第六章典型機電一體化技術應用實例介紹機電一體化產(chǎn)品分系統(tǒng)(整機)和基礎元、部件兩大類。典型的機電一體化系統(tǒng)有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)立體化車庫等。典型的機電一體化元、部件有：電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構等。機電一體化產(chǎn)品簡介機器人技術機械滾齒機YG3612數(shù)控改造方案分析立體化車庫本章主要內(nèi)容機器人技術簡介與目前發(fā)展情況機器人的定義、分類機器人的組成與結構機器人的應用與發(fā)展展望直角坐標機器人及其應用與設計6.1機器人技術知識要點：重點內(nèi)容：

機器人的組成與結構；

直角坐標機器人特點、設計方法、設計步驟。了解：

機器人技術與目前發(fā)展情況；

機器人的定義、分類；機器人的應用與發(fā)展展望；

直角坐標機器人定義、分類及其應用。技術簡介1）東漢、張衡發(fā)明的指南車；2）1920捷克劇作家KarelCapek首次提出Robota一詞；3）1954美國人設計了第一臺電子可編程機器人；4）1962美國GM公司使用全球第一臺機器人Unimate

；5）1970機器人研究得到迅速廣泛普及，為工業(yè)部門接受；6）20世紀機器人系列產(chǎn)品形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。機器人技術簡介與目前發(fā)展情況機器人系統(tǒng)示意圖目前發(fā)展情況1）日本成為機器人生產(chǎn)大國，美國為研究大國；2）機器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展；3）應用范圍遍及各領域；4）機器人學興起；5）機器人向智能化發(fā)展。工業(yè)機器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機器人王國”的美稱。美國機器人協(xié)會（RIA）定義日本機器人協(xié)會（JIRA）定義中國機器人定義國際標準化組織（ISO）定義共同屬性：1.象人或人的一部分，并模仿人的動作；

2.具有智能或感覺與識別能力；

3.是人制造的機器或機械電子裝置。6.1.1機器人的定義、分類機器人的定義機器人的分類球面坐標機器人關節(jié)炎坐標機器人146.1.2機器人的組成與結構機器人系統(tǒng)由機械部分（操作機）、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)及檢測裝置構成結構如下圖。工業(yè)機器人的典型結構操作機機器人的機械本體，是機器人賴以完成作業(yè)任務的執(zhí)行機構。作用：利用轉(zhuǎn)動或/和移動關節(jié)將機座、機身、大臂、小臂

、腕部和執(zhí)行機構等部件聯(lián)接而成的多自由度開式空間運動機構。驅(qū)動系統(tǒng)機器人的動力系統(tǒng)，一般由驅(qū)動裝置和傳動機構兩部分組成。作用：按照控制系統(tǒng)的指令為機器人各運動部件提供力、力矩、速度、加速度，驅(qū)動執(zhí)行機構完成規(guī)定的作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)機器人的大腦和心臟。作用：處理作業(yè)指令信息和反饋的內(nèi)外部環(huán)境信息，并依據(jù)預定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應的控制信號。檢測裝置機器人的感測系統(tǒng)。作用：通過多種傳感器，檢測機器人的運動位置、工作狀態(tài)，運動部件的位移、速度和加速度以及外部環(huán)境信息等，并反饋給控制系統(tǒng)。機械加工領域農(nóng)業(yè)領域水下領域空間探索與資源開發(fā)領域軍事、安全、醫(yī)療、家用、娛樂領域6.1.3機器人的應用與發(fā)展展望機器人的應用領域特征說明機械加工領域、農(nóng)業(yè)領域指能在人類工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中代替人的工作,從事生產(chǎn)制造的機器人，要求它能更完美的在人類生產(chǎn)中與人共處。水下領域在水下作業(yè)的機器人，具有足夠的抗壓能力和密封性能，可實現(xiàn)有人或無人操作?？臻g探索與資源開發(fā)領域用于空間作業(yè)的機器人，具有功率重量比大，能在失重狀態(tài)下代替人完成任務。軍用領域

