1、7機電一體化系統實例 本章導讀 機電一體化的典型產品種類很多，用途廣泛，所涉反的設計方案和原理也各不同。本章通過對涉廈生產自動化、家庭電氣化等領域的機電一體化系統典型實例進行了較深入的分析，以期達到舉一反三的目的。 機電一體化系統主要由機械本體、動力系統、檢測傳感系統、執行部件、信息處理廈控制系統5個基本要素構成。本章主要時機電一體化系統各要素和環節進行分析、介紹，闡述如何從系統化設計的角度進行機電一體化產品的設計，井得到較優的設計結果。 學習內容與要求 1結合實例理解典型機電一體岱系統的組成度特點； 2熟悉機電一體化系統實現特殊機構功能的方擊和原理； 3熟悉機電一體化系統的技術基礎微電子技術

2、和精密機械技術。 本章重點 1機電一體化系統的關鍵技術及其在系統中的作用； 2典型機電一體化系統的設計與分析方法。 本章難點 機電一體化系統的設計與分析方法。 媒體使用說明 本章介紹了涉廈生產自動化、家庭電氣化等領域的機電一體化系統典型實例，文字教材中的重點、難點在錄像教材和流媒體課件中有較詳盡的講解。學生在學習的過程中，應配備流媒體課件和錄像教材學習，然后結合文字教材的學習，理解機電一體化系統的基本構成，vX zu要素乏間的接口，并能從系統化設計的角度進行機電一體化系統的分析和設計。 7.1工業機器人系統 機器入學是關于設計、制造和應用機器人的一門正在發展中的新興學科。工業機器人(indus

3、trial Rohot>技術涉及機構學、控制理論和技術、計算機、傳感技術、人工智能、仿生學等領域，是一門多學科交叉的綜合性高新技術，是當今研究十分活躍、應用日益廣泛的領域。機器人的應用情況標志著一個國家制造業及其工業自動化水平的高低。 工業機器人是一種可以搬運物料、零件、工具或完成多種操作功能的專用機械裝置，是由計算機控制的、具有柔性的并可進行人機交互的自動化系統。人類研制機器人的最終目標是為了創造一種能夠綜合人的動作和智能特征，延伸人的活動范圍，并具有通用性、柔性和靈活性的自動機械。工業機器人已成為FMS和CIMS等自動化制造系統中的重要設備，將在實現生產的柔性和自動化、提高產品質量、

4、代替人在惡劣環境條件下工作等場合發揮重大作用。 7 1.1工業機器人的組成與分類 1工業機器人的組成 工業機器人一般由機械系統、驅動系統、控制系統、檢測傳感系統和人工智能系統等組成。 (l)機械系統 機械系統是完成抓取工件（或工具）、實現所需運動的機械部件，主要包括以下幾個部分： 手部。是工業機器人直接與工件或工具接觸用來完成握持工件（或工具）的部件。有些工業機器人直接將工具（如焊槍、噴槍、容器）裝在手部位置，而不再設置手部。 腕部。是連接手部與臂部的部件，主要用來確定手部工作方位和姿態并適當擴大臂部動作范圍。 臂部。是支承腕部、手部，實現較大范圍運動的部件。 機身。是用來支示臂部、安裝驅動裝

5、置及其他裝置的部件。 行走機構。是擴大工業機器人活動范圍的機構，有的是專門的行走裝置，有的是軌道或滾輪機構。 (2)驅動系統 驅動系統的作用是向執行元件提供動力。按驅動源不同，驅動系統的傳動方式可分為液動式、氣動式、電動式和機械式4種。 (3)控制系統 控制系統是工業機器人的指揮系統，控制機器人按規定的程序運動。控制系統可記憶各種指令信息，如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間等，同時按指令信息向各執行元件發出指令；還可對機器人的動作進行監視，當動作有誤或發生故障時，即發出警報信號。 (4)檢測傳感系統 檢測傳感系統主要檢測工業機器人執行系統的運動位置和狀態，并隨時將執行系統的實際位置反饋給控制

6、系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行系統以一定的精度達到設定的位置。 (5)人工智能系統該系統主要賦予工業機器人感官功能，以實現機器人對工件的自動識別和適應性操作。 2工業機器人的分類 (1)按自動化功能層次分類 專用機器人。以固定程序在固定地點工作的機器人，其動作少，工作對象單一，結構簡單，造價低，適于在大型生產系統中工作。 通用機器人。具有獨立的控制系統，動作靈活多樣，通過改變控制程序能完成多種作業的機器人。它工作范圍大，定位精度高，通用性能強，但結構復雜，適用于柔性制造系統。 示教再現機器人。具有記憶功能、能完成復雜動作的機器人，它在人的示教操作后，能按示教

