桿式機(jī)械手設(shè)計(jì)之導(dǎo)引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭雅生

摘 要：桿式機(jī)械手具有工件夾持、取放、移位、裝配、以及檢測等功能，在自動(dòng)化設(shè)備中使用率最高。因此，本研究之目的即是針對桿式機(jī)械手的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)——導(dǎo)引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并提出的一系列較為完整的研究。

關(guān)鍵詞：桿式機(jī)械手；導(dǎo)引機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)

桿式機(jī)械手根據(jù)不同之設(shè)計(jì)需求，必須采用不同的導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，以應(yīng)付各種不同的場合，例如負(fù)載大小、作動(dòng)行程、導(dǎo)引精度、安裝空間、以及作動(dòng)速度等。本文根據(jù)不同的功能需求，提出各種導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，并詳述其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，此研究結(jié)果可提升設(shè)計(jì)者之機(jī)械手設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)機(jī)械手之組立速度、穩(wěn)定度、精度、以及壽命等功能。

一、導(dǎo)引機(jī)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)引機(jī)構(gòu)若采用不同的設(shè)計(jì)模式，則會產(chǎn)生不同的導(dǎo)引效果。

（1）關(guān)于導(dǎo)引軸承技術(shù)面：采用線性軸承，導(dǎo)引精度較高，適用于高速、高精度、及偏心負(fù)載之場合；采用DU 軸承，適用于重負(fù)荷，但不適用于偏心負(fù)載之場合。

（2）關(guān)于跨距技術(shù)面：跨距愈大，導(dǎo)引效果愈穩(wěn)，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(guān)于導(dǎo)引長度技術(shù)面：導(dǎo)引長度愈長愈好，但一般加工長度只限于150mm 以內(nèi)，導(dǎo)引長度需加長者，則采用組合式。

（4）關(guān)于匹配導(dǎo)桿材質(zhì)與外徑技術(shù)面：DU 軸承匹配材質(zhì)有：S45C、SUJ2、SUS、以及SKH-51；線性軸承匹配材質(zhì)有：SUJ2 與SKH-51。

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

（6）關(guān)于裝置氣缸技術(shù)面：裝置氣缸之內(nèi)徑，一般為12mm～100mm，行程愈長，導(dǎo)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(yè)需求而定，有關(guān)負(fù)載與行程之關(guān)系將后續(xù)中進(jìn)行介紹。

（7）關(guān)于負(fù)載重心技術(shù)面：DU 干式軸承只適用在雙導(dǎo)桿中心之負(fù)載作動(dòng)；線性軸承可適用偏心與不偏心的負(fù)載作動(dòng)。

（8）關(guān)于浮動(dòng)裝置設(shè)計(jì)技術(shù)面：由于氣缸不易有效地安裝在雙導(dǎo)桿中心，故必須有浮動(dòng)裝置之設(shè)計(jì)，方能平順地作動(dòng)，浮動(dòng)裝置之設(shè)計(jì)方法有26 種。

二、常用導(dǎo)引機(jī)構(gòu)

桿式機(jī)械手需具有各種不同的導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，以應(yīng)付各種不同的功能需求，例如負(fù)載大小、作動(dòng)行程、導(dǎo)引精度、安裝空間、以及作動(dòng)速度等。

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

三、桿式機(jī)械手常用組合模式

一般而言，桿式機(jī)械手根據(jù)上節(jié)所述12 種不同導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，若任取“相異”兩種進(jìn)行組合則有66種選擇方式若再加上“相同”兩種進(jìn)行組合，則有12 種，所以總共有66+12=78種選取方式。

四、導(dǎo)引機(jī)構(gòu)負(fù)載與下垂量分析

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

1.導(dǎo)引長度與導(dǎo)引軸承之間隙關(guān)系

下面主要探討導(dǎo)桿導(dǎo)引長度與導(dǎo)引軸承之間隙關(guān)系，其關(guān)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(dǎo)引長度與作動(dòng)行程，皆為已知；DN 為無負(fù)載情況下之下垂量。

2.導(dǎo)引機(jī)構(gòu)負(fù)載與行程關(guān)系

導(dǎo)引機(jī)構(gòu)之負(fù)載（Load）與行程（Stroke）示意圖，如下所示。

一般制造商會將導(dǎo)引機(jī)構(gòu)在特定條件下加以實(shí)驗(yàn)，如下圖所示缸徑為40mm 之導(dǎo)桿缸負(fù)載曲線圖，兩者皆可提供給設(shè)計(jì)者選用。

希望本研究成果能為自動(dòng)化設(shè)備制造者、維修者、及設(shè)計(jì)者等技術(shù)上之參考及學(xué)校機(jī)電整合、自動(dòng)控制、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、夾治具設(shè)計(jì)、快速換模等自動(dòng)化相關(guān)課程提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]易吉慶. 高次序運(yùn)動(dòng)綜合與導(dǎo)引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 1992（4）：32-33.

[2]吳努， 沈世德. 三構(gòu)件凸輪導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 1998， 15（2）：4-6.

[3]楊長牛， 黃茂林， 趙鵬云. 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)綜合的位移矩陣法[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究， 2006， 22（1）：32-36.

（作者單位：武漢紡織大學(xué)現(xiàn)代紡織學(xué)院）