機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)代控制技術(shù)

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1、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及接口 第一節(jié) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 微機(jī)構(gòu)成 CPU、MC與MCS之間的關(guān)系 微機(jī)系統(tǒng)（MCS） 具有完善的過程輸入/輸出功能 具有實(shí)時控制功能 具有可靠性 具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力 具有豐富的軟件 三、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)分類及特點(diǎn) 1.可編程控制器 2.總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 3.單片機(jī) 二、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本要求 PLC構(gòu)成 PLC特點(diǎn) 程序可變，柔性好?？煽啃詮?qiáng)，適于工業(yè)環(huán)境 。 。 功能完善。 體積小，重量輕，易于裝入機(jī)器內(nèi)部。 編程簡單，使用方便 總線型工控機(jī) 總線型工控機(jī)特點(diǎn) 提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)和制造周期。 提高系統(tǒng)可靠性。 便于調(diào)試和維修 。 能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展

2、的需要，迅速改進(jìn)系統(tǒng)的性能。 單板機(jī) 單片機(jī) 單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 單片機(jī)特點(diǎn) 受集成度的限制，片內(nèi)存儲器容量較小。 可靠性高。 易擴(kuò)展。 控制功能強(qiáng)。 一般單片機(jī)內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理程序。 控制系統(tǒng)比較 第二節(jié) 計(jì)算機(jī)控制接口技術(shù) 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，有計(jì)算機(jī)控制接口和人機(jī)接口兩種接口。通過前者與機(jī)械系統(tǒng)聯(lián)系，進(jìn)行調(diào)整、匹配、緩沖。而人機(jī)接口用于操作者對機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 人機(jī)接口包括輸出接口與輸入接口兩類，通過輸出接口，操作者對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測；通過輸入接口，操作者向系統(tǒng)輸入各種命令及控制參數(shù)，對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制。 在計(jì)算機(jī)控制接口中，按照信息和能量的傳遞方向，又可分

3、為信息采集接口與控制輸出接口。控制計(jì)算機(jī)通過信息采集接口檢測機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算處理后，發(fā)出有關(guān)控制信號，經(jīng)過控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動執(zhí)行元件來調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其按要求動作。 一、信息采集接口 在模擬量信息采集通道中，先利用傳感器將從信號源檢測到的非電量轉(zhuǎn)換為電量，并進(jìn)行信號處理(包括放大、濾波、線性補(bǔ)償?shù)?，再經(jīng)采樣保持器，將模擬信號變換成時間上離散的采樣保持信號后，送A/D轉(zhuǎn)換器將模擬保持信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入計(jì)算機(jī)。 圖5-2 數(shù)據(jù)采集通道的一般組成 圖5-3 幾種采集通道的結(jié)構(gòu)形式 (1)多路A/D通道 從每個信號源檢測的信號都有各自獨(dú)立的采集通道，即

4、每個通道都有獨(dú)自的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，該結(jié)構(gòu)形式使用了較多數(shù)量的采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器，成本高。但這種通道結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換速度高，并且控制各路通道的采樣保持器或A/D轉(zhuǎn)換器，可完成各路通道同時進(jìn)行采樣或同時進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能，故常用于需同步高速數(shù)據(jù)采集、同步轉(zhuǎn)換的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 (2)多路同時采樣、分時轉(zhuǎn)換通道 從多路信號源來的數(shù)據(jù)經(jīng)各自的采樣保持器后，經(jīng)模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，此結(jié)構(gòu)使用模擬多路開關(guān)進(jìn)行多路選擇，使多路信號按一定的順序切換到共用的A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這種通道結(jié)構(gòu)節(jié)省硬件，但轉(zhuǎn)換速度比較慢，因?yàn)楣灿靡粋€A/D轉(zhuǎn)換器必須分時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，多路開關(guān)的

5、引用也使誤差增加。所以，該結(jié)構(gòu)多用于轉(zhuǎn)換速度、精度要求不高，須同時采集、分時轉(zhuǎn)換的控制系統(tǒng)，如多點(diǎn)巡回檢測系統(tǒng)。 (3)多路信號源共享采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器 從多路信號源來的數(shù)據(jù)先經(jīng)多路開關(guān)，然后按某種順序切換到具有采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器的通道上，此結(jié)構(gòu)共用一套采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，節(jié)省硬件成本，但轉(zhuǎn)換速度更慢，常用于分時采樣、分時轉(zhuǎn)換的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中。 除了上述幾種數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式外，還有不帶采樣保持器的最簡單的采集通道和單路采集通道。 二、模擬量輸出接口 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，很多被控對象要求用模擬量作控制信號，如交流電動機(jī)變頻調(diào)速、直流電動機(jī)調(diào)速器、滑差電動機(jī)調(diào)速器等，而計(jì)

6、算機(jī)系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，不能輸出模擬量，這就要求控制輸出接口能完成D/A轉(zhuǎn)換，且必須具有輸出保持功能，這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制是分時的，每個輸出回路只能周期地在一個時間段內(nèi)得到輸出信號，即這時執(zhí)行部件得到的是時間上離散的模擬信號，而實(shí)際的執(zhí)行部件卻要求連續(xù)的模擬信號，因此為了使執(zhí)行部件在兩個輸出信號的間隔時間內(nèi)能得到輸出信號，就必須有輸出保持器。 圖5-13 D/A轉(zhuǎn)換通道的幾種結(jié)構(gòu)形式 D/A轉(zhuǎn)換通道依據(jù)輸出保持器與D/A轉(zhuǎn)換器的位置關(guān)系有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是各路輸出上均有一個D/A轉(zhuǎn)換器，每個通路的輸出數(shù)據(jù)由D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)寄存器保持，由于保持的信息為數(shù)字量，所以是一種數(shù)字保持方式。這種結(jié)構(gòu)的通道

