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1、第7章典型机电一体化系统,7.1机器人 7.2数控机床 7.3雷达跟踪系统 7.4自动化制造系统,7.1机器人,7.1.1机器人的由来 机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机器人”一同最早并不是一个技术名同，而且至今尚未形成统一的、严格而准确的定义。“机器人”最早出现在19世纪20年代初期捷克的一个科幻内容的话剧中，剧中虚构了一种称为Robota(捷克文，意为苦力、劳役)的人形机器，可以听从主人的命令任劳任怨地从事各种劳动。实际上，真正能够代替人类进行生产劳动的机器人，是在20世纪60年代才问世的。伴随着机械工程、电气工程、控制技术以及信息技术等相关科技的不断发展，到20世纪80年代，
2、机器人开始在汽车制造业、电机制造业等工业生产中大量采用。现在，机器人不仅在工业，而且在农业、商业、医疗、旅游、空间、海洋以及国防等诸多领域获得越来越广泛的应用。,下一页,返回,7.1机器人,7. 1 .2机器人的组成 1.机械本体 机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，也称操作器或操作手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部(末端执行器)、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来确定末端执行装置的方向(姿势)。机械臂上的末端执行装置可以根据操作需
3、要换成焊枪、吸盘、扳手等作业工具。,下一页,上一页,返回,7.1机器人,2.控制系统 控制系统是机器人的指挥中枢，相当于人的大脑功能，负责对作业指令信息、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、沿确定的位置或轨迹运动，完成特定的作业。从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统之分;从控制方式看有程序控制系统、适应性控制系统和智能控制系统之分。,下一页,上一页,返回,7.1机器人,3.驱动器 驱动器是机器人的动力系统，相当于人的心血管系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。因驱动方式的不同，
4、驱动装置可以分成电动、液动和气动三种类型。驱动装置中的电动机、液压缸、气缸可以与操作机直接相连，也可以通过传动机构与执行机构相连。传动机构通常有齿轮传动、链传动、谐波齿轮传动、螺旋传动、带传动等几种类型。,下一页,上一页,返回,7.1机器人,4.传感器 传感器是机器人的感测系统，相当于人的感觉器官，是机器人系统的重要组成部分，包括内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器主要用来检测机器人本身的状态，为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息，如位置传感器、速度传感器等。外部传感器则用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息，又可分成环境传感器和末端执行器传感器两种类型。前者用于识别物体和检测物体
5、与机器人的距离等信息，后者安装在末端执行器上，检测处理精巧作业的感觉信息。常见的外部传感器有力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、视觉传感器等。,下一页,上一页,返回,7.1机器人,7. 1 .3机器人的分类 1.直角坐标机器人 直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴(见图7-1),通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解;但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。主要用于印刷电路基板的元件插人、紧固螺丝等作业。,下一页,上一页,返回,7.1机器
6、人,2.柱面坐标机器人 柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成(见图7-2)，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。主要用于重物的装卸、搬运等作业。著名的Vcr-5atran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人。,下一页,上一页,返回,7.1机器人,3.球面坐标机器人 球面坐标机器人(如图7-3所示)的空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够做前后仲缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的U
7、nimate就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人，但仍大于多关节型机器人。 4.多关节型机器人 多关节型机器人由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。不少著名的机器人都采用了这种型式，其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。,下一页,上一页,返回,7.1机器人,7.1.4机器人技术的进展 国际上第一台工业机器人产品诞生于20世纪60年代，当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器
8、人进人了一个缓慢的发展期，直到进人20世纪80年代，机器人产业才得到了巨大的发展，成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为“机器人元年”。为了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为进一步提高产品质量和市场竟争能力，装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。,下一页,上一页,返回,7.1机器人,20世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，工业机器人技术也得到了飞速发展。现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控(SIC)、可编程
