《機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)》 課件 第7章 典型機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)分析

第7章典型機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)分析7.1了解數(shù)控機(jī)床7.2了解工業(yè)機(jī)器人7.3了解汽車(chē)ABS系統(tǒng)7.4了解汽車(chē)自動(dòng)變速器7.5柔性制造系統(tǒng)簡(jiǎn)介知識(shí)目標(biāo)：能力目標(biāo)：(1)?了解典型的機(jī)電一體化設(shè)備或產(chǎn)品的基本工作原理；(2)?了解機(jī)電一體化技術(shù)在典型產(chǎn)品中的作用；(3)?理解機(jī)電一體化系統(tǒng)組成要素的作用。(1)?能識(shí)別出機(jī)電一體化設(shè)備或產(chǎn)品，區(qū)分出其系統(tǒng)組成要素；(2)?能分析出相關(guān)技術(shù)在機(jī)電一體化設(shè)備或產(chǎn)品中的作用；(3)?會(huì)簡(jiǎn)單分析機(jī)電一體化設(shè)備或產(chǎn)品的工作過(guò)程。案例導(dǎo)入：

各種復(fù)雜零件不斷涌現(xiàn)(如圖7-1所示)，伴隨而生的是對(duì)各種新型材料、加工方法、工藝的要求不斷提高，而傳統(tǒng)的加工設(shè)備已無(wú)法滿足這些構(gòu)件的加工需求，故數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了。7.1了解數(shù)控機(jī)床（1）數(shù)控技術(shù)：即NC(NumericalControl)技術(shù)，是指用數(shù)字化信息(數(shù)字量及字符)發(fā)出指令并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)。1.?數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及其基本原理1)?數(shù)控機(jī)床的發(fā)展1952年，麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)明了是世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。（2）數(shù)控機(jī)床發(fā)展方向

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正在向高速度、高精度、高可靠性、高一體化、網(wǎng)絡(luò)和智能化等方向發(fā)展。

從數(shù)控機(jī)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車(chē)間獨(dú)立制造島)、體(CIMS，即分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展。2)?數(shù)控機(jī)床的基本原理

數(shù)控機(jī)床(NumericalControlMachineTools)：是指采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床加工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的一類(lèi)機(jī)床。

簡(jiǎn)而言之，數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。2.?數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成

數(shù)控機(jī)床的原理框圖如圖7-3所示，實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。

從上述圖示可見(jiàn)，數(shù)控機(jī)床的基本組成部分有：機(jī)床本體、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置、輔助控制裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置等。1)?機(jī)床本體

主要由主軸傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床身、工作臺(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。機(jī)床本體2)?輸入/輸出裝置

輸入裝置的作用是將程序載體(信息載體)上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。輸入裝置可以是面板鍵盤(pán)等。

數(shù)控機(jī)床加工程序可通過(guò)鍵盤(pán)用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)，也可由編程計(jì)算機(jī)串行口或網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。3)?驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行和位置檢測(cè)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件，以加工出符合設(shè)計(jì)要求的零件。

驅(qū)動(dòng)裝置包括控制器(含功率放大器)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

位置檢測(cè)裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來(lái)的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動(dòng)裝置按照指令設(shè)定值運(yùn)動(dòng)。編碼器4)?輔助控制裝置

輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開(kāi)關(guān)量指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、邏輯判別和運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器，帶動(dòng)機(jī)床的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等輔助裝置完成指令規(guī)定的開(kāi)關(guān)量動(dòng)作。

可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置中。5)?計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置

數(shù)控裝置又稱(chēng)CNC單元，由信息的輸入、處理和輸出三個(gè)部分組成，是數(shù)控機(jī)床的核心。

數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲(chǔ)器中取出或接收輸入裝置送來(lái)的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算、譯碼、插補(bǔ)、邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機(jī)床各部分的工作，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。(1)?什么是“插補(bǔ)”。

插補(bǔ):就是在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化。(2)?程序編制及程序載體。

①數(shù)控程序

數(shù)控程序：是數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工零件的工作指令。

編制程序的工作可由人工進(jìn)行；對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，則要在專(zhuān)用的編程機(jī)或通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)編程(APT)或CAD/CAM設(shè)計(jì)。②程序載體

