自主機器人依賴一系列通用零件，包括致動器、關節、機械手臂、外殼、變速箱、馬達、控制器、感測器和末端執行器。但只有當製造流程、精度和材料選擇得當時，這些自主機器人零件才能有效運作。這才是關鍵所在。從部件選擇到製造工藝，每一個決定都會影響最終結果。加工過程中的微小誤差都可能導致運動或感測方面出現嚴重問題。因此，工藝和材料與零件本身同樣重要。本文將探討每個部件的設計如何與其製造方式和材料直接相關。我們的目標是闡明工藝、精度和材料之間的聯繫，從而打造可靠的自主機器人零件。
核心自主機器人組件
機器人設計各不相同。關節型機器人擁有可旋轉的關節和較長的臂展。 SCARA 機器人可以在平面上快速移動。笛卡爾機器人使用直線滑動軌道。 Delta 機器人擁有輕巧的蜘蛛狀機械手臂。圓柱形機器人則在圓形空間內工作。關節型機器人目前佔據市場主導地位，預計到 2025 年將佔據約 67.7% 的市場。 SCARA 機器人佔 14.2%。笛卡爾機器人或龍門機器人佔 9.1%。 Delta 機器人和圓柱形機器人則承擔較小的任務。每種類型的機器人都需要不同的零件。機械框架也會根據機器人的任務而改變。
機械和結構部件
這個組件包括機械手臂、底座和外殼。這些部件構成了骨架。它們必須足夠堅固，能夠抵抗負載下的彎曲。同時，它們也必須夠輕便，以降低能耗。鋁合金在這裡非常適用。它們在重量輕的情況下，屈服強度接近 275 MPa。像 17-4 PH 這樣的不鏽鋼強度更高，接近 1,000 MPa。這對於承載重物至關重要。聚碳酸酯等工程塑膠適用於外殼。它們具有良好的抗衝擊性和輕量化特性。
表面處理可提高耐用性。硬質陽極氧化可保護鋁材免受磨損。蒸氣拋光可在塑膠外殼上形成光滑的表面，從而有助於動態密封件更好地工作。外殼的作用不僅限於保護，它還容納軸承、減速器和電機，因此需要嚴格的公差。加工不良的外殼會導致不對中，進而導致振動和精度下降。
驅動、執行和傳動
這個組件驅動機器人運動。執行器將能量轉換為動能。關節連接機械手臂的各個節段。精密減速器和精密齒輪箱位於馬達和負載之間，它們可以提高扭矩並降低轉速。對於需要重複運動的機器人來說，精密減速器至關重要。如果沒有它，機械手臂在負載下就無法保持位置。
伺服馬達驅動這些系統，提供精確的速度和位置控制。伺服馬達與編碼器搭配使用，提供回饋訊號。控制器讀取訊號並調整馬達。這個迴路使機械手臂保持在預定路徑上。許多機器人的每個關節都使用伺服馬達。因此，一個六軸機器人同時運作六個伺服馬達。
選擇合適的精密齒輪箱取決於機器人的特定工作。諧波減速器可實現零齒隙，這對於組裝或手術至關重要。擺線減速器則能承受更高的衝擊負荷。有些機器人會在不同的關節中使用這兩種類型的減速器。
電氣、感測和末端執行器
電氣層將所有部件連接起來。馬達需要電源。控制器運作邏輯電路。感測器提供位置、力和距離的回饋資訊。常見的感測器類型包括編碼器、扭矩感測器和光達。這些幾乎是所有自主機器人設計中常見的組件。
末端執行器相當於機器人的雙手。它們可以是機械爪、焊槍或攝影機。例如，拾取放置機器人可能使用真空吸盤，而焊接機器人則使用帶有送絲裝置的焊槍。所有這些自主機器人組件必須協同工作。變速箱的精確度會影響末端執行器的位置。感測器的精度限制了控制器糾正誤差的能力。因此，每個部件都至關重要。
自主機器人組件的製造工藝
每個機器人零件的設計都始於製造方式的選擇。零件的形狀與其製造方式密不可分。帶有深凹槽的關節殼體需要一種製造方法，而光滑的齒輪毛坯則需要另一種方法。您選擇的製造流程決定了公差、表面光潔度和最終成本。接下來，我們將介紹主要的幾種製造方式，並探討它們的適用範圍。