7、轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠，能滿足各路同時進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換輸出的要求，即使其中有一路D/A轉(zhuǎn)換出故障，其他幾路仍可繼續(xù)正常工作。但該結(jié)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器的個數(shù)較多，成本較高，一般用于需要同一時刻進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的場合。圖b為多路通道共用一個D/A轉(zhuǎn)換器，在CPU的控制下，D/A轉(zhuǎn)換器分時工作，依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓或電流，通過多路切換開關(guān)，傳送給各路模擬量輸出保持器，由于保持的是模擬量，故是一種模擬量保持方式。由于只用了一個D/A轉(zhuǎn)換器，節(jié)省了硬件設(shè)備，但必須在微機(jī)控制下分時工作，影響通道速度，多用于速度要求不高的場合。 三、開關(guān)型功率接口 1光電隔離技術(shù) 在開關(guān)量控制中，最常用的器件是光電隔離

8、器，光電隔離器是把發(fā)光元件與受光元件封裝在一起，當(dāng)發(fā)光二極管有正向電流通過時，即產(chǎn)生人眼看不見的紅外光，其光譜范圍為7001000nm，受光元件接收光照以后便導(dǎo)通。而當(dāng)該電流撤去時，發(fā)光二極管熄滅，受光元件隨即截止。利用這種特性即可達(dá)到開關(guān)控制的目的。 2晶閘管接口 晶閘管是一種大功率電器元件，也稱可控硅。它具有體積小、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動器件，實(shí)現(xiàn)用小功率控件控制大功率設(shè)備。 (1)單向晶閘管接口 單向晶閘管又稱可控硅整流器，其最大特點(diǎn)是有截止和導(dǎo)通兩個穩(wěn)定狀態(tài)(開關(guān)作用)，同時又具有單向?qū)щ姷恼髯饔谩?(2)雙向晶閘管驅(qū)動接口 雙向晶閘管在結(jié)構(gòu)上

9、可看成是兩個單向晶閘管反向并聯(lián)構(gòu)成的，這種結(jié)構(gòu)使其在應(yīng)用特性與單向晶閘管不同。第一，它在觸發(fā)后是交流雙向?qū)ǖ?；第二，在門極中所加的觸發(fā)信號不論是正還是負(fù)都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。雙向晶閘管一般用作過零開關(guān)，對交流回路進(jìn)行功率控制。 3繼電器輸出接口 由于繼電器在是通過改變金屬觸點(diǎn)的位置，使動觸點(diǎn)與定觸點(diǎn)閉合或分開，所以具有接觸電阻小、流過電流大及耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，但在動作可靠性上不及晶閘管。 繼電器有電壓線圈與電流線圈兩種工作類型，它們在本質(zhì)上是相同的，都是在電能的作用下產(chǎn)生一定的磁勢。電壓繼電器的電氣參數(shù)包括線圈的電阻、電感或匝數(shù)、吸合電壓、釋放電壓和最大允許工作電壓。電流繼電器的電氣參數(shù)包括線

10、圈匝數(shù)、吸合電流和最大允許工作電流。 繼電器的供電系統(tǒng)分為直流電磁系統(tǒng)和交流電磁系統(tǒng)，工作電壓也較高，因此從控制計(jì)算機(jī)輸出的開關(guān)信號需經(jīng)過驅(qū)動電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使輸出的電能能夠適應(yīng)其線圈的要求。繼電器動作時，對電源有一定的干擾，為了提高控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性，在驅(qū)動電路與控制計(jì)算機(jī)之間常采用光電耦合器隔離。 4固態(tài)繼電器接口 在繼電器控制中，由于采用電磁吸合方式，在開關(guān)瞬間，觸點(diǎn)容易產(chǎn)生火花，從而引起干擾；對于交流高壓等場合，觸點(diǎn)還容易氧化，影響系統(tǒng)的可靠性。隨著微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，近些年又研制出一種新型的輸出控制器件固態(tài)繼電器。 固態(tài)繼電器(Solid State Relay)簡稱SSR。

11、它是用晶體管或晶閘管代替常規(guī)繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)，而在前級中與光電隔離器融為一體。因此，固態(tài)繼電器實(shí)際上是一種帶光電隔離器的無觸點(diǎn)開關(guān)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，固態(tài)繼電器有直流型固態(tài)繼電器和交流型固態(tài)繼電器之分。 由于固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點(diǎn)，所以與電磁式繼電器相比，具有體積小、重量輕、無機(jī)械噪聲、無抖動和回跳、開關(guān)速度快、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁繼電器之勢。 5大功率場效應(yīng)管開關(guān)接口 在開關(guān)量輸出控制中，除了前面介紹的固態(tài)繼電器以外，還可以用大功率場效應(yīng)管開關(guān)作為開關(guān)量輸出控制元件。由于場效應(yīng)管輸入阻抗高，關(guān)斷漏電流小，響應(yīng)速度快，而且與同功率繼電器

12、相比，體積較小、價格便宜，所以在計(jì)算機(jī)開關(guān)量輸出控制中也常作為開關(guān)元件使用。 第三節(jié) 可編程控制器 可編程序控制器是給機(jī)電系統(tǒng)提供控制和操作的一種電子裝置。它采用可編程序存儲器作為內(nèi)部指令記憶裝置，具有邏輯、排序、定時、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算等功能，并通過數(shù)字或模擬輸入/輸出模塊控制各種形式的機(jī)器及過程?？删幊绦蚩刂破?Programmable Controller)，縮寫為PC。PC的早期設(shè)計(jì)只是作基本邏輯的順序控制，所以稱為可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，縮寫為PLC。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程序控制器不僅僅是只作為邏輯的順序控制，而且還

