第6章機電一體化系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用實例

1、1,第6章 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用實例,6.1 概述 6.2 數(shù)控機床 6.3 工件儲運設(shè)備 6.4 工業(yè)機器人 6.5 檢測與監(jiān)控系統(tǒng) 6.6 輔助設(shè)備 6.7 數(shù)控機床 6.8 機電一體化產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計要點 ,2,6.1 概述,6.1.1 剛性自動化生產(chǎn) 1.剛性半自動化單機 除上、下料外，機床可以自動完成單個工藝過程的加工循環(huán)，這樣的機床稱為剛性半自動化機床。 2.剛性自動化單機 它是在剛性半自動化單機的基礎(chǔ)上增加了自動上、下料等輔助裝置而形成的自動化機床。 ,3,3.剛性自動化生產(chǎn)線 剛性自動化生產(chǎn)線是多工位生產(chǎn)過程，用工件輸送系統(tǒng)將各種自動化加工設(shè)備和輔助設(shè)備按一定的順序連接起來，

2、在控制系統(tǒng)的作用下完成單個零件加工的復(fù)雜大系統(tǒng)。 圖6-1所示為加工曲拐零件的剛性自動線總體布局圖。該自動線年生產(chǎn)曲拐零件17000件，毛坯是球墨鑄鐵件。由于工件形狀不規(guī)則，沒有合適的輸送基面，因而采用了隨行夾具安裝定位，便于工件的輸送。,4,圖6-1曲拐加工自動線 (a)正視圖；(b)俯視圖,5,該曲拐加工自動線由七臺組合機床和一個裝卸工位組成。全線定位夾緊機構(gòu)由一個泵站集中供油。工件的輸送采用步伐式輸送帶，輸送帶用鋼絲繩牽引式傳動裝置驅(qū)動。 6.1.2 柔性制造單元(fmc) 柔性制造單元（flexiblemanufacturingcell）由單臺數(shù)控機床、加工中心、工件自動輸送及更換系統(tǒng)

3、等組成。,6,1. fmc控制系統(tǒng) fmc控制系統(tǒng)一般分為兩級，分別是單元控制級和設(shè)備控制級。 （1）設(shè)備控制級。 （2）單元控制級。 2. fmc的基本控制功能 fmc的基本控制功能包括： （1）單元中各加工設(shè)備的任務(wù)管理與調(diào)度。 （2）單元內(nèi)物流設(shè)備的管理與調(diào)度。 （3）刀具系統(tǒng)的管理。圖6-2所示為一以加工回轉(zhuǎn)體零件為主的柔性制造單元。,7,圖6-2 柔性制造單元,8,圖6-3所示是加工棱體零件的柔性制造單元。單元主機是一臺臥式加工中心，刀庫容量為70把，采用雙機械手換刀，配有8工位自動交換托盤庫。托盤庫為環(huán)形轉(zhuǎn)盤，托盤庫臺面支承在圓柱環(huán)形導軌上，由內(nèi)側(cè)的環(huán)鏈拖動而回轉(zhuǎn)，鏈輪由電機驅(qū)動。

4、,9,圖6-3 帶托盤庫的柔性制造單元,10,6.1.3柔性制造系統(tǒng)(fms) 柔性制造系統(tǒng)（flexiblemanufacturingsystem）由兩臺或兩臺以上加工中心或數(shù)控機床組成，并在加工自動化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了物料流和信息流的自動化。其基本組成部分有： 自動化加工設(shè)備、工件儲運系統(tǒng)、刀具儲運系統(tǒng)和多層計算機控制系統(tǒng)等。 1.自動化加工設(shè)備 組成fms的自動化加工設(shè)備有數(shù)控機床、加工中心、車削中心等，也可能是柔性制造單元。,11,2.工件儲運系統(tǒng) fms工件儲運系統(tǒng)由工件庫、工件運輸設(shè)備和更換裝置等組成。工件庫包括自動化立體倉庫和托盤（工件）緩沖站。工件運輸設(shè)備包括各種傳送帶、運輸小車、

5、機器人或機械手等;工件更換裝置包括各種機器人或機械手、托盤交換裝置等。 3.刀具儲運系統(tǒng) fms的刀具儲運系統(tǒng)由刀具庫、刀具輸送裝置和交換機構(gòu)等組成。 ,12,4. 輔助設(shè)備 fms可以根據(jù)生產(chǎn)需要配置輔助設(shè)備。輔助設(shè)備一般包括自動清洗工作站,自動去毛刺設(shè)備,自動測量設(shè)備,集中切屑運輸系統(tǒng)和集中冷卻潤滑系統(tǒng)等。,13,圖6-4 fms控制系統(tǒng)實例,14,5.多層計算機控制系統(tǒng) fms的控制系統(tǒng)采用三級控制，分別是單元控制級、工作站控制級、設(shè)備控制級。圖6-4就是一個fms控制系統(tǒng)實例，系統(tǒng)包括自動導向小車（agv）、th6350臥式加工中心、xh714a立式加工中心和倉儲設(shè)備等。 （1）設(shè)備控

6、制級。 （2）工作站控制級。 （3）單元控制級。 圖6-5是一種較典型的fms，四臺加工中心直線布置，工件儲運系統(tǒng)由托盤站2、托盤輸送車4、工件裝卸工位3和布置在加工中心前面的托盤交換裝置12等組成。,15,圖6-5 柔性制造系統(tǒng)的組成,16,圖6-6所示是一個具有裝配功能的柔性制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)的主要特點有：柔性高，適應(yīng)多品種中、小批量生產(chǎn)；系統(tǒng)內(nèi)的機床工藝能力上是相互補充和相互替代的；可混流加工不同的零件；系統(tǒng)局部調(diào)整或維修不中斷整個系統(tǒng)的運作；多層計算機控制，可以和上層計算機聯(lián)網(wǎng)；可進行三班無人干預(yù)生產(chǎn)。 6.1.4柔性制造線(fml) 柔性制造線（flexiblemanufactu