滿足各種國防和軍事用途的機器人，一般要求它具有遙控、多操作、移動、感知和較高的智能。醫(yī)療領域 能完成各種醫(yī)療操作和康復治療的機器人，具有高可靠性、無污染操作等特點。機械加工領域弧焊機器人點焊機器人鉚接機器人

毛刺清理機器人

機器人裝配生產(chǎn)線農(nóng)業(yè)領域農(nóng)用采摘機器人除草機器人水下領域水下機器人空間探索與資源開發(fā)領域Rocky7(美國噴氣動力實驗室)

(其簡化型號“索杰納”曾于1997年成功登陸火星軍事、安全、醫(yī)療、家用、娛樂領域

美軍SWORDS戰(zhàn)斗機器人

掃雷輪式移動機器人無人移動偵察車31導盲機器人32足球機器人33靈巧手34電子寵物

模塊化、可重構化仿生化、擬人化微型機器人智能機器人機器人的發(fā)展展望“創(chuàng)意之星”模塊化機器人機器狗

KOBIAN機器人動脈微型機器人sleepwalking智能機器人直角坐標機器人簡介：直角坐標機器人，是一種具有多自由度、能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復編程的多用途操作機，以其特有的優(yōu)點在各行各業(yè)中被越來越多地應用。6.1.4直角坐標機器人及其應用與設計直角坐標機器人結構圖主要組成：直線運動單元電動機驅(qū)動系統(tǒng)控制器末端操作裝置四部分構成直角坐標機器人直角坐標機器人按用途分焊接機器人碼垛機器人涂膠機器人檢測機器人分揀機器人裝配機器人排爆機器人醫(yī)療機器人特種機器人按結構形式分壁掛機器人龍門機器人倒掛機器人按自由度分兩坐標機器人三坐標機器人四坐標機器人六坐標機器人五坐標機器人直角坐標機器人的分類直角坐標機器人的主要特點多自由度可擴展性好行程大負載大動態(tài)特性強、工作效率高精度高能完成非常復雜軌跡的工作簡單、經(jīng)濟靈活、適應性好直角坐標機器人的應用直角坐標機器人以其特有的一些優(yōu)點在西方國家被廣泛用來執(zhí)行焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、涂膠和切割等一系列工作。深受包裝機械、印刷機械、汽車工業(yè)、食品生產(chǎn)工業(yè)、藥品生產(chǎn)工業(yè)、電子工業(yè)、機器制造業(yè)和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)的好評。

隨著自動化程度、環(huán)保要求、衛(wèi)生規(guī)定、生產(chǎn)效率和人工費用的提高,直角坐標機器人在中國也必將被各行各業(yè)廣泛采用。需求分析

