机械手臂.doc

機 械 手 臂
摘 要
由於氣壓式機械手臂不同於一般機械手臂，連空氣壓縮機也是用氣瓶填充的，本成品完全不用通電，主要是手臂跟夾頭的做動，以及夾起物件穩定度與重量大小，看似簡單卻有省下不小錢的價值，簡單方便、功能大、出力大、精準度高，就是氣壓式的手臂的功用，也讓每一屆的學長都會來挑戰，機械手臂的奧妙與不同。在未來的方向還有很多研究的空間，可讓手臂實體更小、更精確快速，當然是越省錢越好，如果能用到無線控制到自動化系統當然會更加完美。對於手臂的用途及重要性，還有難度性在生活上也有很多例子，例如；挖土機，在電子公司用手臂擦拭精密的插件、半導體晶圓等。這些精密度很高的東西和現在很受歡迎的奈米技術，如果沒有了機械手臂的扶持、幫助，對微小科技的產業將是有很大的衝擊，除了在工業之外，機械手臂也應用在娛樂上，夾娃娃機可說是為一個典型的例子。在現今的生活上，科技日新月益的進展之下，機械手臂的應用也將會越來越廣泛。
致 謝
首先要感謝同組同學提供許多專題與設計之參考題目，也要感謝老師每個禮拜的指點，由於這些資訊的獲得，使本組避免在眾多參考文獻中盲目找尋的困擾，因而節省了不少的時間；另外，在本組從事專題設計與製作的工作期間，曾給予本組熱心支援的同學及好友們，於如今製作與設計的工作告一段落之後，本組成員同樣也要在此向他們表達由衷的謝意，感謝他們的支持及幫助；但重要的是，希望最後藉著本組成員的努力，而能將成品做到極精緻完美的地步。

第一章 動機與目的
參觀過半導體廠及需大量自動化搬運的公司以後發現。許多機械設備都仰賴電源供應，
而自動化設備亦都是機電所整合。有鑑於此，
本組設計所設計的概念及想法既蘊育而生。

由簡易四連桿機構所衍生出的機械手臂有別於一般電磁控制的精密手臂，利用氣壓缸和簡易的控制系統取代製作、動力更大、載重更高精度卻不變的機械手臂相較氣壓手臂和電磁手臂，氣壓手臂故障排除快，應用範圍更廣，較不受環境限制製造也較為簡單。

第二章 設計原理
2-1 基本架構
機械手臂之構造
此機械手臂可分為三個部份
1.簡易三連桿機構
2 .氣壓缸直線運動
3 .管路與設備
4.夾頭及運動方式

簡易三連桿機構
如同挖土機動作原理，利用定點與直線擺動做出2D的展開運動，結合各單臂之展開運動
來達到氣動手臂的伸展及收合。【如圖一】

圖一 本機械手臂示意圖

氣壓缸直線運動
由於氣壓缸的作動原理是利用缸內之活塞受空氣壓縮而使活塞桿延伸及收縮【如圖二】。利用此原理和搭配其他簡易的機構來搭配達到氣壓手臂所需要的所有運動方式
理論出力F=πR²P (P：壓力大小)，以缸徑30㎜，壓力來源2㎏/cm2為例，出力即為14.1㎏， 入力為12㎏/ ㎝² 。

圖二 氣壓缸直線運動

管路與設備
1. 筆型氣壓缸：
是一種只能供給活塞單側壓力之氣壓缸。因此，僅有一個空氣壓接口，氣壓缸反向回程通常可藉由外力或彈簧力回行。再一次循環中，單動氣壓缸所消耗空氣量約僅為雙動氣壓缸的一半。氣壓缸的行程有長有短，活塞有時以膜片取代。單動氣壓缸一般都應用再夾緊、壓縮、舉高、射出成型及進退料等。【如圖三】
本組所使用之氣壓缸有別於上述之一般單動氣壓缸。為能使氣壓缸躲藏於機械手臂當中，選用體積較小，行程不變的雙動筆型氣壓缸。雙動與單動氣壓缸對大的不同在於雙動氣壓缸行程的來回皆由氣壓所控制，為使氣壓手臂能在工作範圍內做多點的停頓及抓取，本組選擇可以進行活塞桿寸動之雙動氣壓缸。行程200mm、缸徑為20mm、工作最大壓力為16bar、工作環境最高溫度為80度。【如圖三】