13、可以接受各種數(shù)字信號、模擬信號，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算等。更高級的PC還能夠生成模擬輸出，甚至于起PID過程控制器的作用。 一、PLC的組成及工作原理 圖6-1是PC與輸入/輸出裝置連接原理圖。輸入信號由按鈕開關(guān)、限位開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)，光學(xué)傳感器等各種開關(guān)裝置產(chǎn)生，通過接口進(jìn)入PC。再經(jīng)PC處理產(chǎn)生控制信號，通過輸出接口送給輸出裝置，如線圈、繼電器、電動機(jī)以及指示燈等。 PC采取的是掃描工作機(jī)制，就是按照定義和設(shè)計(jì)、連續(xù)和重復(fù)地檢測系統(tǒng)輸入，求解目前的控制邏輯，以及修正系統(tǒng)輸出。在PC典型的掃描機(jī)制中，I/O服務(wù)處于掃描周期的末尾，并且為掃描計(jì)時的組成部分。這種典型的掃描稱為同步掃描

14、。掃描循環(huán)一周所花費(fèi)的時間為掃描時間。根據(jù)不同的PC，掃描時間一半為10100ms。 PLC與通用微處理機(jī)的區(qū)別 掃描工作機(jī)制是PLC與通用微處理機(jī)的基本區(qū)別。 在理論上，微機(jī)可以編程，形成PLC的多數(shù)功能，然而通用微機(jī)不是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用設(shè)計(jì)的； 微機(jī)與外部世界連接時需要專門的接口電路板，而PIC帶有各種IO模塊可供直 接利用，且輸入輸出線可多至數(shù)百條； PLC具有多種診斷能力，模塊式結(jié)構(gòu)，易于維修； PLC可采用梯形圖編程，編程語言直觀簡單，容易學(xué)握； 雖然許多PLC能夠接收模擬信號和進(jìn)行簡單的算術(shù)運(yùn)算，但是，當(dāng)數(shù)學(xué)運(yùn)算復(fù)雜時，PLC是無法與通用微機(jī)相競爭。 PLC生產(chǎn)廠家及代表產(chǎn)品 日

15、本立石（OMRON，歐姆龍）公司 C系列 日本三菱公司 F、FX、A系列 德國西門子（SIEMENS）公司 S5、S7、TI系列 法國TE公司 TSX7系列 美國通用電氣（GENERAL ELECTRIC）公司，簡稱GE公司 GE、SR系列 美國艾倫布拉德利（ALLENBRADLEY)公司，簡稱AB公司 SLC、 PLC系列 三菱系列可編程控制器特點(diǎn)三菱系列可編程控制器特點(diǎn)： 指令速度快，系統(tǒng)配置靈活，功能強(qiáng)大。具有豐富的擴(kuò)展模塊及特殊功能模塊， 可實(shí)現(xiàn)PLC于上位機(jī)之間完善的網(wǎng)絡(luò)通訊，具有網(wǎng)絡(luò)控制功能。 二、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 1)首先要分析控制任務(wù)，了解被控對象的

16、工藝過程，畫出工藝流程。 2)確定輸入、輸出的類型、點(diǎn)數(shù)，正確選擇輸入裝置及輸出裝置的規(guī)格、型號。 3)合理選擇PLC類型及規(guī)模。 4)編制輸入、輸出接點(diǎn)的現(xiàn)場編號與PLC內(nèi)部地址編號的對照表。 5)根據(jù)工藝流程、結(jié)合輸入輸出編號對照表，畫出PLC控制的梯形圖。 6)按照梯形圖編寫用戶控制程序。 7)用編程器將用戶控制程序送入PLC。 8)進(jìn)行系統(tǒng)模擬調(diào)試，檢查和修改程序的語法及控制邏輯、控制參數(shù)。 9)進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)硬件的安裝連線，設(shè)計(jì)PLC外圍電路，將外圍控制裝置與PLC輸入輸出端連接起來。 10)對整個系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試。 11)正式投入使用。 2PLC的選用 正確地選用PLC對于保證

17、整個系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)起著重要的作用。PLC的選用主要包括PLC容量估算、PLC功能選擇和I/O模塊選擇。 (1)PLC的容量估算 PLC的容量估算涉及兩方面內(nèi)容，即用戶程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器的容量和輸入輸出點(diǎn)數(shù)。 1)估算輸入、輸出點(diǎn)數(shù) 估算PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)及種類應(yīng)考慮下列問題： 估算I/O點(diǎn)數(shù)及電壓值。 開關(guān)量輸出的點(diǎn)數(shù)及輸出功率。 模擬量的I/O個數(shù)。 PLC距現(xiàn)場的最遠(yuǎn)距離。 表5-5 常用的I/O類型 2)估算存儲量 小型PLC的用戶存儲器容量是固定的，而應(yīng)用系統(tǒng)所需的存儲容量與I/O點(diǎn)數(shù)密切相關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)有如下的關(guān)系： 開關(guān)量輸入 1020字節(jié)/點(diǎn) 開關(guān)量輸出 510字節(jié)/點(diǎn)

18、 定時計(jì)數(shù)器 2字節(jié)/個 寄存器 1字節(jié)/個 模擬量 100150字節(jié)/點(diǎn) 與計(jì)算機(jī)等的通信接口 每個接口按占內(nèi)存300字節(jié)以上計(jì)算。 存儲器容量與控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度、運(yùn)算數(shù)據(jù)量的大小、程序結(jié)構(gòu)優(yōu)劣等有關(guān)。因此，在未完成整個系統(tǒng)之前，很難確定PLC所應(yīng)配置的存儲器容量。一般按I/O點(diǎn)數(shù)和種類估算出所需的字節(jié)數(shù)后，再增加1520的備用空間，作為選擇存儲器容量的依據(jù)。 (2)PLC的功能選擇 PLC功能要與應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)相適應(yīng)。如果選用的PLC功能過多，很多功能用不著，就會造成功能浪費(fèi)、成本增加、可靠性降低。 由于PLC一般用來實(shí)現(xiàn)順序控制，所以只要選用具有邏輯運(yùn)算、定時器、計(jì)數(shù)器等基本功能

