机械电子工程的应用样本.docx
《机械电子工程的应用样本.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械电子工程的应用样本.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
机械电子工程的应用样本
1.5机械电子工程的应用
1.5.1状态监控
生产过程自动化的成功主要取决于过程监控的有效性以及控制系统。
一个自动化的工厂需要在不同层次的生产系统中有传感器。
传感器能够帮助生产过程克服无法预料的困难,比如工件的公差的改变,或者产品生产过程中由于一些困难所造成的改变。
智能人造系统运用自动化诊断系统来处理机械维修和过程操作控制。
状态监控被定义为机器状态的确定或设备状态的确定以及它们随时间变化的情况,以便在任何特定时间内决定其状态。
机器的情况能够经过物理参数（如刀具磨损、机器振动、噪声、温度、油污染和碎片）来决定。
为这些参数的变化提供了一个变化的机器状态的指示。
如果机器状态得到适当的分析,状态监控能够成为一个有价值的工具,从而利用其建立一个能够对机械日常保养和预防机械故障。
能够测量和监控的诊断参数,在预定的时间间隔连续。
在某些情况下,测量的二次参数,如压力差,流量,和功率能够影响信息的主要参数,如振动,噪声和腐蚀。
来自不同级别的来自由工厂提供自动化生产的支持。
传感器集成的自适应过程的控制能力在工厂,制造业的管理水平,管理水平,或感觉水平和处理如图1-7所示的要求。
图1-7传感器分布在不同的生产水平
自动化工厂（工厂监督）
生产管理水平（过程控制）
控制级（开闭回路控制）
个体水平（距离传感器的轮廓,形状,图案等）
在感官层面上,经常需要在生产过程中的任务是距离测量,轮廓跟踪,模式识别,识别过程参数,和机器诊断。
如图表1-2,在制造机械的情况下,传感器能够监测加工操作,刀具的切削条件,原料的可用性,以及工作的进展。
传感器能够协助零件、工具和托盘的识别。
它们也可用于生产车间在预处理的情况下,或在制造过程中的时间是在进步。
表1-2自动化制造参数的实例
图1-8显示机床状态监测的基本要素在生产过程中。
该监控系统能够提供数据,在加工过程中产生的扭矩和其它数据的工具管理。
状态监测系统能够是2种类型。
1。
监控系统,该系统显示了机器的条件,使操作员能够作出决定。
2。
自适应控制特性的自动监测。
图1-8条件典型生产系统监控系统
如图1-9下图所示,设备状态评价是用于检查刀具状态,工件装配,碰撞检测,和刀具磨损监测,而特征识别方法应用于检测零件类型、工件的形状、切削工具、类型的对齐,与自然的托盘。
图1-9监测系统在机床
对机器的振动、温度、磨损振动、噪声信号的监测,与机器的健康有很大关系。
轴承座振动水平的精确测量和轴与轴承之间的相对位移的测量,能够提供有用的信息,关于故障,如不平衡,错位,缺乏润滑和磨损的机器。
在涡轮机械中,共振和振动分析是一种诊断条件恶化的方法。
在球轴承中的振动频率能够提供一个有缺陷的和良好的球轴承之间的比较。
水平的振动和存在的附加峰是一个迹象表明的缺陷。
数字1-10和1-11显示典型的机电一体化系统。
温度也是一个有用的指标,一台机器的情况。
在连续生产过程中,机器故障会导致温度的偏差。
热电偶、RTD、光学高温计、光纤仪表温度测量传感器。
热成像技术是一种技术,其中的一个组件的热图像。
在这个过程中,一个红外线摄像头是用来监测在涡轮机,轴承,管道,炉衬,和压力容器的温度模式。
在一个屏幕上,显示任何异常情况（如损坏的绝缘或局部温度积聚在轴承）的热图像。
影响制造工艺成本的一个因素是刀具磨损。
越来越迟钝的刀具切削刃切削过程中的切削力增加。
另外,磨损在机床能够提供信息的机器的现有条件。
监控的磨损和使用自适应优化方法能够提高制造工艺。
在汽车应用中,可检测到与气缸接触的滑动件的活塞环或磨损。
直接测量磨损的机械工具是经过将一个电传感器的工具提示和观察电阻率的变化。
