第七讲典型的机电一体化

第七讲主讲：晏良俊联系方式-mail:yanliangjun1@126.comQQ:364790339主要内容第1章

概论第2章

机械系统的部件选择与设计第3章执行元件的分类及控制用电机的驱动第4章微机控制系统及接口设计第5章机电一体化系统中的检测传感器第6章机电一体化系统的控制策略第7章典型机电一体化系统实例第7章典型机电一体化系统实例

7.1机电一体化系统设计要点7.2数控机床

7.3工业机器人7.4自动切割机

7.1机电一体化系统设计要点7.1.1基本开发思路7.1.2用户要求的抽象7.1.3功能要素和功能模块7.1.4接口设计要点7.1.5系统整体方案拟定和评价7.1.6制作与调试7.1.1基本开发思路机电一体化产品设计过程可划分为四个阶段：（一）准备阶段（二）理论设计阶段（三）产品的设计实施阶段（四）设计定型阶段（一）准备阶段在这个阶段中首先对设计对象进行机理分析，确定产品的规格、性能参数；然后进行技术分析，拟定系统总体方案，划分组成系统的各功能要素和功能模块，最后对各种方案进行可行性研究对比，确定最佳总体方案。以玻璃管切割为例人工切割照片单机切割照片总体设计方案（二）理论设计阶段在这个阶段中首先根据设计目标、功能要素和功能模块，画出机器工作时序图和机器传动原理图；计算各功能模块之间接口的输入输出参数，确定接口设计的任务归属。然后以功能模块为单元，根据接口参数的要求对信号检测与转换、机械传动及工作机构、控制微机、功率驱动及执行元件等进行功能模块的选型、组配、设计；最后对所进行的设计进行整体技术经济评价、设计目标考核和系统优化，挑选出综合性能指标最优的设计。（三）产品的设计实施阶段在这一阶段中首先根据机械、电气图纸，制造和装配各功能模块；然后进行模块的调试；最后进行系统整体的安装调试，复核系统的可靠性及抗干扰性。（四）设计定型阶段该阶段的主要任务是对调试成功的系统进行工艺定型，整理出设计图纸、软件清单、零部件清单、元器件清单及调试纪录等。编写设计说明书，为产品投产时的工艺设计、材料采购和销售提供详细的技术档案资料。纵观系统的设计流程，设计过程的各阶段均贯穿着围绕产品设计的目标所进行的。7.1.2用户要求的抽象用户的需求虽然是设计所要达到的最终目标，但它并不全是设计的技术参数，因为用户对产品提出的要求往往面向产品的使用目的。因此，需要对用户的要求进行抽象，要在分析对象工作原理的基础上，澄清用户需求的目的、原因和具体内容，经过理论分析和逻辑推理，提炼出问题的本质和解决问题的途径，并用工程语言描述设计要求，最终形成产品的规格和性能参数。对于加工机械而言，它包括如下几个方面：

1．运动参数表征机器工作部件的运动轨迹和形成、速度和加速度。2．动力参数表征机器为完成加工动作应输出的力（或力矩）和功率。3．品质参数表征机器工作的运动精度、动力精度、稳定性、可靠性。4．环境参数表征机器工作的环境，如温度、湿度、输入电源。5．结构参数表征机器空间几何尺寸、结构、外观造型。6．界面参数表征机器的人—机对话方式和功能。7.1.3功能要素和功能模块机电一体化系统的功能要素是通过具体的技术物理效应实现的，一个功能要素可能是一个功能模块，也可能由若干个功能模块组合而成，或者是一个机电一体化子系统。进行机电一体化系统的设计时，将功能模块视为构成系统的基本单元，根据系统构成的原理和方法，研究它们的输入输出关系，并以一定的逻辑关系连接起来，实现系统的总功能。因此可以说机电一体化系统的设计过程是一个从模块到系统的设计过程。7.1.4接口设计要点接口设计的总任务是根据划分出来功能模块解决功能模块间的信号匹配以及速度和功率匹配问题。接口分为电气接口（传感器、驱动、控制器等）和机械接口（各传动部件、连接部件等）。7.1.5系统整体方案拟定和评价系统总体方案文件的内容应包括：（1）系统的主要功能、技术指标、原理图及文字说明；如机械图纸、电气连接图、控制电路图、性能指标及说明文字等。（2）控制策略及方案；是采用开环、半闭环还是闭环系统。（3）各功能模块的性能要求，模块实现的初步方案及输出输入逻辑关系的参数指标；（4）方案比较和选择的初步印象；（5）为保证系统性能指标所采取的技术措施；（6）抗干扰及可靠性设计策略；（7）外观造型方案及机械主体方案；（8）人员组织要求；（9）经费和进度计划的安排。在设计阶段应对不同的方案进行整体评价，择优选择综合指标最优的设计方案，一般要求按照以下原则：1．减少机械传动部件，机械结构简化，体积减小，提高系统动态响应性能和运动精度。2．注意选用标准、通用的功能模块，避免功能模块在低水平上的重复设计，提高系统在模块级上的可靠性，加快设计开发的速度。3．充分运用硬件功能软件化原则，使硬件的组成最简单，使系统智能化。4．以微机系统为核心的设计策略。7.1.6制作与调试制作与调试分为两个步骤：第一步是功能模块的制作与调试；第二步是系统整体安装与调试。7.2数控机床7.2.1数控机床的组成7.2.2数控车床的机械结构7.2.3数控机床微机系统硬件7.2.4数控机床的软件构成数字控制技术是从金属切削机床数控的基础上发展起来的。自1952年由美国帕森斯公司与麻省理工学院机构实验室研制成功世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控机床经历了硬件数控（NC）、计算机数控（CNC）、多机台计算机直接群控（DNC）和微机数控（MNC）五个发展阶段，形成了门类齐全、品种繁多的数控机床，如数控车床、铣床、钻床、磨床和加工中心等。本节是以普通车床改造为数控车床为例来介绍数控机床的设计要点。7.2.1数控机床的组成数控机床的伺服控制方法：开环控制、半闭环控制和闭环控制。7.2.2数控车床的机械结构1—电动机2—联轴器3—横向步进电机4—纵向步进电机5—联轴器6—纵向微调机构7—横向微调机构8—横向螺母9—纵向螺母10—横向微调机构11—纵向滚珠丝杠数控车床实物照片TND360型数控机床的主传动系统

