《機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)》 課件 第7章 典型機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)分析

第7章典型機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)分析7.1了解數(shù)控機床7.2了解工業(yè)機器人7.3了解汽車ABS系統(tǒng)7.4了解汽車自動變速器7.5柔性制造系統(tǒng)簡介知識目標：能力目標：(1)?了解典型的機電一體化設(shè)備或產(chǎn)品的基本工作原理；(2)?了解機電一體化技術(shù)在典型產(chǎn)品中的作用；(3)?理解機電一體化系統(tǒng)組成要素的作用。(1)?能識別出機電一體化設(shè)備或產(chǎn)品，區(qū)分出其系統(tǒng)組成要素；(2)?能分析出相關(guān)技術(shù)在機電一體化設(shè)備或產(chǎn)品中的作用；(3)?會簡單分析機電一體化設(shè)備或產(chǎn)品的工作過程。案例導(dǎo)入：

各種復(fù)雜零件不斷涌現(xiàn)(如圖7-1所示)，伴隨而生的是對各種新型材料、加工方法、工藝的要求不斷提高，而傳統(tǒng)的加工設(shè)備已無法滿足這些構(gòu)件的加工需求，故數(shù)控機床就應(yīng)運而生了。7.1了解數(shù)控機床（1）數(shù)控技術(shù)：即NC(NumericalControl)技術(shù)，是指用數(shù)字化信息(數(shù)字量及字符)發(fā)出指令并實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。1.?數(shù)控機床的發(fā)展及其基本原理1)?數(shù)控機床的發(fā)展1952年，麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)明了是世界上第一臺數(shù)控機床。（2）數(shù)控機床發(fā)展方向

現(xiàn)代數(shù)控機床正在向高速度、高精度、高可靠性、高一體化、網(wǎng)絡(luò)和智能化等方向發(fā)展。

從數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島)、體(CIMS，即分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展。2)?數(shù)控機床的基本原理

數(shù)控機床(NumericalControlMachineTools)：是指采用數(shù)字控制技術(shù)對機床加工過程進行自動控制的一類機床。

簡而言之，數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。2.?數(shù)控機床的構(gòu)成

數(shù)控機床的原理框圖如圖7-3所示，實物結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。

從上述圖示可見，數(shù)控機床的基本組成部分有：機床本體、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動裝置、檢測裝置、輔助控制裝置、計算機數(shù)控裝置等。1)?機床本體

主要由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。機床本體2)?輸入/輸出裝置

輸入裝置的作用是將程序載體(信息載體)上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。輸入裝置可以是面板鍵盤等。

數(shù)控機床加工程序可通過鍵盤用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)，也可由編程計算機串行口或網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。3)?驅(qū)動、執(zhí)行和位置檢測裝置

驅(qū)動裝置接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴格按照指令信息的要求驅(qū)動機床移動部件，以加工出符合設(shè)計要求的零件。

驅(qū)動裝置包括控制器(含功率放大器)和執(zhí)行機構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機作為執(zhí)行機構(gòu)。

位置檢測裝置將數(shù)控機床各坐標軸的實際位移量檢測出來，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來的實際位移量值與設(shè)定值進行比較，控制驅(qū)動裝置按照指令設(shè)定值運動。編碼器4)?輔助控制裝置

輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開關(guān)量指令信號，經(jīng)過編譯、邏輯判別和運動，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動相應(yīng)的電器，帶動機床的機械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關(guān)量動作。

可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床的輔助控制裝置中。5)?計算機數(shù)控裝置

數(shù)控裝置又稱CNC單元，由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成，是數(shù)控機床的核心。

數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接收輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進行編譯、運算、譯碼、插補、邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行部件進行規(guī)定的有序運動和動作。(1)?什么是“插補”。

插補:就是在線段的起點和終點坐標值之間進行“數(shù)據(jù)點的密化。(2)?程序編制及程序載體。

①數(shù)控程序

數(shù)控程序：是數(shù)控機床自動加工零件的工作指令。

編制程序的工作可由人工進行；對于形狀復(fù)雜的零件，則要在專用的編程機或通用計算機上進行自動編程(APT)或CAD/CAM設(shè)計。②程序載體

編好的數(shù)控程序存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲載體上，它可以是磁盤、U盤等，采用哪一種存儲載體，取決于數(shù)控裝置的設(shè)計類型。

圖7-5所示為數(shù)控機床各組成部分工作示意圖，從圖中可以清晰地了解數(shù)控機床的工作原理。案例導(dǎo)入：

不知疲倦的汽車裝配機器人就是工業(yè)機器人的一種。那么，什么是工業(yè)機器人呢？它是不是符合機電一體化設(shè)備的特征呢？1.?什么是工業(yè)機器人1)?機器人定義

機器人：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?)機器人分類

機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的機器人。

特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的，用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人。包括服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器。7.2了解工業(yè)機器人機器人工業(yè)機器人特種機器人服務(wù)機器人水下機器人娛樂機器人軍用機器人農(nóng)業(yè)機器人機器人化機器2)機器人分類3)?工業(yè)機器人定義

