第七講典型的機電一體化

第七講主講：晏良俊聯(lián)系方式-mail:yanliangjun1@126.comQQ:364790339主要內(nèi)容第1章

概論第2章

機械系統(tǒng)的部件選擇與設計第3章執(zhí)行元件的分類及控制用電機的驅(qū)動第4章微機控制系統(tǒng)及接口設計第5章機電一體化系統(tǒng)中的檢測傳感器第6章機電一體化系統(tǒng)的控制策略第7章典型機電一體化系統(tǒng)實例第7章典型機電一體化系統(tǒng)實例

7.1機電一體化系統(tǒng)設計要點7.2數(shù)控機床

7.3工業(yè)機器人7.4自動切割機

7.1機電一體化系統(tǒng)設計要點7.1.1基本開發(fā)思路7.1.2用戶要求的抽象7.1.3功能要素和功能模塊7.1.4接口設計要點7.1.5系統(tǒng)整體方案擬定和評價7.1.6制作與調(diào)試7.1.1基本開發(fā)思路機電一體化產(chǎn)品設計過程可劃分為四個階段：（一）準備階段（二）理論設計階段（三）產(chǎn)品的設計實施階段（四）設計定型階段（一）準備階段在這個階段中首先對設計對象進行機理分析，確定產(chǎn)品的規(guī)格、性能參數(shù)；然后進行技術(shù)分析，擬定系統(tǒng)總體方案，劃分組成系統(tǒng)的各功能要素和功能模塊，最后對各種方案進行可行性研究對比，確定最佳總體方案。以玻璃管切割為例人工切割照片單機切割照片總體設計方案（二）理論設計階段在這個階段中首先根據(jù)設計目標、功能要素和功能模塊，畫出機器工作時序圖和機器傳動原理圖；計算各功能模塊之間接口的輸入輸出參數(shù)，確定接口設計的任務歸屬。然后以功能模塊為單元，根據(jù)接口參數(shù)的要求對信號檢測與轉(zhuǎn)換、機械傳動及工作機構(gòu)、控制微機、功率驅(qū)動及執(zhí)行元件等進行功能模塊的選型、組配、設計；最后對所進行的設計進行整體技術(shù)經(jīng)濟評價、設計目標考核和系統(tǒng)優(yōu)化，挑選出綜合性能指標最優(yōu)的設計。（三）產(chǎn)品的設計實施階段在這一階段中首先根據(jù)機械、電氣圖紙，制造和裝配各功能模塊；然后進行模塊的調(diào)試；最后進行系統(tǒng)整體的安裝調(diào)試，復核系統(tǒng)的可靠性及抗干擾性。（四）設計定型階段該階段的主要任務是對調(diào)試成功的系統(tǒng)進行工藝定型，整理出設計圖紙、軟件清單、零部件清單、元器件清單及調(diào)試紀錄等。編寫設計說明書，為產(chǎn)品投產(chǎn)時的工藝設計、材料采購和銷售提供詳細的技術(shù)檔案資料?？v觀系統(tǒng)的設計流程，設計過程的各階段均貫穿著圍繞產(chǎn)品設計的目標所進行的。7.1.2用戶要求的抽象用戶的需求雖然是設計所要達到的最終目標，但它并不全是設計的技術(shù)參數(shù)，因為用戶對產(chǎn)品提出的要求往往面向產(chǎn)品的使用目的。因此，需要對用戶的要求進行抽象，要在分析對象工作原理的基礎上，澄清用戶需求的目的、原因和具體內(nèi)容，經(jīng)過理論分析和邏輯推理，提煉出問題的本質(zhì)和解決問題的途徑，并用工程語言描述設計要求，最終形成產(chǎn)品的規(guī)格和性能參數(shù)。對于加工機械而言，它包括如下幾個方面：