7、ringline）由自動化加工設(shè)備、工件輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。 ,17,圖6-6 具有裝配功能的柔性制造系統(tǒng),18,柔性制造線的主要優(yōu)點是：具有剛性自動線的絕大部分優(yōu)點；當批量不很大時，生產(chǎn)成本比剛性自動線低得多；當品種改變時，系統(tǒng)所需的調(diào)整時間又比剛性自動線少得多，但建立系統(tǒng)的總費用卻比剛性自動線高得多。 1. 自動化加工設(shè)備; 2. 工件輸送系統(tǒng); 3. 刀具;,19,圖6-7為一加工箱體零件的柔性自動線示意圖，它由兩臺對面布置的數(shù)控銑床，四臺兩兩對面布置的轉(zhuǎn)塔式換箱機床和一臺循環(huán)式換箱機床組成。采用輥子傳送帶輸送工件。這條自動線看起來和剛性自動線沒有什么區(qū)別，但它具有一定的柔性。fm

8、l同時具有剛性自動線和fms的某些特征，在柔性上接近fms，在生產(chǎn)率上接近剛性自動線。,20,圖6-7 柔性制造線示意圖,21,6.1.5 柔性裝配線(fal) 柔性裝配線（flexibleassemblyline）通常由裝配站、物料輸送裝置和控制系統(tǒng)等組成。 1.裝配站 fal中的裝配站可以是可編程的裝配機器人,不可編程的自動裝配裝置和人工裝配工位。 2.物料輸送裝置 3.控制系統(tǒng) fal的控制系統(tǒng)對全線進行調(diào)度和監(jiān)控，主要控制物料的流向和自動裝配站、裝配機器人。圖6-8是fal的示意圖。,22,圖6-8 柔性裝配線示意圖,23,6.1.6 計算機集成制造系統(tǒng)（cims） 1.cims的功能

9、構(gòu)成 cims的功能構(gòu)成包括下列內(nèi)容(參考圖6-9)： （1）管理功能。 （2）設(shè)計功能。 （3）制造功能。 （4）質(zhì)量控制功能。 （5）集成控制與網(wǎng)絡(luò)功能。 ,24,圖6-9 cims的組成,25,2. cims的關(guān)鍵技術(shù) （1）信息集成。 （2）過程集成。 （3）企業(yè)集成。 ,26,6.2 數(shù)控機床,6.2.1 一般數(shù)控機床 一般數(shù)控機床通常是指數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜銑床等，它們的下述特點對其組成自動化制造系統(tǒng)是非常重要的。 1. 柔性高 2.自動化程度高 3.加工精度高且質(zhì)量穩(wěn)定 ,27,4.生產(chǎn)效率較高 5.具有刀具壽命管理功能 6.具有通信功能 現(xiàn)代數(shù)控機床一般都具有通信接口，可

10、以實現(xiàn)上層計算機與數(shù)控機床之間的通信，也可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信，同時還可以直接對幾臺數(shù)控機床進行控制。通信功能是實現(xiàn)dnc、fmc、fms的必備條件。 圖6-10是數(shù)控裝置的基本組成框圖。圖6-10中的4為數(shù)控系統(tǒng)，它是數(shù)控機床的核心環(huán)節(jié)。,28,圖6-10 數(shù)控裝置的基本組成框圖,29,cnc系統(tǒng)由程序、輸入輸出設(shè)備、計算機數(shù)字控制裝置、可編程控制器（pc或可編程邏輯控制器plc）、主軸控制單元及速度控制單元等部分組成，如圖6-11所示。,30,圖6-11 cnc系統(tǒng)框圖,31,6.2.2 加工中心(mc) 加工中心的系統(tǒng)基本組成與一般數(shù)控機床一樣，只是在此基礎(chǔ)上增加了刀庫和自動

11、換刀裝置而形成一類更復(fù)雜，但用途更廣，效率更高的數(shù)控機床。加工中心配置有刀庫和自動換刀裝置，能在一臺機床上完成車、銑、鏜、鉆、鉸、攻螺紋、輪廓加工等多個工序的加工。 加工中心機床具有工序集中，可以有效縮短調(diào)整時間和搬運時間，減少在制品庫存，加工質(zhì)量高等優(yōu)點，因此常用于零件比較復(fù)雜，需要多工序加工，且生產(chǎn)批量中等的生產(chǎn)場合。 加工中心通常是指鏜銑加工中心，主要用于加工箱體及殼體類零件，工藝范圍廣。,32,加工中心的刀具庫通常位于遠離主軸的機床側(cè)面或頂部。 加工中心刀具的存取方式有順序方式和隨機方式，刀具隨機存取是最主要的方式。正確安放刀具是成功執(zhí)行數(shù)控程序的基本條件。 回轉(zhuǎn)工作臺是臥式加工中心實

12、現(xiàn)主軸運動的部件，主軸的運動可作為分度運動或進給運動。 回轉(zhuǎn)工作臺有兩種結(jié)構(gòu)形式：僅用于分度的回轉(zhuǎn)工作臺用鼠齒盤定位，分度前工作臺抬起，使上、下鼠齒盤分離，分度后落下定位，上、下鼠齒盤嚙合，實現(xiàn)機械剛性連接；用于進給運動的回轉(zhuǎn)工作臺用伺服電機驅(qū)動，用回轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器檢測及定位，并控制回轉(zhuǎn)速度，也稱數(shù)控工作臺。數(shù)控工作臺和x、y、z軸及其它附加運動構(gòu)成45軸輪廓控制，可加工復(fù)雜輪廓表面。 ,33,6.2.3車削中心 車削中心比數(shù)控車床工藝范圍寬，工件一次安裝，幾乎能完成所有表面的加工，如內(nèi)、外圓表面，端面，溝槽，內(nèi)、外圓及端面上的螺旋槽，非回轉(zhuǎn)軸心線上的軸向孔和徑向孔等。 車削中心回轉(zhuǎn)刀架上可安

