典型机电一体化系统设计具体实例简介

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1、返回目录回看结束放映 第九章 典型机电一体化系统设计 简 介第一节 计算机数控机床第二节 工业机器人第三节 汽车的机电一体化概况第四节 三坐标测量机 第五节 自动售票机第六节 自动售货机 第七节 电子秤第八节 电子灶烹调自动化习题与思考题1返回目录回看结束放映第一节 计算机数控（CNC）机床 一、 机械加工中心（MC）1. 基本组成机械加工中心作为机电一体化的典型产品，靠机电之间的 互相促进，得到了很大发展，开发加工中心的目的是实现加工 过程自动化，减少切削加工时间和非切削加工时间，提高劳动 生产率。 以日本FHNl00T机械加工中心为例，其机械装置的规格如 下表所示。机械加工中心通常由以下几

2、部分构成：数控x、y 、z三个移动装置；能够进行工件多面加工的回转工作台； 自动换刀装置(ATC)；CNC控制器。2返回目录回看结束放映3返回目录回看结束放映2.机床的机械装置(如下图所示）（1）床身、工作台、立柱。床身上装有两个正交导轨，以实现工作台、的x轴运动和立柱的y轴运动。在立柱上设置有主轴头上、下(z轴)运动的导轨，以实现z轴运动。各轴都通过与伺服电动机直接联接的大直径滚珠丝杠驱动，以实现高精度定位。 （2)回转工作台。安装工件用回转工作台，由电动机驱动进行粗定位，井通过具有72个齿的(每齿5)端齿分度装置进行精密定位。 （3)主轴头。主轴头通过26kW(30分额定)22kW(连续额

3、定)的交流伺服电动机实现203600rmin之间的无级调速驱动。主轴轴承使用了具有高刚性和高速性的双列向心球轴承和复合圆锥滚子止推轴承，并使用控制温度的润滑油进行强制循环来抑制热变形。（4)自动换刀装置(ATC)。ATC由存放48、64把刀具的刀库和换刀机械手组成 。刀具是按就近判别刀具号码进行选择并迅速更换的。 4返回目录回看结束放映5返回目录回看结束放映（5）随行夹具更换装置。在前一个工件的加工过程中就要进行下一个工件或 夹具的安装，以便第一个工件加工完后，立即更换装有下一个工件的随行夹具。随 行夹具存放处一般可存放610个随行夹具，以实现长时间地无人化加工。（6）立式加工设备。该加工中心

4、还备有立式加工设备。这种设备由垂直刀架 和垂直加工用刀具及其输送装置组成(如下图所示)。垂直刀架由垂直输送装置搬送 并安装到主轴上。标准刀库存放的刀具可利用同一输送装置装在垂直刀架上。6返回目录回看结束放映3. 数控（CNC）系统 本机的控制系统框图如下图a所示，控制电路中采用了高速微处 理器及许多专用大规模集成电路。它以顺序控制为主，实现接触式 传感功能、管理功能、自适应功能，利用工（刀）具码(T码)选择工 （刀）具，利用速度码(S码)选择主轴转速，以及回转工作台的分度 控制等。控制系统的人机对话型CNC系统框图如下图b所示。7返回目录回看结束放映（1）接触式传感器功能， 如下图所示。自动定

5、心功能以主轴中心孔为基准 ，实现工（刀）具的自动定心，自动定心刀具和定心功能如图a所示，工（刀）具 以此孔为加工基准，可以连续自动运转，不受主轴热变形和不同工件的影响，维持 较高的工作精度。刀具折损检测功能能判断刀具的折损，使机床停止运转，从而 防止下一把刀具的折损或损伤工件。它采用在切削进给中预先设定的刀具与工件未 接触的范围内进行检测的方式，如图c所示。缩短空切时间功能是在切削进给行 程范围内，以指定空切范围内以进给速度的两倍的速度自动空切送进，当检测到工 具与工件接触时，开始用正常进给速度进给，从而缩短了空切时间，如图b所示。x、y、z 轴基准面校正功能如图d所示。该功能 可自动检测并求

