1、第九章典型機電一體化系統第九章典型機電一體化系統 機電一體化產品種類繁多，按產品的功能劃分為以下幾類機電一體化產品種類繁多，按產品的功能劃分為以下幾類: : 數控機械類數控機械類 數控機床、工業機器人。其特點為執行數控機床、工業機器人。其特點為執行 機構是機械裝置。機構是機械裝置。 電子設備類電子設備類 線切割加工機床、超聲波縫紉機。其特線切割加工機床、超聲波縫紉機。其特 點為執行機構是電子裝置。點為執行機構是電子裝置。 機電結合類機電結合類 自動探傷機、自動探傷機、CTCT掃描儀、自動售貨機等。掃描儀、自動售貨機等。 其特點為執行機構是機械和電子裝置的有機結合。其特點為執行機構是機械和電子裝

2、置的有機結合。 電液伺服類電液伺服類 液壓伺服馬達。其特點為執行機構是液液壓伺服馬達。其特點為執行機構是液 壓驅動的機械裝置，控制機構是接受電信號的液壓伺服閥。壓驅動的機械裝置，控制機構是接受電信號的液壓伺服閥。 信息控制類信息控制類 復印機、傳真機等辦公自動化設備。主復印機、傳真機等辦公自動化設備。主 要特點為執行機構的動作完全由所接收的信息類控制。要特點為執行機構的動作完全由所接收的信息類控制。 9.1 CNC機床機床 數數 控控 程程 序序 編編 制制 零零 件件 圖圖 紙紙 數數 控控 介介 質質 數數 控控 裝裝 置置 伺伺 服服 機機 構構 執執 行行 元元 件件 執執 行行 機機

3、 構構 零零 件件 成成 品品 機床本體機床本體 位置檢測裝置位置檢測裝置 圖圖9-l CNC機床加工過程原理機床加工過程原理 CNC(或加工中心)加工工藝過程 9.2 機械加工中心機械加工中心 1-X軸的直流伺服電動機；軸的直流伺服電動機；2-換刀機械手；換刀機械手；3-數控柜；數控柜；4-盤式刀庫；盤式刀庫；5-主軸箱；主軸箱；6- 機床操作面板；機床操作面板；7-驅動電源柜；驅動電源柜；8-工作臺；工作臺；9-滑座；滑座；10-床身床身 圖圖9-3 JCS-018A立式加工中心立式加工中心 加工中心的技術發展方向加工中心的技術發展方向 ： 高精、高速、高效的加工高精、高速、高效的加工 高

4、可靠性高可靠性 加強標準化和開放性加強標準化和開放性 網絡數控網絡數控 智能化智能化 9.3工業機器人工業機器人 一、工業機器人概述一、工業機器人概述 v機器人：模仿人的機器機器人：模仿人的機器 v工業機器人：用于生產的機器人工業機器人：用于生產的機器人 v誕生于誕生于20世紀世紀60年代年代 v工作原理：通過機器人操作機上各構件的運動，工作原理：通過機器人操作機上各構件的運動， 自動地實現手部作業的動作功能及技術要求。自動地實現手部作業的動作功能及技術要求。 二、二、 工業機器人系統結構工業機器人系統結構 六自由度工業機器人的系統結構 工業機器人系統的組成 1機座 2控制裝置 3操作機 工業

5、機器人的組成 三、工業機器人的分類三、工業機器人的分類 v按機械結構和代表性的自由度構成可分成五種：按機械結構和代表性的自由度構成可分成五種： 圓柱坐標型機器人；圓柱坐標型機器人； 球坐標型機器人；球坐標型機器人； 直角坐標型機器人；直角坐標型機器人； 關節型機器人；關節型機器人； 并聯機器人。并聯機器人。 v按用途和作業類別分：按用途和作業類別分： 焊接機器人、沖壓機器人、澆注機器人、搬運機焊接機器人、沖壓機器人、澆注機器人、搬運機 械器人、裝配機器人、噴漆機器人、切削機器械器人、裝配機器人、噴漆機器人、切削機器 人、檢測機器人、采掘機器人、水下機器人人、檢測機器人、采掘機器人、水下機器人