图中是TND360型数控机床的主传动系统，主电动机一端经同步齿形带（m＝3.183mm）拖动主轴箱内的轴Ⅰ，另一端带动测速发电机实现速度反馈。主轴Ⅰ上有一双联滑移齿轮，经84/60使主轴得到800～3150r/min的高速段，经29/86使主轴得到7～760r/min的低速段。主电动机为额定转速2000r/min，最高转速为4000r/min，最低转速为35r/min。滑移齿轮变速采用液压缸操纵。1、步进电动机与丝杠联接

步进电动机与丝杠的联接方式有直连式（同轴连接）和齿轮联接两种形式。为了便于编程和保证加工精度，一般要求纵向运动的步进当量为0.01mm，横向运动的步进当量为0.005mm直连方式1—车床支架2—销钉3—联轴套4—步进电动机齿轮联接方式齿轮联接方式要注意计算传动比2、步进电动机与床身的联接

步进电动机与床身的联接，不但要求安装方便、可靠，同时又能确保精度。常用的有固定板联接和变速箱联接两种，如图固定板连接1—床身2—齿轮箱3-变速齿轮4-丝杠支架

联接板联接

1-床身2-圆柱套筒3-联接板4-步进电动机5-齿轮6-丝杠托架7-丝杠固定板联接3、自动回转刀架

加工复杂工件时，需要几把车刀轮换使用，这就要求刀架能自动换位如图所示。9-涡轮蜗杆传动请考虑是否可采用间歇机构？4、电动机尾架

数控车床为实现轴类零件的自动化加工，采用了电动尾架装置，图中是适用于经济型数控车床的可控电动尾架。1—刀位触点2—胶木板3—触点4—刀台5—螺杆副6—精密齿盘7—变速齿轮8—蜗轮9—滑套式蜗杆10—停车开关11—刀架座12—压簧13—粗定位7.2.3数控机床微机控制系统数控机床微机系统有两种基本形式，即经济型和全功能型。所谓经济型系统是用一个微机芯片作主控单元，伺服系统大都为功率步进电动机，采用开环控制系统，步进当量为0.01~0.005mm/脉冲，机床快速移动速度为5~8m/min，传动精度较低，功能也较为简单。本节主要以经济型数控机床为例来介绍微机硬件系统。1、单片机系统

程序存储器和数据存储器操作面板的输入P1口各功能开关输出存储器地址输出P0和P2口作为地址总线和数据总线口纵向和横向进给步进电机控制信号输出面板各功能开关（1）存储器扩展电路

当系统的程序存储器和数据存储器不能满足使用要求时，进行系统功能扩展增加EPROM和RAM返回31（2）面板操作键和功能选择开关

P1口与面板操作开关的连接用于手动操作进给键、可中断程序的运行、SA1是一个两位开关，用于单段/连续控制等功能的选择返回31面板各功能开关用于编辑、空运行、自动、回零、手动、通讯等功能的选择返回31（3）M·S·T接口

M·S·T信号有两个特点：一是信号功率较大，二是信号控制的都是220V或380V强电开关器件，因此必须进行信号放大和采用严格的电气隔离措施，返回31译码器返回402、系统与STD总线的连接