7、的順序、位置、條件與其他信息反復重現示教作業。 （多智日B機器人。具有各種感覺功能和識別功能，能做出決策并自動進行反饋糾正的機器人。它采用計算機控制，依賴于識別、學習、推理和適應環境等智能決定其行動或作業。 (2)按驅動方式分類 按驅動方式不同，工業機器人可分為氣壓傳動機器人、電氣傳動機器人、液壓傳動機器人以及復合傳動機器人。 c3)按連接方式分類 按結構不同，工業機器人可分為串聯機器九和并聯機器人。 串聯機器人。目前應用的工業機器人大部分都是串聯結構，即組成機器人的各桿件南關節依次連接成一個開鏈式機構。理論上，串聯機構具育工作范圍大、靈活性好等特點，但這種機構本身存在著承載能力弱、剛度低、操

8、作速度慢及精度不高等特點，因而限制了機器人技術在某些領域內的應用。 并聯機器人。并聯機器人是指將并聯機構用于機器人本體結構中。并聯機構的英文名為Parallel Mechanism，簡稱PM，可以定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上的自由度，且以并聯方式驅動的一種閉環機構。 和串聯機器人相比較，并聯機器人具有出下特點：第一，并聯機構的運動平臺與機架之間由多條運動支鏈連接，其末端件與串聯的懸臂粱相比，剛度大得多，而且結構穩定；第二，由于剛度大，并聯式較串聯式在相同的自重或體積下有高得多的承載能力；第三，驅動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分質

9、量輕，速度高，動態響應好；第四，無累積誤差，精度較高。根據這些特點，并聯機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無需很大工作空間的領域內得到了廣泛應用。采用并聯機構，利用機器人技術實現高精度洌0量及加工，這是機器人技術向數控技術的拓展，并為將來實現機器人和數控技術的一體化奠定了基礎。 由于串聯機器人和并聯機器人在結構及性能特點上是對偶美系，因此它們之間在應用上不是替代關系而是互補關系，它們各自都有其特殊的應用領域。同時，也可以將這兩種結構有機地結合起來，充分發揮它們各自的優點，以擴大機器人的應用范圍。3工業機器人的主要技術參數 r、【k機器人的技術參數是說明機器人規格與性能的具體指標，主要有以下

10、幾方面： (1)握取重量（即臂力） 握取重量表明了機器人的負荷能力。這項參數與機器人的運動速度有關，通常是指正常運行速度所能握取的工件重量。當機器人的運行速度可調時，低速運行時所能提取的T件的最大重量比高速運行時大。為安全起見，也有將高速時所能握取的_件重量作為指標的1睛況，此時常指明運行速度。 (2)運動速度 運動速度是反映機器人性能的一項重要技術參數。它與機器人的握取重量、定位精度等參數都有密切關系，同時也直接影響機器人的運動周期。 (3)自由度 工業機器人自由度越多，其動作越靈活，適應性越強，但結構也相應越復雜。一般情況下工業機器人具有4-6個自由度即滿足使用要求。 (4)定位精度 定位

11、精度即重復定位精度，是衡量機器人工作質量的又一項重要指標。定位精度的高低取決于位置控制方式以及運動部件本身的制造精度和剛度，與握取重量、運動速度等也有密切關系。 (5)程序編制與存儲容量 該技術參數是用來說明機器人的控制能力的，存儲容量越大，適應性越強，通用性越好，從事復雜作業的能力越強。 7.1 2工業機器人系統組成實側分析 1SCARA型機器人（裝配機器人） SCARA是Sele。ti。eC。mplanc。Asselblv Robot Arm的縮寫，是指具有選擇順應性的裝配機器人手臂。這種機器人在水平方向具有順應性，而在垂直方向則具有很大的剛性，最適合于裝配作業使用。該機器人裝配系統可用于

12、裝配40火花式電雷管，代替人從事易燃易爆的危險作業。 40火花式電雷管的組成及料盤如圖7-1所示，機器人完成的工作是：將導電帽、彈簧組合件裝在雷管體上；將小螺釘擰到雷管體上，把導電帽、彈簧組合件和雷管體聯成一體；檢測雷管體外徑、總高度及雷管體與導電帽之間是否短路。裝配前雷管體倒立在10行×Io列的料盤5上，彈簧與導電帽的組合件插放在另一個10行×IO列的料盤6上，小螺釘散放在振動料斗8中，裝配好的成品放在10行×10列的料盤7上，如圖7 -l(b)所示。機器人在裝配點的重復定位精度可達±0 05 mm，電雷管重約100 9，一次裝配過程約需20 8，、S

