第八章 机电系统集成与控制实例

根据以上特点，机器人采用关节式运动形式，其结 构形式如图6—5所示，系统的基本参数要求如表6—
1所示。
8.2.2.2 机器人的机械本体及驱动方案设计
一、结构方案 机器人的动态特性通常用质量、惯性矩、刚度、阻尼系 数、固有频率和振动模态来描述。为了提高系统的动态特性， 在设计时应尽量减少质量和惯量，提高结构刚度和系统的固 有频率，增加阻尼。本系统采用关节式三自由度的运动形式。 关节式结构形式的机器人动作灵活、工作空间大、在作业空 间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节相对部 位密封易于实现。但关节型机器人的运动学原理较复杂，逆 解困难，确定末端件的位置不直观，进行控制时计算量比较 大。
方案一是肩关节的伺服电机安装在腰座上，而肘关节的伺服电 机安装在大臂上。这种驱动方案的结构较简单，但系统的惯 量大，会增加腰关节和肩关节的驱动功率，给系统的控制带 来一定的困难。改进的方案如图6—6所示，肘关节和肩关节 的两台伺服电机对称布置在腰座上，一台驱动大臂，另一台 驱动小臂。其优点是系统容易获得静态平衡，惯量减小，稳 定性得到提高，缺点是肘关节传动系统的结构比较复杂。
二、进给轴传动设计
进给轴传动设计分为垂直方向（Z向）和水平方向（X向） 进给电动机的设计与计算。内容包括： （1）额定输出转矩的选择； （2）计算负载惯量； （3）空载加速转矩计算和校核
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三、传动系统刚度
传动系统的刚度K计算： 总刚度与各个环节的刚度关系为：
8.1.3 机床结构设计
数控机床是一种高精度、高效率的自动化加工设备，要 求数控机床的机械结构具有优良的特性才能保证。这些特性 包括结构的静刚度、抗振性、热稳定性、低速运动的平稳性 及运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。 提高机床结构静刚度的措施包括： ①合理设计基础件的截面形状和尺寸，采用合理的筋板结构。 ②采用合理的结构布局，改善机床的受力状态，提高机床的静 刚度。
机器人一般要求示教再现功能和运动控制功 能。按照控制形式又可以分为点位控制(PTP)和连 续轨迹控制(CP)两种方式，如图6—9所示。点位 控制对机器人在两点之间运动的路径和姿态不做 任何规定，只要求其快速准确地实现两点间的运 动。连续轨迹控制则要求连续地控制机器人的末 端执行器在空间的位姿，要求它严格按照预定的 轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度 可控，轨迹连续光滑，运动平稳。
电位计、测速发电机、和腕力传感器等。
机器人是由马达驱动的，计算机控制的机器，可以自动完成多 种动作机器人系统的组成原理图。一个设备被称为机器人需 要满足以下5个条件： ①执行机构。 ②末端。 ③驱动器。 ④传感器。 ⑤控制器。 机器人的应用范围非常广泛，种类繁多，有许多分类方法， 按结构及运动形式可以划分： ①关节式，如工业机器人。 ②移动式，如汽车机器人、类人机器人、爬行类仿生机器人等。 ③飞行式，如仿生飞行机器人、无人机等。
二、驱动方案
驱动方案包括确定机器人的驱动方式和驱动元件。机器 人驱动方式有电动、液压和气动三种。电动系统适合于中等 负载、动作复杂、运动轨迹严格的场合。关节驱动方式有直 接驱动和间接驱动两种。关节直接驱动机器人(DDR)将电动机 直接做在关节上。目前大部分机器人的关节是间接驱动，即 电动机通过减速器与关节轴相连。 在选择机器人的制造材料时要综合考虑材料的强度、刚 度、密度、弹性、抗振性、可加工性、外观及价格等。常用 的材料有碳素结构钢：、合金结构钢、铝、铝合金及其他轻 合金等等。本系统采用铝合金材料铸造壳体。
②主轴系统应该具有较高的精度与刚度，传动平稳，且具有良 好的抗振性和热稳定性。
③极坐标数控镗铣床在精镗箱体类零件时，要求主轴能够实现 定角度停止，防止刀具退出时划伤已加工表面。
8.1.4.3 伺服进给驱动系统
交流伺服驱动系统由伺服驱动单元、伺服电机 及光电位置编码器三个部分组成。
