1、1,机电一体化系统设计,第八章 典型机电一体化系统设计简介,8.1 计算机数控机床 8.2 工业机器人 8.3 汽车的机电一体化概况 8.4 三坐标测量机 8.5 自动售票机 8.6 自动售货机 8.7 电子称 8.8 电子灶烹调自动化,2,机电一体化系统设计,8.1计算机数控机床,8.1.1 机械加工中心（MC）,一、基本构成 靠机、电技术的相互促进，得到了很大发展，通常由以下几部分组成： 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。,3,机电一体化系统设计,二、机床的机械装置,4,机电一体化系统设计,床身、工作台、立柱：床身上装
2、有两个正交导轨，实现工作台的x轴运动和立柱的y轴运动。立柱上设有主轴头上、下(z轴)运动的导轨，来实现z轴运动。各轴都通过与伺服电机直接连接的大直径滚珠丝杠驱动，以实现高精度定位。 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，并通过具有72个齿的端齿分度装置进行精密定位。 主轴头：通过26kw/22kw的交流伺服电机实现203600r/min之间的无极调速驱动。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椎滚子止推轴承，并使用控制温度的润滑油进行强制循环来抑制变形。,5,机电一体化系统设计,(4) 自动换刀装置(ATC)：由存放48、64把刀库和换刀机械手组成。 (5
3、) 随行夹具更换装置：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：由垂直刀架和垂直加工用刀具及输送装置组成。垂直刀架由垂直输送装置搬进并安装到主轴上。,6,机电一体化系统设计,三、数控（CNC）系统 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，利用工具码选择工具，利用速度码选择主轴转速，以及回转工作台的分度控制等。,控制系统框图,人机对话型CNC系统框图,7,机电一体化系统设计,1、接触式传感器功能 自动定心功能：以主轴中心孔为基准，实现工具的自动定心。 刀具折损检测功能：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
4、方式。,自动定心刀具和定心功能,工具折损检测功能,8,机电一体化系统设计,缩短空接时间功能：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，从而缩短空切时间。 x、y、z轴基准面校正功能：可自动检测并求出主轴位置与基准面之间的关系，并以其实际位置为加工基准，连续自动运转。,缩小空切时间功能,基准面校正功能,9,机电一体化系统设计,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，并以该结果自动调整刀具，以确保加工尺寸的自动校正 二、管理功能 刀具的寿命管理 备用刀具的自动更换功能 监测功能和故障诊断功能 三、自适
5、应控制(AC)功能 通过为各轴进给电动机和主轴电动机设置检测器，检测加工过程中的负载变化情况，如负载突然减小到规定范围以下，可自动加快进给速度，如负载突然增大到超出设定范围，可自动降低进给速度。,10,机电一体化系统设计,8.1.2 BKXI型变轴数控机床,机床的结构模型,11,机电一体化系统设计,单伸缩杆硬件系统示意图,12,机电一体化系统设计,一、BKXI的机构原理及其坐标位置 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。 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。,机床的坐标设置,13,机电一体化系统设计,(i=1, 3, 5)
6、,(i=2, 4, 6),静平台各绞链中心点的绝对坐标,14,机电一体化系统设计,二、位置分析与姿态描述 求解机构的输入和输出之间的位置关系，包括位置正解和位置逆解。,基本旋转矩阵,15,机电一体化系统设计,三、刀具位姿到平台位姿的转化,动平台中心与刀尖的关系：,16,机电一体化系统设计,17,机电一体化系统设计,四、位置逆解 杆长矢量可表示为：,18,机电一体化系统设计,五、BKXI型机床数控（CNC）系统原理,19,机电一体化系统设计,20,机电一体化系统设计,1、硬件平台,21,机电一体化系统设计,2、软件平台 3、加工实例,22,机电一体化系统设计,8.1.3 PRS-XY型混联数控机
