1、第八章 典型機(jī)電一體化系統(tǒng)81 CNC機(jī)床一、概述 計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNCComputer Numericaled Control）機(jī)床是一種由計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ秒娮佑?jì)算裝置控制的高效自動(dòng)化機(jī)床。它綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量(cling)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的最新成就，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是機(jī)床發(fā)展的必然趨勢(shì)。數(shù)控機(jī)床發(fā)展至今，已經(jīng)經(jīng)歷了從電子管數(shù)控、晶體管數(shù)控、集成電路數(shù)控、計(jì)算機(jī)數(shù)控到微型計(jì)算機(jī)數(shù)控等五代演變。1共三十三頁(yè)機(jī)械加工中心（MCMachining Center） 能夠自動(dòng)更換刀具(doj)的 高度自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床柔性制造單元（FMCFlexible Manufa- c

2、turing Cell） 柔性制造系統(tǒng)（FMSFlexible Manufactur- ing System）自動(dòng)化工廠（FAFactory Automation）2共三十三頁(yè)在機(jī)械加工中心上加工零件所涉及的技術(shù)范圍比較廣，與相應(yīng)的配套技術(shù)有密切關(guān)系。對(duì)于一個(gè)合格的編程員來(lái)說(shuō)首先應(yīng)該是一個(gè)很好的工藝員，應(yīng)熟練掌握零件的工藝設(shè)計(jì)(shj)和切削用量的選擇，并能提出正確刀具方案和夾具方案，懂得刀具測(cè)量方法，了解機(jī)床的性能和特點(diǎn)，熟悉程序編制和輸入方式。 3共三十三頁(yè)CNC機(jī)床（或加工中心）加工時(shí)需要(xyo)考慮的問(wèn)題 4共三十三頁(yè)二、CNC機(jī)床分類 CNC機(jī)床的種類很多，歸納起來(lái)可用以下幾種方法

3、分類。 1按工藝用途(yngt)分類 （1）一般數(shù)控機(jī)床。和傳統(tǒng)的通用機(jī)床相似，有數(shù)控車、銑、鏜、鉆、磨、插齒、滾齒等機(jī)床。 （2）帶自動(dòng)換刀裝置的機(jī)械加工中心（MC）。 （3）多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床。有些形狀復(fù)雜的零件（例如螺旋漿）用三坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床還是難于加工，為此出現(xiàn)了多坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床，其特點(diǎn)是數(shù)控裝置控制的軸數(shù)較多，機(jī)床結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。5共三十三頁(yè) 2按刀具相對(duì)工件移動(dòng)的軌跡分類（1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床在移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行任何加工 數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床和數(shù)控沖床等。（2）點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床可以沿一個(gè)坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行切削(qixio)加工 簡(jiǎn)易數(shù)控車床、數(shù)控銑床和自動(dòng)換刀數(shù)控銑床等。（3）輪廓控

4、制數(shù)控機(jī)床能夠同時(shí)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸進(jìn)行連續(xù)軌跡控制 有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控銑床及銑削加工中心等。6共三十三頁(yè) 三、機(jī)械加工中心（MC） 1機(jī)械加工中心的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向 FMS是以車間進(jìn)行統(tǒng)一控制為目標(biāo)的工廠自動(dòng)化的第一個(gè)階段，它包括前面所講的搬送工件或工具的無(wú)人搬送小車以及 CADCAM系統(tǒng)、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)等的管理。目前，MC的自動(dòng)化功能正朝著由微機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心（調(diào)整）、異常情況的自動(dòng)監(jiān)視、自動(dòng)檢測(cè)的方向發(fā)展。隨著直流（交流）伺服電機(jī)的發(fā)展和普及，以及切削(qixio)刀具的進(jìn)步，逐步降低切削(qixio)力、提高電機(jī)功率、實(shí)現(xiàn)超高速加工，進(jìn)而提高生產(chǎn)率。7共三十三頁(yè) 2機(jī)械加工中心(