CNC加工和精密製造
數控加工是精密製造的主力軍。旋轉的刀具將金屬或塑膠切割成接近最終形狀的零件。機器按照數位檔案進行加工，因此每個零件都完全相同。當您需要數百個相同的支架或連接板時，這一點至關重要。
數控加工的優點在於其對公差的精準把控。優秀的加工車間能夠嚴格控制軸承孔、安裝孔等關鍵特性的精度。加工出的表面光潔度也足以滿足密封件和滑動接觸的要求。正是這種高水準的控制，使得高精度加工能夠完美應用於變速箱殼體、致動器支架和感測器支架等產品。
值得注意的是，並非所有加工中心都能提供相同的服務。像中國領先的製造業企業諾博（NOBLE）這樣的公司，將精密數控加工與全方位服務支援結合。他們負責自主機器人組件的原型製作和大量生產，從首件到大量生產，全程參與。當您的設計涉及複雜的幾何形狀時，這樣的合作夥伴至關重要。
從實際應用角度來看，精密加工涵蓋了承載負載或保持對準的零件。例如，精密減速器殼體，其內孔必須與馬達軸完全對齊。任何偏差都會導致末端執行器出現間隙。因此，精密加工能夠保護整個運動鏈。
鑄造、鍛造和射出成型
並非所有零件都應該從實心金屬塊上切割下來。鑄造是將熔融金屬澆注到模具中，適用於機器人底板和機械臂節段等複雜形狀的零件。但缺點是精度比數控加工低，關鍵表面通常需要二次加工。
鍛造是在壓力下對金屬進行加工，使其晶粒結構更加緻密、更強。這有助於製造承受衝擊負荷的零件，例如腕關節或重型連接件。之後，還需要進行精加工以達到最終尺寸。
注塑成型將同樣的原理應用到了塑膠領域。塑膠顆粒熔化後填充到鋼模中。這樣就能快速、廉價地大量生產蓋子、外殼和小夾子等產品。不過，模具的前期成本很高。因此，只有當您需要大量複製品時，這種方法才划算。
鈑金加工為這一切提供了支持。彎曲和沖壓可以製造支架、面板和安裝板。這是一種快速、低成本的電子設備框架搭建方法。
DMLS和添加劑方法
直接金屬雷射燒結（DMLS）技術利用金屬粉末逐層建造零件，徹底改變了設計師的創作空間。你不再受限於切割工具所能達到的形狀。
機器人零件製造的優勢是實實在在的：
- DMLS技術能夠列印複雜的幾何形狀的自主機器人組件，用於機器人應用。
- 這些部件可以內建冷卻通道。
- 它們採用輕質網格結構，減輕了整體重量。
- 它們實現了高剛度重量比，有利於機器人末端執行器。
最後一點至關重要。更輕的末端執行器可以讓伺服馬達以更小的扭力實現更快的速度運轉。內部通道能有效散熱，避免敏感部位過熱。晶格結構在不犧牲剛性的前提下減輕了重量。
關鍵在於表面光潔度和公差。 DMLS成型的表面比機械加工表面粗糙。關鍵表面通常需要後續進行輕微的機械加工。因此，積層製造和減材製造方法通常需要結合使用。
從實際角度來看，機器人子系統的製造過程很少是孤立存在的。一個機械臂可能結合了鑄造底座、鍛造連桿、DMLS末端執行器和CNC加工孔等多種製程。每種工藝都有其存在的價值。關鍵在於如何根據所需的幾何形狀、負載和產量來選擇合適的製程。
自主機器人零件的材料
為機器人零件選擇材料意味著要找到平衡點。你需要權衡四個面向：重量、強度、耐腐蝕性和成本。改變其中一項，其他兩項也會隨之改變。較輕的機械手臂移動速度較快，但可能在負載下彎曲。強度更高的合金能保持形狀，但成本更高，加工時間也更長。因此，最佳選擇取決於零件的實際用途。
鋁及其合金
鋁材是製造機械手臂、支架和外殼的首選材料。它重量輕、易於加工，並且在陽極氧化處理後具有良好的防銹性能。 6061-T6 鋁合金常用於機器手臂，它焊接性能良好，價格適中。 7075-T6 鋁合金強度較高，但焊接難度較高。疲勞試驗數據也反映了這種差異。
