機械手臂原理是什麼？5大機械手臂類型分析、機械手臂推薦！

隨著科技不斷發展，工廠自動化已經成為現代製造業中不可或缺的一部分。為了提高生產效率、降低成本並確保生產過程的精密性，越來越多的企業紛紛考慮引入機械手臂，協助工廠運作。在購入機械手臂之前，可以先了解機械手臂的原理和運作方式，確保企業選擇到合適的機械手臂，以滿足具體的生產需求。本文將探討機械手臂原理，幫助你更好理解這項技術，為自動化工廠做好準備！
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機械手臂原理與種類

機械手臂又稱為Robotic arm，具有類似於人類手臂的外型與功能，結構上由控制器、機械主體、感應器、伺服機構（Servomechanism）所組成，可以在平面或3D空間進行各種運動。機械手臂的形狀和大小因應不同需求而有所不同，根據機械手臂的運動原理，大致上可分為5大種類：門型手、SCARA、青蛙腿、一般型、Delta蜘蛛型，下方將會一一介紹這些常見機械手臂的運作原理。
 

機械手臂種類1：門型手（直角座標型）

門型手又稱為「直角坐標型」，直角座標是機械手臂設備的移動方式，每個移動方向都與前一個臂件形成90度的角度，這種系統通常使用X、Y、Z等坐標來代表移動的方向，並在每個坐標的範圍內執行工作或運動。
 

機械手臂原理

門型手主要由2至3軸的馬達數量所組成，其機械手臂原理是透過鋁擠型合金航空框架搭建運動路徑或框架，而機械手臂的精度通常取決於架台的結構強度。相比可高度負荷載重的6軸機械手，門型手主要負責負荷較輕的工件重量。目前用於射出機產業居多，適用於直線運動的自動化生產，像是插拔、搬運、執行上下料應用，以及單調直線運動等動作。
 

門型手的優勢

門型手是自動化系統中相當常見的應用機種，具有定位精準高、可快速換料的優勢，主要應用在CNC車床的金屬加工上。此外，門型機械手的工作範圍可以設計成很大的空間，架台剛性也相對強壯。只要搭配特製料艙，就能實現自動化的應用，即使預算有限也能夠享受自動化的好處，是一個經濟實惠的解決方案！
 

門型手的劣勢

由於門型手的機械手臂原理與關節軸技術較為簡易，馬達數量只有2～3軸，相比更多關節軸的6軸機械手，門型手只適合處理輕型的工件，難以同時處理多個工件，因此在應用上會比較受限。另外，門型手基於結構的設計，難以全面防護內部機械部件免受損害或受到液體侵蝕，不太適合在充滿液體等惡劣環境下生產運作。
 

機械手臂種類2：SCARA（圓柱座標型）

SCARA機械手臂是一種特殊類型的機械手臂，這種水平多關節機械手臂有一個特別的特性，手臂在Z軸具有剛性且而不易變形的性質，在X、Y方向上卻可以靈活彎曲！這使得SCARA非常適合處理平面上的工作，特別是在XY平面上有許多洞或特殊形狀的工件。
 

機械手臂原理

根據SCARA平行軸結構的機械手臂原理，手臂在X、Y方向具有靈活速度快和順應性（Compliant）的特性，但在Z軸方向卻具有剛性的優勢，可在圓形的工作範圍內進行更為彈性的自動化生產。大部份的SCARA的機械手臂原理都是串聯式架構，也就是第一顆馬達會承擔另外二顆的馬達，以及相關機構設備的重量，因此佔地面積比較小，可以更簡單且無阻礙的方式快速安裝，特別適合應用於狹小空間內的自動化，像是電子廠跟小型零件組裝工廠。
 

SCARA的優勢

SCARA可以在一個平面上進行彈性的運動，大大減少了不必要的運動軌跡，因此速度性能比門型手還快。另外，因SCARA的特殊結構讓每一個關節都可以被封閉，這意味著它很容易設計成防水型的機械手臂，即使在高溫或受到液體污染的環境中工作也不易損壞。
 

