ch01智能裝備要素組成及接口認識

職業(yè)教育自動化類專業(yè)新形態(tài)教材智能裝備要素組成及接口認識第一章智能裝備機電集成技術(shù)01機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備智能裝備代表我國的工業(yè)化水平，認識智能裝備需要利用一定的方法。本任務(wù)提出認識智能裝備的要素組成分析法。在任務(wù)實施中，以直觀的智能裝備機電傳動平臺(以下簡稱“機電傳動平臺”為對象，通過操作各模塊，觀察該平臺的各組成模塊的功能和運動，分析各模塊的傳感器、執(zhí)行元件、機械本體、計算機及動力源的具體組成和對應(yīng)功能，從而達到對智能裝備系統(tǒng)的認識。本任務(wù)的內(nèi)容可進一步細分如下:(1)機電一體化產(chǎn)品智能裝備(2)機電一體化產(chǎn)品的要素組成;(3)智能裝備機電傳動平臺5大要素的組成分析。1機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備20世紀70年代，隨著當時微電子技術(shù)的發(fā)展，計算機逐漸小型化和集成化，機電一體化技術(shù)開始在日本普及，眾多企業(yè)開始將計算機控制技術(shù)創(chuàng)新性地應(yīng)用于機械產(chǎn)品中，如數(shù)控機床、點焊機器人等機電一體化工業(yè)設(shè)備，打印機、復(fù)印機等機電一體化辦公設(shè)備，智能烤箱、智能洗衣機等家電設(shè)備。新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用使得企業(yè)所生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品性能顯著提升，使得日本的制造產(chǎn)業(yè)獲得升級經(jīng)濟快速增長。1機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備當前，關(guān)于機電一體化，國際上普遍采用日本機械振興協(xié)會的定義，即在機械的主功能動力功能、信息功能和控制功能的基礎(chǔ)上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)總稱。由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、生產(chǎn)方式及管理體系均發(fā)生了巨大的變化，使得工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了以“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。1機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備而進入21世紀以來，人工智能作為一項引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略技術(shù)，驅(qū)動著發(fā)展模式創(chuàng)新，正在深刻改造著制造行業(yè)。人工智能與機電一體化產(chǎn)品的深度融合，形成和推動了智能制造裝備及其發(fā)展。智能制造裝備，通常簡稱“智能裝備”，是具有感知、分析、推理、決策和控制功能的制造裝備的統(tǒng)稱，它是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)在裝備產(chǎn)品上的集成和融合體現(xiàn)了制造業(yè)的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求。智能裝備的發(fā)展水平已成為當今衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標志。1機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備“智能裝備”的概念是我國在“十二五”期間提出的，重點面向高檔數(shù)控機床、機器人等智能專用設(shè)備、自動化成套生產(chǎn)線等領(lǐng)域，為實現(xiàn)我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變奠定堅實基礎(chǔ)。1機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備圖1-4所示的智能搬運機器人，其從比賽地圖。圖1-5的下方出發(fā)，將位于字母標識圓形區(qū)的不同顏色料塊搬運到比賽場地所對應(yīng)的顏色環(huán)內(nèi)而獲得成績。為實現(xiàn)不同顏色料塊的準確搬運，在機械本體部分，需要通過機器手爪和車載平臺的運動來實現(xiàn)料塊搬運;在執(zhí)行元件部分，需要伺服電動機實現(xiàn)車載平臺的運動:在傳感器部分，需要循線傳感器來實現(xiàn)對地圖上線條的跟蹤，需要超聲波傳感器檢測料塊的距離，以及通過顏色傳感器識別料塊的顏色，并將不同顏色的料塊放入地圖末端對應(yīng)的顏色環(huán)內(nèi);在計算機部分，需要有一個單片機作為控制大腦來實現(xiàn)機器人的智能控制;在動力源部分，需要有為計算機、執(zhí)行元件和傳感器供電的電池。2機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備2機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備不失一般性，不管哪類機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，必須具備如圖1-6所示的幾種組成部分，即機械本體部分、動力源部分、傳感器部分、計算機部分、執(zhí)行元件部分。