19、的PLC就可以了。如果控制任務(wù)較復(fù)雜，包含了數(shù)值計(jì)算(如PID)、模擬量處理等內(nèi)容，就必須選用具有數(shù)值計(jì)算、模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換等功能的PLC。 (3)選擇I/O模塊 應(yīng)根據(jù)PLC控制的實(shí)際情況合理選擇。 1)輸入模塊的選擇 輸入模塊分為數(shù)字量輸入和模擬量輸入兩種。數(shù)字量輸入又分為直流、交流和脈沖三種；模擬量輸入分為電壓和電流輸入兩種。無論何種輸入，它們都應(yīng)將輸入的高電平信號轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部的低電平信號。輸入模塊按電壓分有直流5V、24V、48V、60V，交流115V、220V；按電路形式分有匯點(diǎn)輸入和隔離輸入。選擇輸入模塊時應(yīng)注意： 選擇工作電壓 同時接通的點(diǎn)數(shù) 門檻電平 A/D轉(zhuǎn)換模塊 2)

20、輸出模塊的選擇 輸出模塊按輸出方式分為繼電器輸出、晶體管輸出及雙向晶閘管輸出三種。此外，輸出模塊的電壓、電源也有不同的規(guī)格。選擇輸出模塊應(yīng)注意下列問題： 輸出方式 繼電器輸出模塊價格便宜，適應(yīng)電壓范圍較寬，選通壓降小，但它屬于有觸點(diǎn)元件，動作速度慢，更重要的是觸點(diǎn)壽命較短。繼電器輸出僅適用于通斷頻率小于1Hz的負(fù)載。對于通斷頻率高且功率因數(shù)低的感性負(fù)載應(yīng)選用無觸點(diǎn)開關(guān)元件，即選用晶體管輸出(直流負(fù)載)或雙向晶閘管輸出(交流負(fù)載)模塊。 輸出電流 輸出模塊的輸出電流必須大于負(fù)載電流的額定值。 同時接通的點(diǎn)數(shù) 一般來講，同時接通的點(diǎn)數(shù)不能超過輸出點(diǎn)數(shù)的60，否則將加重輸出公共端承受的電流負(fù)擔(dān)。 3

21、)智能I/O接口的選擇 (4)通信接口的選擇 為了實(shí)現(xiàn)“人機(jī)過程”或“機(jī)機(jī)”間的對話，PLC還可配置各種通信接口。當(dāng)與打印機(jī)相連時，可將過程信息、參數(shù)等輸出打??；當(dāng)與監(jiān)視器相連時，可將過程圖像顯示出來；當(dāng)與其他PLC相連時，則可組成多機(jī)連網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的自動控制；當(dāng)與計(jì)算機(jī)相連時，可組成集散控制系統(tǒng)(DCS)，此時就注意盡可能選用同一型號或同一系列的PLC，以便相互兼容。 三、PLC外電路設(shè)計(jì)的一般原則 外電路設(shè)計(jì)，主要是指輸入、輸出設(shè)備(按鈕、行程開關(guān)、限位開關(guān)、接觸器、電磁閥等)與PLC的連接電路以及各運(yùn)行方式、強(qiáng)電電路(自動、半自動、手動、連續(xù)、單步、半周期等)、電源電路、控制柜

22、內(nèi)電路等。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中除PLC選型及I/O模塊選擇外，外電路設(shè)計(jì)是一個十分重要的內(nèi)容，其中配置的低壓電器、性能、質(zhì)量會直接影響系統(tǒng)的可靠性。 第四節(jié)第四節(jié) 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)數(shù)字控制器設(shè)計(jì) 在模擬系統(tǒng)中，其過程控制方式就是將被測參數(shù)(如位移、速度等)由傳感器變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號送入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進(jìn)行比較，然后把比較出的差值經(jīng)運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變進(jìn)給控制量，以達(dá)到自動調(diào)節(jié)之目的。而在數(shù)字控制系統(tǒng)中，則使用數(shù)字調(diào)節(jié)器來模擬模擬調(diào)節(jié)器。其調(diào)節(jié)過程是首先把過程參數(shù)進(jìn)行采樣，并通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量，根據(jù)這些數(shù)字量由計(jì)算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果由模擬量輸出通道輸

23、出，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)，以達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。這里計(jì)算機(jī)執(zhí)行按某種算法編寫的程序，實(shí)現(xiàn)對被控制對象的控制和調(diào)節(jié)，稱為數(shù)字調(diào)節(jié)器。 數(shù)字調(diào)節(jié)器與模擬調(diào)節(jié)器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1)模擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)控制規(guī)律較為復(fù)雜時，就難以甚至無法實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字調(diào)節(jié)器能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律的控制。 2)計(jì)算機(jī)具有分時控制能力，可實(shí)現(xiàn)多回路控制。 3)數(shù)字調(diào)節(jié)器具有靈活性。其控制規(guī)律靈活多樣，可用一臺計(jì)算機(jī)對不同的回路實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，并且改變控制程序或控制參數(shù)即可，使用起來簡單方便。 4)可靠性高。由于計(jì)算機(jī)的控制算法是用軟件實(shí)現(xiàn)，因此比用硬件組成的調(diào)節(jié)器具有較高的可靠性，且系統(tǒng)維護(hù)簡單。 第六章第六章

24、典型機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)電一體化系統(tǒng) 機(jī)電一體化產(chǎn)品種類繁多機(jī)電一體化產(chǎn)品種類繁多，按產(chǎn)品的功能劃分為以下幾類按產(chǎn)品的功能劃分為以下幾類: : 數(shù)控機(jī)械類數(shù)控機(jī)械類 數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人。其特點(diǎn)為執(zhí)行其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械裝置機(jī)構(gòu)是機(jī)械裝置。 電子設(shè)備類電子設(shè)備類 線切割加工機(jī)床線切割加工機(jī)床、超聲波縫紉機(jī)超聲波縫紉機(jī)。其特其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電子裝置點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電子裝置。 機(jī)電結(jié)合類機(jī)電結(jié)合類 自動探傷機(jī)自動探傷機(jī)、CTCT掃描儀掃描儀、自動售貨機(jī)等自動售貨機(jī)等。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械和電子裝置的有機(jī)結(jié)合其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械和電子裝置的有機(jī)結(jié)合。 電液伺服類電液伺服類 液