SCARA的劣勢

SCARA的有效載荷能力較為有限，在處理大型或重型物體時的表現可能不如其他機械手臂，因此更適合處理較小的物體。此外，SCARA通常比傳統的機器手臂還要貴，也需要特殊的控制軟體進行操作。
 

機械手臂種類3：青蛙腿（極座標型）

極座標型（Polar）的機械手臂原理與結構類似於青蛙的腿部排列，因此經常被稱為「青蛙腿」，其原理基於極座標系統。在數學的曲線計算中，極坐標方程式的表達形式最為簡單，因此具備計算簡單和程式設計方便的特性。
 

機械手臂原理

此機械手臂能進行收入與伸出的線性運動，並由兩個旋轉軸所支撐，一個是環繞基座轉動，另一個則是環繞由基座畫出來的垂直線的軸轉動。這類機械手臂的運作原理，是透過多軸的協同動作，實現精準的線性與旋轉運動。藉由這種前後左右移動的線性運動和水平搬運移載，適合應用在面板廠、電視液晶螢幕、半導體、科技等自動化生產。
 

青蛙腿的優勢

青蛙腿具有簡單的計算和編程特性，這使得它在自動化和機械控制中非常容易使用！工程師和機台操作員可以輕鬆地編寫複雜的動作和操作序列，可以實現從生產到組裝的各種任務。此外，青蛙腿能在爐子等高溫環境中進行直線插入的操作，適合進行焊接、拾取與放置工作、組裝作業等。
 

青蛙腿的劣勢

青蛙腿需要相對較大的運作空間，在狹小的工作環境中難以發揮其功能。其次，青蛙腿的導向表面暴露在外，如果想在腐蝕性或多塵的環境中應用，就需要進行額外的保護措施，否則機身容易受到損害。
 

機械手臂種類4：一般型（關節型座標）

一般型機械手臂，又稱為「關節型座標機械手臂」，這是一種常見且多用途的機械手臂，可以串聯和多個專用工具機，並跨接協調不同的機械加工程序，能夠執行各種複雜的任務，適用於各種不同的工業和製造應用。
 

機械手臂原理

這種基於「關節型旋轉座標」的機械手臂原理，具有三個或更多的轉動軸。其中一個連桿可以固定在基座上，並繞著基座旋轉，就如同人類手臂的肩膀關節；另外兩個連桿之間的運動方式就像門上的鉸鏈，這兩個連桿可以在水平和垂直方向上進行轉動。這種結構的好處是可以實現複雜的運動，在不同的方向和平面上都能進行操作，這對於處理各種工作任務的應用上非常有用。
 

一般型的優勢

一般型從「微型機械手臂」到「重載型機械手臂」都有可以對應的機械手臂型號，只要透過軌道就能夠靈活運動，不像傳統機械手臂需要定點式運作，具有多樣化的性能表現，可以進行拿取、搬運重物、工件取料、換料、入料等作業，因此可應用的產業相當廣泛，像是半導體、科技、面板、加工、製造、食品、汽車、服務等。
 

一般型的劣勢

一般型的運動半徑越大，所承載的強度就越強，為了確保整體機械結構的穩定性，整體造價也會相對高昂。此外，這類型的機械手臂的佔地空間通常較大，需要在工作範圍內做好安全隔離，不適合在狹小空間內運作或直線運動的應用上。
 

機械手臂種類5：Delta蜘蛛型

大部分的機械手臂都是工業用，主要用在工業現場設備組裝，而Delta機器人為仿生式的「蜘蛛型機械結構」，可大量應用在食品加工業領域，讓自動化生產不再局限於工業用途！
 

機械手臂原理

Delta蜘蛛型屬於「關節連結機器人」，它的結構設計不同於其他的機械手臂原理，並沒有模擬人類的手部機能，而是將多個機械手臂連接到同一個支撐的控制點，就如同蜘蛛的生理結構，在平行移動上更能實現快速運動的效果。食品加工業不同於其他重工業，不太需要Z軸的上下移動運動，反而更需要平行移動的生產流程，因此以「快速平行移動」為特色的Delta蜘蛛型，被廣泛應用在食品加工領域當中。
 