| 合金 | 疲勞強度 | 週期 |
| 6061-T6 | 14,000 磅/平方英寸（96 兆帕） | 5×10^8 |
| 7075-T6 | 23,000 磅/平方英寸（159 兆帕） | 5×10^8 |
7075-T6 的疲勞性能比 7075-T6 好約 1.6 倍。這使其非常適合承受重複負載的零件，例如高性能汽車零件。對於每天改變方向數千次的機器人手臂來說，這種性能差距至關重要。
不銹鋼和鈦
不銹鋼具有耐鏽蝕和高強度的優點。 17-4 PH 級不銹鋼是承受應力和潮濕環境的自主機器人零件的理想選擇。經熱處理後，其極限抗拉強度可接近 1,300 MPa (190,000 psi)。其彈性模量約為 197 GPa。熱處理條件會影響最終結果，如下表所示。
鈦合金，尤其是Ti-6Al-4V，非常適合高要求的機器人應用。它兼具高強度、低密度和優異的耐鏽蝕性。缺點是成本高且加工難度高。只有在輕量化比重量更重要的情況下才適合使用鈦合金。
工程塑膠和複合材料
塑膠可以降低重量和成本。聚碳酸酯外殼能夠承受衝擊。乙縮醛和尼龍適用於滑動或旋轉的齒輪和襯套。在某些設計中，它們無需潤滑。碳纖維複合材料的性能更勝一籌。它們在確保低品質的同時，也能提供高剛度，這有助於高速運動的機械手臂。但缺點是成本高且難以連結。它們不能像金屬那樣焊接。因此，設計時需要圍繞緊固件或黏合劑進行。
精密製造將每個自主機器人組件連接起來
機器人是一個系統，而不僅僅是一堆零件。機械手臂、變速箱、馬達和感測器只有協同工作才能發揮最佳性能。這就是精密製造的意義。它就像一條紐帶，將機械部件、驅動部件和電氣部件連接成一台運轉正常的機器。如果製造得當，機器人就能平穩運作；如果製造出錯，每個誤差都會在工具尖端顯現出來。
公差和尺寸精度
公差累積是所有關節組裝中一個不易察覺的問題。機器人不可能一次只檢測一個尺寸。馬達導向軸、軸承孔、齒輪箱安裝面、軸中心線和定位孔等所有特徵都會相互影響。每個特徵單獨來看或許都能通過檢測，但它們的綜合偏差仍然會導致最終組裝結果偏離其應在的位置。這種偏差會降低定位精度，即使機器人每次循環都重複定位到同一個錯誤位置。重複性和精確度並非同一概念，而這正是原因所在。
數據也印證了這一點。在一項已發表的工業機器人實驗中，美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的研究人員透過更精確的定位和校準，將定位誤差中位數降低了 97%，降至 0.3 毫米。這是一個巨大的進步。但是，校準絕不能成為避免機械對準問題的藉口。在生產之前，請務必檢查基準結構、公差鏈、配套的自主機器人組件、檢測方法以及加工穩定性。否則，即使是完美加工的電機座，最終也會變成對準不良的機器人關節。
這就是精密製造如何將每個零件連接起來的方式。軸承軸頸、交叉滾子滾道和減速機安裝面的嚴格尺寸公差確保了運動鏈的可靠性。通常的做法是將這些特徵的尺寸公差控制在 ISO H6/h6 範圍內，從而確保間隙能夠維持運動鏈的精確度。行星齒輪中心距同樣需要嚴格控制。電機定子導引軸的尺寸也需符合 ISO h6 的限值。這些並非虛名，它們決定了您的精密減速機在負載下能否保持位置穩定，還是會發生偏移。
表面光潔度和裝配