其中，機械本體部分是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的載體，該部分不僅為構(gòu)成系統(tǒng)的其他單元、部件提供位置場所還在時間和空間上對各部件相互位置關(guān)系提供約束，以實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)的主功能;動力源部分為系統(tǒng)的運行提供動力;傳感器部分提供檢測功能;計算機部分提供控制功能;執(zhí)行元件提供運轉(zhuǎn)功能。2機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備綜上所述，機電一體化系統(tǒng)的5大組成部分就是構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)的5大要素，該5大要素及其對應(yīng)的功能如圖1-7所示。為了便于理解，將人體系統(tǒng)與智能裝備系統(tǒng)做類比圖1-8所示為人體系統(tǒng)的5大要素及其對應(yīng)的功能。2機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備執(zhí)行元件接收控制器的指令，通過傳動機構(gòu)實現(xiàn)某種特定的功能。根據(jù)使用能量的不同可將執(zhí)行元件分為電氣式、液壓式和氣壓式等幾種類型。如圖1-9所示。電氣式執(zhí)行元件是通過電能產(chǎn)生電磁力，并用該電磁力驅(qū)動機構(gòu)運動。液壓式執(zhí)行元件是先將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，并用電磁閥改變壓力油的流向，從而驅(qū)動機構(gòu)運動。氣壓式與液壓式執(zhí)行元件的工作原理相同，只是介質(zhì)不同。其他執(zhí)行元件與使用材料有關(guān)，如使用形狀記憶合金或利用壓電元件的壓電效應(yīng)等。2機電一體化智能裝備5大要素的組成分析機電一體化產(chǎn)品和智能裝備2機電一體化智能裝備5大要素的組成分析智能裝備機電傳動平臺五大要素的組成分析觸摸屏主界面通過觸發(fā)“交流模塊”，進入三相異步電動機軸傳動模塊控制界面(見圖1-11)，在“速度調(diào)節(jié)”區(qū)設(shè)置交流電動機的轉(zhuǎn)速，設(shè)置完畢按下“啟動”按，交流電動機按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速運動，此時“末端轉(zhuǎn)速”區(qū)顯示電動機軸的輸出轉(zhuǎn)速。三相異步電動機軸傳動模塊(見圖1-12)模機床速結(jié)構(gòu)，采用變頻速二相異步交流減速電動機驅(qū)動，電動機軸輸出依次經(jīng)過同步帶、斜齒輪、蝸輪蝸桿和錐齒輪傳動。其中，蝸輪輸出端和錐齒輪輸出端分別連接兩個刻度盤，用于標識轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角:斜齒輪輸出端安裝有測速發(fā)電機，通過對測速發(fā)電機數(shù)據(jù)進行讀取和換算可得出電動機的輸出轉(zhuǎn)速。3機電一體化智能裝備5大要素的組成分析智能裝備機電傳動平臺五大要素的組成分析302智能裝備組成要素的接口分析智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的接口組成機電一體化智能裝備的5個基本組成要素之間并非是彼此無關(guān)或簡單拼湊、疊加在一起的，在工作時它們各司其職、互相補充、互相協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的功能。因此，機電一體化系統(tǒng)的各要素或子系統(tǒng)之間必須具備一定的聯(lián)系條件，才能順利進行物質(zhì)、能量和信息的傳遞和交換，這些聯(lián)系條件稱為接口(Interface)。圖1-21所示為機床X和Y雙軸位置控制工作平臺驅(qū)動系統(tǒng)組成，計算機(PLC)是一個基本要素，步進電動機屬于執(zhí)行元件，也是一個基本要素，但計算機和步進電動機之間并不是直接相連的，而是通過步進驅(qū)動器連接在一起的，計算機向步進驅(qū)動器發(fā)送運動指令，而步進驅(qū)動器輸出驅(qū)動步進電動機運行的相序電流，從而驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)。步進電動機和機械本體之間也不是直接相連的，它們通過聯(lián)軸器連接在一起。1智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的接口組成1智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的接口組成因此，從機電一體化產(chǎn)品的內(nèi)部構(gòu)成來看，機電一體化系統(tǒng)是由許多接口將系統(tǒng)的5大組成要素的輸入/輸出連接為一體的。如圖1-22所示，從這個觀點來看，系統(tǒng)的性能很大程度上取決于接口的性能，各要素或各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定生因素。從某種意義上說，機電一體化產(chǎn)品的硬件本體組成其實就是5大組成要素及其接口因此機電集成技術(shù)的核心技能就是針對要素和接口應(yīng)用的相關(guān)技能。