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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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,依据识别,自动打算应实行动作的自动扮装置；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掌握技术等领域的最新成果,是具有进展前途的机电 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庞大的影响；可以说,任何一个国家如不拥有肯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；机器人的进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
2、完成某项作业,第一由操作者将完成该作业所需的各种学问如运动轨迹、作业条件、作业 次序、作业时间等通过直接或间接的手段,对机器人进行示教,机器人将这些学问记忆下 来,然后依据再现指令,在肯定的精度范畴内,忠实地重复再现各种被示教的动作；其次代 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、视觉等信息经电脑处理后,掌握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规律判定才能,可以通过各类传感器猎取信息,经过摸索做出决策,以完成更复杂的操作；智接触传思维系统非接触能人感器脑传感器机能度机器人工作系统手 脚 物理能度 信息
3、处理机 工程机械图 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；假如对机器人的才能评判标准与对生物才能的评判标准一样,即从智能、机能和物理能三个方面进行评判,机器人才能与生物才能具有肯定的相像性；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、连续运行才能、均一性、牢靠性等；智能度就指感觉、知觉、记忆、运算规律、学习、鉴定、综合判定等；把这些概括起来可以说,机器
4、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；电脑等信息 处理机,除物理能之外,仍有假设干智能,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、掌握系统,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、119 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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
5、构供应动力；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； 掌握系统；掌握系统是机器人的指挥中心,它掌握机器人按规定的程序运动；掌握系 统可记忆各种指令信息如动作次序,运动轨迹,运动速度准时间等,同时按指令信息向各 执行元件发出指令；必要时仍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 实际位置反馈给掌握系统,并与设定的位置进行比较,然后通过掌握系统进行调整,从而使 执行系统以肯定的精度到达设定的位置状态； 人工智能系统；该系统主要给予机器人自动识别、判定和适应性操作；8.1
6、.4 BJDP-1 型机器人 该机器人是全电动式、五自由度、具有连续轨迹掌握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8-4 所示；谐波减速器R2 小臂D链轮链条小臂驱动电机M 2 M 5 M4 X 腕部俯仰电机M 4 ZM2 W1 W2 谐波减速器 R4 R5 M3 L 腕部回转电机M 5 大臂谐波减速器R3 立拄机坐大臂驱动电机M 3 图 8-3 机器人的结构原理直齿轮立拄驱动电机M 1谐波减速器R1 图 8-4 机器人机构
7、传动关系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、精确变量施肥机以及精确变量喷药机等；它们都是与机器人 极为相像的自动化系统,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掌握杂草、提高产量、削减成本的一种自 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掌握等技术的成熟,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 一般地说,这种机器由图像信息猎取系统、图像信息处理系统、决策支持系统、变量
8、喷 撒系统等组成图 8-5；各子系统的主要功能如下所述； 图像信息猎取系统；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,IMAGENA TION , INC 等组成；采集卡一般置于机载电脑中；120 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图像信息处理系统；是一种基于影像信息的提取算法,由电脑高级语言如 C+等开发出的一种软件系统；它能够快速精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
9、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定,最终作出所需的决策； 变量喷撒系统； 是基于视觉信息的掌握器,量喷头组成；由假设干可调剂喷药流量与雾滴大小的变 机器行走系统；有发动机、机身、车轮等组成图中省略；彩 色 数 码 像 彩色数码像机图像识别系统速液压泵液马达药液入口机载电脑及液 压 控药液压力设定+ 泵度药滴大小压力掌握器压力流量掌握器 流量计伺服信号PWM 信号伺服 -PWM 界PWM 阀图 8-5 精确变量喷药系统2工作原理 当机器在田间行走时,置于机器上离地面具有肯定高度的彩色数码像机就会扫描肯定大小的地面；一般彩色数码像机可掩盖2.44m 范畴辨论率可
10、到达；与此同时,高速图像数据采集卡将彩色数码像机猎取的信息存入电脑中；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掌握器以及流量掌握器,随之它们就掌握管路中的压力和 PWM 脉宽调 制变量喷头；从而实现了精确变量喷药；这样一方面削减了药量、降低了成本,另一方面保 护作物、削减对环境的污染；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省药液18 %,在杂草低密区可节省药液17 %；8.3 数控机床 数控机床是
11、由电脑掌握的高效率自动化机床；它综合应用了电子电脑、自动掌握、伺服 驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果,是今后机床掌握的进展方向；随着数 控技术的快速进展,数控机床在机械加工中的位置将越来越重要；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,再由数控装置掌握机121 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 床主运动的变速、起停,进给运动的方向、速度和位移量,