25、壓伺服馬達(dá)液壓伺服馬達(dá)。其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液其特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動的機(jī)械裝置壓驅(qū)動的機(jī)械裝置，控制機(jī)構(gòu)是接受電信號的液壓伺服閥控制機(jī)構(gòu)是接受電信號的液壓伺服閥。 信息控制類信息控制類 復(fù)印機(jī)復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等辦公自動化設(shè)備傳真機(jī)等辦公自動化設(shè)備。主主要特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作完全由所接收的信息類控制要特點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作完全由所接收的信息類控制。 第一講 機(jī)械手及其控制 一一、機(jī)械手機(jī)械手 機(jī)械手是一種能模仿人手的某些工作技能，按要求抓取和搬運(yùn)工件，或完成某些勞動作業(yè)機(jī)械化、自動化的裝置。自動線上的機(jī)械手能完成簡單的抓取、搬運(yùn)，實(shí)現(xiàn)上、下料動作，尤其適合幾何形狀不規(guī)則、不對稱的雜件，通過選取合適

26、的手爪，可選用較少的抓取和輸送基準(zhǔn)面而保持上、下料及輸送的穩(wěn)定性和可靠性。 二、機(jī)械手的分類 目前，我國對機(jī)械手尚無較為統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。一般可分為專業(yè)機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。 1專用機(jī)械手 這種機(jī)械手僅由手爪、腕部和手臂構(gòu)成，是輔助設(shè)備，其動作必須與機(jī)械的工作循環(huán)相配合，多數(shù)動作由控制系統(tǒng)來完成，大多數(shù)生產(chǎn)線的機(jī)械手都屬專業(yè)機(jī)械手。 2通用機(jī)械手 這是一種獨(dú)立的自動化裝置。工業(yè)機(jī)器人就是一種通用機(jī)械手，又稱工業(yè)機(jī)械手，其功能完善，自由度較多能模仿人的某些工作機(jī)能與控制機(jī)能，能實(shí)現(xiàn)多種工件的抓取、定向和搬運(yùn)工作，并能使用不同工具完成多種勞動作業(yè)。 1機(jī)械手手爪類型 機(jī)械手的手爪，又稱機(jī)械手或機(jī)

27、器人的末端執(zhí)行器，是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置。手爪結(jié)構(gòu)和尺寸是根據(jù)其不同作業(yè)任務(wù)來設(shè)計(jì)的，從而形成多種多樣的結(jié)構(gòu)形式。用于搬運(yùn)裝卸作業(yè)的機(jī)械手的手爪主要是機(jī)械夾持式（又稱為機(jī)械夾持器或夾鉗）、氣吸式或磁吸式。它們安裝在機(jī)械手的手腕（如果配置有手腕的話）或手臂的機(jī)械接口上，較簡單的可用法蘭盤作為機(jī)械接口處的接換器，為實(shí)現(xiàn)快速和自動更換，也可采用電磁吸盤或氣動鎖緊的換接器。 機(jī)械夾持式多為雙指手爪式，按其手爪的運(yùn)動方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型。回轉(zhuǎn)型手爪又可分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。按夾持方式又可分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅(qū)動方式又可分為電動（或電磁）式、液壓式和氣動式等。 1）電動式 用各種電動機(jī)作

28、為動力源直接驅(qū)動手爪，常用步進(jìn)電動機(jī)、直流或交流伺服電動機(jī)以及直線電動機(jī)等。電動式的工作載荷一般小于10kg，使用和維修十分方便。 2）液壓式 利用液壓泵供給壓力油驅(qū)動手爪以運(yùn)動，其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動力大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積小，運(yùn)動平穩(wěn)，調(diào)整簡單方便，是應(yīng)用最多的驅(qū)動方式；其缺點(diǎn)是液壓系統(tǒng)較復(fù)雜，成本高。 3）氣動式 利用壓縮空氣來驅(qū)動手爪，其優(yōu)點(diǎn)是氣體的黏滯性低，運(yùn)動時摩擦阻力小，可獲得快速運(yùn)動；無燃燒、著火問題，可用于條件惡劣的工作環(huán)境；維修簡單，成本較低。但快速時平穩(wěn)性差，沖擊力大，因此要在氣路系統(tǒng)中設(shè)置緩沖裝置，特別是液壓緩沖裝置；此外，由于空氣壓縮性大，控制性能較差。 三、機(jī)械手控制形式 1、繼電

29、接觸器控制 2、可編程控制器（PLC）控制 機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)所組成的，各部分關(guān)系如圖所示： 機(jī)械手組成框圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動部件組成。驅(qū)動機(jī)構(gòu)有氣動、液動、電動和機(jī)械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。此課題所用機(jī)械手就是用氣動機(jī)構(gòu)來驅(qū)動。液動式的出力大，臂力可達(dá)1000N以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使機(jī)械手的通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機(jī)械式只用于動作簡單的場合?？刂葡到y(tǒng)有點(diǎn)

30、動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)采用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 控制系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置檢測裝置 四、搬運(yùn)工件機(jī)械手PLC控制 機(jī)械手的動作要求如下： 對機(jī)械手的控制主要是位置識別、運(yùn)動方向控制和物料是否存在的判別。它的任務(wù)是將傳送帶A上的工件搬運(yùn)到傳送帶B上。機(jī)械手的左工位、右工位、伸出、縮回、上升、下降都用雙線圈三位電磁閥氣動缸完成，機(jī)械手的放開用單螺線管的電磁閥。設(shè)備上裝有上、下、左、右、伸、縮、松開7個傳感器，控制對應(yīng)工步的結(jié)束。傳輸帶上設(shè)有一個光電開

