第七章机电一体化系统实例

7机电一体化系统实例

本章导读

机电一体化的典型产品种类很多，用途广泛，所涉反的设计方案和原理也各不同。本章通过对涉厦生产自动化、家庭电气化等领域的机电一体化系统典型实例进行了较深入的分析，以期达到举一反三的目的。

机电一体化系统主要由机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理厦控制系统5个基本要素构成。本章主要时机电一体化系统各要素和环节进行分析、介绍,阐述如何从系统化设计的角度进行机电一体化产品的设计，井得到较优的设计结果。

学习内容及要求

1结合实例理解典型机电一体岱系统的组成度特点；

2熟悉机电一体化系统实现特殊机构功能的方击和原理；

3熟悉机电一体化系统的技术基础—-微电子技术和精密机械技术。

本章重点

1机电一体化系统的关键技术及其在系统中的作用;

2典型机电一体化系统的设计及分析方法。

本章难点

机电一体化系统的设计及分析方法。

媒体使用说明

本章介绍了涉厦生产自动化、家庭电气化等领域的机电一体化系统典型实例，文字教材中的重点、难点在录像教材和流媒体课件中有较详尽的讲解。学生在学习的过程中，应配备流媒体课件和录像教材学习，然后结合文字教材的学习，理解机电一体化系统的基本构成，vX zu要素乏间的接口,并能从系统化设计的角度进行机电一体化系统的分析和设计。

7。1工业机器人系统

机器入学是关于设计、制造和应用机器人的一门正在发展中的新兴学科.工业机器人（industrial Rohot〉技术涉及机构学、控制理论和技术、计算机、传感技术、人工智能、仿生学等领域，是一门多学科交叉的综合性高新技术，是当今研究十分活跃、应用日益广泛的领域。机器人的应用情况标志着一个国家制造业及其工业自动化水平的高低。

工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置,是由计算机控制的、具有柔性的并可进行人机交互的自动化系统.人类研制机器人的最终目标是为了创造一种能够综合人的动作和智能特征，延伸人的活动范围，并具有通用性、柔性和灵活性的自动机械。工业机器人已成为FMS和CIMS等自动化制造系统中的重要设备，将在实现生产的柔性和自动化、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件下工作等场合发挥重大作用。

7 1.1工业机器人的组成及分类

1．工业机器人的组成

工业机器人一般由机械系统、驱动系统、控制系统、检测传感系统和人工智能系统等组成。

（l）机械系统

机械系统是完成抓取工件（或工具）、实现所需运动的机械部件,主要包括以下几个部分：

①手部.是工业机器人直接及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。

②腕部。是连接手部及臂部的部件，主要用来确定手部工作方位和姿态并适当扩大臂部动作范围。

③臂部。是支承腕部、手部，实现较大范围运动的部件.

④机身。是用来支示臂部、安装驱动装置及其他装置的部件。

⑤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,有的是轨道或滚轮机构.

(2）驱动系统

驱动系统的作用是向执行元件提供动力。按驱动源不同，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4种。

(3）控制系统‘

控制系统是工业机器人的指挥系统,控制机器人按规定的程序运动。控制系统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；还可对机器人的动作进行监视,当动作有误或发生故障时,即发出警报信号。

(4）检测传感系统

检测传感系统主要检测工业机器人执行系统的运动位置和状态,并随时将执行系统的实际位置反馈给控制系统,并及设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行系统以一定的精度达到设定的位置.

