机电一体化技术应用实例介绍

机械式滚齿机改造问题
• 由于机械式滚齿机存在的问题，造成加工误差； • 微电子技术的飞速发展使机械式滚齿机改造为数控式成
为可能； • 采用开放式运动控制器改造机械式滚齿机。
采用开放式运动控制器的机械滚齿机改造方案
三种改造方案
• 进给轴数控的滚齿方案； • 工件轴数控的滚齿方案； • 工件C轴、进给Z轴、X轴分别数控，滚刀轴B采用变频驱
检测装置
• 机器人的感测系统。 • 作用：通过多种传感器，检测机器人的运动位置、工作状态，运
动部件的位移、速度和加速度以及外部环境信息等，并反馈给控 制系统。
6.1.3 机器人的应用与发展展望
机器人的应用
• 机械加工领域 • 农业领域 • 水下领域 • 空间探索与资源开发领域 • 军事、安全、医疗、家用、娱乐领域
解决方案： 1.导弹模拟跟踪直角坐标机器人采用双x轴、单z轴的两
维立式龙门结构； 2.双x轴由一台伺服电动机，利用传动杆实现两轴同步； 3.z轴由一台伺服电动机作驱动。负载为固定在z轴滑块
上的“导引头” 。
导弹模拟跟踪直角坐标机器人结构
计算步骤：
1）计算驱动轴输入转速 2）计算推力及驱动扭矩 基于上述计算，选择导弹模拟跟踪直角坐标机器人配置 （1）上位控制系统； （2）驱动部分； （3）传动系统； （4）执行机构； （5）安全防护装置。
机器人系统示意图
• 目前发展情况
1）日本成为机器人生产大国，美国为研究大国； 2）机器人产业迅速发展； 3）应用范围遍及各领域； 4）机器人学兴起； 5）机器人向智能化发展。
工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而 赢得了“机器人王国”的美称。
6.1.1 机器人的定义、分类
机器人的定义 • 美国机器人协会（RIA）定义 • 日本机器人协会（JIRA）定义 • 中国机器人定义 • 国际标准化组织（ISO）定义
共同属性：1.象人或人的一部分，并模仿人的动作； 2.具有智能或感觉与识别能力； 3.是人制造的机器或机械电子装置。
机器人的分类
工业机器人
按坐标形式分
按驱动方式分
按控制方式分
按用途分
直 角 坐 标 机 器
人
圆 柱 坐 标 机 器
人
球 坐 标 机 器
人
关 节 坐 标 机 器
人
电 力 驱 动 机 器
了解： 机器人技术与目前发展情况； 机器人的定义、分类； 机器人的应用与发展展望； 直角坐标机器人定义、分类及其应用。
机器人技术简介与目前发展情况 • 技术简介
1）东汉、张衡发明的指南车； 2）1920捷克剧作家Karel Capek首次提出Robota一词； 3）1954美国人设计了第一台电子可编程机器人； 4）1962美国GM公司使用全球第一台机器人Unimate ； 5）1970机器人研究得到迅速广泛普及，为工业部门接受； 6）20世纪机器人系列产品形成产业规模。
3）根据计算结果选择各个运动轴的结构形式和型号。
• 机械强度分析
1）挠度变形计算； 2）扭转变形问题。
• 电动机驱动系统选择
1）根据机器人的快速行程速度选择电动机； 2）惯量匹配问题及负载惯量计算； 3）电动机加速或减速时的转矩； 4）负载转矩匹配及计算； 5）连续过载时间； 6）工作状态载荷转矩； 7）电动机转矩均方根值。
• 机器人的动力系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。 • 作用：按照控制系统的指令为机器人各运动部件提供力、力矩、
速度、加速度，驱动执行机构完成规定的作业。
控制系统
• 机器人的大脑和心脏。
• 作用：处理作业指令信息和反馈的内外部环境信息，并依据预定 的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信 号。
• 机械结构的工程设计与分析
采用ProE或UG等3D计算机辅助设计软件进行直角 坐标机器人机械结构、零部件设计，形成工程图，并 绘制机器人的3D图，进行位置干涉和运动干涉分析， 以保证机器人的结构、运动合理，不存在干涉。
• 设备寿命校核
机器人的运行寿命与运行速度、负载大小、结构形式、 工作环境、工作制等有关。
直角坐标机器人 • 主要组成： 直线运动单元 电动机驱动系统 控制器 末端操作装置四部分构成
• 直角坐标机器人的分类 直角坐标机器人