声探针,成像装置,使用位置传感装置,和光纤探头用于离线测量。
图1-10阴影手套
图1-11nexan机器人
1.5.2在线监测
精益生产系统的重要性已经创造了一个机会,智能自主检查,制造和决策系统,执行任务,没有人为干预。
当前,在2个不同的水平,在产品工程周期保证质量。
#在产品设计阶段:
确保产品质量设计。
采用稳健设计方法。
#在最后检查阶段:
使用统计过程控制方法。
另一个层次的质量保证,在线质量监测,补充了强大的设计和统计控制方法。
在线系统完成了航空航天工业和微电子制造中的关键项目的连续质量检测。
100%检查确保所有产品的质量标准无误。
经过连接过程数据和质量数据,实现自动故障校正。
质量监测为工业工厂提供了一种快速纠正问题的纠正措施的能力。
现代制造业的状态监测与故障诊断研究具有重要的现实意义。
这些提高质量和生产率,防止损坏机械。
在一个经典的状态监测的实施,传感器被部署到监视系统的状态,以检测异常。
例如,在机械轴承的振动频率谱的特性能够被用来作为一个指标的进步轴承磨损。
与专家知识有关的系统,某些光谱成分的观察能够用来检测特定的故障机制的发病。
在线监测装置已经有很多年了,但它们在工业上还是不普遍的。
当前的主要问题是设备的功能性和可靠性有限,特别是当她们面临快速变化的生产条件时。
近几年来,优化制造工艺的重大进展。
几种相关的方法包括立体匹配,三维重建和神经网络的使用。
欧洲的基础程序智能设备的实时在线监测、诊断、和加工过程的控制（idmar）一直努力把科学家、机床制造商,在信号处理专家,监测设备和传感器的开发,以及从金属切削行业终端用户。
这个网络帮助欧洲工业部门经过削减成本,增加产品和过程质量来实现或保持全球竞争力,同时提供灵活性。
在诸如医疗保健,基于互联网的系统等领域的证据为基础的诊断帮助医生确定病人症状的可能原因。
一个这样的统计诊断助理,所谓的”伊莎贝尔”,是由一个父亲谁试图改变的诊断系统,受影响她的女儿（伊莎贝尔）的方式被对待。
这个系统基本上是一个直观的系统,需要优势的所有先前的诊断,并提供了统计上最有可能的疾病（故障）和治疗（修复）。
基于状态的维修信息系统在军队中的应用军事应用。
该系统具有集成从车载传感器信息的能力和诊断设备,发展舰队广泛的物流和态势感知,实施以状态为基础的维修服务,将增强战术的操作性和有效性和战斗车辆。
1.5.3基于模型的制造
基于模型的监测系统一般使用一组建模方程和估计算法（如状态观测器）来估计的信号重要的机器性能。
在基于模型的监测,模型的目的是代表的行为的结构也感测到的外部和记录。
本地传感器提供了一个与测量相关的输出信号,模型输出和实际输出信号之间的差提供了一个简洁的机制,将诊断,这是一个有吸引力的替代经验基于规则的决策系统。
图1-12给出一个基于智能模型的制造系统通用图。
图1-12模型监控系统
图1-12图也显示控制器适用于处理命令这样的各种感测值（相关的机器和/或工艺性能）被维护（或调节）所需的值。
远程传感器能够感觉到一些诊断信号
难以访问位置。
在某些情况下,估计算法的基础上的系统利益结构与信号。
建模程序（基于以前的一些知识）用于产生简单,准确的模型,以提高估计精度。
开放式体系结构的机电一体化系统过程和机床状态监测是提高自动化程度的关键,因此,提高生产率的关键在制造业。
此功能的一个先决条件是在该功能的开放接口数控内核。
今天,开放式数控内核接口的控制,但在市场上,可是,
这些接口是供应商特定的解决方案,不允许重复使用的监控软件不同的控件。
模块化,开放式的架构机控制器的发展,如图所示图1-13的下一页,对现有系统的改进,克服了这些限制与供应商中立的开放实时接口的集成监控功能到控制器。
这一趋势也在加快智能化的使用制造业的传感器。
智能控制系统的传感器能够用来评估,控制生产过程,并提供一个连接到基础设计。
制造业的多元环境过程一般不会产生良好的分析模型的过程。
然而,额外的
信息一般会产生作为制造自动化引进的结果一种典型的植物地板,数据可用于建模。
