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1、机电控制技术综合应机电控制技术综合应用实例用实例 第8章 机电控制技术综合应用重点与难点l本章重点：l1l2l3本章难点：本章难点：l1l28.1 8.1 数控机床控制技术数控机床控制技术8.1.1数控机床组成数控机床组成数控机床一般由加工程序及程序载体、输入/输出装置、数控系统、伺服系统、检测反馈装置、辅助控制装置和机床本体组成。8.1 8.1 数控机床控制技术数控机床控制技术l8.1.2 数控机床工作原理数控机床工作原理首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴
2、电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。8.1 8.1 数控机床控制技术数控机床控制技术l8.1.3数控机床分类数控机床分类1.按加工工艺方法分类 可分为普通数控机床和数控加工中心机床两大类。2.按控制系统功能特点分类 可分为点位控制数控机床、点位直线控制数控机床和轮廓控制数控机床三类。3.按伺服系统的控制方式分类 可分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床三类。4.按所用数控系统的功能水平还可把数控机床分为高级型、普通型和经济型三类数控机床。8.1 8.1 数控机床控制技术数控机床控制技术l8.1.4数控技术发展方向数控技术发展方向（1）高速、高精度（
3、2）智能化（3）开放式数控系统（4）网络化数控技术（5）柔性化（6）实现数控装备的工艺复合化和多轴化（7）CAD/CAM/CNC一体化，实现数字化制造8.1 8.1 数控机床控制技术数控机床控制技术l8.1.5典型实例典型实例数控加工中心数控加工中心1.基本构成 加工中心通常由这样几部分构成：数控X、Y、Z三个移动位置；能够进行工件多面加工的回转工作台；自动换刀装置；CNC控制器。2.机械装置 加工中心的机械装置如图8-7所示，主要由床身、工作台、立柱、回转工作台、主轴头、自动换刀装置及随行夹具更换装置等组成。3.数控系统 本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。它以顺序控制为
4、主，实现接触式传感功能、管理功能、自适应功能，利用工具码（T码）选择工具，利用速度码（S码）选择主轴转速控制以及回转工作台的分度控制等。8.1 8.1 数控机床控制技术数控机床控制技术l8.1.5典型实例典型实例数控加工中心数控加工中心8.1 8.1 数控机床控制技术数控机床控制技术l8.1.5典型实例典型实例数控加工中心数控加工中心8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.1工业机器人概述工业机器人概述我国国家标准GB/T1264390将工业机器人定义“是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作
5、机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。综合上述定义，可以得出工业机器人具有以下三个重要特性：1）是一种机械装置，可以搬运材料、零件、工具、或者完成多种操作和动作功能，具有通用性。2）可以再编程，具有多种多样程序流程，提供了人机联系，具有独立的柔软性。3）具有一个自动控制系统，可以在无人参与下，自动完成操作作业和动作功能。8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.2工业机器人组成工业机器人组成l一个典型的关节型工业机器人，一般由执行机构、控制系统、驱动系统、位置检测系统和人工智能系统等几部分组成。8.2 8.2 工业机器人控制技术工
6、业机器人控制技术l8.2.3工业机器人种类工业机器人种类l工业机器人种类很多，按系统功能不同分专用机器人、通用机器人、示教机器人和智能机器人等几种。l按用途不同可分为弧焊机器人、点焊机器人、喷漆机器人、装配机器人、装卸机器人、建筑机器人、刷胶机器人等。l按运动控制方式可分为点位控制（PTP）机器人和连续轨迹控制（CP）机器人两大类。l结构形式不同 分直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型、平面关节型 机器人等。8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.3工业机器人种类工业机器人种类a)直角坐标型 b)圆柱坐标型 8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2
