7 典型机电一体化系统 7.1 工业机器人 7.1.1 概述 工业机器人是典型的机电一体化系统，具有 控制精度和响应速度要求高、机构复杂等特点，

1. 7 典型机电一体化系统 • 7.1 工业机器人 • 7.1.1 概述 • 工业机器人是典型的机电一体化系统，具有 • 控制精度和响应速度要求高、机构复杂等特点， • 是实现工业自动化、加工自动化必不可少的设 • 备。它可以代替人来完成搬运物品、铆焊、装配 • 等一系列工作，其中HRGP-1A喷漆机器人，是比

2. 较典型的工业机器人。HRGP-1A喷漆机器人是在 • 消化、吸收美国4500型机器人的基础上开发研制 • 的新产品，它具有国际80年代末期的水平。该机 • 器人具有下述特点： • (1）操作机采用挠性手腕结构，具有三个自由 • 度（左右摆动，上下摆动，回转运动）。 • （2）作动器采用分离活塞直线运动油缸，减轻 • 了示教力。

3. （3）采用旋转变压器作为反馈元件，提高了伺（3）采用旋转变压器作为反馈元件，提高了伺 • 服系统反馈精度。 • 7.1.2 HRGP-1A喷漆机器人的构成、原理及基 • 本参数 • 7.1.2.1 构成及工作原理 • HRGP-1A喷漆机器人由操作机、微型计算控制装置和液压能源三部分构成，操作机采用多 • 关节式。它的机构原理是，由一个直线油缸通过

4. 摇杆机构驱动腰部旋转运动。两个直线油缸分别摇杆机构驱动腰部旋转运动。两个直线油缸分别 • 驱动三连杆机构和四连杆机构，实现垂直臂的前 • 后摆动和水平臂的上下俯仰运动，使喷枪达到活 • 动范围内的任意位置。腕部采用挠性手腕结构， • 分别由两个小型直线油缸驱动，实现手腕左右、 • 上下摆动。腕部的旋转运动油一个摆动油缸驱 • 动，使喷枪实现姿态变化。 • 机器人的驱动采用电液伺服系统，通过安装

5. 在作动器上的伺服阀，将电信号转化为液压流 • 量，向作动器提供液压动力。 • 每个作动器内装有旋转变压器作为反馈元 • 件，构成闭环伺服控制，由微型计算机系统控制 • 各自由度的运动，实现操作机的连续轨迹控制。 • 喷漆机器人工作分示教和再现两个过程，所 • 谓示教即操作人员用手操纵操作机的关节和手 • 腕，根据喷漆工件形面进行示教。此时，中央处

6. 理器通过旋转变压器将示教过程中测到的参数存理器通过旋转变压器将示教过程中测到的参数存 • 入存贮器，即把示教喷漆的空间轨迹记录下来。 • 所谓再现，即由计算机控制机器人运动，中央处 • 理器将示教时记录的空间轨迹信息取出，经过插 • 补运算与采样得到的位置数据进行比较，将其差 • 值调节后输出，控制操作机按示教的轨迹运动。 • 7.1.2.2基本参数 • 操作机的结构为六自由度多关节式，驱动系

7. 统为电液伺服驱动，控制采用微型计算机系统 • 控制。示教分为手把手示教和示教盒示教。 • 存贮容量：PTP最大容量为38000点，CP最 • 大容量为128min。 • 最大速度为1.7m/s。 • 位置重复精度为±2.5mm。 • 动作时间采样频率为10Hz、40Hz、50Hz。 • 喷漆机器人外形尺寸及工作范围如图7.1所示。

8. 图7.1 • 喷漆机器人 • 外形及工作范围

9. 7.1.3HRGP-1A系统的设计 • 喷漆机器人设计内容主要包括确定基本参 • 数、操作机的结构形式、选择驱动系统的种类和 • 运动学的分析。喷漆机器人操作设计中的技术关 • 键有下面几点。 • （1）腰部回转机构的设计 • 腰部回转角度为93°，采用四连杆机构，它 • 由一个直线油缸、驱动摆杆和连杆组成，使腰部

10. 作回转运动。这种机构工作可靠，结构简易。 • 其原理如图7.2所示。 • 图7.2 • 腰部转动机构示意图

11. （2）水平臂和垂直臂平衡系统设计 • 喷漆机器人的水平臂和垂直臂均采用悬臂梁 • 结构，由伺服液压缸提供动力，使水平臂和垂直 • 臂运动并保持一定的姿态。水平臂和垂直臂在重 • 力作用下都有下降的趋势。在工作过程中，由伺 • 服液压缸平衡其重力但在示教中要求伺服液压缸 • 卸荷，由人工操作。此时需要弹簧平衡机构见效 • 操作时的示教力，同时防止液压缸突然卸荷，水

