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1、1.5机电一体化的应用1.5.1状态监测生产过程自动化的成功主要取决于过程监控系统的有效性。在生产系统中，一个自动化工厂需要有不同级别的传感器。传感器帮助生产过程中，通过补偿意想不到的干扰，工件的公差变化，或由于产品/工艺问题的其他变化。智能制造系统使用自动诊断系统，处理机械维护和过程控制操作。状态监测被定义为机器状态的确定或设备状态的确定和随时间变化的情况，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。其中某一个参数的变化可以提供机器状态变化的指示。如果机器状态得到正确的分析，那么在建立维护时间表和预防机械失效和故障中，可
2、以成为一个有价值的工具。可以在预定的时间间隔中连续测量和监测诊断参数。在某些情况下，测量的二次参数，如压力降，流量，和功率可以影响之前参数的信息，如振动，噪声和腐蚀。来自不同级别工厂的数据提供自动化生产的支持。传感器集成的自适应过程控制能力体现在在工厂水平，生产管理水平，控制水平，或感官水平和处理如图1-7所示的要求的水平。图1-7 不同生产水平的传感器分布在传感器层面，在生产过程中经常需要做的的任务是距离测量，轮廓跟踪，模式识别，工艺参数的识别，和机器诊断。表1-2中所示的是传感原理和参数的选择。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
3、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，或在制造过程正在进行中。表1-2 自动化生产中的传感参数实例图1-8显示在生产过程中机床状态监测的基本要素。该监控系统可以提供在加工过程中产生的扭矩数据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，该系统显示的机器状态，使操作员能够做出决定。2、 自适应控制特性的自动监测。如1-8 经典生产线上的状态监测系统 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 机床监控系统振动、
4、温度和磨损的监测 机器的振动，或噪音识别，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，可以提供关于故障的有用信息，如不平衡，错位，缺乏润滑和机器的磨损。在涡轮机械中，共振和振动分析是一种现有的诊断状况恶化的方法。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。振动的水平和额外峰值的存在是一个表明缺陷的迹象。图1-10和1-11显示的是典型的机电一体化系统。图1-10 影子手套图1-11 聚碳酸酯机器人对一台机器而言温度也是一个有用的指标。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
5、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。在切削过程中，随着刀具切削刃越来越迟钝，切削力会增加。此外，机床的磨损可以提供机器目前状态的信息。监控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磨损或活塞环的损坏。直接测量机床磨损的方法是通过将一个电传感器放置于机床顶端，观察其电阻率的变化。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。1.5.2在线
6、监控精益生产系统的重要性已经为自主检查，制造和决策系统创造了一个智能的机会，决策系统是指执行任务时无需人工干预。目前，产品工程周期质量的保证在2个不同的水平。1、 在产品设计阶段：保证产品质量的设计。使用稳妥的设计方法。2、 在最后的检查阶段：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，补充稳健设计统计控制方法。航空航天关键项目持续质量检测工业和微电子制造的硅器件都是通过在线系统完成的。100%检查确保所有产品的质量标准，无抽样误差。通过链接实现了过程数据和质量数据的自动故障校正。质量监控为工业工厂提供快速纠正问题的能力源。现代制造业的状态监测与故障诊断技术研究具有重要的现实价值
7、意义。可以提高质量和生产率，防止损坏机械。在一个经典状态监测的实施中，传感器被部署到监测系统中去检测异常。例如，频率谱的特性机械轴承的振动可以作为轴承磨损的指示器；某些光谱成分的观察可以用来检测特定的故障机制的失效。在线监测装置已经出现很多年了，但它们在工业上的应用还是不普遍的。目前的主要问题是设备的功能性和可靠性有限，特别是在快速变化的生产条件时。 近几年，正在优化的制造工艺方法已经取得了重大进展。一些相关的方法包括立体匹配，三维重建和神经网络的使用。基于欧洲的智能设备在线和实时程序监测、诊断、和加工过程的控制一直尝试与科学家，机床制造商，信号处理专家，监控设备的开发和传感器，以及从事金属切
8、削行业最终用户连接。该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。以证据为基础的诊断 在医疗保健领域，互联网为基础的系统可以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，被称作“伊莎贝尔”， 是由一个试图改变诊断系统的父亲发展的，这个系统影响对待他女儿的方式。这个系统基本上是一个直观的系统，具有所有以前的诊断优势，提供统计上最有可能的疾病（故障）和治疗（修理）。基于状态的维修信息系统同样可以应用在军队和军事中。该系统具有集成车载传感器信息和诊断设备的能力，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战斗