編好的數(shù)控程序存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲(chǔ)載體上，它可以是磁盤(pán)、U盤(pán)等，采用哪一種存儲(chǔ)載體，取決于數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)類(lèi)型。

圖7-5所示為數(shù)控機(jī)床各組成部分工作示意圖，從圖中可以清晰地了解數(shù)控機(jī)床的工作原理。案例導(dǎo)入：

不知疲倦的汽車(chē)裝配機(jī)器人就是工業(yè)機(jī)器人的一種。那么，什么是工業(yè)機(jī)器人呢？它是不是符合機(jī)電一體化設(shè)備的特征呢？1.?什么是工業(yè)機(jī)器人1)?機(jī)器人定義

機(jī)器人：“一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)。”2)機(jī)器人分類(lèi)

機(jī)器人分為兩大類(lèi)，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人。

特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的，用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類(lèi)的各種先進(jìn)機(jī)器人。包括服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器。7.2了解工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人特種機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人水下機(jī)器人娛樂(lè)機(jī)器人軍用機(jī)器人農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)器人化機(jī)器2)機(jī)器人分類(lèi)3)?工業(yè)機(jī)器人定義

工業(yè)機(jī)器人定義：就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。

工業(yè)機(jī)器人按程序輸入方式區(qū)分為編程輸入型和示教輸入型兩類(lèi)。

示教輸入型機(jī)器人的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動(dòng)控制器。另一種是由操作者直接引導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.?工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)

工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)方法很多，按結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)形式可分為以下幾類(lèi)：1)?直角坐標(biāo)機(jī)器人

直角坐標(biāo)機(jī)器人在空間上具有多個(gè)相互垂直的移動(dòng)軸，常用的是3個(gè)軸。2)?柱面坐標(biāo)機(jī)器人

柱面坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間位置是由基座回轉(zhuǎn)、水平移動(dòng)和豎直移動(dòng)形成的，其作業(yè)空間呈圓柱體，如圖7-12所示。3)?球面坐標(biāo)機(jī)器人

球面坐標(biāo)機(jī)器人的空間位置機(jī)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)基座、擺動(dòng)軸和平移軸構(gòu)成，具有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和1個(gè)移動(dòng)自由度，其作業(yè)空間是球面的一部分，如圖7-13所示。4)?多關(guān)節(jié)型機(jī)器人

多關(guān)節(jié)型機(jī)器人由多個(gè)回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)(或移動(dòng))機(jī)構(gòu)組成。按旋轉(zhuǎn)方向可分為水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人和垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人。(1)?水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人

這類(lèi)機(jī)器人是由多個(gè)豎直回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成的，沒(méi)有擺動(dòng)或平移，手臂均在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，其作業(yè)空間為圓柱體，如圖7-14所示。(2)垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人

這類(lèi)機(jī)器人是由多個(gè)擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成的，其作業(yè)空間近似一個(gè)球體，如圖7-15所示。5)?并聯(lián)型機(jī)器人

并聯(lián)型機(jī)器人的基座和末端執(zhí)行器之間通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，如圖7-16所示。并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的自由度，且是一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。

相對(duì)于并聯(lián)型機(jī)器人而言，只有一條運(yùn)動(dòng)鏈的機(jī)器人稱(chēng)為串聯(lián)機(jī)器人。3.?工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成

工業(yè)機(jī)器人一般由主體(手臂、手腕等)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制器及傳感器等組成，如圖7-17所示。（1）機(jī)器人手臂：機(jī)械本體（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件提供力、力矩、速度、加速度。（3）控制器：用于控制機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度和加速度。（4）傳感器：用于識(shí)別外部環(huán)境，并將傳感信號(hào)輸入控制器，作為控制器的控制依據(jù)。案例導(dǎo)入：