圖三 筆型氣壓缸

2. 插入式T接頭、快速接頭：
插入式T接頭使用於當兩個氣壓缸需要同時進氣或同時排氣時使用節省管線及共用空間。
快速接頭是種氣壓缸普遍使用之氣壓配件，一隻雙動氣壓缸需要兩個快速T接頭來配合進排氣。本組使用為自鎖式接頭，前端為6mm螺紋，將此端直接鎖定在氣壓缸之排氣孔，在接上PU軟管。工作最大壓力為10 bar、工作環境最高溫度為60度。【如圖四圖圖五】

圖四 插入式T接頭

3. PU軟管：
氣壓用塑膠管有分大小及規格，本組使用型號及直徑最小之型號。外徑為4.3mm、內徑為2.9mm、最小彎曲半徑為14mm、材質為PU主要的功能是讓空氣進出的管路但是僅能單一進氣或排氣，並不能同時讓空氣進出。【如圖六】
圖六 氣壓專用PU管

4. 消音器：
使機構或氣壓缸做動時的噪音可以降低。消音器亦多種形式及規格，由於筆型氣壓缸的缸徑及行程都不大，產生的噪音亦不會太大聲，本組所使用的消音器為最小規格，且數量及少，只在大排氣的地方使用。工作最高壓力為10 bar，工作環境最高溫度為60度。【如圖七】

圖七 消音器

5. 手動閥：
主要的動作是控制氣壓缸活塞往返的行程，由於本組所製作以寸動方式作動隻氣壓手臂，所以控制就必須倚賴手動閥來控制。一個手動閥可以搭配多個氣壓缸使用，但是本組的氣壓手臂需要各臂單獨運動，所以每一隻氣壓缸就需要搭配一個手動閥。手動閥可以同時使。用亦可兩支氣壓缸作前進及後退返方向支運動工作。最大壓力為10 bar、工作環境最高溫度為80度、標準額定流量為1000 l/min。【如圖八】

圖八 四通三位手動閥
6. 攜帶式氣瓶：
空氣為氣壓手臂之動力來源，有別於一般電子手臂需要兩種以上的動力，本組所製作之手臂只需空氣單一動力即可。以往的壓縮空氣來源為空氣壓縮機，但其重量過重也很佔據空間，所以本組另外選擇可攜式氣瓶。可攜式氣瓶比一般的空氣壓縮機輕便，重量約為空壓機的4/1。攜帶方便且不像空氣壓縮機一樣需要供給電源，使用的方法也容易。只要將攜帶式氣瓶與空氣壓縮機相接，將空氣壓縮在氣瓶內即可。本組選用的氣瓶比一般尺寸大一點，為最小尺寸在大一型號。容量為10公升、工作壓力為16 bar、重量為6.7公斤、最大工作環境溫度為100度。此型之氣瓶可供一般氣壓缸連續作動約8小時，本組所使用為較小之氣壓缸，所以壓縮空氣的容量相當足夠使用。【如圖九】
圖九 攜帶式氣瓶
7. 桿端軸承：
嵌入式給油型與無給油型兩種，皆為自動調心球面滑動軸承，能同時承受高徑向負荷及兩個方向之軸向負荷。給油型為嵌入之球面內輪於銅合金襯套表面滑動，與外表經鍍鋅之主體組合而成，且主體有油咀，可逕行重潤於球面表面來完成給油。另無給油型為球面內輪於免潤滑ＰＴＦＥ襯裏與主體之滑動表面緊密結合（壓鑄成型），有防磨之特性，所產生之搖晃很小，特別適用於同一荷重方向，對某些需避免油漬之機械裝置或無法再潤滑之機械為最佳選擇。本組使用為給油式桿端軸承，由於氣壓推動的力量較一般電子手臂之輸出力來的大許多，如配合無給油式來使用，手臂使用長時間以後會在關節的地方產生不正常摩擦及無法正確的定位。規格一樣使用較小之型號，桿端軸承也稱為魚眼軸承，將軸承與氣壓缸及手臂作搭配，固定手臂的支點不動，當氣壓缸伸長時藉由軸承之搖擺來達到手臂運動之目的。【如圖十】

