1、第7章典型机器人机电一体化系统实例分析第7章 典型机电一体化系统设计及应用举例本章教学重点：机电一体化系统设计要点，数控机床及典型机器人系统设计方法。本章教学难点：数控机床及典型机器人系统设计方法。本章教学方式：多媒体教学、动画演示。7.1 机电一体化系统设计要点7.1.1 基本开发思路机电一体化系统设计是根据系统论的观点，运用现代设计的方法构造产品结构、赋予产品性能并进行产品设计的过程。图7-1所示为机电一体化产品设计的典型流程图。机电一体化产品设计过程可划分为四个阶段：（一）准备阶段在这个阶段中首先对设计对象进行机理分析，确定产品的规格、性能参数；然后进行技术分析，拟定系统总体方案，划分组
2、成系统的各功能要素和功能模块，最后对各种方案进行可行性研究对比，确定最佳总体方案。（二）理论设计阶段在这个阶段中首先根据设计目标、功能要素和功能模块，画出机器工作时序图和机器传动原理图；计算各功能模块之间接口的输入输出参数，确定接口设计的任务归属。然后以功能模块为单元，根据接口参数的要求对信号检测与转换、机械传动及工作机构、控制微机、功率驱动及执行元件等进行功能模块的选型、组配、设计；最后对所进行的设计进行整体技术经济评价、设计目标考核和系统优化，挑选出综合性能指标最优的设计。（三）产品的设计实施阶段在这一阶段中首先根据机械、电气图纸，制造和装配各功能模块；然后进行模块的调试；最后进行系统整体
3、的安装调试，复核系统的可靠性及抗干扰性。（四）设计定型阶段该阶段的主要任务是对调试成功的系统进行工艺定型，整理出设计图纸、软件清单、零部件清单、元器件清单及调试纪录等；编写设计说明书，为产品投产时的工艺设计、材料采购和销售提供详细的技术档案资料。纵观系统的设计流程，设计过程的各阶段均贯穿着围绕产品设计的目标所进行的。图7.1 机电一体化产品设计流程图“基本原理总体布局细部结构”三次循环设计，每一阶段均构成一个循环体，即以产品的规划和讨论为中心的可行性设计循环；以产品的最佳方案为中心的概念性设计循环；以产品性能和结构优化为中心的技术性设计循环。循环设计使产品设计在可行性规划和论证的基础上求得概念
4、上的最佳方案，再在最佳方案的基础上求得技术上的优化，是系统设计的效率和质量大大地提高。CNC机床（或加工中心）加工时应考虑的问题7.1.2用户要求的抽象用户的需求虽然是设计所要达到的最终目标，但它并不全是设计的技术参数，因为用户对产品提出的要求往往面向产品的使用目的。因此，需要对用户的要求进行抽象，要在分析对象工作原理的基础上，澄清用户需求的目的、原因和具体内容，经过理论分析和逻辑推理，提炼出问题的本质和解决问题的途径，并用工程语言描述设计要求，最终形成产品的规格和性能参数。对于加工机械而言，它包括如下几个方面：1运动参数 表征机器工作部件的运动轨迹和形成、速度和加速度。2动力参数 表征机器为
5、完成加工动作应输出的力（或力矩）和功率。3品质参数 表征机器工作的运动精度、动力精度、稳定性、灵敏度和可靠性。4环境参数 表征机器工作的环境，如温度、湿度、输入电源。5结构参数 表征机器空间几何尺寸、结构、外观造型。6界面参数 表征机器的人机对话方式和功能。7.1.3功能要素和功能模块机电一体化系统的功能要素是通过具体的技术物理效应实现的，一个功能要素可能是一个功能模块，也可能由若干个功能模块组合而成，或者就是一个机电一体化子系统。功能模块则是实现某一特定功能的具有标准化、通用化或系列化的技术物理效应。功能模块在形式上，对于硬件表示为具体的设备、装置或电路板，对于软件则表示为具体的应用子程序或