6、圓柱坐標系機器人球坐標型機器人 直角坐標型機器人關節型型機器人 仿人關節型機器人 平行四邊形連桿關節型機器人 SCARA型機器人 并聯機器人 （d）直角坐標型 （a）關節型 （b）球坐標型 （c）圓柱坐標型 工業機器人的坐標系 PUMA機器人的坐標系 （a）基準裝填 （b）坐標系 （a） （b） 四、工業機器人的主要技術參數四、工業機器人的主要技術參數 v額定負載：如抓取力、切削力額定負載：如抓取力、切削力 v額定速度：機器人在額定負載、勻速運動過額定速度：機器人在額定負載、勻速運動過 程中，機械接口中心的最大速度。程中，機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個自由度

7、六個自由度 v程序編制與存儲容量程序編制與存儲容量 在選用機器人時還應首先考慮其用途在選用機器人時還應首先考慮其用途 機器人的工作空間 五、五、工業機器人的控制工業機器人的控制 機器人控制的基本原理機器人控制的基本原理 要使機器人按照人們的要求去完成特定的作業，需要要使機器人按照人們的要求去完成特定的作業，需要 做下述幾件事情：做下述幾件事情： 告訴機器人要做什么；告訴機器人要做什么； 機器人接受命令，并形成作業的控制策略；機器人接受命令，并形成作業的控制策略； 去完成作業；去完成作業； 保證正確完成作業，并通報作業已完成。保證正確完成作業，并通報作業已完成。 示教示教控制計算機控制計算機伺服

8、驅動伺服驅動 傳感器傳感器 機器人控制基本原理框圖機器人控制基本原理框圖 六、工業機器人的機械結構六、工業機器人的機械結構 工業機器人的機械結構系統由機座、手臂、工業機器人的機械結構系統由機座、手臂、 手腕、末端執行器和移動裝置組成。移動裝置只手腕、末端執行器和移動裝置組成。移動裝置只 有在工作空間很大時才有。有在工作空間很大時才有。 一、工業機器人的手臂和機座一、工業機器人的手臂和機座 1.液壓驅動圓柱坐標型機器人手臂結構液壓驅動圓柱坐標型機器人手臂結構 具有手臂伸縮、回轉和升降三個運動（自由度）具有手臂伸縮、回轉和升降三個運動（自由度） 如圖所示：手臂伸縮運動由液壓缸如圖所示：手臂伸縮運動

9、由液壓缸2驅動，手臂驅動，手臂 回轉運動采用擺動液壓馬達回轉運動采用擺動液壓馬達11驅動，在中間機座驅動，在中間機座6 的下面配置有升降液壓缸的下面配置有升降液壓缸 液壓驅動圓柱坐標型機器人手臂 1活塞桿 2液壓缸 3手臂端部 4手臂支架 5導軌 6中間 支架 7、9齒輪 8擋塊 10行程開關 11擺動液壓馬達 2. 電動機驅動機械傳動圓柱座標機器人手臂電動機驅動機械傳動圓柱座標機器人手臂 其手臂的伸縮和回轉運動都是采用雙圓柱導軌導向其手臂的伸縮和回轉運動都是采用雙圓柱導軌導向 和直流伺服驅動滾珠絲杠來實現直線移動和直流伺服驅動滾珠絲杠來實現直線移動 GMF M100型機器人手臂 3. PUM

10、A機器人手臂的結構機器人手臂的結構 PUMA機器人手臂的結構 a)大臂驅動機構 b)小臂驅動機構 1、10大臂 2、3、5、6、8、9、14、15齒輪 4、13、16偏心套 7、 11驅動電動機 12驅動軸 17小臂 18機座 PUMA機器人機座的結構 1、3、4、5齒輪 2偏心套 6伺服電動機 二、工業機器人的手腕二、工業機器人的手腕 v手腕是聯接手臂和末端執行器的部件。手腕是聯接手臂和末端執行器的部件。 v功能是實現末端件在作業空間的三個姿態坐功能是實現末端件在作業空間的三個姿態坐 標，即實現三個旋轉自由度。標，即實現三個旋轉自由度。 如圖所示如圖所示:回轉運動（回轉運動（ ）、左右擺動（