12. 平臂和垂直臂发生撞击，损坏机器。因此，仅有平臂和垂直臂发生撞击，损坏机器。因此，仅有 • 液压缸来平衡重力是不行的，必须要有弹簧平衡 • 系统。对平衡系统的设计要求是，机构无论处于 • 何种姿态，平衡力矩等于或稍大于重力矩。平衡 • 机构原理见图7.3。

13. 图7.3 平衡机构原理图

14. （3）挠性手腕的设计 挠性手腕是由三副万向 • 节和两对伞状齿轮啮合组成。揉性手腕部分外径 • 尺寸为Ф110mm，外部装有防尘波纹套。它的运 • 动是由左右两个直线作动器控制，使手腕上下左 • 右各做88°摆动，手腕由摆动液压缸驱动，使它 • 作210°的转动。设计时对十字连轴器、球形齿 • 面的齿、凸齿的形状、齿形分布、齿形的修正均 • 有较高的要求。

15. （4）操作机的材料选择 • 为了提高运动灵敏度、精度及响应速度，水 • 平臂和上支撑座用铝合金制成、其重量轻、惯性 • 小。底座支撑件使用铸铁和钢材，保证具有足够 • 的强度和刚度。 • 7.1.3.2 电液伺服驱动的设计 • 驱动系统是直接驱动各部件动作的机构/喷 • 漆机器人工作在易燃、易爆的气氛中，为了防

16. 爆，采用电液伺服系统作为驱动系统。机器人具爆，采用电液伺服系统作为驱动系统。机器人具 • 有六个自由度，每个自由度由一套电液伺服系统 • 驱动。机器人运动时，各运动参数产生变化，动 • 力参数也随之变化。电液伺服系统为多输入、多 • 输出变量系统。系统与系统间具有负载效应。根 • 据喷漆工艺要求，操作机必须具有运动速度高、 • 工作稳定、位置重合精度高等能力，以适应复杂 • 形面的喷漆。

17. 为此要求各电液伺服系统快速响应特性一致，不为此要求各电液伺服系统快速响应特性一致，不 • 受其他系统干扰。系统框图见图7.4所示

18. 伺服系统中采用分离活塞式作动器，以使机 • 器人在示教中轻便、灵活，而且示教力小。其原 • 理是，在示教时其活塞杆分离，见效摩擦力。示 • 教完成后再现时，液压泵开动时后，随着液压的 • 建立，将分离活塞推动，与活塞压紧成一体，再 • 现开始后压力油受伺服阀的控制，推动活塞，带 • 动活塞杆推动负载工作。分离活塞式作动器工作 • 原理结构如图7.5所示。

19. 图7.5 分离活塞式作动器工作原理 • 1——组合密封 2——平衡环 3——缸筒 4——活塞杆 5——分离弹簧 6——套筒 7——活塞

20. 机器人腰部的伺服阀选用FF106-63型，额定流量 • 为63L/min，额定压力21MPA。垂直臂、水平 • 臂、手腕关节均选用防爆伺服阀，额定流量为 • 20L/min，额定压力为7MPa。 • 旋转变压器是喷漆机器人电液伺服系统中的 • 重要反馈元件，安装在伺服作动器内。它体积 • 小、重量轻、精度高，与8751单片机解码电路等 • 组成了机器人的位置检测系统。

21. 这个系统抗电干扰能力强、重复性好、稳定性 • 好、系统综合误差小于等于6或-6。 • 7.1.3.3 液压能源的设计 • 液压能源为喷漆机器人中的电液伺服系统提 • 供高压油。能源工作时要流量满足6个执行机构 • 同时工作的速度要求，要使操作机具有足够的力 • 矩。示教时，示教力要小，执行机构稳定性要 • 好，同时液压系统长时间工作时油温能控制在

22. 规定的范围内。因此能源系统设计时，液压泵选规定的范围内。因此能源系统设计时，液压泵选 • 为恒压变量泵。它提供的流量和压力能够满足执 • 行机构力（或力矩）及运动速度的要求，并能节 • 约能源。阀组件采用集成化的结构，体积小、导 • 管连接少，维修方便，为了使机器人示教力小， • 采用电磁阀和液控阀组成的卸荷回路，使主油路 • 的压力、蓄能器压力、回路背压在示教时全部卸 • 荷。能源系统原理如图7.6所示。

