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1、机电一体化系统设计,老师：谢兴旺 手机：15271855941邮箱： sivan_,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.机床的机械装置(如下图所示） （1）床身、工作台、立柱。床身上装
2、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
3、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。,（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。,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
4、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。,（1）接触式传感器功能， 如下图所示。自动定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
5、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
6、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。,（2) 管理功能。 刀具的寿命管理。通过预先设定的刀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
7、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。,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
8、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a,图b,1,BKX-I型变轴（并联）数控机床,六轴并联机构,工作台,动平台,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,3. X-Y工作台的逆运动学分析,4.PRS-XY数控系统的综合逆运动学变换,5.基于“PC+Turbo PMAC”的数控系统原理,6.PRS-XY数控系统设计,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、
9、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
10、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、电动式和机械式等；。,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
11、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)直角坐标型； b)圆柱坐标型；c)极坐标型；d)SCARA型；e)多多关节型。,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)定位精度。定位精度即重复定位精度，是衡量机器人工作质量的又一项重要指标。定
12、位精度的高低取决于位置控制方式以及运动部件本身的制造精度和刚度，与握取重量、运动速度等也有密切关系。（3)程序编制与存储容量。该技术参数是用来说明机器人的控制能力的，存储容量大，则适应性强、通用性好，从事复杂作业的能力强。,（4）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。（5)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，但结构也相应越复杂。一般具有46个自由度即满足使用要求。,一、BJDP-1型电动喷砂
13、机器人（多关节型）该机器人为全电动式、五自由度、具有连续轨迹控制等功能的多关节型示教再现型机器人，用于高噪声、高粉尘等恶劣环境的喷砂作业。1.机器人机构原理该机器人的五个自由度分别是立柱回转（L）、大臂回转（D）、小臂回转（X）、腕部俯仰（W1）、腕部转动（W2），其机构原理如图a所示，机构的传动关系如图b所示。,2.控制(驱动与检测)系统组成框图机器人控制系统框图如下图所示，控制系统(包括驱动与检测)主要由微型计算机、接口电路、速度控制单元、位置检测(码盘一编码器)电路、示教盒等组成。计算机：实现机器人示教、校验、再现的控制功能包括示教数据编辑、坐标正逆变换、直线插补运算，以及伺服系统闭环控
14、制。 接口电路：通过光电编码器进行机器人各关节坐标的模数转换(A/D)，及把计算机运算结果的数字量转换为模拟量(D/A)传送给速度控制单元。 速度控制单元：它是驱动机器人各关节运动的电气驱动系统。示教盒：它是人机联系的工具，主要由一些点动按键和指令按键组成。通过点动按键可以对机器人各关节的运动位置进行示教，利用指令键完成某一指定的操作、实现示教、再现的各种功能。,微机控制系统的硬件组成如下图所示，CPU为Intel8086，主频5MHz。RAMl6k主要用于存储示教数据。ROM32k存储计算机的监控程序和示教再现的全部控制程序。两片8259A中断控制器相联，共有15级中断，用于向计算机输入示教
15、、校验、再现的所有控制指令。定时器8253用于产生计算机实时时钟信号，通过中断实现采样控制。A/D变换器完成将机器人关节转角转换成数字量， 变换器为16位，主要由光电(码盘)编码器(包括方向判别、可 逆计数、清零电路及与计算机的接口电路)组成。首先由装在电动机轴上的增量式光电编码器将关节转角变换成数字脉冲，然后经方向判别电路将变换后的脉冲分成正转脉冲和反转脉冲，用可逆计数器记录这些脉冲数，从而实现由转角向数字量的变换。,D/A变换器位数为9位，由一片集成D/A变换器DAC0832和一个触发器、反相器、运算放大器组成，基准 电源5V，输出是双极性的，其原理如下图a所示。计算机输出的数码低8位D0
16、D7由八位DAC0832变换，计算机输出的最高位(符号位)D15，由D触发器接收，经反相器反相之后，将D151变换成5V，将D150变换成零伏。运算放大器2对DAC0832和反相器的输出进行综合，实现9位双极性D/A变换，输出模拟量电压到驱动速度控制单元。各关节速度控制单元都是双环速度闭环系统， 其框图如下图b所示。电动机为永磁式直流伺服电动机(功率400W，最高转速2000rmin，额定电流12A)，功率放大器为三相可控硅全波整流可逆电路，内环为电流反馈环，采用纯比例调节。外环为速度环,由于电动机轴上的光电编码器输出的数字脉冲频率与电动机转速成正比，因此只要将码盘的脉冲频率变换成与频率成比例
17、的电压就能测出测出电动机的转速；所以速度检测就是进行频率电压转换，由其的输出作为速度负反馈，速度环的调节器为带有非线性特性的PID调节器。,4.控制算法简介,二、SCARA型机器人(装配机器人)SCARA是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是具有选择顺应性的装配机器人手臂。这种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，最适合于装配作业使用。它有大臂回转、小臂回转、腕部升降与回转四个自由度，图所示。下面以ZP-1型多手臂装配机器人为例作一简单介绍。该机器人装配系统用于装配40火花式电雷管，代替人从事易爆易燃的危险作业。电雷管的组成如图a所示，机器人完成的工作是，将导电帽弹簧组合件装在雷管体上；将小螺钉拧到雷管体上，把导电帽、弹簧组合件和雷管体联成一体；检测雷管体外径、总高度及雷管体与导电帽之间是否短路。装配前雷管体倒立在10行10列的料盘5上，弹簧与导电帽的组合件插放在另一个10行10列的料盘6上，小螺钉散放在振动料斗8中，装配好的成品放在10行10列料盘7上，如图b所示。机器人在装配点的重复定位精度可达土0.05mm，电雷管重约100g，一次装配过程约需20s。,