7、.3工业机器人种类工业机器人种类c)球坐标型 d)关节型 e）平面关节型8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.4工业机器人特征工业机器人特征 l1.自由度 自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。所谓自由度是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动。一般情况下，通用机器人有36个自由度。l2工作空间 工作空间是机器人运用手部进行工作的空间范围。机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。l3.抓举重力 抓举重力是反映机器人负荷能力的一个重要参数，根据抓举重力的不同范围，可将机器人分为5种类型。l4.运动速度 运动速度影响机器人的运动周期和工作效率，它与机器
8、人所抓举的重力和位置精度有密切的关系。一般情况下，通用机器人的最大直线运动速度不超过1000mm/s，最大回转运动速度不超过120度/s。l5.位置精度 位置精度是衡量机器人工作质量的另一项重要指标典型的工业机器人的位置精度一般在0.025mm的范围。8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.5工业机器人控制系统工业机器人控制系统l1.系统分类 机器人控制系统从基本原理和系统结构可以分为非伺服型控制系统和伺服型控制系统两大类。下图为非伺服控制系统。8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.5工业机器人控制系统工业机器人控制系统l1.系统分类l下图为非伺服
9、控制系统。8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.5工业机器人控制系统工业机器人控制系统l2.系统组成 l控制器和各类传感器是工业机器人的主要组成部分。实现工业机器人控制的控制器有许多种：最简单的一种为限位器式点位控制器，其作业顺序信息常采用矩阵板（插销板）来编排，动作的位置顺序则由挡块来存储，以实现变换程序的目的。矩阵板是一种顺序存储器，这种控制器用挡块来定位，开关量控制，存储信息很少，是一种简易、低功能的控制器。另一种是点位控制器，其作业顺序信息是用机械式顺序鼓（又称步进旋转式分配器）来存储，其存储装置也可以是磁鼓、磁带或穿孔带等，这种控制器在存储容量、定位点数和定位
10、精度等控制性能上比前一种控制器有较大提高。8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.6工业机器人技术应用工业机器人技术应用 l典型的应用领域包括：核科学和宇宙开发领域，例如核工厂设备的检验和维修机器人和遥控的太空作业机器人；海洋开发和军事领域，例如用于海底采矿和打捞的遥控的海洋作业机器人；医疗福利和生活服务领域，例如护理机器人、导盲机器人、清洁机器；制造工业领域中各种各种生产线应用的机器人、机械手等。广泛应用工业机器人的制造工业主要包括机械制造、汽车工业、金属加工、电子工业、塑料成形等行业。这些应用领域涉及机械加工、搬运工件及工件夹具装卸、焊接、喷漆、装配、检验和抛光修正、
11、铸造、锻压、热处理、金属切削加工等工作。l除此之外，机器人在核能、海洋、太空探索、军事、家庭服务等领域的应用越来越广泛。8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.7工业机器人发展方向工业机器人发展方向l1）提高运动和动作精度，减轻质量和减少安装占用空间，继续推广机器人功能部件的标准化和模块组合化，以降低成本和提高可靠性。l2）研究开发新型的机器人结构，例如开发新型微动机构保证动作精度；开发多关节、多自由度的手臂和手指，研制新型的行走机构等以适应复杂作业的需要。l3）大力开发机器人仿真技术和计算机软件系统。作业任务采用计算机语言以“离线编程”方式进行。采用计算机仿真技术可经济
12、地校核机器人在完成某个操作过程的可行性。8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术8.2.8典型实例典型实例HRGP-1A喷漆机器人喷漆机器人HRGP-1A喷漆机器人是在消化、吸收美国DEVILBISS公司4500型喷漆机器人的基础上开发研制的。该喷漆机器人的特点是：操作机采用挠性手腕结构，具有三个自由度（左右摆动、上下摆动、回转运动）；驱动器采用分离活塞直线运动油缸，减轻了示教力；采用旋转变压器作为反馈元件，提高了伺服系统反馈精度。l该喷漆机器人是由操作机、微型计算机控制系统、液压能三部分组成，操作机采用多关节式。它的机构原理如下：l1）由一个直线油缸通过摇杆机构驱动腰部旋转运动。
13、l2)两个直线油缸分别驱动三连杆机构和四连杆机构，实现垂直臂的前后摆动和水平臂的上下俯仰运动，使喷枪达到活动范围内的任意位置。l3）腕部采用挠性手腕结构，分别由左右两个小型直线油缸驱动，实现手腕的左右、上下各作880摆动，腕部的旋转运动由一个摆动油缸驱动，使它作2100的转动，喷枪实现姿态的变化。8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.8典型实例典型实例HRGP-1A喷漆机器人喷漆机器人腰部回转机构原理 8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.8典型实例典型实例HRGP-1A喷漆机器人喷漆机器人平衡机构原理 8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器