31、關(guān)，監(jiān)視工件是否到位。 工件搬運(yùn)裝置示意圖 回轉(zhuǎn)式氣動控制機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，它由四只汽缸及手爪、齒輪、齒條等機(jī)械零件構(gòu)成，可在三個坐標(biāo)內(nèi)工作。 五、氣動系統(tǒng)工作原理：五、氣動系統(tǒng)工作原理： 本課題要求四個氣缸能夠自動回位，并且能夠自鎖，使用電控開關(guān)，電磁閥控制。 氣動原理圖如下所示： 氣 動 原 理 圖 六、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)六、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則有： （1）最大限度的滿足生產(chǎn)過程的控制要求； （2）在滿足控制要求的前提下，盡量使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)； （3）保證控制系統(tǒng)安全可靠； （4）在選擇PLC容量時，應(yīng)考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝改進(jìn)，必須留有余地。 2. P

32、LC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟： （1）熟悉控制對象的工藝條件確定輸入/輸出設(shè)備及I/O點(diǎn)數(shù) （2）選擇合適的PLC類型 （3）畫輸入輸出接線圖 （4）PLC的編程 機(jī)械手的動作過程如圖可知，經(jīng)八步完成一個周期。即機(jī)械手下降夾緊上升右移下降放松上升左移。 3確定所需的用戶輸入/輸出設(shè)備及I/ O點(diǎn)數(shù) (1)設(shè)備的輸入信號 操作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)：手動、單步、單周期、連續(xù)； 手動時運(yùn)動選擇開關(guān)：上下、左右、夾松； 位置檢測元件：機(jī)械手的上、下、左、有的限位行程開關(guān) 無工件檢測元件：右工作臺無工件用光電開關(guān)檢測。 (2)設(shè)備的輸出信號 氣缸運(yùn)動電磁閥：上升、下降、右移、左移、夾緊； 指示燈：機(jī)械手處干原點(diǎn)指示。

33、 據(jù)上面分析可知、PC共需l 5點(diǎn)輸入、6點(diǎn)輸出。 3選擇PLC 該機(jī)械手的控制為純開關(guān)量控制所需的Io點(diǎn)數(shù)不多，因此選擇一般的小型低檔機(jī)即可。假定F系列可編程控制器資料齊全、供貨方便、設(shè)計(jì)者對其比較熟悉根據(jù)上面IO點(diǎn)數(shù)可選F40M，其主機(jī)IO點(diǎn)數(shù)為2416點(diǎn)。 4分配PLCI0點(diǎn)的編號 9.1 CNC機(jī)床機(jī)床 數(shù)數(shù)控控程程序序編編制制 零零 件件 圖圖 紙紙 數(shù)數(shù)控控介介質(zhì)質(zhì) 數(shù)數(shù)控控裝裝置置 伺伺服服機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu) 執(zhí)執(zhí)行行元元件件 執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu) 零零件件成成品品 機(jī)床本體機(jī)床本體 位置檢測裝置位置檢測裝置 圖圖9-l CNC機(jī)床加工過程原理機(jī)床加工過程原理 CNC(或加工中心)加工工藝過程

34、 9.2 機(jī)械加工中心機(jī)械加工中心 1-X軸的直流伺服電動機(jī)；軸的直流伺服電動機(jī)；2-換刀機(jī)械手；換刀機(jī)械手；3-數(shù)控柜；數(shù)控柜；4-盤式刀庫；盤式刀庫；5-主軸箱；主軸箱；6-機(jī)床操作面板；機(jī)床操作面板；7-驅(qū)動電源柜；驅(qū)動電源柜；8-工作臺；工作臺；9-滑座；滑座；10-床身床身 圖圖9-3 JCS-018A立式加工中心立式加工中心 加工中心的技術(shù)發(fā)展方向加工中心的技術(shù)發(fā)展方向 ： 高精、高速、高效的加工高精、高速、高效的加工 高可靠性高可靠性 加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化和開放性加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化和開放性 網(wǎng)絡(luò)數(shù)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)控 智能化智能化 9.3 工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人 一、工業(yè)機(jī)器人概述一、工業(yè)機(jī)器人概述 機(jī)器人：

35、模仿人的機(jī)器機(jī)器人：模仿人的機(jī)器 工業(yè)機(jī)器人：用于生產(chǎn)的機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人：用于生產(chǎn)的機(jī)器人 誕生于誕生于20世紀(jì)世紀(jì)60年代年代 工作原理：通過機(jī)器人操作機(jī)上各構(gòu)件的運(yùn)動，工作原理：通過機(jī)器人操作機(jī)上各構(gòu)件的運(yùn)動，自動地實(shí)現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能及技術(shù)要求。自動地實(shí)現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能及技術(shù)要求。 二、二、 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 六自由度工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的組成 1機(jī)座 2控制裝置 3操作機(jī) 工業(yè)機(jī)器人的組成 三、工業(yè)機(jī)器人的分類三、工業(yè)機(jī)器人的分類 按機(jī)械結(jié)構(gòu)和代表性的自由度構(gòu)成可分成五種：按機(jī)械結(jié)構(gòu)和代表性的自由度構(gòu)成可分成五種： 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人；圓柱坐標(biāo)型