13、裝如鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐等回轉(zhuǎn)刀具，它們由單獨的電動機驅(qū)動，也稱自驅(qū)動刀具。在車削中心上用自驅(qū)動刀具對工件的加工分為兩種情況：一種是主軸分度定位后固定，對工件進行鉆、銑、攻螺紋等加工；另一種是主軸運動作為一個控制軸（c軸），c軸運動和x、z軸運動合成為進給運動，即三坐標聯(lián)動，銑刀在工件表面上銑削各種形狀的溝槽、凸臺、平面等。,34,車削中心回轉(zhuǎn)刀架通?？裳b刀具1216把，這對無人看管柔性加工來說是不夠的。因此，有的車削中心裝備有刀具庫，刀庫有筒形或鏈形，刀具更換和存儲系統(tǒng)位于機床一側(cè)，刀庫和刀架間的刀具交換由機械手或?qū)ｉT機構(gòu)進行。 車削中心采用可快速更換的卡盤和卡爪，普通卡爪更換時間為510

14、min，而快速更換卡盤、卡爪的時間可控制在2min以內(nèi)?？ūP有35套快速更換卡爪，以適應(yīng)不同直徑的工件。如果工件直徑變化很大，則需要更換卡盤。有時也采用人工在機床外部用卡盤夾持好工件，用夾持有新工件的卡盤更換已加工的工件卡盤的方法，工件-卡盤系統(tǒng)更換常采用自動更換裝置。,35,6.2.4 電火花加工 1.電火花加工的原理與特點 電火花加工是在如圖6-12所示的加工系統(tǒng)中進行的。加工時，脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極，兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質(zhì)（常用煤油或礦物油或去離子水）中。,36,圖6-12 電火花加工原理圖,37,進行電火花加工必須具備三個條件：必須采用脈沖電源；必須采

15、用自動進給調(diào)節(jié)裝置，以保持工具電極與工件電極間微小的放電間隙；火花放電必須在具有一定絕緣強度（103107m）的液體介質(zhì)中進行。 電火花加工具有如下特點：可以加工任何高強度、高硬度、高韌性、高脆性以及高純度的導電材料；加工時無明顯機械力，適用于低剛度工件和微細結(jié)構(gòu)的加工；脈沖參數(shù)可依據(jù)需要調(diào)節(jié)；可在同一臺機床上進行粗加工、半精加工和精加工；電火花加工后的表面呈現(xiàn)的凹坑有利于儲油和降低噪聲；生產(chǎn)效率低于切削加工；放電過程有部分能量消耗在工具電極上，導致電極損耗，影響成形精度。,38,2.電火花加工的應(yīng)用 電火花加工主要用于模具生產(chǎn)中的型孔、型腔加工，已成為模具制造業(yè)的主導加工方法，推動了模具行業(yè)

16、的技術(shù)進步。 （1）電火花成形加工。 （2）電火花線切割加工。 3.電火花加工機床的發(fā)展趨勢 電火花加工機床在提高精度和自動化程度的同時，也在向結(jié)構(gòu)的小型化方向發(fā)展。,39,目前先進的多軸聯(lián)動電火花數(shù)控機床發(fā)展趨勢是集多種功能于一體，這些功能包括旋轉(zhuǎn)分度、自動交換電極、自動放電間隙補償、電流自適應(yīng)控制以及加工規(guī)準的實時智能選擇等，從而實現(xiàn)從加工規(guī)準的選擇到零件的加工全過程自動化。,40,6.3 工件儲運設(shè)備,6.3.1 有軌小車（rgv） 有軌小車（railguidevehicle）是一種沿著鐵軌行走的運輸工具，有自驅(qū)和它驅(qū)兩種驅(qū)動方式。自驅(qū)動有軌小車通過車上的小齒輪和安裝在鐵軌一側(cè)的齒條嚙合

17、，利用交、直流伺服電動機驅(qū)動。它驅(qū)式有軌小車由外部鏈索牽引，在小車底盤的前、后各裝一導向銷，地面上修有一組固定路線的溝槽，導向銷嵌入溝槽內(nèi)，保證小車行進時沿著溝槽移動。 ,41,前面的銷桿除作定向用外，還作為鏈索牽動小車的推桿。推桿是活動的，可在套筒中上下滑動。鏈索每隔一定距離有一個推頭，小車前面的推桿可靈活地插入或脫開鏈索的推頭，由埋設(shè)在溝槽內(nèi)適當?shù)攸c的接近開關(guān)和限位開關(guān)控制。推桿脫開鏈索的推頭，小車就停止。采用空架導軌和懸掛式機械手或機器人作為運輸工具也是一種發(fā)展趨勢，其主要優(yōu)點是充分利用空間，適合于運送中、大型工件，如汽車車架、車身等。 有軌小車的特點是：加速和移動速度都比較快，適合運送

18、重型工件；導軌固定，行走平穩(wěn)，停車位置比較準確；控制系統(tǒng)簡單，可靠性好，制造成本低，便于推廣應(yīng)用；行走路線不便改變，轉(zhuǎn)彎角度不能太?。辉肼曒^大，影響操作工監(jiān)聽加工狀況及保護自身安全。,42,6.3.2 自動導向小車（agv） 1.agv的結(jié)構(gòu); 在自動化制造系統(tǒng)中使用的agv大多數(shù)是磁感應(yīng)式agv。圖6-13是一種能同時運送兩個工件的agv，它由運輸小車、地下電纜和控制器三部分組成。 ,43,圖6-13 磁感應(yīng)agv自動導向原理圖,44,2.agv的自動導向; 圖6-13是磁感應(yīng)agv自動導向原理圖，小車底部裝有弓形天線3，跨設(shè)于以感應(yīng)線4為中心且與感應(yīng)線垂直的平面內(nèi)。感應(yīng)線通以交變電流，產(chǎn)生

