《機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)》 課件 第7章 典型機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)分析

第7章典型機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)分析7.1了解數(shù)控機(jī)床7.2了解工業(yè)機(jī)器人7.3了解汽車ABS系統(tǒng)7.4了解汽車自動變速器7.5柔性制造系統(tǒng)簡介知識目標(biāo)：能力目標(biāo)：(1)?了解典型的機(jī)電一體化設(shè)備或產(chǎn)品的基本工作原理；(2)?了解機(jī)電一體化技術(shù)在典型產(chǎn)品中的作用；(3)?理解機(jī)電一體化系統(tǒng)組成要素的作用。(1)?能識別出機(jī)電一體化設(shè)備或產(chǎn)品，區(qū)分出其系統(tǒng)組成要素；(2)?能分析出相關(guān)技術(shù)在機(jī)電一體化設(shè)備或產(chǎn)品中的作用；(3)?會簡單分析機(jī)電一體化設(shè)備或產(chǎn)品的工作過程。案例導(dǎo)入：

各種復(fù)雜零件不斷涌現(xiàn)(如圖7-1所示)，伴隨而生的是對各種新型材料、加工方法、工藝的要求不斷提高，而傳統(tǒng)的加工設(shè)備已無法滿足這些構(gòu)件的加工需求，故數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了。7.1了解數(shù)控機(jī)床（1）數(shù)控技術(shù)：即NC(NumericalControl)技術(shù)，是指用數(shù)字化信息(數(shù)字量及字符)發(fā)出指令并實(shí)現(xiàn)自動控制的技術(shù)。1.?數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及其基本原理1)?數(shù)控機(jī)床的發(fā)展1952年，麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)明了是世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。（2）數(shù)控機(jī)床發(fā)展方向

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正在向高速度、高精度、高可靠性、高一體化、網(wǎng)絡(luò)和智能化等方向發(fā)展。

從數(shù)控機(jī)床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨(dú)立制造島)、體(CIMS，即分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展。2)?數(shù)控機(jī)床的基本原理

數(shù)控機(jī)床(NumericalControlMachineTools)：是指采用數(shù)字控制技術(shù)對機(jī)床加工過程進(jìn)行自動控制的一類機(jī)床。

簡而言之，數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(jī)床。2.?數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成

數(shù)控機(jī)床的原理框圖如圖7-3所示，實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。

從上述圖示可見，數(shù)控機(jī)床的基本組成部分有：機(jī)床本體、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動裝置、檢測裝置、輔助控制裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置等。1)?機(jī)床本體

主要由主軸傳動裝置、進(jìn)給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運(yùn)動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。機(jī)床本體2)?輸入/輸出裝置

輸入裝置的作用是將程序載體(信息載體)上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。輸入裝置可以是面板鍵盤等。

數(shù)控機(jī)床加工程序可通過鍵盤用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)，也可由編程計(jì)算機(jī)串行口或網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。3)?驅(qū)動、執(zhí)行和位置檢測裝置

驅(qū)動裝置接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動機(jī)床移動部件，以加工出符合設(shè)計(jì)要求的零件。

驅(qū)動裝置包括控制器(含功率放大器)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

位置檢測裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測出來，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動裝置按照指令設(shè)定值運(yùn)動。編碼器4)?輔助控制裝置

輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開關(guān)量指令信號，經(jīng)過編譯、邏輯判別和運(yùn)動，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動相應(yīng)的電器，帶動機(jī)床的機(jī)械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關(guān)量動作。

可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置中。5)?計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置

數(shù)控裝置又稱CNC單元，由信息的輸入、處理和輸出三個(gè)部分組成，是數(shù)控機(jī)床的核心。

數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接收輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算、譯碼、插補(bǔ)、邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機(jī)床各部分的工作，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行部件進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動和動作。(1)?什么是“插補(bǔ)”。

