1、8 機電一體化系統(tǒng)典型實例8.1 機器人8.1.1 概述 機器人是能夠自動識別對象或其動作，根據(jù)識別，自動決定應(yīng)采取動作的自動化裝置。它能模擬人的手、臂的部分動作，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具等。它綜合了精密機械技術(shù)、微電子技術(shù)、檢測傳感技術(shù)和自動控制技術(shù)等領(lǐng)域的最新成果，是具有發(fā)展前途的機電一體化典型產(chǎn)品。機器人技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣，將對人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生巨大的影響。可以說，任何一個國家如不擁有一定數(shù)量和質(zhì)量的機器人，就不具備進行國際競爭所必需的工業(yè)基礎(chǔ)。 機器人的發(fā)展大致經(jīng)過了三個階段。 第一代機器人為示教再現(xiàn)型機器人，為了讓機器人完成某項作業(yè)，首先由操作者將完成該作業(yè)所需的各種知識（如

2、運動軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序、作業(yè)時間等）通過直接或間接的手段，對機器人進行示教，機器人將這些知識記憶下來，然后根據(jù)再現(xiàn)指令，在一定的精度范圍內(nèi)，忠實地重復(fù)再現(xiàn)各種被示教的動作。第二代機器人通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）的機器人，即由傳感器得到的觸覺、聽覺、視覺等信息經(jīng)計算機處理后，控制機器人完成相應(yīng)的操作。第三代機器人通常是指具有高級智能的機器人，其特點是具有自學(xué)習(xí)和邏輯判斷能力，可以通過各類傳感器獲取信息，經(jīng)過思考做出決策，以完成更復(fù)雜的操作。工程機械信息處理機物理能度機器人人機能度智能度圖8-2生物空間思維系統(tǒng)腦工作系統(tǒng)手腳非接觸傳感器圖8-1機器人三要素接觸傳感器一般認為

3、機器人具備以下要素：思維系統(tǒng)（相當(dāng)于腦），工作系統(tǒng)（相當(dāng)于手），移動系統(tǒng)（相當(dāng)于腳），非接觸傳感器（相當(dāng)于耳、鼻、目）和接觸傳感器（相當(dāng)于皮膚）（圖8-1）。如果對機器人的能力評價標(biāo)準(zhǔn)與對生物能力的評價標(biāo)準(zhǔn)一樣，即從智能、機能和物理能三個方面進行評價，機器人能力與生物能力具有一定的相似性。圖120 / 108-2是以智能度、機能度和物理能度三座標(biāo)表示的“生物空間”，這里，機能度是指變通性或通用性以及空間占有性等；物理能度包括力、速度、連續(xù)運行能力、均一性、可靠性等；智能度則指感覺、知覺、記憶、運算邏輯、學(xué)習(xí)、鑒定、綜合判斷等。把這些概括起來可以說，機器人是具有生物空間三座標(biāo)的三元機械。某些工程

4、機械有移動性，占有空間不固定性，因而是二元機械。計算機等信息處理機，除物理能之外，還有若干智能，因而也屬于二元機械。而一般機械都只有物理能，所以都是一元機械。8.1.2 機器人的組成及基本機能機器人一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，檢測傳感系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等組成，各系統(tǒng)功能如下所述。 執(zhí)行系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)是完成抓取工件（或工具）實現(xiàn)所需運動的機械部件，包括手部、腕部、臂部、機身以及行走機構(gòu)。 驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)的作用是向執(zhí)行機構(gòu)提供動力。隨驅(qū)動目標(biāo)的不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式有液動、氣動、電動和機械式四種。 控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是機器人的指揮中心，它控制機器人按規(guī)定的程序運動。控制系統(tǒng)可記憶各種

5、指令信息（如動作順序，運動軌跡，運動速度及時間等），同時按指令信息向各執(zhí)行元件發(fā)出指令。必要時還可對機器人動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有誤或發(fā)生故障時即發(fā)出警報信號。 檢測傳感系統(tǒng)。它主要檢測機器人執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置、狀態(tài)，并隨時將執(zhí)行系統(tǒng)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達到設(shè)定的位置狀態(tài)。 人工智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要賦予機器人自動識別、判斷和適應(yīng)性操作。8.1.4 BJDP-1型機器人該機器人是全電動式、五自由度、具有連續(xù)軌跡控制等功能的多關(guān)節(jié)型示教再現(xiàn)機器人，用于高噪聲，高粉塵等惡環(huán)境的噴砂作業(yè)。該機器人的五個自由度，分別是立柱回

