机械电子工程的应用

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。传感器可以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。机器的情况可以通过物理参数（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，状态监控可以成为一个有价值的工具，从而利用其建立一个可以对机械日常保养和预防机械故障。可以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，和功率可以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，传感器可以监测加工操作，刀具的切削条件，原料的可用性，以及工作的进展。传感器可以协助零件、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。该监控系统可以提供数据，在加工过程中产生的扭矩和其他数据的工具管理。状态监测系统可以是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，可以提供有用的信息，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可以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。此外，磨损在机床可以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可以提高制造工艺。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通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。目前，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。通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可以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可以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。目前的主要问题是设备的功能性和可靠性有限，特别是当他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通过削减成本，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，受影响他的女儿（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。远程传感器可以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，但是，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可以用来评估，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，所有这些信息都可以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通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，可以用来确定参考过程变量值。从各种工艺相关的传感器信息可以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）可以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，可以使用“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他工业应用。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，虽然他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）。仿真平台可以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。在创建大模型时，建模环境可以要求显著计算能力。大模型的创建是一个挑战，计算。在这阶段，开放式架构主机可以使一个显着的差异。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。通常情况下，有一个数量的限制物理空间。一个机器人线装配仿真，可以在其区域内表现良好，但它将具有有限的能力，如果它与其他细胞相互作用。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