配合取決於表面光潔度。壓入粗糙孔中的軸承永遠無法達到圖面預期的嚙合狀態。齒輪齒面也遵循同樣的道理。高精度齒輪必須保持與其等級相符的嚴格齒廓和齒距公差，並保持較低的表面粗糙度以確保可靠的運動。 ISO 1328 將齒輪精度分為不同的等級，涵蓋齒距、齒厚、齒廓、跳動和齒隙。每一項都直接影響運動精確度和重複性。
想想齒輪齒隙對精密齒輪箱的影響。減速器上的微小間隙會導致末端執行器出現明顯的晃動。感測器對準也會受到影響。如果編碼器讀取的軸存在跳動，則會報告機械手臂從未到達的位置。因此，表面光潔度和配合並非無關緊要的細節，而是自主機器人各部件協同工作的物理基礎。
檢驗、測試和標準
無法測量的精度，就無法聲稱。座標測量機改變了機器人零件製造的這一環節。它們為生產車間帶來了以下優勢：
- 三坐標測量機透過微米級精度的標準化檢測消除測量中的人為誤差，從而減少誤剔除和未被發現的缺陷。
- 他們透過即時檢查及早發現偏差，這樣你就可以在整批產品變質之前糾正流程。
- 它們透過採集複雜表面上的數千個數據點來處理複雜的幾何形狀。
- 它們透過追蹤刀具磨損趨勢和優化加工參數來改進製程控制。
- 它們產生詳細的報告，以支援品質合規性並降低客戶檢查期間的拒收風險。
現代三座標測量機平台採用符合 I++DME 規範的開放式架構，具備視覺、結構光和超音波等多感測器功能，並採用五軸定位，與傳統的三軸作業相比，偵測速度顯著提升。堅固耐用的車間設備實現了測量和加工之間的完整回饋迴路。
標準為這一切提供了共同的語言。 ISO 1328 規範齒輪精度。 ISO H6 和 h6 配合等級規範孔和軸。結合嚴格的檢驗流程，這些標準能夠將精密設計的自主機器人組件（以一致的嚴格公差製造）轉化為一個值得信賴的系統。這種信賴體現在精確度、重複性、酬載能力和使用壽命等方面。精密設計的組件和精密自主機器人組件只有在整個流程順暢無阻時才能發揮作用。因此，應將加工精度、檢驗和組裝視為一個連續的過程。這才是自主機器人組件最終成為機器人的真正意義。
自主機器人組件製造的設計考量
你做的每一個設計選擇都會關閉一些可能性，同時開啟另一些可能性。選擇薄壁，砂型鑄造就不再可行；選擇深腔，簡單的模壓成型就行不通了。因此，設計和製造過程是密不可分的，二者無法分割。
體重、力量和平衡
輕量化部件移動速度較快。這是大多數機器人設計背後的簡單原則。但輕量化零件也更容易彎曲變形。因此，你需要找到合適的平衡點。拓撲優化有助於實現這一點。一項研究表明，在保持強度和精確度的同時，顯著降低了品質。另一項研究則在保持剛度的同時，大幅減輕了品質。所以，你可以在不損失剛度的情況下減輕重量。關鍵在於找到正確的方法。
平衡也很重要。過重的末端執行器會迫使使用更大的伺服馬達。更大的伺服馬達又會增加重量。這種惡性循環最終只會適得其反。所以，盡可能讓品質集中在底部附近。
熱力及環境因素
溫度變化會導致零件尺寸改變。室溫下尺寸合適的零件在 60°C 時可能會出現卡滯。硬質塗層有助於控制這種變化。硬鉻電鍍或硬質陽極氧化可提供表面硬度（最低 30Rc），防止密封件磨損鋁或聚合物軸。薄而緻密的鉻塗層可以精確沉積，有助於控制熱膨脹。
振動是另一個悄無聲息的殺手。客製化的阻尼腕部能夠有效抑制關鍵振動頻率。被動阻尼在測試中顯著降低了振動。在這方面，被動阻尼器優於主動阻尼器。它們幾乎不增加重量、體積或能耗。主動系統則存在穩定性風險並佔用空間。因此，對於許多機械手臂而言，被動阻尼是更明智的選擇。
面向製造和組裝的設計
面向製造的設計始於對製程的考量。用於數控加工的零件需要考慮刀具的進給空間。用於模塑的零件則需要適當的拔模角度和均勻的壁厚。忽略這些規則，不僅會增加成本，還會延長等待時間。