1．運動參數(shù)表征機器工作部件的運動軌跡和形成、速度和加速度。2．動力參數(shù)表征機器為完成加工動作應輸出的力（或力矩）和功率。3．品質(zhì)參數(shù)表征機器工作的運動精度、動力精度、穩(wěn)定性、可靠性。4．環(huán)境參數(shù)表征機器工作的環(huán)境，如溫度、濕度、輸入電源。5．結(jié)構(gòu)參數(shù)表征機器空間幾何尺寸、結(jié)構(gòu)、外觀造型。6．界面參數(shù)表征機器的人—機對話方式和功能。7.1.3功能要素和功能模塊機電一體化系統(tǒng)的功能要素是通過具體的技術(shù)物理效應實現(xiàn)的，一個功能要素可能是一個功能模塊，也可能由若干個功能模塊組合而成，或者是一個機電一體化子系統(tǒng)。進行機電一體化系統(tǒng)的設計時，將功能模塊視為構(gòu)成系統(tǒng)的基本單元，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成的原理和方法，研究它們的輸入輸出關(guān)系，并以一定的邏輯關(guān)系連接起來，實現(xiàn)系統(tǒng)的總功能。因此可以說機電一體化系統(tǒng)的設計過程是一個從模塊到系統(tǒng)的設計過程。7.1.4接口設計要點接口設計的總?cè)蝿帐歉鶕?jù)劃分出來功能模塊解決功能模塊間的信號匹配以及速度和功率匹配問題。接口分為電氣接口（傳感器、驅(qū)動、控制器等）和機械接口（各傳動部件、連接部件等）。7.1.5系統(tǒng)整體方案擬定和評價系統(tǒng)總體方案文件的內(nèi)容應包括：（1）系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標、原理圖及文字說明；如機械圖紙、電氣連接圖、控制電路圖、性能指標及說明文字等。（2）控制策略及方案；是采用開環(huán)、半閉環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)。（3）各功能模塊的性能要求，模塊實現(xiàn)的初步方案及輸出輸入邏輯關(guān)系的參數(shù)指標；（4）方案比較和選擇的初步印象；（5）為保證系統(tǒng)性能指標所采取的技術(shù)措施；（6）抗干擾及可靠性設計策略；（7）外觀造型方案及機械主體方案；（8）人員組織要求；（9）經(jīng)費和進度計劃的安排。在設計階段應對不同的方案進行整體評價，擇優(yōu)選擇綜合指標最優(yōu)的設計方案，一般要求按照以下原則：1．減少機械傳動部件，機械結(jié)構(gòu)簡化，體積減小，提高系統(tǒng)動態(tài)響應性能和運動精度。2．注意選用標準、通用的功能模塊，避免功能模塊在低水平上的重復設計，提高系統(tǒng)在模塊級上的可靠性，加快設計開發(fā)的速度。3．充分運用硬件功能軟件化原則，使硬件的組成最簡單，使系統(tǒng)智能化。4．以微機系統(tǒng)為核心的設計策略。7.1.6制作與調(diào)試制作與調(diào)試分為兩個步驟：第一步是功能模塊的制作與調(diào)試；第二步是系統(tǒng)整體安裝與調(diào)試。7.2數(shù)控機床7.2.1數(shù)控機床的組成7.2.2數(shù)控車床的機械結(jié)構(gòu)7.2.3數(shù)控機床微機系統(tǒng)硬件7.2.4數(shù)控機床的軟件構(gòu)成數(shù)字控制技術(shù)是從金屬切削機床數(shù)控的基礎上發(fā)展起來的。自1952年由美國帕森斯公司與麻省理工學院機構(gòu)實驗室研制成功世界上第一臺三坐標數(shù)控銑床以來，數(shù)控機床經(jīng)歷了硬件數(shù)控（NC）、計算機數(shù)控（CNC）、多機臺計算機直接群控（DNC）和微機數(shù)控（MNC）五個發(fā)展階段，形成了門類齊全、品種繁多的數(shù)控機床，如數(shù)控車床、銑床、鉆床、磨床和加工中心等。本節(jié)是以普通車床改造為數(shù)控車床為例來介紹數(shù)控機床的設計要點。7.2.1數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的伺服控制方法：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制。7.2.2數(shù)控車床的機械結(jié)構(gòu)1—電動機2—聯(lián)軸器3—橫向步進電機4—縱向步進電機5—聯(lián)軸器6—縱向微調(diào)機構(gòu)7—橫向微調(diào)機構(gòu)8—橫向螺母9—縱向螺母10—橫向微調(diào)機構(gòu)11—縱向滾珠絲杠數(shù)控車床實物照片TND360型數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)

