机电一体化系统典型实例

机电一体化系统典型实例机器人概述机器人是能够自动识别对象或其动作，并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、臂的局部动作，实现抓取、搬运工件或操纵工具等。它综合了周密机械技术、微电子技术、检测传感技术和自动把握技术等领域的最成果，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巨大的影响。可以说，任何一个国家如不拥有确定数量和质量的机器人，就不具备进展国际竞争所必需的工业根底。智能度人机能度机器人感器脑非接触传感器智能度人机能度机器人感器脑非接触传感器手脚物理能度 信息处理机 工程机械8-2生物空间8-2生物空间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推断力气，可以通过各类传感器猎取信息，经过思考作出决策，以完成更简洁的操作。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8-8-2度和物理能度三座标表示的“生物空间物理能度包括力、速度、连续运行力气、均一性、牢靠性等；智能度则指感觉、知觉、记忆、运算规律、学习、鉴定、综合推断等。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，还有假设干智能，因而也属于二元机械。而一般机械都198只有物理能，所以都是一元机械。机器人的组成及根本机能机器人一般由机械系统、驱动系统、把握系统，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。①机械系统。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。②驱动系统。驱动系统的作用是向执行机构供给动力。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把握系统。把握系统是机器人的指挥中心，它把握机器人按规定的程序运动。把握系统可记忆各种指令信息〔如动作挨次、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。必要时还可对机器人动作进展监视，当动作有误或发生故障时即发出警报信号。④检测传感系统。它主要检测机器人机械系统的运动位置、状态，并随时将机械系统的实际位置反响给把握系统，并与设定的位置进展比较，然后通过把握系统进展调整，从而使机械系统以确定的精度到达设定的位置状态。⑤人工智能系统。该系统主要赐予机器人自动识别、推断和适应性操作。机器人运动机能思维把握机能检测机能从机器人的争论进展状况来看，机器人应具有运动机能、思维把握机能和检测机能三机器人运动机能思维把握机能检测机能操行逻自学识动示声位速力作抓走机缉判适应习机别机作智教再光味置检度检及力矩取能断机能能能现检测测检机机能机机测机机测能能能能机能能能机能8-3机器人机能机器人的主要技术参数机器人的技术参数是说明机器人规格与性能的具体指标，一般有以下几个方面：①握取重量〔即臂力。握取重量标明白机器人的负荷力气。这项参数与机器人的运动速度有关，通常指正常运行速度所能握取的工件重量。当机器人运行速度可调时，低速运行时所能握取工件的最大重量比高速时大。为安全起见，也有将高速时所能握取的工件重量作为评价指标，此时常指明运行速度。②运动速度。运动速度是反映机器人工作性能的一项重要技术参数，它与机器人握取重量、定位精度等参数有亲热关系，同时也直接影响机器人的运动周期。③自由度。机器人自由度越多，其动作越灵敏，适应性越强，但构造也相应越简洁。4—6个自由度即能满足工作要求。④定位精度。定位精度即重复定位精度，是衡D量机器人工作质量的一项重要指标。定位精度的高低取决于位置把握方式以及运动部件本身的制造精度和刚度，与握取重量、运行速度等也有亲热关系。M5M4ZM2XW1W2〔包括程序步数和位置信息量〕的大小可说明机器人作业力气的简洁程度及转变程序时的适应力气。M3L存储容量大，则适应性强、通用性好，从事简洁作业的力气强。BJDP-1型机器人该机器人是全电动式、五自由度、具有连续轨迹把握等功能的多关节型示教再现机器人，用于高

8-4机器人的构造原理境的喷砂作业。机器人的本体。该机器人的五

小臂链轮链条4腕部俯仰电机M4

谐波减速器R24柱回转〔L、大臂回转〔D〕小臂回转4

谐波减速器RR5

2小臂驱动电机M25〔X、腕部俯仰 腕部回转电机M 大臂5〔W1〕和腕部转动 立拄谐波减速器R〔W8-41 1

33大臂驱动电机M3

机坐直齿轮所示。把握系统，〔包括驱动

立拄驱动电机M 谐波减速器R8-5机器人机构传动关系与检测〕主要由微型计算机、接口电路、速度把握单元、位置检测电路、示教盒等组成。①计算机。通过光电编码器进展机器人示教和校验，再现的把握包括示教数据编辑、坐标正逆变换、直线插补运算以及伺服系统闭环把握。机床本体数执行元件执行机构零件成品机床本体数执行元件执行机构零件成品位置检测装置零控数数伺件程控控服图序介装机纸编质置构制〔A/D，及把计算机运算结果的数字8-6数控机床工作过程原理图8-6数控机床工作过程原理图伺服系统把握介质数控装置机床测量装置③速度把握单各关节运动的电气驱动系统。④示教盒。它是人机联系的工具，主要由一些点动按点动按键可以对机器人关节的运动位