13、CARA型裝配機器人有大臂回轉、小臂回轉、腕部升降和回轉4個自由度，如圖7 2所示。 下面以ZP -1型多手臂裝配機器人為例簡單介紹機器人系統這一典型機電產品的組成，包括機械本體、動力系統、檢測傳感系統、執行部件、信息處理及控制系統。(l)總體結構浚機器人裝配系統主要由機器人本體和控制柜組成，其本體構成如圖7 -3所示。 機器人本體由左、中、右三只手臂組成，左、右手臂的結構基本相同，大臂長為200 mm，小臂長（肘關節至手部中心）為160 mm，兩立柱間距為710 mm，總高度約為820 mm(可適當調整)。左（右）手臂各有大臂1(1 7)、小臂2(2)、手腕3(3)和手部4(4 7)；驅動大

14、臂的為步進電動機5(5)及諧渡減速器6(6)與位置反饋用光電編碼器7(7)；驅動小臂的為步進電動機8(8)及諧波減速器9(9)與位置反饋用光電編碼器10(10)，另外還有平行四連桿機械11(11)；整個手臂安裝在支架和立柱12 (12')上，并由基座19(19)支承。手腕的升降、回轉和手爪的開閉都是氣動的，因此有相應的氣缸和輸氣管路。右臂右側為雷管料盤13，左臂左側為導電帽與彈簧組合件料盤13。第三只手臂（中臂）為擰螺釘裝置，放在左、右手臂中間的工作臺上，裝有擺動臂14和氣動改錐15，它的左側裝有供螺釘用的振動料斗16。成品料盤18安裝在右手臂的右前方。 (2)驅動系統 該機器人的兩個

15、手臂在X-Y平面內的運動是由步進電動機驅劫的，所選用的步進電動機型號為70BFIO，六相，按2-3方式分配，共12拍，電動機的啟動頻率為600步s，達到運行頻率（24 000步s）所需的啟動時間為0 6 s。一個關節的步進電動機驅動系統如圖7 -4所示。(3)控制、檢測傳感系統 控制系統由7個CSA -816型電渦流傳感器分別檢測兩個手臂到達裝配點的位置、雷管的直徑與高度、手爪是否抓住雷管體與彈簧組件以及雷管體與導電帽的短路狀態等，然后將這些信號送到測量儀與設定值進行比較，確定是否合格或過或欠，再經過測量接口電路送到工業控制機進行處理，產生中斷信號。 計算機的輸出口有兩部分：一部分有17路，通

16、過控制接口電路和功率放大電路驅動氣動電磁閥，根據計算機指令使左、右手腕分別作升、降、回轉動作，使手爪作閉合夾緊動作等；另一部分有16路，通過控制接口電路分別向4臺步進電動機發出位置、升降速、方向及停止信號，并通過升降速電路、脈沖分配器、功率驅動電路，使步進電動機按照預定的程序做啟動、升速、高速運行、降速和停止等動作。 四臺步進電動機的軸伸端分別與左、右大小臂連接，使手臂在裝配點與取（放）工件點之間運動。當手臂回到裝配點時，相應的電渦流傳感器發出到位信號，計算機收到這一信號后，發出停止命令，使步進電動機與相應的手臂停止運動。當手臂到達取（放）工件點時，由計數器記錄的步進電動機的步進步數與預置步數

17、相一致時，計算機發出停止命令。同時，在步進電動機的另一軸伸端舒別連接一個光電編碼器，步進電動機每走一步，光電編碼器就會發一個脈沖。步進電動機的轉動方向由方向判別電路判別。 (4)裝配工作過程 開機后，計算機發出指令，首先使兩手臂先后返回裝配點清零，然后，右手移動到雷管體料盤停在預定的某行某列位置上，手腕下降，手爪夾緊雷箋勘手腕拾起并翻轉1800使雷管4cl:l:芯朝上。與此同時，左手移動到導電帽、彈簧組伴科矗鋅停在某行某列位置上，手腕下降，手爪夾緊導電帽和彈簧組件，手腕抬起，此府，毒季避凰到裝配點。接著，左手也返回到裝配點，手腕邊壓下邊回轉，將導電幅、彈簧組辯端瑚鞘體的桿薜上，左手離開裝配點。