23. 图7.6 • 液压能源 • 系统原理图

24. 7.1.3.4 微型计算机控制系统 • 计算机控制系统是喷漆机器人控制的核心。 • 其操作方式是示教再现，控制方式为CP（连续控 • 制）和PTP（点位控制）。 • 本系统的硬件框图如图7.7，采用双CPU工 • 作，其中主CPU为8088，并配有协处理器8087， • 主要用于系统管理、插补运算、坐标变换、数据 • 存储、喷漆控制及故障处理。从CPU8086主要用

25. 于六个电液伺服控制。两个CPU各自配有相应的 • I/O接口和D/A接口。两个CPU之间有交换数据及 • 命令的通信接口。从CPU通过通信接口与主CPU • 保持同步，机器人运动的轨迹数据及控制软件可 • 以存入软盘。

26. 图7.7 控制系统框图

27. 操作指令通过示教盒和功能键盘输入，其中 • 各有一片8031单片机，分别完成键盘的输入功 • 能，键盘上有48个功能键，完成全部机器人的控 • 制操作。示教盒上有24个按键和数码管显示，利 • 用示教盒操作可以方便地在喷漆现场工作。 • 控制装置还具有完善的故障显示及处理系 • 统，可以用声和光的形式把故障显示出来，同时 • 还可以做故障处理，如对于无危险的故障，则以

28. 声、光信号报警，提示人们及时处理 • 7.1.3.5机器人的软件设计 • 主机程序采用汇编语言编程及模块化设计方 • 法，并使用了自编汉字库。程序由主系统自检、 • 初始化及主菜单、示教、再现、归位、排队、故 • 障处理等几部分组成。 • 从机主要由单片机及一些外围电路组成，它 • 的主要任务是在示教方式下，接收机器人瞬时位 • 置的六个自由度信号，经A/D转换送到主机。

29. 另在归位及再现方式下，完成六个回路的控制规另在归位及再现方式下，完成六个回路的控制规 • 律的运算，使系统达到要求的精度和动态指标。 • 7.1.4 应用范围及效果 • HRGP-1A喷漆机器人适用于汽车、电子、家 • 电、机械、建筑陶瓷等行业喷涂各种材料，具体 • 应用如下： • （1）汽车工业 • 用于汽车驾驶室、车厢等外表的喷漆，也

30. 可以用于汽车底部喷漆防震、隔热的PVC胶等。 • （2）家电行业 喷涂油漆，如洗衣机、电 • 冰箱、电视机外壳等。 • （3）建筑陶瓷业 用于喷涂各种陶瓷粉和陶 • 瓷浆，如浴盆及各种清洁器具等。 • （4）机械制造业 用于各种机械零件、部件 • 的表面喷漆。 • 这种喷漆机器人已在汽车厂使用，实现了汽 • 车底部喷胶工序自动化，取得较好的效果。

31. 7.1.5技术经济效益分析 • HRGP-1A 喷漆机器人是由航空航天部某厂 • 研制成功的新产品，并通过部级技术鉴定。为提 • 高机器人的可靠性，对一些关键元器件及部件又 • 做了改进，并做了各种可靠性试验，使产品更为 • 完善、可靠，现已投入批量生产，提供用户使 • 用。 • 使用这种喷漆机器人后，可以得到很好的社

32. 会效益。 • 一般喷涂作业工作环境条件恶劣，大多是在 • 有害气体和粉尘污染严重环境中工作。采用喷漆 • 机器人后，可使工人从有害身体健康的环境中解 • 放出来，故该机器人具有很好的社会效益；采用 • 喷涂机器人后，实现工序自动化，生产效率大幅 • 度提高，一般比手工操作提高效率5倍以上，同 • 时可节省大量的喷涂材料，减少原材料的浪费，

33. 并提高喷涂产品的质量，故该机器人又有很好的并提高喷涂产品的质量，故该机器人又有很好的 • 经济效益。

34. 7.2 输送、搬运设备 • 大型机场都配有自动行李输送机构，它是典 • 型的机电一体化系统，多采用可编程控制器（以 • 下简称PLC）进行控制。图7.8是机场行李输送系 • 统构成图。

35. 图7.8 行李输送系统构成图 B1~B19—工作柜台 A1~A19—称量输 • 送机 C1~C12—转载输送机 D—行李转盘 E—控制系统

36. 图中 A1~A19、B1~B19、C1~C6设在二楼 • 侯机厅，C10~C12设在一楼，C7、C9设在二 • 楼。 • 该系统建成后，可同时办理10个以上航班登 • 机手续。旅客在工作柜台办理登机手续，托运的 • 行李经称量输送机送往转载输送机至行李转盘， • 由机场工作人员分检后送往各航班。 • 7.2.2 控制要求 • 该系统分为A、B、C三个分系统。