6、轉(zhuǎn)（L）、大臂回轉(zhuǎn)（D）小臂回轉(zhuǎn)（X）、腕部俯仰（W1）和腕部轉(zhuǎn)動（W2），其機構(gòu)原理如圖8-3所示，機構(gòu)的傳動關(guān)系如圖8-4所示。諧波減速器R2諧波減速器R3大臂圖8-4機器人機構(gòu)傳動關(guān)系立拄驅(qū)動電機M1大臂驅(qū)動電機M3腕部俯仰電機M4諧波減速器R4 R5鏈輪鏈條腕部回轉(zhuǎn)電機M5小臂諧波減速器R1直齒輪機坐立拄小臂驅(qū)動電機M2圖8-3機器人的結(jié)構(gòu)原理M2M3M5M4ZXW1W2LD8.2視覺傳感式變量噴藥系統(tǒng)簡介 在農(nóng)業(yè)方面，近年來發(fā)達國家（如美國、英國）都投入大量資金進行現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的開發(fā)。先后開發(fā)出了精確變量播種機、精確變量施肥機以及精確變量噴藥機等。它們都是與機器人極為相似的自動化系統(tǒng)

7、，是高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。視覺傳感變量噴藥系統(tǒng)，是以較少藥劑而有效控制雜草、提高產(chǎn)量、減少成本的一種自動化藥物噴撒機械。近年來，隨著雜草識別的視覺感知技術(shù)與變量噴藥控制等技術(shù)的成熟，這種視覺傳感式變量噴藥機械也趨于成熟。下面就以這種系統(tǒng)為例，對它的組成及工作原理作一簡要介紹。（1） 系統(tǒng)的組成一般地說，這種機器由圖像信息獲取系統(tǒng)、圖像信息處理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、變量噴撒系統(tǒng)等組成（圖8-5）。各子系統(tǒng)的主要功能如下所述。 圖像信息獲取系統(tǒng)。主要由彩色數(shù)碼像機（如PULNIX， TMC-7ZX等）和高速圖像數(shù)據(jù)采集卡（如CX100，IMAGENATION，INC等）組成。采集卡一般置于機載計算

8、機中。 圖像信息處理系統(tǒng)。是一種基于影像信息的提取算法，由計算機高級語言（如C+等）開發(fā)出的一種軟件系統(tǒng)。它能夠快速準(zhǔn)確地提取出影像數(shù)據(jù)中包含的人們所需的信息（如雜草密度，草葉數(shù)量，無作物間距區(qū)域面積等）。 決策支持系統(tǒng)。 也是由高級語言開發(fā)出的一種軟件系統(tǒng)。它能夠基于信息處理系統(tǒng)，把得到的有用信息與人們的決策要求作綜合判斷，最后作出所需的決策。 變量噴撒系統(tǒng)。是基于視覺信息的控制器，由若干可調(diào)節(jié)噴藥流量與霧滴大小的變量噴頭組成。液壓泵液馬達液壓控制壓力設(shè)定藥滴大小壓力控制器流量控制器流量計壓力傳感器藥液泵藥液入口機載計算機及界面速度伺服信號伺服-PWM界面/駕駛員PWM信號PWM閥圖像識別系

9、統(tǒng)彩色數(shù)碼像機彩色數(shù)碼像機+圖8-5精確變量噴藥系統(tǒng) 機器行走系統(tǒng)。有發(fā)動機、機身、車輪等組成（圖中省略）。（2）工作原理當(dāng)機器在田間行走時，置于機器上離地面具有一定高度的彩色數(shù)碼像機就會掃描一定大小的地面。一般彩色數(shù)碼像機可覆蓋2.44m 3.05m范圍分辨率可達到0.005m0.005m。與此同時，高速圖像數(shù)據(jù)采集卡將彩色數(shù)碼像機獲取的信息存入計算機中。然后，由圖像信息處理系統(tǒng)快速地將地面雜草的密度、草葉數(shù)量、作物密度以及無植被區(qū)域面積等信息提取出來，并由決策支持系統(tǒng)調(diào)用這些信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到所需的行走速度、藥液流量和霧滴大小等的決策。這些決策被傳輸給藥滴大小控制器以及流量控制器，隨之