工業(yè)機器人定義：就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人。

工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分為編程輸入型和示教輸入型兩類。

示教輸入型機器人的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器。另一種是由操作者直接引導(dǎo)執(zhí)行機構(gòu)。2.?工業(yè)機器人的分類

工業(yè)機器人的分類方法很多，按結(jié)構(gòu)與運動形式可分為以下幾類：1)?直角坐標機器人

直角坐標機器人在空間上具有多個相互垂直的移動軸，常用的是3個軸。2)?柱面坐標機器人

柱面坐標機器人的運動空間位置是由基座回轉(zhuǎn)、水平移動和豎直移動形成的，其作業(yè)空間呈圓柱體，如圖7-12所示。3)?球面坐標機器人

球面坐標機器人的空間位置機構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)基座、擺動軸和平移軸構(gòu)成，具有2個轉(zhuǎn)動和1個移動自由度，其作業(yè)空間是球面的一部分，如圖7-13所示。4)?多關(guān)節(jié)型機器人

多關(guān)節(jié)型機器人由多個回轉(zhuǎn)和擺動(或移動)機構(gòu)組成。按旋轉(zhuǎn)方向可分為水平多關(guān)節(jié)機器人和垂直多關(guān)節(jié)機器人。(1)?水平多關(guān)節(jié)機器人

這類機器人是由多個豎直回轉(zhuǎn)機構(gòu)構(gòu)成的，沒有擺動或平移，手臂均在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，其作業(yè)空間為圓柱體，如圖7-14所示。(2)垂直多關(guān)節(jié)機器人

這類機器人是由多個擺動和回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成的，其作業(yè)空間近似一個球體，如圖7-15所示。5)?并聯(lián)型機器人

并聯(lián)型機器人的基座和末端執(zhí)行器之間通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，如圖7-16所示。并聯(lián)機構(gòu)具有兩個或兩個以上的自由度，且是一種閉環(huán)機構(gòu)。

相對于并聯(lián)型機器人而言，只有一條運動鏈的機器人稱為串聯(lián)機器人。3.?工業(yè)機器人的構(gòu)成

工業(yè)機器人一般由主體(手臂、手腕等)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制器及傳感器等組成，如圖7-17所示。（1）機器人手臂：機械本體（2）驅(qū)動系統(tǒng)：為機器人各運動部件提供力、力矩、速度、加速度。（3）控制器：用于控制機器人各運動部件的位置、速度和加速度。（4）傳感器：用于識別外部環(huán)境，并將傳感信號輸入控制器，作為控制器的控制依據(jù)。案例導(dǎo)入：

沒有ABS系統(tǒng)的車輛，緊急制動時由于前輪被抱死無法正常轉(zhuǎn)向，會直直地沖向障礙物。而有ABS系統(tǒng)的車輛，在緊急制動時，可靈活地轉(zhuǎn)向，這樣就避開了障礙物。7.3了解汽車ABS系統(tǒng)1.?ABS系統(tǒng)的工作原理ABS(Anti-lockBrakingSystem)系統(tǒng)在車輛上的安裝位置如圖7-19所示。ABS系統(tǒng)的原理構(gòu)成如圖7-20所示。ABS系統(tǒng)按上述“壓力降低-壓力保持-壓力上升-壓力保持-壓力下降”循環(huán)反復(fù)將車輪滑移率控制在Sp附近的狹小范圍內(nèi)，以獲得最佳的制動效能和制動時的方向穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)向操縱能力。(1)?常規(guī)制動。

如圖7-20所示，踩下制動踏板，ABS尚未工作時，兩電磁閥均不通電，進油電磁閥處于開啟狀態(tài)，出油電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，制動輪缸與低壓儲液器隔離，與主缸相通。制動主缸里的制動液被推入輪缸產(chǎn)生制動。(2)?壓力保持。

如圖7-20所示，當ABS的ECU通過輪速傳感器檢測到車輪的減速度達到設(shè)定值時，使進油電磁閥通電關(guān)閉，出油電磁閥仍處于斷電關(guān)閉狀態(tài)，輪缸里的制動液處于不流通狀態(tài)，制動壓力保持。(3)?壓力減小。

如圖7-20所示，當ABS的ECU通過輪速傳感器檢測到車輪趨于抱死時，進、出油電磁閥均通電，輪缸與低壓儲液器相通，輪缸里的制動液在制動蹄復(fù)位彈簧作用下流到低壓儲液器，制動壓力減小。同時電動回油泵通電運轉(zhuǎn)及時將制動液泵回主缸，踏板有回彈感。當制動壓力減小到車輪的滑移率在設(shè)定范圍內(nèi)時，進油閥通電，出油閥斷電，壓力保持。(4)?壓力增高。