6、软件包。进行机电一体化系统的设计时，将功能模块视为构成系统的基本单元，根据系统构成的原理和方法，研究它们的输入输出关系，并以一定的逻辑关系连接起来，实现系统的总功能。因此可以说机电一体化系统的设计过程是一个从模块到系统的设计过程。7.1.4 接口设计要点接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配问题，根据划分出来功能模块，在分析研究功能模块输入输出关系的基础上，计算制定出各功能模块相互连接时所必须共同遵守的电气和机械的规格和参数约定，使其在具体实现时能够“直接”相连。应当说明的是，系统设计过程中的接口设计是对接口输入输出参数或机械结构参数的设计，而功能模块设计中的接口设计则是遵照系统设计制定的
7、接口参数进行细部设计，实现接口的技术物理效应，两者在设计内容和设计分工上是不同的。不同类型的接口，其设计要求有所不同。这里仅从系统设计的角度讨论接口设计的要求。传感接口要求传感器与被测机械量信号源具有直接关系，要使标度转换及数学建模精确、可行，传感器与机械本体的连接简单、稳固，能克服机械谐波干扰，正确反映对象的被测参数。 变送接口应满足传感器模块的输出信号与微机前向通道电气参数的匹配及远距离信号传输的要求，接口的信号传输要准确、可靠，抗干扰能力强，具有较低的噪声容限；接口的输入阻抗应与传感器的输出阻抗相匹配；接口的输出电平应与微机的电平相一致；接口的输入信号与输出信号关系应是线性关系，以便于微
8、机进行信号处理。驱动接口应满足接口的输入端与微机系统的后向通道在电平上一致，接口的输出端与功率驱动模块的输入端之间不仅电平要匹配还应在阻抗上匹配。另外接口必须采取有效的抗干扰措施，防止功率驱动设备的强电回路反窜入微机系统。传动接口是一个机械接口，要求它的联接结构紧凑、轻巧，具有较高的传动精度和定位精度，安装、维修、调整简单方便，传动效率高，刚度高，响应块。7.1.5系统整体方案拟定和评价拟定系统整体方案一般分为两个步骤，首先根据系统的主功能要求和构成系统的功能要素进行主功能分解，划分出各功能模块，确定它们之间的逻辑关系；然后对各功能模块输入输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略，系
9、统的外观造型和机械总体结构；最后以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。系统总体方案文件的内容应包括：（1）系统的主要功能、技术指标、原理图及文字说明；（2）控制策略及方案；（3）各功能模块的性能要求，模块实现的初步方案及输出输入逻辑关系的参数指标；（4）方案比较和选择的初步印象；（5）为保证系统性能指标所采取的技术措施；（6）抗干扰及可靠性设计策略；（7）外观造型方案及机械主体方案；（8）人员组织要求；（9）经费和进度计划的安排。系统功能分解应综合运用机械技术和电子技术各自的优势，力求系统构成简单化、模块化。常用的设计策略如下：1减少机械传动部件，时机械结构简化，体积减小，提高系统动态响应性能
10、和运动精度。2注意选用标准、通用的功能模块，避免功能模块在低水平上的重复设计，提高系统在模块级上的可靠性，加快设计开发的速度。3充分运用硬件功能软件化原则，使硬件的组成最简单，使系统智能化。4以微机系统为核心的设计策略。一项设计通常有几种不同的设计方案，每一种方案都有其优点和缺点，因此，在设计阶段应对不同的方案进行整体评价，择优选择综合指标最优的设计方案。7.1.6 制作与调试制作与调试是系统设计方案实施的一项重要内容。根据循环设计及系统设计的原理，制作与调试分为两个步骤：第一步是功能模块的制作与调试；第二步是系统整体安装与调试。功能模块的制作与调试是由专业技术人员根据分工，完成各功能模块的硬