(5）人工智能系统

该系统主要赋予工业机器人感官功能,以实现机器人对工件的自动识别和适应性操作。

2．工业机器人的分类

（1)按自动化功能层次分类

①专用机器人.以固定程序在固定地点工作的机器人，其动作少，工作对象单一，结构简单，造价低,适于在大型生产系统中工作。

②通用机器人。具有独立的控制系统，动作灵活多样,通过改变控制程序能完成多种作业的机器人.它工作范围大，定位精度高，通用性能强，但结构复杂，适用于柔性制造系统。

③示教再现机器人。具有记忆功能、能完成复杂动作的机器人，它在人的示教操作后,能按示教的顺序、位置、条件及其他信息反复重现示教作业。

(多智日B机器人。具有各种感觉功能和识别功能,能做出决策并自动进行反馈纠正的机器人。它采用计算机控制，依赖于识别、学习、推理和适应环境等智能决定其行动或作业。（2）按驱动方式分类

按驱动方式不同，工业机器人可分为气压传动机器人、电气传动机器人、液压传动机器人以及复合传动机器人。

c3）按连接方式分类

按结构不同，工业机器人可分为串联机器九和并联机器人.

①串联机器人。目前应用的工业机器人大部分都是串联结构,即组成机器人的各杆件南关节依次连接成一个开链式机构。理论上,串联机构具育工作范围大、灵活性好等特点,但这种机构本身存在着承载能力弱、刚度低、操作速度慢及精度不高等特点,因而限制了机器人技术在某些领域内的应用。

②并联机器人。并联机器人是指将并联机构用于机器人本体结构中。并联机构的英文名为Parallel Mechanism，简称PM，可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上的自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

和串联机器人相比较，并联机器人具有出下特点：第一，并联机构的运动平台及机架之间由多条运动支链连接,其末端件及串联的悬臂粱相比，刚度大得多,而且结构稳定;第二，由于刚度大，并联式较串联式在相同的自重或体积下有高得多的承载能力；第三，驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置,这样运动部分质量轻,速度高，动态响应好；第四，无累积误差，精度较高.根据这些特点,并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无需很大

工作空间的领域内得到了广泛应用。采用并联机构，利用机器人技术实现高精度洌0量及加工,这是机器人技术向数控技术的拓展，并为将来实现机器人和数控技术的一体化奠定了基础。

由于串联机器人和并联机器人在结构及性能特点上是对偶美系，因此它们之间在应用上不是替代关系而是互补关系，它们各自都有其特殊的应用领域。同时，也可以将这两种结构有机地结合起来，充分发挥它们各自的优点，以扩大机器人的应用范围.

3．工业机器人的主要技术参数

r、【k机器人的技术参数是说明机器人规格及性能的具体指标,主要有以下几方面：（1)握取重量(即臂力）

握取重量表明了机器人的负荷能力.这项参数及机器人的运动速度有关，通常是指正常运行速度所能握取的工件重量.当机器人的运行速度可调时,低速运行时所能提取的T件的最大重量比高速运行时大.为安全起见，也有将高速时所能握取的_［件重量作为指标的1睛况，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。它及机器人的握取重量、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

工业机器人自由度越多，其动作越灵活，适应性越强，但结构也相应越复杂。一般情况下．工业机器人具有4—6个自由度即满足使用要求.

(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，及握取重量、运动速度等也有密切关系。

(5）程序编制及存储容量

该技术参数是用来说明机器人的控制能力的,存储容量越大,适应性越强，通用性越好，从事复杂作业的能力越强.

7.1 2工业机器人系统组成实侧分析

1．SCARA型机器人(装配机器人）

SCARA是Sele.ti。eC。mpl．anc。AsseⅡlblv Robot Arm的缩写，是指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。该机器人装配系统可用于装配40火花式电雷管,代替人从事易燃易爆的危险作业。

40火花式电雷管的组成及料盘如图7—1所示，机器人完成的工作是：①将导电帽、弹簧组合件装在雷管体上;②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；

③检测雷管体外径、总高度及雷管体及导电帽之间是否短路。装配前雷管体倒立在10行×Io列的料盘5上,弹簧及导电帽的组合件插放在另一个10行×IO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列的料盘7上，如图7 -l(b）所示。机器人在装配点的重复定位精度可达±0 05 mm，电雷管重约100 9，一次装配过程约需20 8，、SCARA 型装配机器人有大臂回转、小臂回转、腕部升降和回转4个自由度，如图7 2所示。

下面以ZP —1型多手臂装配机器人为例简单介绍机器人系统这一典型机电产品的组成，包括机械本体、动力系统、检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统.

