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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。
学习内容与要求
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与分析方法。
本章难点
机电一体化系统的设计与分析方法。
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工业机器人的组成与分类
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。
②腕部。是连接手部与臂部的部件，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、条件与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与机架之间由多条运动支链连接，其末端件与串联的悬臂粱相比，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与性能的具体指标，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。这项参数与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。它与机器人的握取重量、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，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、总高度及雷管体与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，弹簧与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’)与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’)与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’，左臂左侧为导电帽与弹簧组合件料盘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、雷管的直径与高度、手爪是否抓住雷管体与弹簧组件以及雷管体与导电帽的短路状态等，然后将这些信号送到测量仪与设定值进行比较，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与左、右大小臂连接，使手臂在装配点与取（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，使步进电动机与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与预置步数相一致时，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。与此同时，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，经过插补运算与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，要对与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，系统与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：在示教时其活塞与活塞杆分离，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，与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，示教力要小，执行机构的限定性要好，同时，液压系统长时间工作时，油温能控制在规定的范围内。因此，在进行能源系统设计时，液压泵应选为恒压变量泵。它提供的流量和压力目B满足执行机构力（或力矩）及运动速度的要求，并能节省能源。阎组件采用集成化的结构，体积小，导管连接少，维修方便。为了使机器人示教力小，可采取电磁阀和液控阀组成的卸荷回路，使主油路的压力、蓄能器的压力和回路的背压在示教时全部卸荷。
④微型计算机控制系统的设计
计算机控制系统是喷漆机器人控制的核心，其操作方式是示教再现，控制方式为CP（连续控制）和PrrP（点位控制）。
本系统的硬件框图如图7 -10所示，采用双CPU工作，其中主CPU为8088，并配有协处理器8087。主CPU 8088主要用于系统管理、插补运算、坐标变换、数据存储、喷漆控制及故障处理；从CPU8086主要用于6个电液伺服回路控制。两个CPU各自配有相应的I/O接口和D/A接口，两个CPU之间有交换数据及命令的通信接口。从CPU通过通信接口与主CPU保持同步，机器人的运动轨迹数据及控制软件可以存人存储器。
操作指令通过示教盒和功能键盘输入，其中各有一片8031单片机，分别完成键盘的输入功能。键盘上有48个功能键，可完成全部机器人的控制操作。示教盒上有24个按键和数码管显示，利用示教盒操作可以方便地在喷漆现场工作。
控制装置还具有完善的故障显示及处理系统，可以用声和光的形式把故障显示出来，同时还可以作故障处理，对于无危险的故障，则以声、光信号报警，提示人们及时处理。
⑤机器人的软件设计
主机程序采用汇编语言编程及模块化设计方法，并使用丁自编汉字库。程序由主系统自检、初始化及主菜单、示教、再现、归位、排队和故障处理等几部分组成a 从机主要由单板机及外围电路组成，它的主要任务是：在示教方式下，接收机器人瞬时位置的6个自由度信号，经A/D转换后进到主机；在归位及再现方式下，完成6个回路控制规律的运算，使系统达到要求的精度和动态指标。

7.2 CNC数控设备
7.2 1 CNC数控设备概述
计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）机床是一种由计算机或专用电子计算装置控制的高效自动化机床。它综合应用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等方面的最新成就，是典型的机电一体化产品，是机床发展的必然趋势。数控机床发展至今，已经经历了从电子管数控、晶体管数控、集成电路数控、计算机数控到微型计算机数控的5代演变。当前，计算机数控机床已经成为促进国民经济发展的重要产品。由于它具有高教、高精度、低劳动强度和高度自动化等特点，所呲最适合于多品种、小批量零件的加工。近年来，随着微电子技术的飞速发展，能够自动更换刀具的高度自动化的计算机数控机床——机械加工中心（Machining Center，MC）发展更为迅速。各工业发达国家相继出现了双工位和多工位交换工作台的加工中心，加1二中心与工业机器人等组成了柔性制造单元( FlexibleManufacturing CelJ’FMC)，以及由多台加工中心与物料搬运装置（工业机器人）等组成了柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS），在这个墓础上又发展了自动化工厂( Factory Automation,FA)等。
在普通机床上加工零件时，机床运行的开始、结束，运动的先后次序以及刀具和工件的相对位置等都是由人工操作完成的。而CNC机床加工零件时，则是将被加工零件的加工顺序、T艺参数、机床运动要求等用数控语言记录在数控介质（穿孔纸带、磁带、磁盘等）上，然后输^到CNC数控装置，再由CNC装置控制机床运动，从而实现加工自动化。为了提高加工精度，一般还装有位置检测反馈回路，以构成闭环控制系统。CNC机床加工过程原理框图如图7 -11所示。

