典型的機電一體化系統(tǒng)

1、第九章典型的機電一體化系統(tǒng)第九章典型的機電一體化系統(tǒng) 機電一體化產(chǎn)品種類繁多，按產(chǎn)品的功能劃分為以下幾類機電一體化產(chǎn)品種類繁多，按產(chǎn)品的功能劃分為以下幾類: : 數(shù)控機械類數(shù)控機械類 數(shù)控機床、工業(yè)機器人。其特點為執(zhí)行數(shù)控機床、工業(yè)機器人。其特點為執(zhí)行機構是機械裝置。機構是機械裝置。 電子設備類電子設備類 線切割加工機床、超聲波縫紉機。其特線切割加工機床、超聲波縫紉機。其特點為執(zhí)行機構是電子裝置。點為執(zhí)行機構是電子裝置。 機電結合類機電結合類 自動探傷機、自動探傷機、CTCT掃描儀、自動售貨機等。掃描儀、自動售貨機等。其特點為執(zhí)行機構是機械和電子裝置的有機結合。其特點為執(zhí)行機構是機械和電子裝置

2、的有機結合。 電液伺服類電液伺服類 液壓伺服馬達。其特點為執(zhí)行機構是液液壓伺服馬達。其特點為執(zhí)行機構是液壓驅動的機械裝置，控制機構是接受電信號的液壓伺服閥。壓驅動的機械裝置，控制機構是接受電信號的液壓伺服閥。 信息控制類信息控制類 復印機、傳真機等辦公自動化設備。主復印機、傳真機等辦公自動化設備。主要特點為執(zhí)行機構的動作完全由所接收的信息類控制。要特點為執(zhí)行機構的動作完全由所接收的信息類控制。9.1 CNC機床機床數(shù)數(shù)控控程程序序編編制制零零件件圖圖紙紙數(shù)數(shù)控控介介質質數(shù)數(shù)控控裝裝置置伺伺服服機機構構執(zhí)執(zhí)行行元元件件執(zhí)執(zhí)行行機機構構零零件件成成品品機床本體機床本體位置檢測裝置位置檢測裝置圖圖9

3、-l CNC機床加工過程原理機床加工過程原理CNC(或加工中心)加工工藝過程9.2 機械加工中心機械加工中心1-X軸的直流伺服電動機；軸的直流伺服電動機；2-換刀機械手；換刀機械手；3-數(shù)控柜；數(shù)控柜；4-盤式刀庫；盤式刀庫；5-主軸箱；主軸箱；6-機床操作面板；機床操作面板；7-驅動電源柜；驅動電源柜；8-工作臺；工作臺；9-滑座；滑座；10-床身床身圖圖9-3 JCS-018A立式加工中心立式加工中心加工中心的技術發(fā)展方向加工中心的技術發(fā)展方向 ： 高精、高速、高效的加工高精、高速、高效的加工 高可靠性高可靠性 加強標準化和開放性加強標準化和開放性 網(wǎng)絡數(shù)控網(wǎng)絡數(shù)控 智能化智能化 9.3工

4、業(yè)機器人工業(yè)機器人一、工業(yè)機器人概述一、工業(yè)機器人概述v機器人：模仿人的機器機器人：模仿人的機器v工業(yè)機器人：用于生產(chǎn)的機器人工業(yè)機器人：用于生產(chǎn)的機器人v誕生于誕生于20世紀世紀60年代年代v工作原理：通過機器人操作機上各構件的運動，工作原理：通過機器人操作機上各構件的運動，自動地實現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能及技術要求。自動地實現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能及技術要求。二、二、 工業(yè)機器人系統(tǒng)結構工業(yè)機器人系統(tǒng)結構六自由度工業(yè)機器人的系統(tǒng)結構工業(yè)機器人系統(tǒng)的組成1機座 2控制裝置 3操作機工業(yè)機器人的組成三、工業(yè)機器人的分類三、工業(yè)機器人的分類v按機械結構和代表性的自由度構成可分成五種：按機械結構和代表性的

