1.对收集机器人的分析
(1)工作对象
松糕。
(2)工作任务
移动松糕,改变位置。即将松糕由货架上取下来,搬运到储物筐内。
(3)动作分解
将松糕移动分解为“抓取”与“搬运”。
(4)动作执行者
松糕“抓取”的执行者是机械手〔见图2-1(b)〕,第一个机械手是1、2、3,第二个机械手是5、6、7,第三个机械手是15、16、17、18和驱动它们的电动机或气缸(驱动手爪1、5、15的气缸图中未标,驱动第三个机械手伸缩臂17的是气缸19,带动第二个机械手上下移动的是电动机14)。
松糕“搬运”的执行者是驱动轮〔图2-1(b)中21、27、29〕、辅助轮〔图2-1(b)中30、33、34〕和驱动它们的电动机或气缸〔图2-1(b)中驱动轮的电动机22、28,滑动杆23的升降气缸25,23的转动气缸26,摆动架31的气缸32〕。
在机电一体化系统中,将机械手、驱动轮等叫“执行机构”,将电动机、气缸等叫“驱动装置”。另外将图2-1(b)中“绳轮传动”(11、12、13将电动机14的驱动力传给第二个机械手5、6、7)叫“传动机构”。
(5)动作操控者
操控信息获取者是传感器〔见图2-1(b)。确定机器人(小车)位置信息的传感器9和37,确定台阶信息的传感器38;使手爪1、5、15能感知松糕并进行抓取的传感器4、8、20〕。
信息综合与处理并能发布指令者是以微处理器为核心的控制器(包含控制程序)〔见图2-1(b)中的35〕。
指令的执行者(即驱动装置的直接控制者)是驱动控制器(图2-1(b)中的36)。在机电一体化系统中,将传感器及其检测电路称为“传感检测模块”;将以微处理器为核心的控制器称为“信息处理与控制模块”;因驱动控制器大多由继电器及其电路组成,通常将驱动控制器称为“电气模块”。
2.对五轴龙门数控机床的分析
(1)工作对象
工件(物品)。
(2)工作任务
加工工件,改变形状。即经过刀具对工件的加工,将毛坯或半成品变成符合图纸要求的合格零件。
(3)动作分解
将被加工点的空间运动分解为沿X、Y、Z三个坐标轴方向的移动与绕Z轴和X或Y轴的两个转动。
(4)动作执行者
X方向移动的执行者是水平滑动台18、导轨19、丝杠20、螺母21、电动机22。
Y方向移动的执行者是水平滑块11,导轨13,丝杠12、11内的螺母,电动机14。
Z方向移动的执行者是垂直滑块7,垂直导轨9,丝杠8、7内的螺母,电动机10。
绕Z轴转动的执行者有二:其一,刀具绕Z轴转动的执行者是U形架5、电动机6;其二,工件绕Z轴转动的执行者是工作台16、电动机17。
绕水平轴转动的执行者是水平转动架3、电动机4。
在机电系统中,将水平滑动台18、水平滑块11、垂直滑块7、U形架5、工作台16、水平转动架3都称为“执行机构”;将三个丝杠、螺母运动副称为“传动机构”;将6个电动机都称为“驱动装置”。
(5)动作操控者
操控信息获取者是刀具行走轨迹程序和六个传感器。
信息综合与处理并能发布指令者是工控机(控制程序)。在加工过程中,工控机随时将实测到的刀尖轨迹与程序规划的轨迹比较,控制刀具与工件精确移动。
指令执行者是可编程控制器(PLC)。
在机电一体化系统中,将上述六个传感器及相关电路称为“传感检测模块”。将工控机(含程序)等信息综合与处理系统称为“信息处理与控制模块”。将PLC等指令指执行者称为“电气模块”。
3.不同实例的共性与特性
收集机器人和五轴龙门数控机床是比较典型的机电一体化系统。本节拟根据对上述两个实例的分析结果,找出机电一体化系统的共性与特性。
(1)共性
由上述分析可见,它们都具有五个基本要素(共性)。
①工作对象:“物”。
②工作任务:改变“物”的位置(实例1)或形状(实例2)。
③动作分解:将改变物的位置或形状的动作分解为几个简单的动作。如实例1中将动作分解为“抓取”与“搬运”;实例2中将动作分解为“三个移动”和“两个转动”。
④动作执行者:实现动作分解中各简单动作的“执行机构”及它们的“驱动机构”(有时还有“传动机构”)。如实例1中的机械手、驱动轮,是执行机构,电动机和气缸是驱动装置,绳轮传动是传动机构;实例2中三工作台滑块,转动架是执行机构,电动机是驱动机构,螺母、丝杠传动副是传动机构。
⑤动作操控者:根据预置程序或“物”与“执行者”反馈回来的信息控制执行者下一步动作的检测控制器。如实例1中的传感器、控制器、驱动控制器;实例2中的控制柜(工控机及预置数控加工程序、PLC等)。
(2)特性
由上述分析同样也可以看到它们都具有特性。正由于它们的特性不同才使二者是两个完全不同的系统。正由于每个机电一体化系统各有特性,才有千差万别、数不胜数的机电一体化系统应用于各行各业。在这里要着重指出的是,形成机电一体化系统不同特性的根本原因,还是上述五个基本要素,是每个要素中不同的具体内容决定了每一个机电一体化系统的特性。比如,2.1节中实例1与实例2,是由于它们的“工作对象”“工作任务”和“动作分解”不同而决定的;对“物”位置的移动(抓取与搬运)最好用机器人,而对“物”形状的改变(工件加工成零件)最好用机床。又如,收集机器人中第二个机械手(5、6、7)的上下“移动”,选择的是电动机14驱动的绳轮传动(11、12、13);而第三个机械手(15、16、17、18)手臂17的伸缩“移动”选择的是气缸直接驱动。这是由于前一个“移动”选用了电动原理;而后一个“移动”选用了气动原理。至于“动作操控者”选择什么样的传感器和控制器,也会因为实现动作的原理不同和技术的不同而各异。这些内容将会在后续开设的课程中详细讲述,不再多叙。
总之,在设计制造机电一体化系统时,必须要考虑上述五个基本要素,这五个基本要素具体内容的不同,将决定该系统的不同方案,制造出不同系统。本书先引述至此,具体设计步骤将在第3章中详细介绍。
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