机电一体化系统设计现代控制技术.ppt

工业控制计算机及接口第一节 工业控制计算机,微机构成,CPU、MC与MCS之间的关系,微机系统（MCS）,具有完善的过程输入/输出功能具有实时控制功能具有可靠性具有较强的环境适应性和抗干扰能力具有丰富的软件三、工业控制计算机分类及特点1.可编程控制器2.总线型工业控制计算机3.单片机,二、工业控制计算机系统的基本要求,PLC构成,PLC特点,程序可变，柔性好。可靠性强，适于工业环境。功能完善。体积小，重量轻，易于装入机器内部。,编程简单，使用方便,总线型工控机,总线型工控机特点,提高设计效率，缩短设计和制造周期。提高系统可靠性。便于调试和维修。能适应技术发展的需要，迅速改进系统的性能。,单板机,单片机,单片机系统构成,单片机特点,受集成度的限制，片内存储器容量较小。可靠性高。易扩展。控制功能强。一般单片机内无监控程序或系统通用管理程序。,控制系统比较,第二节 计算机控制接口技术,在机电一体化系统中，有计算机控制接口和人机接口两种接口。通过前者与机械系统联系，进行调整、匹配、缓冲。而人机接口用于操作者对机电一体化系统进行监控。人机接口包括输出接口与输入接口两类，通过输出接口，操作者对系统的运行状态、各种参数进行监测；通过输入接口，操作者向系统输入各种命令及控制参数，对系统运行进行控制。在计算机控制接口中，按照信息和能量的传递方向，又可分为信息采集接口与控制输出接口。控制计算机通过信息采集接口检测机械系统运行参数，经过运算处理后，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执行元件来调节机械系统的运行状态，使其按要求动作。,一、信息采集接口 在模拟量信息采集通道中，先利用传感器将从信号源检测到的非电量转换为电量，并进行信号处理(包括放大、滤波、线性补偿等)，再经采样保持器，将模拟信号变换成时间上离散的采样保持信号后，送A/D转换器将模拟保持信号转换成数字信号，送入计算机。,图5-2 数据采集通道的一般组成,图5-3 几种采集通道的结构形式,(1)多路A/D通道 从每个信号源检测的信号都有各自独立的采集通道，即每个通道都有独自的采样保持器和A/D转换器，该结构形式使用了较多数量的采样保持器、A/D转换器，成本高。但这种通道结构的A/D转换速度高，并且控制各路通道的采样保持器或A/D转换器，可完成各路通道同时进行采样或同时进行转换的功能，故常用于需同步高速数据采集、同步转换的计算机控制系统。(2)多路同时采样、分时转换通道 从多路信号源来的数据经各自的采样保持器后，经模拟多路转换开关控制，共用一个A/D转换器，此结构使用模拟多路开关进行多路选择，使多路信号按一定的顺序切换到共用的A/D转换器上进行模/数转换，这种通道结构节省硬件，但转换速度比较慢，因为共用一个A/D转换器必须分时进行转换，多路开关的引用也使误差增加。所以，该结构多用于转换速度、精度要求不高，须同时采集、分时转换的控制系统，如多点巡回检测系统。(3)多路信号源共享采样保持器和A/D转换器 从多路信号源来的数据先经多路开关，然后按某种顺序切换到具有采样保持器和A/D转换器的通道上，此结构共用一套采样保持器和A/D转换器，节省硬件成本，但转换速度更慢，常用于分时采样、分时转换的计算机控制系统中。除了上述几种数据采集通道的结构形式外，还有不带采样保持器的最简单的采集通道和单路采集通道。,二、模拟量输出接口 在机电一体化产品中，很多被控对象要求用模拟量作控制信号，如交流电动机变频调速、直流电动机调速器、滑差电动机调速器等，而计算机系统是数字系统，不能输出模拟量，这就要求控制输出接口能完成D/A转换，且必须具有输出保持功能，这是因为计算机控制是分时的，每个输出回路只能周期地在一个时间段内得到输出信号，即这时执行部件得到的是时间上离散的模拟信号，而实际的执行部件却要求连续的模拟信号，因此为了使执行部件在两个输出信号的间隔时间内能得到输出信号，就必须有输出保持器。,图5-13 D/A转换通道的几种结构形式,D/A转换通道依据输出保持器与D/A转换器的位置关系有两种结构形式。一种是各路输出上均有一个D/A转换器，每个通路的输出数据由D/A转换器的数据寄存器保持，由于保持的信息为数字量，所以是一种数字保持方式。