機械手臂完整應用領域及案例說明;不同種類、品牌、價格有何差異?六軸、四軸機器手臂該如何選擇?

想必大家對於機械手臂不會陌生。機械手臂因其靈活度、精準度以及可編程並大量重複操作的特性,已被廣泛運用於各式製造、電子及加工業中。也是現代大型工廠的基本配備。工業 4.0 中打出的無人工廠、關燈工廠等,更是預計要將傳統人工全數以機械手臂取代。但機械手臂聽起來簡單,裡面可是有許多學問的!今天 EZ 工程要跟大家介紹機械手臂的運作原理、應用範圍、主要分類以及品牌和價格的大概介紹!

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機械手臂是什麼?原理為何?

機械手臂顧名思義就是參考人類手臂關節的運作方式所設計,用來完成各種作業的自動控制設備。機械手臂主要由手臂主體、控制器、伺服器和感應器所組成,並以關節的轉動以及精細的程式控制,來完成各種傳統機台無法達到的任務,例如大範圍、大角度的焊接或夾取。
機械手臂的動作皆由程式預先設定,並透過控制器轉換為指定的平面或三維動作。同時也會在動作過程中回饋資訊並做出及時調整。只要設定正確,機械手臂即可不分日夜進行無數次的準確作業。

一般來說機械手臂的驅動方式有氣壓、液壓及電動三種,且可以騎轉動的自由度分為三軸、六軸、SCARA 機器人等等,下面接著介紹。

各種形式的機械手臂及運作方式

機械手臂的應用範圍

機械手臂被廣泛運用在工業中的各個領域,最簡易的三軸機器人即可完成高速取放、物流、包裝等任務。另外可進行多維度、高精密操作的多軸機器人更是汽車製造商、汽車零組件與電子相關產業不可或缺的器械。藉由機械手臂,廠商不僅可以實現大量低成本的精準生產,更可以減少品管所花費的時間與人力,並提升技術品質。目前產業機械手臂的使用量是以汽車、汽車零組件、化工、橡膠和塑料等為最大。
在實際應用上,機械手臂可用於裝配、加工、熔接、切削、加壓、貨物搬運、檢測等等。
除了一般工業使用外,機械手臂也被廣泛使用在日常生活中,例如醫療上結合了顯微影像顯示系統的手術機器人,調酒機器人、做菜機器人、小型桌上型機械手臂等應用方式。

奧迪汽車工廠使用的 FANUC 機械手臂

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機械手臂的分類

依驅動方式分類

1. 氣壓式機械手臂

這類機械手臂主要以壓縮空氣驅動。因為壓縮空氣來源方便,動作迅速,結構簡單,無污染性等特色,被廣泛運用在電子廠等較嚴格之作業環境。但因為空氣具有可壓縮性,工作速度的穩定性較會差,且因氣壓限制,抓舉力較小,通常只有十至一百多牛頓。

2. 液壓式機械手臂

液壓機械手臂壓力比氣壓壓力高上許多,因此液壓驅動的機械手臂具有較大的抓舉能力,可達上千牛頓。常使用於汽車工業中須把整片板金舉起的動作上。這類機械手臂結構緊湊,傳動平穩,動作靈敏,但對密封要求較高,且不宜在高溫或低溫環境下工作。

3. 電動式機械手臂

小型機械手臂大多為電動式,因電動式設計可採用多種靈活控制的方法,因此此類型的電動手臂型號也最多。電動式設計的結構簡單、所佔體積小,是一般小型機械手臂常見的形式。

依自由度區分

機械手臂可依自由度區分為許多類型。而機械手臂的自由度是依據其可自由活動的軸的數目所決定的,越多軸數代表工作範圍越大。主要分為 X、Y、Z,以及繞著此三軸旋轉的 U、V、W 共六軸。
四軸機器人是特別為高速取放作業而設計的,而六軸機器人則提供了更高的生產運動靈活性。

1. 三軸機械手臂

三軸機械手臂又稱為笛卡爾機械手臂、直角坐標型機械手臂。可沿著 X、Y、Z 三軸做平面移動及垂直升降,與 CNC 機台有些許類似,最常用來快速搬運和進行簡單的組裝。此種機械手臂定位精度高、結構簡單、容易編程,但機體所占空間體積大,動作範圍小,靈活性差,且不容易與其他機械手臂合作。

三軸機械手臂的運作動畫

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2. 四軸機械手臂 (SCARA 機械手臂)

四軸機械手臂又被稱為選擇順應性裝配機械手臂 (Selective Compliance Assembly Robot Arm SCARA),其最大的不同在於多了一個沿著 Z 軸旋轉的自由度。增加了在 XY 平面移動的容易度及涵蓋的工作區域。SCARA 機械手臂因其結構輕便、反應快速,最常被用在平面快速裝配電路板和電子零部件等。

