機電系統(tǒng)設計_08

1、第八章 典型機電一體化系統(tǒng)81 CNC機床一、概述 計算機數(shù)控（CNCComputer Numericaled Control）機床是一種由計算機或?qū)Ｓ秒娮佑嬎阊b置控制的高效自動化機床。它綜合應用了計算機技術(shù)、自動控制、精密測量(cling)和機械設計等方面的最新成就，是典型的機電一體化產(chǎn)品，是機床發(fā)展的必然趨勢。數(shù)控機床發(fā)展至今，已經(jīng)經(jīng)歷了從電子管數(shù)控、晶體管數(shù)控、集成電路數(shù)控、計算機數(shù)控到微型計算機數(shù)控等五代演變。1共三十三頁機械加工中心（MCMachining Center） 能夠自動更換刀具(doj)的 高度自動化的計算機數(shù)控機床柔性制造單元（FMCFlexible Manufa- c

2、turing Cell） 柔性制造系統(tǒng)（FMSFlexible Manufactur- ing System）自動化工廠（FAFactory Automation）2共三十三頁在機械加工中心上加工零件所涉及的技術(shù)范圍比較廣，與相應的配套技術(shù)有密切關(guān)系。對于一個合格的編程員來說首先應該是一個很好的工藝員，應熟練掌握零件的工藝設計(shj)和切削用量的選擇，并能提出正確刀具方案和夾具方案，懂得刀具測量方法，了解機床的性能和特點，熟悉程序編制和輸入方式。 3共三十三頁CNC機床（或加工中心）加工時需要(xyo)考慮的問題 4共三十三頁二、CNC機床分類 CNC機床的種類很多，歸納起來可用以下幾種方法

3、分類。 1按工藝用途(yngt)分類 （1）一般數(shù)控機床。和傳統(tǒng)的通用機床相似，有數(shù)控車、銑、鏜、鉆、磨、插齒、滾齒等機床。 （2）帶自動換刀裝置的機械加工中心（MC）。 （3）多坐標數(shù)控機床。有些形狀復雜的零件（例如螺旋漿）用三坐標的數(shù)控機床還是難于加工，為此出現(xiàn)了多坐標的數(shù)控機床，其特點是數(shù)控裝置控制的軸數(shù)較多，機床結(jié)構(gòu)也比較復雜。5共三十三頁 2按刀具相對工件移動的軌跡分類（1）點位控制數(shù)控機床在移動過程中不進行任何加工 數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控鉆床和數(shù)控沖床等。（2）點位直線控制數(shù)控機床可以沿一個坐標軸的方向進行切削(qixio)加工 簡易數(shù)控車床、數(shù)控銑床和自動換刀數(shù)控銑床等。（3）輪廓控

4、制數(shù)控機床能夠同時對兩個或兩個以上的坐標軸進行連續(xù)軌跡控制 有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控銑床及銑削加工中心等。6共三十三頁 三、機械加工中心（MC） 1機械加工中心的技術(shù)發(fā)展動向 FMS是以車間進行統(tǒng)一控制為目標的工廠自動化的第一個階段，它包括前面所講的搬送工件或工具的無人搬送小車以及 CADCAM系統(tǒng)、自動倉庫等的管理。目前，MC的自動化功能正朝著由微機控制實現(xiàn)自動定心（調(diào)整）、異常情況的自動監(jiān)視、自動檢測的方向發(fā)展。隨著直流（交流）伺服電機的發(fā)展和普及，以及切削(qixio)刀具的進步，逐步降低切削(qixio)力、提高電機功率、實現(xiàn)超高速加工，進而提高生產(chǎn)率。7共三十三頁 2機械加工中心(

5、zhngxn)的構(gòu)成機械加工中心構(gòu)成 （日本FHN100T機械加工中心）（1）數(shù)控 X、Y、Z三個移動裝置。（2）能夠進行工件多面加工的回轉(zhuǎn)工作臺。（3）自動換刀裝置（ATC）。（4）CNC控制器。8共三十三頁機械加工中心(zhngxn)規(guī)格9共三十三頁3機床機械裝置（1）床身、工作臺 立柱。（2）回轉(zhuǎn)工作臺（3）主軸頭（4）自動換刀 裝置（ATC）（5）隨行(su xn)夾具 更換裝置（6）立式加工設備。 10共三十三頁 4.CNC系統(tǒng)控制電路中采用了高速(o s)微處理器及許多專用大規(guī)模集成電路。它以順序控制為主，實現(xiàn)接觸式傳感功能。管理功能、自適應功能，利用工具碼（T碼）選擇工具，利用速

6、度碼（S碼）進行主軸轉(zhuǎn)速控制，以及回轉(zhuǎn)工作臺的分度控制等。11共三十三頁CNC系統(tǒng)功能 （1）接觸式傳感器功能自動定心功能刀具折損(sh sn)檢測功能縮短空切時間功能 X、Y、Z軸基準面校正功能自動檢測校正系統(tǒng) （2）管理功能刀具的壽命管理備用刀具的自動更換功能監(jiān)視功能和故障診斷功能（3）自適應控制（AC）功能 12共三十三頁82工業(yè)機器人 一、工業(yè)機器人的組成與分類 工業(yè)機器人（Industrial Robot）是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置，是具有發(fā)展前途的機電一體化典型(dinxng)產(chǎn)品，將在實現(xiàn)柔性自動化生