这种结构的通道转换速度快、工作可靠，能满足各路同时进行D/A转换输出的要求，即使其中有一路D/A转换出故障，其他几路仍可继续正常工作。但该结构D/A转换器的个数较多，成本较高，一般用于需要同一时刻进行D/A转换的场合。图b为多路通道共用一个D/A转换器，在CPU的控制下，D/A转换器分时工作，依次把D/A转换器转换成的模拟电压或电流，通过多路切换开关，传送给各路模拟量输出保持器，由于保持的是模拟量，故是一种模拟量保持方式。由于只用了一个D/A转换器，节省了硬件设备，但必须在微机控制下分时工作，影响通道速度，多用于速度要求不高的场合。,三、开关型功率接口1光电隔离技术 在开关量控制中，最常用的器件是光电隔离器，光电隔离器是把发光元件与受光元件封装在一起，当发光二极管有正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围为7001000nm，受光元件接收光照以后便导通。而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，受光元件随即截止。利用这种特性即可达到开关控制的目的。,2晶闸管接口 晶闸管是一种大功率电器元件，也称可控硅。它具有体积小、效率高、寿命长等优点，在计算机自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。(1)单向晶闸管接口 单向晶闸管又称可控硅整流器，其最大特点是有截止和导通两个稳定状态(开关作用)，同时又具有单向导电的整流作用。(2)双向晶闸管驱动接口 双向晶闸管在结构上可看成是两个单向晶闸管反向并联构成的，这种结构使其在应用特性与单向晶闸管不同。第一，它在触发后是交流双向导通的；第二，在门极中所加的触发信号不论是正还是负都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管一般用作过零开关，对交流回路进行功率控制。,3继电器输出接口 由于继电器在是通过改变金属触点的位置，使动触点与定触点闭合或分开，所以具有接触电阻小、流过电流大及耐高压等优点，但在动作可靠性上不及晶闸管。继电器有电压线圈与电流线圈两种工作类型，它们在本质上是相同的，都是在电能的作用下产生一定的磁势。电压继电器的电气参数包括线圈的电阻、电感或匝数、吸合电压、释放电压和最大允许工作电压。电流继电器的电气参数包括线圈匝数、吸合电流和最大允许工作电流。继电器的供电系统分为直流电磁系统和交流电磁系统，工作电压也较高，因此从控制计算机输出的开关信号需经过驱动电路进行转换，使输出的电能能够适应其线圈的要求。继电器动作时，对电源有一定的干扰，为了提高控制计算机系统的可靠性，在驱动电路与控制计算机之间常采用光电耦合器隔离。,4固态继电器接口 在继电器控制中，由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生火花，从而引起干扰；对于交流高压等场合，触点还容易氧化，影响系统的可靠性。随着微型计算机控制技术的发展，近些年又研制出一种新型的输出控制器件固态继电器。固态继电器(Solid State Relay)简称SSR。它是用晶体管或晶闸管代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。根据结构形式，固态继电器有直流型固态继电器和交流型固态继电器之分。由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点。在微型计算机控制系统中得到了广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。,5大功率场效应管开关接口 在开关量输出控制中，除了前面介绍的固态继电器以外，还可以用大功率场效应管开关作为开关量输出控制元件。由于场效应管输入阻抗高，关断漏电流小，响应速度快，而且与同功率继电器相比，体积较小、价格便宜，所以在计算机开关量输出控制中也常作为开关元件使用。,第三节 可编程控制器,可编程序控制器是给机电系统提供控制和操作的一种电子装置。它采用可编程序存储器作为内部指令记忆装置，具有逻辑、排序、定时、计数及算术运算等功能，并通过数字或模拟输入/输出模块控制各种形式的机器及过程。