36、機(jī)器人； 球坐標(biāo)型機(jī)器人；球坐標(biāo)型機(jī)器人； 直角坐標(biāo)型機(jī)器人；直角坐標(biāo)型機(jī)器人； 關(guān)節(jié)型機(jī)器人；關(guān)節(jié)型機(jī)器人； 并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人。 按用途和作業(yè)類別分：按用途和作業(yè)類別分： 焊接機(jī)器人焊接機(jī)器人、沖壓機(jī)器人沖壓機(jī)器人、澆注機(jī)器人澆注機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)搬運(yùn)機(jī)械器人械器人、裝配機(jī)器人裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人噴漆機(jī)器人、切削機(jī)器切削機(jī)器人人、檢測機(jī)器人檢測機(jī)器人、采掘機(jī)器人采掘機(jī)器人、水下機(jī)器人水下機(jī)器人 圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人 球坐標(biāo)型機(jī)器人 直角坐標(biāo)型機(jī)器人 關(guān)節(jié)型型機(jī)器人 仿人關(guān)節(jié)型機(jī)器人 平行四邊形連桿關(guān)節(jié)型機(jī)器人 SCARA型機(jī)器人 并聯(lián)機(jī)器人 （d）直角坐標(biāo)型 （a）關(guān)節(jié)型 （b）球坐標(biāo)型 （c

37、）圓柱坐標(biāo)型 工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)系 PUMA機(jī)器人的坐標(biāo)系 （a）基準(zhǔn)裝填 （b）坐標(biāo)系 （a） （b） 四、工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)四、工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù) 額定負(fù)載：如抓取力、切削力額定負(fù)載：如抓取力、切削力 額定速度：機(jī)器人在額定負(fù)載、勻速運(yùn)動過額定速度：機(jī)器人在額定負(fù)載、勻速運(yùn)動過程中，機(jī)械接口中心的最大速度。程中，機(jī)械接口中心的最大速度。 自由度自由度 一般具有四一般具有四六個自由度六個自由度 程序編制與存儲容量程序編制與存儲容量 在選用機(jī)器人時還應(yīng)首先考慮其用途在選用機(jī)器人時還應(yīng)首先考慮其用途 機(jī)器人的工作空間 五、五、工業(yè)機(jī)器人的控制工業(yè)機(jī)器人的控制 機(jī)器人控制的基本原理機(jī)器人

38、控制的基本原理 要使機(jī)器人按照人們的要求去完成特定的作業(yè)要使機(jī)器人按照人們的要求去完成特定的作業(yè)，需要需要做下述幾件事情：做下述幾件事情： 告訴機(jī)器人要做什么；告訴機(jī)器人要做什么； 機(jī)器人接受命令機(jī)器人接受命令，并形成作業(yè)的控制策略；并形成作業(yè)的控制策略； 去完成作業(yè)；去完成作業(yè)； 保證正確完成作業(yè)保證正確完成作業(yè)，并通報(bào)作業(yè)已完成并通報(bào)作業(yè)已完成。 示教示教 控制計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī) 伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動 傳感器傳感器 機(jī)器人控制基本原理框圖機(jī)器人控制基本原理框圖 六、工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)六、工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)座、手臂、工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)座、手臂、 手腕、末

39、端執(zhí)行器和移動裝置組成。移動裝置只手腕、末端執(zhí)行器和移動裝置組成。移動裝置只 有在工作空間很大時才有。有在工作空間很大時才有。 一、工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座一、工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座 1.液壓驅(qū)動圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)液壓驅(qū)動圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu) 具有手臂伸縮、回轉(zhuǎn)和升降三個運(yùn)動（自由度）具有手臂伸縮、回轉(zhuǎn)和升降三個運(yùn)動（自由度） 如圖所示：手臂伸縮運(yùn)動由液壓缸如圖所示：手臂伸縮運(yùn)動由液壓缸2驅(qū)動，手臂驅(qū)動，手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用擺動液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用擺動液壓馬達(dá)11驅(qū)動，在中間機(jī)座驅(qū)動，在中間機(jī)座6的下面配置有升降液壓缸的下面配置有升降液壓缸 液壓驅(qū)動圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂 1活塞桿 2液壓缸

40、 3手臂端部 4手臂支架 5導(dǎo)軌 6中間支架 7、9齒輪 8擋塊 10行程開關(guān) 11擺動液壓馬達(dá) 2. 電動機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動圓柱座標(biāo)機(jī)器人手臂電動機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動圓柱座標(biāo)機(jī)器人手臂 其手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動都是采用雙圓柱導(dǎo)軌導(dǎo)向其手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動都是采用雙圓柱導(dǎo)軌導(dǎo)向和直流伺服驅(qū)動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)直線移動和直流伺服驅(qū)動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)直線移動 GMF M100型機(jī)器人手臂 3. PUMA機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu) PUMA機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu) a)大臂驅(qū)動機(jī)構(gòu) b)小臂驅(qū)動機(jī)構(gòu) 1、10大臂 2、3、5、6、8、9、14、15齒輪 4、13、16偏心套 7、11驅(qū)動電動機(jī) 12驅(qū)動軸 17小臂 1

41、8機(jī)座 PUMA機(jī)器人機(jī)座的結(jié)構(gòu) 1、3、4、5齒輪 2偏心套 6伺服電動機(jī) 二、工業(yè)機(jī)器人的手腕二、工業(yè)機(jī)器人的手腕 手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件。手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件。 功能是實(shí)現(xiàn)末端件在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐功能是實(shí)現(xiàn)末端件在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個旋轉(zhuǎn)自由度。標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個旋轉(zhuǎn)自由度。 如圖所示如圖所示:回轉(zhuǎn)運(yùn)動（回轉(zhuǎn)運(yùn)動（ ）、左右擺動（）、左右擺動（ ） 和俯仰運(yùn)動（和俯仰運(yùn)動（ ） 手腕的自由度 1手臂 2機(jī)械接口 1. 用擺動液壓馬達(dá)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的手腕結(jié)構(gòu)用擺動液壓馬達(dá)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的手腕結(jié)構(gòu) 夾持動作由活塞完成，一個自由度夾持動作由活塞完成，一個