8.1.4.4 数控镗铣床的PLC软件开发
⑦娱乐机器人，如机器人宠物，竞赛机器人等。
理想中的机器人如图6—2所示，它应该是能直立行走并有 一定的思维能力。图6—3所示的是典型的工业机器人系统原理 图，工业机器人主要用于完成一定的作业任务，它是实际中应
用最多的机器人。
8.2.2 关节式机器人设计 8.2.2.1 拟定机器人的技术指标 本机器人系统主要作为教学研究用，其工作环 境为教学实验室，要求它能够进行连续轨迹控制， 同时应该具有示教再现功能。 机器人的主要参数包括坐标形式，各个杆件的 长度，关节的运动范围、运动速度、运动精度和负 载能力等。 由于机器人是教学实验机器人，主要用来完成 一些实验、演示机器人的基本功能、完成机器人的 操作方法训练，以便了解机器人的工作原理和使用 方法。因此对机器人的负载能力、运动速度要求较 低，希望系统的结构尽量简单、成本低、控制功能 比较强。
第八章 机电系统集成与控制实例
8.1 数控车床设计实例 8.2 机器人应用实例 8.3 办公及家用自动化中的机电一体化系统 8.3.1 办公设备 8.3.2 家用电器
8.1 数控机床设计实例 数控车床设计分为以下部分： 8.1.1 机床总体设计 8.1.2 机床传动系统设计 （1）主轴箱传动链设计计算 （2）进给轴传动设计 （3）传动系统刚度 8.1.3 机床结构设计 8.1.4 机床控制系统设计 （1）数控系统的选型
用户程序一般可分为主程序和子程序两大部分。主程序(称为 OBl)的主体是放置控制应用程序指令的位置，其指令按顺序 执行，每次执行CPU的一次扫描循环。子程序是指令的一个 选用集，存放在分开的程序块中，仅在主程序调用时执行。
数控镗铣床的PLC软件开发主要包括主程序和子程序两大部分的 编制，其开发的步骤大体如下：
在机器人的设计中，可选择通用的标准零部件，如伺服 电机、减速器、传感器和手爪等。对一些专用的部件则需自 行设计，如底座、手臂和交叉滚子轴承等。 本体采用交流伺服电机驱动，位置、速度检测传感器采 用松下MINASA系列交流伺服电机自带的17位绝对位置码盘。 其配套驱动器上带有各种安全保护与报警接口，可用于保护 电机和减速器。各关节上采用的电机及驱动型号如表6—2所 示。
二、镗铣床数控系统的选择
数控镗铣床以镗铣加工工艺为主，用于箱体、壳体以及各 种复杂零件特殊曲线、孔系和轴轮廓的加工，对电控系统的要 求可概述如下： （1）数控系统
（2）控制轴数与联动轴数
（3）主传动驱动系统 （4）伺服进给驱动系统 （5）通信功能 （6）PLC功能
8.1.4.2 主轴驱动系统
为满足镗铣类数控机床对主轴驱动的要求，主轴驱动系 统应具备以下性能： ①主轴电动机功率要大，且在大的调整范围内速度要稳定，恒 功率调速范围宽；在断续负载下电动机转速波动要小；加速、 减速时间短；温升低，噪声小，振动小，可靠性高，寿命长； 电动机过载能力强。
PLC中的程序分为操作系统和用户程序，操作系统用来实 现与特定的控制任务无关的功能，处理PLC的启动、刷新输 入／输出过程映像表、调用用户程序、处理中断和错误、管 理存储区和处理通信等。PLC采用循环执行用户程序的方式， 这种运行方式也称扫描工作方式。主程序就是用于循环处理 的组织块，操作系统在每一次循环中调用一次该程序，一个 循环周期分为输入、程序执行、输出和其他任务，例如下载、 删除块，接收和发送全局数据等。用户程序由用户在STEP7 中生成，然后将它下载到CPU。用户程序包含处理用户特定 的自动化任务所需要的所有功能，例如处理过程数据、指定 对中断的响应和处理程序正常运行中的干扰等。
③补偿有关零、部件的静力变形。
④提高机床各部件的接触刚度。
提高机床结构抗振性的措施包括： ①基础件内腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料 ②表面采用阻尼涂层。 ③采用新材料制造基础件。 ④充分利用接合面间的阻尼。
减小机床热变形的措施包括： ①改进机床布局和结构设计。 ②控制温升。 ③热变形补偿。
改善运动导轨副摩擦特性的措施包括：
8.1.2 机床传动系统设计
机床传动系统设计包括以下3部分： （1）主轴箱传动链设计计算； （2）进给轴传动设计； （3）传动系统刚度。
一、主轴箱传动链设计计算