可编程序控制器(Programmable Controller)，缩写为PC。PC的早期设计只是作基本逻辑的顺序控制，所以称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，缩写为PLC。随着现代科学技术的迅猛发展，可编程序控制器不仅仅是只作为逻辑的顺序控制，而且还可以接受各种数字信号、模拟信号，进行逻辑运算、函数运算和浮点运算等。更高级的PC还能够生成模拟输出，甚至于起PID过程控制器的作用。,一、PLC的组成及工作原理 图6-1是PC与输入/输出装置连接原理图。输入信号由按钮开关、限位开关、继电器触点，光学传感器等各种开关装置产生，通过接口进入PC。再经PC处理产生控制信号，通过输出接口送给输出装置，如线圈、继电器、电动机以及指示灯等。PC采取的是扫描工作机制，就是按照定义和设计、连续和重复地检测系统输入，求解目前的控制逻辑，以及修正系统输出。在PC典型的扫描机制中，I/O服务处于扫描周期的末尾，并且为扫描计时的组成部分。这种典型的扫描称为同步扫描。扫描循环一周所花费的时间为扫描时间。根据不同的PC，扫描时间一半为10100ms。,PLC与通用微处理机的区别,扫描工作机制是PLC与通用微处理机的基本区别。在理论上，微机可以编程，形成PLC的多数功能，然而通用微机不是专门为工业环境应用设计的；微机与外部世界连接时需要专门的接口电路板，而PIC带有各种IO模块可供直接利用，且输入输出线可多至数百条；PLC具有多种诊断能力，模块式结构，易于维修；PLC可采用梯形图编程，编程语言直观简单，容易学握；虽然许多PLC能够接收模拟信号和进行简单的算术运算，但是，当数学运算复杂时，PLC是无法与通用微机相竞争。,PLC生产厂家及代表产品,日本立石（OMRON，欧姆龙）公司 C系列日本三菱公司 F、FX、A系列德国西门子（SIEMENS）公司 S5、S7、TI系列法国TE公司 TSX7系列美国通用电气（GENERAL ELECTRIC）公司，简称GE公司 GE、SR系列美国艾伦布拉德利（ALLENBRADLEY)公司，简称AB公司 SLC、PLC系列,三菱系列可编程控制器特点：指令速度快，系统配置灵活，功能强大。具有丰富的扩展模块及特殊功能模块，可实现PLC于上位机之间完善的网络通讯，具有网络控制功能。,二、PLC控制系统设计1PLC控制系统设计步骤1)首先要分析控制任务，了解被控对象的工艺过程，画出工艺流程。2)确定输入、输出的类型、点数，正确选择输入装置及输出装置的规格、型号。3)合理选择PLC类型及规模。4)编制输入、输出接点的现场编号与PLC内部地址编号的对照表。5)根据工艺流程、结合输入输出编号对照表，画出PLC控制的梯形图。6)按照梯形图编写用户控制程序。7)用编程器将用户控制程序送入PLC。8)进行系统模拟调试，检查和修改程序的语法及控制逻辑、控制参数。9)进行PLC控制系统硬件的安装连线，设计PLC外围电路，将外围控制装置与PLC输入输出端连接起来。10)对整个系统进行在线调试。11)正式投入使用。,2PLC的选用 正确地选用PLC对于保证整个系统的技术经济性能指标起着重要的作用。PLC的选用主要包括PLC容量估算、PLC功能选择和I/O模块选择。(1)PLC的容量估算 PLC的容量估算涉及两方面内容，即用户程序存储器及数据存储器的容量和输入输出点数。1)估算输入、输出点数 估算PLC输入输出点数及种类应考虑下列问题：估算I/O点数及电压值。开关量输出的点数及输出功率。模拟量的I/O个数。PLC距现场的最远距离。,表5-5 常用的I/O类型,2)估算存储量 小型PLC的用户存储器容量是固定的，而应用系统所需的存储容量与I/O点数密切相关，根据经验有如下的关系：开关量输入 1020字节/点 开关量输出 510字节/点 定时计数器 2字节/个 寄存器 1字节/个 模拟量 100150字节/点 与计算机等的通信接口 每个接口按占内存300字节以上计算。存储器容量与控制系统的复杂程度、运算数据量的大小、程序结构优劣等有关。因此，在未完成整个系统之前，很难确定PLC所应配置的存储器容量。一般按I/O点数和种类估算出所需的字节数后，再增加1520的备用空间，作为选择存储器容量的依据。