7、床,一、结构分析 串、并联混合结构，有效克服了纯并联机床在加工范围上的限制。,23,机电一体化系统设计,二、PRS并联机构逆运动学分析,A1、A2、A3在O-XYZ坐标系下的坐标,B1、B2、B3在O-XYZ坐标系下的坐标,24,机电一体化系统设计,三个转动副轴线的单位方向矢量为：,C1、C2、C3在O1-X1Y1Z1坐标系下的坐标,动坐标系O1-X1Y1Z1对定坐标系O-XYZ的齐次变换矩阵为,25,机电一体化系统设计,9个元素间存在6个约束方程,C1、C2、C3的绝对坐标,（1）平面约束方程 （2）定长约束方程,26,机电一体化系统设计,联立约束方程,（3）用刀具轴线的方向弦角来表示欧拉角
8、 用欧拉角表示动平台姿势的旋转矩阵,27,机电一体化系统设计,28,机电一体化系统设计,（4）用刀尖坐标表示动平台中心坐标,刀尖位置 和刀轴的方向矢量 之间的关系： 由此可表示出：,29,机电一体化系统设计,三、X-Y工作台的逆运动分析,刀尖点在O-XYZ中的X、Y方向的坐标,30,机电一体化系统设计,四、PRS-XY数控系统的综合逆运动学变换 逆运动学变换可统一表示为: 引入PRS-XY型混联机床A、B轴定义： A轴饶X轴旋转，B轴绕Y轴旋转，旋转正方向符合右手螺旋规则；刀杆与Z轴平行的位置定义为初始位置，A、B轴转角为零；B轴为主动轴，A轴附加在B轴上 基于虚轴坐标的逆运动学公式：,31,
9、机电一体化系统设计,五、基于“PCTurbo PMAC”的数控系统工作原理 美国Delta Tau 公司在PMAC的基础上推出的基于工业PC和Windows操作系统的开放式多轴运动控制器。,在并联机床控制中，只要将机构的运动学程序嵌入到 Turbo PMAC控制器中，Turbo PMAC就可以根据刀尖运动轨 迹自动按照给定的运动学算法计算出关节坐标轴运动的相应位置,32,机电一体化系统设计,六、PRS-XY数控系统设计,33,机电一体化系统设计,控制系统下位机软件,34,机电一体化系统设计,控制系统上位机软件模块,35,机电一体化系统设计,七、机床的主要参数和样件加工 工作台参数；行程参数；主
10、轴参数； 刀具参数；电气参数；,36,机电一体化系统设计,8.2 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实现所需运动的执行机构，包括手部、腕部、臀部、机身、行走机构 驱动系统的作用是向执行机构提供动力，可分为液动式、气动式、电动式、机械式。 控制系统是工业机器人的指挥系统 检测传感系统主要检测执行系统的运动位置、状态，随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统。 人工智能系统赋予机器人五官功能，以实现自动识别和适应性操作。,37,机电一体化系统设计,按坐标形式分类,38,机电一体化系统设计,技术参数是说明机器人规格与性能的具体指
11、标： 握取重量（臂力） 运动速度 自由度 定位精度 程序编制和存储容量,39,机电一体化系统设计,8.2.2 电动喷砂机器人（多关节型）,一、机器人机构原理 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）,40,机电一体化系统设计,机构传动关系,41,机电一体化系统设计,二、控制系统,控制系统框图,42,机电一体化系统设计,计算机硬件组成,速度控制单元,43,机电一体化系统设计,D/A变换,三、规格参数,44,机电一体化系统设计,四、控制算法简介,关节坐标,坐标的指定：,45,机电一体化系统设计,关节坐标到直角坐标的运动学正变换：,直
12、线插补：取机器人零位为每次工作的初始位置： 要在第i个示教点和第i+1个之间进行直线插补,机器人零位,46,机电一体化系统设计,求插补数：,运动增量：,位置与增量 的逆变换：,47,机电一体化系统设计,数字PID：机器人五个关节的位置闭环是由计算机实现的。数字PID为位置环的调节算法是为了系统稳定而设置的。 数字PID算式是带有前馈和积分分离的PID算式：,前馈信号的引入是为了提高系统的速度跟踪精度，积分项是 为了提高系统抗负载扰动的能力，比例项是未来保证位置精度， 微分项是为了提高系统的稳定性。,48,机电一体化系统设计,8.2.2 装配机器人（SCARA）,特点：在水平方向具有顺应性，在垂
13、直方向具有很大刚性。 SCARA：selective compliance assembly robot arm,具有选择顺应性的装配机器人手臂。 自由度：大回转臂、小回转臂、腕部升降与回转四个自由度。,49,机电一体化系统设计,火花式电雷管的组成和料盒,机器人完成的工作： 将导电帽弹簧组合件装在雷管上； 将小帽钉拧到雷管体上，把导电帽、弹簧组合件雷管体连成一体； 检测雷管体外径、总高度及雷管体与导电帽之间是否短路。,50,机电一体化系统设计,一、机械系统构成,51,机电一体化系统设计,二、驱动系统 手臂在X-Y平面内的运动是由步进电机驱动的。,52,机电一体化系统设计,三、控制与检测传感系统