(l)总体结构

浚机器人装配系统主要由机器人本体和控制柜组成，其本体构成如图7 -3所示。

机器人本体由左、中、右三只手臂组成，左、右手臂的结构基本相同，大臂长为200 mm，小臂长（肘关节至手部中心)为160 mm,两立柱间距为710 mm，总高度约为820 mm（可适当调整）。左(右)手臂各有大臂1（1 7)、小臂2(2’)、手腕3（3'）和手部4(4 7）；驱动大臂的为步进电动机5（5’）及谐渡减速器6（6’)及位置反馈用光电编码器7（7');驱动小臂的为步进电动机8（8'）及谐波减速器9（9’)及位置反馈用光电编码器10(10’），另外还有平行四连杆机械11（11’）；整个手臂安装在支架和立柱12 (12’)上,并由基座19（19’）支承。手腕的升降、回转和手爪的开闭都是气动的，因此有相应的气缸和输气管路.右臂右侧为雷管料盘13',左臂左侧为导电帽及弹簧组合件料盘13.第三只手臂（中臂)为拧螺钉装置，放在左、右手臂中间的工作台上，装有摆动臂14和气动改锥15，它的左侧装有供螺钉用的振动料斗16。成品料盘18安装在右手臂的右前方.

(2）驱动系统

该机器人的两个手臂在X-Y平面内的运动是由步进电动机驱劫的,所选用的步进电动机型号为70BFIO,六相，按2-3方式分配，共12拍，电动机的启动频率为600步／s，达到运行频率(24 000步／s)所需的启动时间为0 6 s。一个关节的步进电动机驱动系统如图7 —4所示。

(3)控制、检测传感系统

控制系统由7个CSA —816型电涡流传感器分别检测两个手臂到达装配点的位置、雷管的直径及高度、手爪是否抓住雷管体及弹簧组件以及雷管体及导电帽的短路状态等，然后将这些信号送到测量仪及设定值进行比较,确定是否合格或过或欠，再经过测量接口电路送到工业控制机进行处理,产生中断信号。

计算机的输出口有两部分：一部分有17路，通过控制接口电路和功率放大电路驱动气动电磁阀，根据计算机指令使左、右手腕分别作升、降、回转动作,使手爪作闭合夹紧动作等;另一部分有16路，通过控制接口电路分别向4台步进电动机发出位置、升降速、方向及停止信号,并通过升降速电路、脉冲分配器、功率驱动电路，使步进电动机按照预定的程序做启动、升速、高速运行、降速和停止等动作.

四台步进电动机的轴伸端分别及左、右大小臂连接，使手臂在装配点及取(放)工件点之间运动。当手臂回到装配点时，相应的电涡流传感器发出到位信号，计算机收到这一信号后，发出停止命令，使步进电动机及相应的手臂停止运动.当手臂到达取(放）工件点时，由计数器记录的步进电动机的步进步数及预置步数相一致时，计算机发出停止命令。同时，在步进电动机的另一轴伸端舒别连接一个光电编码器，步进电动机每走一步,光电编码器就会发一个脉冲。步进电动机的转动方向由方向判别电路判别。

（4）装配工作过程

开机后，计算机发出指令，首先使两手臂先后返回装配点清零，然后,右手移动到雷管体料盘停在预定的某行某列位置上,手腕下降，手爪夹紧雷笺勘手腕拾起并翻转1800使雷管4cl：l：芯朝上。及此同时，左手移动到导电帽、弹簧组伴科矗锌停在某行某列位置上，手腕下降，手爪夹紧导电帽和弹簧组件，手腕抬起,此府，毒季避凰到装配点.接着，左手也返回到装配点,手腕边压下边回转，将导电幅、弹簧组辩端瑚鞘体的杆薜上，左手离开装配点.此时,媒钉已在振动料-中自动整列排队，逐个落下，第三只手臂取螺钉后摆动到装