11、件组配、软件编程、电路装配、机械加工等细部物理效应的实现工作，对各功能模块的输入输出参数仿真（模拟）、调试和再线调试，使他们满足系统设计所规定的电气、机械规范。系统总体调试是在功能模块调试的基础上进行的，整体调试以系统设计规定的总目标为依据，调试功能模块的工作参数及接口参数。此外，由于物质流、能量流、信息流均融汇在系统中，系统中的各薄弱环节以及影响系统主功能正常发挥的“瓶颈”会充分暴露出来，系统还受到内外部各种干扰的影响，因此，系统整体的调试还要进一步解决系统可靠性、抗干扰等问题。7.2 数控机床数字控制技术是从金属切削机床数控的基础上发展起来的。自1952年由美国帕森斯公司与麻省理工学院机构
12、实验室研制成功世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控机床经历了硬件数控（NC）、计算机数控（CNC）、多机台计算机直接群控（DNC）和微机数控（MNC）五个发展阶段，形成了门类齐全、品种繁多的数控机床，如数控车床、铣床、钻床、磨床和加工中心等。7.2.1 数控机床的组成图7-2所示为数控机床的组成框图。被加工零件的图纸是数控机床加工的原始数据，在加工前需要根据零件图制定加工工序及工艺规程，并将其按照标准的数控编程语言编制成加工程序。图7.2 数控机床组成框图程序载体是用于记录数控程序的物理介质，通过输入接口可将载体中的数控程序输入数控微机系统。早期的程序载体是纸带，将加工程序制作在穿孔纸带上，由
13、光电读带机将纸带上的二进制数控信息输入微机系统中。目前程序载体有盒式磁带、磁盘或EPROM，简易数控机床则直接将加工程序通过键盘输至微机中。微机数控系统用来接受并处理由程序载体输入的加工程序，依次将其转换成使伺服驱动系统动作的脉冲信号。伺服驱动系统是整个数控系统的执行部分，由伺服控制电路、功率放大电路、伺服电动机等组成，为机床的进给运动提供动力。反馈系统用于检测机床工作的各个运动、位置参数，环境参数（如温度、振动、电源电压、导轨坐标、切削力等）并将其变换成微机系统能接受的数字信号，以构成闭环或半闭环控制。经济型的数控机床一般采取开环控制。7.2.2 数控车床的机械结构图7-3表示一种普通车床改
14、造后的方案。图中不改变车床主轴箱，即主轴变速仍靠人工控制，走刀丝杠改成滚珠丝杠11，去掉光杠，在走刀段右端增加一个丝杠支承。丝杠11的右端用纵向步进电动机4直接驱动（或经传动齿轮减速驱动）。纵向走刀丝杠采用滚珠丝杠的目的是为了提高纵向走刀的移动精度，对于半精加工的车床可直接使用原来的丝杠。同样，横向走刀丝杠由步进电动机3直接驱动，完成横向走刀的进给和变速。另外，刀架部分采用了电动刀架实现自动换刀。为了使车床能实现自动车制螺纹，还要在主轴尾部加接一光电编码器（图中未示出），作为主轴位置检测，使车刀运动与主轴位置相配合。图7.3 改造后的车床传动系统1电动机 2联轴器 3横向步进电机 4纵向步进电
15、机 5联轴器6纵向微调机构 7横向微调机构 8横向螺母 9纵向螺母10横向微调机构 11纵向滚珠丝杠1、步进电动机与丝杠联接 步进电动机与丝杠的联接要可靠，传动无间隙。为了便于编程和保证加工精度，一般要求纵向运动的步进当量为0.01mm，横向运动的步进当量为0.005mm，步进电动机与丝杠的联接方式有直连式（同轴连接）和齿轮联接两种形式。图7.4 直连式示意图1车床支架 2销钉 3联轴套 4步进电动机直连式如图7-4所示，步进电动机与丝杠轴采用联轴套直接同轴相联，这种联接方式结构紧凑，改装方便。图7.5 齿轮连接示意图齿轮联接方式如图7-5所示。在步进电动机步距角、步进当量及丝杠螺距t确定后，