而從廣義的智能裝備組成的自動生產(chǎn)線來看，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，智能裝備在應(yīng)用上不是孤立的，聯(lián)系的空間更為廣泛，其不僅可以跟現(xiàn)場的自動化設(shè)備組網(wǎng)，還可以和遠程的操控、監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)，因此，廣義上的機電集成技術(shù)的技能還包括工業(yè)互聯(lián)等相關(guān)技能。1智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的接口組成1智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的發(fā)展趨勢近幾年來，隨著科技的飛速發(fā)展，要素、接口和它們所形成的智能裝備也獲得突飛猛進的發(fā)展?！爸袊圃臁毕颉爸袊窃臁鞭D(zhuǎn)型的故事正在上演。隨著5G時代的到來，眾多中國科技企業(yè)也在迅速崛起。而隨著人口紅利消失，制造業(yè)成本上升，國家近年發(fā)布多項政策支持制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，也進一步推動了“中國智造”的發(fā)展進程。機電一體化智能裝備的發(fā)展趨勢如下。2智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的發(fā)展趨勢1.智能化智能化是21世紀機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。隨著語音技術(shù)、自主移動技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)、感知識別技術(shù)等多項先進技術(shù)的發(fā)展和國家加快建設(shè)制造強國的要求各行各業(yè)正在加快人工智能技術(shù)與制造裝備的深度融合，正在加速“智能制造”的創(chuàng)新協(xié)同發(fā)展。2020年新型冠狀病毒感染疫情期間，不少智能制造企業(yè)展示出自己的“智造”實力。面對居民出行受限、企業(yè)復(fù)工受阻、醫(yī)護人員短缺等情況，一些智能制造企業(yè)憑借技術(shù)積累和制造優(yōu)勢，推出送餐無人機、自動測溫機器人和智能醫(yī)用服務(wù)機器人等，助力疫情下的生活運轉(zhuǎn)2智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的發(fā)展趨勢2.模塊化模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品的種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又非常重要的工作。如研制集減速、智能調(diào)速、驅(qū)動于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機械裝置。這樣，可利用標準單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品或重構(gòu)出新功能，增加柔性，同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項標準，以便各部件、單元的匹配和連接。2智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的發(fā)展趨勢3.網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)設(shè)備依托安全的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能校正、智能診斷、智能控制、智能管理等功能系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備之間的智能化信息交換，可明顯提升設(shè)備的協(xié)同性和開放性。網(wǎng)絡(luò)化是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”的重要基石。2智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的發(fā)展趨勢4.微型化微型化興起于20世紀80年代末，指的是機電一體化產(chǎn)品向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)(MBMS)，泛指幾何尺寸不超過1cm的機電一體化產(chǎn)品并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事.通信等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)，微機電一體化產(chǎn)品采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，如光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)。2智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的發(fā)展趨勢5.綠色化機電一體化智能裝備產(chǎn)品的綠色化主要是指產(chǎn)品使用時不污染生態(tài)環(huán)境，報廢后能回收利用?