仔细收集数据在一个可视化的模拟环境中使用的知识基础,使有可能集成的设计,控制和检查,以及规划活动。
图1-14显示一个集成框架异构系统,它涉及到一台机床的位置和速度控制,本地检查的过程,全局检查的整体过程,最后,分类。
图1-13机电系统的开放式平台
图1-14框架整合异构系统
1.5.4监控结构
除了影响产品的设计,机电一体化的发展创造了自主检测和智能制造的机会。
图1-14说明了一个递阶控制结构,控制器的位置和速度的选择机床水平,在工艺水平和磨损,质量控制问题（如尺寸和粗糙度）在产品级。
这种分层控制结构包括伺服、过程和监控控制。
·最低的水平是伺服控制,其中的切削刀具相对于工件的运动（如它的位置和速度）被控制。
这涉及约的周期时间1毫秒。
·在过程控制水平,过程变量（如切削力和刀具磨损）是控制的典型周期时间约为10毫秒。
控制水平的策略,旨在补偿不明确考虑的因素,在设计的伺服过程级控制器。
·最高层次是直接衡量产品相关变量的监控水平（如零件尺寸和表面粗糙度）。
监督级别也执行功能如颤振检测和刀具监测。
监察水平运作周期倍约1秒。
最后,所有这些信息都能够用来实现在线车间车间加工工艺的优化及控制水平的研究。
机电一体化的趋势是优化产品的整体制造工艺设计经过将所有的信息集成到一个共同的数据库中来检验。
例如,知识的零件的几何形状,如载于计算机辅助设计系统,能够用来确定参考过程变量值。
从各种工艺相关的传感器信息能够集成
提高传感器信息的可靠性和质量。
此共享信息（例如作为零件的几何形状的数据和使用的材料从计算机辅助设计/凸轮数据库）能够使用在选择最佳的加工工艺,刀具选择和整理作业。
最后,所有的此信息可用于实现在线优化的加工过程。
结合自动化监控刀具磨损和质量检查,系统有助于确保有效的生产工艺和高质量的产品。
这最终会减少总生产成本和收益率有较好的利润率。
1.5．5永久开放架构事项与机电模型:
速度和复杂性
机电一体化扮演一个角色,不论单或多微控制器处理的可能性机床或汽车装配线的多个机器人。
模拟如此复杂系统允许设计者在开发一个系统没有完成硬件。
仿真程序当硬件不存在时,能够使用”如果”的场景。
有2个关键考虑的问题:
速度和复杂性。
较大的系统涉及更详细的仿真和具体的系统要求。
模拟速度和精度水平之间的贸易是必要的根据系统资源可用。
模拟变得更快处理器和多核系统（麦克莱里使用帮助模拟和Mathur）。
在下一页,图1-15显示平台,用于生产线的一个例子在许多其它工业应用。
在这种情况下,有有效的2个模型:
模拟物理模型与应用模型。
基于物理模型的物理模型模拟环境。
应用模型与这种环境模拟realword应用。
Simulink和MATLAB作为开发工具,基于模型的应用;是一个模型。
计算机辅助设计与制造在物理世界中的基本设计工具（如CATIA,Autodesk®,Solidworks）拥有先进的仿真工具,虽然她们是面向物理结构而不是过程控制一体化（图1-16在下一页）。
仿真平台能够在动态加载条件下检查应力。
它也解决非线性分析（如挠度和冲击）与弹性材料（如泡沫,橡胶,和塑料）。
在许多情况下,模拟和物理实体的分析是有用的设计这不包括一个基于计算机的控制器。
国家仪器促进的贡献一个主要的集成,有利于设计工程师带来的机械元素（如齿轮、凸轮和执行器）,而程序员则专注于反馈和控制在系统中,将处理电机和执行器的算法。
各种连接objectstogether使模型交互。
提供可视化的渲染行动模式。
在创立大模型时,建模环境能够要求显著计算能力。
大模型的创立是一个挑战,计算。
在这阶段,开放式架构主机能够使一个显着的差异。
图1-15个平台仿真模型
图1-16装配线设计采用CAD模型
几个计算机辅助设计和基于模型的设计系统采用了界面软件,利用了优势多核。
开发大量的核心和集群系统一直是一个挑战高级软件体系结构。
主要的挑战是沟通的核心。
基本机电模拟的要求是一个分布式的各种对象之间的时间同步环境。