18、此時，媒釘已在振動料-中自動整列排隊，逐個落下，第三只手臂取螺釘后擺動到裝Fa.s，壓下氣動政錐將螺釘旋八雷管體桿芯的螺孔中。右手抓敷雷管體時檢測直徑是否過大（不合格）或過小（抓空），左手抓取彈簧、導電帽組件時檢測是否抓空，第三只手的改錐壓F之前檢測有無螺釘，裝配完成后檢測雷管高度是否合格以及是否符合短路要求。如果沒有螺釘，第三只手返回，再次去取螺釘，進行擰螺釘動作，對于不合格品則放到備好的廢品盒內。計算機對總工件數和廢品數進行統計，當裝滿一料盤成品（100件）時將發出呼叫信號，工人將成品盤搬走，換上一個空料盤，繼續裝配。 2HRGP -1A噴漆機器人 HRCP - IA噴漆型機器人適用于汽車

19、、電子、家電、機械、建筑陶瓷等行業噴涂各種材料，具體如下： 汽車工業。用于汽車駕駛室、車廂等外表的噴漆，也可用于汽車底部噴涂防振和隔熱的PVC膠等。 （函家電行業。用于噴涂油漆，如洗衣機、電冰箱、電視機外殼等。 建筑陶瓷業。用于噴涂各種陶瓷粉和陶瓷漿，如浴盆及各種清潔器具等。 機械制造業。用于各種機械零件和部件的表面噴漆。 由于一般噴涂作業工作環境條件惡劣，大多是在有害氣體和灰塵污染嚴重的環境中工作采用噴漆機器人，可以使工人從有害身體健康的環境中解脫出來；另外，采用噴漆機器人，還可實現工序自動化，生產效率大幅度提高（生產效率比手工操作提高5倍以上），同時可以節省大量的噴涂材料，減少原材料的浪費

20、，并可提高噴涂產品的質量。因此，噴漆機器人具有很好的社會效益和經濟效益。 (1)構成及工作原理 HRCP - iA噴漆機器人由操作機、微型計算機控制裝置和液壓能源3部分構成。操作機采用多關節式，它的機構原理是：由一個直線油缸通過搖桿機構驅動腰部旋轉運動。兩個直線油缸分別驅動三連桿機構和四連桿機構，從而實現垂直臂的前后擺動和水平臂的上下俯仰運動，使噴槍可達到活動范圍內的任意位置。腕部采用撓性手腕結構，分別由兩個小型直線油缸驅動，可實現手腕的左右和上下擺動。胸部的旋轉運動由一個擺動油缸驅動，可使噴槍實現姿態的變化。 機器人的驅動采用電液伺服系統，通過安裝在作動器上的伺服閥，將電信號轉化為液壓流量，

21、向作動器提供液壓動力。每個作動器內都裝有旋轉變壓器作為反饋元件，以構成閉環伺服控制。微型計算機系統控制各自由度的運動，以實現操作機的連續軌跡控制=噴漆機器人的IV分為示教和再現兩個過程。所謂示教，即操作人員用手搡縱操作機的關節和手腕，根據噴漆工件的型面進行示教。此時，中央處理器通過旋轉變壓器將示教過程中檢測到的參數存人存儲器，即把示教噴漆的空間軌跡記錄下來。所謂再現，即由計算機控制機器人運動，中央處理器將示教時記錄的空間軌跡信息取出，經過插補運算與采樣得到的置數據進行比較，然后將其差值調節后輸出，控制操作機按示教的軌跡運動。(2)基本參數 操作機為六自由度多關節式結構，驅動系統為電液伺服驅動，

22、控制部分采用微型計算機系統控制。 示教分為人手示教和示教盒示教。 （騎儲容量：PTP最大容量為38 000點，CP最大容量為128 min。 最大速度為1_7 m/s。 位置重復精度為±2 5 mm。 動作時間采樣頻率為10 Hz，40 Hz，50 Hz。 噴漆機器人的外形尺寸及工作范圍如圖7 -5所示。(3)HRGP -1A系統的設計噴漆機器人設計的內容主要包括確定基本參數、確定操作機的結構形式、選擇驅動系統的種類和微型計算機控制系統，分述如下。 操作機的設計 在進行操作機設計時，要對與工作范圍有關的總體尺寸和部件尺寸參數進行計算和運動學分析。噴漆機器人操作機設計中的技術關鍵有以下