9、、控制器(PLC)一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。 机器人技术用于海洋开发，特别是深海资源的开发，一直是许多国家积极关注的目标。 近年来随着各种智能机器人的研究与发展，能在宇宙空间作业的所谓空间机器人就成为新的研究领域，并已成为空间开发的重要组成部分。 服务机器人是近年来发展很快的一个领域，已成功地应用于医疗、家用、娱乐等人类生活的方方面面。,上一页,返回,7. 2数控机床,7. 2. 1数控机床的产生 随着科学技术的迅速发展，社会对产品多样化的要求愈来愈强烈，从而要求产品更新换代的周期越来越短，使多品种、小批量生产的比重明显增加;同时，随着航空航天
10、、造船、军工、汽车、农业机械等行业对产品性能要求的不断提高，产品中形状复杂的零件越来越多，加工质量要求也不断提高。采用传统的普通加工设备已难以适应这种多样化、柔性化及复杂形状零件的高效率高质量加工的要求。为解决上述问题，一种高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备一数控机床就应运而生了。,下一页,返回,7. 2数控机床,7. 2 .2数控机床的组成 1.机械本体 为数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。 2.动力源 为数控机床提供动力的部分，主要使用电能。 3.电子控制单元 其核心是计算机数控(Computer Numerical Control, CNC)装置，它把接收到的各种数字
11、信息经过泽码、运算和逻辑处理，生成各种指令信息输出给伺服系统，使机床按规定的动作进行加工。这部分还包括相应的外围设备，如显示器、打印机等。,下一页,上一页,返回,7. 2数控机床,4.检测传感部分 检测传感部分主要对工作台的直线位移和回转工作台的角位移进行检测，检测结果送人计算机，或用于位置显示，或用于反馈控制。 5.执行器(伺服系统) 执行器用来驱动机床上的移动部件作相应的运动，并对其定位精度和速度进行控制。如许多数控机床的走刀运动就是利用伺服电机驱动滚珠丝杠来完成的。,下一页,上一页,返回,7. 2数控机床,7. 2. 3数控机床的基本工作原理 在普通机床上加工零件，是由操作者根据零件图纸
12、的要求，不断改变刀具与工件之间相对运动轨迹，由刀具对工件进行切削而加工出要求的零件。而在数控机床上加工零件时，则是将被加工零件的加工顺序、工艺参数和机床运动要求用数控语言编写加工程序，然后输入到CNC装置，CNC装置对加工程序进行一系列处理后，向伺服系统发出执行指令，由伺服系统驱动机床移动部件运动，从而自动完成零件的加工。图7一6为数控机床的工作过程。,下一页,上一页,返回,7. 2数控机床,7.2.4数控机床的分类 1.按数控机床的工艺用途分类 (1)一般数控机床:是与普通机床工艺可行性相似的各种数控机床，其种类与普通机床一样，如数控车床、数控铣床、数控刨床、数控磨床、数控钻床等。 (2)加
13、工中心:是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。 (3)特种数控机床:是装备了数控装置的特种加工机床，如数控线切割机床、数控激光加工机床等。,下一页,上一页,返回,7. 2数控机床,2.按数控机床的运动轨迹分类 (1)点位控制数控机床:其数控装置只控制机床移动部件从一个位置(点)移动到另一个位置(点)，而不控制点到点之间的运动轨迹，刀具在移动过程中不进行切削加工。如数控钻床、数控冲床等。 (2)直线控制数控机床:其数控装置除了要控制机床移动部件的起点和终点的准确位置外，还要控制移动部件以适当速度沿平行于某一机床坐标轴方向或与机床坐标轴成45的方向进行直线切削加工。如简易数控车床、简易数控磨床等。
14、(3)轮廓控制数控机床:其数控装置能够同时对两个或两个以上坐标轴进行联动控制，从而实现曲线轮廓和曲面的加工。如具有两坐标或两坐标以上联动的数控铣床、数控车床等。,下一页,上一页,返回,7. 2数控机床,3.按伺服系统的控制方式分类 (1)开环控制系统:指不带反馈的控制系统，即系统没有位置反馈元件，通常以功率步进电机或电液伺服电机作为执行机构。 (2)半闭环控制系统:半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移检测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，然后反馈给数控装置。 (3)闭环控制系统:是在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的结果直接反馈到数控装置中，与输入的指令位移进
15、行比较，用偏差进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位。,下一页,上一页,返回,7. 2数控机床,4.按控制的坐标轴数分类 (1)两坐标数控机床:指可以同时控制两个坐标轴联动而能加工曲线轮廓零件的机床，如数控车床。 (2)三坐标数控机床:指可以联动控制的坐标轴为三轴的数控机床，可以用于加工不太复杂的空间曲面，如三坐标数控铣床。 (3)两个半坐标数控机床:这类机床本身有3个坐标轴，能作3个方向运动，但控制装置只能同时联动控制两个坐标轴，第三个坐标轴仅能作等距的周期移动，如经济型数控铣床。 (4)多坐标数控机床:指可以联动控制的坐标轴为四轴和四轴以上的机床，其机床结构复杂、控制精度
16、较高、加工程序复杂，主要用于加工形状复杂的零件，如五坐标数控铣床。,下一页,上一页,返回,7. 2数控机床,7. 2. 5数控机床的加工特点 (1)对零件加工的适应性强:通过改变加工程序可对不同零件进行加工，特别适应于目前多品种、小批量、产品更新快的生产特征。 (2)自动化程度高:一般情况下，除了装卸工件外，其他大部分加工过程都由机床自动完成，大大减轻了工人的劳动强度。 (3)加工质量稳定:在加工过程，机床自始至终都在给定的控制指令下工作，消除了操作者的技术水平及情绪变化对加工质量的影响，因而加工质量稳定且一批零件的尺寸一致性好。,下一页,上一页,返回,7. 2数控机床,(4)生产效率高:数控机床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，另外在加工中心上，由于刀库的使用，可实现在一台机床上进行多道工序的连续加工，大大减少了零件的加工时间和辅助时间，因而生产率高。 (5)利于生产管理现代化:数控机床使用数字信号与标准代码作为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础。,下一页,上一页,返回