在一个多核心的环境模拟再次面临的挑战共享内存不能处理同步。
一般情况下,有一个数量的限制物理空间。
一个机器人线装配仿真,能够在其区域内表现良好,但它将具有有限的能力,如果它与其它细胞相互作用。
基于模型的图形编程可协助连接多个细胞。
1.5.6交互建模
图形环境的关键方面是系统分区的可视化表示和相互作用的机电一体化应用。
它们也降低了系统的复杂性从开发者的角度来看,允许专注于应用细节。
例如,仿真工具（如simscapetm）作为陈述性语言定义隐式关系组件之间与明确的编程规范的语言,如和C以及图形化的数据流语言如LabVIEWTM。
Simscape目标协同仿真在编程和计算机辅助设计的交叉。
这个分区工具联系在一起的电子,机械驱动元件,机械和液压工具。
例如,斯图尔特早期讨论的平台仿真能够包含电气、液压、机械和信号除了软件控制系统的软件控制。
经过减少开发机电应用所需的专业知识,开发人员能够花时间和精力在其它领域,她们所做的专业知识。
同样的,有一个模型环境允许更好地交流思想和产品。
这几天的不同在一个机电一体化的应用程序中的对象内的详细的细节有变得更加先进。
过去仅仅是维度的东西,现在能够用在具有可编程反馈的模拟（甚至是应用程序接口,当一个模型包含应用程序代码）。
也能够是一个设计验证,哪块能够断言包括在一个模型中,这样系统就能够判断一个对象在一个系统中的使用是正确的（图1-17在下一页）。
交互式建模是设计过程中的关键,它能够在一个混合的环境中进行在真实的和虚拟的对象相结合。
一个真正的机器人手臂能够加上一个虚拟例如装配线,如果当前的任务是确定对机械臂的手能够调整一个对象。
机器人手臂可能参与激光焊接的端板。
关键是获取虚拟对象及其控制的对象与真实对象进行交互在远程设备上运行。
曾为工厂设计的机电控制系统地板已变得无处不在。
例如,设计师能够回答有关问题经过增加加强筋振动。
然而,在一个集成的机电一体化过程中,小机械变化可能会增加部分的质量,它也可能会影响到控制系统的速度有多快在返回之前,将电机速度和一部分的时间保持在前。
许多顶级的机电一体化表演者也使用软件,路线,轨道和股份工作。
最常见的是工作流工具,它会自动路由工作包,并通知合适的人的最后期限和/或更改。
许多公司利用产品数据管理工具来管理
多学科的材料清单。
图1-17转矩负载仿真验证
1.5.7第一时间正确的虚拟机原型
在循环的硬件有利于更换传统的机械运动控制带有数字设备的设备。
机械系统越来越被复杂的电气控制在嵌入式处理器上运行的软件,从软件中获取数字智能。
获得机电设计需要多学科的团队合作和精湛的团队成员之间的沟通。
一个决定,如选择的特点,丝杠执行器在整个设计过程中都会产生连锁反应,而且会影响其它系统的性能。
为了帮助一个更加集成的设计过程,我们需要添加运动仿真功能在计算机辅助设计环境中创立一个更加统一的机电一体化工作流程。
将运动仿真与计算机辅助设计相结合,简化了设计,是因为仿真所使用的信息这已经存在于计算机辅助设计模型中,如装配伙伴、联轴器和材料质量性能。
为编程提供了一个高级功能块语言,用于编写运动更容易访问控制这些程序集。
这个概念被称为虚拟机原型。
它汇集了运动控制软件与仿真工具,以创立一个虚拟机在运行中的虚拟机模型。
虚拟样机技术能够帮助设计者经过定位系统级问题,降低风险,找到相互依存,和绩效评估的权衡（图1-18）。
1.5.8评估交易
模拟使每个人都能在第一个原型完成之前完成开发工作。
工程师能够使用压力和应变分析的模拟力和扭矩数据来验证机械零件是否足够硬来处理在操作过程中的负载。
她们还能够经过控制系统的仿真来验证整个机器的整个运行周期逻辑与时序。
她们能够计算出一个现实的估计周期时间性能（一般是一台机器设计的最高性能指标,并比较力和转矩数据传动部件和电机的实际限制。
此信息能够帮助识别在计算机辅助设计环境下的缺陷和驱动设计。
模拟也简化评估不同概念设计的工程贸易取舍。
图1-18评价CAD环境的权衡
例如,将一个SCARA机器人是最好的四轴直角坐标式机器人系统?
