杆式机械手设计之导引机构设计

2016-05-30郭雅生

大东方 2016年3期

关键词：设计

郭雅生

摘要：杆式机械手具有工件夹持、取放、移位、装配、以及检测等功能，在自动化设备中使用率最高。因此，本研究之目的即是针对杆式机械手的设计关键技术——导引机构设计，并提出的一系列较为完整的研究。

关键词：杆式机械手；导引机构；设计

杆式机械手根据不同之设计需求，必须采用不同的导引机构，以应付各种不同的场合，例如负载大小、作动行程、导引精度、安装空间、以及作动速度等。本文根据不同的功能需求，提出各种导引机构，并详述其机构设计技术，此研究结果可提升设计者之机械手设计能力，增强机械手之组立速度、稳定度、精度、以及寿命等功能。

一、导引机构关键技术

导引机构若采用不同的设计模式，则会产生不同的导引效果。

（1）关于导引轴承技术面：采用线性轴承，导引精度较高，适用于高速、高精度、及偏心负载之场合；采用DU 轴承，适用于重负荷，但不适用于偏心负载之场合。

（2）关于跨距技术面：跨距愈大，导引效果愈稳，但限于加工能力与成本考量，跨距超过150mm 者，必须采用组合式。

（3）关于导引长度技术面：导引长度愈长愈好，但一般加工长度只限于150mm 以内，导引长度需加长者，则采用组合式。

（4）关于匹配导杆材质与外径技术面：DU 轴承匹配材质有：S45C、SUJ2、SUS、以及SKH-51；线性轴承匹配材质有：SUJ2 与SKH-51。

（5）关于匹配滑座技术面：滑座有整体型与组合型二种，整体型关键技术在于孔加工、公差配合、以及孔真直度，其特点为所占空间小；组合型则采用附座线性轴承二只或四只之组合，特点为跨距大导引长度较长。

（6）关于装置气缸技术面：装置气缸之内径，一般为12mm～100mm，行程愈长，导杆的直径亦须加大，否则下垂量相对提高；气缸的出力需要视作业需求而定，有关负载与行程之关系将后续中进行介绍。

（7）关于负载重心技术面：DU 干式轴承只适用在双导杆中心之负载作动；线性轴承可适用偏心与不偏心的负载作动。

（8）关于浮动装置设计技术面：由于气缸不易有效地安装在双导杆中心，故必须有浮动装置之设计，方能平顺地作动，浮动装置之设计方法有26 种。

二、常用导引机构

杆式机械手需具有各种不同的导引机构，以应付各种不同的功能需求，例如负载大小、作动行程、导引精度、安装空间、以及作动速度等。

业界常用之导引机构可归纳为12 种，限于版面，在此不在详细绘出，只列出名称：①U 型滑座-DU 轴承导引；②U 型滑座─线性轴承导引；③U 型滑座─附缓冲器；④H 型滑座导引；⑤线性轴承法兰座导引；⑥双法兰座导引；⑦线性轴承附座导引；⑧线性轴承与气缸偏心上下导引；⑨线性轴承与气缸偏心左右导引；⑩双轴缸导引；?滑台气缸导引；?滚珠滑轨导引。

三、杆式机械手常用组合模式

一般而言，杆式机械手根据上节所述12 种不同导引机构，若任取“相异”两种进行组合则有66种选择方式若再加上“相同”两种进行组合，则有12 种，所以总共有66+12=78种选取方式。

四、导引机构负载与下垂量分析

导杆的下垂量大小会影响机械手之定位精度，故下垂量为定位精度之关键因素，当然杆式机械手之负载，若行程愈大，则导杆之下垂量愈大；然而，与下垂量有关系者除负载与行程大小外，尚包含导杆材质、导杆直径大小、导杆之挠屈度、导杆导引长度、导杆受力位置、以及导杆与导引衬套或线性轴承之间隙等。

1.导引长度与导引轴承之间隙关系

下面主要探讨导杆导引长度与导引轴承之间隙关系，其关系如下图所示，图中C1为配合间隙，可由一般目录查得此值；L1与L2分别为导引长度与作动行程，皆为已知；DN 为无负载情况下之下垂量。

2.导引机构负载与行程关系

导引机构之负载（Load）与行程（Stroke）示意图，如下所示。

一般制造商会将导引机构在特定条件下加以实验，如下图所示缸径为40mm 之导杆缸负载曲线图，两者皆可提供给设计者选用。

希望本研究成果能为自动化设备制造者、维修者、及设计者等技术上之参考及学校机电整合、自动控制、机构设计、机械设计、夹治具设计、快速换模等自动化相关课程提供帮助。

参考文献：

[1]易吉庆. 高次序运动综合与导引机构设计[J]. 机械设计与制造， 1992（4）：32-33.