19、交變磁場。當天線3偏離感應(yīng)線任何一側(cè)時，天線的兩對稱線圈中感應(yīng)電壓有差值，誤差信號經(jīng)過放大，驅(qū)動左、右電動機2;左、右電動機有轉(zhuǎn)速差，經(jīng)驅(qū)動輪1使小車轉(zhuǎn)向，使感應(yīng)線重新位于天線中心，直至誤差信號為零。,45,3.路徑尋找; 路徑尋找就是自動選取岔道，agv在車間的行走路線比較復(fù)雜，有很多分岔點和交匯點。地面上有中央控制計算機負責車輛調(diào)度控制，agv小車上帶有微處理器控制板，agv的行走路線以圖表的格式存儲在計算機內(nèi)存中。 6.3.3 自動化立體倉庫 自動化立體倉庫的主要特點有：利用計算機管理，物資庫存賬目清楚，物料存放位置準確，對自動化制造系統(tǒng)物料需求響應(yīng)速度快；與搬運設(shè)備（如agv、有軌小車

20、、傳送帶）銜接,能可靠、及時地供給物料；減少庫存量，加速資金周轉(zhuǎn)；充分利用空間，減少廠房面積；減少工件損傷和物料丟失；可存放的物料范圍寬；減少管理人員，降低管理費用；耗資較大，適用于一定規(guī)模的生產(chǎn)。,46,1. 自動化立體倉庫的組成 自動化立體倉庫主要由庫房、貨架、堆垛起重機、外圍輸送設(shè)備、自動控制裝置等組成。圖6-14所示為自動化立體倉庫，高層貨架成對布置，貨架之間有巷道，隨倉庫規(guī)模大小可以有一到若干條巷道。,47,圖6-14 自動化立體倉庫,48,2.堆垛起重機 堆垛起重機是立體倉庫內(nèi)部的搬運設(shè)備。堆垛起重機可采用有軌或無軌方式，其控制原理與運輸小車相似。倉庫高度很高的立體倉庫常采用有軌堆

21、垛起重機。為增加穩(wěn)定性，采用兩條平行導軌，即天軌和地軌（如圖6-15所示）。,49,圖6-15 堆垛起重機,50,3. 自動化立體倉庫的管理與控制 （1）貨物的自動識別與存取。 （2）計算機管理。 （3）計算機控制。 ,51,6.4 工業(yè)機器人,6.4.1 工業(yè)機器人概況 工業(yè)機器人是一種可編程的智能型自動化設(shè)備，是應(yīng)用計算機進行控制的替代人進行工作的高度自動化系統(tǒng)。 機器人是從初級到高級逐步完善起來的，它的發(fā)展過程可以分為三代。 第一代機器人是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型機器人，它主要由夾持器、手臂、驅(qū)動器和控制器組成。,52,第二代機器人是帶感覺的機器人，它具有一些對外部信息進行反饋的能

22、力，諸如力覺、觸覺、視覺等。 6.4.2工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu) 工業(yè)機器人一般由主構(gòu)架（手臂）、手腕、驅(qū)動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制器及傳感器等組成。圖6-16是工業(yè)機器人的典型結(jié)構(gòu)。,53,圖6-16 工業(yè)機器人的典型結(jié)構(gòu),54,工業(yè)機器人的運動由主構(gòu)架和手腕完成。主構(gòu)架具有三個自由度，其運動由兩種基本運動組成，即沿著坐標軸的直線移動和繞坐標軸的回轉(zhuǎn)運動。不同運動的組合形成各種類型的機器人，如圖6-17所示。;圖6-17所示的工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)形式有：直角坐標型（圖6-17(a)中有三個直線坐標軸）；圓柱坐標型（圖6-17(b)中有兩個直線坐標軸和一個回轉(zhuǎn)軸）；球坐標型（圖6-17(c)中有一個直線坐

23、標軸和兩個回轉(zhuǎn)軸）；關(guān)節(jié)型（圖6-17(d)中有三個回轉(zhuǎn)軸關(guān)節(jié)，圖6-17(e)中有三個平面運動關(guān)節(jié)）。,55,圖6-17工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)形式 (a）直角坐標型；(b）圓柱坐標型； (c）球坐標型；(d）多關(guān)節(jié)型； (e）平面關(guān)節(jié)型,56,圖6-17工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)形式 (a）直角坐標型；(b）圓柱坐標型； (c）球坐標型；(d）多關(guān)節(jié)型； (e）平面關(guān)節(jié)型,57,圖6-17工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)形式 (a）直角坐標型；(b）圓柱坐標型； (c）球坐標型；(d）多關(guān)節(jié)型； (e）平面關(guān)節(jié)型,58,圖6-17工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)形式 (a）直角坐標型；(b）圓柱坐標型； (c）球坐標型；(

24、d）多關(guān)節(jié)型； (e）平面關(guān)節(jié)型,59,圖6-17工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)形式 (a）直角坐標型；(b）圓柱坐標型； (c）球坐標型；(d）多關(guān)節(jié)型； (e）平面關(guān)節(jié)型,60,6.4.3工業(yè)機器人的應(yīng)用 目前，工業(yè)機器人主要應(yīng)用于汽車制造、機械制造、電子器件、集成電路、塑料加工等較大規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)。下面介紹幾種機器人的典型應(yīng)用。 1.汽車制造領(lǐng)域 圖6-19是一個焊接機器人系統(tǒng)的示意圖。焊接機器人還分成采用點位控制的點焊機器人和采用軌跡控制的焊接機器人兩種。,61,圖6-18 噴漆工業(yè)機器人系統(tǒng)示意圖,62,圖6-19 焊接工業(yè)機器人系統(tǒng)示意圖,63,2.機械制造領(lǐng)域 機械制造企業(yè)的柔性制造系統(tǒng)采用

25、搬運機器人搬運物料、工件和工具，裝配機器人完成設(shè)備的零件裝配，測量機器人進行在線或離線測量。 圖6-20所示是兩臺機器人用于自動裝配的情況，主機器人是一臺具有三個自由度且?guī)в杏|覺傳感器的直角坐標機器人，它抓取第1號(no.1)零件，并完成裝配動作；輔助機器人僅有一個回轉(zhuǎn)自由度，它抓取第2號(no.2)零件，第1號和第2號零件裝配完成后，再由主機械手完成與第3號(no.3)零件的裝配工作。,64,圖6-20 機器人用于零件裝配,65,圖6-21所示是一教學型fms，由一臺cnc車床、一臺cnc銑床、工件傳送帶、料倉、兩臺關(guān)節(jié)型機器人和控制計算機組成。兩臺機器人在fms中服務(wù)，一臺機器人服務(wù)于加工

