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1、机电一体化典型实例 8 机电一体化系统典型实例 8.1 机器人 8.1.1 概述 机器人是能够自动识别对象或其动作，根据识别，自动决定应采取动作的自动化装置。它能模拟人的手、臂的部分动作，实现抓取、搬运工件或操纵工具等。它综合了精密机械技术、微电子技术、检测传感技术和自动控制技术等领域的最新成果，是具有发展前途的机电一体化典型产品。机器人技术的应用会越来越广，将对人类的生产和生活产生巨大的影响。可以说，任何一个国家如不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备进行国际竞争所必需的工业基础。 机器人的发展大致经过了三个阶段
2、 第一代机器人为示教再现型机器人，为了让机器人完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业顺序、作业时间等）通过直接或间接的手段，对机器人进行示教，机器人将这些知识记忆下来，然后根据再现指令，在一定的精度范围内，忠实地重复再现各种被示教的动作。第二代机器人通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）的机器人，即由传感器得到的触觉、听觉、视觉等信息经计算机处理后，控制机器人完成相应的操作。第三代机器人通常是指具有高级智能的机器人，其特点是具有自学习和逻辑判断能力，可以通过各类传感器获取信息，经过思考做出决策，以完成更复杂的操作。 工程机械 信息处理机
3、物理能度 机器人 人 机能度 智能度 图8-2生物空间 思维系统 脑 工作系统 手 脚 非接触传感器 图8-1机器人三要素 接触传感器 一般认为机器人具备以下要素：思维系统（相当于脑），工作系统（相当于手），移动系统（相当于脚），非接触传感器（相当于耳、鼻、目）和接触传感器（相当于皮肤）（图8-1）。如果对机器人的能力评价标准与对生物能力的评价标准一样，即从智能、机能和物理能三个方面进行评价，机器人能力与生物能力具有一定的相似性。图8-2是以智能度、机能度和物理能度三座标表示的“生物空间”，这里，机能度是指变通性或
4、通用性以与空间占有性等；物理能度包括力、速度、连续运行能力、均一性、可靠性等；智能度则指感觉、知觉、记忆、运算逻辑、学习、鉴定、综合判断等。把这些概括起来可以说，机器人是具有生物空间三座标的三元机械。某些工程机械有移动性，占有空间不固定性，因而是二元机械。计算机等信息处理机，除物理能之外，还有若干智能，因而也属于二元机械。而一般机械都只有物理能，所以都是一元机械。 8.1.2 机器人的组成与基本机能 机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统，检测传感系统和人工智能系统等组成，各系统功能如下所述。
5、 ① 执行系统。执行系统是完成抓取工件（或工具）实现所需运动的机械部件，包括手部、腕部、臂部、机身以与行走机构。 ② 驱动系统。驱动系统的作用是向执行机构提供动力。随驱动目标的不同，驱动系统的传动方式有液动、气动、电动和机械式四种。 ③ 控制系统。控制系统是机器人的指挥中心，它控制机器人按规定的程序运动。控制系统可记忆各种指令信息（如动作顺序，运动轨迹，运动速度与时间等），同时按指令信息向各执行元件发出指令。必要时还可对机器人动作进行监视，当动作有误或发生故障时即发出警
6、报信号。 ④ 检测传感系统。它主要检测机器人执行系统的运动位置、状态，并随时将执行系统的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行系统以一定的精度达到设定的位置状态。 ⑤ 人工智能系统。该系统主要赋予机器人自动识别、判断和适应性操作。 8.1.4 BJDP-1型机器人 该机器人是全电动式、五自由度、具有连续轨迹控制等功能的多关节型示教再现机器人，用于高噪声，高粉尘等恶环境的喷砂作业。 该机器人的五个自由度，分别是立柱回转（L）、大臂回转（D）小臂回转（X）、腕部俯仰（W1）和腕部转动（W2），其机构原理如图8-3所示，机构的传动关系如图8-
7、4所示。 谐波减速器R2 谐波减速器R3 大臂 图8-4机器人机构传动关系 立拄驱动电机M1 大臂驱动电机M3 腕部俯仰电机M4 谐波减速器R4 R5 链轮链条 腕部回转电机M5 小臂 谐波减速器R1 直齿轮 机坐 立拄 小臂驱动电机M2 图8-3机器人的结构原理 M2 M3 M5 M4 Z X W1 W2 L D 8.2视觉传感式变量喷药系统简介 在农业方面，近年来发达国家（如美国、英国）都投入大量资金进行现代农业技术的开发。先后开发出了精确变量播种机、精确变量施肥机以与精确变量喷药机等。它们都是与
8、机器人极为相似的自动化系统，是高新技术在农业中的应用。 视觉传感变量喷药系统，是以较少药剂而有效控制杂草、提高产量、减少成本的一种自动化药物喷撒机械。近年来，随着杂草识别的视觉感知技术与变量喷药控制等技术的成熟，这种视觉传感式变量喷药机械也趋于成熟。下面就以这种系统为例，对它的组成与工作原理作一简要介绍。 （1） 系统的组成 一般地说，这种机器由图像信息获取系统、图像信息处理系统、决策支持系统、变量喷撒系统等组成（图8-5）。各子系统的主要功能如下所述。 ① 图像信息获取系统。主要由彩色数码像机（如PULNIX， TMC-7ZX等）和高速图像数据采集卡（如CX100，IMAGENAT
