典型的机电一体化系统

第九章典型的机电一体化系统机电一体化产品种类繁多，按产品的功能划分为以下几类:⑴数控机械类数控机床、工业机器人。其特点为执行机构是机械装置。⑵电子设备类线切割加工机床、超声波缝纫机。其特点为执行机构是电子装置。⑶机电结合类自动探伤机、CT扫描仪、自动售货机等。其特点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。⑷电液伺服类液压伺服马达。其特点为执行机构是液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。⑸信息控制类复印机、传真机等办公自动化设备。主要特点为执行机构的动作完全由所接收的信息类控制。9.1CNC机床数控程序编制零件图纸数控介质数控装置伺服机构执行元件执行机构零件成品机床本体位置检测装置图9-lCNC机床加工过程原理CNC(或加工中心)加工工艺过程9.2机械加工中心1-X轴的直流伺服电动机；2-换刀机械手；3-数控柜；4-盘式刀库；5-主轴箱；6-机床操作面板；7-驱动电源柜；8-工作台；9-滑座；10-床身图9-3JCS-018A立式加工中心加工中心的技术发展方向：⑴高精、高速、高效的加工⑵高可靠性⑶加强标准化和开放性⑷网络数控⑸智能化9.3工业机器人一、工业机器人概述机器人：模仿人的机器工业机器人：用于生产的机器人诞生于20世纪60年代工作原理：通过机器人操作机上各构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。二、工业机器人系统结构六自由度工业机器人的系统结构工业机器人系统的组成1—机座2—控制装置3—操作机工业机器人的组成三、工业机器人的分类按机械结构和代表性的自由度构成可分成五种：①圆柱坐标型机器人；②球坐标型机器人；③直角坐标型机器人；④关节型机器人；⑤并联机器人。按用途和作业类别分：焊接机器人、冲压机器人、浇注机器人、搬运机械器人、装配机器人、喷漆机器人、切削机器人、检测机器人、采掘机器人、水下机器人圆柱坐标系机器人球坐标型机器人直角坐标型机器人关节型型机器人仿人关节型机器人平行四边形连杆关节型机器人SCARA型机器人并联机器人（d）直角坐标型（a）关节型（b）球坐标型（c）圆柱坐标型工业机器人的坐标系PUMA机器人的坐标系（a）基准装填（b）坐标系（a）（b）四、工业机器人的主要技术参数额定负载：如抓取力、切削力额定速度：机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。自由度一般具有四~六个自由度程序编制与存储容量在选用机器人时还应首先考虑其用途机器人的工作空间五、工业机器人的控制机器人控制的基本原理要使机器人按照人们的要求去完成特定的作业，需要做下述几件事情：①告诉机器人要做什么；②机器人接受命令，并形成作业的控制策略；③去完成作业；④保证正确完成作业，并通报作业已完成。示教控制计算机伺服驱动传感器机器人控制基本原理框图六、工业机器人的机械结构工业机器人的机械结构系统由机座、手臂、手腕、末端执行器和移动装置组成。移动装置只有在工作空间很大时才有。一、工业机器人的手臂和机座1.液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构具有手臂伸缩、回转和升降三个运动（自由度）如图所示：手臂伸缩运动由液压缸2驱动，手臂回转运动采用摆动液压马达11驱动，在中间机座6的下面配置有升降液压缸液压驱动圆柱坐标型机器人手臂1——活塞杆2——液压缸3——手臂端部4——手臂支架5——导轨6——中间支架7、9——齿轮8——挡块10——行程开关11——摆动液压马达2.电动机驱动机械传动圆柱座标机器人手臂其手臂的伸缩和回转运动都是采用双圆柱导轨导向和直流伺服驱动滚珠丝杠来实现直线移动GMFM——100型机器人手臂3.PUMA机器人手臂的结构PUMA机器人手臂的结构a)大臂驱动机构b)小臂驱动机构1、10——大臂2、3、5、6、8、9、14、15——齿轮4、13、16——偏心套7、11——驱动电动机12——驱动轴17——小臂18——机座PUMA机器人机座的结构1、3、4、5——齿轮2——偏心套6——伺服电动机二、工业机器人的手腕手腕是联接手臂和末端执行器的部件。功能是实现末端件在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。如图所示:回转运动（θ）、左右摆动（φ）和俯仰运动（β）手腕的自由度1——手臂2——机械接口1.用摆动液压马达驱动实现回转运动的手腕结构夹持动作由活塞完成，一个自由度摆动液压马达驱动的手腕2.具有两个自由度的机械手传动手腕结构手腕的回转运动θ＝θ1±θ2，俯仰摆动β两自由度机械传动手腕1、2、3、12、13—轴承4、5—链轮6、7—链条8—手腕壳体9、11—锥齿轮10、14—轴15—机械接口法兰盘3.具有三个自由度的机械手腕结构手爪回转n7,手腕偏摆n10=nT,手腕俯仰n9三自由度机械传动手腕1、2、3、4、5、6、7、11、12、13、14、15—齿轮8—手爪9、10、16—壳体偏置三自由度机械传动手腕a)装置外观图b)传动机构简图1、2、3、4、7、9—齿轮5—机械接口法兰盘6—壳体8—手腕架4.