16、步进电动机和丝杠的联接传动比不一定正好是1：1的关系，这时采用一对齿轮，齿轮传动比的计算可根据下面计算： （7-1）例7-1 将改造一台C620车床，其纵向丝杠的螺距t=12mm，采用110BF003型步进电动机，步距=0.75，系统规定的纵向步进当量=0.01mm，计算步进电动机与纵向丝杠之间的联接传动比。解：根据式（7-1） 可选，模数的齿轮传动副。当为小数时，则可采用挂轮。2、步进电动机与床身的联接 步进电动机与床身的联接，不但要求安装方便、可靠，同时又能确保精度。常用的有固定板联接和变速箱联接两种，如图7-6和图7-7所示。图7.6 固定板联接示意图 1床身 2齿轮箱 3变速齿轮 4丝
17、杠支架 图7.7 变速箱联接示意图1床身 2圆柱套筒 3联接板4步近电动机 5齿轮 6丝杠托架 7丝杠3、自动回转刀架 加工复杂工件时，需要几把车刀轮换使用，这就要求刀架能自动换位如图7-8所示。图7.8 自动刀架原理示意图当微机系统发出换刀信号后，如果要求的刀号与实际在位的刀号不符，电动机正转，通过螺杆推动螺母使刀台上升到精密端齿盘脱开时的位置，当刀台随螺杆体转动至与刀号要求相符的位置时，微机发出反转信号，使电动机反转，于是刀台被定位卡死而不能转动，便缓慢下降至精密端齿盘的啮合位置，实现精密定位并锁紧。当夹紧力增大到推动弹簧而窜动压缩触点时，电动机立即停转，并向微机发出换刀完成的应答信号，程
18、序继续执行。4、电动机尾架 有的数控车床为实现轴类零件的自动化加工，采用了电动尾架装置，图7-9所示是一种适用于经济型数控车床的可控力电动尾架。图7.9 电动尾座1刀位触点 2胶木板 3触点 4刀台 5螺杆副 6精密齿盘 7变速齿轮 8蜗轮9滑套式蜗杆 10停车开关 11刀架座 12压簧 13粗定位 电动机通电转动，通过一对齿轮副减速，带动丝杠转动，再通过装在轴套上的丝杠螺母使轴套前进，并稍稍压缩蝶形弹簧。当顶尖推动丝杠转动，迫使顶尖紧顶工件时，丝杠以及螺母不能前进，这样就迫使丝杠后退，压缩蝶形弹簧并使从动齿轮后退。从动齿轮后退时压下顶杆，顶杆又压下微动开关，切断电机的电源，至此顶紧操作完成。
19、顶尖后退时，利用一微型限位开关进行限位控制。电动机控制电路除要有正反转点动控制外，还需有接向微机的开关。7.2.3 数控机床微机系统硬件数控机床微机系统有两种基本形式，即经济型和全功能型。所谓经济型系统是用一个微机芯片作主控单元，伺服系统大都为功率步进电动机，采用开环控制系统，步进当量为0.010.005mm/脉冲，机床快速移动速度为58m/min，传动精度较低，功能也较为简单。全功能型的系统用24个微机芯片进行控制，各CPU之间采用标准总线接口，或者采用中断方式通讯。在主控微机的管理下，各微机分别进行指令识别、插补运算、文本及图形显示、控制信号的输入输出等。伺服系统一般采用交流或直流电机伺服
20、驱动的闭环或半闭环控制，这种形式可方便地控制进给速度和主轴转速。机床最快移动速度为824m/min，步进当量为0.010.001mm/脉冲，控制的轴数多达2024个，因而广泛用于精密数控车床、铣床、加工中心等精度要求高、加工工序复杂的场合。1、单片机系统 早期的经济型数控系统多采用功能简单的Z80单板机控制。近年来，多采用单片机为核心，做成专用的数控系统，图7-10所示为一种经济数控系统的硬件框图，适用于普通车床的数控。图7-10 经济型数控系统的硬件框图图7-10中键盘用于手工输入零件的加工程序，显示器用于显示输入的指令和加工状态，8031对加工程序进行指令识别和运算处理后，向锁存器Y2、Y
21、3输出进给脉冲，经X、Y驱动模块伺服放大后，驱动X轴、Z轴步进电动机，产生进给运动；8255的PB口输出强电控制信号MST。其中M为辅助功能，主要是主电动机、冷却电动机的启/停信号；S为主轴调速信号；T 为回转刀架的转位换刀信号。（1）存储器扩展电路：存储器扩展电路如图7-11所示，EPROM用于存储控制程序，RAM用于存储加工程序。为了保证RAM掉电时加工数据不丢失，电路中还设计了掉电保护电路。图7-11 系统的存储器（2）面板操作键和功能选择开关：面板操作键8031的P1口接口电路如图7-11所示。图中SB1SB4为手动操作进给键，分别完成人工操作的X，Y的进给。运行时按下此键，可中断程序