23、幾個： A腰部回轉機構的設計。腰部采用四連桿機構，回轉角度為93。，它由一個直線油缸、驅動擺桿和連桿組成，使腰部作回轉運動。這種機構工作可靠，結構簡易，其原理如圖7-6所示。 B水平臂和垂直臂平衡系統設計。噴漆機器人的水平臂和垂直臂均采用懸管梁結構，由伺服液壓缸提供動力，使水平臂和垂直臂運動并保持一定的姿態。水平臂和垂直臂在重力的作用下都有下降的趨勢。在工作過程中，由伺服液壓缸平衡其重力，但在示教中則要求伺服液壓缸卸荷，由人工操作，此時需要由彈簧平衡機構減小操作時的示教力，同時防止因液壓缸突然卸荷而導致永平臂和垂直臂發生撞擊，以免損壞機器。因此，僅有液壓缸來平衡重力是不夠的，必須要有彈簧平衡系

24、統。對平衡系統的設計要求是：機構無論處于何種姿態，平衡力矩都應等于或稍大于重力矩。平衡機構的原理圖如圖7 -7所示。 C撓性手腕的設計。撓性手腕是由三副萬向節和兩對傘狀齒輪嚙合組成的。撓性手腕部分外徑尺寸為#iIO mm，長度為270 mm外部裝有防塵波紋套。它的運動由左右兩個直線作動器控制，使手腕上、下、左、右各作88。擺動，手腕由擺動液壓缸驅動，使它作210。的轉動。設計時，對十字聯軸器、球形齒面的齒、凸齒的形狀、齒形分布和齒形的修正均有較高的要求。 D操作機的材料選擇。為了提高運動靈敏度、精度和響應速度，水平管和上支承座用鋁臺金制成，其質量輕、慣性小。底座支承件采用鑄鐵和鋼材，以保證其具

25、有足夠的強度和剛度。 電液伺服驅動系統的設計日E動系統是直接驅動各運動部件動作的機構。噴漆機器人工作在易燃、易爆的環境中，為安全起見，采用電液伺服系統作為驅動系統。機器人具有6個自由度，每個自由度分別由一套電液伺服系統驅動。機器人運動時，各運動參數都會產生變化，所以動力參數也隨之變化u電液伺服系統為多輸入、多輸出的變量系統，系統與系統問具有負載效應，根據噴漆工藝的要求，操作機必須具有運動速度高、工作穩定、位置重臺精度高等能力，以適應復雜形面的噴漆，為此，要求各電液伺服系統的快速響應特性一致，各系統不因復合運動而超前或滯后，并具有高的速度剛度，保證機器人在噴漆中速度一致，不受其他系統干擾，電液伺

26、服系統框圖如圖7-8所示。 伺服系統中采用分離活塞式作動器，以使機器人在示教過程中輕便、照活R.1J7教力小。分離活塞式作動器的原理是：在示教時其活塞與活塞桿分離，減小摩擦力。示教完成后，再現開始時，液壓泵啟動，隨著油壓的升高，推動分離括塞，壓緊成為一體。再現開始后，壓力油受伺服閥的控制，推動活塞，帶動活塞桿推動負載工作。分離活塞式作動器原理圖如圖7 -9所示。機器人腰部的伺服閥選用FF106 - 63型，額定流量為63 I /min，額定壓力為21 MPa。垂直臂、水平臂、腕關節均選用Moog公司防爆伺服閥，額定流量為20 L/min，額定壓力為7 MPa. 旋轉變壓器是噴漆機器人電液伺服系

27、統中的重要反饋元件，安裝在伺服作動器內。它體積小、質量輕、精度高，與8751單片機解碼電路等組成了機器人的位置檢測系統，該系統抗電干擾能力強、重復性好、穩定性好。 液壓能源的設計 液壓能源為噴漆機器人中的電液伺服系統提供高壓油。能源工作時，不但要使流量能夠滿足6個執行機構同時工作的速度要求，而且要使操作機具有足夠的力矩。示教時，示教力要小，執行機構的限定性要好，同時，液壓系統長時間工作時，油溫能控制在規定的范圍內。因此，在進行能源系統設計時，液壓泵應選為恒壓變量泵。它提供的流量和壓力目B滿足執行機構力（或力矩）及運動速度的要求，并能節省能源。閻組件采用集成化的結構，體積小，導管連接少，維修方便