9、ION，INC等）组成。采集卡一般置于机载计算机中。 ② 图像信息处理系统。是一种基于影像信息的提取算法，由计算机高级语言（如C++等）开发出的一种软件系统。它能够快速准确地提取出影像数据中包含的人们所需的信息（如杂草密度，草叶数量，无作物间距区域面积等）。 ③ 决策支持系统。 也是由高级语言开发出的一种软件系统。它能够基于信息处理系统，把得到的有用信息与人们的决策要求作综合判断，最后作出所需的决策。 ④ 变量喷撒系统。是基于视觉信息的控制器，由若干可调节喷药流量与雾滴大小的变量喷头组成。 液压泵 液马达 液压控制 压力设定 药滴大小压力控制器 流量控制器 流量计 压力
10、 传感器 药液泵 药液入口 机载计算机及界面 速度 伺服信号 伺服-PWM界面/驾驶员 PWM信号 PWM阀 图像识别系统 彩色数码像机 彩色数码像机 + 图8-5精确变量喷药系统 ⑤ 机器行走系统。有发动机、机身、车轮等组成（图中省略）。 （2）工作原理 当机器在田间行走时，置于机器上离地面具有一定高度的彩色数码像机就会扫描一定大小的地面。一般彩色数码像机可覆盖2.44m 3.05m范围分辨率可达到0.005m0.005m。与此同时，高速图像数据采集卡将彩色数码像机获取的信息存入计算机中。然后，由图像信息处理系统快速地将地面杂草的密度、草叶数量、作物密度
11、以与无植被区域面积等信息提取出来，并由决策支持系统调用这些信息，经过数据处理得到所需的行走速度、药液流量和雾滴大小等的决策。这些决策被传输给药滴大小控制器以与流量控制器，随之它们就控制管路中的压力和PWM脉宽调制变量喷头。从而实现了精确变量喷药。这样一方面减少了药量、降低了成本，另一方面保护作物、减少对环境的污染。据报道，与传统的喷撒方法比较，变量喷药系统在杂草高密区可节约药液18 %，在杂草低密区可节约药液17 %。 8.3 数控机床 数控机床是由计算机控制的高效率自动化机床。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展
12、方向。随着数控技术的迅速发展，数控机床在机械加工中的地位将越来越重要。 8.3.1 数控机床的工作原理和组成 (1) 数控机床的工作原理 数控机床加工零件时，是将被加工零件的工艺过程、工艺参数等用数控语言编制成加工程序，这些程序是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、起停，进给运动的方向、速度和位移量，以与其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。为了提高加工精度，一般还装有位置检测反馈回路，这样就构成了闭环控制系统，其加工过程原理如图8-6所示。 （2）数控机床的组成 从工作原理可以看出，数控机
13、床主要由控制介质、数控装置、伺服检测系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图8-7所示。 机床 控制介质 数控装置 伺服系统 测量装置 图8-7 数控机床的组成 图8-6数控机床工作过程原理图 执行机构 零件成品 位置检测装置 机床本体 执行元件 伺服机构 数控装置 数控介质 数控程序编制 零件图纸 ① 控制介质。用于记载各种加工信息（如零件加工的工艺过程、工艺参数和位移数据等），以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的控制介质有磁带、磁盘和光盘等。控制介质上记载的加工信息经输入装置输送给数控装置。常用的输入装置有磁盘驱动器和光盘驱动器等，对于用微处理
14、机控制的数控机床，也用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接用键盘输入，并在CRT显示器显示。 ② 数控装置。数控装置是数控机床的核心，它的功能是接受输入装置输送给的加工信息，经过数控装置的系统软件或电路进行译码、运算和逻辑处理后，发出相应的脉冲指令送给伺服系统，通过伺服系统控制机床的各个运动部件按规定要求动作。 ③ 伺服系统与位置检测装置。伺服系统由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。由机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统，它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移量。每个进给运动的执行部件都配有一套伺服系统。伺服系统有开环、闭环
15、和半闭环之分，在闭环和半闭环伺服系统中，还需配有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量， ④ 机床本体与机械部件。数控机床的本体与机械部件包括：主动运动部件、进给运动执行部件（如工作台、刀架）、传动部件和床身立柱等支承部件，此外还有冷却，润滑、转位和夹紧等辅助装置，对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。 8.4 计算机集成制造系统 近年来世界各国都在大力开展计算机集成制造系统CIMS（Computer Intergrated Manufacturing System）方面的研究工作。CIMS是计算机技术和机械制造业相结合的产物，是机械