22、的运行。SA1是一个两位开关，用于单段/连续控制，置于“单段”位置时，每运行一个程序段就暂停，只有按下启动键，才继续运行下一个程序段，单段工作方式一般用于检查输入的加工程序。SA1置于“连续”位置时，程序将连续执行。功能选择开关SA2为一个单刀8掷波段开关，它与系统的8255PA口相连，如图7-13所示，用于编辑、空运行、自动、回零、手动、通讯等功能的选择。编辑方式：用于加工程序的输入、检索、修改、插入和删除等操作。空运行方式：启动加工程序后，只执行加工指令，对MST指令则跳过不执行，而且刀具以设定的速度运行。这种方式主要用于检查加工程序，而不用于加工。自动方式：只有在这个方式下，才可以按启动
23、键实行加工。在编辑状态下输入程序并经检查无误后，将SA2置自动方式，再按下启动键，认定当前刀具为起点位置，开始执行加工程序。手动方式：用于加工前对刀调整或进行简单加工。该方式有、3种选择，分别对应于不同的进给速度。回零方式：使刀架沿X轴、Z轴回到机械零点。通讯方式：该方式中包括系统与盒式磁带机、打印机上位机的数据通讯、转存等操作。图7-12 P1口与面板操作开关的连接图7-14 功能选择开关接线图图7-15 强电接口电路（3）MST接口：MST信号有两个特点：一是信号功率较大，微机输出的信号要进行放大后才能使用；二是信号控制的都是220V或380V强电开关器件，因此必须采用严格的电气隔离措施，
24、如图7-15所示，由8255B口输出控制信号，先经过一次光电隔离，经译码放大后，由中间继电器KA再次隔离，因此，具有较高的抗干扰能力。8255B口定义为基本输出方式，从PB0PB4输出的5个信号经光电耦合后，送至38译码器，其中PB0PB2为译码地址信号。S01S04为与调整电动机相连的4种主轴调整信号，T10T40为4种换刀信号。M03M26为8个辅助功能信号，其中M03用于启动主轴正转，M04用于控制主轴反转，M05使主轴停止。M22M26是用户自用信号，可用于控制冷却电动机的启/停、液压电动机的启/停、第三坐标的启/停或电磁铁动作等。各MST的译码逻辑联系如表71所示。表7-1 MST信
25、号地址对照表8255PB口输出信号8255PB口输出信号PB4PB3PB2PB1PB0PB4PB3PB2PB1PB00000000011111111000000000011001101010101S01S02S03S04T10T20T30T401111111100000000000011110011001101010101M03M04M05M22M23M24M25M262、STD总线系统 图7-16所示为一种两坐标的STD数控系统。它由CPU、带掉电保护的RAM、键盘、步进电动机接口、I/O接口、CRT显示接口等6个模板组成。系统图7-16 STD总线数控系统CPU模块可以采用Z80A作CPU
26、，晶振频率为4MHZ，EPROM容量为32KB，用于存放系统的控制程序。板内的CTC0通道作串行口波特率发生器，CTC2号通道作监控程序的单步操作，板内并行口采用Z80PIO芯片，提供28位并行接口。串行口为RS232C标准，用于与上位机的数据通讯。64K的RAM模块用于存放加工程序，为使掉电后输入的加工程序不被丢失，选用带掉电保护功能的静态RAM模块。两个轴的步进电动机共用一个接口模板，该模板有两组相同结构的电路，包括进给脉冲发生器、脉冲计数器、进给方向控制逻辑和脉冲分配器等。进给脉冲发生器与脉冲计数器由8253定时/计数器芯片实现。8253的0号通道作进给脉冲发生器，进给脉冲频率由装入的时