28、。為了使機器人示教力小，可采取電磁閥和液控閥組成的卸荷回路，使主油路的壓力、蓄能器的壓力和回路的背壓在示教時全部卸荷。 微型計算機控制系統的設計 計算機控制系統是噴漆機器人控制的核心，其操作方式是示教再現，控制方式為CP（連續控制）和PrrP（點位控制）。 本系統的硬件框圖如圖7 -10所示，采用雙CPU工作，其中主CPU為8088，并配有協處理器8087。主CPU 8088主要用于系統管理、插補運算、坐標變換、數據存儲、噴漆控制及故障處理；從CPU8086主要用于6個電液伺服回路控制。兩個CPU各自配有相應的I/O接口和D/A接口，兩個CPU之間有交換數據及命令的通信接口。從CPU通過通信接

29、口與主CPU保持同步，機器人的運動軌跡數據及控制軟件可以存人存儲器。 操作指令通過示教盒和功能鍵盤輸入，其中各有一片8031單片機，分別完成鍵盤的輸入功能。鍵盤上有48個功能鍵，可完成全部機器人的控制操作。示教盒上有24個按鍵和數碼管顯示，利用示教盒操作可以方便地在噴漆現場工作。 控制裝置還具有完善的故障顯示及處理系統，可以用聲和光的形式把故障顯示出來，同時還可以作故障處理，對于無危險的故障，則以聲、光信號報警，提示人們及時處理。 機器人的軟件設計 主機程序采用匯編語言編程及模塊化設計方法，并使用丁自編漢字庫。程序由主系統自檢、初始化及主菜單、示教、再現、歸位、排隊和故障處理等幾部分組成a 從

30、機主要由單板機及外圍電路組成，它的主要任務是：在示教方式下，接收機器人瞬時位置的6個自由度信號，經A/D轉換后進到主機；在歸位及再現方式下，完成6個回路控制規律的運算，使系統達到要求的精度和動態指標。7.2 CNC數控設備7.2 1 CNC數控設備概述 計算機數控（Computer Numerical Control，CNC）機床是一種由計算機或專用電子計算裝置控制的高效自動化機床。它綜合應用了計算機技術、自動控制、精密測量和機械設計等方面的最新成就，是典型的機電一體化產品，是機床發展的必然趨勢。數控機床發展至今，已經經歷了從電子管數控、晶體管數控、集成電路數控、計算機數控到微型計算機數控的5

31、代演變。當前，計算機數控機床已經成為促進國民經濟發展的重要產品。由于它具有高教、高精度、低勞動強度和高度自動化等特點，所呲最適合于多品種、小批量零件的加工。近年來，隨著微電子技術的飛速發展，能夠自動更換刀具的高度自動化的計算機數控機床機械加工中心（Machining Center，MC）發展更為迅速。各工業發達國家相繼出現了雙工位和多工位交換工作臺的加工中心，加1二中心與工業機器人等組成了柔性制造單元( FlexibleManufacturing CelJFMC)，以及由多臺加工中心與物料搬運裝置（工業機器人）等組成了柔性制造系統（Flexible Manufacturing System，F

32、MS），在這個墓礎上又發展了自動化工廠( Factory Automation,FA)等。 在普通機床上加工零件時，機床運行的開始、結束，運動的先后次序以及刀具和工件的相對位置等都是由人工操作完成的。而CNC機床加工零件時，則是將被加工零件的加工順序、T藝參數、機床運動要求等用數控語言記錄在數控介質（穿孔紙帶、磁帶、磁盤等）上，然后輸到CNC數控裝置，再由CNC裝置控制機床運動，從而實現加工自動化。為了提高加工精度，一般還裝有位置檢測反饋回路，以構成閉環控制系統。CNC機床加工過程原理框圖如圖7 -11所示。 在機械加工中心上加工零件所涉及的技術范圍比較廣，與相應的配套技術有密切關系。圖7 1

33、2所示為CNC機床（或加工中心）加工時需考慮的問題。對于一個合格的編程員來說，他應該是一個很好的丁藝員，應熟練掌握零件的工藝設計和切削用量的選擇，并能提出正確的刀具方案和夾具方案，懂得刀具測量方法，了解機床的性能和特點，熟悉程序編制和輸入方式。7 2 2 CNC機床分類 CNC機床的種類很多，歸納起來可用以下兩種方法進行分類。 1按工藝用途分類 (1)一般數控機床。這類機床和傳統的通用機床相似，有數控車、銑、鏜、鉆、磨、插齒、滾齒等機床。它們的工藝可能性與通用機床一樣，所不同的是能自動加工復雜形狀的零件。 C2)帶自動換刀裝置的機械加工中心。這類機床是在一般數控機床的基礎上發展起來的。它是配有

