1、第九章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的有机结合。电
2、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。9.1 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9-l CNC机床加
3、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9.2 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9-3 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 9.3工业机器人工业机器人一、
4、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
5、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）
6、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
7、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。
8、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2.具有手臂伸缩、回转和升降三个运动（自由具有手臂伸缩、回转和升降三个运动（自由度）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
9、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
10、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（）、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
11、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
12、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
13、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由杆杆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
14、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
15、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
16、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
17、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X12X7X5X10X6X11X25X26X27X22X23X20X24X1X2X3X4S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S16S17夹紧放松上
18、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V0V1V2V3V4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PBX35上升上升PBX5单步运行单步运行 X22回原
19、点回原点X21单周期单周期X23手动手动X20自动自动X24左移左移PBX6放松放松PBX7原点原点PBX35原点原点PBX35原点原点PBX35起动起动PB急停急停PB图图10-7 状态转移图状态转移图初始化电路初始化电路左移限位原点位置条件原点位置条件手动方式手动方式初始状态初始状态上升复位“下降”输出放松左移限位下降输入S1回原点初始状态上升结束M8044放松S27S20X201STM8000上限位MANUAL OPERATION夹紧自动运行自动运行RUN监控X12夹紧输入初始状态S0X7 放松输入 SET Y1 RST Y1X5 上升输入 Y4 Y0 Y2 Y3X10 X6 X11上升下降左移右移Y4Y3X2X2Y2Y0左移输入右移输入上限位ZERO RETURNS12SETX25S12S11S10X2X4RSTRSTRSTRSTY3Y0Y1Y2M8043Y4复位“右移”输出左移回原点结束下降自动方式 初始状态状态转移开始原点位置条件夹紧上升下降放松右移左移上升M8044M8041下限位上限位右移限位下降限位上升结束左移限位 SET Y1 Y1 RSTS2S20S21S22S23S24S25S26S27X1T0X2X3X1T1X2X4Y0T0K10Y2Y3Y0T1K10Y2Y4
