第九章 典型机电一体化系统设计简介-new

与机电一体化有关的教学课件、资料

第9章 典型机电一体化系统设计简介计算机数控机床 工业机器人 三坐标测量机 自动售票机 自动售货机

习题与思考题1

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9.1 计算机数控(CNC)机床9.1.1 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：①数控x、 y、z三个移动装置；②能够进行工件多面加工的回转工作台； ③自动换刀装置(ATC);④CNC控制器。2

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2.机床的机械装置(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 定)的交流伺服电动机实现20~3600r/min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 4 速更换的。

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(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6~10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。

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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。

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(1)接触式传感器功能

①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。②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。 ③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。 ④x、y、z 轴基准面校正功能。 ⑤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。。 9

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(2) 管理功能。①刀具的寿命管理。 ②备用刀具的自动更换功能。 ③监视功能和故障诊断功能。 (3)自适应控制(AC)功能。

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。

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9.2 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。

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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。 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； 机身是用来支承臂部、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 13 动式、气动式、电动式和机械式等。

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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。14

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通常按坐 标形式可 分为五类，

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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。(4)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。 (5)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。 (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，但结构也相应越复杂。一般具有4~6个自由度 即满足使用要求。16

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9.2.1 BJDP-1型电动喷砂机器人(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。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q61i.html