42、自由度 擺動液壓馬達(dá)驅(qū)動的手腕 2. 具有兩個自由度的機(jī)械手傳動手腕結(jié)構(gòu)具有兩個自由度的機(jī)械手傳動手腕結(jié)構(gòu) 手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動 1 1 2 2 ，俯仰擺動，俯仰擺動 兩自由度機(jī)械傳動手腕 1、2、3、12、13軸承 4、5鏈輪 6、7鏈條 8手腕殼體 9、11錐齒輪 10、14軸 15機(jī)械接口法蘭盤 3. 具有三個自由度的機(jī)械手腕結(jié)構(gòu)具有三個自由度的機(jī)械手腕結(jié)構(gòu) 手爪回轉(zhuǎn)手爪回轉(zhuǎn)n7, 手腕偏擺手腕偏擺n10=nT, 手腕俯仰手腕俯仰n9 三自由度機(jī)械傳動手腕 1、2、3、4、5、6、7、11、12、13、14、15齒輪 8手爪 9、10、16殼體 偏置三自由度機(jī)械傳動手腕 a)裝置

43、外觀圖 b)傳動機(jī)構(gòu)簡圖 1、2、3、4、7、9齒輪 5機(jī)械接口法蘭盤 6殼體 8手腕架 4.偏置三自由度機(jī)械傳動手腕機(jī)構(gòu) 回轉(zhuǎn)運(yùn)動 俯仰運(yùn)動俯仰運(yùn)動 偏擺運(yùn)動偏擺運(yùn)動 5、三三轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸手手腕腕結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 三軸承手腕 a)手腕裝配結(jié)構(gòu)圖 b)手腕傳動結(jié)構(gòu)簡圖 1、2、3電動機(jī) 4、5、6空心傳動軸 7、8、9、11、13、14齒輪10殼體 12機(jī)械接口法蘭 三、工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器三、工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器 根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途的不同，可以分為機(jī)械式夾持根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途的不同，可以分為機(jī)械式夾持 器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具（如焊槍、噴器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具（如焊槍、噴 嘴、電磨頭等）。

44、嘴、電磨頭等）。 （一）機(jī)械式夾持器的結(jié)構(gòu)（一）機(jī)械式夾持器的結(jié)構(gòu) 機(jī)械式夾持器多為雙指爪式，其手指的運(yùn)動為平機(jī)械式夾持器多為雙指爪式，其手指的運(yùn)動為平 移或回轉(zhuǎn)（單點(diǎn)支承或雙點(diǎn)支承）移或回轉(zhuǎn)（單點(diǎn)支承或雙點(diǎn)支承） 機(jī)械式夾持器 a)單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 b)雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 c)平移型 d)內(nèi)撐型 1. 楔楔塊塊杠杠桿桿回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)型型夾夾持持器器 楔快杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 1杠桿 2彈簧 3滾子 4楔快 5驅(qū)動器 2. 滑滑槽槽杠杠桿桿式式回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)型型夾夾持持器器 滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 1支架 2桿 3圓柱銷 4杠桿 3. 連連 桿桿 杠杠桿桿式式回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)夾夾持持器器 由桿由桿1、 連桿連桿2、 擺動爪擺

45、動爪3 和夾持件構(gòu)和夾持件構(gòu) 成四桿機(jī)構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu) 連桿杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 1桿 2連桿 3擺動鉗爪 4調(diào)整墊片 4. 由齒輪齒平行連桿式夾持器由齒輪齒平行連桿式夾持器 齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器 1扇形齒輪 2齒條桿 3電磁式驅(qū)動器 4機(jī)座 5、6連桿 7鉗爪 5. 左右旋絲桿平移型夾持器左右旋絲桿平移型夾持器 左右旋絲杠平移型夾持器 1電動機(jī) 2絲杠 3導(dǎo)軌 4鉗爪桿 6. 內(nèi)撐式連桿杠桿式夾持器內(nèi)撐式連桿杠桿式夾持器 內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器 1驅(qū)動器 2桿 3鉗爪 (二二) 吸附式末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)吸附式末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu) 吸附式末端執(zhí)行器（又稱為吸盤），吸附式末端執(zhí)行器（又稱為吸盤），

46、有氣吸式和磁吸式兩種。它們分別利用吸有氣吸式和磁吸式兩種。它們分別利用吸 盤內(nèi)負(fù)壓產(chǎn)生的吸力或由磁力來吸住并移盤內(nèi)負(fù)壓產(chǎn)生的吸力或由磁力來吸住并移 動工件的。動工件的。 e)擠壓排氣式 b)真空泵排氣式 a)氣流負(fù)壓式 c)特殊吸盤 d)雙吸盤式吸頭 1壓蓋 2密封蓋 3吸盤 4工件 磁吸式吸盤 1繞組 2鐵心 3工件 4內(nèi)盤體 5隔磁物 6外盤面 7盤體 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用：工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用： 機(jī)器人裝配生產(chǎn)線 柔性加工中的機(jī)器人 車削加工單元中的機(jī)器人 柔性加工系統(tǒng)中的機(jī)器人 1拉床 2車床 3插齒機(jī) 4剃齒機(jī) 5塔式儲存架 6機(jī)器人 7去毛刺機(jī) 裝配系統(tǒng)中的機(jī)器人 1機(jī)器人 2、3、5、6、7、8、9軸承、軸、套、墊圈、法蘭、螺母和產(chǎn)品傳送帶 4壓力機(jī) 裝配系統(tǒng)中的雙臂機(jī)器人 17固定式電視攝像機(jī) 8可轉(zhuǎn)式電視攝像機(jī) 9抓握手臂 10感知手臂 1113吸塵器零部件 14吸塵器裝配成品 焊接作業(yè)系統(tǒng)的機(jī)器人 1機(jī)器人 2傳送帶 3汽車殼體 噴漆作業(yè)系統(tǒng)中的機(jī)器人 1工裝板 2循環(huán)拖動鏈條 3工件識別站 4工件 5行程開關(guān) 6直角坐標(biāo)機(jī)器人 7、8、9、10垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人 核工業(yè)中的步行機(jī)器人