34、刀庫（可容納10 - 100多把刀具）和自動換刀裝置的數控機床，與一般數控機床不同的是，工件經一次裝夾后，數控裝置就能控制機床自動更換刀具，完成銑（車）、削、鉆、鉸及攻絲等多道工序。 <3)多坐標數控機床。有些形狀復雜的零件（例如螺旋槳）用三坐標數控機床還是難于加工，為此出現了多坐標數控機床，其特點是數控裝置控制的軸數較多，機床結構比較復雜。多坐標數控機床的坐標軸數常取決于被加工零件的工藝要求。目前常用的多是3-5個坐標的數控機床。 2按刀具相對工件移動的軌跡分類 (Il點位控制數控機床。這類機床的數控裝置只能控制機床移動部件從一個位置(點)精確地移動到另一個位置，且在移動過程中不進行任

35、何加工。這類機床主要有數控坐標鏜床、數控鉆床和數控沖床等。 (2)點位宣線控制數控機床。這類機床的特點是不僅要控制兩相關點之間的位置，還要控制兩相關點之rH的移動路線（軌跡），潑移動路線一般都由與各軸線平行的直線段組成。點位直線控制數控機床和點位控制數控機床的區別在于：當機床移動部件移動時，可以沿一個坐標軸的方向進行切削加T，而且其輔助機能也比較多。這類機床主要有簡易數控車床、數控鏜銑床和自動換刀數控銑床等。 (3)輪廓控制數控機床。輪廓控制即連續軌跡控制，這類機床能夠同時對兩個或兩個以上的坐標軸進行連續軌跡控制，即控制整個加工過程的速度及每個點的位置，故能加工形狀復雜的零件，其輔助機能亦比較

36、齊全。這類機床主要有數控車床、數控磨床、數控銑床及銑削加工中心等。 7.2 3 CNC機械加工中心 機械加工中心作為機電一體化的典型產品，靠機電技術之間的互相促進，得到了很大發展。開發加工中心的目的是實現加工過程自動化，減少切削加工時間和非切削加工時間，提高勞動生產率。 1基本構成 以日本FHNiOOT機械加工中心為例，其機械裝置的規格如表7-1所示。機械加工中通常由以下部分構成：數控x，y，：軸三個移動裝置；能夠進行工件多面加工的回轉工作臺；自動換刀裝置( ATC)；CNC控制器。 2機床的機械裝置 FHNIOOT機械加工中心的機械裝置如圖7-13所示。其主要結構分述如下。 (1)床身、工作

37、臺、立柱 床身上裝有兩個正交導軌，以實現工作臺的*軸運動和立柱的y軸運動。立柱上設置有主軸頭上、下（：軸）運動的導軌，以實現；軸運動。各軸都由與伺服電動機直接連接的大直徑滾珠絲杠驅動，以實現高精度定位。(2)回轉工作臺 安裝工件用回轉工作臺，由電動機驅動進行粗定位，并通過具有72個齒的（每齒5一）端齒分度裝置進行精密定位。 (3)主軸頭 主軸頭通過26 kW(30 min額定)/22 kW（連續額定）的交流伺服電動機實現20 -3 600 r/min之間的無級調速驅動。主軸軸承使用了具有高剛性和高速性的雙列向心球軸承和復合圓錐滾子止推軸承，并使用控制溫度的潤滑油進行強制循環來抑制熱變形。 (4

38、)自動換刀裝置 自動換刀裝置由存放48、64把刀具的刀庫和換刀機械手組成。刀具是按就近判別刀具號碼進行選擇并迅速更換的。(5)隨行夾具更換裝置 在前一個工件的加工過程中，就要進行下一個工件或夾具的安裝，以便第一個工件加工完后，立即更換裝有下一個工件的隨行夾具。隨行夾具存放處一般可存放6 - iO個隨行夾具，以實現長時間地無人化加工。 (6)立式加工設備 該加工中心還備有立式加工設備。這種設備由垂直刀架和垂直加工用刀具及其輸送裝置組成（如圖7 -14所示）。垂直刀架由垂直輸送裝置報送并安裝到主軸上。標準刀庫存放的刀具可利用同一輸送裝置裝在垂直刀架上。 3CNC系統 CNC系統的控制系統框圖如圖7