,(2)PLC的功能选择 PLC功能要与应用系统应完成的任务相适应。如果选用的PLC功能过多，很多功能用不着，就会造成功能浪费、成本增加、可靠性降低。由于PLC一般用来实现顺序控制，所以只要选用具有逻辑运算、定时器、计数器等基本功能的PLC就可以了。如果控制任务较复杂，包含了数值计算(如PID)、模拟量处理等内容，就必须选用具有数值计算、模/数和数/模转换等功能的PLC。,(3)选择I/O模块 应根据PLC控制的实际情况合理选择。1)输入模块的选择 输入模块分为数字量输入和模拟量输入两种。数字量输入又分为直流、交流和脉冲三种；模拟量输入分为电压和电流输入两种。无论何种输入，它们都应将输入的高电平信号转换为PLC内部的低电平信号。输入模块按电压分有直流5V、24V、48V、60V，交流115V、220V；按电路形式分有汇点输入和隔离输入。选择输入模块时应注意：选择工作电压 同时接通的点数 门槛电平 A/D转换模块,2)输出模块的选择 输出模块按输出方式分为继电器输出、晶体管输出及双向晶闸管输出三种。此外，输出模块的电压、电源也有不同的规格。选择输出模块应注意下列问题：输出方式 继电器输出模块价格便宜，适应电压范围较宽，选通压降小，但它属于有触点元件，动作速度慢，更重要的是触点寿命较短。继电器输出仅适用于通断频率小于1Hz的负载。对于通断频率高且功率因数低的感性负载应选用无触点开关元件，即选用晶体管输出(直流负载)或双向晶闸管输出(交流负载)模块。输出电流 输出模块的输出电流必须大于负载电流的额定值。同时接通的点数 一般来讲，同时接通的点数不能超过输出点数的60，否则将加重输出公共端承受的电流负担。3)智能I/O接口的选择,(4)通信接口的选择 为了实现“人机过程”或“机机”间的对话，PLC还可配置各种通信接口。当与打印机相连时，可将过程信息、参数等输出打印；当与监视器相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，则可组成多机连网系统实现整个生产过程的自动控制；当与计算机相连时，可组成集散控制系统(DCS)，此时就注意尽可能选用同一型号或同一系列的PLC，以便相互兼容。,三、PLC外电路设计的一般原则 外电路设计，主要是指输入、输出设备(按钮、行程开关、限位开关、接触器、电磁阀等)与PLC的连接电路以及各运行方式、强电电路(自动、半自动、手动、连续、单步、半周期等)、电源电路、控制柜内电路等。控制系统设计中除PLC选型及I/O模块选择外，外电路设计是一个十分重要的内容，其中配置的低压电器、性能、质量会直接影响系统的可靠性。,第四节 数字控制器设计,在模拟系统中，其过程控制方式就是将被测参数(如位移、速度等)由传感器变换成统一的标准信号送入调节器，在调节器中与给定值进行比较，然后把比较出的差值经运算后送到执行机构，改变进给控制量，以达到自动调节之目的。而在数字控制系统中，则使用数字调节器来模拟模拟调节器。其调节过程是首先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，根据这些数字量由计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产，以达到调节的目的。这里计算机执行按某种算法编写的程序，实现对被控制对象的控制和调节，称为数字调节器。,数字调节器与模拟调节器相比，具有如下优点：1)模拟调节器调节能力有限，当控制规律较为复杂时，就难以甚至无法实现。而数字调节器能实现复杂控制规律的控制。2)计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制。3)数字调节器具有灵活性。其控制规律灵活多样，可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且改变控制程序或控制参数即可，使用起来简单方便。4)可靠性高。由于计算机的控制算法是用软件实现，因此比用硬件组成的调节器具有较高的可靠性，且系统维护简单。,第六章典型机电一体化系统,机电一体化产品种类繁多，按产品的功能划分为以下几类:数控机械类 数控机床、工业机器人。其特点为执行机构是机械装置。电子设备类 线切割加工机床、超声波缝纫机。