37. 7.2.2.1 A系统 • A 系统由 A1~A3、B1~B3、C1~C3、D设 • 备组成，当B1~B3工作柜台办理登机手续时， • 只需动用 A 系统。 • 7.2.2.2 B系统 • B 系统由 A4~A9、B4~B9、C3~C8、D设 • 备组成，当 B4~B9工作柜台办理登机手续时， • 只需动用B系统。

38. 7.2.2.3 C系统 • C系统由 A10~A19、B10~B19、C9~C12、D • 设备组成，当 B10~B19工作柜台办理登机手续 • 时，只需动用C系统。 • A、B、C各分系统由各自的启停按钮来控 • 制，称量输送机A的启停由工作台下边的脚踏开 • 关来控制。在每一个工作台（B1~B19）上都设 • 有启停按钮，但B1~B3上的启停按钮只能启停A • 系统；

39. B4~B9上的启停按钮只能控制 B系统；B10~B19 • 上的启停按钮只能起停 C系统。 • 设备按逆流程启动，这样可避免同时启动时 • 电流过大，而影响其他设备。逆流启动顺序是， • 先启动下游输送设备，经延时后自下而上逐条向 • 上游发展，如 C系统输送设备的启动过程为： • D→ C12 → C11 → C10 → C9

40. 设备的停车按顺流程进行，即先停上游输送 • 设备，经延时后，自上而下逐条向下游发展，这 • 样可以避免上游设备最后一件行李输出后，设备 • 仍然运行而浪费能源，如 C系统输送设备的停 • 车过程为： • C9 → C10 → C11 → C12 • 行李转盘D的停车，则由安装在行李转盘 • 边缘上的停车按钮控制。这主要考虑到行李送到 • 转盘后不一定马上能分检，因此转盘的停车则由

41. 分检人员控制。 • 7.2.3PLC 控制系统 • 7.2.3.1 传统继电器控制系统的缺点 • 实践证明，采用传统的继电器控制系统进行 • 这样复杂的控制，存在下列缺点： • （1） 继电器寿命短，可靠性差。 • （2） 改变逻辑困难。 继电器系统是由许多 • 硬件组成，以执行专用的逻辑功能的。当被控对 • 象需要改动工艺过程时，只能按新的逻辑关系对

42. 硬件。进行组合，因而工作量大、改动困难。 • （3）设计工作量大，电控设备造价高，时间继 • 电器就需30只左右，且定时不准确，调整困难。 • PLC 控制系统则不存在这些缺点，而且功能 • 完备，编程灵活。 • 7.2.3.1 PLC 控制系统的构成 • PLC 的硬件组成，应考虑输入点有多少，以及 • 控制设备的数量及要求。转载输送机C1~C12、

43. 转盘D的控制要求较复杂，因此采用PLC控制设 • 备D与C1~C12。该系统采用F1-60MR型 PLC控 • 制设备，其主要技术性能如下： • 输入 36点 • 输出 24点 • 程序容量 100步 • 内部辅助继电器 无记忆128个，有记忆64个 • 设时器 32个 • 设数器 32个

44. PLC各输入、输出点 • 和连接见图7.9 • 图7.9 系统联接图

45. 7.2.3.3 软件设计 • 软件设计主要分两个方面进行： • （1）起动逆流程程序设计 • （2）停车顺流程程序设计 • （3）然后将两个程序的结果加以综合得到起停 • 综合程序，见图7.10。

46. 图7.10 • C 系统 • 起停程序图

47. 图中只列举了C系统起停程序和综合程序。 • 由于采用了PLC中的特殊功能PLS指令，使 • 整个程序简单明确。PLS指令的功能见波形 • 图7.11 • 图7.11 • PLS指令波形图

48. 图中T为扫描全程序时间， Tmax=1ms、在起 • 停程序中，T50~T55计时器的延时时间由输送设 • 备的启动时间确定，一般为3~4s。停车程序中的 • T450~T452 的时间由下式确定 • （7.1） • 式中 Kt1—C9输送机延时停车时间（s）； • LC9—C9输送机的长度（m）； • VC9 —C9输送机的运行速度（m/s） ；

49. K—修正系数，K>1，可保证是最后一件行李 • 送出该输送机后才能停车。 • 在故障指示方面，利用PLC中特殊功能，用 • 一个输出点指示两种故障，如过载故障为闪光指 • 示，急停故障为常光指示。 • 程序与波形见图7.12。