按用途分
按结构形式分
按自由度分
焊码涂 检分装排 医特 接垛胶 测拣配爆 疗种 机机机 机机机机 机机 器器器 器器器器 器器 人人人 人人人人 人人
壁龙 倒 挂门 挂 机机 机 器器 器 人人 人
• 控制系统选择
根据要求的不同，机器人可选择不同的控制系统，如 PLC控制器、工业运动控制卡、数控系统(CNC)、专用控 制器、ARM控制器等。
• 末端操作装置
可选气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪 以及焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。
• 程序编写
满足并发、实时、可视化图形界面、操作便捷以及可扩展性 和可移植性好的要求，开发机器人控制系统的程序。
“创意之星”模块化机器人
机器狗
KOBIAN机器人

动脉微型机器人
sleep walking智能机器人
6.1.4 直角坐标机器人及其应用与设计
直角坐标机器人简介：
直角坐标机器人，是一种具有多自由度、能够实现自动 控制、可重复编程的多用途操作机，以其特有的优点在 各行各业中被越来越多地应用。
直角坐标机器人结构图
军用领域
满足各种国防和军事用途的机器人，一般要求它具有遥控、 多操作、移动、感知和较高的智能。
医疗领域
能完成各种医疗操作和康复治疗的机器人，具有高可靠性、 无污染操作等特点。
• 机械加工领域
弧焊机器人
点焊机器人
铆接机器人
毛刺清理机器人
机器人装配生产线
• 农业领域
农用采摘机器人
除草机器人
• 水下领域
动长度、允许的最大运行速度及加减速度特性； 5）负载大小及负载特性；
6）机器人的定位精度、重复定位精度； 7）机器人的工作环境及工作周围空间上的限制； 8）机器人的安装方式、运行工作制与运行寿命； 9）其他特殊要求，如使用环境有粉末、高温、水和
湿度等特殊防护要求。
• 机器人结构形式选择与设计
1）选择合适的机械结构； 2）确定运动轴数量及其运动行程与各轴长度； 3）确定负载的运动位置精度； 4）设计各轴间的连接板； 5）设计支架； 6）直角坐标机器人的安装要求。
6.2机械滚齿机YG3612数控改 造方案分析
滚齿加工 机械滚齿机改造方案
知识要点：
重点内容： 滚齿机三种改造方案； 各个方案的优缺点。
了解： 滚齿加工方法、原理； 滚齿加工中存在的问题。
滚齿加工
齿轮加工简介
1）古代木料制造或金属铸造齿轮； 2）工业革命后，齿轮应用日益广泛，由摆线齿轮到渐 开线齿轮； 3）19世纪出现的滚齿机、插齿机，展成法得到普及。
动的方案。
方案一、进给轴数控的滚齿方案
主电机
主变速箱
数伺 控服 指驱 令动
滚刀主轴
切向进给 径向进给 轴向进给
分齿配换齿轮
差 差动 动 交换 机 挂轮 构
工件主轴
进给轴数控的滚齿机传动链示意图
进给轴数控的滚齿方案优点
• 开放式运动控制器实现简单； • 机床调整起来比机械式滚齿机方便得多；
• 运动轨迹规划及运动性能计算
1）进行运动规划需考虑； 2）给出各段运动的速度、加速度和减速度； 3）运动性能计算。
• 力学特性分析和运动轴结构形式
1）根据上述运动规划得到的各轴的最大加速度和减速度，计算 多轴联动所产生的合成最大减速度；
2）最大冲击力水平推力Fx、正压力Fy和侧压力Fz及产生的最大 扭转力矩Mx、My和Mz ；
第六章 典型机电一体化技术应用实例介绍
机电一体化产品简介
• 机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大 类。
• 典型的机电一体化系统有：数控机床、机器人、汽 车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系 统立体化车库等。
• 典型的机电一体化元、部件有：电力电子器件及装 置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传 感器、专用集成电路、伺服机构等。
• 编制技术报告和操作使用说明书
编制机器人的技术报告、用户使用及维护的相关说明书及手 册。
直角坐标机器人设计举例
某大学仿真中心，拟采用直角坐标机器人模拟导弹跟 踪实验，其主要技术要求：负载7kg；2轴（x、z轴）， 立式龙门结构；x轴和z轴行程分别为4000mm 、 3000mm；最大速度2m/s,最大加速度12m/s2；重复 定位精度为±1mm。