蜘蛛型的優勢

蜘蛛型機械手臂能夠全程避免人工接觸食物，大幅降低了食品安全問題，這種自動化過程可以減少人為的交叉污染風險。另一個優勢是，蜘蛛型通常使用「無毒性食品級潤滑油」，可以確保機械部件的運動順暢，同時不會對食品質量造成危害，有效提高食品加工過程的衛生標準。
 

蜘蛛型的劣勢

相對於傳統工業領域的自動化設備，蜘蛛型更講求細節和特定要求，不能使用會產生氧化現象的金屬零件，必須使用安全無虞的材料，像是不銹鋼等材質，這可能會增加成本和複雜性。另外，蜘蛛型的整體構造並不適合負重工作，因為當初設計的機械手臂原理，主要用於抓取特定類型的物品，或需要使用夾爪、吸盤的生產用途，並不適合處理重型物品的搬移工作。
 

5種機械手臂原理比較表

 

知道機械手臂原理，就能自行製作機械手臂？

了解機械手臂原理是製作機械手臂的重要步驟，不過，只懂得原理並不足以自行製作一個實用的機械手臂。下方將會詳細說明為什麼自行製作機械手臂，不但需要花費企業的大量時間，整體成本也可能不會比較低！
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一、專業知識需求

機械手臂的製作是一項高度複雜的工程，涵蓋了許多學科的專業知識，包括機械工程、電子工程、控制系統和程式設計等。如果你本身未具備這些專業知識，就需要投入大量的時間和精力來學習和掌握這些技能，以應對機械手臂的開發挑戰。當然，你也可以考慮聘請具有相關專業知識和技能的專業人員，更能確保你的機械手臂製作能夠順利進行！
 

二、材料和製造成本

製作機械手臂需要採用高品質的材料，像是高強度的金屬、精密的齒輪和高性能的伺服馬達。這些材料通常相對昂貴，並需要經過特殊的製造和加工過程。如果你打算自行製作機械手臂，就必須考慮這些製造成本，以及材料採購、加工設備、人工成本、製作機械手臂的時間成本等。
 

三、軟件開發與測試

機械手臂原理的設計是一個相當複雜的工程，需考慮多個關鍵因素，包括機械結構的設計、控制系統的規劃，以及安全性等方面的問題。製作完成後，也需要進行詳細的測試和校準，以確保機械手臂能夠正確運作。此外，為了滿足特定應用需求，機械手臂的控制軟件也需要根據實際情況進行開發和調試，這涉及到程式設計和算法開發，需具備跨學科的能力和團隊合作，以確保最終產品的性能和安全性。
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四、安全和合規性

機械手臂必須符合相關的安全標準和法規要求，以確保人員在操作過程中的安全，這牽涉到機台工作人員是否具備基本的操作教育訓練，以及定期的機械手臂維修與保養。專業的機械手臂公司通常會提供完整的售後服務，像是異常代碼技術支援、職訓局課程等服務，以確保機械手臂能夠持續保持最佳效能和安全運行狀態，這也是投資機械手臂的一個重要考慮因素！
 

機械手臂品牌有哪些？

在了解了機械手臂原理以及其類型後，在選購機械手臂時，應該挑選哪個品牌呢？機械手臂市場主要以四家；發那科、庫卡、ABB、安川電機，及其他二、三線的機械手臂品牌組成，今天主要以機械手臂四大家來作介紹。
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機械手臂品牌1：發那科（FANUC）