FANUC 的 SCARA 機械手臂,可看到其可沿 Z 軸旋轉

3. 五軸、六軸機械手臂

五軸機械手臂比四軸機械手臂多了一個旋轉軸,因此可以涵蓋更大的工作範圍。而六軸機械手臂則是涵蓋了 X、Y、Z 三個方向軸以及 U、V、W 三個旋轉軸。六軸機械手臂幾乎沒有運作死角,可對目標進行各種角度、方向的加工,是汽車廠、大型加工廠中常見的機械手臂,也是使用最廣泛的機械手臂。優點是動作靈活,缺點是編程較難且準確度較低。

六軸機械手臂可雕刻出精細的獨木舟

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機械手臂大廠品牌介紹

製作機械手臂的廠商非常多,不僅歐日等大廠有最先進精良的產品。台灣國內也有台達、上銀等許多不錯的廠商,以下就各品牌稍微介紹。

日本品牌

FANUC 機械手臂

FANUC(發那科)成立於1956年,是日本一家專門研究數控系統的公司,也是世界上最大的專業工業機器人生產廠商之一,目前占據全球 70% 的市場份額。
該公司的機器人產品系列多達250 種,廣泛應用於裝配、搬運、焊接、鑄造、噴塗、碼垛等不同生產環節。

發那科機械手臂

安川機械手臂

安川電機自 1977 年研製出第一台全電動工業機器人以來,已有 28 年的研發生產歷史,旗下擁有 Motoman 美國、瑞典、德國以及 SyneticsSolutions 美國公司等子公司。
該公司至今共生產 13 萬多台機器人,最近 2 年生產的機器人達3 萬多台,超過其他的機器人製造公司。
其核心工業機器人產品包括:點焊和弧焊機器人、油漆和處理機器人、LCD玻璃板傳輸機器人和半導體晶片傳輸機器人等。

EPSON 機械手臂

EPSON 愛普生機器人公司是世界上最大的電腦印表機和圖像相關設備的製造商之一,日本愛普生科技公司旗下專門設計和製造機器人的部門。
該公司已在世界各地安裝超過 4.5 萬個機器人。最初創造機器人用於自家的手錶製造工廠,如今 EPSON 已研發出了高精度,高速,精巧型的工業製造機器手臂。
其核心工業機器人產品包括:點焊和弧焊機器人、油漆和處理機器人、LCD玻璃板傳輸機器人和半導體晶片傳輸機器人等。

EPSON 機械手臂

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歐洲品牌

KUKA 機械手臂

庫卡(KUKA)是世界工業機器人和自動控制系統領域的頂尖製造商,產品廣泛應用於汽車、冶金、食品和塑料成形等行業。
KUKA 在全球擁有20多個子公司,其中大部分是銷售和服務中心。其產品通用的應用範圍包括工廠焊接、操作、碼垛、包裝、加工和其他自動化作業。

ABB 機械手臂

ABB 集團總部位於瑞士蘇黎世,由兩個歷史均達 100 多年的國際性企業瑞典的阿西亞(ASEA)和瑞士的布朗勃法瑞(BBCBrownBoveri)在1988年合併而成。
ABB 是電力和自動化技術領域的領導者,其機器人產品和解決方案廣泛應用於汽車製造、食品飲料、計算機和消費電子等眾多行業的焊接、裝配、搬運、噴塗、精加工、包裝和碼垛等不同作業環節。

ABB 機械手臂

台灣品牌

台達機械手臂

台達集團成立於 1971 年,以電源控制為主要經營事業。近年來也積極發展自動化控制系統,工業機器人亦是其中一環。台達提供SCARA 和多軸機器人,尤其以 SCARA 機械手臂更為出色。

上銀機械手臂

上銀科技成立於 1989 年,為台灣線性滑軌及滾珠螺桿的製造龍頭。此兩種產品皆為機械手臂中的重要部件,除了供應零件外,上銀也積極推動以自身組件生產的單軸及多軸機械手臂,因組件皆為自產的原因,在成本上有一定的優勢。且品質也可與歐美日等大廠相媲美。

上銀機械手臂

機械手臂價格範圍

機械手臂的價格範圍非常大,除了根據軸數有不同的差別外,不同品牌價格差距也極大。一般來說桌上型,小型實驗、自用的機械手臂價格大概落在 1000 ~ 5000 台幣左右。若是工業用的標準六軸機械手臂,歐美日製價格約落在 150 ~ 300 萬台幣,而中國製的則約位於 50~100 萬台幣之間。差距十分巨大,當然越貴的產品可以預期的品質也就越高。

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