第6章 典型机电一体化系统

1、第第6章典型机电一体化系统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机电一体化产品种类繁多，按产品的功能划分为以下几类: : 数控机械类数控机械类 数控机床、工业机器人。其特点为执行数控机床、工业机器人。其特点为执行 机构是机械装置。机构是机械装置。 电子设备类电子设备类 线切割加工机床、超声波缝纫机。其特线切割加工机床、超声波缝纫机。其特 点为执行机构是电子装置。点为执行机构是电子装置。 机电结合类机电结合类 自动探伤机、自动探伤机、CTCT扫描仪、自动售货机等。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。其特点为执行机构是机械和电子装置

2、的有机结合。 电液伺服类电液伺服类 液压伺服马达。其特点为执行机构是液液压伺服马达。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。压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。 信息控制类信息控制类 复印机、传真机等办公自动化设备。主复印机、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。要特点为执行机构的动作完全由所接收的信息类控制。 6.1 CNC机床机床 数数 控控 程程 序序 编编 制制 零零 件件 图图 纸纸 数数 控控 介介 质质 数数 控控 装装 置置 伺伺 服服 机机 构构 执执 行行 元元 件件 执执 行行 机机

3、构构 零零 件件 成成 品品 机床本体机床本体 位置检测装置位置检测装置 图图6-l CNC机床加工过程原理机床加工过程原理 CNC(或加工中心)加工工艺过程 6.2 机械加工中心机械加工中心 1-X轴的直流伺服电动机；轴的直流伺服电动机；2-换刀机械手；换刀机械手；3-数控柜；数控柜；4-盘式刀库；盘式刀库；5-主轴箱；主轴箱；6- 机床操作面板；机床操作面板；7-驱动电源柜；驱动电源柜；8-工作台；工作台；9-滑座；滑座；10-床身床身 图图6-3 JCS-018A立式加工中心立式加工中心 加工中心的技术发展方向加工中心的技术发展方向 ： 高精、高速、高效的加工高精、高速、高效的加工 高可

4、靠性高可靠性 加强标准化和开放性加强标准化和开放性 网络数控网络数控 智能化智能化 6.3工业机器人工业机器人 一、工业机器人概述一、工业机器人概述 v机器人：模仿人的机器机器人：模仿人的机器 v工业机器人：用于生产的机器人工业机器人：用于生产的机器人 v诞生于诞生于20世纪世纪60年代年代 v工作原理：通过机器人操作机上各构件的运动，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。自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。 二、二、 工业机器人系统结构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

5、器人的组成 三、工业机器人的分类三、工业机器人的分类 v按机械结构和代表性的自由度构成可分成五种：按机械结构和代表性的自由度构成可分成五种： 圆柱坐标型机器人；圆柱坐标型机器人； 球坐标型机器人；球坐标型机器人； 直角坐标型机器人；直角坐标型机器人； 关节型机器人；关节型机器人； 并联机器人。并联机器人。 v按用途和作业类别分：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、水下机器人人、检测机器人、采掘机器人、水下机器人 圆

6、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四、工业机器人的主要技术参数 v额定负载：如抓取力、切削力额定负载：如抓取力、切削力 v额定速度：机器人在额定负载、匀速运动过额定速度：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。程中，机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个自由度六

7、个自由度 v程序编制与存储容量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、五、工业机器人的控制工业机器人的控制 机器人控制的基本原理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：做下述几件事情： 告诉机器人要做什么；告诉机器人要做什么； 机器人接受命令，并形成作业的控制策略；机器人接受命令，并形成作业的控制策略； 去完成作业；去完成作业； 保证正确完成作业，并通报作业已完成。保证正确完成作业，并通报作业已完成。 示教示教控制计算机控制计算机伺服驱

8、动伺服驱动 传感器传感器 机器人控制基本原理框图机器人控制基本原理框图 六、工业机器人的机械结构六、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、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。有在工作空间很大时才有。 一、工业机器人的手臂和机座一、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）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如图所示：手臂伸缩运动由

9、液压缸2驱动，手臂驱动，手臂 回转运动采用摆动液压马达回转运动采用摆动液压马达11驱动，在中间机座驱动，在中间机座 6的下面配置有升降液压缸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和直流伺服驱动滚珠丝杠来实现直线移动 GMF M100型机器人手臂 3. PUMA

10、机器人手臂的结构机器人手臂的结构 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、工业机器人的手腕二、工业机器人的手腕 v手腕是联接手臂和末端执行器的部件。手腕是联接手臂和末端执行器的部件。 v功能是实现末端件在作业空间的三个姿态坐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。标，即实现三个旋转自由度。 如图所示如图所示:回转运动（回转运动（ ）、左右摆动（）

11、、左右摆动（ ） 和俯仰运动（和俯仰运动（ ） 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具有两个自由度的机械手传动手腕结构 手腕的回转运动手腕的回转运动 1 1 2 2 ，俯仰摆动，俯仰摆动 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具有三个自由度的机械手腕结构

12、 手爪回转手爪回转n7, 手腕偏摆手腕偏摆n10=nT, 手腕俯仰手腕俯仰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 俯仰运动俯仰运动 偏摆运动偏摆运动 5、 三三 转转 轴轴 手手 腕腕 结结 构构 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

13、法兰 三、工业机器人的末端执行器三、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、喷器、吸附式末端执行器和专用工具（如焊枪、喷 嘴、电磨头等）。嘴、电磨头等）。 （一）机械式夹持器的结构（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）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. 楔楔 块块 杠杠 杆杆 回回 转转 型型 夹夹 持持 器

14、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. 滑滑 槽槽 杠杠 杆杆 式式 回回 转转 型型 夹夹 持持 器器 滑槽杠杆式回转型夹持器 1支架 2杆 3圆柱销 4杠杆 3. 连连 杆杆 杠杠 杆杆 式式 回回 转转 夹夹 持持 器器 由杆由杆1、 连杆连杆2、 摆动爪摆动爪3 和夹持件构和夹持件构 成四杆机构成四杆机构 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

15、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 (二二) 吸附式末端执行器的结构吸附式末端执行器的结构 吸附式末端执行器（又称为吸盘），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盘内负压产生的吸力或由磁力来吸住并移 动工件的。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

16、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：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 17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 1113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

17、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 6.4 机电一体化设计实例机电一体化设计实例 一、设计任务书一、设计任务书 为简易型机械手设计自动控制方案，要求采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。用可编程控制器控制。 二、二、控制要求与控制方案控制要求与控制方案 控制要求控制要求 机械手自动操作完成将工件由机械手自动操作完成将工件由A，点移向，点移向B点点 的动作，其示意图如图的动作，其示意图如图10-4所示。所示。 机械手每机械手每 个工作臂上都有上、下限位和左、右限位开关，个工作臂上都有上、下限位和

18、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。机械时器起动，定时结束，夹持动作随即完成。机械 手到达手到达B点后，将工件松开的时间也是由定时器点后，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。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）控制方案 图10-5 机械手控制I/O分配图 X12 X7 X5 X10 X6 X11 X25 X26 X27 X22 X23 X20 X24 X1 X2 X3 X4 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S

19、8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 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 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 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用于通断外部负载的电源的按钮 图图l0-8 机械手控制的操作面板机械手控制的操作面板 PB 停止停止X27 PB 起动起动X26 原点原点PB X35 上升上升PB X5 单步运行单步运行 X22 回原点回原点 X21 单周期单周期 X23 手动手动 X20 自动自动