5、zhngxn)的構(gòu)成機(jī)械加工中心構(gòu)成 （日本FHN100T機(jī)械加工中心）（1）數(shù)控 X、Y、Z三個(gè)移動(dòng)裝置。（2）能夠進(jìn)行工件多面加工的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。（3）自動(dòng)換刀裝置（ATC）。（4）CNC控制器。8共三十三頁(yè)機(jī)械加工中心(zhngxn)規(guī)格9共三十三頁(yè)3機(jī)床機(jī)械裝置（1）床身、工作臺(tái) 立柱。（2）回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（3）主軸頭（4）自動(dòng)換刀 裝置（ATC）（5）隨行(su xn)夾具 更換裝置（6）立式加工設(shè)備。 10共三十三頁(yè) 4.CNC系統(tǒng)控制電路中采用了高速(o s)微處理器及許多專用大規(guī)模集成電路。它以順序控制為主，實(shí)現(xiàn)接觸式傳感功能。管理功能、自適應(yīng)功能，利用工具碼（T碼）選擇工具，利用速

6、度碼（S碼）進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速控制，以及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度控制等。11共三十三頁(yè)CNC系統(tǒng)功能 （1）接觸式傳感器功能自動(dòng)定心功能刀具折損(sh sn)檢測(cè)功能縮短空切時(shí)間功能 X、Y、Z軸基準(zhǔn)面校正功能自動(dòng)檢測(cè)校正系統(tǒng) （2）管理功能刀具的壽命管理備用刀具的自動(dòng)更換功能監(jiān)視功能和故障診斷功能（3）自適應(yīng)控制（AC）功能 12共三十三頁(yè)82工業(yè)機(jī)器人 一、工業(yè)機(jī)器人的組成與分類 工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot）是一種能模擬人的手、臂的部分動(dòng)作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置，是具有發(fā)展前途的機(jī)電一體化典型(dinxng)產(chǎn)品，將在實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化生

7、產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、代替人在惡劣環(huán)境條件下工作中發(fā)揮重大作用。13共三十三頁(yè) 1工業(yè)機(jī)器人的組成 工業(yè)機(jī)器人一般應(yīng)由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)傳感系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等組成。 （1）機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)是完成(wn chng)抓取工件（或工具）實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，包括以下幾個(gè)部分： 手部：是工業(yè)機(jī)器人直接與工件或工具接觸用來(lái)完成握持工件（或工具）的部件。有些工業(yè)機(jī)器人直接將工具（如焊槍、噴槍、容器）裝在手部位置，而不再設(shè)置手部。 腕部：是聯(lián)接手部與臂部的部件，主要用來(lái)確定手部工作方位、姿態(tài)并適當(dāng)擴(kuò)大臀部動(dòng)作范圍。 臂部：是支承腕部、手部、實(shí)現(xiàn)較大范圍運(yùn)動(dòng)的部件。 機(jī)身：是用來(lái)支承臂部、安

8、裝驅(qū)動(dòng)裝置及其它裝置的部件。 行走機(jī)構(gòu)：是擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人活動(dòng)范圍的機(jī)構(gòu)，有的是專門的行走裝置，有的是軌道，滾輪機(jī)構(gòu)。14共三十三頁(yè) （2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用是向執(zhí)行元件提供動(dòng)力。隨驅(qū)動(dòng)源不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式有液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式四種。 （3）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的指揮系統(tǒng)。它控制工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)?？捎洃浉鞣N指令信息（如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間等），同時(shí)按指令信息向各執(zhí)行元件發(fā)出指令。必要時(shí)還可對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出警報(bào)信號(hào)。 （4）檢測(cè)傳感系統(tǒng)。它主要檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位置(wi zhi)、狀態(tài)，并隨時(shí)將執(zhí)

9、行系統(tǒng)的實(shí)際位置(wi zhi)反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置(wi zhi)進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置(wi zhi)狀態(tài)。 （5）人工智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要賦予工業(yè)機(jī)器人五感功能，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)工件的自動(dòng)識(shí)別和適應(yīng)性操作。15共三十三頁(yè) 2.工業(yè)機(jī)器 人的分類（a）直角坐標(biāo)(zh jio zu bio)型（b）圓柱坐標(biāo)型（c）極坐標(biāo)型（d）SCARA型（e）多關(guān)節(jié)型16共三十三頁(yè) 二、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成實(shí)例分析 1SCARA型機(jī)器人（即裝配機(jī)器人）(Selective Compliance Assembly Robot Arm) 具有選擇順應(yīng)性