27、间常数决定。8253的1号通道为脉冲计数器，用来监测是否有脉冲丢失。进给方向逻辑主要用于控制步进电动机的进给方向，脉冲分配器则将进给脉冲依次分配给步进电动机的各相绕组。I/O模板中的输入通道主要与机床的各种开关相连，如限位开关、零点接近开关等；输出通道用于输出MST功能信号，输出信号经锁存器、光电隔离及晶体管放大后，可以驱动24V、200mA以下的继电器、电磁阀等。CRT模板与普通CRT监视器连接，可实现数控过程的显示及加工程序、加工零件显示。该模板以MC6845CRT控制器为核心，产生CRT所需的行同步、场同步信号，并与STD总线接口。3、全功能型数控系统的硬件 全功能型数控系统也称标准数控
28、系统，是国际上较流行的数控系统，其构成框图如图7-17所示。该系统有X、Y、Z三轴控制，其中任意两轴可联动。链式刀库可储4060把刀具，由换刀机械手自动进行换刀（ATC）。系统配有工作台精密转动控制（TAB），转动角度由数控编程中的第二辅助功能B指定。该系统可完成各种工序，如铣、钻、镗、扩和丝攻等。系统通过接口接受来自MDI的数据。并在CRT上显示，又通过RS232C接口和光电读带机接口读入纸带程序。操作面板上有各种功能选择开关。从机床和操作面板上输出的信号，大部分由PLC处理，但也有一部分信号，如紧急停车、超程、返回原点等，可直接输入微机系统。三轴驱动采用伺服驱动方式，各电动机均加装光电编码
29、器作为位置和速度的检测反馈元件，反馈信号一路输入微机（CNC）作精插补，另一路经F/V变换送入伺服驱动模块中的速度调节器。速度放大部分可配SRC或PWM。在微机系统（6MECNC）的控制下，经PLC进行译码可输出12位二进制速度代码，再经D/A转换和电压比较后形成主轴转速控制信号，由矢量处理电路得到三种相位相差120的电流信号，经PWM调制放大后加到三相桥式晶体管电路，使主轴的交流伺服电动机按规定的转速和方向转动，磁放大器为主轴定向之用。微机系统（6MECNC）送出相应的T、M、B功能送至PLC，经PLC译码识别，发出相应的控制信号，该信号自动切换伺服单元工作状态，即由ATC转换为TAB，或由
30、TAB转换为ATC。刀库和分度台均由DC电动机驱动，通过控制相应的DC电动机，实现自动换刀和工作台的分度。从上面的介绍中可以看出，除进给插补外，几乎其它所有的工作（S、T、M、B）都离不开PLC，经PLC处理的信号有194个。图7-17 全功能数控系统框图7.2.4 数控机床的软件构成数控机床的软件分为系统软件（控制软件）和应用软件（加工软件）两部分。加工软件是描述被加工零件的几何形状、加工顺序、工艺参数的程序，它用国际标准的数控编程语言编程，有关数控编程的规范和编程方法，可参阅有关的标准手册及文献资料。控制软件是为完成机床数控而编制的系统软件，因为各数控系统的功能设置、控制方案、硬件线路均不
31、相同，因此在软件结构和规模上相差很大，但从数控的要求上看，控制软件应包括输入数据预处理、插补运算、速度控制、自诊断和管理程序等模块。1、数据输入模块 系统输入的数据主要是零件的加工程序（指令），一般通过键盘、光电读带机或盒式磁带等输入，也有从上一级微机直接传入的（如CAD/CAM系统）。系统中所设计的输入管理程序通常采用中断方式。例如，当读带机读入一个数据后，就立即向CPU发出中断，由中断服务程序将该数据读入内存。每按一次键，键盘就向CPU发出一次中断请求，CPU响应中断后就转入键盘服务程序，对相应的按键命令进行处理。2、数据处理模块 输入的零件加工程序是用标准的数控语言编写的ASCII字符串，因此，需要把输入的数控代码转换