16、制造业的一次技术革命。 (1) CIMS的结构 随着计算机技术的发展，机械工业自动化已逐步从过去的大批量生产方式向高效率、低成本的多品种、小批量自动化生产方式转变。CIMS就是为了实现机械工厂的全盘自动化和无人化而提出来的。其基本思想就是按系统工程的观点将整个工厂组成一个系统，用计算机对产品的初始构思和设计直至最终的装配和检验的全过程实现管理和控制。对于CIMS，只需输入所需产品的有关市场与设计的信息和原材料，就可以输出经过检验的合格产品。它是一种以计算机为基础，将企业全部生产活动的各个环节与各种自动化系统有机地联系起来，借以获得最佳经济效果的生产经营系统。它利用计算机将独立
17、发展起来的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、柔性制造系统（FMS），管理信息系统（MIS）以与决策支持系统（DSS）综合为一个有机的整体，从而实现产品订货、设计、制造、管理和销售过程的自动化。它是一种把工程设计、生产制造、市场分析以与其它支持功能合理地组织起来的计算机集成系统。CIMS是在柔性制造技术、计算机技术、信息技术和系统科学的基础上，将制造工厂经营活动所需的各种自动化系统有机地集成起来，使其能适应市场变化和多品种、小批量生产要求的高效益、高柔性的智能生产系统。 由此可见，计算机集成制造系统是在新的生产组织原理和概念指导下形成的生产实体，它不仅是现有生产模式的计
18、算机化和自动化，而且是在更高水平上创造的一种新的生产模式。 从机械加工自动化与自动化技术本身的发展看，智能化和综合化是未来的主要特征，也是CIMS最主要的技术特征。智能化体现了自动化深度，即不仅涉与物质流控制的传统体力劳动自动化，还包括了信息流控制的脑力劳动自动化；而综合化反映了自动化的广度，它把系统空间扩展到市场、设计、制造、检验、销售与用户服务等全部过程。 经营决策管理系统 BDMS 计算机辅助设计系统 CAD/CAM 柔性制造系统 FMC/FMS/NC 图8-8 CIMS主要结构框图 CIMS系统构成的原则，是按照在制造工厂形成最终产品所必需的功能划分系统，如设计
19、管理、制造管理等子系统，它们分别处理设计信息与管理信息，各子系统相互协调，并且具有相对的独立性。因此，从大的结构来讲，CIMS系统可看成是由经营决策管理系统、计算机辅助设计与制造系统、柔性制造系统等组成的（图8-8）。经营决策管理系统完成企业经营管理，如市场分析预测、风险决策、长期发展规划、生产计划与调度、企业内部信息流的协调 与控制等；计算机辅助设计系统完成产品与零部件的设计、自动编程、机器人程序设计、工程分析、输出图纸和材料清单等；计算机辅助制造系统则完成工艺过程设计、自动编程、机器人程序设计等；柔性制造系统完成物料加工制造的全过程，实现信息流和物料流
20、的统一管理，如将CIMS的系统功能细化，可得到如图8-9所示的框图。 （2）CIMS的主要技术关键 CIMS是一个复杂的系统，它适用于多品种、中小批量的高效益、高柔性的智能化生产与制造。它是由很多子系统组成的，而这些子系统本身又都是具有相当规模的复杂系统。虽然世界上很多发达国家已投入大量资金和人力研究它，但仍存在不少技术问题有待进一步探索和解决。归纳起来，大致有以下五个方面。 ① CIMS系统的结构分析与设计。这是系统集成的理论基础与工具。如系统结构组织学和多级递阶决策理论、离散事件动态系统理论、建模技术与仿真、系统可靠性理论与容错控制以与面向目标的系统设计方法等。 自适应与最
21、佳控制 经营管理 市场信息 上级管理 设计管理 制造管理 生产控制 生产设备 生产过程 加工 装配 检验 检验与反馈 工矿监控 自动化仓库 机械加工 自动装配 产品检验 加工单元 加工单元 检测单元 检测单元 外购件 图 8-9 CIMS 系统框图 1 1 n n ………. ………. ② 支持集成制造系统的分布式数据库技术与系统应用支撑软件。其中包括支持CAD／CAPP/CAM集成的数据库系统，支持分布式多级生产管理调度的数据库系统，分布式数据系统与实时在线递阶控制系统的综合与集成。 ③ 工业局部网络与系统。CIMS系统中
22、各子系统的互连是通过工业局部网络实现的，因此必然要涉与网络结构优化、网络通信的协议、网络的互连与通信、网络的可靠性与安全性等问题的研究，甚至进一步还可能需要对支持数据、语言、图像信息传输的宽带通信网络进行探讨。 ④ 自动化制造技术与设备。这是实现CIMS的物质技术基础，其中包括自动化制造设备FMS、自动化物料输送系统、移动机器人与装配机器人、自动化仓库以与在线检测与质量保障等技术。 ⑤ 软件开发环境。良好的软件开发环境是系统开发和研究的保证。这里涉与面向用户的图形软件系统、适用于CIMS分析设计的仿真软件系统、CAD直接检查软件系统以与面向制造控制与规划开发的专家系统。 综上所述，涉与CIMS的技术关键很多，制定和开发计算机集成制造系统是一项重要而艰巨的任务。而对计算机集成制造系统的投资则更是一项长远的战略决策。一旦取得突破，CIMS技术必将深刻地影响企业的组织结构，使机械制造工业产生一次巨大飞跃。 130 / 12
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