14、人控制技术l8.2.8典型实例典型实例HRGP-1A喷漆机器人喷漆机器人电液伺服系统原理 8.2 8.2 工业机器人控制技术工业机器人控制技术l8.2.8典型实例典型实例HRGP-1A喷漆机器人喷漆机器人控制系统 8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线控制技术l8.3.1自动化生产线的产生和发展自动化生产线的产生和发展l从二十世纪20年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。机械制造业中有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工和机械装配等自动线，也有包括不同性质的工序，如毛坯制造、加工、装配、检验和包装等的综合
15、自动线。l目前，自动化生产线已广泛应用在食品、家用电器、汽车摩托车、化工、医药等行业中。目前国内外典型自动生产线有巧克力生产线、饼干包装线、汽车生产线等。l自动线的发展方向主要是提高生产率和增大多用性、灵活性。为适应多品种生产的需要，将发展能快速调整的可调自动线。l数字控制机床、工业机器人和电子计算机等技术的发展，以及成组技术的应用，可实现多品种、中小批量生产的自动化。8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线控制技术l8.3.2 自动化生产线的类型自动化生产线的类型l自动线中按其设备的联结方式有刚性联接和柔性联接两种。l在刚性联接自动线中，工序之间没有储料装置，工件的加工和传送过程有严
16、格的节奏性。当某一台设备发生故障而停歇时，会引起全线停工。因此，对刚性联接自动线中各种设备的工作可靠性要求高。l在柔性联接自动线中，各工序(或工段)之间设有储料装置，各工序节拍不必严格一致，某一台设备短暂停歇时，可以由储料装置在一定时间内起调剂平衡的作用，因而不会影响其他设备正常工作。综合自动线、装配自动线和较长的组合机床自动线常采用柔性联接。8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线控制技术l8.3.3自动化生产线的组成及机构自动化生产线的组成及机构l一般来说自动化生产线是由机械本体部分、检测与传感部分、控制部分、执行部分、动力源部分等组成。l8.3.4自动化生产线的控制系统自动化生产
17、线的控制系统l自动线的控制系统主要用于保证生产线内的机床、工件传送系统，以及辅助设备按照规定的工作循环和联锁要求正常工作，并设有故障寻检装置和信号装置。为适应自动线的调试和正常运行的要求，控制系统有三种工作状态：调整、半自动和自动。8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线控制技术l8.3.5典型实例典型实例l教学实验型YL-335A自动生产线由供料、加工、装配、分拣和搬运等5个工作站组成，各工作站均设置一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通信实现互连，构成分布式的控制系统。该自动生产线的工作目标是：将供料单元料仓内的白色待装配零件送往装配单元的物料台进行装配。装配工
18、作如下：把装配单元料仓内的白色或黑色的小圆柱零件嵌入到物料台的待装配零件中，完成装配后的成品（以下称为工件，嵌入白色小圆柱的成品简称白色工件，嵌入黑色小圆柱的成品简称黑色工件）送往加工站。在加工单元完成对工件的一次压紧加工，然后送往分拣单元。通过分拣机构，从1号滑槽应输出满足套件关系的工件(每个白色工件搭配一个黑色工件组合成一组套件)。分拣时不满足套件关系的工件从2号滑槽输出作为散件。从1号滑槽输出的套件达到指定数量时，一批生产任务完成，系统停止工作。8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线控制技术l8.3.5典型实例典型实例l 1.设备安装 8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化
19、生产线控制技术l8.3.5典型实例典型实例l 1.设备安装 l（1）供料单元 8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线控制技术l8.3.5典型实例典型实例l 1.设备安装 l（2）加工单元 8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线控制技术l8.3.5典型实例典型实例l 1.设备安装l（3）装配单元 8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线控制技术l8.3.5典型实例典型实例l 1.设备安装l（4）分拣单元 8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线控制技术l8.3.5典型实例典型实例l 1.设备安装l（5）输送单元 8.3 8.3 自动化生产线控制技术自动化生产线
