机电一体化典型实例

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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。 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

2、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。图8-1机器人三要素图8-2生物空间一般认为机器人具备以下要素：思维

3、 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 通性或通用性以及空间占有性等;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

4、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 机器人的组成及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。 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、机身以及 行走机构。 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。 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

5、。控制系统可记忆各种指令信息（如动作顺序，运动轨迹，运动速度及 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 发出警报信号。 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。 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

6、喷砂作业。谐波减速器r2DX4M2M5M3W链轮链条腕部俯仰电机M44图8-3机器人的结构原理谐波减速器R R45腕部回转电机M5小臂驱动电机m2谐波减速器R.3大臂驱动电机m3大臂立拄机坐直齿轮立拄驱动电机M图8-4机器人机构传动关系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8-4所示。& 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、精确变量施肥机以及精确变量 喷药机等。它们

7、都是与机器人极为相似 的自动化系统，是高新技术在农业中的 应用。I三|=1I三|=|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，对它的组成及工作原 理作一简要介绍。（1）系统的组成l=j|=|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。 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

8、像数据采集卡（如CX100, IMAGENATION, INC 等）组成。采 集卡一般置于机载计算机中。 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）。 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。 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。 机器行走系统。有发动机、机身、 车轮等组成(图

9、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2.44m3.05m范围分辨X率可达到0.005m 0005m。与此同时，X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、作物密度以及无植被 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 小控制器以及流量控制器，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

10、。 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 %。&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

11、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1=1位移量，以及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。 控制介质。用于记载各种加(如零件图纸数控程序翥数控介质数控装置执行元件执伺服诰零件成品控制介质刊数控装置*伺服系统图8-6数控机床工作过装原

12、理图128 I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 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。 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。 伺服系统及位置检测装置。伺服 系统

13、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， 机床本体及机械部件。数控机床 的本体及机械部件包括：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

14、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 （ ComputerIntergratedManufacturingSystem）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

15、过程实现管理 和控制。对于CIMS,只需输入所需产 品的有关市场及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 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 及决策支持系统（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 以及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

16、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。从机械加工自动化及自动化技术本 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 涉及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

17、把系统空间扩展到市场、设计、制造、检验、销售及用户服务等全部过程。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，如设计管理、制造管理等子系计算机辅助设计系统CAD/CAM经营决策管理系统亠RDMS757V柔性制造系统FMC/FMS/NC图8-8 CIMS主要结构框图统，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、

18、 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 品及零部件的设计、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

19、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。 CIMS 系统的结构分析与设 计。这是系统集成的理论基础及工具。 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市场信息经营管理上级管理设计管理加工工矿监控生产控制生产过程装配检验检验与反馈自适应与最佳控制自动化仓库图8-9 CIMS系统框图及面向目标的系统设计方法等。 支持集成制造系统的分布式数 据库技术及系统应用支撑软件。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

20、成。 工业局部网络与系统。CIMS系 统中各子系统的互连是通过工业局部 网络实现的，因此必然要涉及网络结构 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。 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、移动机器人及装配机器人、自 动化仓库以及在线检测及质量保障等 技术。 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 涉及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及面向制造控制 与规划开发的专家系统。综上所述，涉及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。