Transcript 典型机电一体化系统
第九章 典型机电一体化系统 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。 9.1 CNC机床 零 件 图 纸 数 控 程 序 编 制 机床本体 数 控 介 质 数 控 装 置 伺 服 机 构 执 行 元 件 执 行 机 构 位置检测装置 图9-l CNC机床加工过程原理 零 件 成 品 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9-3 JCS-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 （a）关节型 （c）圆柱坐标型 （b）球坐标型 （d）直角坐标型 工业机器人的坐标系 （a） （b） PUMA机器人的坐标系 （a）基准装填 （b）坐标系 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 机器人控制基本原理框图 传感器 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 GMF M——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 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β 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 5、 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。 a)气流负压式 b)真空泵排气式 c)特殊吸盘 1—压盖 2—密封盖 3—吸盘 4—工件 d)双吸盘式吸头 e)挤压排气式 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 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 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 初始脉冲 原始状态 X12 X7 X5 X10 X6 X11 X25 X26 X27 X22 X23 X20 X24 X1 X2 X3 X4 V0 V1 V2 V3 V4 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 X26起动按钮 第一次下降 X1下限位开关 夹紧 T0夹紧用定时器 第一次上升 X2上限位开关下 右移 限位开关 X3右移位开关 第二次下降 X1下限位开关 放松 T1下限位开关 第二次上升 X2上限位开关 左移 图10-5 机械手控制I/O分配图 图10-6 自动控制流程图 单步运行 X22 原点PB X35 单周期 X23 回原点 X21 手动 X20 上升PB X5 左移PB X6 自动 X24 放松PB X7 起动 PB PB 起动X26 急停 原点PB X35 原点PB X35 原点PB X35 PB 停止X27 PB 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 自动运行 原点位置条件 初始化电路 X12夹紧输入 S2 Y1 S0 X7 放松输入 M8044 上限位 左移限位 手动方式 初始状态 放松 RST X5 上升输入 Y0 下降输入 初始状态 1ST S20 X20 S27 X6 RUN监控 MANUAL OPERATION 夹紧 Y0 X2 Y3 X2 Y4 左移输入 X11 SET 右移输入 Y2 Y2 X10 M8000 Y1 下降 原点位置条件 S20 Y4 左移 Y3 右移 T0 上升 结束 S11 放松 RST Y0 复位“下降”输出 Y2 RST Y3 右移 Y0 下降 RST S25 T1 T1 S26 左移限位 Y1 放松 K10 SET M8043 RST S12 S27 X4 回原点结束 图10-7 状态转移图 Y2 上升 Y4 左移 上升结束 X2 S12 Y3 下降限位 X1 复位“右移”输出 上升 左移 Y4 X4 S24 上升 K10 右移限位 X3 Y1 夹紧 上限位 S23 RST Y1 Y2 S22 X2 X25 X2 SET T0 上限位 下降 下限位 X1 回原点初始状态 S10 Y0 S21 ZERO RETURN S1 状态转移开始 M8044 M8041 上升 自动方式 初始状态 左移限位