8-7数控机床的组成置进展现教，利用指令键完成某一指定的操作，实现示A教和再现的各种功能。2微机把握系统的硬件构成如图8-7所示。CPU为 RINTER80865MHz。RAM16K主要用于存储示教R R数据ROM32K存储计算机的监控程序和示教再现的全 BC部把握程序。两片8259A中断把握器相联，共有15级 5V 1 5V中断，用于向计算机输入示教、校验和再现的全部把握Q8253实现采样把握。A/D转换器完成将机器人关节转角转换

DAC0832 DCP 地址〔包〕组成。首先由装在电动机轴上的增量式光电编码器将关节转角转换成数字脉冲，然后经方向判别电路将转换后

WRD0…D7 D15的脉冲分成正转脉冲和反转脉冲，用可逆计数器记录这些脉冲数，从而实现由转角向数字量的转换。D/A9D/A转换器DAC08325V8-8所示。计算机输出D0—D7DAC0832转换，计算机输出的最高位〔符号位〕D15D触发器接收，经反相器反相之后，将D15=15VD15=02DAC0832D/A8-9所示。电机为永磁式直流伺服电机〔功率400、最高转速为2023r/mi、额定电流12三相可控硅全波整流可逆电路，内环为电流反响环，承受纯比例调整。外环为速度环，由于电机轴上的光电编码器输出的数字脉冲频率与电机转速成正比，因此只要将码盘的脉冲频率转换成与频率成比例的电压就能测出电机的转速，所以速度检测就是进展频率/电压转换〔F/，由F/V的输出作为速度负反响，速度环的调整器为带有非线性特性的PID调整器。BJDP-18-1所示。信号综合信号综合PID调整比调整SCR功放电电流检测速度检测8-9速度把握单元8-1BJDP-1型机器人规格参数角度最大速度臂长L±135°30°/sD±35°40°/s600mmX40°/s800mmW±45°70°/s180mmW±135°70°/s工程自由度规格五运动范围工程自由度规格五运动范围重复定位精度 ±0.5mm本体重量 6000(N)示教方式 间接示教示教点数 >1000个点驱动方式 直流伺服电机SCR驱动把握方式 〔直线插补实现〕把握轴数 五轴同步把握存储容量 RAM 16K、ROM 32K外存储器 盒式录音机供电电源 380V、50Hz、1.5Kw把握算法简介23①坐标的指定。关节坐标如图8-10所示。图中X、Y、Z为直角坐标系，1、、、23、

为指定的关节坐标，分别对应五路A/D+”4 51号所示。其中 ——立柱L11

相对基座L0

的转角； ——大臂L2

与铅垂线的夹角；——3

——差动轮系中的3 4 4 3 5

，即手腕轴线与水平—— 45B4－，即喷枪与铅垂面的夹角〔喷枪与手腕垂直固定，5Ｐ点为加工点，其在直角坐标系中的位置。XYZ及姿势参数Ａ、Ｂ的正变换公式为：x=〔－ + + 〕+LSC LC LCx=〔－ + + 〕+5A B 4 A 3 3 22 1 51By=〔－ + + 〕－LSC LC LCy=〔－ + + 〕－5A B 4 A 3 3 22 1 51Bz=－ － LSC LS Lz=－ － 5A B 4A 33 224A=3+，4B=4－5i式中:C长度。i

CO

Si iS

〔=，3，B，Li

〔=12，，，5〕为各臂iZZK向32LA3X34Bθθ4 5YL11LLK向P50L4链条 锥链条5B4 58-10机器人的关节坐标示教时，计算机读进关节坐标i