插補(bǔ):就是在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化。(2)?程序編制及程序載體。

①數(shù)控程序

數(shù)控程序：是數(shù)控機(jī)床自動加工零件的工作指令。

編制程序的工作可由人工進(jìn)行；對于形狀復(fù)雜的零件，則要在專用的編程機(jī)或通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行自動編程(APT)或CAD/CAM設(shè)計(jì)。②程序載體

編好的數(shù)控程序存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲載體上，它可以是磁盤、U盤等，采用哪一種存儲載體，取決于數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)類型。

圖7-5所示為數(shù)控機(jī)床各組成部分工作示意圖，從圖中可以清晰地了解數(shù)控機(jī)床的工作原理。案例導(dǎo)入：

不知疲倦的汽車裝配機(jī)器人就是工業(yè)機(jī)器人的一種。那么，什么是工業(yè)機(jī)器人呢？它是不是符合機(jī)電一體化設(shè)備的特征呢？1.?什么是工業(yè)機(jī)器人1)?機(jī)器人定義

機(jī)器人：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?)機(jī)器人分類

機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人。

特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的，用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人。包括服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器。7.2了解工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人特種機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人水下機(jī)器人娛樂機(jī)器人軍用機(jī)器人農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)器人化機(jī)器2)機(jī)器人分類3)?工業(yè)機(jī)器人定義

工業(yè)機(jī)器人定義：就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。

工業(yè)機(jī)器人按程序輸入方式區(qū)分為編程輸入型和示教輸入型兩類。

示教輸入型機(jī)器人的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器。另一種是由操作者直接引導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.?工業(yè)機(jī)器人的分類

工業(yè)機(jī)器人的分類方法很多，按結(jié)構(gòu)與運(yùn)動形式可分為以下幾類：1)?直角坐標(biāo)機(jī)器人

直角坐標(biāo)機(jī)器人在空間上具有多個(gè)相互垂直的移動軸，常用的是3個(gè)軸。2)?柱面坐標(biāo)機(jī)器人

柱面坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動空間位置是由基座回轉(zhuǎn)、水平移動和豎直移動形成的，其作業(yè)空間呈圓柱體，如圖7-12所示。3)?球面坐標(biāo)機(jī)器人

球面坐標(biāo)機(jī)器人的空間位置機(jī)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)基座、擺動軸和平移軸構(gòu)成，具有2個(gè)轉(zhuǎn)動和1個(gè)移動自由度，其作業(yè)空間是球面的一部分，如圖7-13所示。4)?多關(guān)節(jié)型機(jī)器人

多關(guān)節(jié)型機(jī)器人由多個(gè)回轉(zhuǎn)和擺動(或移動)機(jī)構(gòu)組成。按旋轉(zhuǎn)方向可分為水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人和垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人。(1)?水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人

這類機(jī)器人是由多個(gè)豎直回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成的，沒有擺動或平移，手臂均在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，其作業(yè)空間為圓柱體，如圖7-14所示。(2)垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人

這類機(jī)器人是由多個(gè)擺動和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成的，其作業(yè)空間近似一個(gè)球體，如圖7-15所示。5)?并聯(lián)型機(jī)器人

并聯(lián)型機(jī)器人的基座和末端執(zhí)行器之間通過至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動鏈相連接，如圖7-16所示。并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的自由度，且是一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。

相對于并聯(lián)型機(jī)器人而言，只有一條運(yùn)動鏈的機(jī)器人稱為串聯(lián)機(jī)器人。3.?工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成

工業(yè)機(jī)器人一般由主體(手臂、手腕等)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制器及傳感器等組成，如圖7-17所示。（1）機(jī)器人手臂：機(jī)械本體（2）驅(qū)動系統(tǒng)：為機(jī)器人各運(yùn)動部件提供力、力矩、速度、加速度。（3）控制器：用于控制機(jī)器人各運(yùn)動部件的位置、速度和加速度。（4）傳感器：用于識別外部環(huán)境，并將傳感信號輸入控制器，作為控制器的控制依據(jù)。案例導(dǎo)入：