6、出主轴位置与基准面之间的关系( 测试x1、y1决定基准面A(x轴)和B(y轴)，以此为加 工基准实施程序)，并以其实际位置为加工基准， 连续自动运转的功能。这种功能消除了热变形和 不同工件尺寸变化的影响，提高了加工精度。 自动检测校正系统利用接触式传感技术，自动检 测孔径大小，并以该检测结果自动调整刀具，以 确保加工尺寸的自动校正。自动检测校正的目的 有二个，一是掌握批量生产中工件尺寸的变化， 适时校正刀头伸出量，确保加工工件的尺寸接近 目标值；另一个是使批量生产的首件加工靠操作 人员试削检测调整刀头的过程实现自动化。8返回目录回看结束放映（2) 管理功能。 刀具的寿命管理。通过预先设定的 刀

7、具寿命与实际使用时间进行比较来更换刀具。备用刀具 的自动更换功能。如果刀库中预先准备有备用刀具，则这种 功能通过刀具寿命管理功能，在发出更换刀具指令时便可自 动地换成备用刀具。监视功能和故障诊断功能。更换刀具 的T码显示和接触式传感器校正量的显示等，在监视各种管理 信息的同时，通过时序电路、输入输出信号的显示，便可 发现确切的故障，从而大幅度地减少故障时间。（3)自适应控制(AC)功能。这种功能是通过为各轴进给 电动机和主轴电动机设置的检测器，检测加工过程中的负载 变化情况，如负载值在设定值范围内变化，则属正常；如负 载突然减小、到设定范围以下可自动加快进给速度、缩短加 工时间；如负载突然增大

8、超过设定范围，可自动降低进给速 度，以防止刀具损伤；如果负载变化过大，应做异常处理。9返回目录回看结束放映二、BKX-I型变轴数控机床 BKX-I型变轴数控机床是以Stewart平台为基 础构成的一种新型并联机床，由六根伸缩杆带动 动平台实现刀具的六个自由度运动，从而实现复 杂几何形状表面零件的加工，又由于数控加工所 需的运动轴X、Y、Z、A、B、C 并不真正存在，所 以这种机床又被称做虚拟轴机床。机床的结构模 型如图a所示。图b为单伸缩杆硬件系统示意图。机床的基本性能参数如下表所示。图b图a10返回目录回看结束放映11返回目录回看结束放映BKX-I型变轴（并联）数控机床六轴并联机构工作台动平

9、台数控柜 （六轴数控系统）12返回目录回看结束放映1. BKX-I的机构原理及其坐标设置 如图a所示，BKX-I机床主要由三部分组成：支架顶部的静平台、装有电主轴 的动平台和六根可伸缩的伺服杆，伺服伸缩杆的上端通过万向联轴节与静平台相 联接，下端通过球铰与动平台相联接。每个伺服伸缩杆均由各自的伺服电动机， 通过同步带与滚珠丝杠传动，带动动平台进行6自由度运动，从而改变电主轴端部 的刀具相对于工作台上所装工件的相对空间位置，满足加工中刀具轨迹的要求。 机床整体结构自封闭，具有较高的刚性。部件设计模块化，易于异地重新安装 。为研究方便，在BKX-I机床的结构模型上建立与动平台固联的动坐 标系O-X

10、YZ（相对坐标系），在工作台上建立静坐标系O-XYZ（ 绝对坐标系），如图a所示。动、静平台均为半正则六边形结构，机床 在初始位置时，动静平台俯视图如图b所示。于是静平台各铰链中心点 的绝对坐标 可以表示为：13返回目录回看结束放映14返回目录回看结束放映15返回目录回看结束放映16返回目录回看结束放映17返回目录回看结束放映18返回目录回看结束放映19返回目录回看结束放映20返回目录回看结束放映21返回目录回看结束放映22返回目录回看结束放映23返回目录回看结束放映24返回目录回看结束放映三、PRS-XY型混联数控机床 1. PRS-XY型混联数控机床的结构分析25返回目录回看结束放映直线电