5、自由度構成可分成五種： 圓柱坐標型機器人；圓柱坐標型機器人； 球坐標型機器人；球坐標型機器人； 直角坐標型機器人；直角坐標型機器人； 關節(jié)型機器人；關節(jié)型機器人； 并聯(lián)機器人。并聯(lián)機器人。v按用途和作業(yè)類別分：按用途和作業(yè)類別分：焊接機器人、沖壓機器人、澆注機器人、搬運機焊接機器人、沖壓機器人、澆注機器人、搬運機械器人、裝配機器人、噴漆機器人、切削機器械器人、裝配機器人、噴漆機器人、切削機器人、檢測機器人、采掘機器人、水下機器人人、檢測機器人、采掘機器人、水下機器人圓柱坐標系機器人球坐標型機器人直角坐標型機器人關節(jié)型型機器人仿人關節(jié)型機器人平行四邊形連桿關節(jié)型機器人SCARA型機器人并聯(lián)機器人

6、（d）直角坐標型（a）關節(jié)型（b）球坐標型（c）圓柱坐標型工業(yè)機器人的坐標系PUMA機器人的坐標系（a）基準裝填 （b）坐標系（a）（b）四、工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)四、工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)v額定負載：如抓取力、切削力額定負載：如抓取力、切削力v額定速度：機器人在額定負載、勻速運動過額定速度：機器人在額定負載、勻速運動過程中，機械接口中心的最大速度。程中，機械接口中心的最大速度。v自由度自由度 一般具有四一般具有四六個自由度六個自由度v程序編制與存儲容量程序編制與存儲容量在選用機器人時還應首先考慮其用途在選用機器人時還應首先考慮其用途機器人的工作空間五、五、工業(yè)機器人的控制工業(yè)機器人的控制

7、機器人控制的基本原理機器人控制的基本原理 要使機器人按照人們的要求去完成特定的作業(yè)，需要要使機器人按照人們的要求去完成特定的作業(yè)，需要做下述幾件事情：做下述幾件事情： 告訴機器人要做什么；告訴機器人要做什么； 機器人接受命令，并形成作業(yè)的控制策略；機器人接受命令，并形成作業(yè)的控制策略； 去完成作業(yè)；去完成作業(yè)； 保證正確完成作業(yè)，并通報作業(yè)已完成。保證正確完成作業(yè)，并通報作業(yè)已完成。示教示教控制計算機控制計算機伺服驅動伺服驅動傳感器傳感器機器人控制基本原理框圖機器人控制基本原理框圖六、工業(yè)機器人的機械結構六、工業(yè)機器人的機械結構工業(yè)機器人的機械結構系統(tǒng)由機座、手臂、工業(yè)機器人的機械結構系統(tǒng)由機

8、座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動裝置組成。移動裝置只手腕、末端執(zhí)行器和移動裝置組成。移動裝置只有在工作空間很大時才有。有在工作空間很大時才有。一、工業(yè)機器人的手臂和機座一、工業(yè)機器人的手臂和機座1.液壓驅動圓柱坐標型機器人手臂結構液壓驅動圓柱坐標型機器人手臂結構具有手臂伸縮、回轉和升降三個運動（自由度）具有手臂伸縮、回轉和升降三個運動（自由度） 如圖所示：手臂伸縮運動由液壓缸如圖所示：手臂伸縮運動由液壓缸2驅動，手臂驅動，手臂回轉運動采用擺動液壓馬達回轉運動采用擺動液壓馬達11驅動，在中間機座驅動，在中間機座6的下面配置有升降液壓缸的下面配置有升降液壓缸液壓驅動圓柱坐標型機器人手臂1活塞桿 2

9、液壓缸 3手臂端部 4手臂支架 5導軌 6中間支架 7、9齒輪 8擋塊 10行程開關 11擺動液壓馬達2. 電動機驅動機械傳動圓柱座標機器人手臂電動機驅動機械傳動圓柱座標機器人手臂其手臂的伸縮和回轉運動都是采用雙圓柱導軌導向其手臂的伸縮和回轉運動都是采用雙圓柱導軌導向和直流伺服驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)直線移動和直流伺服驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)直線移動GMF M100型機器人手臂3. PUMA機器人手臂的結構機器人手臂的結構PUMA機器人手臂的結構a)大臂驅動機構 b)小臂驅動機構1、10大臂 2、3、5、6、8、9、14、15齒輪 4、13、16偏心套 7、11驅動電動機 12驅動軸 17小臂 18機座P