F~a.s，压下气动政锥将螺钉旋八雷管体杆芯的螺孔中。右手抓敷雷管体时检测直径是否过大

（不合格）或过小(抓空)，左手抓取弹簧、导电帽组件时检测是否抓空，第三只手的改锥压F之前检测有无螺钉，装配完成后检测雷管高度是否合格以及是否符合短路要求。如果没有螺钉，第三只手返回，再次去取螺钉，进行拧螺钉动作,对于不合格品则放到备好的废品盒内。计算机对总工件数和废品数进行统计，当装满一料盘成品（100件）时将发出呼叫信号，工人将成品盘搬走，换上一个空料盘，继续装配。

2．HRGP -1A喷漆机器人

HRCP - IA喷漆型机器人适用于汽车、电子、家电、机械、建筑陶瓷等行业喷涂各种材料，具体如下:

①汽车工业。用于汽车驾驶室、车厢等外表的喷漆,也可用于汽车底部喷涂防振和隔热的PVC胶等。

（函家电行业.用于喷涂油漆，如洗衣机、电冰箱、电视机外壳等。

③建筑陶瓷业.用于喷涂各种陶瓷粉和陶瓷浆，如浴盆及各种清洁器具等。

④机械制造业。用于各种机械零件和部件的表面喷漆.

由于一般喷涂作业工作环境条件恶劣，大多是在有害气体和灰尘污染严重的环境中工作．采用喷漆机器人，可以使工人从有害身体健康的环境中解脱出来；另外,采用喷漆机器人，还可实现工序自动化，生产效率大幅度提高（生产效率比手工操作提高5倍以上)，同时可以节省大量的喷涂材料，减少原材料的浪费，并可提高喷涂产品的质量。因此,喷漆机器人具有很好的社会效益和经济效益。

(1)构成及工作原理

HRCP - iA喷漆机器人由操作机、微型计算机控制装置和液压能源3部分构成。操作机采用多关节式，它的机构原理是：由一个直线油缸通过摇杆机构驱动腰部旋转运动。两个直线油缸分别驱动三连杆机构和四连杆机构,从而实现垂直臂的前后摆动和水平臂的上下俯仰运动,使喷枪可达到活动范围内的任意位置。腕部采用挠性手腕结构，分别由两个小型直线油缸驱动，可实现手腕的左右和上下摆动.胸部的旋转运动由一个摆动油缸驱动，可使喷枪实现姿态的变化。

机器人的驱动采用电液伺服系统,通过安装在作动器上的伺服阀，将电信号转化为液压流量，向作动器提供液压动力。每个作动器内都装有旋转变压器作为反馈元件,以构成闭环伺服控制。微型计算机系统控制各自由度的运动，以实现操作机的连续轨迹控制= 喷漆机器人的IV分为示教和再现两个过程。所谓示教，即操作人员用手搡纵操作机的关节和手腕，根据喷漆工件的型面进行示教.此时，中央处理器通过旋转变压器将示教过程中检测到的参数存人存储器，即把示教喷漆的空间轨迹记录下来.所谓再现,即由计算机控制机器人运动，中央处理器将示教时记录的空间轨迹信息取出，经过插补运算及采样得到的置数据进行比较，然后将其差值调节后输出，控制操作机按示教的轨迹运动。

(2）基本参数

操作机为六自由度多关节式结构，驱动系统为电液伺服驱动，控制部分采用微型计算机系统控制。

示教分为人手示教和示教盒示教。

（骑储容量：PTP最大容量为38 000点，CP最大容量为128 min。

②最大速度为1_7 m/s.