11、动机驱 动的三杆并联 机构X-Y工作台PRS-XY型混联数控机床动平台26返回目录回看结束放映27返回目录回看结束放映28返回目录回看结束放映29返回目录回看结束放映30返回目录回看结束放映31返回目录回看结束放映32返回目录回看结束放映33返回目录回看结束放映34返回目录回看结束放映3. X-Y工作台的逆运动学分析 35返回目录回看结束放映4.PRS-XY数控系统的综合逆运动学变换36返回目录回看结束放映5.基于“PC+Turbo PMAC”的数控系统原 理37返回目录回看结束放映6.PRS-XY数控系统设计 38返回目录回看结束放映39返回目录回看结束放映40返回目录回看结束放映41返回目

12、录回看结束放映机床主要参数有 工作台参 数：工作台面积（250250mm2）、 工作台到主轴端面距离（340mm）； 行程参数：X轴（195mm）、 Y轴 （195mm）、 Z轴（185mm）、A轴（ 27）、B轴（27）；主轴 参数：最大功率（1kW）、 最高转 速（24000rpm）、 输出转矩（ 0.4N.m），调速方式为变频无级恒转 矩调速，冷却方式为循环水冷却； 刀具参数：直柄刀具，直径为3 6，弹簧夹头夹持；电气参数： 工作电压为单相AC220V10，最大 工作电流为25A。 典 型 样件切削加工含平面、圆 槽、圆环槽倒角（24） 与球冠加 工。 数控加工程序 采用 G代码编 制，

13、切削条件如下：工件材料为 60mmZL12铝合金棒料；切削刀具为 4高速钢2齿键槽铣刀。图为加工的 典型样件，a为典型样件图、b为典型样件照片。 （b）(a)加工的典型样件7. 机床的主要参数和样件加工42返回目录回看结束放映第二节 工业机器人工业机器人(Industrial Robot)是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照 预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，是 典型的机电一体化产品，在实现柔性制造、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件 下工作中发挥着重要作用。工业机器人一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工 智能系统等组成。机械系统是完成

14、抓取工件(或工具)实现所需运动的执行机构，包括以下几个 部分：手部是工业机器人直接与工件或工具接触用来完成握持工件(或工具)的部件 。有些工业机器人直接将工具(如焊枪、喷枪、容器)装在手部位置，而不再设置手 部。腕部是联接手部与臂部的部件，主要用来确定手部工作方位、姿态并适当扩大 臂部动作范围。臂部是支承腕部、手部、实现较大范围运动的部件；机身是用来支 承臀部、安装驱动装置及其它装置的部件；行走机构是扩大工业机器人活动范围的 机构，有的是专门的行走装置，有的是轨道、滚轮机构。驱动系统是驱动系统的作 用是向执行机构提供动力。执行元件驱动源的不同，驱动系统的传动方式可分为液 动式、气动式、电动式和

15、机械式等；。43返回目录回看结束放映控制系统是工业机器人的指挥系统。它控制工业机器人按规定的程序运 动。可记忆各种指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间等)，同时 按指令信息向各执行元件发出指令。必要时还可对机器人动作进行监控，当动作有误或发生故障时即发出警报信号。检测传感系统主要检测工业机器人执行系统的运动位置、状态，并随 时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通 过控制系统进行调整。从而使执行机构以一定的精度达到设定位置状态。人工智能系统主要赋予工业机器人五感功能，以实现机器人对工件的 自动识别和适应性操作。通常按坐标形式可分为五类，如下图所示。a)直角

16、坐标型； b)圆柱坐标 型；c)极坐标型；d)SCARA型；e)多多关节型。44返回目录回看结束放映工业机器人的技术参数是说明机器人规格与性能的具体指标，一 般有以下几个方面：（1)握取重量(即臂力)。握取重量标明了机器人的负荷能力。这项参数与 机器人的运动速度有关，通常指正常运行速度所能握取的工件重量。当机器人 运行速度可调时，低速运行时所能握取工件的最大重量比高速时为大。为安全 起见，也有将高速时所能握取的工件重量作为指标的情况，此时常指明运行速 度。（2）运动速度。运动速度是反映机器人性能的一项重要技术参数。它与机 器人握取重量、定位、精度等参数都有密切关系，同时也直接影响机器人的运 动周期。（3)自由度。确定工业机器人的末端执行器（手部）在运动空间的位置和 姿态的、独立的变化参数就是工业机器人的自由度。自由度越多，其动作越灵 活，适应性越强，但结