•自動化起源於18世紀工業革命時代，其優點是減少人力，增加系統本身的精密度，降低人為操作時衍生的問題及提高產品穩定性等第一次工業革命•1629年，義大利工程師喬凡尼．白蘭（GiovanniBranca）利用蒸氣可推動渦輪葉片的原理，將蒸氣動力機械裝置架設在馬車上•1766年，英國發明家詹姆斯．瓦特改良蒸氣機，他發明的離心力控制器（governor），首次把感測器引進控制迴路中，這是自動化與工業結合的開始•1885年才由德國工程師卡爾．賓士在曼海姆製造出汽油引擎裝置並架設在馬車上的三輪汽車，具有0.85馬力，此為現代汽車之始。而到了1906年，亨利．福特開始以工廠自動化量產汽車中國的第一輛汽車•北京諧趣園中陳列著慈禧太后時大臣所敬獻的汽車，這是中國的第一輛汽車，距離汽車問世時還不到20年工廠自動化•福特汽車公司在1911年在密蘇里州堪薩斯城成立第一家汽車装配廠，並在1913年建立世界上首條量產線。此為工廠自動化之始第二次工業革命•1970年代美國汽車工業採用繼電器作為自動化的主要控制元件，提高了生產效率及準確性，也使得自動化生產線能夠迅速更換生產車型的需求，而後此種概念也擴展到其他產業上工廠自動化的演變•工廠自動化包括：生產排程自動化、生產線自動化、測試自動化、倉儲自動化、電力管理自動化、無人工廠等，而可程式邏輯控制器（PLC）發明，成為工廠自動化不可或缺的設備之一•1980年代，機器人使用情況逐漸普遍，微電腦與電子技術結合之自動化，PLC、CNC等電子式自動化與工具機逐漸形成結合應用，電腦數位化控制（CNC）技術已至成熟•1990年代，採用電腦輔助設計及製造（CAD/CAM）之技術，建制彈性式自動化生產系統、自動檢測系統、生產製造導入電腦整合製造系統（CIM），並且重視製造自動化系統模組化技術CNC機器之例全面自動化•圖形辨識、字詞認識、人工智慧（artificialintelligence）和機器人（robot）的發展，使自動化有了重大的進步•全面自動化的機器或系統，需要4個基本組件：•動力：動力如電池組或發電機，可提供自動化系統所需的能量•感測器：典型的感測器包括光電管、熱電偶、X光機及電錶，分別用以測量尺寸大小、重量、溫度、壓力、顏色與電阻等•判定元件：產生一些適當指令告訴控制元件•控制元件：控制元件包括開關、活門與其他各種機械裝置，負責校正機器的作業情況，使其符合原先程式所定的值自動化之例─學生自製之會自動瞄準射擊的槍枝簡單的教學機器人各式各樣的機器人比賽文化大學機械系學生所做的越障車(機器人)10.2機電科技與系統整合•1970年代的機電整合是由機構學（機械學）和電子學整合而成，製造出自動門、自動販賣機、自動對焦照像機或攝影機等產品•1980年代，為了滿足少量多樣產品的需求，減少生產成本，產業開始研發機器人、自走車（AGV）、彈性製造系統（FMS）與電腦整合製造系統（CIM）等自動化相關技術，此時電腦更扮演控制中心的重要角色，並開始引入資訊技術•1990年代，機電整合大量引入有線、無線通訊、衛星定位、網路傳輸等技術•21世紀為多元機電整合的時代，包括光機電（Optomechatronics），微機電系統技術（MEMS）、奈米機電技術（NEMS），以及生物機電工程（Biomechatronics）等微機電技術與奈米機電技術之例自動控制生產線的重要器具─機械手臂在太空中工作之機械手臂學生專題比賽所設計的機械手臂10.3機電科技整合與自動控制•控制系統元件與回授關係機電整合系統元件之壹─控制器•控制器大致可分為四類：可程式控制器、以個人電腦為主之控制器（PC-BasedController）、微控制器（Microcontroller）、數位訊號處理器（DigitalSignalProcessor,DSP）等機電整合系統元件之貳─感測器•感測器好比是人體的五官，它將各種物理量、化學量與生物量轉換成控制器可以感知的信號•感測器通常由三部分所組成：感測元件、量測電路與信號顯示、記錄及處理•常見的感測器有光敏電阻、熱敏電阻、溫度感測器、熱電耦溫度感測器、溫度感測器、超音波感測器、壓力感測器、接近開關、加速度感測器、陀螺儀等機電整合系統元件之參─致動器（actuator）•致動器是將電能轉換為機械能的設備，包括電動機與電磁閥，其中電動機又可分為直流馬達、交流馬達（感應馬達或同步馬達）、步進馬達等機電整合系統元件之肆─機構元件•機構元件包括：•系統本體：主要指上述機電整合系統中的控制器、感測器、致動器、傳動機構以及終端作用機構•傳動機構：可將動力經過大小與方向的轉換，而傳遞給終端作用機構，例如齒輪、齒輪組、單向離合器、輸送帶、鏈條、曲柄、部分油氣壓元件等機構元件之例─風車機電整合系統之例1—學生專題比賽之自動車表演路邊停車機電整合系統之例2─機器人足球比賽機電整合系統之例3—可遙控之火星探測船機電整合系統之例4─電影「變形金剛」信號處理•信號處理所發展出來的技術及硬體有信號處理擷取（SignalsProcessingAcquisition）、類比/數位信號轉換器（ADConverter），及數位/類比信號轉換（DAConverter）器等，主要是將感測器送來的信號作適當的轉換及處理，透過電腦軟體的運算，計算出量測物理量的數值，再進一步的判斷及處置人機介面•人機介面大量運用在工業與商業上，簡單的區分為輸入（input）與輸出（output）兩種，輸入指的是由感知器接受訊號後傳送給控制器來進行機械或設備的操作，如把手、開關、門、指令（命令）的下達；而輸出指的是由機械或設備發出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等•新式的數位化人機人機介面，可藉由觸控式面板來進行命令下達，並且能夠即時監控得知工作現況的數值化與圖形化展現，更可藉由網際網路傳送即時資料•好的人機介面會有效率的幫助使用者更簡單、更正確、更迅速的操作機械，也能使機械發揮最大的效能並延長使用壽命•我國成功大學醫學系神經科林宙晴教授已研究出用腦波控制開關，未來可能發展出以腦電波控制的機器手臂，只要意識清楚的人，就可以靠自我的「念力」控制外在的工具，做出自己想要做的動作