圖中是TND360型數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)，主電動機一端經(jīng)同步齒形帶（m＝3.183mm）拖動主軸箱內(nèi)的軸Ⅰ，另一端帶動測速發(fā)電機實現(xiàn)速度反饋。主軸Ⅰ上有一雙聯(lián)滑移齒輪，經(jīng)84/60使主軸得到800～3150r/min的高速段，經(jīng)29/86使主軸得到7～760r/min的低速段。主電動機為額定轉(zhuǎn)速2000r/min，最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，最低轉(zhuǎn)速為35r/min?；讫X輪變速采用液壓缸操縱。1、步進電動機與絲杠聯(lián)接

步進電動機與絲杠的聯(lián)接方式有直連式（同軸連接）和齒輪聯(lián)接兩種形式。為了便于編程和保證加工精度，一般要求縱向運動的步進當量為0.01mm，橫向運動的步進當量為0.005mm直連方式1—車床支架2—銷釘3—聯(lián)軸套4—步進電動機齒輪聯(lián)接方式齒輪聯(lián)接方式要注意計算傳動比2、步進電動機與床身的聯(lián)接

步進電動機與床身的聯(lián)接，不但要求安裝方便、可靠，同時又能確保精度。常用的有固定板聯(lián)接和變速箱聯(lián)接兩種，如圖固定板連接1—床身2—齒輪箱3-變速齒輪4-絲杠支架

聯(lián)接板聯(lián)接

1-床身2-圓柱套筒3-聯(lián)接板4-步進電動機5-齒輪6-絲杠托架7-絲杠固定板聯(lián)接3、自動回轉(zhuǎn)刀架

加工復雜工件時，需要幾把車刀輪換使用，這就要求刀架能自動換位如圖所示。9-渦輪蝸桿傳動請考慮是否可采用間歇機構(gòu)？4、電動機尾架

數(shù)控車床為實現(xiàn)軸類零件的自動化加工，采用了電動尾架裝置，圖中是適用于經(jīng)濟型數(shù)控車床的可控電動尾架。1—刀位觸點2—膠木板3—觸點4—刀臺5—螺桿副6—精密齒盤7—變速齒輪8—蝸輪9—滑套式蝸桿10—停車開關(guān)11—刀架座12—壓簧13—粗定位7.2.3數(shù)控機床微機控制系統(tǒng)數(shù)控機床微機系統(tǒng)有兩種基本形式，即經(jīng)濟型和全功能型。所謂經(jīng)濟型系統(tǒng)是用一個微機芯片作主控單元，伺服系統(tǒng)大都為功率步進電動機，采用開環(huán)控制系統(tǒng)，步進當量為0.01~0.005mm/脈沖，機床快速移動速度為5~8m/min，傳動精度較低，功能也較為簡單。本節(jié)主要以經(jīng)濟型數(shù)控機床為例來介紹微機硬件系統(tǒng)。1、單片機系統(tǒng)

程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器操作面板的輸入P1口各功能開關(guān)輸出存儲器地址輸出P0和P2口作為地址總線和數(shù)據(jù)總線口縱向和橫向進給步進電機控制信號輸出面板各功能開關(guān)（1）存儲器擴展電路

當系統(tǒng)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器不能滿足使用要求時，進行系統(tǒng)功能擴展增加EPROM和RAM返回31（2）面板操作鍵和功能選擇開關(guān)