沒(méi)有ABS系統(tǒng)的車(chē)輛，緊急制動(dòng)時(shí)由于前輪被抱死無(wú)法正常轉(zhuǎn)向，會(huì)直直地沖向障礙物。而有ABS系統(tǒng)的車(chē)輛，在緊急制動(dòng)時(shí)，可靈活地轉(zhuǎn)向，這樣就避開(kāi)了障礙物。7.3了解汽車(chē)ABS系統(tǒng)1.?ABS系統(tǒng)的工作原理ABS(Anti-lockBrakingSystem)系統(tǒng)在車(chē)輛上的安裝位置如圖7-19所示。ABS系統(tǒng)的原理構(gòu)成如圖7-20所示。ABS系統(tǒng)按上述“壓力降低-壓力保持-壓力上升-壓力保持-壓力下降”循環(huán)反復(fù)將車(chē)輪滑移率控制在Sp附近的狹小范圍內(nèi)，以獲得最佳的制動(dòng)效能和制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)向操縱能力。(1)?常規(guī)制動(dòng)。

如圖7-20所示，踩下制動(dòng)踏板，ABS尚未工作時(shí)，兩電磁閥均不通電，進(jìn)油電磁閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，出油電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，制動(dòng)輪缸與低壓儲(chǔ)液器隔離，與主缸相通。制動(dòng)主缸里的制動(dòng)液被推入輪缸產(chǎn)生制動(dòng)。(2)?壓力保持。

如圖7-20所示，當(dāng)ABS的ECU通過(guò)輪速傳感器檢測(cè)到車(chē)輪的減速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，使進(jìn)油電磁閥通電關(guān)閉，出油電磁閥仍處于斷電關(guān)閉狀態(tài)，輪缸里的制動(dòng)液處于不流通狀態(tài)，制動(dòng)壓力保持。(3)?壓力減小。

如圖7-20所示，當(dāng)ABS的ECU通過(guò)輪速傳感器檢測(cè)到車(chē)輪趨于抱死時(shí)，進(jìn)、出油電磁閥均通電，輪缸與低壓儲(chǔ)液器相通，輪缸里的制動(dòng)液在制動(dòng)蹄復(fù)位彈簧作用下流到低壓儲(chǔ)液器，制動(dòng)壓力減小。同時(shí)電動(dòng)回油泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)及時(shí)將制動(dòng)液泵回主缸，踏板有回彈感。當(dāng)制動(dòng)壓力減小到車(chē)輪的滑移率在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)油閥通電，出油閥斷電，壓力保持。(4)?壓力增高。

如圖7-20所示，當(dāng)ABS的ECU通過(guò)輪速傳感器檢測(cè)到車(chē)輪的加速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)、出電磁閥均斷電，進(jìn)油閥開(kāi)啟，出油閥關(guān)閉，同時(shí)回油泵通電，將低壓儲(chǔ)液器的制動(dòng)液泵到輪缸，制動(dòng)壓力增加。2.?ABS系統(tǒng)的構(gòu)成1)?ABS系統(tǒng)的構(gòu)成ABS的主要元件如圖7-21所示。ABS的主要組成部分如下：(1)?常規(guī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)。(2)?輪速傳感器。(3)?電子控制單元(ECU)。(4)?制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器。(5)?警告燈。2)?電子控制單元(ECU)（1）ABS電子控制單元(ECU)功用：是接受輪速傳感器及其它傳感器輸入的信號(hào)，進(jìn)行放大、計(jì)算、比較，按照特定的控制邏輯，分析判斷后輸出控制指令，控制制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器執(zhí)行壓力調(diào)節(jié)任務(wù)。（2）ABS的ECU主要包括：輸入級(jí)電路、計(jì)算電路、輸出級(jí)電路及安全保護(hù)電路。ABSECU案例導(dǎo)入：

汽車(chē)變速器是一套用于協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和車(chē)輪的實(shí)際行駛速度的變速裝置，用于發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能。

汽車(chē)變速器可分為手動(dòng)變速器(俗稱(chēng)手動(dòng)擋)和自動(dòng)變速器(俗稱(chēng)自動(dòng)擋)。

圖7-22所示為不同類(lèi)型的變速器操縱裝置。1.?自動(dòng)變速器基本原理（1）自動(dòng)變速器種類(lèi)目前，汽車(chē)自動(dòng)變速器常見(jiàn)的主要有4種形式，分別是：

