机电一体化典型实例(可编辑修改word版)

119 智 能 人

机能度 机器人

思维系统

脑

非接触

传感器

工作系统 手 脚

接触传感器

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。

物理能度 信息处理机

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）。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。 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、机身以及行走机构。 120

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。 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 8-4 所示。

D M X M Z

M W W

M L

小 臂 链轮链条 腕部俯仰电机 M4

谐波减速器 R4 R5

腕部回转电机 M5 谐波减速器 R3

谐波减速器 R2 小臂驱动电机 M2 大臂立拄

图 8-3 机器人的结构原理 大臂驱动电机 M3

立拄驱动电机 M1 机坐

直齿轮谐波减速器 R1

图 8-4 机器人机构传动关系 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，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） 121

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。 ⑤ 机器行走系统。有发动机、机身、车轮等组成（图中省略）。

速度

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 0.005m  0.005m。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。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，以及其它辅助装置严格地按照加

药液入口 液压泵

机载计算机 液 压 控

+ 液马达

药液

压力设定 药滴大小压力控制器 压力

流量控制器 流量计 伺服信号 伺服-PWM 界 PWM 信号

PWM 阀

图像识别系统 彩色数码像机 彩 色 数码 像 122 数控装置 数控介质 数控程序编制 位置检测装置 执行机构 执行元件 零件成品 机床本体 伺服机构 零件图纸

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。 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 图 8-6 数控机床工作过程原理图

键盘输入，并在CRT 显器显示。 ② 数控装置。数控置是数控机床的核心，它功能是接受输入装置输给的加工信息，经过数控置的系统软件或电路进 示 装的送 图 8-7 数控机床的组成 装

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， 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

测量装置 机床 数控装置 伺服系统 控制介质