26、設(shè)備和傳送帶之間，為車床和銑床裝卸工件；另一臺位于傳送帶和料倉之間，負責上、下料。,66,圖6-21 機器人上、下料,67,3.其它領(lǐng)域 機器人在其它領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，如工業(yè)機器人可以取代人去完成一些危險環(huán)境中的作業(yè)(如放射線、火災(zāi)、海洋、宇宙等)。例如，2004年1月4日，美國“勇氣”號火星探測機器人實現(xiàn)了人類登陸火星的夢想，圖6-22為“勇氣”號的圖片。,68,圖6-22 “勇氣”號火星探測器,69,6.5 檢測與監(jiān)控系統(tǒng),6.5.1檢測與監(jiān)控原理 在自動化制造系統(tǒng)的加工過程中，為了保證加工質(zhì)量和系統(tǒng)的正常運行，需要對系統(tǒng)運行狀態(tài)和加工過程進行檢測與監(jiān)控（如圖6-23所示）。,70,圖

27、6-23 檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的組成,71,1. 運行狀態(tài)檢測與監(jiān)控 自動化制造系統(tǒng)中，需要檢測與監(jiān)控的運行狀態(tài)通常包括： （1）刀具信息。 （2）機床狀態(tài)信息。 （3）系統(tǒng)運行狀態(tài)信息。 （4）在線尺寸測量信息。 （5）系統(tǒng)安全情況信息。 （6）仿真信息。仿真信息包括以下內(nèi)容：零件的數(shù)控程序是否準確；有無碰撞干涉情況；仿真綜合結(jié)果情況等。,72,2.工件尺寸精度檢測方法 （1）直接測量與間接測量。 （2）接觸測量和非接觸測量。 （3）在線測量和離線測量。 3.刀具磨損和破損的檢測方法 （1）刀具、工件尺寸及相對距離測定法。 （2）放射線法。 （3）電阻法。 （4）光學圖像法。,73,（5）切削力法

28、。 （6）切削溫度法。 （7）切削功率法。 （8）振動法。 （9）噪聲分析法。 （11）加工表面粗糙度法。 6.5.2 檢測與監(jiān)控應(yīng)用舉例 例6-1加工中心（mc）需檢測的運行狀態(tài)信息。 mc需檢測的運行狀態(tài)信息如下： （1）環(huán)境參數(shù)及安全檢測。,74,（2）刀庫狀態(tài)檢測。 （3）機床負載檢測。 （4）換刀機構(gòu)檢測。 （5）交換工作臺檢測。 （6）工作臺振動檢測。 （7）冷卻與潤滑系統(tǒng)檢測。 （8）cnc/pc系統(tǒng)檢測。,75,例6-2切削力法刀具磨損和破損的檢測與監(jiān)控。切 削力的變化能直接反映刀具的磨損情況， 圖6-24中和所示是切削力的變化過程，曲線表示的是鋒利的刀具，曲線表示的是磨鈍了的

29、刀具。切削力的差異f是反映刀具實際磨損的標志。如果切削力突然上升或突然下降，可能預(yù)示刀具的折斷。,76,圖6-24 切削力圖,77,圖6-25所示為根據(jù)切削力的變化判別刀具磨損和破損的系統(tǒng)原理圖。當?shù)毒咴谇邢鬟^程中磨損時，切削力會增大；如果刀具崩刃或斷裂，切削力會劇減。在系統(tǒng)中，工件加工余量的不均勻等因素也會引起切削力的變化，為了避免誤判，取切削分力的比值和比值的變化率作為判別的特征量，即在線測量三個切削分力fx、fy和fz的相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后輸入除法器，得到分力比fx/fz和fy/fz，再輸入微分器得到d（fx/fz）/dt和d（fy/fz）/dt。,78,圖6-25 用切削力檢測刀具狀態(tài)

30、原理圖,79,例6-3聲發(fā)射法檢測刀具。 固體在產(chǎn)生變形或斷裂時，以彈形波形釋放出變形能的現(xiàn)象稱為聲放射。在金屬切削過程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號的來源有：工件的斷裂，工件與刀具的摩擦，刀具的破損及工件的塑性變形等。聲放射在切削過程中產(chǎn)生頻率范圍很寬的聲發(fā)射信號，從幾十千赫茲至幾兆赫茲不等。聲發(fā)射信號可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。突發(fā)型聲發(fā)射信號在表面開裂時產(chǎn)生，其信號幅度較大，各聲發(fā)射事件之間間隔時間較長；連續(xù)型聲發(fā)射信號幅值較低，事件的頻率較高，以致難以分為單獨事件。,80,正常切削時，聲發(fā)射信號是小幅值的連續(xù)信號。刀具破損時，聲發(fā)射信號幅值遠大于正常切削，它與刀具破損面積有關(guān)，增長幅度為37倍。因此，

31、聲發(fā)射信號產(chǎn)生階躍突變是識別刀具破損的重要特征。圖6-26所示為聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖。 6.5.3檢測設(shè)備 1.坐標測量機（cmm） 坐標測量機（coordinatemeasuringmachine）又叫做三坐標測量機，是一種檢測工件尺寸誤差、形位誤差以及復(fù)雜輪廓形狀的自動化制造系統(tǒng)的基本測量設(shè)備。,81,圖6-26 聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖,82,（1）坐標測量機結(jié)構(gòu)的特點。cmm和數(shù)控機床一樣，其結(jié)構(gòu)布局有立式和臥式兩類，立式cmm有時是龍門式結(jié)構(gòu)，臥式cmm有時是懸臂式結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)形式的cmm都有不同的尺寸規(guī)格，從小型臺式到大型落地式。圖6-27是一懸臂式cmm，由安放工件