在机械加工中心上加工零件所涉及的技术范围比较广，与相应的配套技术有密切关系。图7 12所示为CNC机床（或加工中心）加工时需考虑的问题。对于一个合格的编程员来说，他应该是一个很好的丁艺员，应熟练掌握零件的工艺设计和切削用量的选择，并能提出正确的刀具方案和夹具方案，懂得刀具测量方法，了解机床的性能和特点，熟悉程序编制和输入方式。
7 2 2 CNC机床分类
CNC机床的种类很多，归纳起来可用以下两种方法进行分类。
1．按工艺用途分类
(1)一般数控机床。这类机床和传统的通用机床相似，有数控车、铣、镗、钻、磨、插齿、滚齿等机床。它们的工艺可能性与通用机床一样，所不同的是能自动加工复杂形状的零件。
C2)带自动换刀装置的机械加工中心。这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的。它是配有刀库（可容纳10 - 100多把刀具）和自动换刀装置的数控机床，与一般数控机床不同的是，工件经一次装夹后，数控装置就能控制机床自动更换刀具，完成铣（车）、削、钻、铰及攻丝等多道工序。
<3)多坐标数控机床。有些形状复杂的零件（例如螺旋桨）用三坐标数控机床还是难于加工，为此出现了多坐标数控机床，其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构比较复杂。
多坐标数控机床的坐标轴数常取决于被加工零件的工艺要求。目前常用的多是3-5个坐标的数控机床。
2．按刀具相对工件移动的轨迹分类
(Il点位控制数控机床。这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置(点)精确地移动到另一个位置，且在移动过程中不进行任何加工。这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床和数控冲床等。
(2)点位宣线控制数控机床。这类机床的特点是不仅要控制两相关点之间的位置，还要控制两相关点之rH的移动路线（轨迹），泼移动路线一般都由与各轴线平行的直线段组成。点位直线控制数控机床和点位控制数控机床的区别在于：当机床移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向进行切削加T，而且其辅助机能也比较多。这类机床主要有简易数控车床、数控镗铣床和自动换刀数控铣床等。
(3)轮廓控制数控机床。轮廓控制即连续轨迹控制，这类机床能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续轨迹控制，即控制整个加工过程的速度及每个点的位置，故能加工形状复杂的零件，其辅助机能亦比较齐全。这类机床主要有数控车床、数控磨床、数控铣床及铣削加工中心等。
7.2 3 CNC机械加工中心
机械加工中心作为机电一体化的典型产品，靠机电技术之间的互相促进，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。
1．基本构成
以日本FHNiOOT机械加工中心为例，其机械装置的规格如表7-1所示。机械加工中通常由以下部分构成：①数控x，y，：轴三个移动装置；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．机床的机械装置
FHNIOOT机械加工中心的机械装置如图7-13所示。其主要结构分述如下。

(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*轴运动和立柱的y轴运动。立柱上设置有主轴头上、下（：轴）运动的导轨，以实现；轴运动。各轴都由与伺服电动机直接连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，并通过具有72个齿的（每齿5一）端齿分度装置进行精密定位。
(3)主轴头
主轴头通过26 kW(30 min额定)/22 kW（连续额定）的交流伺服电动机实现20 -3 600 r/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
自动换刀装置由存放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6 - iO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（如图7 -14所示）。垂直刀架由垂直输送装置报送并安装到主轴上。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．CNC系统
CNC系统的控制系统框图如图7- 15所示，主要由数字控制装置、输入／输出设备和驱动控制装置等组成。加工中心的本体为被控对象。将数控加工程序通过输入装置输入数控装置，在数控装置的控制下，通过输出设备输出各种信息和指令，驱动装置驱动机床各部分有序地动作，如控制各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量、各状态控制的1/0信号等，以保证刀具和工件之间相对位置的准确性。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。

CNC系统的控制系统以顺序控制为主，可实现接触式传感功能、管理功能和自适应功能，利用工（刀）具码（T码）选择工（刀）具，利用速度码（S码）选择主轴辖速，利用回转T作台进行分度控制等。
(1)接触式传感器的功能
接触式传感器的功能如图7 -16所示。

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。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，并且维持较高的工作精度。
（萤缩短空切时间功能。在切削进给行程范围内，指定空切范围以进给速度（蜥）两倍的速度自动空切送进，当检测到工具与工件接触时，开始以正常的进给速度进给，从而缩短了空切时间。
（萤刀具折损检测功能。能判断刀具的折损，使机床停止运转，从而防止下一把刀具被折损或损伤工件。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行检测的方式。
④x，y，=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[测试x,，yJ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T基准，连续自动运转。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。
⑤自动检测校正功能。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有两个：一个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；另一个是使批量生严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化。
(2)管理功能
（D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。 ②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，在发出更换刀具指令时，这种功能通过刀具寿命管理功能便可自动地换成备用刀具。
③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，可发现确切的故障，从而大幅度地减少故障时间。
(3)自适应控制功能
这种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来检测加工过程中负载的变化情况实现的。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。
7.3全自动洗衣机
家用电器大部分是机电一体化系统，其中自动洗衣机是典型的机电一体化系统。全自动洗衣机是在性能良好的渡轮式结构上加上搅拌部分而形成的一种全新式洗衣机。
7 3 1洗涤方式
全自动洗衣机的洗涤方式有3种：渡轮式（涡轮为、滚筒式（拍洗）和搅拌式（摆动洗）。图7 -17是3种洗涤方式的比较。