（1）确定传动方案： （2）计算总传动比和分配各级传动比： （3）计算传动装置的运动和动力参数：
根据传动方案，可以确定主轴传动系统的结 构简图如图5—3所示，它采用一级带传动、级固 定齿轮和一级滑移齿轮结构，通过改变滑移齿轮 与固定齿轮的啮合状态，可以实现低速和高速挡 两种转速。
①熟悉机床控制设备的动作顺序和控制逻辑。
②按照CNC提供给PLC的资源情况，合理扩展和分配PLC的I／O点。 ③用STEP 7—Micro／WIN 32编制梯形图。
④将通过编译的源程序下载到PLC中。
⑤根据实际动作要求纠正控制逻辑错误。 ⑥备份源程序代码。
8.2 机器人应用实例
8.2.1 概述
机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、传 感器、控制器、执行机构和驱动部分组成。机械本体是机器 人的基础框架，提供系统的支撑；执行机构用来完成一定的 运动功能，如机械手的手臂和手爪；驱动部分为机器人提供 驱动力，常见的驱动元件有直流伺服电机、步进电机、交流 伺服电机和液压、气压驱动元件；控制器对本体进行精确的 运动控制，一般使用工业控制计算机、微处理器和专用伺服 控制器；传感器应提供机器人本体或其所处环境的信息，为 机器人的控制提供反馈信号，常用的传感器有光电编码器、
（2）主轴驱动系统 （3）伺服进给驱动系统 （4）数控镗铣床的PLC软件开发
8.1.1 机床总体设计
确定拟设计机床总体目标：以一个回转运动 加上X向、Z向两直线联动驱动代替X向、Y向、z向 三直线联动驱动，可以对较复杂的大型回转曲面、 圆周分度精度要求较高的孔系及具有特殊要求的 环面凸轮进行镗削、铣削、钻削加工，加工精度 好，效率高，编程方便，并且结构紧凑，体积是 传统直角坐标系数控机床的三分之一。
按功能可以划分为：
①工业机器人，如装配机器人、焊接机器人和喷漆机器人等。
②农业机器人如采摘果实机器人和收割机器人等。 ③仿生机器人等。如类人机器人、仿生鱼和仿生昆虫 ④危险环境作业机器人，如军用机器人、太空机器人和水下机 器人等。 ⑤服务机器人，如机器人护士、售货机器人、家政服务机器人 等。 ⑥医疗机器人，如外科手术机器人、康复机器人等。
（2）计算总传动比和分配各级传动比
在已知总传动比要求时，如何合理选择和分配 各级传动比，要考虑以下几点：
① 各级传动结构的传动比应尽量在推荐范围内选取；
② 应使传动装置结构尺寸较小、质量较轻；
③ 应使各传动件尺寸协调，结构均匀合理，避免干涉 碰撞。
（3）计算传动装置的运动和动力参数
设计计算传动件时，需要知道各轴的转速、转 矩和功率。因此，应将工作机上的转速、转矩和功 率推算到各轴上。
8.2.2.2
机器人的控制方案设计
机器人控制系统是机器人的重要组成部分。机器人控 制可分为两部分：关节的运动伺服控制和各个关节 之间的协调控制。 一、机器人控制系统的组成 本系统采用分散控制方式，由一台工业控制计算 机，进行大间隔的插补指令值的计算，在各个关节 轴上用PMAC多轴运动控制卡进行小间隔的插补运算 和伺服系统的处理。系统配有鼠标和键盘输入、CRT 显示输出接口实现人机信息交互，控制系统原理图 如图6—7所示。图6—8所示为系统硬件原理图。 二、机器人的运动轨迹控制
由于机器人在运动过程中，每个关节对应于起始点的关节 角度可通过绝对码盘检测获得同时通过对运动学的逆解也可以 得到终止点的关键角度，于是可用于起始点的关节角度与终止 点的关节角度之间的一个平滑插值函数来描述运动轨迹。一个 完整的运动轨迹可用多个三次样条曲线表示，加上角度、速度 和加速度等的约束，可以求解出样条曲线的各项系数，得到机 器人末端手爪的路径运动规律。
①采用减摩材料。
②对导轨进行润滑。 ③对导轨进行防护。 ④尽量使用滚动导轨。
8.1.4 机床控制系统设计
8.1.4.1 数控系统的选型
一、选择数控系统的基本原则
大体上说，选择系统的基本原则和要求有： ①数控基本功能。 ②基本技术指标：联动轴数、分辨率(设定单位)、速度等。 ③附加功能，如生产管理、测量要求、刀具管理、程序编制要 求、DNC接口联网要求等。 ④性能价格比要高。 ⑤购后的使用维护要方便、系统的市场寿命要长(不能选淘汰系 统，否则使用几年后将找不到维修备件)等。