發那科（FANUC）自1956年成立以來，已成為全球數控系統和工業機器人領域的領軍者之一。作為全球最大的工業機器人生產廠商之一，FANUC占據了約30%的全球市場份額。這個品牌以其機械手臂的卓越穩定性和高精度而聞名，使其在各種應用場景中都能提供卓越的性能。FANUC機械手臂的另一大優勢在於其獨特的永久保修服務，這不僅大幅降低了企業的維護成本，更提升了設備的壽命和投資價值。此外，FANUC在全球設有完善的服務網絡，無論企業身處何地，都能享受到快速且專業的技術支援。因此，選擇FANUC的企業能夠更好地管理生產成本、提高效率，並最大化設備的價值，這使得FANUC成為眾多企業的不二選擇。
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機械手臂品牌2：庫卡（KUKA）

庫卡（KUKA）於1898年創立，是工業機器人和自動控制系統領域的先驅。該公司在全球擁有20多家子公司，為客戶提供全面的銷售和售後服務保障，讓人倍感安心。庫卡的一大特色在於其開放式系統，這種系統允許工程師根據具體需求來自訂機械手臂的功能和操作方式。更重要的是，開放式系統讓庫卡的機械手臂能夠輕鬆整合第三方軟體和硬體，使其具備極高的彈性和可擴展性，適應多樣的工業應用。
 

機械手臂品牌3：ABB

ABB是由瑞典阿西亞（ASEA）和瑞士布朗勃法瑞（BBC Brown Boveri）於1988年合併而成的國際電力和自動化技術巨頭。ABB的機械手臂以運動控制系統為核心，搭配開放式軟體系統，這對於有經驗的工程師來說是絕佳選擇，能夠根據具體需求進行高度客製化調整。然而，對於新手來說，可能需要一些時間來適應這些先進的操作系統。

 

機械手臂品牌4：安川電機

安川電機自1977年開始投入機械手臂的研發與生產，並以卓越的焊接技術在市場上取得了顯著的優勢。安川機械手臂的焊接技術不僅能提高生產品質，還能確保焊接作業的一致性，極大地減少了不良品的產生，從而節省時間和成本。這使得安川成為各種焊接應用中的理想選擇，特別適合那些追求高質量和高效率的生產環境。

 

CNC自動化上下料首選！「飛那達」機械手臂

飛那達的機械手臂是CNC自動上下料作業、疊棧、自動倉儲最理想的選擇，特別適合希望提升生產效率與精度的自有產品CNC廠商。為了幫助企業有效降低人力成本，並實現穩定的自動化運行，飛那達主打的Fanuc四軸和六軸關節式機械手臂，能靈活應對不同生產需求。

 

「飛那達」高效機械手臂熱門產品有哪些？

以下為市面上最熱門的三款機械手臂，每款皆適用於不同需求的自動化操作。在挑選機械手臂時，需根據零組件的公斤數來選擇合適的機台，若生產線的自動化行程較長，需選用較大型的型號，以達成作業的流暢性與效率。

Fanuc LR Mate200iD (7kg)： 該款產品最受歡迎，適合輕型零件的自動上下料與搬運作業，實現高效率自動化。

Fanuc M-20iD (25kg~35kg)： 具IP54防塵等級，價格實惠，若無防水需求的作業，相當推薦這台機械手臂。

Fanuc M-20iB (25kg)： 具IP67防水等級，適合高度水氣或潮濕環境的作業場域，保證機械手臂長期穩定運行。

〈產品推薦：Fanuc 四、六軸關節式〉

 

「飛那達」提供您最完善的服務

飛那達提供完整的一條龍服務，從排程、程式撰寫到維修都能一站到位。特別在程式修改方面，飛那達擁有獨家技術優勢，能快速響應和即時調整，使自動化流程更加順暢。此外，飛那達的機械手臂耐用度極高，使用壽命長達30年，幫助企業大幅降低長期成本，提高投資報酬率。與他品牌相比，飛那達的一條龍服務縮短了維修與調整的等待時間，無需與第三方協調即可立刻解決問題，確保企業在生產上的作業不中斷。

 

結論

自行製作機械手臂需要豐富的知識、專業技能、時間和資金。對於大多數人來說，購買現成的機械手臂或與專業團隊合作可能更加實際和經濟！想要透過機械手臂實現自動化工廠嗎？飛那達是您的最佳選擇，歡迎與我們聯繫了解更多！
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