机械强度分 析
控制系统选 择
选择末端操 作装置
程序编写
编制技术报告和操 作使用说明书
• 需求分析包括：
1）机器人的工作流程及工作周期； 2）在一个工作周期内，可能分解成的子运动及其时间； 3）机器人的运动轨迹及动作之间的关联， 运动和取抓过程
中与其它设备的同步/握手要求； 4）运动的自由度数量 — 运动轴的数量，各运动轴的有效运
领域
特征说明
机械加工领域、 指能在人类工业、农业生产中代替人的工作, 从事生产制造 农业领域 的机器人，要求它能更完美的在人类生产中与人共处。
水下领域
在水下作业的机器人，具有足够的抗压能力和密封性能， 可实现有人或无人操作。
空间探索与资源 用于空间作业的机器人，具有功率重量比大，能在失重状 开发领域 态下代替人完成任务。
机器人系统由机械部分（操作机）、控制系统、驱动系 统及检测装置构成结构如下图。
14
工业机器人的典型结构
操作机
• 机器人的机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构。 • 作用：利用转动或/和移动关节将机座、机身、大臂、小臂 、腕
部和执行机构等部件联接而成的多自由度开式空间运动机构。
驱动系统
本章主要内容
• 机器人技术 • 机械滚齿机YG3612数控改造方
案分析 • 立体化车库
6.1 机器人技术
机器人技术简介与目前发展情况 机器人的定义、分类 机器人的组成与结构 机器人的应用与发展展望 直角坐标机器人及其应用与设计
知识要点：
重点内容： 机器人的组成与结构； 直角坐标机器人特点、设计方法 、设计步骤。
随着自动化程度、环保要求、卫生规定、生产效率和人 工费用的提高, 直角坐标机器人在中国也必将被各行各业广泛 采用。
直角坐标机器人设计方法
设计流程：
需求分 析
机器人结构形式选 择与设计
设备寿命校 核
机械结构的 工程设计与
分析
运动轨迹规 划及运动性
能计算
电动机驱动 系统选择
力学特性分析和 运动轴结构形式
两三四五六 坐坐坐坐坐 标标标标标 机机机机机 器器器器器 人人人人人
• 直角坐标机器人的主要特点 多自由度 可扩展性好 行程大 负载大 动态特性强、工作效率高 精度高 能完成非常复杂轨迹的工作 简单、经济 灵活、适应性好
直角坐标机器人的应用
直角坐标机器人以其特有的一些优点在西方国家被广泛 用来执行焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、 探伤、分类、装配、贴标、喷码、涂胶和切割等一系列工作。 深受包装机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品 生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业的好 评。
人
液 压 驱 动 机 器
人
气 压 驱 动 机 器
人
复 合 驱 动 标 机 器
人
电连切
位 续 削 检 装焊喷 搬 裁 控 控 加 测 配接漆 运 决 制 制 工 机 机 机 机 机 机 ... 机 机 机 器 器器器 器 器 器 器 器 人 人人人 人 人 人人人
球面坐标机器人
关节炎坐标机器人
6.1.2 机器人的组成与结构
水下机器人
• 空间探索与资源开发领域
Rocky7(美国喷气动力实验室)
(其简化型号“索杰纳”曾于1997年成功登陆火星
• 军事、安全、医疗、家用、娱乐领域
美军SWORDS战斗机器人
扫雷轮式移动机器人
无人移动侦察车
导盲机器人
31
足球机器人
32
灵巧手
33
电子宠物
34
机器人的发展展望
• 模块化、可重构化 • 仿生化、拟人化 • 微型机器人 • 智能机器人
滚齿加工原理
1
2 uv
3 4
Px S1
S2
9
us
8
10
12 11
ux
5
7
Σ
15
6
uy
14
13
滚齿机传动原理图
滚齿机加工三个基本运动
• 主切削运动； • 展成分齿运动； • 滚刀的轴向进给运动。
滚齿机加工附加运动
• 把主切削运动和滚刀的轴向进给运动合到一起
机械式滚齿机存在的问题
• 传动元件多； • 精度要求高； • 机械结构复杂； • 安装调整困难； • 制造误差、装配误差。