14、,53,机电一体化系统设计,四、微机控制系统组成,五、电雷管的装配过程,54,机电一体化系统设计,8.3 汽车的机电一体化概况,举例：发动机的燃油喷射电子点火控制、自动变换换挡、防滑制动、防抱死系统、雷达防碰撞、自动调整车高、全自动空调、自动故障诊断、自动驾驶 中心内容：以微机为中心的自动控制改善汽车性能、增加汽车功能、实现汽车降低油耗、减少排气污染，提高行使安全性、可靠性、操作方便和舒适性。 汽车行使控制的重点：汽车发动机的正时点火、燃油喷溅、空燃化和废气再循环的控制；行使中的自动变换和排气净化控制；防滑制动、防碰撞；自动空调、自动调整车高。,55,机电一体化系统设计,8.3.1 传感器在汽
15、车发动机等中的应用,汽车用传感器及检测对象,56,机电一体化系统设计,汽车发动机控制用传感器,57,机电一体化系统设计,58,机电一体化系统设计,非发动机用传感器,59,机电一体化系统设计,8.3.2 微机控制的数字点火系统,应满足的要求： 能在整个转速范围内提供点火所需的定值点火能量，即足够的点火电压和跳火持续时间。 在不同负载和转速条件下，能为发动机提供最佳点火时间，特别是在小负荷时能提供较大的点火提前角 能把点火提前到发动机刚好不至于发生爆震的范围。,微机控制数字电子点火系统原理框图,60,机电一体化系统设计,第一代数字式点火系统实装原理,61,机电一体化系统设计,点火提前角三维控制图,
16、存储点火提前角数据的存储装置,62,机电一体化系统设计,微机控制的多环路点火控制系统,63,机电一体化系统设计,8.3.3 汽车自动空调系统,64,机电一体化系统设计,自动空调系统元件安装位置示意图,65,机电一体化系统设计,8.3.4 电子控制的自动变速器,66,机电一体化系统设计,8.4 三坐标测量机,测量对象：不单是机械加工零件，而且还可以用于现场测量具有复杂自由曲面的模具或成形品等的位置、尺寸和形状。 一、基本构成,67,机电一体化系统设计,测量部分主体形式：,68,机电一体化系统设计,二、探测头形式,69,机电一体化系统设计,三、计算机数据处理 内容： 选定基准； 根据需要对各测量点
17、的数据进行处理； 对工件形状的测量数据进行出力； 数据统计分析； 三坐标测量机的自动运转,70,机电一体化系统设计,四、CNC型三坐标测量机 优点： 测量是有一定顺序的，不会出现不同人操作有不同测量误差的现象。 由于是自动测量，能极大减小认为误差，且测量力能保持一定。 大批测量同一形状或类似形状的零件时，测量效率高 夜间或节假日可无人运转。,71,机电一体化系统设计,8.5 自动售票机,一、自动售票机的构成,72,机电一体化系统设计,二、自动售票机的工作原理 基本工作流程：,73,机电一体化系统设计,硬币或纸币、车票及信号的流程,74,机电一体化系统设计,三、主要部件的构成 （1）硬币验钞机构
18、 （2）纸币机构,硬币验钞机构简图 纸币机构简图,75,机电一体化系统设计,（3）印字机构,印字机构简图,76,机电一体化系统设计,8.6 自动售货机,一、硬币验钞机构,77,机电一体化系统设计,二、纸币验钞确认机构,78,机电一体化系统设计,三、自动售货机的控制系统 自动售货机的内部有两个控制系统，即计算硬币数目的硬币机构控制系统和主机控制系统。今后的发展方向：二者合二为一,79,机电一体化系统设计,8.7 电子秤,典型的电子秤通常采用模拟伺服系统或光电编码器来显示重量值，结构简单。但随着对技术的发展，对电子秤要求更高的精度、更多的功能、更高速的数据处理合数据传输。 因此，在重量传感部分、A
19、/D转换部分、控制运算部分、数据显示部分及传输部分使用了和其它电子设备一样的CPU、各种存储器、高精度线性集成电路等电子元件及各种软件。 分类：组合秤、连续供料秤、陀螺天平、电动重量分选机等,80,机电一体化系统设计,一、组合秤,组合秤构造原理,81,机电一体化系统设计,组合秤运算功能,82,机电一体化系统设计,二、连续给料装置,原料的累计重量： 瞬时输入量：,偏差：,差分式：,83,机电一体化系统设计,三、自动重量分选机,自动重量分选机计量部分,测量与运算功能框图,84,机电一体化系统设计,8.8 电子灶烹调自动化,一、电子灶的 温度传感器控制 二、电子灶的 湿度传感器控制 三、电子灶的 气体传感器控制,微波炉中的传感器配置,传感器安装在排气通道内,85,机电一体化系统设计,湿度传感器控制电路简图,86,机电一体化系统设计,习题,8-1 简述并联加工机床的主要组成 8-2 何谓工业机器人的自由度 8-3 简述工业机器人坐标形式分类 8-4 工业机器人的主要技术参数,