面向製造的設計也涵蓋組裝。零件越少，連接點就越少。連接點越少，公差累積就越小。因此，盡可能將功能整合到一個加工模組中。使用自定位功能。在整個製造過程中統一使用緊固件。這些選擇可以加快機器人零件的製造速度，並減少誤差來源。良好的面向製造和組裝的設計並非額外的工作，它本身就是工作的一部分。
客製化與標準型自主機器人組件
每個機器人專案最終都會面臨同樣的選擇：是購買現成的零件，還是訂製專屬零件？你的選擇會影響成本、交貨時間和最終的性能，也會影響整個系統的組裝方式。
標準零件適用
標準零件在成本和速度方面都具有優勢。目錄上的機械爪或標準齒輪箱只需幾天即可發貨，而不是幾週。模具已經準備就緒。因此，即使是小訂單，單價也能保持較低水準。對於在固定網格上移動箱子的直角座標機器人來說，標準機械爪通常就能滿足需求。任務重複進行，零件也完全相同，設計無需受到任何限制。
標準件也讓維護更方便。當某個連接件損壞時，只需從庫存中更換新的即可。無需圖紙，也無需等待機械加工車間。這對於散佈在倉庫各處的大量自主機器人組件來說至關重要。但缺點在於適配性。庫存件的尺寸是由製造商設定的，而非您設計所需的尺寸。
客製化製造如何增加價值
當任務超出目錄零件的能力範圍時，客製化產品就能帶來顯著優勢。以手術器械的抓取和放置為例。標準機械手根本無法抓取重型縫合器，成功率為 0%。而客製化的末端執行器在同一任務中實現了 100% 的成功率。它還能完美地將器械放置到架子上，而標準機械手則屢次失敗。
| <span class="notranslate">EventXtra 6大解決方案</span> | 自定義末端執行器 | 標準夾持器 |
| 挑選重型訂書機 | 100% 成功 | 0% 成功 |
| 將儀器放入架子 | 100% 成功 | 0% 成功 |
| 軸向平移公差 | 慷慨 | 無 |
| 橫向旋轉公差 | 慷慨 | 無 |
這種差異源自於設計細節。沿著軸間隔設置的兩個接觸點分散了負載，防止傾斜。未加蓋的連桿機構使儀器能夠繞著其自身的偏心質量旋轉，從而在狹小空間內實現垂直對準。這些是客製化製造的自主機器人組件，能夠完成普通機械手臂無法完成的任務。
系統層面的權衡
整合方案的選擇會影響整台機器。控制架構就是一個很好的例子。集中式控制只需一個處理器和一個程序，這適用於結構簡單的機器。大型系統的現場佈線可能佔安裝成本的很大一部分。分散式控制雖然透過一條網路線連接本地節點來減少佈線，但需要交換器、配線架和光纖。
選擇閾值相當明確。對於小型系統，集中式控制通常更簡單；而隨著系統規模的擴大，分散式控制則更具經濟效益。分散式系統也更能有效應對故障，因為一次故障不會導致整條線路癱瘓。它們的擴展方式是透過添加節點，而不是重寫單體程式。關鍵在於技能。網路故障排除需要的是了解網路原理的人員，而不僅僅是了解梯形圖邏輯的人員。
因此，選擇從來不僅僅關乎某個部件。而是關乎該部件、其流程及其控制層如何作為一個整體系統運作。
NOBLE：自主機器人組件合作夥伴
優質零件並非偶然得來。它們出自一家既精通金屬切割又擅長整套系統製造的加工廠。 NOBLE 專注於機器人金屬和塑膠的加工。當您的設計同時採用鋁製外殼、鋼製軸和塑膠蓋時，這種專注至關重要。
金屬和塑膠加工
NOBLE公司提供金屬和塑膠的精密加工服務，產品範圍涵蓋各種機器人零件。您可以從同一家合作夥伴處獲得鋁製機械手臂、鋼製關節和塑膠襯套。通常情況下，專案進行到一半更換材料意味著需要更換加工商。但在這裡，無需如此。