圖十 桿端軸承
8. 管線圖
圖十一 管線圖
為氣壓進氣的簡易流程圖。任何組裝設備皆須有工作圖面或加工圖，管線圖的用意也是如此。將其複雜的管線簡化在紙上，方便組裝也利於修改尺寸。【如圖十一】

9. 夾頭及運動方式
手臂最實用的莫過於前端的夾爪，本組也將其重點擺放於此。製作過程也花費較多的時間及精神，單以一個動作無法達到夾爪使用範圍的全部，本組利用了兩支氣壓缸來達到抓取及移動的目的，夾爪可依抓取工件的大小來進行修改及安裝。
利用簡易的直線運動來限制夾爪的位置進而達到夾爪作類單擺運動。

圖十二 運動方式

將氣壓缸固定在手臂中，夾爪固定在手臂最前端利用氣壓缸往返的運動控制夾爪的角度。由於此氣壓缸也搭配了一個手動閥，所以夾爪可以隨工作者的需求來變換理想的角度。
夾爪亦為氣壓缸的一種，將其前端之活塞桿改變成夾頭而已。氣壓夾爪種類及規格與氣壓缸一樣多且複雜，價格也比氣壓缸昂貴數倍，有鑑於此本組選擇規格較小卻可以任意變換夾爪的氣壓夾爪。【如圖十二】

圖十三 標準型氣爪
氣爪前端設有三個螺絲孔，規格為6mm可以藉由此三孔來製作自己所需要之夾爪的型式及大小，在將工件固定在前端即可。工作最大壓力為8 bar、精度為0.2mm、最大工作頻率為4Hz、工作環境最高溫度為80度、氣爪撐開最大夾緊力為47N。【如圖十三】

2-2 作動流程
一般舊式的機械手臂，是以連桿式的方式來使它可以作動，而我們是以氣壓式連桿來作動，這樣一來也比較不佔空間，以搖桿方式使氣壓缸進行一進一出的動作，而使其手臂可以前後左右的移動。配合手動閥的控制可以隨工作者的需要來操作，可在手臂工作範圍內任意位置停頓及抓取工件。

第三章 製作過程
在這一次的製作中，本組分為設計、繪製草圖、購買零件、組裝、機體測試、報告。

3-1 設計

剛開始的構想，只是想做一個簡易的四連桿機構的機械手臂，但經過小組的討論之下，為了加以改良，使得精緻化，進而想到以氣壓式來代替傳統的連桿式。

3-2 繪製草圖

先使用Autocad2005進行零件2D的零件草圖繪製，加以修改，並嘗試先行使用2D的模式進行初步的組裝。尺寸之修改即變更都Cad中完成確定無誤之後，使用inventor9繪製3D的組合圖，並進行3D模擬及炸開Inventor與Por-E最大的不同在於Inventor是一個繪製零件圖層相當方便的軟體，而100%相容於Cad2005，介面及功能也比Pro-E來的容易上手，動態的模擬也不會遜色。

3-3 購買零件及組件
一.零件：
1. 螺絲：全部使用8mm的螺絲及螺母
2. 氣壓配件：使用同一間代理商之產品
3. 軸承：規格符合CNS及JIS之標準
4. 橡膠軟管：耐腐蝕及抗酸鹼、耐高溫80度
5. 固定軸：為強化硬度，將材質設定為工具鋼。

