西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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，是比西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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。西 南 科 技 大 学 网 络 教 育（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西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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，通过安装西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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，中央处西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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，驱动系西 南 科 技 大 学 网 络 教 育统为电液伺服驱动，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。西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图7.1 喷漆机器人 外形及工作范围西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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，使腰部西 南 科 技 大 学 网 络 教 育作回转运动。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西 南 科 技 大 学 网 络 教 育（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，水西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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。西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图7.3 平衡机构原理图西 南 科 技 大 学 网 络 教 育（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110mm，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。西 南 科 技 大 学 网 络 教 育（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，为了防西 南 科 技 大 学 网 络 教 育爆，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。 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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。 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图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活塞西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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。 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育规定的范围内。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。 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图7.6 液压能源 系统原理图西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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主要用西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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。西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图7.7 控制系统框图西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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，则以西 南 科 技 大 学 网 络 教 育声、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。 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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，也西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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。西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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，可以得到很好的社西 南 科 技 大 学 网 络 教 育会效益。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，西 南 科 技 大 学 网 络 教 育并提高喷涂产品的质量，故该机器人又有很好的 经济效益。西 南 科 技 大 学 网 络 教 育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。 西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图7.8 行李输送系统构成图 B1B19工作柜台 A1A19称量输 送机 C1C12转载输送机 D行李转盘 E控制系统西 南 科 技 大 学 网 络 教 育图中 A1A19、B1B19、C1C6 设在二楼 侯机厅，C10C12 设在一楼，C7、C9 设在二 楼。该系统建成