其特点为执行机构是电子装置。机电结合类 自动探伤机、CT扫描仪、自动售货机等。其特点为执行机构是机械和电子装置的有机结合。电液伺服类 液压伺服马达。其特点为执行机构是液压驱动的机械装置，控制机构是接受电信号的液压伺服阀。信息控制类 复印机、传真机等办公自动化设备。主要特点为执行机构的动作完全由所接收的信息类控制。,第一讲 机械手及其控制,一、机械手 机械手是一种能模仿人手的某些工作技能，按要求抓取和搬运工件，或完成某些劳动作业机械化、自动化的装置。自动线上的机械手能完成简单的抓取、搬运，实现上、下料动作，尤其适合几何形状不规则、不对称的杂件，通过选取合适的手爪，可选用较少的抓取和输送基准面而保持上、下料及输送的稳定性和可靠性。二、机械手的分类 目前，我国对机械手尚无较为统一的分类标准。一般可分为专业机械手和通用机械手两大类。1专用机械手 这种机械手仅由手爪、腕部和手臂构成，是辅助设备，其动作必须与机械的工作循环相配合，多数动作由控制系统来完成，大多数生产线的机械手都属专业机械手。2通用机械手 这是一种独立的自动化装置。工业机器人就是一种通用机械手，又称工业机械手，其功能完善，自由度较多能模仿人的某些工作机能与控制机能，能实现多种工件的抓取、定向和搬运工作，并能使用不同工具完成多种劳动作业。,1机械手手爪类型 机械手的手爪，又称机械手或机器人的末端执行器，是直接执行作业任务的装置。手爪结构和尺寸是根据其不同作业任务来设计的，从而形成多种多样的结构形式。用于搬运装卸作业的机械手的手爪主要是机械夹持式（又称为机械夹持器或夹钳）、气吸式或磁吸式。它们安装在机械手的手腕（如果配置有手腕的话）或手臂的机械接口上，较简单的可用法兰盘作为机械接口处的接换器，为实现快速和自动更换，也可采用电磁吸盘或气动锁紧的换接器。机械夹持式多为双指手爪式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手爪又可分为单支点回转型和双支点回转型。按夹持方式又可分为外夹式和内撑式。按驱动方式又可分为电动（或电磁）式、液压式和气动式等。1）电动式 用各种电动机作为动力源直接驱动手爪，常用步进电动机、直流或交流伺服电动机以及直线电动机等。电动式的工作载荷一般小于10kg，使用和维修十分方便。2）液压式 利用液压泵供给压力油驱动手爪以运动，其优点是驱动力大，执行机构体积小，运动平稳，调整简单方便，是应用最多的驱动方式；其缺点是液压系统较复杂，成本高。3）气动式 利用压缩空气来驱动手爪，其优点是气体的黏滞性低，运动时摩擦阻力小，可获得快速运动；无燃烧、着火问题，可用于条件恶劣的工作环境；维修简单，成本较低。但快速时平稳性差，冲击力大，因此要在气路系统中设置缓冲装置，特别是液压缓冲装置；此外，由于空气压缩性大，控制性能较差。,三、机械手控制形式,1、继电接触器控制2、可编程控制器（PLC）控制 机械手是由执行机构、驱动机构和控制系统所组成的，各部分关系如图所示：机械手组成框图 执行机构由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。此课题所用机械手就是用气动机构来驱动。液动式的出力大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使机械手的通用性更广，定位精度一般在1mm范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。控制系统有点动控制和连续控制两种方式。大多数采用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。,四、搬运工件机械手PLC控制 机械手的动作要求如下：对机械手的控制主要是位置识别、运动方向控制和物料是否存在的判别。它的任务是将传送带A上的工件搬运到传送带B上。机械手的左工位、右工位、伸出、缩回、上升、下降都用双线圈三位电磁阀气动缸完成，机械手的放开用单螺线管的电磁阀。设备上装有上、下、左、右、伸、缩、松开7个传感器，控制对应工步的结束。传输带上设有一个光电开关，监视工件是否到位。,工件搬运装置示意图,回转式气动控制机械手结构示意图如下图所示，它由四只汽缸及手爪、齿轮、齿条等机械零件构成，可在三个坐标内工作。