11、）、左右擺動（ ） 和俯仰運動（和俯仰運動（ ） 手腕的自由度 1手臂 2機械接口 1. 用擺動液壓馬達驅動實現回轉運動的手腕結構用擺動液壓馬達驅動實現回轉運動的手腕結構 夾持動作由活塞完成，一個自由度夾持動作由活塞完成，一個自由度 擺動液壓馬達驅動的手腕 2. 具有兩個自由度的機械手傳動手腕結構具有兩個自由度的機械手傳動手腕結構 手腕的回轉運動手腕的回轉運動 1 1 2 2 ，俯仰擺動，俯仰擺動 兩自由度機械傳動手腕 1、2、3、12、13軸承 4、5鏈輪 6、7鏈條 8手腕殼體 9、 11錐齒輪 10、14軸 15機械接口法蘭盤 3. 具有三個自由度的機械手腕結構具有三個自由度的機械手腕結

12、構 手爪回轉手爪回轉n7, 手腕偏擺手腕偏擺n10=nT, 手腕俯仰手腕俯仰n9 三自由度機械傳動手腕 1、2、3、4、5、6、7、11、12、13、14、15齒輪 8手爪 9、10、16殼體 偏置三自由度機械傳動手腕 a)裝置外觀圖 b)傳動機構簡圖 1、2、3、4、7、9齒輪 5機械接口 法蘭盤 6殼體 8手腕架 4.偏置三自 由度機械傳 動手腕機構 回轉運動 俯仰運動俯仰運動 偏擺運動偏擺運動 5、 三三 轉轉 軸軸 手手 腕腕 結結 構構 三軸承手腕 a)手腕裝配結構圖 b)手腕傳動結構簡圖 1、2、3電動機 4、5、6空心傳動軸 7、8、9、11、13、14齒輪 10殼體 12機械接

13、口法蘭 三、工業機器人的末端執行器三、工業機器人的末端執行器 根據其結構和用途的不同，可以分為機械式夾持根據其結構和用途的不同，可以分為機械式夾持 器、吸附式末端執行器和專用工具（如焊槍、噴器、吸附式末端執行器和專用工具（如焊槍、噴 嘴、電磨頭等）。嘴、電磨頭等）。 （一）機械式夾持器的結構（一）機械式夾持器的結構 機械式夾持器多為雙指爪式，其手指的運動為平機械式夾持器多為雙指爪式，其手指的運動為平 移或回轉（單點支承或雙點支承）移或回轉（單點支承或雙點支承） 機械式夾持器 a)單支點回轉型 b)雙支點回轉型 c)平移型 d)內撐型 1. 楔楔 塊塊 杠杠 桿桿 回回 轉轉 型型 夾夾 持持

14、器器 楔快杠桿式回轉型夾持器 1杠桿 2彈簧 3滾子 4楔快 5驅動器 2. 滑滑 槽槽 杠杠 桿桿 式式 回回 轉轉 型型 夾夾 持持 器器 滑槽杠桿式回轉型夾持器 1支架 2桿 3圓柱銷 4杠桿 3. 連連 桿桿 杠杠 桿桿 式式 回回 轉轉 夾夾 持持 器器 由桿由桿1、 連桿連桿2、 擺動爪擺動爪3 和夾持件構和夾持件構 成四桿機構成四桿機構 連桿杠桿式回轉型夾持器 1桿 2連桿 3擺動鉗爪 4調整墊片 4. 由齒輪齒平行連桿式夾持器由齒輪齒平行連桿式夾持器 齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器 1扇形齒輪 2齒條桿 3電磁式驅動器 4機座 5、6連桿 7鉗爪 5. 左右旋絲桿平移型夾持器左