運動軌跡規(guī)劃及運動性能計算

力學特性分析和運動軸結構形式

機械強度分析

電動機驅(qū)動系統(tǒng)選擇

機械結構的工程設計與分析

設備壽命校核

控制系統(tǒng)選擇

選擇末端操作裝置

程序編寫

編制技術報告和操作使用說明書

機器人結構形式選擇與設計

直角坐標機器人設計方法設計流程：

需求分析包括：1）機器人的工作流程及工作周期；2）在一個工作周期內(nèi)，可能分解成的子運動及其時間；3）機器人的運動軌跡及動作之間的關聯(lián)，運動和取抓過程中與其它設備的同步/握手要求；4）運動的自由度數(shù)量—運動軸的數(shù)量，各運動軸的有效運動長度、允許的最大運行速度及加減速度特性；5）負載大小及負載特性；6）機器人的定位精度、重復定位精度；7）機器人的工作環(huán)境及工作周圍空間上的限制；8）機器人的安裝方式、運行工作制與運行壽命；9）其他特殊要求，如使用環(huán)境有粉末、高溫、水和濕度等特殊防護要求。機器人結構形式選擇與設計1）選擇合適的機械結構；2）確定運動軸數(shù)量及其運動行程與各軸長度；3）確定負載的運動位置精度；4）設計各軸間的連接板；5）設計支架；6）直角坐標機器人的安裝要求。運動軌跡規(guī)劃及運動性能計算1）進行運動規(guī)劃需考慮；2）給出各段運動的速度、加速度和減速度；3）運動性能計算。力學特性分析和運動軸結構形式1）根據(jù)上述運動規(guī)劃得到的各軸的最大加速度和減速度，計算多軸聯(lián)動所產(chǎn)生的合成最大減速度；2）最大沖擊力水平推力Fx、正壓力Fy和側(cè)壓力Fz及產(chǎn)生的最大扭轉(zhuǎn)力矩Mx、My和Mz；3）根據(jù)計算結果選擇各個運動軸的結構形式和型號。

機械強度分析1）撓度變形計算；2）扭轉(zhuǎn)變形問題。電動機驅(qū)動系統(tǒng)選擇1）根據(jù)機器人的快速行程速度選擇電動機；2）慣量匹配問題及負載慣量計算；3）電動機加速或減速時的轉(zhuǎn)矩；4）負載轉(zhuǎn)矩匹配及計算；5）連續(xù)過載時間；6）工作狀態(tài)載荷轉(zhuǎn)矩；7）電動機轉(zhuǎn)矩均方根值。機械結構的工程設計與分析

采用ProE或UG等3D計算機輔助設計軟件進行直角坐標機器人機械結構、零部件設計，形成工程圖，并繪制機器人的3D圖，進行位置干涉和運動干涉分析，以保證機器人的結構、運動合理，不存在干涉。設備壽命校核

機器人的運行壽命與運行速度、負載大小、結構形式、工作環(huán)境、工作制等有關?？刂葡到y(tǒng)選擇

根據(jù)要求的不同，機器人可選擇不同的控制系統(tǒng)，如PLC控制器、工業(yè)運動控制卡、數(shù)控系統(tǒng)(CNC)、專用控制器、ARM控制器等。末端操作裝置

可選氣動吸盤、氣動夾取手爪、電動夾取手爪、電磁吸取手爪以及焊槍、膠槍、專用工具和檢測儀器等。程序編寫

滿足并發(fā)、實時、可視化圖形界面、操作便捷以及可擴展性和可移植性好的要求，開發(fā)機器人控制系統(tǒng)的程序。編制技術報告和操作使用說明書

編制機器人的技術報告、用戶使用及維護的相關說明書及手冊。某大學仿真中心，擬采用直角坐標機器人模擬導彈跟蹤實驗，其主要技術要求：負載7kg；2軸（x、z軸），立式龍門結構；x軸和z軸行程分別為4000mm、3000mm；最大速度2m/s,最大加速度12m/s2；重復定位精度為±1mm。直角坐標機器人設計舉例解決方案：1.導彈模擬跟蹤直角坐標機器人采用雙x軸、單z軸的兩維立式龍門結構；2.雙x軸由一臺伺服電動機，利用傳動桿實現(xiàn)兩軸同步；3.z軸由一臺伺服電動機作驅(qū)動。負載為固定在z軸滑塊上的“導引頭”。導彈模擬跟蹤直角坐標機器人結構計算步驟：1）計算驅(qū)動軸輸入轉(zhuǎn)速2）計算推力及驅(qū)動扭矩基于上述計算，選擇導彈模擬跟蹤直角坐標機器人配置（1）上位控制系統(tǒng)；（2）驅(qū)動部分；（3）傳動系統(tǒng)；（4）執(zhí)行機構；（5）安全防護裝置。滾齒加工機械滾齒機改造方案6.2機械滾齒機YG3612數(shù)控改造方案分析知識要點：重點內(nèi)容：滾齒機三種改造方案；