,五、气动系统工作原理：本课题要求四个气缸能够自动回位，并且能够自锁，使用电控开关，电磁阀控制。气动原理图如下所示：气 动 原 理 图,六、控制系统的设计,1.PLC控制系统的设计原则有：（1）最大限度的满足生产过程的控制要求；（2）在满足控制要求的前提下，尽量使控制系统简单、经济；（3）保证控制系统安全可靠；（4）在选择PLC容量时，应考虑到生产的发展和工艺改进，必须留有余地。2.PLC控制系统的设计步骤：（1）熟悉控制对象的工艺条件确定输入/输出设备及I/O点数（2）选择合适的PLC类型（3）画输入输出接线图（4）PLC的编程,机械手的动作过程如图可知，经八步完成一个周期。即机械手下降夹紧上升右移下降放松上升左移。,3确定所需的用户输入/输出设备及I/O点数(1)设备的输入信号操作方式转换开关：手动、单步、单周期、连续；手动时运动选择开关：上下、左右、夹松；位置检测元件：机械手的上、下、左、有的限位行程开关无工件检测元件：右工作台无工件用光电开关检测。(2)设备的输出信号气缸运动电磁阀：上升、下降、右移、左移、夹紧；指示灯：机械手处干原点指示。据上面分析可知、PC共需l 5点输入、6点输出。,3选择PLC 该机械手的控制为纯开关量控制所需的Io点数不多，因此选择一般的小型低档机即可。假定F系列可编程控制器资料齐全、供货方便、设计者对其比较熟悉根据上面IO点数可选F40M，其主机IO点数为2416点。4分配PLCI0点的编号,9.1 CNC机床,CNC(或加工中心)加工工艺过程,9.2 机械加工中心,1-X轴的直流伺服电动机；2-换刀机械手；3-数控柜；4-盘式刀库；5-主轴箱；6-机床操作面板；7-驱动电源柜；8-工作台；9-滑座；10-床身图9-3 JCS-018A立式加工中心,加工中心的技术发展方向：高精、高速、高效的加工 高可靠性 加强标准化和开放性 网络数控 智能化,9.3工业机器人,一、工业机器人概述机器人：模仿人的机器工业机器人：用于生产的机器人诞生于20世纪60年代工作原理：通过机器人操作机上各构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。,二、工业机器人系统结构,六自由度工业机器人的系统结构,工业机器人系统的组成,1机座 2控制装置 3操作机,工业机器人的组成,三、工业机器人的分类,按机械结构和代表性的自由度构成可分成五种：圆柱坐标型机器人；球坐标型机器人；直角坐标型机器人；关节型机器人；并联机器人。按用途和作业类别分：焊接机器人、冲压机器人、浇注机器人、搬运机械器人、装配机器人、喷漆机器人、切削机器人、检测机器人、采掘机器人、水下机器人,圆柱坐标系机器人,球坐标型机器人,直角坐标型机器人,关节型型机器人,仿人关节型机器人,平行四边形连杆关节型机器人,SCARA型机器人,并联机器人,（d）直角坐标型,（a）关节型,（b）球坐标型,（c）圆柱坐标型,工业机器人的坐标系,PUMA机器人的坐标系,（a）基准装填（b）坐标系,（a）,（b）,四、工业机器人的主要技术参数,额定负载：如抓取力、切削力额定速度：机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。自由度 一般具有四六个自由度程序编制与存储容量在选用机器人时还应首先考虑其用途,机器人的工作空间,五、工业机器人的控制,机器人控制的基本原理 要使机器人按照人们的要求去完成特定的作业，需要做下述几件事情：告诉机器人要做什么；机器人接受命令，并形成作业的控制策略；去完成作业；保证正确完成作业，并通报作业已完成。,示教,控制计算机,伺服驱动,传感器,机器人控制基本原理框图,六、工业机器人的机械结构,工业机器人的机械结构系统由机座、手臂、手腕、末端执行器和移动装置组成。移动装置只有在工作空间很大时才有。一、工业机器人的手臂和机座液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构具有手臂伸缩、回转和升降三个运动（自由度）,如图所示：手臂伸缩运动由液压缸2驱动，手臂回转运动采用摆动液压马达11驱动，在中间机座6的下面配置有升降液压缸,液压驱动圆柱坐标型机器人手臂,1活塞杆 2液压缸 3手臂端部 4手臂支架 5导轨 6中间支架 7、9齿轮 8挡块 10行程开关 11摆动液压马达,2.