【導(dǎo)讀】mechatronics.productivity.

　　

【正文】 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工具 現(xiàn)代動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工具，例如鉆頭能夠提供多種功能嗎，包括速度和扭矩控制、反向動(dòng)及加速度控制。 全新的機(jī)電一體化產(chǎn)品的例子如下： 標(biāo)準(zhǔn)組件組裝的人 傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題往往受到許多限制。使用一些結(jié)構(gòu)零件與驅(qū)動(dòng)裝置，再加上中央處理器，就可以制成由標(biāo)準(zhǔn)組件組裝的機(jī)器人系統(tǒng)，這樣用戶就可以直接組裝 滿足他們自己需要的各 種機(jī)器人。 視頻和 CD 播放器 視頻和 CD 播放機(jī)裝有復(fù)雜的激光磁頭，可以讀出磁盤(pán)上的數(shù)字信息。借助微處理器，控制系統(tǒng)可以提供多磁道選擇、掃描預(yù)覽等多種功能。 上面的例子表明使用機(jī)械電子的目的是不斷改進(jìn)消費(fèi)品，而不是維持降低消費(fèi)品的價(jià)格。機(jī)械電子產(chǎn)品提供了解決各種特殊問(wèn)題的理想方式，使用的是低成本元或標(biāo)準(zhǔn)件。 個(gè)人計(jì)算機(jī)控制器和可編程邏輯控制器 早期機(jī)床和機(jī)器人中控制器的功能是存儲(chǔ)并執(zhí)行一些簡(jiǎn)單程序，使刀具或執(zhí)行器件用預(yù)定的速度產(chǎn)生所需的運(yùn)動(dòng)。自從 1981 年 IBM 公司的第一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以來(lái)，許多廠家根據(jù) 其 微處理器的功能生產(chǎn)了所謂的。通過(guò)主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換，這些微處理器允許用戶使用比系統(tǒng)實(shí)際提供的存儲(chǔ)空間更多的存儲(chǔ)空間編寫(xiě)程序。正是這種處理能力和存儲(chǔ)效率產(chǎn)生了戲劇般的影響，使得越來(lái)越多的工業(yè)行業(yè)把 PC 機(jī)用于數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用。除了處理能力的提高， PC 機(jī)作為控制應(yīng)用中的關(guān)鍵部件還有許多其他優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)是： （ 1） 對(duì)應(yīng)用軟件的選擇余地比專用控制器更大。 （ 2） 選擇提高應(yīng)用軟件效率的工具的余地更大。 （ 3） 形式多樣，有單片機(jī)、便攜機(jī)、臺(tái)式機(jī)以及堅(jiān)固、耐用且適應(yīng)工廠條件的工業(yè)計(jì)算機(jī)。 總線結(jié)構(gòu)備有 多個(gè)擴(kuò)展插槽，數(shù)字和模擬的輸入 /輸出插卡可以由多個(gè)廠家生產(chǎn)。 （ 5） 比專用機(jī)或小型計(jì)算機(jī)更靈活，根據(jù)不同的應(yīng)用可以很方便的進(jìn)行多種配置 。 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)采集和附加控制裝置可能是一個(gè)外部及加息通過(guò)，也可能是一個(gè)插件板。外部方式通常附加一個(gè)分離的機(jī)架 ，內(nèi)部封裝有向主機(jī)提供的電源，通過(guò)串行或并行的數(shù)據(jù)通信電纜連接。各種標(biāo)準(zhǔn)格式的模塊可以根據(jù)需要插在機(jī)架內(nèi)。 PC 機(jī)采集數(shù)據(jù)的方式基本上有兩種。第一種使用模 /數(shù)轉(zhuǎn)換卡直接與主機(jī)底板連接。轉(zhuǎn)換卡一般都有端口地址嗎，可以被任何支持輸入 /輸出指令程序語(yǔ)言所驅(qū)動(dòng)。通常可以選擇需 要接通的卡的基地址。這 使得不同的卡或多個(gè)同樣的卡可以在同一 PC 主機(jī)上連接和運(yùn)行。第二種方法是使用帶有接口電路板的數(shù)字電壓計(jì)和 頻率儀等設(shè)備向控制 PC 機(jī)接河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12收數(shù)據(jù)。其通用標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì) IEEE488 的并行通信連接標(biāo)準(zhǔn)。比較快捷、簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)的是第一種方式，使用輸入 /輸出卡的端口地址向 PC 機(jī)輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)或從 PC 機(jī)得到控制信號(hào)。這些卡功能多樣、獲取容易，并具有如下特征： （ 1） 多信道數(shù)字輸入 /暑促接口，帶有光隔離和達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)設(shè)置 。 （ 2）脈沖計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)設(shè)施。 （ 3）可編程的多路模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。 （ 4）數(shù) /模轉(zhuǎn)換。 （ 5）熱電偶輸入。 PC 機(jī)控制應(yīng)用最新的發(fā)展還包括數(shù)據(jù)采集和控制軟件的開(kāi)發(fā)，能提供給用戶一個(gè)帶有下拉菜單和鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)的窗口環(huán)境。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)明以前主要使用電氣繼電器邏輯電路或氣動(dòng)邏輯回路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。20 世紀(jì) 60 年代末發(fā)明的可編程邏輯控制器（ PLC）直接代替了 繼電器控制器。應(yīng)該注意，在美國(guó) PLC 也叫可編程控制器，縮寫(xiě)成 PC。不要把它與個(gè)人計(jì)算機(jī) PC 或 IBMPC 相混淆。 可編程邏輯控制器與微型計(jì)算機(jī)的組成相同，都有微處理器、存儲(chǔ)器和輸入 /輸出設(shè)備。處理器執(zhí)行存儲(chǔ)器中根據(jù)控制過(guò)程輸入的指令，按照 控制程序定義的邏輯提供輸出。在執(zhí)行期間的每一步，程序被快速掃描以便記錄下所有的輸入狀態(tài)，然后根據(jù)程序中的邏輯確定輸出?？刂破髅恳淮螔呙瓒疾粩嗟刂貜?fù)這些步驟。 一些小型的、 專門(mén)用于順序控制的可編程邏輯控制器通常都有 12 個(gè)輸入端口和 8 個(gè)輸出端口，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展可以倆捏 128 條輸入 /輸出線路。輸入接口與這些線路連接，接收來(lái)自控制過(guò)程的輸入信號(hào)，并把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成適于處理的形式。同樣，可編程邏輯控制器也裝有輸出接口連接各種過(guò)程硬件，例如燈、發(fā)動(dòng)機(jī)、繼電器和螺旋線圈。 使用手持編程鍵盤(pán)，或者與裝有相應(yīng)軟件開(kāi)發(fā)包的個(gè)人 計(jì)算機(jī) 連接，可以把指令輸入可編程控制器的隨機(jī)存儲(chǔ)器，這些隨機(jī)存儲(chǔ)器一般裝有電池備份電源。如果程序員使用符號(hào)鍵建立程序，有些液晶顯示編程控制臺(tái)還可以顯示一些圖形，用梯形邏輯圖的格式說(shuō)明程序。程序經(jīng)過(guò)調(diào)試，控制方法經(jīng)過(guò)仿真檢測(cè)，就可以把代碼寫(xiě)入可擦可編程只讀存儲(chǔ)器芯片，裝在可編程邏輯控制器中。 許多廠家都在制造可編程邏輯 控制器。雖然某些廠家使用自己專用的軟件語(yǔ)言，但大多數(shù)使用的還是梯形邏輯圖。發(fā)明這種語(yǔ)言的目的是為了是某些客戶更容易接受，這些客戶感興趣的是如何從硬線繼電器控制轉(zhuǎn)向可編程邏輯控制器。除了輸入 /輸出設(shè)備外，可編程邏輯控制器還包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器及其它特殊功能器件。 與其它控制設(shè)備的通信交流并不是傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)項(xiàng)。許多工業(yè)用控制器都裝有 RS232 串行端口，與系統(tǒng)中其他數(shù)字控制設(shè)備交換信息。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人是一種提高制造業(yè)生產(chǎn)力的工具。他可以承擔(dān)那些對(duì)人類可能有危險(xiǎn)的工作。最早的是工業(yè)機(jī)器人就曾用 來(lái)在 核能發(fā)電廠中更換和燃料棒。工業(yè)機(jī)器人也能在裝配線上工作，如安裝印刷電路板上的電子元器件。這樣，人們就可以從這種單調(diào)的工作中解脫站出來(lái)。機(jī)器人還能拆除炸彈，為傷殘人服務(wù)，為我們的社會(huì)做各種各樣的工作。 機(jī)器人是一個(gè)可以重復(fù)編程的、多功能的工作機(jī)構(gòu)，可以在各個(gè)預(yù)編程位置移動(dòng)零件、材料、工具或其他特殊裝置，完成各種不同的工作。 預(yù)編程位置是指機(jī)器人完成工作時(shí)必須遵循的路徑。在某些預(yù)編程位置，機(jī)器人會(huì)停下來(lái)進(jìn)行一些操作，例如安裝零件、噴漆或焊接。這些預(yù)編程位置存儲(chǔ)在機(jī)器人的存儲(chǔ)器中以便隨時(shí)調(diào)出進(jìn)行連續(xù)的操作。 如 果工作要求改變了，這些預(yù)編程位置連同其他的編程數(shù)據(jù)也能隨之改變。這些編程特征使得工業(yè)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)非常類似。 機(jī)器人系統(tǒng)可以控制工作機(jī)器人的工作單元。機(jī)器人的工作單元式機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)的工作環(huán)境。