10、UMA機器人機座的結構1、3、4、5齒輪 2偏心套 6伺服電動機二、工業(yè)機器人的手腕二、工業(yè)機器人的手腕v手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件。手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件。v功能是實現(xiàn)末端件在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐功能是實現(xiàn)末端件在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)三個旋轉自由度。標，即實現(xiàn)三個旋轉自由度。如圖所示如圖所示:回轉運動（回轉運動（ ）、左右擺動（）、左右擺動（ ）和俯仰運動（和俯仰運動（ ） 手腕的自由度1手臂 2機械接口1. 用擺動液壓馬達驅動實現(xiàn)回轉運動的手腕結構用擺動液壓馬達驅動實現(xiàn)回轉運動的手腕結構夾持動作由活塞完成，一個自由度夾持動作由活塞完成，一個自由度擺動液壓馬達驅動的

11、手腕2. 具有兩個自由度的機械手傳動手腕結構具有兩個自由度的機械手傳動手腕結構手腕的回轉運動手腕的回轉運動 1 1 2 2 ，俯仰擺動，俯仰擺動兩自由度機械傳動手腕1、2、3、12、13軸承 4、5鏈輪 6、7鏈條 8手腕殼體 9、11錐齒輪 10、14軸 15機械接口法蘭盤3. 具有三個自由度的機械手腕結構具有三個自由度的機械手腕結構手爪回轉手爪回轉n7, 手腕偏擺手腕偏擺n10=nT, 手腕俯仰手腕俯仰n9三自由度機械傳動手腕1、2、3、4、5、6、7、11、12、13、14、15齒輪 8手爪 9、10、16殼體偏置三自由度機械傳動手腕a)裝置外觀圖 b)傳動機構簡圖1、2、3、4、7、9

12、齒輪 5機械接口法蘭盤 6殼體 8手腕架4.偏置三自由度機械傳動手腕機構回轉運動俯仰運動俯仰運動偏擺運動偏擺運動 5、三三轉轉軸軸手手腕腕結結構構三軸承手腕a)手腕裝配結構圖 b)手腕傳動結構簡圖1、2、3電動機 4、5、6空心傳動軸 7、8、9、11、13、14齒輪10殼體 12機械接口法蘭三、工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器三、工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器根據(jù)其結構和用途的不同，可以分為機械式夾持根據(jù)其結構和用途的不同，可以分為機械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具（如焊槍、噴器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具（如焊槍、噴嘴、電磨頭等）。嘴、電磨頭等）。（一）機械式夾持器的結構（一）機械式夾持器的結構機械式

13、夾持器多為雙指爪式，其手指的運動為平機械式夾持器多為雙指爪式，其手指的運動為平移或回轉（單點支承或雙點支承）移或回轉（單點支承或雙點支承）機械式夾持器a)單支點回轉型 b)雙支點回轉型c)平移型 d)內撐型1.楔楔塊塊杠杠桿桿回回轉轉型型夾夾持持器器楔快杠桿式回轉型夾持器1杠桿 2彈簧 3滾子 4楔快 5驅動器2.滑滑槽槽杠杠桿桿式式回回轉轉型型夾夾持持器器滑槽杠桿式回轉型夾持器1支架 2桿 3圓柱銷 4杠桿3.連連桿桿杠杠桿桿式式回回轉轉夾夾持持器器由桿由桿1、連桿連桿2、擺動爪擺動爪3和夾持件構和夾持件構成四桿機構成四桿機構連桿杠桿式回轉型夾持器1桿 2連桿 3擺動鉗爪 4調整墊片4. 由

14、齒輪齒平行連桿式夾持器由齒輪齒平行連桿式夾持器 齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器1扇形齒輪 2齒條桿 3電磁式驅動器 4機座 5、6連桿 7鉗爪5. 左右旋絲桿平移型夾持器左右旋絲桿平移型夾持器左右旋絲杠平移型夾持器1電動機 2絲杠 3導軌 4鉗爪桿6. 內撐式連桿杠桿式夾持器內撐式連桿杠桿式夾持器內撐連桿杠桿式夾持器1驅動器 2桿 3鉗爪(二二) 吸附式末端執(zhí)行器的結構吸附式末端執(zhí)行器的結構吸附式末端執(zhí)行器（又稱為吸盤），吸附式末端執(zhí)行器（又稱為吸盤），有氣吸式和磁吸式兩種。它們分別利用吸有氣吸式和磁吸式兩種。它們分別利用吸盤內負壓產(chǎn)生的吸力或由磁力來吸住并移盤內負壓產(chǎn)生的吸力或由磁力來吸住并