7、產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、代替人在惡劣環(huán)境條件下工作中發(fā)揮重大作用。13共三十三頁 1工業(yè)機器人的組成 工業(yè)機器人一般應由機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測傳感系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等組成。 （1）機械系統(tǒng)。機械系統(tǒng)是完成(wn chng)抓取工件（或工具）實現(xiàn)所需運動的機械部件，包括以下幾個部分： 手部：是工業(yè)機器人直接與工件或工具接觸用來完成握持工件（或工具）的部件。有些工業(yè)機器人直接將工具（如焊槍、噴槍、容器）裝在手部位置，而不再設置手部。 腕部：是聯(lián)接手部與臂部的部件，主要用來確定手部工作方位、姿態(tài)并適當擴大臀部動作范圍。 臂部：是支承腕部、手部、實現(xiàn)較大范圍運動的部件。 機身：是用來支承臂部、安

8、裝驅(qū)動裝置及其它裝置的部件。 行走機構(gòu)：是擴大工業(yè)機器人活動范圍的機構(gòu)，有的是專門的行走裝置，有的是軌道，滾輪機構(gòu)。14共三十三頁 （2）驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)的作用是向執(zhí)行元件提供動力。隨驅(qū)動源不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式有液動式、氣動式、電動式和機械式四種。 （3）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是工業(yè)機器人的指揮系統(tǒng)。它控制工業(yè)機器人按規(guī)定的程序運動?？捎洃浉鞣N指令信息（如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間等），同時按指令信息向各執(zhí)行元件發(fā)出指令。必要時還可對機器人動作進行監(jiān)視，當動作有誤或發(fā)生故障時即發(fā)出警報信號。 （4）檢測傳感系統(tǒng)。它主要檢測工業(yè)機器人執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置(wi zhi)、狀態(tài)，并隨時將執(zhí)

9、行系統(tǒng)的實際位置(wi zhi)反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置(wi zhi)進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整。從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達到設定位置(wi zhi)狀態(tài)。 （5）人工智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要賦予工業(yè)機器人五感功能，以實現(xiàn)機器人對工件的自動識別和適應性操作。15共三十三頁 2.工業(yè)機器 人的分類（a）直角坐標(zh jio zu bio)型（b）圓柱坐標型（c）極坐標型（d）SCARA型（e）多關(guān)節(jié)型16共三十三頁 二、工業(yè)機器人系統(tǒng)組成實例分析 1SCARA型機器人（即裝配機器人）(Selective Compliance Assembly Robot Arm) 具有選擇順應性

10、的裝配機器人手臂 這種機器人在 水平方向具有順應 性，而在垂直方向 則具有很大的剛性， 最適合于裝配作業(yè) 使用(shyng)。它有大臂回 轉(zhuǎn)、小臂回轉(zhuǎn)、腕 部升降與回轉(zhuǎn)四個 自由度。17共三十三頁裝配40火花(huhu)式電雷管 18共三十三頁機器人完成的工作是：將導電帽彈簧(tnhung)組合件裝在雷管體上；將小螺釘擰到雷管體上，把導電帽、彈簧組合件和雷管體聯(lián)成一體；檢測雷管體外徑、總高度及雷管體與導電帽之間是否短路。裝配前雷管體倒立在10行X10列的料盤5上，彈簧與導電帽的組合件插放在另一個10行X10列的料盤6上，小螺釘散放在振動料斗8中，裝配好的成品放在 10行X10列料盤 7上。機器

11、人在裝配點的重復定位精度可達上0.05mm，電雷管重約100g，一次裝配過程約需20s 。19共三十三頁（1）總體(zngt)結(jié)構(gòu) 20共三十三頁（2）驅(qū)動(q dn)系統(tǒng)。 21共三十三頁（3）控制(kngzh)、檢測傳感系統(tǒng) 22共三十三頁（4）微機(wi j)組成。 主控制器CMC80微型計算機23共三十三頁 2BJDP1型機器人 該機器人為全電動式、五自由度、具有連續(xù)軌跡控制等功能(gngnng)的多關(guān)節(jié)型示教再現(xiàn)型機器人，用于高噪聲、高粉塵等惡劣環(huán)境的噴砂作業(yè)。24共三十三頁（1）機器人本體(bnt)五個自由度立柱回轉(zhuǎn)（L）大臂回轉(zhuǎn)（D）小臂回轉(zhuǎn)（X）腕部俯仰（W1）腕部轉(zhuǎn)動（W2）

12、25共三十三頁 （2）控制（驅(qū)動(q dn)與檢測）系統(tǒng)微型計算機接口電路速度控制單元位置檢測電路示教盒26共三十三頁（3）機器人規(guī)格(gug)參數(shù) 27共三十三頁（4）控制算法簡介關(guān)節(jié)坐標到直角坐標(zh jio zu bio)的正變換 28共三十三頁 x(-LSSACB+ L4CAL3C3+L2S2)C1+L5S1SB y(-LSSACB+L4CA+L3C3+L2S2)S1-L5C1SB z-L5CACB-L4SA-L3S3+ L2C2 A3+4 B4-5式中 Ci=cosi，Si=sini（i=1,5,A,B） Li（i=2,5）各臂桿長度(chngd)29共三十三頁 直線插補 運動增量 位置(wi zhi)與增量的逆變換數(shù)字PID 30共三十三頁31共三十三頁32共三十三頁內(nèi)容摘要第八章 典型機電一體化系統(tǒng)。能夠自動更換刀具的。CNC機床（或加工中心）加工時需要考慮的問題。（1）點位控制數(shù)控機床在移動過程中不進行任何加工。（2）點位直線控制數(shù)控機床可以沿一個坐標軸的方向進行切削加工。簡易數(shù)控車床、數(shù)控