10、它們就控制管路中的壓力和PWM脈寬調(diào)制變量噴頭。從而實現(xiàn)了精確變量噴藥。這樣一方面減少了藥量、降低了成本，另一方面保護作物、減少對環(huán)境的污染。據(jù)報道，與傳統(tǒng)的噴撒方法比較，變量噴藥系統(tǒng)在雜草高密區(qū)可節(jié)約藥液18 %，在雜草低密區(qū)可節(jié)約藥液17 %。8.3 數(shù)控機床數(shù)控機床是由計算機控制的高效率自動化機床。它綜合應(yīng)用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。隨著數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床在機械加工中的地位將越來越重要。8.3.1 數(shù)控機床的工作原理和組成(1) 數(shù)控機床的工作原理數(shù)控機床加工零件時，是將被加工零件的工藝過程、工藝參數(shù)等

11、用數(shù)控語言編制成加工程序，這些程序是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變速、起停，進給運動的方向、速度和位移量，以及其它輔助裝置嚴(yán)格地按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合要求的零件。為了提高加工精度，一般還裝有位置檢測反饋回路，這樣就構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，其加工過程原理如圖8-6所示。（2）數(shù)控機床的組成從工作原理可以看出，數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服檢測系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖8-7所示。機床控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)測量裝置圖8-7 數(shù)控機床的組成圖8-6數(shù)控機床工作過程原理圖執(zhí)行機構(gòu)零件成品位置檢測裝置

12、機床本體執(zhí)行元件伺服機構(gòu)數(shù)控裝置數(shù)控介質(zhì)數(shù)控程序編制零件圖紙 控制介質(zhì)。用于記載各種加工信息（如零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù)等），以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的機械加工。常用的控制介質(zhì)有磁帶、磁盤和光盤等。控制介質(zhì)上記載的加工信息經(jīng)輸入裝置輸送給數(shù)控裝置。常用的輸入裝置有磁盤驅(qū)動器和光盤驅(qū)動器等，對于用微處理機控制的數(shù)控機床，也用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接用鍵盤輸入，并在CRT顯示器顯示。 數(shù)控裝置。數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，它的功能是接受輸入裝置輸送給的加工信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或電路進行譯碼、運算和邏輯處理后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖指令送給伺服系統(tǒng)，通過伺服系統(tǒng)控制機床的各

13、個運動部件按規(guī)定要求動作。 伺服系統(tǒng)及位置檢測裝置。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電機和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。由機床的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)，它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令控制執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移量。每個進給運動的執(zhí)行部件都配有一套伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)之分，在閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，還需配有位置測量裝置，直接或間接測量執(zhí)行部件的實際位移量， 機床本體及機械部件。數(shù)控機床的本體及機械部件包括：主動運動部件、進給運動執(zhí)行部件（如工作臺、刀架）、傳動部件和床身立柱等支承部件，此外還有冷卻，潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置，對于加工中心類的數(shù)控機

14、床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手等部件。8.4 計算機集成制造系統(tǒng)近年來世界各國都在大力開展計算機集成制造系統(tǒng)CIMS（Computer Intergrated Manufacturing System）方面的研究工作。CIMS是計算機技術(shù)和機械制造業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機械制造業(yè)的一次技術(shù)革命。 (1) CIMS的結(jié)構(gòu)隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，機械工業(yè)自動化已逐步從過去的大批量生產(chǎn)方式向高效率、低成本的多品種、小批量自動化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。CIMS就是為了實現(xiàn)機械工廠的全盤自動化和無人化而提出來的。其基本思想就是按系統(tǒng)工程的觀點將整個工廠組成一個系統(tǒng)，用計算機對產(chǎn)品的初始構(gòu)思和設(shè)計直至最終的裝配