9、车辆的有效性。1.5.3 基于模型的制造基于模型的监测系统通常使用一系列的建模方程和估计算法（如状态观测器）来估计有关机器性能的重要信号。基于模型的监测，模型的目的是指结构的行为也能被外部感测和记录。本地传感器提供有关测量的输出信号。模型的输出信号和实际过程的输出信号之间的差异需要一个简单的机制去诊断，这是一个有吸引力，可以替代经验的决策系统。图1-12给出一个基于智能模型的制造系统通用图。图1-12图1-12也显示了控制器怎样处理命令，比如各种检测值（关于本机和/或工艺性能）保持在所需的值。远程传感器可以感测到在一些难以访问位置的诊断信号。在某些情况下，估计算法的使用是基于系统结构和感应信号
10、。建模程序（一些基于以前的知识）是用来制作简单，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，也是提高生产效率的关键。此功能的一个先决要素是在内核中的开放接口。今天，开放式数控内核接口的控制方式可以在市场上得到，然而，不允许在不同的控制重复使用同一个监控软件。模块化、开放式的架构机控制器的发展，如图1-13所示，改善了对现有系统克服开放式实时监测功能的接口控制器集成的局限性。这一趋势也加快了在制造智能中传感器的使用。图1-13带有传感器的智能控制系统可用于评估，以控制制造过程，并提供一个链接到基本设计。的制造方法的多元环境通常不产生该过程
11、的良好的分析模型。然而，附加信息通常被作为一个典型的工厂底层引入制造自动化的结果产生的，和用于建模的数据变得可用。仔细收集数据，并使用知识基础的可视化仿真环境，使得它可以集成设计，控制和检查，以及规划活动。图1-14所示用于集成异构系统，它涉及到一种位置和速度控制的机器方法，一个过程的局部检验，一个过程的全部检查。图1-141.5.4监控结构除了影响产品的设计方式，机电一体化的发展创造了自主检查和智能制造的机会。图1-14显示了其中控制器的位置和速度在机器程度，力和磨损的水平，和在产品层面的质量控制问题。这种分层控制结构由伺服，过程和监督控制。最低水平是伺服控制，其中，相对于工件的切削工具的运
12、动（如它的位置和速度）被控制。这涉及到的大约1毫秒的循环时间。在所述过程控制水平，过程变量（如切削力和刀具磨损）被控制以约10毫秒的典型循环时间。在没有明确考虑的因素下，控制级策略旨在补偿在伺服和过程级控制器的设计。最高水平是监督水平，直接测量产品相关的变量（如部分尺寸和表面粗糙度）。检测水平也执行功能，如震颤检测和刀具监控。检测水平约1秒周期时间进行操作。最后，所有这些信息都可以被用来实现在车间和工厂控制水平的加工过程的在线优化。在机电一体化的趋势是由所有的信息集成到一个共同的数据库，以优化从产品设计的整体制造工艺的检查。例如，部件的几何形状的知识，作为包含在CAD系统，可以被用于确定过程变
13、量的参考值。从各种工艺相关的传感器的信息可以被集成，以提高传感器的信息的可靠性和质量。此共享信息（例如，一个部件的几何形状和距离的CAD / CAM数据库中使用的材料的数据）可在选择最佳的加工过程中，工具的选择，和精加工操作中使用。最后，所有的这些信息都可以被用来实现加工过程的在线优化。与刀具磨损和质量检验的自动化监控相结合，该系统有助于确保高效的制造工艺和更高质量的产品。这将最终降低总的生产成本，产生更好的利润率。1.5.5开放式体系结构方面同机电型号：速度和复杂性不论角色，机电一体化起着单个或多个微控制器处理机床或多个机器人的汽车组装线的可能性。这种模拟复杂的系统使设计人员能够开发一个系统
14、没有最后确定硬件。仿真程序可以作为一个“假设”场景时，硬件不存在。有考虑两个关键问题：速度和复杂性。较大的系统涉及更多详细的模拟和具体的系统要求。模拟速度和精度水平之间权衡根据可用的系统资源是必要的。仿真变得速度更快的处理器速度更快，并利用多核系统的帮助模拟（MacCleery和马图尔）。在接下来的页面，图1-15示出了在生产线，并在许多其它的工业应用中使用的平台的例子。在这种情况下，有有效的两个模型：模拟的物理模型和应用模型。物理模型占基于物理学的模拟环境。应用模型与该环境交互以模拟真实的字应用。 Simulink和MATLAB作为基于模型的开发工具;因此应用程序是通过计算机辅助设计和制造工
15、具（如CATIA，欧特克和SolidWorks）物理世界所代表的model.The基本设计有先进的仿真工具，虽然他们对物理结构，而不是过程控制为导向集成（下页图1-16）。该仿真平台可以检查动态负载条件下的压力。它也是解决非线性分析（如偏转和影响）用柔性材料（如泡沫，橡胶和塑料）。在许多情况下，物理实体的模拟和分析是在不包括基于计算机的控制装置的设计是有用的。由National Instruments的贡献有利于这便于设计工程师在机械元件带来（如齿轮，凸轮，和致动器），而程序员集中在反馈和控制算法，将处理系统中的电机和致动器的一个主要的集成。链接各种objectstogether使模型进行互动
16、。渲染的提供允许在行动模型的可视化。当创建大型模型，建模环境可以要求显著的计算能力。大型模型的创建可以是计算一个挑战。在此阶段，开放架构主机可以做出显著差异。一些基于模型的CAD设计系统采用的接口软件，需要多个核心的优势。利用大量的内核和集群系统已经在先进的软件架构是一个挑战。主要的挑战是核之间的通信。基础的机电模拟的要求是在分布式环境中的各种对象之间的时间同步。模拟在多芯环境又是当共享存储器不能处理同步的一个挑战。通常情况下，有一个在物理空间中的限制量。一种机器人线装配仿真可在其区域内表现良好，但它有能力有限，如果有与其他细胞相互作用。基于图形模型的编程可以协助联的多个小区。1.5.6交互建模图形环境的关键方面是，系统分区和相互作用的视觉表示适合于机电应用程序。他们还降低了系统的复杂性从开发者的角度来看，允许应用程序的细节浓度。例
