功能模块及其逻辑关系

由上小节的分析可知,每个机电一体化系统都具有五个基本要素,而我们直接能看到的是“工作对象”“动作执行者”和“动作操控者”;而“工作任务”体现在系统的用途上,是设计的依据,“动作分解”是设计时的一种逻辑思维方法,体现在“动作执行者”的结构形式上。在此我们只将直接看到的三个要素表示出来,以表达机电一体化系统的体系架构、功能模块以及它们之间的逻辑关系。其表达形式如图2-5所示。

图2-5　机电一体化系统构成图(体系架构、功能模块、逻辑关系)

下面对图2-5作简要说明。

1.体系架构

从人们可以看到的结构形式上看,机电一体化系统由“工作对象”“广义执行子系统”和“检测控制子系统”组成。“工作对象”就是2.2.1小节中所说的“物”,“广义执行子系统”就是2.2.1小节中所说的“动作执行者”,“检测控制子系统”就是2.2.1小节中所说的“动作操控者”。

2.功能模块

“广义执行子系统”一般由“执行机构”“传动机构”和“驱动装置”三个模块组成。具体到收集机器人,“执行机构”是机械手和驱动轮;“传动机构”是绳轮传动机构;“驱动装置”是电动机和气缸。具体到五轴龙门数控机床,“执行机构”是转动工作台,水平滑动台,水平转动架,U形转动架,水平、竖直滑块;“传动机构”是三个螺母丝杠传动机构;“驱动装置”是六个电动机。

“检测控制子系统”由“传感检测模块”“信息处理与控制模块”和“电气模块”三个模块组成。具体到收集机器人,“传感检测模块”是感知、寻位、边沿检测、定位几类传感器及其相关电路;“信息处理与控制模块”是控制器;“电气模块”是驱动操制器。具体到五轴龙门数控机床,“传感检测模块”是三个光栅传感器和三个码盘及其相关电路。“信息处理与控制模块”是控制柜中的工控机和微处理器;“电气模块”是可编程控制器(PLC)。

3.功能模块间的逻辑关系

功能模块间的逻辑关系指的是各个模块的“功能”之间的关系。

由2.2.1小节对实例1和实例2的分析可知,“执行机构”的功能是执行动作,去改变“物”的位置或形状。在改变物的位置或形状的过程中“执行机构”必然要运动,完成指定的动作(2.2.1小节里“动作分解”中指定的动作)。这就要解决两个问题:一个是要给“执行机构”驱动力(或说能量);另一个是要有“操控者”。

“驱动装置”的功能就是给“执行机构”驱动力(能量),“检测控制子系统”就是“操控者”。至于“传动机构”的功能,顾名思义,起传递运动、传递动力(能量)的作用;当“执行机构”与“驱动装置”运动速度或运动方式(移动、转动)不匹配时,要加上“传动机构”,当二者距离较远时,也要加“传动机构”,当然能不加“传动机构”时一定不要加,避免消耗能量。

“检测控制子系统”的功能是代替人对“动作执行者”进行操作控制。试想人操作普通的机器时,首先必须了解被操作的机器、工作对象(物)和周围环境的状况,然后经过“大脑”的分析判断,才去施加操作指令。人们了解上述三种状况是通过“感觉器官”(视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉)完成的,这是对机器工作的相关信息的获取过程。获取上述三种信息以后,必须经过大脑的分析与判断,才能根据需要对机器发出下一步动作的指令;用大脑去分析判别是对机器工作的相关信息的综合分析与处理过程。大脑发出操作指令以后,通知手或脚去搬动电门或阀门,使机器进行下一步工作。在机电一体化系统中,“传感检测模块”代替了人的“感觉器官”,其功能是获取信息;“信息处理与控制模块”代替了人的“大脑”,其功能是对获取的信息进行分析与处理,并发出操作控制指令。“电气模块”代替人的手和脚,其功能是去自动地搬动电门或阀门使机构动作。

综上所述,可以看到各功能模块之间的逻辑关系如图2-5中箭头方向所示。“广义执行子系统”的功能是由“驱动装置”从外界获取能量并将其转换为机械能,然后经“传动机构”传递给“执行机构”,最后“执行机构”输出能量(力)对“工作对象”去做功,完成“移动”或“变形”工作对象的目的。在上述过程中,“检测控制子系统”必须是由“传感检测模块”从“执行机构”和“工作对象”处获取二者状态的信息,然后传给“信息处理与控制模块”,经过综合处理后变为控制信息,再传给“电气模块”,最后由“电气模块”发出指令去控制“驱动装置”动、停或调速。