15、移動工件的。動工件的。e)擠壓排氣式b)真空泵排氣式a)氣流負壓式c)特殊吸盤d)雙吸盤式吸頭1壓蓋2密封蓋3吸盤4工件磁吸式吸盤1繞組 2鐵心 3工件 4內盤體5隔磁物 6外盤面 7盤體工業(yè)機器人的應用：工業(yè)機器人的應用：機器人裝配生產(chǎn)線柔性加工中的機器人車削加工單元中的機器人柔性加工系統(tǒng)中的機器人1拉床 2車床 3插齒機 4剃齒機 5塔式儲存架 6機器人 7去毛刺機裝配系統(tǒng)中的機器人1機器人 2、3、5、6、7、8、9軸承、軸、套、墊圈、法蘭、螺母和產(chǎn)品傳送帶 4壓力機裝配系統(tǒng)中的雙臂機器人17固定式電視攝像機 8可轉式電視攝像機 9抓握手臂10感知手臂 1113吸塵器零部件 14吸塵器裝

16、配成品焊接作業(yè)系統(tǒng)的機器人1機器人 2傳送帶 3汽車殼體噴漆作業(yè)系統(tǒng)中的機器人1工裝板 2循環(huán)拖動鏈條 3工件識別站 4工件 5行程開關 6直角坐標機器人 7、8、9、10垂直關節(jié)機器人核工業(yè)中的步行機器人9.4 機電一體化設計實例機電一體化設計實例一、設計任務書一、設計任務書為簡易型機械手設計自動控制方案，要求采為簡易型機械手設計自動控制方案，要求采用可編程控制器控制。用可編程控制器控制。 二、二、控制要求與控制方案控制要求與控制方案 控制要求控制要求機械手自動操作完成將工件由機械手自動操作完成將工件由A，點移向，點移向B點點的動作，其示意圖如圖的動作，其示意圖如圖10-4所示。所示。 機械

17、手每機械手每個工作臂上都有上、下限位和左、右限位開關，個工作臂上都有上、下限位和左、右限位開關，而其夾持裝置不帶限位開關。一旦夾持開始，定而其夾持裝置不帶限位開關。一旦夾持開始，定時器起動，定時結束，夾持動作隨即完成。機械時器起動，定時結束，夾持動作隨即完成。機械手到達手到達B點后，將工件松開的時間也是由定時器點后，將工件松開的時間也是由定時器控制的，定時結束時，表示工件已松開?？刂频?，定時結束時，表示工件已松開。 機械手的動作要求示意圖（2）控制方案）控制方案圖10-5 機械手控制I/O分配圖X12X7X5X10X6X11X25X26X27X22X23X20X24X1X2X3X4S1S2S3

18、S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S16S17夾緊放松上升下降右移左移原點起動停止單步運行單周期手動自動下限位上限位右移限位左移限位V0V1V2V3V4驅動機械手下降驅動機械手夾緊驅動機械手上升驅動機械手右移驅動機械手左移圖10-6 自動控制流程圖X26起動按鈕X1下限位開關T0夾緊用定時器X2上限位開關下限位開關X3右移位開關X1下限位開關T1下限位開關X2上限位開關原始狀態(tài)初始脈沖第一次下降夾緊第一次上升右移第二次下降放松第二次上升左移用于通斷外部負載的電源的按鈕用于通斷外部負載的電源的按鈕圖圖l0-8 機械手控制的操作面板機械手控制的操作面板 PB停止停止X27 PB起動起動X26原點原點PBX35上升上升PBX5單步運行單步運行 X22回原點回原點X21單周期單周期X23手動手動X20自動自動X24左移左移PBX6放松放松PBX7原點原點PBX35原點原點PBX35原點原點PBX35起動起動PB急停急停PB圖圖10-7 狀態(tài)轉移圖狀態(tài)轉移圖初始化電路初始化電路左移限位原點位置條件原點位置條件手動方式手動方式初始狀態(tài)初始狀態(tài)上升復位“下降”輸出放松左移限位下降輸入S1回原點初始狀態(tài)上升結束M8044放松S27S20X201STM8000上限位MANUAL OPERATION夾緊自動運行自動運行RUN監(jiān)控X12夾緊輸入初始狀態(tài)S0X7 放