沒有ABS系統(tǒng)的車輛，緊急制動時(shí)由于前輪被抱死無法正常轉(zhuǎn)向，會直直地沖向障礙物。而有ABS系統(tǒng)的車輛，在緊急制動時(shí)，可靈活地轉(zhuǎn)向，這樣就避開了障礙物。7.3了解汽車ABS系統(tǒng)1.?ABS系統(tǒng)的工作原理ABS(Anti-lockBrakingSystem)系統(tǒng)在車輛上的安裝位置如圖7-19所示。ABS系統(tǒng)的原理構(gòu)成如圖7-20所示。ABS系統(tǒng)按上述“壓力降低-壓力保持-壓力上升-壓力保持-壓力下降”循環(huán)反復(fù)將車輪滑移率控制在Sp附近的狹小范圍內(nèi)，以獲得最佳的制動效能和制動時(shí)的方向穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)向操縱能力。(1)?常規(guī)制動。

如圖7-20所示，踩下制動踏板，ABS尚未工作時(shí)，兩電磁閥均不通電，進(jìn)油電磁閥處于開啟狀態(tài)，出油電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，制動輪缸與低壓儲液器隔離，與主缸相通。制動主缸里的制動液被推入輪缸產(chǎn)生制動。(2)?壓力保持。

如圖7-20所示，當(dāng)ABS的ECU通過輪速傳感器檢測到車輪的減速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，使進(jìn)油電磁閥通電關(guān)閉，出油電磁閥仍處于斷電關(guān)閉狀態(tài)，輪缸里的制動液處于不流通狀態(tài)，制動壓力保持。(3)?壓力減小。

如圖7-20所示，當(dāng)ABS的ECU通過輪速傳感器檢測到車輪趨于抱死時(shí)，進(jìn)、出油電磁閥均通電，輪缸與低壓儲液器相通，輪缸里的制動液在制動蹄復(fù)位彈簧作用下流到低壓儲液器，制動壓力減小。同時(shí)電動回油泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)及時(shí)將制動液泵回主缸，踏板有回彈感。當(dāng)制動壓力減小到車輪的滑移率在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)油閥通電，出油閥斷電，壓力保持。(4)?壓力增高。

如圖7-20所示，當(dāng)ABS的ECU通過輪速傳感器檢測到車輪的加速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)、出電磁閥均斷電，進(jìn)油閥開啟，出油閥關(guān)閉，同時(shí)回油泵通電，將低壓儲液器的制動液泵到輪缸，制動壓力增加。2.?ABS系統(tǒng)的構(gòu)成1)?ABS系統(tǒng)的構(gòu)成ABS的主要元件如圖7-21所示。ABS的主要組成部分如下：(1)?常規(guī)液壓制動系統(tǒng)。(2)?輪速傳感器。(3)?電子控制單元(ECU)。(4)?制動壓力調(diào)節(jié)器。(5)?警告燈。2)?電子控制單元(ECU)（1）ABS電子控制單元(ECU)功用：是接受輪速傳感器及其它傳感器輸入的信號，進(jìn)行放大、計(jì)算、比較，按照特定的控制邏輯，分析判斷后輸出控制指令，控制制動壓力調(diào)節(jié)器執(zhí)行壓力調(diào)節(jié)任務(wù)。（2）ABS的ECU主要包括：輸入級電路、計(jì)算電路、輸出級電路及安全保護(hù)電路。ABSECU案例導(dǎo)入：

汽車變速器是一套用于協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和車輪的實(shí)際行駛速度的變速裝置，用于發(fā)揮發(fā)動機(jī)的最佳性能。