20、控制技术l 8.3.5典型实例典型实例l2.电气控制电路设计。根据控制要求，设计输送单元的电气控制电路及分拣单元的变频器主电路，包括PLC的I/O端子分配、步进电机及其驱动器控制电路。不同PLC机型的PLC的I/O分配和端子接线是不同的。l3.线路的连接。按工艺设计，供料单元、加工单元、装配单元、分拣单元的PLC和接线端口之间的接线，以及各工作单元的传感器、执行机构与接线端口的接线，按照上述给定的I/O分配和端子接线表进行线路连接。l4.各工作站PLC网络连接 系统的控制方式采用分布式网络控制。系统主令工作信号由连接到输送站的按钮/指示灯模块提供，安装在工作桌面上的警示灯显示整个系统的主要工作
21、状态，例如复位、启动、停止、报警等。提供输送站的按钮/指示灯模块的2个指示灯还用于指示网络的正常和故障状态。l 5.系统运行与调试 8 84 4 光机电一体化控制技术光机电一体化控制技术l8.4.1光机电一体化基本概念光机电一体化基本概念l光机电一体化包括产品和技术两方面。光机电一体化产品是包含光学技术、机械技术、微电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术和通讯技术的高科技产品；光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。光机电一体化技术及其产品与传统的机械产品比较，主要有以下特征：l1.综合性与系统性 l2.多层次，覆盖面广 l3.结构简化，方便操作 l
22、4.精度提高，功能增加 l5.高可靠性，高稳定性和高使用寿命 l6.开发上的知识密集性 8 84 4 光机电一体化控制技术光机电一体化控制技术l8.4.2 光机电一体化的相关技术光机电一体化的相关技术l光机电一体化系统是由机械装置、执行装置、能源、传感器和计算机5个要素构成，光机电一体化的相关技术就是与各个要素相关的硬件和软件技术。l1.机械技术 它是光机电一体化技术的基础。l2.计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策等，实现信息处理的主要工具是计算机。l3.检测与传感技术 其研究对象是传感器及其信号检测装置。l4.自动控制技术 其范围很广，包括自动控制理论、
23、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的过程。l5.伺服驱动技术 其主要对象是伺服驱动单元及其驱动装置。l6.系统总体技术 8 84 4 光机电一体化控制技术光机电一体化控制技术l8.4.3 光机电一体化技术在制造中的应用光机电一体化技术在制造中的应用l光机电一体化技术在制造中的应用主要体现在传感与检测领域和激光加工领域。l1.传感与检测领域。由于光电系统具有光学和电子两方面的技术优势，从而能满足生产过程中的自动监控以及图像分析、精密测量、信息处理和传输、微观探测等各个领域的要求，特别能适应对高速运动或瞬息短暂过程的观察、记录、显示、传递和储存。利用光电转换能在太空、深水、高
24、温、有毒有害气体、核辐射等各种特殊环境下正常地工作。l2.激光加工领域。这方面的应用主要是激光加工、激光强化金属表面、激光快速成型、激光金属塑性成形等。8 84 4 光机电一体化控制技术光机电一体化控制技术l8.4.4.光机电一体化技术的发展方向光机电一体化技术的发展方向l1.数字化l2.智能化 l3模块化 l4.网络化l5.人性化 l6.微型化 l7.集成化 l8.带源化 l9.绿色化绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品，在设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求。光机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品残存部分的可
25、分解和可再生利用。8 84 4 光机电一体化控制技术光机电一体化控制技术l8.4.5 典型实例典型实例活塞外轮廓测量仪活塞外轮廓测量仪 l1.系统原理与构成 活塞外轮廓测量仪主要测量活塞横截面椭圆度和活塞头部与裙部型线的锥度。椭圆度是指活塞横截面椭圆长轴与短轴之差；锥度是指活塞长轴方向纵截面中底部与头部直径之差。活塞外轮廓测量仪的系统结构 8 84 4 光机电一体化控制技术光机电一体化控制技术8.4.5 典型实例典型实例活塞外轮廓测量仪活塞外轮廓测量仪 2.硬件系统 系统硬件包括机械结构、计算机、传感器及控制部分等。3.控制部分 计算机控制从数据处理部分包括微机、控制接口板、步进电机驱动器、电源等。它一方面控制整个测量系统的运动，另一方面用来处理传感器的测量数据。光电测长仪电气框图