32、的工作臺、立柱、三維測量頭、位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制裝置等組成。 （2）坐標測量機的工作原理。,83,圖6-27 懸臂式坐標測量機,84,2.利用數(shù)控機床進行測量 三坐標測量機的測量精度很高，但它對地基和工作環(huán)境的要求也很高，它的安裝必須遠離機床。如果零件的檢測需要在幾個不同的階段進行，零件就需要反復(fù)搬運幾次，這對于質(zhì)量控制要求不是特別精確的零件顯然是不經(jīng)濟的。由于數(shù)控機床和cmm在工作原理上沒有本質(zhì)區(qū)別，且三坐標測量機上用的三維測量頭的柄部結(jié)構(gòu)與刀桿一樣，因此可將其直接安裝在機床（如加工中心）上。需要檢測工件時，將測量頭安裝在機床主軸或刀架上，測量工作原理與cmm相同；測量完成再由換刀機

33、械手將測量頭放入刀庫。為了保證測試精度和保護測試頭，工件在數(shù)控機床上加工結(jié)束后，必須經(jīng)高壓冷卻液沖洗，并用壓縮空氣吹干后方可進行檢驗測量。,85,另外，數(shù)控機床用于測試時，必須為數(shù)控機床配置專門的外圍設(shè)備，如各種測量頭和統(tǒng)計分析處理軟件等。 在數(shù)控機床上進行測量有如下特點：不需要昂貴的cmm，但會損失機床的切削加工時間；可以針對尺寸偏差自動進行機床及刀具補償，加工精度高；不需要工件來回運輸和等待。,86,3.測量機器人 隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，機器人在測量中的應(yīng)用也越來越受到重視。機器人測量具有在線、靈活、高效等特點，可以實現(xiàn)對零件100的測量,因此特別適合于自動化制造系統(tǒng)中的工序間測量和過程測

34、量。同坐標測量機相比，機器人測量造價低，使用靈活。 4.專用的主動測量裝置 在大規(guī)模生產(chǎn)條件下，常將專用的自動檢測裝置安裝在機床上，不必停機就可以在加工過程中自動檢測工件尺寸的變化，并能根據(jù)測得的結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的信號，控制機床的加工過程（如變換切削用量、刀具補償、停止進給、退刀和停機等）。例如,圖6-28所示為磨床上工件外徑自動測量及反饋控制裝置的原理圖。 ,87,圖6-28 磨床上工件外徑自動測量原理,88,6.6 輔助設(shè)備,6.6.1清洗站 清洗機有許多種類、規(guī)格和結(jié)構(gòu)，一般按其工作是否連續(xù)分為間歇式（批處理式）和連續(xù)通過式（流水線式）。批處理式清洗站用于清洗質(zhì)量和體積較大的零件，屬中、小批

35、量清洗；流水線式清洗機用于零件通過量大的場合。 批處理式清洗機有傾斜封閉式清洗機、工件搖擺式清洗機和機器人式清洗機。,89,機器人式清洗機用機器人操作噴頭，工件固定不動。有些大型批處理式清洗站內(nèi)部有懸掛式環(huán)形有軌車，工件托盤安放在環(huán)形有軌車上，繞環(huán)形軌道做閉環(huán)運行。流水式清洗站用輥子傳送帶運送工件，零件從清洗站的一端送入，在通過清洗站的過程中被清洗，在清洗站的另一端送出，再通過傳送帶與托盤交接機構(gòu)進入零件裝卸區(qū)。 清洗機有高壓噴嘴，噴嘴的大小、安裝位置和方向應(yīng)考慮到零件的清洗部位，保證零件的內(nèi)部和難清洗的部位均能清洗干凈。 ,90,批處理式清洗站的操作過程如下： （1）將工件托盤送到清洗站前。

36、 （2）打開進入清洗站的門，將托盤送入清洗工作區(qū)，并將其固定在有軌吊車上，關(guān)閉站門。 （3）托盤隨吊車繞軌道運行時，高壓、大流量冷卻液從噴嘴噴向工件托盤，使切屑、污物、油脂等落入排污系統(tǒng)。 （4）沖洗一定時間后，冷卻液關(guān)閉，開始吹熱空氣進行干燥。 （5）吹風干燥一段時間后，有軌吊車返回其初始位置。 （6）從有軌吊車上取下工件托盤，打開清洗站大門，運走工件托盤。,91,6.6.2 去毛刺設(shè)備 1.機械法去毛刺 2.振動法去毛刺 3.熱能法去毛刺 4.電化學法去毛刺 6.6.3 切屑和冷卻液的處理 1.切屑排除 從加工區(qū)域清除切屑有下列幾種方法：,92,（1）靠重力或刀具回轉(zhuǎn)離心力將切屑甩出，切屑

37、靠自重落到機床下面的切屑輸送帶上。床身結(jié)構(gòu)應(yīng)易于排屑(例如傾斜床身或?qū)C床安置在傾斜的基座上)，并利用切屑擋板或保護板使加工空間完全密閉，防止切屑飛散，使之容易聚集和便于清除，同時也使環(huán)境安全、整潔。 （2）用大流量冷卻液沖洗加工部位，將切屑沖走，然后用過濾器把切屑從冷卻液中分離出來。 （3）采用壓縮空氣吹屑。 （4）采用真空吸屑，此方法最適合于干式磨削工序和鑄鐵等脆性材料在加工時形成的粉末狀切屑。在每一加工工位附近，安裝與主吸管相通的真空吸管。 ,93,2. 切屑輸送 （1）平板鏈式切屑輸送機。圖6-29所示為平板鏈式切屑輸送機，以滾輪鏈輪牽引的鋼質(zhì)平板鏈帶在封密箱中運轉(zhuǎn)，加工中的切屑落到鏈