12、以及其它帮助装置严格地依据加 工程序规定的次序、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,一般仍装有位置检测反馈回路,这样就构成了闭环掌握系统,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,数控机床主要由掌握介质、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； 掌握介质；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,以掌握机床的运动,实现零件的机械加工；常用的掌握介质有磁带、磁盘和光盘等；控制介质上记载的加工零 件数 控 程 序 编数 控 介数 控伺机床本体执 行 机 构零 件 成信息经输入装置
13、输送给数控装置；常用的执 行 元 件服 机 构输入装置有磁盘驱动图 纸装 置品质器和光盘驱动器等,制对于用微处理机掌握位置检测装置的数控机床,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掌握介质图 8-6 数控机床工作过程原理图机床显示器显示；伺服系统 数控装置； 数控数控装置装 置 是 数 控 机 床 的 核测量装置心,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 译图 8-7 数控机床的组成码、运算和规律处理后,发出相应的脉冲指令送给伺服系统,通过伺服系统掌握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
14、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,它依据数控 装置发来的速度和位移指令掌握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,仍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,此外仍有冷却,润滑、转位和 夹紧等帮助装置,对于加工中心类的数控机床,仍有存放刀具的刀库,交换刀具的机械手等 部件
15、；8.4 电脑集成制造系统 近 年 来 世 界 各 国 都 在 大 力 开 展 电 脑 集 成 制 造 系 统 CIMS Computer Intergrated Manufacturing System方面的讨论工作；CIMS 是电脑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 的结构随着电脑技术的进展,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,用电脑对产品 122 名师归纳总结 - - - -
16、 - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的初始构思和设计直至最终的装配和检验的全过程实现治理和掌握；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；它是一种以电 脑为基础,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 正确经济成效的生产经营系统；它利用电脑将独立进展起来的电脑帮助设计CAD 、电脑辅 助制造 CAM 、柔性制造系统FMS ,治理信息系统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、治理和销售过程的自动化；它是 一种把工程设计、
17、生产制造、市场分析以及其它支持功能合理地组织起来的电脑集成系统；CIMS 是在柔性制造技术、电脑技术、 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,电脑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电脑化和自动化,而且是在更高水平上制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进展看,智能化和综合化是将来的主要特点,也是CIMS 最主要的技术特点；智能化表达了自动化深度,即不仅涉及物质流掌握的传统体力劳动自动化,仍包括了信
18、息流掌握的脑力劳动自动化；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、销售及用户服务等全部过程；CIMS 系统构成的原就, 是依据在制造工厂形成最终产品所必需的功能划分系统,如设计 治理、制造治理等子系统,它们分别处理设计信息与治理信息,各子系统相互和谐,并且具有相对的独立性；因此,从大的结构来讲,助设计与制造系统、柔性制造系统等组成的图CIMS 系统可看成是由经营决策治理系统、电脑辅 8-8；经营决策治理系统完成企业经营治理,如市场分析猜测、风险决策、长期进展规划、生产方案与调度、企业内部信息流的和谐经营决策治理系统BDMS 电脑帮助设计系统 柔性制造系统CAD/
19、CAM FMC/FMS/NC 图 8-8 CIMS 主要结构框图与掌握等；电脑帮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；电脑帮助制造系统就完成工艺过程设计、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治理,如将 CIMS 的系统功能细化,可得到如图 8-9 所示的框图；2CIMS 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；它是由许多子系统组成的,而这些子系统本身又都是具有相当规模的复杂系统；虽然 世界上许多发达国家已投入大量资金和人力
20、讨论它,但仍存在不少技术问题有待进一步探究 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、离散大事动态系统理论、建模技术与仿真、系统牢靠性理论与容错控 制以及面对目标的系统设计方法等；123 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 市场信息经营治理上级治理设计治理 制造治理加工工矿监控生产掌握加生产设备检生产过程装配检验检验与反馈机 械自 动产 品自适应与最正确掌握加 工装 配检 验检加外工 单 元 .工 单 元购 件测 单 元
21、.测 单 元1 n 1 n 自动化仓库图 8-9 CIMS 系统框图 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治理调度的数据库系统,分布式数据系 统与实时在线递阶掌握系统的综合与集成； 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,因此必定要涉及网络结构优化、网络通信的协议、网络的互连与通信、网络的牢靠性与安全性等 问题的讨论,甚至进一步仍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讨论的保证；这里涉及面对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对制造掌握与规划开发的专家系统；综上所述,涉及 CIMS 的技术关键许多,制定和开发电脑集成制造系统是一项重要而艰 巨的任务；而对电脑集成制造系统的投资就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庞大飞跃；124 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 6 页