系统的实例

在2.2节我们已从结构形式上对机电一体化系统的构成进行了分析,在本节我们再从“系统”的角度对机电一体化系统的实例作进一步的分析,以引出“系统”的一般概念。

在此,仍以收集机器人和五轴龙门数控机床为例。

1.收集机器人

(1)工作对象

松糕。

(2)工作任务(功能要求)

行走到货架处,用手臂和手爪将松糕从货架上取下来,然后放到一个储物筐内(“物”移位)。

(3)优化目标

搬运的全过程所用时间最短。

(4)执行者

驱动轮及驱动它的电动机;手臂、手爪及驱动它们的气缸、电动机,即广义执行子系统。

(5)操控者

传感器、控制器、驱动控制器及相关电子元件和传输线,即检测控制子系统。

(6)任务实现(动作实现)

在寻位和定位传感器的引导下,电动机通电带动驱动轮使机器人走到货架旁,找到货架旁取松糕的位置;在感知传感器的指令下手爪闭合,抓取松糕;在程序的指挥下,由寻位和定位传感器引导走到储物筐旁;由边沿检测传感器指令将手爪(松糕)与储物筐位置对准;由程序指令手爪松开将松糕放入筐内。

下面对系统进行运动分析,只有系统运动起来才能完成它的“工作任务”。在上述运动过程中,对整个系统来说主要有三个要素在起作用。其一是“能量”的输入、传递与输出。比如,给驱动轮的电动机通电(能量输入),带着驱动轮转动(能量传递),使机器人行走(能量输出);气缸充气(能量输入)手爪抓住松糕(能量传递),松开手爪释放松糕进入筐内(能量输出)。其二是“信息”的输入、传输、处理、输出。比如,传感器采集信息(信息输入),传给控制器(信息传输、处理)再传给驱动控制器(信息传输、输出),指令驱动装置动作。其三是“物”的输入、处理(变换)、输出。比如,手爪抓取松糕(“物”输入),搬运至储物筐(“物”处理:移位),手爪松开,松糕进入筐内(“物”输出)。

(7)系统环境

对收集机器人来说,其工作环境一个是“路况”,另一个是周围的温度与湿度。在路况方面有平道和台阶,这就要求机器人有边沿检测传感器采集台阶信息,指挥机器人上台阶。在温度、湿度方面,由于是在常湿常温的室内比赛,对机器人无特殊要求。

2.五轴龙门数控机床

(1)工作对象

被加工的零件毛坯或半成品。

(2)工作任务(功能要求)

按照图纸的要求,将零件的毛坯或半成品加工成符合质量要求的零件成品(“物”改变形状)。

(3)优化目标

加工成本最低,生产效率最高。

(4)执行者

刀具运动的驱动装置(电动机)、传动机构(螺母、丝杠)和执行机构(水平和U形转动架,水平、竖直滑块与导轨);工件运动的驱动装置(电动机)、传动机构(螺母、丝杠)和执行机构(转动工作台、水平滑动台与导轨),即广义执行子系统。

(5)操控者

安装在机床上的光栅传感器、码盘、力传感器和安装在控制柜中的工控机、PLC,即检测控制子系统。

(6)任务实现(动作实现)

电动机通电,在预置于工控机内的数控加工程序的指令下,刀具与工件同时按预定路线(规划轨迹)移动或转动;在运动过程中,传感器不断地反馈回刀具与工件的实际运动状态,工控机中的控制程序再控制刀具与工件不断地修正实际运动轨迹,使其按规划轨迹准确地完成零件加工。

对五轴龙门数控机床进行运动分析的结论与收集机器人一样,在其进行加工的过程中,对整个系统起主要作用的仍然是上述三个要素。其一,“能量”的输入、传递、输出。比如,给电动机(4个使刀具运动的)通电(“能量”输入),驱动水平转动架、U形转动架转动,驱动垂直滑块、水平滑块移动(“能量”传递)使刀具可做沿水平轴转动、沿Z轴转动、沿Z轴移动、沿Y轴移动的复合运动,克服工件对刀具的切削阻力对工件进行加工(“能量”输出)。其二,“信息”的输入、传输、处理、输出。比如,往工控机内安装零件的数控加工程序和将传感器采集到刀具和工件运动状态的信息传给工控机(“信息”输入),经工控机处理(“信息”处理)后,传给可编程控制器PLC,PLC指令每个电动机按控制指令动作(“信息”输出)。其三,“物”的输入,处理(变换)、输出。比如,工件被装卡在转动工作台上(“物”输入),刀具对工件进行加工(“物”变换,改变形状),卸下加工完的零件(“物”输出)。

(7)系统环境

五轴龙门数控机床对环境的温度、湿度和洁净度有很高的要求,工作室要保持常湿常温,基本无尘。(例如,湿度太大易引起锈蚀,温度过高、过低都会引起温度应变,影响加工精度。)