各個方案的優(yōu)缺點。了解：滾齒加工方法、原理；滾齒加工中存在的問題。齒輪加工簡介1）古代木料制造或金屬鑄造齒輪；2）工業(yè)革命后，齒輪應用日益廣泛，由擺線齒輪到漸開線齒輪；3）19世紀出現(xiàn)的滾齒機、插齒機，展成法得到普及。滾齒加工89101112Σ1234567131415PxuvusuyuxS1S2滾齒機傳動原理圖滾齒加工原理滾齒機加工三個基本運動主切削運動；展成分齒運動；滾刀的軸向進給運動。滾齒機加工附加運動把主切削運動和滾刀的軸向進給運動合到一起機械式滾齒機存在的問題傳動元件多；精度要求高；機械結構復雜；安裝調(diào)整困難；制造誤差、裝配誤差。機械式滾齒機改造問題由于機械式滾齒機存在的問題，造成加工誤差；微電子技術的飛速發(fā)展使機械式滾齒機改造為數(shù)控式成為可能；采用開放式運動控制器改造機械式滾齒機。三種改造方案進給軸數(shù)控的滾齒方案；工件軸數(shù)控的滾齒方案；工件C軸、進給Z軸、X軸分別數(shù)控，滾刀軸B采用變頻驅(qū)動的方案。采用開放式運動控制器的機械滾齒機改造方案方案一、進給軸數(shù)控的滾齒方案進給軸數(shù)控的滾齒機傳動鏈示意圖進給軸數(shù)控的滾齒方案優(yōu)點開放式運動控制器實現(xiàn)簡單；機床調(diào)整起來比機械式滾齒機方便得多；除普通齒輪外還可加工多種特殊齒輪。進給軸數(shù)控的滾齒方案不足精度難以進一步提高；機械系統(tǒng)結構仍然很復雜。方案二、工件軸數(shù)控的滾齒方案滾齒機傳動系統(tǒng)圖工件軸數(shù)控的滾齒方案優(yōu)點簡化了機床的機械結構，方便調(diào)整；避免原機械傳動鏈引起的傳動誤差；對原機械滾齒機的改動較少，投入少。工件軸數(shù)控的滾齒方案不足對運動控制器的實時控制要求較高，控制軟件編程難度大。方案三、工件C軸、進給Z軸、X軸分別數(shù)控，滾刀軸B采用變頻驅(qū)動的方案改造后的機床硬件結構簡圖減少傳動誤差；提高系統(tǒng)的動、靜態(tài)剛度；減少了機床調(diào)整時間；提高生產(chǎn)效率。硬件改造方案優(yōu)點系統(tǒng)初始化模塊；運動控制器參數(shù)設置模塊；工藝參數(shù)設置模塊；系統(tǒng)診斷模塊；各軸坐標位置、工作狀態(tài)實時顯示模塊；各軸定時中斷采樣、處理模塊；主控模塊。上級機滾齒系統(tǒng)軟件的開發(fā)系統(tǒng)初始化工藝參數(shù)修改工藝數(shù)據(jù)庫主控模塊實時中斷控制各軸坐標位置、工作狀態(tài)實時顯示控制器參數(shù)設置指令隊列各軸位置采集程序開始運動控制器系統(tǒng)診斷各模塊之間的相互關系框圖系統(tǒng)軟件的開發(fā)方案各模塊之間的相互關系系統(tǒng)控制軟件優(yōu)點操作簡單，修改方便運算能力強大、處理速度極高良好的實時控制和I/O操作功能系統(tǒng)控制軟件界面圖YG3612型滾齒機數(shù)控改造結果圖和加工零件照片數(shù)控改造后的YG3612滾齒機數(shù)控改造后的YG3612滾齒機改造結果圖改造后滾齒機加工的模數(shù)1、齒數(shù)4、螺旋角23o5’的沖擊鉆齒輪軸圖加工零件圖改造后滾齒機加工的模數(shù)1、齒數(shù)4、螺旋角20o的手電鉆齒輪軸與相嚙合的標準41齒斜齒輪在雙嚙儀上滾檢結果圖機械式立體車庫的主要類型、基本參數(shù)升降橫移機械式停車庫循環(huán)式停車庫平面移動式機械停車庫巷道堆垛機械式停車庫垂直升降機械化式停車庫6.3立體化車庫知識要點：重點內(nèi)容：機械式立體車庫的主要類型、基本參數(shù)；