如圖7-20所示，當ABS的ECU通過輪速傳感器檢測到車輪的加速度達到設(shè)定值時，進、出電磁閥均斷電，進油閥開啟，出油閥關(guān)閉，同時回油泵通電，將低壓儲液器的制動液泵到輪缸，制動壓力增加。2.?ABS系統(tǒng)的構(gòu)成1)?ABS系統(tǒng)的構(gòu)成ABS的主要元件如圖7-21所示。ABS的主要組成部分如下：(1)?常規(guī)液壓制動系統(tǒng)。(2)?輪速傳感器。(3)?電子控制單元(ECU)。(4)?制動壓力調(diào)節(jié)器。(5)?警告燈。2)?電子控制單元(ECU)（1）ABS電子控制單元(ECU)功用：是接受輪速傳感器及其它傳感器輸入的信號，進行放大、計算、比較，按照特定的控制邏輯，分析判斷后輸出控制指令，控制制動壓力調(diào)節(jié)器執(zhí)行壓力調(diào)節(jié)任務(wù)。（2）ABS的ECU主要包括：輸入級電路、計算電路、輸出級電路及安全保護電路。ABSECU案例導(dǎo)入：

汽車變速器是一套用于協(xié)調(diào)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和車輪的實際行駛速度的變速裝置，用于發(fā)揮發(fā)動機的最佳性能。

汽車變速器可分為手動變速器(俗稱手動擋)和自動變速器(俗稱自動擋)。

圖7-22所示為不同類型的變速器操縱裝置。1.?自動變速器基本原理（1）自動變速器種類目前，汽車自動變速器常見的主要有4種形式，分別是：

①

液力自動變速器(AT)。

②

機械無級自動變速器(CVT)。

③

電控機械自動變速器(AMT)。

④

雙離合器自動變速器(DualClutchTransmission，DCT)。7.4了解汽車自動變速器（2）液力自動變速器的工作位置

目前轎車普遍使用的是液力自動變速器AT(圖7-23所示為其工作位置)。（3）液力自動變速器工作原理

電控液力自動變速器是在液力自動變速器基礎(chǔ)上增設(shè)電子控制系統(tǒng)而形成的。電控單元根據(jù)信號，通過電磁閥控制液壓控制系統(tǒng)的換擋閥，實現(xiàn)自動變速。2.?液力自動變速器的主要構(gòu)成

液力自動變速器主要由液力變矩器、行星齒輪和液壓(電氣)操縱系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖7-25所示。1)?液力變矩器

液力變矩器位于自動變速器的最前端，安裝在發(fā)動機的飛輪上，其作用與采用手動變速器的汽車中的離合器相似。液力變矩器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖7-26所示。2)?變速齒輪機構(gòu)(行星齒輪)

目前絕大多數(shù)轎車自動變速器中的齒輪變速器采用的是行星齒輪式變速器，如圖7-25所示。

自動變速器行星齒輪機構(gòu)是自動變速器的重要組成部分之一，主要由太陽輪(也稱中心輪)、內(nèi)齒圈、行星架和行星齒輪等元件組成。行星齒輪機構(gòu)是實現(xiàn)變速的機構(gòu)，速比的改變是通過以不同的元件作主動件和限制不同元件的運動而實現(xiàn)的。3)?液壓操縱系統(tǒng)(1)?供油系統(tǒng)。

自動變速器的供油系統(tǒng)主要由油泵、油箱、濾清器、調(diào)壓閥及管道組成。(2)?自動換擋控制系統(tǒng)。

自動變速器的自動換擋控制系統(tǒng)有液壓控制和電液壓(電子)控制兩種。

液壓控制系統(tǒng)由閥體和各種控制閥及油路組成，閥門和油路設(shè)置在一個板塊內(nèi)，稱為閥體總成。

在液壓控制系統(tǒng)中，增設(shè)控制某些液壓油路的電磁閥，就成了電器控制的換擋控制系統(tǒng)，若這些電磁閥是由電子計算機控制的，則成為電子控制的換擋系統(tǒng)。(3)?換擋操縱機構(gòu)。

自動變速器的換擋操縱機構(gòu)包括手動選擇閥的操縱機構(gòu)和節(jié)氣閥的操縱機構(gòu)等。案例導(dǎo)入：

為了同時提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，最終使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)相抗衡，柔性制造技術(shù)便應(yīng)運而生。1.?柔性制造技術(shù)1)?柔性制造技術(shù)的定義

（1）柔性：是指一個制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力。（2）柔性制造：即通過自動化柔性制造系統(tǒng)(FMS)進行不同形狀、不同種類工件的制造，其技術(shù)總和稱為柔性制造技術(shù)。（3）柔性制造技術(shù)：是建立在數(shù)控設(shè)備應(yīng)用基礎(chǔ)上的，正在隨著制造企業(yè)技術(shù)進步而不斷發(fā)展的新興技術(shù)，是一種主要用于多品種、中小批量或變批量生產(chǎn)的制造自動化技術(shù)。2)?柔性制造技術(shù)的發(fā)展FMS已成為當今乃至今后若干年機械制造自動化發(fā)展的重要方向，對機械制造企業(yè)重構(gòu)和改造也起著重要作用。7.5柔性制造系統(tǒng)簡介2.?柔性制造技術(shù)的分類1)?柔性制造單元(FMC)

柔性制造技術(shù)按規(guī)模大小可劃分為：柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性制造線(FML)、柔性制造工廠(FMF)四類。

柔性制造單元(Flexibl