15、右旋絲桿平移型夾持器 左右旋絲杠平移型夾持器 1電動機 2絲杠 3導軌 4鉗爪桿 6. 內撐式連桿杠桿式夾持器內撐式連桿杠桿式夾持器 內撐連桿杠桿式夾持器 1驅動器 2桿 3鉗爪 (二二) 吸附式末端執行器的結構吸附式末端執行器的結構 吸附式末端執行器（又稱為吸盤），吸附式末端執行器（又稱為吸盤）， 有氣吸式和磁吸式兩種。它們分別利用吸有氣吸式和磁吸式兩種。它們分別利用吸 盤內負壓產生的吸力或由磁力來吸住并移盤內負壓產生的吸力或由磁力來吸住并移 動工件的。動工件的。 e)擠壓排氣式 b)真空泵排氣式a)氣流負壓式 c)特殊吸盤 d)雙吸盤式吸頭 1壓蓋 2密封蓋 3吸盤 4工件 磁吸式吸盤 1

16、繞組 2鐵心 3工件 4內盤體 5隔磁物 6外盤面 7盤體 工業機器人的應用：工業機器人的應用： 機器人裝配生產線 柔性加工中的機器人 車削加工單元中的機器人 柔性加工系統中的機器人 1拉床 2車床 3插齒機 4剃齒機 5塔式儲存架 6機器人 7去毛刺機 裝配系統中的機器人 1機器人 2、3、5、6、7、8、9軸承、軸、套、 墊圈、法蘭、螺母和產品傳送帶 4壓力機 裝配系統中的雙臂機器人 17固定式電視攝像機 8可轉式電視攝像機 9抓握手臂 10感知手臂 1113吸塵器零部件 14吸塵器裝配成品 焊接作業系統的機器人 1機器人 2傳送帶 3汽車殼體 噴漆作業系統中的機器人 1工裝板 2循環拖動

17、鏈條 3工件識別站 4工件 5行程開關 6直角坐標機 器人 7、8、9、10垂直關 節機器人 核工業中的步行機器人 9.4 機電一體化設計實例機電一體化設計實例 一、設計任務書一、設計任務書 為簡易型機械手設計自動控制方案，要求采為簡易型機械手設計自動控制方案，要求采 用可編程控制器控制。用可編程控制器控制。 二、二、控制要求與控制方案控制要求與控制方案 控制要求控制要求 機械手自動操作完成將工件由機械手自動操作完成將工件由A，點移向，點移向B點點 的動作，其示意圖如圖的動作，其示意圖如圖10-4所示。所示。 機械手每機械手每 個工作臂上都有上、下限位和左、右限位開關，個工作臂上都有上、下限位

18、和左、右限位開關， 而其夾持裝置不帶限位開關。一旦夾持開始，定而其夾持裝置不帶限位開關。一旦夾持開始，定 時器起動，定時結束，夾持動作隨即完成。機械時器起動，定時結束，夾持動作隨即完成。機械 手到達手到達B點后，將工件松開的時間也是由定時器點后，將工件松開的時間也是由定時器 控制的，定時結束時，表示工件已松開。控制的，定時結束時，表示工件已松開。 機械手的動作要求示意圖 （2）控制方案）控制方案 圖10-5 機械手控制I/O分配圖 X12 X7 X5 X10 X6 X11 X25 X26 X27 X22 X23 X20 X24 X1 X2 X3 X4 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7

19、S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 夾緊 放松 上升 下降 右移 左移 原點 起動 停止 單步運行 單周期 手動 自動 下限位 上限位 右移限位 左移限位 V0 V1 V2 V3 V4 驅動機械手下降 驅動機械手夾緊 驅動機械手上升 驅動機械手右移 驅動機械手左移 圖10-6 自動控制流程圖 X26起動按鈕 X1下限位開關 T0夾緊用定時器 X2上限位開關下 限位開關 X3右移位開關 X1下限位開關 T1下限位開關 X2上限位開關 原始狀態 初始脈沖 第一次下降 夾緊 第一次上升 右移 第二次下降 放松 第二次上升 左移 用于通斷外部負載的電源的按鈕用于通斷外部負載的電源的按鈕 圖圖l0-8 機械手控制的操作面板機械手控制的操作面板 PB 停止停止X27 PB 起動起動X26 原點原點PB X35 上升上升PB X5 單步運行單步運行 X22 回原點回原點 X21 單周期單周期 X23 手動手動 X20 自動自動