各類型立體車庫的組成及特點；

各類型立體車庫的使用范圍。了解：立體化車庫及其特點；立體化車庫與普通停車場的區(qū)別；立體化車庫發(fā)展趨勢。立體化車庫簡介

隨著城市現(xiàn)代化建設的不斷發(fā)展,城市用地日趨緊張,中小型汽車的數(shù)量猛增，因此，立體化車庫的建設勢在必行。根據(jù)具體情況有效地建設和使用地下停車場，以便進一步解決停車難問題已成為現(xiàn)今的城市規(guī)劃與建設應當考慮的重要因素。立體化車庫特點1）解決大城市“行車難，停車更難”的問題；2）是一種集自動化、機器人、計算機等高新技術為一體的智能化、立體化的物流儲運系統(tǒng)，能夠自動而可靠地完成車輛的存取、信息管理；3）特點：占地面積小，空間利用率高，操作自動化，效率高，簡單、靈活、安全可靠，經(jīng)濟性好。普通停車場與立體化車庫的區(qū)別：被汽車“占領”的城市智能化多出入口塔式立體車庫機械式立體車庫的主要類型垂直循環(huán)式多層循環(huán)式水平循環(huán)式升降導軌式電梯提升式組合式巷道堆垛式6.3.1機械式立體車庫的主要類型、基本參數(shù)典型機械式立體車庫的技術性能類型技術性能垂直循環(huán)式采用垂直方向做循環(huán)運動的停車系統(tǒng)存取車輛多層循環(huán)式通過載車板作上下循環(huán)運動，實現(xiàn)車輛多層存放水平循環(huán)式采用狹長外形的兩層停車結構，以提高狹長地段的土地利用率升降橫移式以載車板升降或橫移達到存取車輛的目的，該型車庫對停車場地的適應性較強，應用較普遍升降導軌式可沿軌道水平移動的升降裝置處于車庫的中間，在兩側(cè)沿水平方向設置多層停車位電梯提升式車庫中間是各升降機垂直運送汽車的通道，兩側(cè)是沿垂直方向設置的停車車位組合式有兩層升降式、兩層或三層升降橫移式等形式，適用于地下停車場或露天停車場巷道堆垛式采用巷道堆垛機或橋式起重機將車輛水平且垂直移動到存車位，并用存取機構存取車輛立體車庫常用基本參數(shù)適停車輛尺寸及質(zhì)量機械立體車庫的存容量單車最大進（出）時間差適停車輛尺寸及質(zhì)量

按適停機械式停車庫的車輛尺寸及質(zhì)量（整車加50kg物品的質(zhì)量），分為X（?。（中）、D（大）、T（特大）、C（超大）五個轎車組和一個K（客車）客車組單車最大進（出）時間差行業(yè)標準中對單車最大進（出）時間規(guī)定：1)升降橫移類，取35～170S；2)垂直循環(huán)類，對存容量≤10輛的小型循環(huán)式停車設備，取≤90S，而對存容量為10～50輛的中、大型循環(huán)式停車設備，取≤180S；3)垂直升降類，取45～210S；4)簡易升降類，取30～110S。主要組成鋼結構托盤或載車板傳動系統(tǒng)控制系統(tǒng)安全防護裝置升降橫移機械停車庫6.3.2升降橫移機械式停車庫升降橫移機械停車庫運行原理圖升降橫移機械式停車庫運行原理圖中2號、5號和8號車位可直接橫移存取車，10號、11號車位分別下降、上升后存取車；1號、4號、7號和10號車位，通過2號、5號和8號車位的橫