①

液力自動(dòng)變速器(AT)。

②

機(jī)械無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器(CVT)。

③

電控機(jī)械自動(dòng)變速器(AMT)。

④

雙離合器自動(dòng)變速器(DualClutchTransmission，DCT)。7.4了解汽車(chē)自動(dòng)變速器（2）液力自動(dòng)變速器的工作位置

目前轎車(chē)普遍使用的是液力自動(dòng)變速器AT(圖7-23所示為其工作位置)。（3）液力自動(dòng)變速器工作原理

電控液力自動(dòng)變速器是在液力自動(dòng)變速器基礎(chǔ)上增設(shè)電子控制系統(tǒng)而形成的。電控單元根據(jù)信號(hào)，通過(guò)電磁閥控制液壓控制系統(tǒng)的換擋閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速。2.?液力自動(dòng)變速器的主要構(gòu)成

液力自動(dòng)變速器主要由液力變矩器、行星齒輪和液壓(電氣)操縱系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖7-25所示。1)?液力變矩器

液力變矩器位于自動(dòng)變速器的最前端，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪上，其作用與采用手動(dòng)變速器的汽車(chē)中的離合器相似。液力變矩器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖7-26所示。2)?變速齒輪機(jī)構(gòu)(行星齒輪)

目前絕大多數(shù)轎車(chē)自動(dòng)變速器中的齒輪變速器采用的是行星齒輪式變速器，如圖7-25所示。

自動(dòng)變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)是自動(dòng)變速器的重要組成部分之一，主要由太陽(yáng)輪(也稱(chēng)中心輪)、內(nèi)齒圈、行星架和行星齒輪等元件組成。行星齒輪機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)變速的機(jī)構(gòu)，速比的改變是通過(guò)以不同的元件作主動(dòng)件和限制不同元件的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。3)?液壓操縱系統(tǒng)(1)?供油系統(tǒng)。

自動(dòng)變速器的供油系統(tǒng)主要由油泵、油箱、濾清器、調(diào)壓閥及管道組成。(2)?自動(dòng)換擋控制系統(tǒng)。

自動(dòng)變速器的自動(dòng)換擋控制系統(tǒng)有液壓控制和電液壓(電子)控制兩種。

液壓控制系統(tǒng)由閥體和各種控制閥及油路組成，閥門(mén)和油路設(shè)置在一個(gè)板塊內(nèi)，稱(chēng)為閥體總成。

在液壓控制系統(tǒng)中，增設(shè)控制某些液壓油路的電磁閥，就成了電器控制的換擋控制系統(tǒng)，若這些電磁閥是由電子計(jì)算機(jī)控制的，則成為電子控制的換擋系統(tǒng)。(3)?換擋操縱機(jī)構(gòu)。

自動(dòng)變速器的換擋操縱機(jī)構(gòu)包括手動(dòng)選擇閥的操縱機(jī)構(gòu)和節(jié)氣閥的操縱機(jī)構(gòu)等。案例導(dǎo)入：

為了同時(shí)提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，最終使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)相抗衡，柔性制造技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。1.?柔性制造技術(shù)1)?柔性制造技術(shù)的定義

（1）柔性：是指一個(gè)制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力。（2）柔性制造：即通過(guò)自動(dòng)化柔性制造系統(tǒng)(FMS)進(jìn)行不同形狀、不同種類(lèi)工件的制造，其技術(shù)總和稱(chēng)為柔性制造技術(shù)。（3）柔性制造技術(shù)：是建立在數(shù)控設(shè)備應(yīng)用基礎(chǔ)上的，正在隨著制造企業(yè)技術(shù)進(jìn)步而不斷發(fā)展的新興技術(shù)，是一種主要用于多品種、中小批量或變批量生產(chǎn)的制造自動(dòng)化技術(shù)。2)?柔性制造技術(shù)的發(fā)展FMS已成為當(dāng)今乃至今后若干年機(jī)械制造自動(dòng)化發(fā)展的重要方向，對(duì)機(jī)械制造企業(yè)重構(gòu)和改造也起著重要作用。7.5柔性制造系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.?柔性制造技術(shù)的分類(lèi)1)?柔性制造單元(FMC)

柔性制造技術(shù)按規(guī)模大小可劃分為：柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性制造線(FML)、柔性制造工廠(FMF)四類(lèi)。

柔性制造單元(Flexibl