工作單元包括機(jī)器人的機(jī)械手、控制器、工作臺(tái)、安全裝置以及傳動(dòng)裝置。此外，機(jī)器人應(yīng)該能與外界信號(hào)進(jìn)行交流。 機(jī)器人的機(jī)械手完成機(jī)器人系統(tǒng)的具體工作，它包括兩個(gè)部分：機(jī)械部分和附屬部分。附屬部分安裝在機(jī)械手的基座上。幾座固定在工作現(xiàn)場(chǎng)的地板上。但有時(shí)基座也是可以移動(dòng)的，在這種情況下，基座安放在軌道上，用于把機(jī)械手從一個(gè) 位置應(yīng)到另一個(gè)位置。 附屬部分是機(jī)器人的手臂。它可能是一個(gè)直的可以直接移動(dòng)的手臂，也可能是一個(gè)鉸接的手臂，為機(jī)械手提供多根工作軸。 鉸接的手臂也就是有關(guān)節(jié)連接的手臂。手臂的端部連有一個(gè)手腕。手腕裝在另一根軸上并裝有法蘭盤(pán)。在法蘭盤(pán)上也可以連接不同的工具完成不同的工作。機(jī)械手上的軸允許機(jī)械手在一個(gè)特定的區(qū)域里工作。這個(gè)區(qū)域叫做機(jī)器人的工作單元，它的大小取決于機(jī)械手的大小。如果機(jī)器人的尺寸增加，工作單元的尺寸也會(huì)增加。 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)有驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制。它們驅(qū)動(dòng)各州在工作單元內(nèi)旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以使電力的、液壓的 、也可以是氣動(dòng)的。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)各種不同的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)裝置相連 。這些由鏈條、齒輪和滾珠絲杠組成的機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各軸。 控制其用于控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和工作單元內(nèi)的外部設(shè)備?？梢酝ㄟ^(guò)懸掛的手持鍵盤(pán)把機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)程序輸入控制器。這些數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在控制器的內(nèi)存中以備將來(lái)調(diào)用。 控制器還要能與工作單元內(nèi)的外部設(shè)備進(jìn)行通信。例如，控制器 有一條輸入路線。加工完成時(shí)輸入線路接通，高速控制器讓機(jī)械手在指定的位置挑出加工好的零件。機(jī)械手把一個(gè)新的零件送入機(jī)器后，控制器發(fā)出信號(hào)，重新開(kāi)始加工 。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14有些控制器由機(jī)械操作的磁鼓組成，內(nèi)部輸入一些事件執(zhí)行的順序。這種控制器一般用于非常簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng)。多數(shù)機(jī)器人你系統(tǒng)的控制器要復(fù)雜得多，反映了電子技術(shù)的最新發(fā)展。它們由微處理器控制，操作起來(lái)更加靈活。 控制器可以在通信線路上傳送電信號(hào)。這種機(jī)械手和控制器之間的雙向通信不斷地更新系統(tǒng)的位置和操作。控制器的工作還包括與不同設(shè)備的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。這種通信連接使機(jī)器人 成為計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)的一部分。微處理器系統(tǒng)使用固態(tài)存儲(chǔ)裝置。這些存儲(chǔ)裝置可能是磁炮、隨機(jī)存儲(chǔ)器、軟盤(pán)及磁帶。 控制器和機(jī)械手的動(dòng)力由動(dòng)力源供給。 機(jī)器人系統(tǒng)一般使用兩種動(dòng)力：一種似提供給控制器的交流電；另一種動(dòng)力源用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的各軸。例如，如果機(jī)械手是由液壓或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制的，這些裝置將接收控制信號(hào)，是機(jī)器人產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器人傳感器 盡管機(jī)器人有巨大的能力，但很多時(shí)候卻比不過(guò)沒(méi)有經(jīng)過(guò)一點(diǎn)訓(xùn)練的工人。例如，工人們能夠發(fā)現(xiàn)零件掉在地面上或發(fā)現(xiàn)進(jìn)料機(jī)上沒(méi)有零件。但沒(méi)有了傳感器，機(jī)器人就 得不到這些 信息 。即使使用最尖端的傳感器系統(tǒng)，機(jī)器人也比不上一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工人。