38、帶上被帶出機床，由agv將切屑倉斗運送到切屑收集區(qū)，將切屑壓制成塊，以便運走。一般為每臺機床配置一臺這種切屑輸送機。 （2）刮板式切屑輸送機。圖6-30所示為敷設(shè)在地溝內(nèi)的刮板式切屑輸送機，封閉式鏈條3裝在兩個鏈輪5和6上。,94,圖6-29 平板鏈式切屑輸送機,95,圖6-30 刮板式切屑輸送機,96,（3）螺旋式切屑輸送機。圖6-31所示為螺旋式切屑輸送機，電動機經(jīng)減速裝置驅(qū)動安裝在排屑槽中的螺旋桿。螺桿轉(zhuǎn)動時，槽中的切屑由螺旋桿推動連續(xù)向前運動，最終排入切屑收集箱內(nèi)。螺旋桿有兩種形式：一種用扁型鋼條卷成螺旋彈簧狀；另一種是在軸上焊接緊密貼合的螺旋片。,97,圖6-31 螺旋式切屑輸送機,

39、98,3.切屑分離 （1）將切屑連同冷卻液一起排送到冷卻站。通過孔板或漏網(wǎng)時，冷卻液漏入沉淀池中，通過迷宮式隔板及過濾器進一步清除懸浮雜物后被泵重新送入壓力主管路。留在孔板上的切屑可用刮板式排屑、輸屑裝置將其排出并集中起來。 （2）切屑和冷卻液一起直接送入沉淀池，然后用輸屑裝置將切屑運出池外。這種方法適用于冷卻液沖洗切屑的自動排屑場合。圖6-32所示為帶刮板式輸屑裝置的單獨冷卻站。,99,圖6-32 帶刮板式輸屑裝置的單獨冷卻站,100,6.7 數(shù)控機床 一.數(shù)控機床的組成 圖6-33所示為數(shù)控機床的組成框圖。被加工零件圖是控制機床加工的原始數(shù)據(jù)，在加工前需根據(jù)零件圖制定加工工序及工藝規(guī)程，并

40、將其按照標準的數(shù)控編程語言制成加工程序。,101,圖6-33 控制機床組成框圖,102,三.數(shù)控機床計算機控制系統(tǒng)硬件 1.單片機系統(tǒng),103,cs 鎖存器,面板操作開關(guān),reset,into,t0,復(fù)位,急停,定時器輸入,p1,psen,p0,8031,ale,p2.5p2.7,p2.0p2.4,yi,cs,pa,d0d7,8255,pb,csramwr rd,y0,y1,顯示器,鍵盤,y4,鎖存器,x驅(qū)動,z驅(qū)動,y2,y3,x電動機,z電動機,m.s.t輸出,經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖,104,系統(tǒng)的存儲器,105,p1口與面板操作開關(guān)的連接,106,與 相連,8031,m.s.t控制信號

41、,功能選擇開關(guān)的接線圖,107,強電接口電路,108,m.s.t信號地址對照表,109,std總線數(shù)控系統(tǒng),110,y軸伺服單元,z軸伺服單元,x軸伺服單元,繼電器陣列,主軸伺服單元定位電器,刀庫及分度工作臺伺服單元,操作面板,液壓系統(tǒng),冷卻電動機,風動電動機,氣動系統(tǒng),電磁閥,潤滑泵,機器人或其他自動化外圍設(shè)備,y軸dc電動機fanuc-besk 15型,z軸dc電動機,x軸dc電動機,速度代碼器,12位,定位,tab工作,atc工作,磁放大器,主軸交流伺服電動機fanuc 6型,鏈式刀庫驅(qū)動直流電動機fanuc 5m,分度工作臺直流電動機,cnc,plc,顯示器,memory光電閱讀機,m

42、di/dpl,鍵盤,111,6.8 機電一體化產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計要點 一、機電一體化產(chǎn)品典型設(shè)計過程 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，運用現(xiàn)代設(shè)計的方法構(gòu)造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、賦予產(chǎn)品性能并進行產(chǎn)品設(shè)計的過程。圖6-1所示為機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的典型流程圖。機電一體化產(chǎn)品設(shè)計過程可劃分為四個階段： （一）準備階段 在這個階段中首先對設(shè)計對象進行機理分析，確定產(chǎn)品的規(guī)格、性能參數(shù)；然后進行技術(shù)分析，擬定系統(tǒng)總體方案，劃分組成系統(tǒng)的各功能要素和功能模塊，最后對各種方案進行可行性研究對比，確定最佳總體方案。,112,（二）理論設(shè)計階段 在這個階段中首先根據(jù)設(shè)計目標、功能要素和功能模塊，畫出機器工作時序圖和機器

43、傳動原理圖；計算各功能模塊之間接口的輸入輸出參數(shù)，確定接口設(shè)計的任務(wù)歸屬。然后以功能模塊為單元，根據(jù)接口參數(shù)的要求對信號檢測與轉(zhuǎn)換、機械傳動及工作機構(gòu)、控制微機、功率驅(qū)動及執(zhí)行元件等進行功能模塊的選型、組配、設(shè)計；最后對所進行的設(shè)計進行整體技術(shù)經(jīng)濟評價、設(shè)計目標考核和系統(tǒng)優(yōu)化，挑選出綜合性能指標最優(yōu)的設(shè)計。,113,（二）理論設(shè)計階段 在這個階段中首先根據(jù)設(shè)計目標、功能要素和功能模塊，畫出機器工作時序圖和機器傳動原理圖；計算各功能模塊之間接口的輸入輸出參數(shù)，確定接口設(shè)計的任務(wù)歸屬。然后以功能模塊為單元，根據(jù)接口參數(shù)的要求對信號檢測與轉(zhuǎn)換、機械傳動及工作機構(gòu)、控制微機、功率驅(qū)動及執(zhí)行元件等進行功