二.組件：
1. 氣壓缸：三長一短配合夾具搭配應用。
2. 鋁板：使用重量較輕之鋁合金。
3. 夾頭：符合任何工作環境之條件，並可改變其形式。
3-4 組裝
先用鋁板黏固定在下面基座，再用L型角鐵固定在基座上連接一起，再將兩片手臂的鋁 板、氣壓缸、桿端軸承固定在同一軸心上並以螺母與螺母對鎖的方式，來固定期手臂，以方同的方式連接三隻氣壓缸並將所有的活塞桿與桿端軸承接合。另外夾爪的部分依工作者得需要來進行調整。氣壓手臂固定完成後，緊接著依照管線圖進行關線配置及安裝將所有快速接頭安裝好後將管線與手動閥相接再將管線連接至氣瓶即可。
3-5 機體測試
組裝完成後將手動閥緩緩打開，始得所有氣動元件獲得充分之空氣，並逐步作業。由於機身是使用鋁合金，重量不會造成手臂太大的負擔，硬度也能夠承受氣壓缸作動時的衝擊力。
將其氣壓缸隱藏在手臂中其主要目的也能在機體測試中發現，氣壓缸隱藏在手臂中無形間加強了機體的強度，也將施力點轉換成固定點。

第四章 所遭遇困難及解決方法
此專題在製作的製造過程中，遭遇到一些問題，如一開始氣壓洩壓太過快導致活塞桿瞬間到達極限迫使壓克力板破裂。氣壓軟管的配線接錯閥口導致進排氣不順，夾爪的固定方式不正確導致抓取工件時無法發揮最大抓取力道。最後詢問配合廠商及氣液壓專業人士才得以解決，並完成此次專題製作。
壓克力板破裂是因為手動閥控制不當加上氣瓶閥口不正當使用，導致空氣洩壓過快使壓克力板破裂。而氣壓軟管閥口接錯是因為線路圖一開始沒有校正所導致。經過專業人士的教導及修改才得以解決。另外氣爪擺放位置不正確是為經過精密計算活塞桿行程及擺動角度導致氣爪無法正常發揮作用，經過多次組裝及調整，使氣爪能正常並穩定的使用。

第五章 測試結果
經過測試後本組發現，壓克力板不容易承受氣壓缸過大的衝擊力及整體的重量，使用長時間下來連接軸心的孔位容易發生龜裂及擴孔導致將壓克力手臂產生裂紋影響強度。有鑑於此，本組將壓克力板換成鋁合金，重量增加不多但強度卻大大的增加解決之前壓克力板龜裂的問題。
解決上述問題之後分別測試了氣壓缸通氣前及通氣後重量量測、夾爪抓取負荷測試、擺動及作動時整體穩定度的測試。

通氣後總重增加許多，但由於手臂材料換成了鋁合金所以強度足夠承受整體的重量，手臂長度捲曲時和展開後接達到本組所設定之目標，工作範圍也遠比捲曲時伸長2.5倍。最前端之端重量雖為15kg 但利用氣壓缸內部氣壓，將遠端夾爪固定，並達到相當水準之穩定度，並不會產生晃動及搖擺的現象。

氣爪抓取的負荷並不像當初想像中來的大，氣爪最大抓取力為4.7N 表現相當不錯，以2公升的可口可樂來當被抓物，抓取時不會感到無力或無法夾取，氣爪能在最短的時間內將展開至560mm(手臂最大距離)將2公升的可口可樂移動至捲曲220mm之內，並重複至氣瓶內之壓縮空氣好盡為止。
當抓取工件時，將手臂刻意停留在隨機一個定點，並長時間不動作，手臂亦不會晃動也不會無力。本組發現只要氣壓缸內還殘留空氣，氣壓缸就可以穩定固定於此
點。又將氣壓缸作快速伸長及縮回的動作並快速的固定在某一點，發現到停頓的的瞬間會發生小小的晃動，但不影響整體的動作，並在很快的時間內停止並且可以迅速的操作下一個動作。

第六章 心得報告
現在業界的機械手臂多數是利用機電整合或是電子電路控制，也許這是趨勢但本組所製作的氣壓手臂卻是跟以往機械手臂有很大的不同，不用任何電力也不需任何潤滑只需供給空氣就能輕鬆將工件或貨物搬運，極小的電子零件及熱門的半導體較不適用於此外，需要施力大、耐衝擊的機械手臂
非常適用。也在製作專題的過程中學習到氣壓的組合及應用，進而發揮氣壓的優點，來製作此氣壓手臂。

第七章 參考文獻
1. 江耀宗，1991，機器人原理與系統，全華科技圖書公司。
2. 鄭慧玲編譯，“機器人工業電子學”，全欣，1990。
3. FESTO 2005電子型錄。