因此，一個(gè)好的機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要使用許多傳感器與機(jī)器人控制器相接，使之盡可能接近操作工人的感知 能力。 機(jī)器人技術(shù)最經(jīng)常使用的傳感器分為接觸式的與非接觸式的。接觸式傳感器可以 進(jìn)一步分為觸覺(jué)傳感器、力和扭矩傳感器。觸覺(jué)或接觸傳感器可以測(cè)出受動(dòng)器端與其他物體間的實(shí)際接觸，微型開(kāi)關(guān)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的觸覺(jué)傳感器。當(dāng)機(jī)器人的受動(dòng)器端與其他物體接觸時(shí)，傳感器使機(jī)器人停止動(dòng)作，避免物體間的碰撞， 告訴機(jī)器人已到達(dá)目標(biāo)；或者在檢測(cè)時(shí)用來(lái)測(cè)量物體的尺寸。力和扭距傳感器位于機(jī)器人的抓手與手腕的最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間，或者放在機(jī)械手的承載部件上 ，測(cè)量反力與力矩。力和扭距傳感器有壓電式傳感器和裝在柔性部件上的應(yīng)變儀等。 非接觸傳感器包括 接近傳感器、視覺(jué)傳感器、聲敏元件及范圍探測(cè)器等。接近傳感器探測(cè)和標(biāo)示傳感器附近的物體。例如，可以用渦流傳感器精確的保持與鋼板之間的固定的距離。最賤的機(jī)器人接近傳感器包括一個(gè)發(fā)光二極管發(fā)射機(jī)和一個(gè)光敏二極管接收器，接收反射面移近時(shí)的 反射光線。這種傳感器的主要缺點(diǎn)是移近物對(duì)光線的反射率會(huì)影響接收信號(hào)。其他的接近傳感器使用的是與電容和電感相關(guān)的原理。 視覺(jué)傳感系統(tǒng)十分復(fù)雜，基于電視攝像或激光掃描的工作原理。攝像信號(hào)經(jīng)硬件預(yù)處理，以 30 幀至 60 幀每秒的速度輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)并提取所需的信息，例如物體是否存在 以及物體的特征、位置、操作方向，或者檢測(cè)元件的組裝及產(chǎn)品是否完成。 聲敏元件用來(lái)感應(yīng)并解釋聲波。從基本的聲波探測(cè)到人們連續(xù)講話的逐字識(shí)別，各種河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15聲敏元件的復(fù)雜程度不等。除了人機(jī)語(yǔ)言交流外，機(jī)器人還可以使用聲敏元件控制弧焊，聽(tīng)到碰撞或倒塌的聲音時(shí)組織機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，預(yù)測(cè)將要發(fā)生的機(jī)械破損及檢測(cè)物體內(nèi)部缺陷。 還有一種非接觸系統(tǒng)使用投影儀和成像設(shè)備獲取物體表面的表面形狀信息或距離信息。 傳感器有靜態(tài)探測(cè)與閉環(huán)探測(cè)兩種使用方法。當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)的探測(cè)和操作動(dòng)作交替進(jìn)行時(shí)，通常 就要使用傳感器。也就是說(shuō)探測(cè)是機(jī)器人不操作，操 作時(shí)與傳感器無(wú)關(guān)，這種方法被稱為靜態(tài)探測(cè)。使用這種方法，視覺(jué)傳感器現(xiàn)尋找被捕捉物體的位置與方向，然后機(jī)器人徑直朝那個(gè)地點(diǎn)移動(dòng)。 相反，閉環(huán)探測(cè)的機(jī)器人在操作運(yùn)動(dòng)中，始終受傳感器的控制 。多數(shù)傳感器都采用閉環(huán)模式，他們隨時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的實(shí)際位置與理想位置之間的偏差，并驅(qū)動(dòng)機(jī)器人修正這一偏差。在閉環(huán)探測(cè)中，即使物體在運(yùn)動(dòng)，例如在傳送帶上，機(jī)器人也能抓住它并把它送往預(yù)定位置。 然而 20 世紀(jì) 80 年代初期，很多因素阻礙了閉環(huán)探測(cè)的發(fā)展。其中最主要的原因是圖像 映射的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，幾乎等于機(jī)器人從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方的時(shí)間。 為了實(shí)用，對(duì)于機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)，圖像分析的時(shí)間按應(yīng)該縮短倒一次能接受并解釋幾幀圖像。 在使用力和觸覺(jué)傳感器控制運(yùn)動(dòng)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間就不再像視覺(jué)傳感器那樣是一個(gè)問(wèn)題了，因?yàn)檫@時(shí) 傳感器傳送的信息很少。也就是說(shuō)，我們可以在手腕上安置 6 個(gè)力和扭矩傳感器，或在指尖上安置一個(gè)低分辨率二進(jìn)制傳感器陣列。由于傳感器越來(lái)越復(fù)雜，我們可以預(yù)期， 通過(guò)傳感器輸送數(shù)據(jù)可以進(jìn)行更多的信息處理。