，然后经坐标正变换，转换为工作点Ｐ的位置与姿势P参数存入内存作为示教点参数。P③直线插补。取机器人的零位〔图8-11〕为每次工作台00

=[x，y，z，A，B]T=[x0，0，z00，0]Ti个示教点，要在第i点和第i+1点之间进展直线插补，并设工作点Ｐ的位置与姿势坐标〔x，yi i

，z，Ai

，B，取第ii+1个示教数据v x ，y

，z ，A

，B ，i+1

i+1

i+1

i+1

i+1

i+1机器人的零位200201则：ixi+1xi

+1—xi；iii+1y+1—y；iiiizi+1z+1—z；ii插补步数为Ｎ

Ai+1Ai+1AiBi+1Bi+1Bi；xx”2y”2z”2

v

为示教速度，表示一个采样i+1

i+1周期内所走的距离。运动增量如下：

i1 ixi+1xi+1ii+1

+1；+1；izi+1zi+1iAi+1A

i+1；+1；Bi+1Bi+1

i+1；i④位置与增量的逆变换。由直线插补得到的位置与姿势增量必需经坐标逆变换，转换成关节坐标的增量后才能作为各关节伺服系统的给定值，把握机器人按给定轨迹运动。逆变换的计算式为：5 21=[C1y—S1x+LCB]/[C1x+S1y5 2—3332=[CM S—333

N]/[LC

2—3]+223=—[SM C+22

N]/[LC

2—3]1114A5AB5AB式中：1114A5AB5AB

1M=C1x+1

x)+(L

+LC

C)A—L

BB4A 5A B 5 ABN=z+(LS—LSC)A—LC4A 5A B 5 AB

C2—=COS(—

i i; 3 2 3 ; i i视觉传感式变量喷药系统简介在农业方面，近年来兴盛国家〔如美国、英国〕都投入大量资金进呈现代农业技术的开发。先后开发出了准确变量播种机、准确变量施肥机以及准确变量喷药机等。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把握杂草、提高产量、削减本钱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把握等技术的成熟，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。彩色数码像 彩色数码像机图像识别系统机载计算机压力设定速

液压泵+

药液入口液马达 泵度 药滴大小压力把握器压力流量把握器

流量计伺服信号PWM信号

伺服-PWM界PWM阀系统的组成

8-12准确变量喷药系统一般地说，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、变量喷撒系统等组成〔图8-1。各子系统的主要功能如下所述。①图像信息猎取系统。主要由彩色数码像机〔PULNIX，TMC-7ZX等〕和高速图像数据采集卡〔如CX100，IMAGENATION，INC等〕组成。采集卡一般置于机载计算机中。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推断，最终作出所需的决策。④变量喷撒系统。是基于视觉信息的把握器，由假设干可调整喷药流量与雾滴大小的变量喷头组成。⑤机器行走系统。有发动机、机身、车轮等组成〔图中省略。工作原理当机器在田间行走时，置于机器上离地面具有确定高度的彩色数码像机就会扫描确定大小的地面一般彩色数码像机可掩盖2.44m 3.05m范围区分率可到达0.005m0.005m。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把握器以及流量把握器，随之它们就把握管路中的压力和PWM了药量、降低了本钱，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约药液18%17%。数控机床数控机床是由计算机把握的高效率自动化机床。它综合应用了电子计算机、自动把握、伺服驱动、周密测量和型机械构造等多方面的技术成果，是今后机床把握的进展方向。随着数控技术的快速进展，数控机床在机械加工中的地位将越来越重要。数控机床的工作原理和组成机床本体执行元件执行机构机床本体执行元件执行机构零件成品位置检测装置8-13数控机床工作过程原理图数零控8-13数控机床工作过程原理图数零控数数伺件程控控服图序介装机纸编质置构制加工程序规定的挨次、轨迹和参数进展工作，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响回路，这样就构成了闭环把握系统，其加工过程原理如图8-13所示。伺服系统把握介质数控装置机床伺服系统把握介质数控装置机床测量装置从工作原理可以看出，数控机床主要由把握介质、数控装置、伺服检测系统和机床本体等四局部组成，其组成框图8-14所示。①把握介质。用于记载