模拟速度更快,当你做出设计更改时,能够再次运行。
考虑一个底部引线螺钉执行机构的转矩载荷分析。
使用仿真软件,能够找到安装在丝杠上的所有组件的质量,确定所产生的中心质量经过创立一个参考坐标系统,位于中心的铅螺杆表,并计算关于坐标系的质量特性。
有了这个信息,你能够计算由于悬臂荷载引起的重力丝杠的静态转矩。
如果你违反制造商规定的限额,机械传动部分不得用于其额定寿命周期。
评估运动引起的动态转矩是很重要的,因为它往往是多比静态扭矩大。
现实运动的配置文件,将有助于我们模拟逆车辆动力学。
这能够提供更精确的转矩和速度要求的基础上的运动型材和质量,摩擦,和齿轮比的传输特性。
有时,设计师能够考虑合规问题时,她设计的程序集,但关于操作力和力矩的错误假设可能导致问题。
在机电一体化系统,合规性问题采取2种主要形式:
旋转合规性和线性符合性。
旋转合规性受机械传动部件的柔性影响作为连接杆和联轴器。
每一个旋转的部件都像弹簧一样具有特殊的刚度,整个传动系像一系列的弹簧串联连接。
线性的依从性问题采用机械组件的灵活性造成的,如在拾取andplace夹臂机。
手臂的长度,有效载荷的重量,以及速度运动概况都起着作用。
另一种现象是间隙,这是由于配合元件之间的间隙引起的（齿轮齿）并出现在一个方向的变化。
遵守和反弹的问题能够使比例积分微分反馈装置难以或不可能调整,造成在操作过程中,该系统能够从字面上进行操作。
如果系统被调整,经过减少的控制增益尽量避免问题,周期时间性能受到影响。
图1-19的智能制造系统的照片
1.5.9嵌入式传感器和执行器
在微机电系统和无线,信息和其它有利的技术的进步,导致新的传感器系统的功能,并允许访问更精确的检测。
集成在一个芯片上的概念,包括车载智能传感器校准和温度补偿,自检能力,数据分析的嵌入式软件,以及无线通信的接口提供了一个有用的输出信号,在适当的时候对遥感数据。
一个智能传感器系统具有测量数据的能力,用于测量生物或化学剂的存在,并对数据进行处理,以评估该药剂的浓度。
与其它片上软件相结合,控制算法包括一个模型,是在同一芯片上的多个传感器检测到的数据更新。
另外,经过无线数据注入来自邻近的智能传感器,智能传感器能够产生一个适当的输出,引发各种行动。
几种网络化智能传感器共享信息。
要一个网络组件失败,她们有内置的系统重新配置机制。
实例这项技术是嵌入在工作支架的精确运动控制的压电薄膜或电涡流探头安装在工具架上,以监测刀具磨损。
MEMS线性电机可用于控制热变形误差的精度为纳米级。
随着数字电子技术的不断增加和应用的日益广泛网络传播,制造车间和过程的共同位置监控系统不再是必须的。
1.5.10快速原型制造的机电一体化产品
快速原型和硬件在环仿真是今天的产品开发的组成部分过程。
硬件在环仿真测试提供了放心的设计师任何关于工厂模型的假设都是正确的。
基于计算机的系统利益整合从各种软件包中,经常使用图形化编程来创立虚拟仪器。
硬件在环仿真也是一个符合成本效益的方法来执行系统测试在虚拟环境中。
它演示了一个系统的建模与模型的水平当代码被直接移植到最终目标平台是不可能的。
数学模型代替大部分的组件的系统环境时,组件待测试被插入到封闭的循环中。
如果任何假设不正确,设计师有机会继续进行设计优化的真实目标之前硬件平台。
当前在循环中使用的方法有2种仿真测试。
一种方法是利用虚拟仪器为基础的用户界面,再加上标准数据采集与控制接口。
实际的植物环境中使用的地方工厂模拟模型,实际传感器和执行器之间的连接的植物和接口。
图1显示了一个典型的这种类型的硬件在环仿真配置。
