桿式機械手設計之導引機構設計

郭雅生

摘 要：桿式機械手具有工件夾持、取放、移位、裝配、以及檢測等功能，在自動化設備中使用率最高。因此，本研究之目的即是針對桿式機械手的設計關鍵技術——導引機構設計，并提出的一系列較為完整的研究。

關鍵詞：桿式機械手；導引機構；設計

桿式機械手根據不同之設計需求，必須采用不同的導引機構，以應付各種不同的場合，例如負載大小、作動行程、導引精度、安裝空間、以及作動速度等。本文根據不同的功能需求，提出各種導引機構，并詳述其機構設計技術，此研究結果可提升設計者之機械手設計能力，增強機械手之組立速度、穩定度、精度、以及壽命等功能。

一、導引機構關鍵技術

導引機構若采用不同的設計模式，則會產生不同的導引效果。

（1）關于導引軸承技術面：采用線性軸承，導引精度較高，適用于高速、高精度、及偏心負載之場合；采用DU 軸承，適用于重負荷，但不適用于偏心負載之場合。

（2）關于跨距技術面：跨距愈大，導引效果愈穩，但限于加工能力與成本考量，跨距超過150mm 者，必須采用組合式。

（3）關于導引長度技術面：導引長度愈長愈好，但一般加工長度只限于150mm 以內，導引長度需加長者，則采用組合式。

（4）關于匹配導桿材質與外徑技術面：DU 軸承匹配材質有：S45C、SUJ2、SUS、以及SKH-51；線性軸承匹配材質有：SUJ2 與SKH-51。

（5）關于匹配滑座技術面：滑座有整體型與組合型二種，整體型關鍵技術在于孔加工、公差配合、以及孔真直度，其特點為所占空間小；組合型則采用附座線性軸承二只或四只之組合，特點為跨距大導引長度較長。

（6）關于裝置氣缸技術面：裝置氣缸之內徑，一般為12mm～100mm，行程愈長，導桿的直徑亦須加大，否則下垂量相對提高；氣缸的出力需要視作業需求而定，有關負載與行程之關系將后續中進行介紹。

（7）關于負載重心技術面：DU 干式軸承只適用在雙導桿中心之負載作動；線性軸承可適用偏心與不偏心的負載作動。

（8）關于浮動裝置設計技術面：由于氣缸不易有效地安裝在雙導桿中心，故必須有浮動裝置之設計，方能平順地作動，浮動裝置之設計方法有26 種。

二、常用導引機構

桿式機械手需具有各種不同的導引機構，以應付各種不同的功能需求，例如負載大小、作動行程、導引精度、安裝空間、以及作動速度等。

業界常用之導引機構可歸納為12 種，限于版面，在此不在詳細繪出，只列出名稱：①U 型滑座-DU 軸承導引；②U 型滑座─線性軸承導引；③U 型滑座─附緩沖器；④H 型滑座導引；⑤線性軸承法蘭座導引；⑥雙法蘭座導引；⑦線性軸承附座導引；⑧線性軸承與氣缸偏心上下導引；⑨線性軸承與氣缸偏心左右導引；⑩雙軸缸導引；?滑臺氣缸導引；?滾珠滑軌導引。

三、桿式機械手常用組合模式

一般而言，桿式機械手根據上節所述12 種不同導引機構，若任取“相異”兩種進行組合則有66種選擇方式若再加上“相同”兩種進行組合，則有12 種，所以總共有66+12=78種選取方式。

四、導引機構負載與下垂量分析

導桿的下垂量大小會影響機械手之定位精度，故下垂量為定位精度之關鍵因素，當然桿式機械手之負載，若行程愈大，則導桿之下垂量愈大；然而，與下垂量有關系者除負載與行程大小外，尚包含導桿材質、導桿直徑大小、導桿之撓屈度、導桿導引長度、導桿受力位置、以及導桿與導引襯套或線性軸承之間隙等。

1.導引長度與導引軸承之間隙關系

下面主要探討導桿導引長度與導引軸承之間隙關系，其關系如下圖所示，圖中C1為配合間隙，可由一般目錄查得此值；L1與L2分別為導引長度與作動行程，皆為已知；DN 為無負載情況下之下垂量。

2.導引機構負載與行程關系

導引機構之負載（Load）與行程（Stroke）示意圖，如下所示。

一般制造商會將導引機構在特定條件下加以實驗，如下圖所示缸徑為40mm 之導桿缸負載曲線圖，兩者皆可提供給設計者選用。

希望本研究成果能為自動化設備制造者、維修者、及設計者等技術上之參考及學校機電整合、自動控制、機構設計、機械設計、夾治具設計、快速換模等自動化相關課程提供幫助。

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（作者單位：武漢紡織大學現代紡織學院）