15、和檢驗的全過程實現(xiàn)管理和控制。對于CIMS，只需輸入所需產(chǎn)品的有關(guān)市場及設(shè)計的信息和原材料，就可以輸出經(jīng)過檢驗的合格產(chǎn)品。它是一種以計算機為基礎(chǔ)，將企業(yè)全部生產(chǎn)活動的各個環(huán)節(jié)與各種自動化系統(tǒng)有機地聯(lián)系起來，借以獲得最佳經(jīng)濟效果的生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)。它利用計算機將獨立發(fā)展起來的計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、柔性制造系統(tǒng)（FMS），管理信息系統(tǒng)（MIS）以及決策支持系統(tǒng)（DSS）綜合為一個有機的整體，從而實現(xiàn)產(chǎn)品訂貨、設(shè)計、制造、管理和銷售過程的自動化。它是一種把工程設(shè)計、生產(chǎn)制造、市場分析以及其它支持功能合理地組織起來的計算機集成系統(tǒng)。CIMS是在柔性制造技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技

16、術(shù)和系統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)上，將制造工廠經(jīng)營活動所需的各種自動化系統(tǒng)有機地集成起來，使其能適應(yīng)市場變化和多品種、小批量生產(chǎn)要求的高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。 由此可見，計算機集成制造系統(tǒng)是在新的生產(chǎn)組織原理和概念指導(dǎo)下形成的生產(chǎn)實體，它不僅是現(xiàn)有生產(chǎn)模式的計算機化和自動化，而且是在更高水平上創(chuàng)造的一種新的生產(chǎn)模式。 從機械加工自動化及自動化技術(shù)本身的發(fā)展看，智能化和綜合化是未來的主要特征，也是CIMS最主要的技術(shù)特征。智能化體現(xiàn)了自動化深度，即不僅涉及物質(zhì)流控制的傳統(tǒng)體力勞動自動化，還包括了信息流控制的腦力勞動自動化；而綜合化反映了自動化的廣度，它把系統(tǒng)空間擴展到市場、設(shè)計、制造、檢驗、銷售及用戶服

17、務(wù)等全部過程。經(jīng)營決策管理系統(tǒng)BDMS計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)CAD/CAM柔性制造系統(tǒng)FMC/FMS/NC圖8-8 CIMS主要結(jié)構(gòu)框圖CIMS系統(tǒng)構(gòu)成的原則，是按照在制造工廠形成最終產(chǎn)品所必需的功能劃分系統(tǒng)，如設(shè)計管理、制造管理等子系統(tǒng)，它們分別處理設(shè)計信息與管理信息，各子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，并且具有相對的獨立性。因此，從大的結(jié)構(gòu)來講，CIMS系統(tǒng)可看成是由經(jīng)營決策管理系統(tǒng)、計算機輔助設(shè)計與制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)等組成的（圖8-8）。經(jīng)營決策管理系統(tǒng)完成企業(yè)經(jīng)營管理，如市場分析預(yù)測、風(fēng)險決策、長期發(fā)展規(guī)劃、生產(chǎn)計劃與調(diào)度、企業(yè)內(nèi)部信息流的協(xié)調(diào)與控制等；計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)完成產(chǎn)品及零部件的設(shè)計、自動編程

18、、機器人程序設(shè)計、工程分析、輸出圖紙和材料清單等；計算機輔助制造系統(tǒng)則完成工藝過程設(shè)計、自動編程、機器人程序設(shè)計等；柔性制造系統(tǒng)完成物料加工制造的全過程，實現(xiàn)信息流和物料流的統(tǒng)一管理，如將CIMS的系統(tǒng)功能細化，可得到如圖8-9所示的框圖。（2）CIMS的主要技術(shù)關(guān)鍵 CIMS是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它適用于多品種、中小批量的高效益、高柔性的智能化生產(chǎn)與制造。它是由很多子系統(tǒng)組成的，而這些子系統(tǒng)本身又都是具有相當(dāng)規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)。雖然世界上很多發(fā)達國家已投入大量資金和人力研究它，但仍存在不少技術(shù)問題有待進一步探索和解決。歸納起來，大致有以下五個方面。 CIMS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。這是系統(tǒng)集成的理論基礎(chǔ)及工具。如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織學(xué)和多級遞階決策理論、離散事件動態(tài)系統(tǒng)理論、建模技術(shù)與仿真、系統(tǒng)可靠性理論與容錯控制以及面向目標(biāo)的系統(tǒng)設(shè)計方法等。自適應(yīng)與最佳控制經(jīng)營管理市場信息上級管理