如图所示为一种两坐标的STD数控系统。它由CPU、带掉电保护的RAM、键盘、步进电动机接口、I/O接口、CRT显示接口等6个模板组成。3、全功能型数控系统的硬件

进给驱动主轴驱动换刀S/M/T驱动7.2.4数控机床的软件构成数控机床的软件分为系统软件（控制软件）和应用软件（加工软件）两部分。应用软件是描述被加工零件的几何形状、加工顺序、工艺参数的程序，它用国际标准的数控编程语言编程。如G、M、F、T等指令构成的。系统软件是为完成机床数控而编制的系统软件，一般应包括输入数据预处理、插补运算、速度控制、自诊断和管理程序等模块。因为各数控系统的功能设置、控制方案、硬件线路均不相同，因此在软件结构和规模上相差很大。控制软件包括以下功能1、数据输入模块2、数据处理模块3、插补运算模块4、速度控制模块5、输出控制模块6、管理程序7、诊断程序7.3工业机器人7.3.1工业机器人的组成与分类工业机器人（IndustrialRobot）是一种能够模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置，是具有发展前途的机电一体化典型产品，将在实现柔性自动化生产、提高产品质量、代替人在恶劣环境下工作中发挥重大作用。1.工业机器人的组成2.工业机器人的分类（1）直角坐标型（如图a所示）在X、Y、Z三个方向能够作相互垂直运动，并且手臂自转。机器人的操作范围在空间长方体内。（2）圆柱坐标型（如图b所示）机身能够绕底座旋转运动，手臂可上下运动和旋转运动，机器人的操作范围在空间的圆柱体内。（3）极坐标型（如图c所示）机器人的手臂可在平面极坐标范围内运动，而整个手臂可在空间上下运动，使操作范围在空间的任意位置。（4）SCARA型（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）具有选择顺应性装配机器人手臂（如图d所示）机器人在水平方向具有顺应性，而在垂直方向则具有很大的刚性，也就是，手在水平方向上可移动到任何位置，在垂直方向上则只能上下移动。这样就非常有利于装配作业。它有大臂回转、小臂回转、腕部升降和回转四个自由度。（5）多关节型（如图e所示）就象人的手一样，手臂，手腕等多处有自由回转关节，使手的操作范围可到达空间任何位置。a）b）c）7.3.2机器人的主要技术指标握取重量：臂力，即机器人的负荷能力，通常指正常运动速度下所能够握取的工件重量。运动速度：与握取重量、定位、精度等参数有关。定位精度：是衡量机器人工作质量的一项重要指标。取决于控制精度，运动部件制造精度等。程序编制和存储容量：反应机器人的控制能力。7.3.3SCARA型机器人系统实例分析1.装配机器人的结构及被装配雷管组成雷管装配机器人的结构如图所示。SCARA型机器人用于装配40火花式电雷管，代替人从事易燃易爆的危险工作。电雷管由四部件组成：1—螺钉2—导电帽3—弹簧4—雷管体返回返回2.SCARA型机器人的装配工艺过程：将导电帽弹簧组合件装配在雷管4上。将小螺钉拧到雷管体上，把导电帽、弹簧组合件与雷管体联成一体。检测雷管体外径、总高度、雷管体与导电体之间是否短路。雷管体、弹簧组合件、及装配好的成品都放置在10行×10列的料盘内。而小螺钉散放在振动料斗16内。3.总体结构：共三只手，右手将弹簧组合件从料盘13中取出，放在中臂的料盘17上，雷管体由左手从料盘13’上移动到料盘17上，由中臂在料盘17上完成装配工作，再由右臂把成品从料盘17放到成品料盘18中。说明：左右手臂的大臂由步进电机5和5’驱动，中间装有谐波减速器6和6’，7和7’为位置反馈光电编码器，及时反馈手的位置。下面的8，9，10是指挥小臂的驱动系统。料盘13弹簧组合件雷管体中臂在料盘17上完成装配右臂把成品从料盘17放到成品料盘187和7’为位置反馈光电编码器8，9，10是指挥小臂的驱动系统振动料斗4.驱动系统：机器人两手臂在X—Y平面内的运动是由步进电机驱动的。一个关节的电机驱动系统如图所示。5.控制、检测传感系统：7个涡流式传感器分别检测：两个手臂到达装配点的位置、雷管直径与高度、手爪是否抓住雷管体及雷管体与导电帽的短路状态等。这些信号送到测量仪与设定值进行比较，确定是否合格，再经过测量接口电路送到CPU工控机进行处理产生中断信号。计算机的输出接口有两部分：一部分由17路驱动气动电磁阀。根据计算机指令，使左右手腕分别作升降回转动作，使手爪作闭合夹紧动作等。另一路16路，分别向4台步进电机发出置位、升降速、方向及停止信号，并通过升降速电路、脉冲分配器、功率驱动电路，使步进电机按照预定程序作启动、升降速运转和停止动作。四台步进电机的轴伸端分别与左右大小臂联结，使手臂在装配点与取（放）工件点之间运动。当手臂回到装配点时，相应的电涡流传感器发出到位信号，计算机收到这一信号后，发出停止指令，使步进电机与相应的手臂停止运动。当手臂到达取（放）工件点时，由计数器记录的步进电机步进数与预置步进数相一致时，计算机发出停止命令。这时在步进电机的另一轴伸端分别连接一个光电编码器，步进电机每走一步，光电编码器发一个脉冲。步进电机的转动方向由方向判别电路判别。6.微机系统的组成7.4玻璃管自动切割机切割机的主要机械结构自动进料机构

管件旋转驱动机构

自动进刀机构高速切割机构切割机的动力系统及配电方案自动控制系统切割机中的检测传感器水压力传感器；水位传感器；缺料检测传感器；进刀传感器；刀具磨损检测传感器；自动进料机构缺口盘匀速转动，