汽車變速器可分為手動變速器(俗稱手動擋)和自動變速器(俗稱自動擋)。

圖7-22所示為不同類型的變速器操縱裝置。1.?自動變速器基本原理（1）自動變速器種類目前，汽車自動變速器常見的主要有4種形式，分別是：

①

液力自動變速器(AT)。

②

機(jī)械無級自動變速器(CVT)。

③

電控機(jī)械自動變速器(AMT)。

④

雙離合器自動變速器(DualClutchTransmission，DCT)。7.4了解汽車自動變速器（2）液力自動變速器的工作位置

目前轎車普遍使用的是液力自動變速器AT(圖7-23所示為其工作位置)。（3）液力自動變速器工作原理

電控液力自動變速器是在液力自動變速器基礎(chǔ)上增設(shè)電子控制系統(tǒng)而形成的。電控單元根據(jù)信號，通過電磁閥控制液壓控制系統(tǒng)的換擋閥，實(shí)現(xiàn)自動變速。2.?液力自動變速器的主要構(gòu)成

液力自動變速器主要由液力變矩器、行星齒輪和液壓(電氣)操縱系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖7-25所示。1)?液力變矩器

液力變矩器位于自動變速器的最前端，安裝在發(fā)動機(jī)的飛輪上，其作用與采用手動變速器的汽車中的離合器相似。液力變矩器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖7-26所示。2)?變速齒輪機(jī)構(gòu)(行星齒輪)

目前絕大多數(shù)轎車自動變速器中的齒輪變速器采用的是行星齒輪式變速器，如圖7-25所示。

自動變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)是自動變速器的重要組成部分之一，主要由太陽輪(也稱中心輪)、內(nèi)齒圈、行星架和行星齒輪等元件組成。行星齒輪機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)變速的機(jī)構(gòu)，速比的改變是通過以不同的元件作主動件和限制不同元件的運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)的。3)?液壓操縱系統(tǒng)(1)?供油系統(tǒng)。

自動變速器的供油系統(tǒng)主要由油泵、油箱、濾清器、調(diào)壓閥及管道組成。(2)?自動換擋控制系統(tǒng)。

自動變速器的自動換擋控制系統(tǒng)有液壓控制和電液壓(電子)控制兩種。

液壓控制系統(tǒng)由閥體和各種控制閥及油路組成，閥門和油路設(shè)置在一個(gè)板塊內(nèi)，稱為閥體總成。

在液壓控制系統(tǒng)中，增設(shè)控制某些液壓油路的電磁閥，就成了電器控制的換擋控制系統(tǒng)，若這些電磁閥是由電子計(jì)算機(jī)控制的，則成為電子控制的換擋系統(tǒng)。(3)?換擋操縱機(jī)構(gòu)。

自動變速器的換擋操縱機(jī)構(gòu)包括手動選擇閥的操縱機(jī)構(gòu)和節(jié)氣閥的操縱機(jī)構(gòu)等。案例導(dǎo)入：

為了同時(shí)提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，最終使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)相抗衡，柔性制造技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。1.?柔性制造技術(shù)1)?柔性制造技術(shù)的定義

（1）柔性：是指一個(gè)制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力。（2）柔性制造：即通過自動化柔性制造系統(tǒng)(FMS)進(jìn)行不同形狀、不同種類工件的制造，其技術(shù)總和稱為柔性制造技術(shù)。（3）柔性制造技術(shù)：是建立在數(shù)控設(shè)備應(yīng)用基礎(chǔ)上的，正在隨著制造企業(yè)技術(shù)進(jìn)步而不斷發(fā)展的新興技術(shù)，是一種主要用于多品種、中小批量或變批量生產(chǎn)的制造自動化技術(shù)。2)?柔性制造技術(shù)的發(fā)展FMS已成為當(dāng)今乃至今后若干年機(jī)械制造自動化發(fā)展的重要方向，對機(jī)械制造企業(yè)重構(gòu)和改造也起著重要作用。7.5柔性制造系統(tǒng)簡介2.?柔性制造技術(shù)的分類1)?柔性制造單元(FMC)

柔性制造技術(shù)按規(guī)模大小可劃分為：柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性制造線(FML)、柔性制造工廠(FMF)四類。

柔性制造單元(Flexibl