典型的机电一体化系统.ppt

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1、第九章典型的机电一体化系统第九章典型的机电一体化系统 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:数数控控机机械械类类 数数控控机机床床、工工业业机机器器人人。其其特特点点为为执执行行机机构构是是机械装置。机械装置。电电子子设设备备类类 线线切切割割加加工工机机床床、超超声声波波缝缝纫纫机机。其其特特点点为执行机构是电子装置。为执行机构是电子装置。机机电电结结合合类类 自自动动探探伤伤机机、CTCT扫扫描描仪仪、自自动动售售货货机机等等。其其特特点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。电电液液伺伺

2、服服类类 液液压压伺伺服服马马达达。其其特特点点为为执执行行机机构构是是液液压压驱驱动动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。信信息息控控制制类类 复复印印机机、传传真真机机等等办办公公自自动动化化设设备备。主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。第一页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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

3、图图9-l CNC机床加工过程原理机床加工过程原理第二页，编辑于星期六：十六点 五十六分。CNC(或加工中心)加工工艺过程第三页，编辑于星期六：十六点 五十六分。9.2 机械加工中心机械加工中心1-X轴轴的的直直流流伺伺服服电电动动机机；2-换换刀刀机机械械手手；3-数数控控柜柜；4-盘盘式式刀刀库库；5-主主轴轴箱箱；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第四页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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

4、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 第五页，编辑于星期六：十六点 五十六分。9.3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。第六页，编辑于星期六：十六点 五十六分。二、二、工业机器人系统结构工业机器人系统结构六自由

5、度工业机器人的系统结构第七页，编辑于星期六：十六点 五十六分。工业机器人系统的组成1机座 2控制装置 3操作机第八页，编辑于星期六：十六点 五十六分。工业机器人的组成第九页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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：焊焊接接机机器器人人、冲冲压压机机器器人人、浇浇注注机机器器人人、搬搬

6、运运机机械械器器人人、装装配配机机器器人人、喷喷漆漆机机器器人人、切切削削机机器器人人、检测机器人、采掘机器人、水下机器人检测机器人、采掘机器人、水下机器人第十页，编辑于星期六：十六点 五十六分。圆柱坐标系机器人球坐标型机器人第十一页，编辑于星期六：十六点 五十六分。直角坐标型机器人关节型型机器人第十二页，编辑于星期六：十六点 五十六分。仿人关节型机器人平行四边形连杆关节型机器人第十三页，编辑于星期六：十六点 五十六分。SCARA型机器人并联机器人第十四页，编辑于星期六：十六点 五十六分。（d）直角坐标型（a）关节型（b）球坐标型（c）圆柱坐标型第十五页，编辑于星期六：十六点 五十六分。工业机

7、器人的坐标系第十六页，编辑于星期六：十六点 五十六分。PUMA机器人的坐标系（a）基准装填 （b）坐标系（a）（b）第十七页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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第十八页，编辑于星期六：十六点 五十

8、六分。机器人的工作空间第十九页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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 要要使使机机器器人人按按照照人人们们的的要要求求去去完完成成特特定定的的作作业业，需需要要做做下述几件事情：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第二十页，编辑于星期

9、六：十六点 五十六分。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）第二十一页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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，手臂回

10、转驱动，手臂回转运动采用摆动液压马达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的下面配的下面配置有升降液压缸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摆动液压马达第二十二页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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型机器人手臂第二十三页，

11、编辑于星期六：十六点 五十六分。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机座第二十四页，编辑于星期六：十六点 五十六分。PUMA机器人机座的结构1、3、4、5齿轮 2偏心套 6伺服电动机第二十五页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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

12、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机械接口第二十六页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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第二十七页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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、

13、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机械接口法兰盘第二十八页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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壳体第二十九页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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

14、动偏摆运动偏摆运动第三十页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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机械接口法兰第三十一页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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

15、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）第三十二页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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)内撑型第三十三页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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驱动器第三十四页，编辑于星期六：十六点 五十六分。2.滑槽滑槽杠杆杠杆式回式回转型转型夹持夹持器器滑槽杠杆式回转型夹持器1支架 2杆 3圆柱销 4杠杆第三十五页，编辑于星期六：十六点 五十六分。3.连连杆杆杠杠杆杆式

16、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调整垫片第三十六页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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钳爪第三十七页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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钳爪杆第三十八页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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

17、杆式夹持器1驱动器 2杆 3钳爪第三十九页，编辑于星期六：十六点 五十六分。(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。第四十页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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工件第四十一页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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

18、 7盘体第四十二页，编辑于星期六：十六点 五十六分。工业机器人的应用：工业机器人的应用：机器人装配生产线第四十三页，编辑于星期六：十六点 五十六分。柔性加工中的机器人第四十四页，编辑于星期六：十六点 五十六分。车削加工单元中的机器人第四十五页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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去毛刺机第四十六页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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压力机第四十七页，编辑于星期六：十六点 五十六分。装配系统中的双臂机器人17固定式电视摄

19、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吸尘器装配成品第四十八页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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垂直关节机器人第四十九页，编辑于星期六：十六点 五十六分。核工业中的步行机器人第五十页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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

20、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点的动点的动作，其示意图如图作，其示意图如图10-4所示。所示。机械手每个工作臂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，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。机械手到达定时结束，夹持动作随即完成。机械手到达B点点后，将工件松开的时间也是由定时器控制的，定后，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

21、。时结束时，表示工件已松开。第五十一页，编辑于星期六：十六点 五十六分。机械手的动作要求示意图第五十二页，编辑于星期六：十六点 五十六分。（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T

22、0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第五十三页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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第五十四

23、页，编辑于星期六：十六点 五十六分。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手动动方方式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第五十五页，编辑于星期六：十六点 五十六分。