，F(xiàn)階段我國裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)方式將由傳統(tǒng)制造模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色制造模式?！笆奈濉逼陂g，我國裝備制造業(yè)將持續(xù)推進綠色、循環(huán)、低碳的發(fā)展模式，進一步提高裝備制造業(yè)產(chǎn)品的可回收性與可拆解性。設(shè)計和生產(chǎn)綠色的機電一體化智能裝備產(chǎn)品具有遠大的發(fā)展前景。2智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的發(fā)展趨勢6.數(shù)字孿生化數(shù)字孿生化技術(shù)是指通過對物理對象構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)物理對象和數(shù)字孿生模型的雙向映射，已應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)。在制造領(lǐng)域，通用電氣公司利用數(shù)字孿生技術(shù)，對飛機發(fā)動機進行實時監(jiān)控、故障檢測和預(yù)測性維護，防患于未然;法國達索系統(tǒng)公司基于數(shù)字孿生技術(shù)開展對汽車研發(fā)的模擬仿真，為寶馬、特斯拉、豐田等公司的汽車產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計，顯著縮短研發(fā)周期，大大降低了傳統(tǒng)物理測試的成本。2智能裝備組成要素的接口分析機電一體化智能裝備的發(fā)展趨勢7.人性化機電一體化智能裝備的最終使用對象是人，如何給機電一體化產(chǎn)品賦予人的智能、情感等顯得越來越重要，機電一體化產(chǎn)品除了完善的性能，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調(diào)，使用這些產(chǎn)品，對人來說還是一種藝術(shù)享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。2智能裝備組成要素的接口分析智能裝備機電傳動平臺各模塊的接口分析1.三相異步電動機軸傳動模塊三相異步電動機軸傳動模塊的接口分析圖如圖1-23所示。PLC采用西門子1200系列1215CCPU，該CPU采用直流電源供電，采用直流電源輸入和晶體管輸出。從工頻電源到PLC供電，需要經(jīng)過一個接口模塊一一開關(guān)電源。PLC和觸摸屏之間，通過總線接口進行通信。PLC對三相異步電動機的調(diào)速通過接口模塊一變頻器實現(xiàn)。PLC給變頻器提供輸出頻率信號，從而調(diào)節(jié)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速。三相異步電動機和交流電動機主軸傳動模塊通過接口模塊一一同步帶輪進行連接。經(jīng)過交流電動機主軸傳動模塊減速后的輸出軸和測速發(fā)電機通過聯(lián)軸器連接在一起，測速發(fā)電機輸出的轉(zhuǎn)速模擬量信號通過PLC的模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量接口，即A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并可以在觸摸屏上輸出轉(zhuǎn)速。3智能裝備組成要素的接口分析智能裝備機電傳動平臺各模塊的接口分析3智能裝備組成要素的接口分析智能裝備機電傳動平臺各模塊的接口分析2.直流電動機間歇輸送機構(gòu)模塊直流電動機間歇輸送機構(gòu)模塊的接口分析圖如圖1-24所示，電源、觸摸屏與PLC之間的連接和三相異步電動機軸傳動模塊一樣。PLC對直流電動機的調(diào)速通過接口模塊一可調(diào)直流電源(開關(guān)電源)實現(xiàn)。PLC給可調(diào)直流電源提供輸出直流電壓信號，從而調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速:PLC提供直流電換相信號，從而控制直流電動機的正反轉(zhuǎn)。直流電動機和直流傳動模塊通過接口模塊一一聯(lián)軸器進行連接。左、右兩側(cè)的光電開關(guān)通過螺絲固定在傳動模塊的機械本體上，光電開關(guān)的數(shù)字量信號通過PLC的輸入光耦隔離模塊(對應(yīng)圖1-24中的“輸入光隔”輸入PLC，從而識別光電開關(guān)的輸入信號。3智能裝備組成要素的接口分析智能裝備機電傳動平臺各模塊的接口分析3智能裝備組成要素的接口分析智能裝備機電傳動平臺各模塊的接口分析3.X和Y步進雙軸運動控制模塊X和Y步進雙軸運動控制模塊的接口分析圖如圖1-25所示。PLC輸出高速脈沖信號和方向信號給步進電動機驅(qū)動器，步進電動機驅(qū)動器接口模塊根據(jù)脈沖的頻率為步進電動機供電進而控制步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向。步進電動機和X、Y雙軸位置控制模塊通過接口模塊一聯(lián)軸器進行連接。左、右兩側(cè)的觸點開關(guān)和前、后兩側(cè)的光電開關(guān)通過螺絲固定在傳動模塊的機械本體上，光電開關(guān)的數(shù)字量信號通過PLC的輸入光隔離模塊(對應(yīng)圖1-25中的“輸入光隔”輸入PLC的CPU，從而別點開關(guān)和光電開關(guān)的輸入信號。3智能裝備組成要素的接口分析智能裝備機電傳動平臺各模塊的接口分析3智能裝備組成要素的接口分析智能裝備機電