四轴立式关节机器人机械手设计文档格式.docx
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四轴立式关节机器人其结构形式为关节型机器人，其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，也是目前机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。
1、四轴立式关节机器人的总体机械结构设计
下表为本机器人的主要技术参数
项目
规格
机械结构
四自由度，立式关节式机器人
工作范围
腰部转动
360°
大臂转动
130°
小臂转动
160°
腕部转动
230°
臂长
大臂
800mm
小臂
承载能力
最大3kg（不包括吸盘）
驱动系统
交流伺服电机
机械手重量
约50kg
2、腰部底座的结构设计
该机器人腰座是圆柱坐标机器人的回转基座。
它是机器人的第一个回转关节。
机器人的运动部分全部安装在腰座上它承受了机器人的全部重量。
腰座有足够大的安装面，保证了机器人在工作时整体的稳定性。
3、手臂及关节处的结构设计
该机器人手臂的作用是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。
机械手的大臂旋转和小臂的旋转运动是通过齿轮传动来实现。
因为考虑到搬运工件的重量不大，属小型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性、安全性、对手臂的刚度有较高的要求。
因此综合考虑两手臂的驱动均选择齿轮驱动方式。
大臂关节处的结构设计如图所示：
小臂关节处的结构设计如图所示
4、腕部的结构设计
该机器人的手臂运动包括腰座的回转运动给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。
机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。
此腕部结构采用一比一的小链轮带动，由伺服电机直接带动。
5、机械手末端执行器的结构设计
机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。
上图为机械手末端执行器结构设计，采用气流负压式结构吸盘，吸附可靠，吸力大，结构简单，成本较低。
通过用气流调节阀来调节其运动速度。
另外由于气体的可压缩性，使气动吸盘的吸取运动具有一定的柔顺性，这一点是吸取动作十分需要的。
二、电气与PLC部分
机械手的动作有圆柱腰部的旋转，大臂及小臂的俯仰，腕部的俯仰以及负流式吸盘的吸放。
整个机器人的运动均由交流伺服电动机实现驱动，而吸盘由相应的电磁阀控制。
当机械手接通电源，通过PLC程序的控制实现机械手的启动运行、吸放、停止等动作。
例如，当吸取工件时，机械手运动靠近到工件时，机械手停止，然后吸取工件后运动到工作部位放下工件。
1、电机主电路
设计原理：
（1）交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4分别控制腕关节、小臂、大臂和腰关节。
（2）电动机M1、M2、M3、M4分别由热继电器FR1、FR2、FR3、FR实现过载保护。
（3）QF为电源总开关。
（4）熔断器FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各负载回路的短路保护。
FU5、FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路。
2、电气元件的选型与确定
（一）电机的选择
电机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电机在额定负载下运行。
实践证明，电机的负荷为额定负荷的70%～80%时效率最高。
在选择电机的转速时，不宜选得过低，因为电机的额定转速越低，极数越多，体积越大，价格超高。
但高转速的电动机启动转矩小，启动电流大，电动机的轴承也容易磨损。
因此在工业上选用同步转速为1500r/min（四极）或1000r/min（六极）的电机较多，这类电动机适用性强，功率因数和效率也较高。
为了获得准确的定位精度和提高机器人的工作效率。
此次四轴机器人的电机选用了伺服电动机，电机可以根据指令信号作位置、速度或转矩的跟随来控制
四轴机器人的四个关节的运动是由四个AC伺服电机来驱动完成的，其功率和型号如下表：
中惯量系列（GYG电机）额定旋转速度1500r/min。
其转矩根据公式P=Tn/9550而计算得到。
电机功率
电机型号
驱动器型号
驱动转矩
腕关节
0.5
KW
GYG501BC2-T2G-B
RYC501B3-VVT2
3.18N/m
0.85
GYG851BC2-T2G-B
RYC851B3-VVT2
5.41N/m
1.3
GYG132BC2-T2G-B
RYC132B3-VVT2
8.27N/m
腰关节
1.8
GYG182BC2-T2G-B
RYC182B3-VVT2
11.46N/m
由表算得的转矩，再根据汽车传动原理，机械设计及电机拖动整合可知，齿轮比放大倍数即为力矩放大倍数，所能带动的重量=（（额定转矩T/重力G）*传动比n）/转盘半径R。
算得各电机所能带动的重量依次为6.36kg、16.23kg、99.24kg、183.36kg。
（二）其它低压电器的选用
1、低压电器的额定电压应不小于回路的工作电压，即Ue≥Ug。
2、低压电器的额定电流应不小于回路的计算工作电流，即Ie≥Ig。
3、设备的遮断电流应不小于短路电流，即Izh≥Ich
4、热稳定保证值应不小于计算值。
5、按回路起动情况选择低压电器。
3、PLC的I/O口分配
X0
机器人启动
Y0
绿色指示灯
X1
机器人停止
Y1
红色指示灯
X2
腰部限位开关
Y2
电动机M1
X3
大臂限位开关1
Y3
电动机M2
X4
大臂限位开关2
Y4
电动机M3
X5
小臂限位开关1
Y5
电动机M4
X6
小臂限位开关2
Y6
吸盘电磁阀
X7
腕部限位开关1
X10
腕部限位开关2
X11
末端物料检测传感器
综上所述：
PLC选取三菱FX2N-16MR型号就可满足要求。
4、外围接线图
机器手PLC控制的外围接线图
*注：
由于机器人内部有齿轮带动，维修较为困难，需要定时润滑
三、参考文献
1、《伺服电机应用技术》主编：
颜嘉男
2、《电机及拖动》主编：
许晓峰
3、《电机轴承使用手册》主编：
宋昌才
4、《工业机器人运用技术》主编：
郭洪红
5、《电气控制与PLC技术运用》主编：
徐超
6、《机械设计与创新》主编：
朱秀娟
7、《机械设计简明手册》主编：
杨黎明杨志勤
8、《机械工程材料》主编：
吕烨许德珠
9、《工程力学》主编：
皮智谋
10、《液压与气动技术》主编：
王文深吴尚纯林晖刘建平
11、《传感器技术与应用》（第三版）主编：
金发庆
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