1．渡轮式全自动洗衣机
该机型结构紧凑，使用方便，洗净率较高，洗涤时间较短，但洗涤过程中容易使衣物缠绕扭绞，从而影响洗涤的均匀性，衣物磨损也较大，不过，现该类机型已作改进，通过选用大渡轮来弥补小渡轮之不足。目前市场上供应最多的是渡轮式全自动洗衣机。
2．滚筒式全自动洗衣机
通过连续地旋转滚筒式洗衣机的滚筒，进行下落洗涤，使滚筒内的衣物通过重力产生的下落来洗涤衣物，或进行反向洗涤，通过反复地向前（顺时针）或向后（反时针）旋转滚筒一段时间来洗涤衣物。滚筒式全自动洗衣机洗涤的衣物不缠绕、磨损小，但是由于采用摔打洗涤，滚筒式全自动洗衣机的洗涤力不强，洗涤时间长，体积大。
3．搅拌式全自动洗衣机
内筒中央的一个搅拌棒和几片搅拌翼，能够保持在360。之内依据不同衣物质地、脏污程度、洗涤物质量等或快或慢地来回旋转，将衣物揽在怀中来回揉搓，彻底清除污渍。因此，搅拌式洗衣机具有不缠绕、不磨损、省电、洗涤力强等诸多优点，兼具渡轮式与滚筒式的优点，并且克服了两者的不足。
7.3.2 KW -20LX犁全自动洗衣机控制系统
KW -20LX是“防缠绕柱”洗衣机系列中采用微机控制的机型。它是只用按钮操作的计算机控制洗衣机，附有用于洗涤特脏衣服的“间歇洗涤”按钮。全自动循环有两种固定的时限，“标准”和“节约”两个按钮兼作启动按钮用。手动循环分别设定洗涤、漂洗、脱水等输入按钮及专用手动启动按钮。
“间歇洗涤”是连续60分钟的洗涤方式，每隔1 5分钟防缠绕柱旋转2分钟，这样可以使洗涤剂充分浸透到衣物中，容易使污物脱落。

图7 -18给出了水流工作状态与循环的组合。通过按钮可控制水流和脱水的适度组合。以开动时间为0 75 s，停转时间为0 5 s进行正向转动，停转后，以同一循环反向转动。
KW - 20LX控制系统的电路原理框图如图7 19所示。它主要由以下几部分组成：指示洗衣机运转的操作按钮输入电路，判别传感器输入的信号变换电路，读人输入信息、输出控制信号的微机，显示设定和运行状态的显示电路，通知结束和异常现象发生的蜂鸣器，驱动蜂鸣器和微机工作的振荡电路，控制电动机等负荷的驱动电路，电源电路和变压器。全部元件都装在一块电路板上，并经耐湿涂覆处理。
另外，该自动洗衣机还附有漂洗的最佳控制，以得到均匀的漂洗效果，并附有供水、排水的异常报警以及失衡（甩干时的不平衡）报警装置和安全开关。

本章小结
I典型机电一体化产品分析
本章首先对涉及生产自动化、家庭电气化等方面的典型机电一体化产品进行了比较深入的分析。从几个典型实例的分析可以得出如下结论：
(l)机电一体化产品的结构、功能、规模和复杂程度随应用场合的不同，其差异很大。
例如，机器人、数控机床产品相对比较复杂，洗衣机则相对比较简单。
(2)无论机电一体化产品的复杂程度如何，对其进行分析和设计都应该从系统化的角度出发，以机械为主体，以微电子技术为核，心，强调各种技术的协同和集成，这样才能获得更理想的设计结果，获得良好的技术经济性。
2机电一体化系统的设计与综合
本章主要是时机电一体化系统产品各要素和环节进行介绍，列举一些实例进行分析，从系统化设计的角度进行机电一体化系统的设计，并重点介绍了机电一体化系统实现特殊机构功能的方法和原理．以及机电一体化系统的技术基础——微电子技术和精密机械技术。
思考题s习题
7 -1工业机器人的控制系统主要分哪两太类？各自的特点是什么？
7-2如何理解工业机器人的“示教”和“再现”过程'
7-3已知某物料搬动机械手的结构和动作过程如图7 - 20所示，机械手的