电动机驱动机械传动圆柱座标机器人手臂其手臂的伸缩和回转运动都是采用双圆柱导轨导向和直流伺服驱动滚珠丝杠来实现直线移动,GMF M100型机器人手臂,3.PUMA机器人手臂的结构,PUMA机器人手臂的结构,a)大臂驱动机构 b)小臂驱动机构,1、10大臂 2、3、5、6、8、9、14、15齿轮 4、13、16偏心套 7、11驱动电动机 12驱动轴 17小臂 18机座,PUMA机器人机座的结构,1、3、4、5齿轮 2偏心套 6伺服电动机,二、工业机器人的手腕,手腕是联接手臂和末端执行器的部件。功能是实现末端件在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。如图所示:回转运动（）、左右摆动（）和俯仰运动（）,手腕的自由度1手臂 2机械接口,1.用摆动液压马达驱动实现回转运动的手腕结构夹持动作由活塞完成，一个自由度,摆动液压马达驱动的手腕,2.具有两个自由度的机械手传动手腕结构手腕的回转运动 1 2，俯仰摆动,两自由度机械传动手腕,1、2、3、12、13轴承 4、5链轮 6、7链条 8手腕壳体 9、11锥齿轮 10、14轴 15机械接口法兰盘,3.具有三个自由度的机械手腕结构手爪回转n7,手腕偏摆n10=nT,手腕俯仰n9,三自由度机械传动手腕,1、2、3、4、5、6、7、11、12、13、14、15齿轮 8手爪 9、10、16壳体,偏置三自由度机械传动手腕,a)装置外观图 b)传动机构简图,1、2、3、4、7、9齿轮 5机械接口法兰盘 6壳体 8手腕架,4.偏置三自由度机械传动手腕机构回转运动俯仰运动偏摆运动,5、三转轴手腕结构,三轴承手腕,a)手腕装配结构图 b)手腕传动结构简图,1、2、3电动机 4、5、6空心传动轴 7、8、9、11、13、14齿轮10壳体 12机械接口法兰,三、工业机器人的末端执行器,根据其结构和用途的不同，可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具（如焊枪、喷嘴、电磨头等）。（一）机械式夹持器的结构机械式夹持器多为双指爪式，其手指的运动为平移或回转（单点支承或双点支承）,机械式夹持器,a)单支点回转型 b)双支点回转型c)平移型 d)内撑型,1.楔块杠杆回转型夹持器,楔快杠杆式回转型夹持器,1杠杆 2弹簧 3滚子 4楔快 5驱动器,2.滑槽杠杆式回转型夹持器,滑槽杠杆式回转型夹持器,1支架 2杆 3圆柱销 4杠杆,3.连杆杠杆式回转夹持器,由杆1、连杆2、摆动爪3和夹持件构成四杆机构,连杆杠杆式回转型夹持器,1杆 2连杆 3摆动钳爪 4调整垫片,4.由齿轮齿平行连杆式夹持器,齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器,1扇形齿轮 2齿条杆 3电磁式驱动器 4机座 5、6连杆 7钳爪,5.左右旋丝杆平移型夹持器,左右旋丝杠平移型夹持器,1电动机 2丝杠 3导轨 4钳爪杆,6.内撑式连杆杠杆式夹持器,内撑连杆杠杆式夹持器,1驱动器 2杆 3钳爪,(二)吸附式末端执行器的结构,吸附式末端执行器（又称为吸盘），有气吸式和磁吸式两种。它们分别利用吸盘内负压产生的吸力或由磁力来吸住并移动工件的。,e)挤压排气式,b)真空泵排气式,a)气流负压式,c)特殊吸盘,d)双吸盘式吸头,1压盖2密封盖3吸盘4工件,磁吸式吸盘,1绕组 2铁心 3工件 4内盘体5隔磁物 6外盘面 7盘体,工业机器人的应用：,机器人装配生产线,柔性加工中的机器人,车削加工单元中的机器人,柔性加工系统中的机器人,1拉床 2车床 3插齿机 4剃齿机 5塔式储存架 6机器人 7去毛刺机,装配系统中的机器人,1机器人 2、3、5、6、7、8、9轴承、轴、套、垫圈、法兰、螺母和产品传送带 4压力机,装配系统中的双臂机器人,17固定式电视摄像机 8可转式电视摄像机 9抓握手臂10感知手臂 1113吸尘器零部件 14吸尘器装配成品,焊接作业系统的机器人,1机器人 2传送带 3汽车壳体,喷漆作业系统中的机器人,1工装板 2循环拖动链条 3工件识别站 4工件 5行程开关 6直角坐标机器人 7、8、9、10垂直关节机器人,核工业中的步行机器人,