這家工廠集精密製造和全面支持於一體。原型製作和大量生產都在同一地點完成。因此，您的第一個零件和第一萬個零件都採用相同的生產流程。這種一致性正是高品質機器人零件所需要的。同時，這也縮短了從設計審批到首次出貨的時間。
認證和品質
認證顯示供應商擁有完善的體系，而不僅僅是機器。對於機器人產業的供應商而言，ISO 9001:2015（通用品質管理系統）和 ISO 13485:2016（醫療器材品質管理系統）等認證至關重要。 NOBLE 的品質系統符合這些標準。
設計到組裝支持
NOBLE 不僅僅生產零件。他們的團隊會從設計到組裝全程參與。這意味著在任何加工開始之前，他們都會提供以製造為導向的設計建議。這意味著他們會提供有助於改進製程的檢測數據。這意味著零件到貨即可組裝，無需額外加工。
這對於製造機器人零件至關重要。一個參考點錯誤的變速箱殼體可能會浪費數週時間。合作夥伴若能及早發現這種風險，就能節省這些時間。實際上，為機器人製造零件的工廠，如果能跳出切割的限制思考，就能獲得豐厚的回報。 NOBLE 將這種思考融入到每個報價中。
組件選擇、製造流程、精度和材料都緊密相連。改變其中任何一個，其他都會隨之改變。更輕的機械手臂需要合適的合金。緊密的關節需要合適的公差。精密製造是連接所有自主機器人組件，使其成為可靠系統的關鍵。因此，在設計時，請務必牢記這些因素。思考每個零件的製造方式、精度要求以及材質。更優的製造決策將帶來更流暢的運動、更長的使用壽命，以及未來更強大的自主系統。
自主機器人組件常見問題解答
什麼是自主機器人組件？
它們是每台機器人必不可少的基本部件。執行器、關節、機械手臂、外殼、齒輪箱、馬達、控制器、感測器和末端執行器都至關重要。只有當其工藝、精度和材料都符合要求時，每個部件才能發揮最佳性能。
哪種材料最適合用於製造機器手臂？
這取決於負載。鋁合金 6061-T6 重量輕且易於加工。鋁合金 7075-T6 具有更強的抗疲勞性能。不鏽鋼 17-4 PH 強度高，適用於重載。鈦合金 Ti-6Al-4V 在成本不是主要考慮因素時可以減輕重量。
機器人零件的公差應該要多嚴格？
關鍵零件的精度要求非常嚴格。軸承軸頸和減速器安裝面的精度通常符合 ISO H6/h6 標準，以確保精確配合。行星齒輪中心距同樣需要嚴格的公差控制。過大的公差會導致齒隙和漂移。
在什麼情況下應該選擇數控加工而不是鑄造？
對於承重零件和需要高精度對準的零件，應選擇數控加工。數控加工能夠很好地保持公差和表面光潔度。鑄造適用於底板等複雜形狀的零件，但關鍵表面需要二次加工。鍛造適用於承受衝擊負荷的零件。
DMLS技術為機器人零件製造帶來了什麼？
直接金屬雷射燒結（DMLS）技術逐層建造金屬零件。它允許內部冷卻通道和輕質晶格結構，從而在保持高剛度的同時減輕重量。由於成型後的表面較為粗糙，關鍵表面通常需要後續進行輕微的機械加工。
為什麼接頭處的公差累積會產生影響？
機器人並非一次只檢測一個尺寸。馬達導向軸、軸承孔和齒輪箱端面等零件相互影響。每個特徵單獨檢測都可能通過，但它們的綜合變化仍然會影響最終組裝結果，從而降低定位精度和重複性。
什麼時候客製化末端執行器才划算？
當標準零件無法完成任務時，客製化設計就顯得特別重要。在一項基準測試中，一個標準的機械手臂無法抓取一個沉重的訂書機。而一個客製化的末端執行器卻在同樣的任務中實現了100%的成功率。設計細節決定了成敗。
機器人零件供應商應該具備哪些認證？
請以 ISO 9001:2015 作為品質管理基準標準。對於醫療器材產業，品質管理則遵循 ISO 13485:2016 標準。信譽良好的供應商通常會遵循這些標準。