图1-20典型PC-BASED半实物仿真
另一种在循环测试中完成硬件的方法包括交叉编译一种针对嵌入式实时处理器平台的控制算法。
嵌入式处理器平台是一种数字信号处理器,是一种面向嵌入式系统的定制产品。
交叉编译的代码,然后下载到嵌入式处理器,传感器连接到
嵌入式处理器板的输入,和执行器被连接到输出嵌入式处理器板。
机电一体化设计的门诊康复沃克
康复沃克装置（如图1-21所示）与辅助康复的目的研制的设备住院患者学习再走路。
该设备和控制系统是工业质量,并在其全部使用现成的部件,可重复性。
的想法康复学步车的背后是,它会减轻一定比例的体重,经过携带一种被连接到提升机上的线束的病人。
提升机是主动控制的应变式传感器的反馈。
当病人走动的范围内房间大小的门,启闭机将按照患者在。
头顶的门是电动的X和Y方向（图1-22）。
闭环电机控制反应反馈提升机上的多轴倾斜传感器。
如果病人被降下,提升系统将反应并移除病人的体重。
控制系统的基础包括一个国家仪器设备的可重构输入输出可编程自动化控制器（CRIO）。
的cRIO系统基于现场可编程门阵列（FPGA）背板和实时控制器。
图1-21机电应用康复设备（美国版权专利7462项,138b2,如今快速Campana）
图1-22在康复装置轴监测实例
背板接受执行各种I/O功能模块。
选择模块与康复学步车传感器以及处理电机驱动输出的互动信号。
该电机是由工业放大器驱动,而位置跟踪经过正交编码器反馈。
1.5.11光机电
近年来光学技术已被越来越多地纳入到机电一体化系统中,导致智能产品数量更大。
光学集成技术提供增强特性。
在下页图1-23显示机电一体化的发展在上一行以上的箭头和光学工程在较低的线技术。
随着一系列可供选择的可测量的尺寸,非接触式技术高技术激光正越来越多地提供检验和材料处理。
三维,五轴激光加工已成为有吸引力的,由于在控制的进步系统与编程。
图1-23历史光机电
1.5.12制造
网络功能的监测是最快的方式,使您的实时数据到网络上提供实时数据从一个工厂的地面线直接到网络。
一个具有网络功能的平台是一个集成的,支持实时信息系统的可视化环境,并允许灵活的监控分析。
远程监控设备接口和系统技术需要基于通用设备模型的开发。
的主要目的是,以减少需要的一个与分布式应用程序开发和部署问题,并允许行业工程师专注于应用程序功能。
该平台包含所有的信息相关的监测
·机器、设备和安装的数量。
·数据服务器。
·应用服务器。
·网络服务器。
·网络浏览器。
设备和机器收集的所有数据都存储在数据库中,能够集成不同的系统。
网络化制造是一种方法论体系,使制造业务成功地融入企业的功能目标,经过使用互联网,用系绳自由（例如,无线,网络,等）和预测技术。
网络化制造包括监测工厂资产的能力,预测的变化和性能损失动态重新安排生产和维护操作,并同步相关随之而来的行动,实现制造系统和高层之间的一个完整的集成企业中的应用。
罗克韦尔自动化年度报告概述了一份声明的能力这是世界级公司的要求。
这些都是设计,操作,维护和同步。
系统应包括智能维护和性能评价系统提供可靠性,可靠性和最小停机时间,允许设备在她们的最高表现顺利运行。
图1-24（A）光点燃的机电一体化武器系统（B）的监测和控制焊接系统
图1-25（A）人力搬运车（B）自动引导机器人
（C）移动机器人清洗
1.5.13在使用机电系统
工业用机电一体化系统在许多领域都有应用。
机电监控系统已被应用于飞机、机床、汽车等产品。
这些系统的设计来衡量工厂的参数（如合规性和惯性）,植物状态（如电流和速度）
升级会员 