P1口與面板操作開關(guān)的連接用于手動操作進給鍵、可中斷程序的運行、SA1是一個兩位開關(guān)，用于單段/連續(xù)控制等功能的選擇返回31面板各功能開關(guān)用于編輯、空運行、自動、回零、手動、通訊等功能的選擇返回31（3）M·S·T接口

M·S·T信號有兩個特點：一是信號功率較大，二是信號控制的都是220V或380V強電開關(guān)器件，因此必須進行信號放大和采用嚴格的電氣隔離措施，返回31譯碼器返回402、系統(tǒng)與STD總線的連接

如圖所示為一種兩坐標的STD數(shù)控系統(tǒng)。它由CPU、帶掉電保護的RAM、鍵盤、步進電動機接口、I/O接口、CRT顯示接口等6個模板組成。3、全功能型數(shù)控系統(tǒng)的硬件

進給驅(qū)動主軸驅(qū)動換刀S/M/T驅(qū)動7.2.4數(shù)控機床的軟件構(gòu)成數(shù)控機床的軟件分為系統(tǒng)軟件（控制軟件）和應用軟件（加工軟件）兩部分。應用軟件是描述被加工零件的幾何形狀、加工順序、工藝參數(shù)的程序，它用國際標準的數(shù)控編程語言編程。如G、M、F、T等指令構(gòu)成的。系統(tǒng)軟件是為完成機床數(shù)控而編制的系統(tǒng)軟件，一般應包括輸入數(shù)據(jù)預處理、插補運算、速度控制、自診斷和管理程序等模塊。因為各數(shù)控系統(tǒng)的功能設置、控制方案、硬件線路均不相同，因此在軟件結(jié)構(gòu)和規(guī)模上相差很大?？刂栖浖ㄒ韵鹿δ?、數(shù)據(jù)輸入模塊2、數(shù)據(jù)處理模塊3、插補運算模塊4、速度控制模塊5、輸出控制模塊6、管理程序7、診斷程序7.3工業(yè)機器人7.3.1工業(yè)機器人的組成與分類工業(yè)機器人（IndustrialRobot）是一種能夠模擬人的手、臂的部分動作，按照預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操作工具的自動化裝置，是具有發(fā)展前途的機電一體化典型產(chǎn)品，將在實現(xiàn)柔性自動化生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、代替人在惡劣環(huán)境下工作中發(fā)揮重大作用。1.工業(yè)機器人的組成2.工業(yè)機器人的分類（1）直角坐標型（如圖a所示）在X、Y、Z三個方向能夠作相互垂直運動，并且手臂自轉(zhuǎn)。機器人的操作范圍在空間長方體內(nèi)。（2）圓柱坐標型（如圖b所示）機身能夠繞底座旋轉(zhuǎn)運動，手臂可上下運動和旋轉(zhuǎn)運動，機器人的操作范圍在空間的圓柱體內(nèi)。（3）極坐標型（如圖c所示）機器人的手臂可在平面極坐標范圍內(nèi)運動，而整個手臂可在空間上下運動，使操作范圍在空間的任意位置。（4）SCARA型（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）具有選擇順應性裝配機器人手臂（如圖d所示）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，也就是，手在水平方向上可移動到任何位置，在垂直方向上則只能上下移動。這樣就非常有利于裝配作業(yè)。它有大臂回轉(zhuǎn)、小臂回轉(zhuǎn)、腕部升降和回轉(zhuǎn)四個自由度。（5）多關(guān)節(jié)型（如圖e所示）就象人的手一樣，手臂，手腕等多處有自由回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，使手的操作范圍可到達空間任何位置。a）b）c）7.3.2機器人的主要技術(shù)指標握取重量：臂力，即機器人的負荷能力，通常指正常運動速度下所能夠握取的工件重量。