8-14数控机床的组成各种加工信息〔如零件加工的工艺过程、工艺参数和位移数据等现零件的机械加工。常用的把握介质有磁带、磁盘和光盘等。把握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，它的功能是承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展译码、运算和规律处理后，发出相应的脉冲指令送给伺服系统，通过伺服系统把握机床的各个运动部件按规定要求动作。③伺服系统及位置检测装置。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局部。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把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，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、转位和夹紧等关心装置，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。数控系统简介把握程序Z80PIO光电隔离器器驱动零件加工参数CPU简易数控车床把握系统原理框图如图把握程序Z80PIO光电隔离器器驱动零件加工参数CPU图8-15把握系统原理框图把握系统的硬件设计。简易数控车床把握系统的硬件设计主要是驱动电路设计。为了提高系统的抗干扰力气，在步进电机驱动电路与I/O8-16所示。图中，x、y轴电机A、B、C三相把握端均接入反向器，所以，当各相把握端输出高电寻常，经反向器后变为低电平，此时发光二极管亮，因而使光电隔离器中的光敏三极管导通。把握系统的软件设计。为了使车床自动加工零件，必需先将人的意图用机器所能承受的语言编制成加工程序，程序格式不同，其设计方法也不同。下面以南京微电机厂生产的微机数控装置为例，对控制系统的程序设计做一简要说明。①加工程序的总格式。该系统在进展某段工序加工时，需将加工量以十进制的mm数送入，然后送入加工速度字，方向字等。因此，在车床进展加工之前，必需依据零件图纸给出每道工序的刀具运动方向和位移长度。依据零件材料和车床性能以及工艺要求，给出车床的切削速度。该加工程序以四个字节至八个字节为一段程序，先以一段为开头，中间8-17所示。8-18所示。+E+EZ80-CPU2+5V+E1A+5VPA7PA暂停PA6KPA5PA4PA3PA2B1PAPIO 0PBPBPBPBPB7654XCXBXAPB23YCPBPB10YCBYA图8-16简易数控车床把握系统硬件接线图0 126B E快速回零时工件号的方向挨次26表示先回X62Y加工数据 加工指令

开头标记〔BEGIN〕加工程序 D E程序错误标志D E图8-17 加工程序格式

205206直线和斜线加工程序的设计比较简洁。它只需加工刀具在纵向或横向运动。为了把握方向，利用单板机键盘上的数字键的安装位置。直线加工程序首先依据零件图要求，给出加工量，进给方向和加工速度。依据位移量计算所需脉冲数，然后由方向字确定纵向或横向步进电机动作，并用其速度标记判别在加工马上完毕时，是否需进展降速处理。斜线加工指锥面加工，此时x、y方向的步进电机都需动作，斜线加工和直线加工程序一样，其方向也是由单板机上的数字键确定的。斜线加工一般承受插补原理，此外，还有延时程序、手动程序、圆弧程序、圆弧加工程序，以及步进电机把握程序等。启动 位移低字节N有初始化标志吗？Y

出错处理

指针单元内容 A指针调整A保存工件号开 取加工方式字节A始单元内容NA=BE〔判别开头〕？Y

出错处理

YA=AA〔锥度〕？NY

锥度加工建立加工程序指针R

A=E〔延时？N

延时处理检查初始化单元初值

屏蔽低四位延时1

YA=DO〔发信〕？字节拆字 显示工序号 暂停标志显示单元Y检测是否暂停？N指针单元内容A

NYA=BO〔回零〕？NYA=80〔-X〕？N

发信处理回零处理指针调整A=E〔N位移是高字节指针单元内容A指针调整

YA=40〔+Y〕？NY A=20〔-X〕？NY完毕处理 A=60〔-Y〕？N出错显示〔01类〕8-18把握系统主程序流程图

直线加工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 IntergratedManufacturing System〕方面的争论工作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的构造经营决策治理系统经营决策治理系统BDMS计算机关心设计系统柔性制造系统CAD/CAMFMC/FMS/NC图8-19 CIMS主要构造框图随着计算机技术的进展，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、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。其根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治理和把握。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。它是一种以计算机为根底，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效果的生产经营系统。它利用计算机将独立进展起来的计算机关心CADCAFM〔MI〕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、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是在柔性制造技术、计算机技术、信息技术和系统科学的根底上，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制造的一种的生产模式。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征，也是CIMS最主要的技术特征。智能化表达了自动化深度，即不仅涉及物质流把握的传统体力劳动自动化，还包括了信息流把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、销售及用户效劳等全部过程。CIMS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，各子系统相互协调，并且具有相对的独立性。因此，从大的构造来讲，CIMS系统可看成是由经营决策治理系统、计算机关心设计与制造系统、柔性制造系统等组成的〔图8-1。经营决策治理系统完成企业经营治理，如市场分析推想、风险决策、长期进展规划、生产打算与调度、企业内部信息流的协调与把握等；计算机关心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；计算机关心制造系统