偏置三自由度机械传动手腕机构回转运动θ俯仰运动φ偏摆运动β5、三转轴手腕结构三轴承手腕a)手腕装配结构图b)手腕传动结构简图1、2、3—电动机4、5、6—空心传动轴7、8、9、11、13、14—齿轮10—壳体12—机械接口法兰三、工业机器人的末端执行器根据其结构和用途的不同，可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具（如焊枪、喷嘴、电磨头等）。（一）机械式夹持器的结构机械式夹持器多为双指爪式，其手指的运动为平移或回转（单点支承或双点支承）机械式夹持器a)单支点回转型b)双支点回转型c)平移型d)内撑型1.楔块杠杆回转型夹持器楔快杠杆式回转型夹持器1—杠杆2—弹簧3—滚子4—楔快5—驱动器2.滑槽杠杆式回转型夹持器滑槽杠杆式回转型夹持器1—支架2—杆3—圆柱销4—杠杆3.连杆杠杆式回转夹持器由杆1、连杆2、摆动爪3和夹持件构成四杆机构连杆杠杆式回转型夹持器1—杆2—连杆3—摆动钳爪4—调整垫片4.由齿轮齿平行连杆式夹持器齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器1—扇形齿轮2—齿条杆3—电磁式驱动器4—机座5、6—连杆7—钳爪5.左右旋丝杆平移型夹持器左右旋丝杠平移型夹持器1—电动机2—丝杠3—导轨4—钳爪杆6.内撑式连杆杠杆式夹持器内撑连杆杠杆式夹持器1—驱动器2—杆3—钳爪(二)吸附式末端执行器的结构吸附式末端执行器（又称为吸盘），有气吸式和磁吸式两种。它们分别利用吸盘内负压产生的吸力或由磁力来吸住并移动工件的。e)挤压排气式b)真空泵排气式a)气流负压式c)特殊吸盘d)双吸盘式吸头1—压盖2—密封盖3—吸盘4—工件磁吸式吸盘1—绕组2—铁心3—工件4—内盘体5—隔磁物6—外盘面7—盘体工业机器人的应用：机器人装配生产线柔性加工中的机器人车削加工单元中的机器人柔性加工系统中的机器人1—拉床2—车床3—插齿机4—剃齿机5—塔式储存架6—机器人7—去毛刺机装配系统中的机器人1—机器人2、3、5、6、7、8、9—轴承、轴、套、垫圈、法兰、螺母和产品传送带4—压力机装配系统中的双臂机器人1~7—固定式电视摄像机8—可转式电视摄像机9—抓握手臂10—感知手臂11~13—吸尘器零部件14—吸尘器装配成品焊接作业系统的机器人1—机器人2—传送带3—汽车壳体喷漆作业系统中的机器人1—工装板2—循环拖动链条3—工件识别站4—工件5—行程开关6—直角坐标机器人7、8、9、10—垂直关节机器人核工业中的步行机器人9.4机电一体化设计实例一、设计任务书为简易型机械手设计自动控制方案，要求采用可编程控制器控制。二、控制要求与控制方案⑴控制要求机械手自动操作完成将工件由A，点移向B点的动作，其示意图如图10-4所示。机械手每个工作臂上都有上、下限位和左、右限位开关，而其夹持装置不带限位开关。一旦夹持开始，定时器起动，定时结束，夹持动作随即完成。机械手到达B点后，将工件松开的时间也是由定时器控制的，定时结束时，表示工件已松开。机械手的动作要求示意图（2）控制方案图10-5机械手控制I/O分配图X12X7X5X10X6X11X25X26X27X22X23X20X24X1X2X3X4S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S16S17夹紧放松上升下降右移左移原点起动停止单步运行单周期手动自动下限位上限位右移限位左移限位V0V1V2V3V4驱动机械手下降驱动机械手夹紧驱动机械手上升驱动机械手右移驱动机械手左移图10-6自动控制流程图X26起动按钮X1下限位开关T0夹紧用定时器X2上限位开关下限位开关X3右移位开关X1下限位开关T1下限位开关X2上限位开关原始状态初始脉冲第一次下降夹紧第一次上升右移第二次下降放松第二次上升左移用于通断外部负载的电源的按钮图l0-8机械手控制的操作面板PB停止X27PB起动X26原点PBX35上升PBX5单步运行X22回原点X21单周期X23手动X20自动X24左移PBX6放松PBX7原点PBX35原点PBX35原点PBX35起动PB急停PB图10-7状态转移图初始化电路左移限位原点位置条件手动方式初始状态上升复位“下降”输出放松左移限位下降输入S1回原点初始状态上升结束M8044放松S27S20X201STM8000上限位MANUALOPERATION夹紧自动运行RUN监控X12夹紧输入初始状态S0X7放松输入SETY1RSTY1X5上升输入Y4Y0Y2Y3X10X6X11上升下降左移右移Y4Y3X2X2Y2Y0左移输入右移输入上限位ZERORETURNS12SETX25S12S11S10X2X4RSTRSTRSTRSTY3Y0Y1Y2M8043Y4复位“右移”输出左移回原点结束下降自动方式初始状态状态转移开始原点位置条件夹紧上升下降放松右移左移上升M8044M8041下限位上限位右移限位下降限位上升结束左移限位SETY1Y1RSTS2S20S21S22S23S24S25S26S27X1T0X2X3X1T1X2X4Y0T0K10Y2Y3Y0T1K10Y2Y4