運動速度：與握取重量、定位、精度等參數(shù)有關(guān)。定位精度：是衡量機器人工作質(zhì)量的一項重要指標。取決于控制精度，運動部件制造精度等。程序編制和存儲容量：反應機器人的控制能力。7.3.3SCARA型機器人系統(tǒng)實例分析1.裝配機器人的結(jié)構(gòu)及被裝配雷管組成雷管裝配機器人的結(jié)構(gòu)如圖所示。SCARA型機器人用于裝配40火花式電雷管，代替人從事易燃易爆的危險工作。電雷管由四部件組成：1—螺釘2—導電帽3—彈簧4—雷管體返回返回2.SCARA型機器人的裝配工藝過程：將導電帽彈簧組合件裝配在雷管4上。將小螺釘擰到雷管體上，把導電帽、彈簧組合件與雷管體聯(lián)成一體。檢測雷管體外徑、總高度、雷管體與導電體之間是否短路。雷管體、彈簧組合件、及裝配好的成品都放置在10行×10列的料盤內(nèi)。而小螺釘散放在振動料斗16內(nèi)。3.總體結(jié)構(gòu)：共三只手，右手將彈簧組合件從料盤13中取出，放在中臂的料盤17上，雷管體由左手從料盤13’上移動到料盤17上，由中臂在料盤17上完成裝配工作，再由右臂把成品從料盤17放到成品料盤18中。說明：左右手臂的大臂由步進電機5和5’驅(qū)動，中間裝有諧波減速器6和6’，7和7’為位置反饋光電編碼器，及時反饋手的位置。下面的8，9，10是指揮小臂的驅(qū)動系統(tǒng)。料盤13彈簧組合件雷管體中臂在料盤17上完成裝配右臂把成品從料盤17放到成品料盤187和7’為位置反饋光電編碼器8，9，10是指揮小臂的驅(qū)動系統(tǒng)振動料斗4.驅(qū)動系統(tǒng)：機器人兩手臂在X—Y平面內(nèi)的運動是由步進電機驅(qū)動的。一個關(guān)節(jié)的電機驅(qū)動系統(tǒng)如圖所示。5.控制、檢測傳感系統(tǒng)：7個渦流式傳感器分別檢測：兩個手臂到達裝配點的位置、雷管直徑與高度、手爪是否抓住雷管體及雷管體與導電帽的短路狀態(tài)等。這些信號送到測量儀與設定值進行比較，確定是否合格，再經(jīng)過測量接口電路送到CPU工控機進行處理產(chǎn)生中斷信號。計算機的輸出接口有兩部分：一部分由17路驅(qū)動氣動電磁閥。根據(jù)計算機指令，使左右手腕分別作升降回轉(zhuǎn)動作，使手爪作閉合夾緊動作等。另一路16路，分別向4臺步進電機發(fā)出置位、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(qū)動電路，使步進電機按照預定程序作啟動、升降速運轉(zhuǎn)和停止動作。四臺步進電機的軸伸端分別與左右大小臂聯(lián)結(jié)，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(fā)出到位信號，計算機收到這一信號后，發(fā)出停止指令，使步進電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(shù)器記錄的步進電機步進數(shù)與預置步進數(shù)相一致時，計算機發(fā)出停止命令。這時在步進電機的另一軸伸端分別連接一個光電編碼器，步進電機每走一步，光電編碼器發(fā)一個脈沖。步進電機的轉(zhuǎn)動方向由方向判別電路判別。6.微機系統(tǒng)的組成7.4玻璃管自動切割機切割機的主要機械結(jié)構(gòu)自動進料機構(gòu)

管件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)

自動進刀機構(gòu)高速切割機構(gòu)切割機的動力系統(tǒng)及配電方案自動控制系統(tǒng)切割機中的檢測傳感器水壓力傳感器；水位傳感器；缺料檢測傳感器；進刀傳感器；刀具磨損檢測傳感器；自動進料機構(gòu)缺口盤勻速轉(zhuǎn)動，