10、的裝配機(jī)器人手臂 這種機(jī)器人在 水平方向具有順應(yīng) 性，而在垂直方向 則具有很大的剛性， 最適合于裝配作業(yè) 使用(shyng)。它有大臂回 轉(zhuǎn)、小臂回轉(zhuǎn)、腕 部升降與回轉(zhuǎn)四個(gè) 自由度。17共三十三頁(yè)裝配40火花(huhu)式電雷管 18共三十三頁(yè)機(jī)器人完成的工作是：將導(dǎo)電帽彈簧(tnhung)組合件裝在雷管體上；將小螺釘擰到雷管體上，把導(dǎo)電帽、彈簧組合件和雷管體聯(lián)成一體；檢測(cè)雷管體外徑、總高度及雷管體與導(dǎo)電帽之間是否短路。裝配前雷管體倒立在10行X10列的料盤5上，彈簧與導(dǎo)電帽的組合件插放在另一個(gè)10行X10列的料盤6上，小螺釘散放在振動(dòng)料斗8中，裝配好的成品放在 10行X10列料盤 7上。機(jī)器

11、人在裝配點(diǎn)的重復(fù)定位精度可達(dá)上0.05mm，電雷管重約100g，一次裝配過(guò)程約需20s 。19共三十三頁(yè)（1）總體(zngt)結(jié)構(gòu) 20共三十三頁(yè)（2）驅(qū)動(dòng)(q dn)系統(tǒng)。 21共三十三頁(yè)（3）控制(kngzh)、檢測(cè)傳感系統(tǒng) 22共三十三頁(yè)（4）微機(jī)(wi j)組成。 主控制器CMC80微型計(jì)算機(jī)23共三十三頁(yè) 2BJDP1型機(jī)器人 該機(jī)器人為全電動(dòng)式、五自由度、具有連續(xù)軌跡控制等功能(gngnng)的多關(guān)節(jié)型示教再現(xiàn)型機(jī)器人，用于高噪聲、高粉塵等惡劣環(huán)境的噴砂作業(yè)。24共三十三頁(yè)（1）機(jī)器人本體(bnt)五個(gè)自由度立柱回轉(zhuǎn)（L）大臂回轉(zhuǎn)（D）小臂回轉(zhuǎn)（X）腕部俯仰（W1）腕部轉(zhuǎn)動(dòng)（W2）

12、25共三十三頁(yè) （2）控制（驅(qū)動(dòng)(q dn)與檢測(cè)）系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)接口電路速度控制單元位置檢測(cè)電路示教盒26共三十三頁(yè)（3）機(jī)器人規(guī)格(gug)參數(shù) 27共三十三頁(yè)（4）控制算法簡(jiǎn)介關(guān)節(jié)坐標(biāo)到直角坐標(biāo)(zh jio zu bio)的正變換 28共三十三頁(yè) x(-LSSACB+ L4CAL3C3+L2S2)C1+L5S1SB y(-LSSACB+L4CA+L3C3+L2S2)S1-L5C1SB z-L5CACB-L4SA-L3S3+ L2C2 A3+4 B4-5式中 Ci=cosi，Si=sini（i=1,5,A,B） Li（i=2,5）各臂桿長(zhǎng)度(chngd)29共三十三頁(yè) 直線插補(bǔ) 運(yùn)動(dòng)增量 位置(wi zhi)與增量的逆變換數(shù)字PID 30共三十三頁(yè)31共三十三頁(yè)32共三十三頁(yè)內(nèi)容摘要第八章 典型機(jī)電一體化系統(tǒng)。能夠自動(dòng)更換刀具的。CNC機(jī)床（或加工中心）加工時(shí)需要考慮的問(wèn)題。（1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床在移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。（2）點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床可以沿一個(gè)坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行切削加工。簡(jiǎn)易數(shù)控車床、數(shù)控