39、- 15所示，主要由數字控制裝置、輸入輸出設備和驅動控制裝置等組成。加工中心的本體為被控對象。將數控加工程序通過輸入裝置輸入數控裝置，在數控裝置的控制下，通過輸出設備輸出各種信息和指令，驅動裝置驅動機床各部分有序地動作，如控制各坐標軸的進給速度、進給方向和進給位移量、各狀態控制的1/0信號等，以保證刀具和工件之間相對位置的準確性。控制電路中采用了高速微處理器及許多專用大規模集成電路。 CNC系統的控制系統以順序控制為主，可實現接觸式傳感功能、管理功能和自適應功能，利用工（刀）具碼（T碼）選擇工（刀）具，利用速度碼（S碼）選擇主軸轄速，利用回轉T作臺進行分度控制等。 (1)接觸式傳感器的功能 接

40、觸式傳感器的功能如圖7 -16所示。自動定心功能。以主軸中心孔為基準，實現工（刀）具的自動定心。工（刀）具以此孔為加工基準，可以連續自動運轉，不受主軸熱變形和不同工件的影響，并且維持較高的工作精度。 （螢縮短空切時間功能。在切削進給行程范圍內，指定空切范圍以進給速度（蜥）兩倍的速度自動空切送進，當檢測到工具與工件接觸時，開始以正常的進給速度進給，從而縮短了空切時間。 （螢刀具折損檢測功能。能判斷刀具的折損，使機床停止運轉，從而防止下一把刀具被折損或損傷工件。它采用在切削進給中預先設定的刀具與工件未接觸的范圍內進行檢測的方式。 x，y，=軸基準面校正功能。可自動檢測并求出主軸位置與基準面之間的關

41、系測試x,，yJ決定基準面A（x軸）和B（y軸），以此為加工基準實施程序，并以其實際位置為加T基準，連續自動運轉。這種功能消除了熱變形和不同工件尺寸變化的影響，提高了加工精度。 自動檢測校正功能。自動檢測校正系統利用接觸式傳感技術，自動檢測孔徑大小，并以該檢測結果自動調整刀具，以確保加工尺寸的自動校正。自動檢測校正的目的有兩個：一個是掌握批量生產中工件尺寸的變化，適時校正刀頭伸出量，確保加工工件的尺寸接近目標值；另一個是使批量生嚴的首件加工靠操作人員試削_+檢測_+調整刀頭的過程實現自動化。 (2)管理功能 （D刀具的壽命管理。通過預先設定的刀具壽命與實際使用時間進行比較來更換刀具。 備用刀具

42、的自動更換功能。如果刀庫中預先準備有備用刀具，在發出更換刀具指令時，這種功能通過刀具壽命管理功能便可自動地換成備用刀具。 監視功能和故障診斷功能。更換刀具的T碼顯示和接觸式傳感器校正量的顯示等，在監視各種管理信息的同時，通過時序電路、輸入輸出信號的顯示，可發現確切的故障，從而大幅度地減少故障時間。 (3)自適應控制功能 這種功能是通過為各軸進給電動機和主軸電動機設置的檢測器來檢測加工過程中負載的變化情況實現的。如負載值在設定值范圍內變化，則屬正常；如負載突然減小到設定范圍以下，可自動加快進給速度，縮短加工時間；如負載突然增大超過設定范圍，可自動降低進給速度，以防止刀具損傷；如果負載變化過大，應

43、做異常處理。 7.3全自動洗衣機 家用電器大部分是機電一體化系統，其中自動洗衣機是典型的機電一體化系統。全自動洗衣機是在性能良好的渡輪式結構上加上攪拌部分而形成的一種全新式洗衣機。7 3 1洗滌方式 全自動洗衣機的洗滌方式有3種：渡輪式（渦輪為、滾筒式（拍洗）和攪拌式（擺動洗）。圖7 -17是3種洗滌方式的比較。 1渡輪式全自動洗衣機 該機型結構緊湊，使用方便，洗凈率較高，洗滌時間較短，但洗滌過程中容易使衣物纏繞扭絞，從而影響洗滌的均勻性，衣物磨損也較大，不過，現該類機型已作改進，通過選用大渡輪來彌補小渡輪之不足。目前市場上供應最多的是渡輪式全自動洗衣機。 2滾筒式全自動洗衣機 通過連續地旋轉滾筒式洗衣機的滾筒，進行下落洗滌，使滾筒內的衣物通過重力產生的下落來洗滌衣物，或進行反向洗滌，通過反復地向前（順時