③位置重复精度为±2 5 mm。

④动作时间采样频率为10 Hz,40 Hz，50 Hz。

喷漆机器人的外形尺寸及工作范围如图7 -5所示。

（3)HRGP -1A系统的设计

喷漆机器人设计的内容主要包括确定基本参数、确定操作机的结构形式、选择驱动系统的种类和微型计算机控制系统，分述如下。

①操作机的设计

在进行操作机设计时，要对及工作范围有关的总体尺寸和部件尺寸参数进行计算和运动学分析。喷漆机器人操作机设计中的技术关键有以下几个：

A腰部回转机构的设计。腰部采用四连杆机构,回转角度为93。，它由一个直线油缸、驱动摆杆和连杆组成，使腰部作回转运动。这种机构工作可靠，结构简易,其原理如图7—6所示。

B水平臂和垂直臂平衡系统设计。喷漆机器人的水平臂和垂直臂均采用悬管梁结构，由伺服液压缸提供动力，使水平臂和垂直臂运动并保持一定的姿态。水平臂和垂直臂在重力的作用下都有下降的趋势。在工作过程中，由伺服液压缸平衡其重力，但在示教中则要求伺服液压缸卸荷，由人工操作,此时需要由弹簧平衡机构减小操作时的示教力，同时防止因液压缸突然卸荷而导致永平臂和垂直臂发生撞击,以免损坏机器。因此，仅有液压缸来平衡重力是不够的，必须要有弹簧平衡系统。对平衡系统的设计要求是：机构无论处于何种姿态，平衡力矩都应等于或稍大于重力矩.平衡机构的原理图如图7 -7所示。

C挠性手腕的设计.挠性手腕是由三副万向节和两对伞状齿轮啮合组成的。挠性手腕部分外径尺寸为#iIO mm，长度为270 mm．外部装有防尘波纹套。它的运动由左右两个直线作动器控制，使手腕上、下、左、右各作88。摆动，手腕由摆动液压缸驱动,使它作210。的转动.设计时，对十字联轴器、球形齿面的齿、凸齿的形状、齿形分布和齿形的修正均有较高的要求。

D操作机的材料选择。为了提高运动灵敏度、精度和响应速度，水平管和上支承座用铝台金制成，其质量轻、惯性小.底座支承件采用铸铁和钢材,以保证其具有足够的强度和刚度。

②电液伺服驱动系统的设计

日E动系统是直接驱动各运动部件动作的机构。喷漆机器人工作在易燃、易爆的环境中，为安全起见，采用电液伺服系统作为驱动系统.机器人具有6个自由度，每个自由度分别由一套电液伺服系统驱动.机器人运动时，各运动参数都会产生变化,所以动力参数也随之变化u电液伺服系统为多输入、多输出的变量系统，系统及系统问具有负载效应，根据喷漆工艺的要求,操作机必须具有运动速度高、工作稳定、位置重台精度高等能力,以适应复杂形面的喷漆，为此,要求各电液伺服系统的快速响应特性一致，各系统不因复合运动而超前或滞后，并具有高的速度刚度，保证机器人在喷漆中速度一致，不受其他系统干扰，电液伺服系统框图如图7—8所示。

伺服系统中采用分离活塞式作动器，以使机器人在示教过程中轻便、照活R。1J7教力小。

分离活塞式作动器的原理是：在示教时其活塞及活塞杆分离，减小摩擦力。示教完成后,再现开始时，液压泵启动，随着油压的升高，推动分离括塞,压紧成为一体。再现开始后,压力油受伺服阀的控制，推动活塞,带动活塞杆推动负载工作。分离活塞式作动器原理图如图7 -9所示。

机器人腰部的伺服阀选用FF106 —63型，额定流量为63 I /min，额定压力为21 MPa。垂直臂、水平臂、腕关节均选用Moog公司防爆伺服阀,额定流量为20 L/min，额定压力为7 MPa。

旋转变压器是喷漆机器人电液伺服系统中的重要反馈元件,安装在伺服作动器内。它体积小、质量轻、精度高，及8751单片机解码电路等组成了机器人的位置检测系统,该系统抗电干扰能力强、重复性好、稳定性好。

③液压能源的设计

液压能源为喷漆机器人中的电液伺服系统提供高压油。能源工作时，不但要使流量能够满足6个执行机构同时工作的速度要求，而且要使操作机具有足够的力矩。示教时，示教