44、能模塊的選型、組配、設(shè)計；最后對所進行的設(shè)計進行整體技術(shù)經(jīng)濟評價、設(shè)計目標考核和系統(tǒng)優(yōu)化，挑選出綜合性能指標最優(yōu)的設(shè)計。,114,（三）產(chǎn)品的設(shè)計實施階段 在這一階段中首先根據(jù)機械、電氣圖紙，制造和裝配各功能模塊；然后進行模塊的調(diào)試；最后進行系統(tǒng)整體的安裝調(diào)試，復(fù)核系統(tǒng)的可靠性及抗干擾性。 （四）設(shè)計定型階段 該階段的主要任務(wù)是對調(diào)試成功的系統(tǒng)進行工藝定型，整理出設(shè)計圖紙、軟件清單、零部件清單、元器件清單及調(diào)試紀錄等；編寫設(shè)計說明書，為產(chǎn)品投產(chǎn)時的工藝設(shè)計、材料采購和銷售提供詳細的技術(shù)檔案資料。,115,縱觀系統(tǒng)的設(shè)計流程，設(shè)計過程的各階段均貫穿著圍繞產(chǎn)品設(shè)計的目標所進行的“基本原理總體布局細

45、部結(jié)構(gòu)”三次循環(huán)設(shè)計，每一階段均構(gòu)成一個循環(huán)體，即以產(chǎn)品的規(guī)劃和討論為中心的可行性設(shè)計循環(huán)；以產(chǎn)品的最佳方案為中心的概念性設(shè)計循環(huán)；以產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化為中心的技術(shù)性設(shè)計循環(huán)。循環(huán)設(shè)計使產(chǎn)品設(shè)計在可行性規(guī)劃和論證的基礎(chǔ)上求得概念上的最佳方案，再在最佳方案的基礎(chǔ)上求得技術(shù)上的優(yōu)化，使系統(tǒng)設(shè)計的效率和質(zhì)量大大地提高。,116,二、用戶需求的抽象 用戶的需求雖然是設(shè)計所要達到的最終目標，但它并不全是設(shè)計的技術(shù)參數(shù)，因為用戶對產(chǎn)品提出的要求往往面向產(chǎn)品的使用目的。因此，需要對用戶的要求進行抽象，要在分析對象工作原理的基礎(chǔ)上，澄清用戶需求的目的、原因和具體內(nèi)容，經(jīng)過理論分析和邏輯推理，提煉出問題的本質(zhì)和

46、解決問題的途徑，并用工程語言描述設(shè)計要求，最終形成產(chǎn)品的規(guī)格和性能參數(shù)。對于加工機械而言，它包括如下幾個方面：,117,1運動參數(shù) 表征機器工作部件的運動軌跡和形成、速度和加速度。 2動力參數(shù) 表征機器為完成加工動作應(yīng)輸出的力（或力矩）和功率。 3品質(zhì)參數(shù) 表征機器工作的運動精度、動力精度、穩(wěn)定性、靈敏度和可靠性。 4環(huán)境參數(shù) 表征機器工作的環(huán)境，如溫度、濕度、輸入電源。 5結(jié)構(gòu)參數(shù) 表征機器空間幾何尺寸、結(jié)構(gòu)、外觀造型。 6界面參數(shù) 表征機器的人機對話方式和功能。,118,三、功能要素和功能模塊 機電一體化系統(tǒng)的功能要素是通過具體的技術(shù)物理效應(yīng)實現(xiàn)的，一個功能要素可能是一個功能模塊，也可能由

47、若干個功能模塊組合而成，或者就是一個機電一體化子系統(tǒng)。功能模塊則是實現(xiàn)某一特定功能的具有標準化、通用化或系列化的技術(shù)物理效應(yīng)。功能模塊在形式上，對于硬件表示為具體的設(shè)備、裝置或電路板，對于軟件則表示為具體的應(yīng)用子程序或軟件包。,119,進行機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計時，將功能模塊視為構(gòu)成系統(tǒng)的基本單元，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成的原理和方法，研究它們的輸入輸出關(guān)系，并以一定的邏輯關(guān)系連接起來，實現(xiàn)系統(tǒng)的總功能。因此可以說機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計過程是一個從模塊到系統(tǒng)的設(shè)計過程。,120,四、接口設(shè)計要點 接口設(shè)計的總?cè)蝿?wù)是解決功能模塊間的信號匹配問題，根據(jù)劃分出來功能模塊，在分析研究功能模塊輸入輸出關(guān)系的基礎(chǔ)上，計算

48、制定出各功能模塊相互連接時所必須共同遵守的電氣和機械的規(guī)格和參數(shù)約定，使其在具體實現(xiàn)時能夠“直接”相連。,121,應(yīng)當說明的是，系統(tǒng)設(shè)計過程中的接口設(shè)計是對接口輸入輸出參數(shù)或機械結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，而功能模塊設(shè)計中的接口設(shè)計則是遵照系統(tǒng)設(shè)計制定的接口參數(shù)進行細部設(shè)計，實現(xiàn)接口的技術(shù)物理效應(yīng)，兩者在設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計分工上是不同的。不同類型的接口，其設(shè)計要求有所不同。這里僅從系統(tǒng)設(shè)計的角度討論接口設(shè)計的要求。,122,傳感接口要求傳感器與被測機械量信號源具有直接關(guān)系，要使標度轉(zhuǎn)換及數(shù)學建模精確、可行，傳感器與機械本體的連接簡單、穩(wěn)固，能克服機械諧波干擾，正確反映對象的被測參數(shù)。 變送接口應(yīng)滿足傳感器模塊的輸出信號與微機前向通道電氣參數(shù)的匹配及遠距離信號傳輸?shù)囊?，接口的信號傳輸要準確、可靠，抗干擾能力強，具有較低的噪聲容限；接口的輸入阻抗應(yīng)與傳感器的輸出阻抗相匹配；接口的輸出電平應(yīng)與微機的電平相一致；接口的輸入信號與輸出信號關(guān)系應(yīng)是線性關(guān)系，以便于微機進行信號處理。,123,驅(qū)動接口應(yīng)滿足接口的輸入端與微機系統(tǒng)的后向通道在電平上一致，接口的輸出端與功率驅(qū)動模塊的輸入端之間不