自动化设备是做什么的?如何使用?优势

2023年10月19日新闻中心 5260

自动化系统

介绍

本文提供有关自动化系统的行业见解，主要关注手臂和执行器。进一步阅读以了解更多信息：

自动化系统概述
自动化的优缺点
基本组件
臂端工具

第1章：什么是自动化系统？

自动化系统是传感器、控制器和执行器的集成，旨在以最少或无需人工干预的方式执行功能。该主题所涉及的领域称为机电一体化，它是结合机械，电气和电子系统的跨学科工程分支。

大多数自动化系统都源自手工过程，例如钻孔、切割、焊接等。这些系统使用机械臂来操纵执行原始功能的工具的运动。其他应用，特别是在过程控制领域，使用自动化来监视和控制过程参数。这是通过操纵加热器、电机、泵和压缩机等设备的运行或使用控制阀打开或隔离生产线来完成的。自动化系统具有不同的配置，甚至适用于一种特定功能。自动化系统最常见的应用是：

装配
制粉
切削
钻探
去毛刺

线程
焊接
涂料和喷漆
锻造
码垛

包装
排序
测量
检查
过程控制

第2章自动化的优缺点

自动化系统的主要目标是减少人为干预。人类操作员容易出错和疲劳，从而导致各种问题。调整自动化系统将在利润、生产率、安全性和质量方面产生实质性的好处。下面列举的是使用自动化系统的优缺点。

优势：

更稳定的生产：如果设计得当，机器人系统可以通过有效地进行复杂的运动来减少所需的生产时间。更高的生产率意味着更大的产量和更好的利润。为了实现更快的动作，驾驶员必须提供足够的力，并且连杆和接头的运动流程必须平稳，没有任何不必要的过渡。此外，计算机的处理速度比人类更快、更高效。人类确实可以处理比计算机更复杂的信息，但是当考虑到人为错误、休息和病假时，计算机的性能会更好。
提高可重复性：生产线之所以高效，是因为重复的运动顺序以某种方式“编程”给执行工作的操作员。这需要最少的决策，其中操作主要由一组预先确定的特定指令控制。这些重复的运动可以分解为简单的平移和旋转，可以编程到机器人中。由于执行器设计有近乎恒定的运动范围，因此可重复性得以提高。
精度和准确度：如前所述，执行器设计用于执行恒定范围的运动。除非有反馈信号或控制变量发生变化，否则执行器运动的特性不会改变。自动化系统可以进行校准，以提供相同的输出，偏差最小或没有偏差。
提高产品质量：使用自动化系统，可以一致地创建产品。避免了人为错误和主观判断的失误。自动化系统根据逻辑运行，并评估某个条件是否满足所需的输出。可以通过比人类更有效的反馈系统进行持续验证。
更好的工作条件：涉及极端温度、过压、高力、快速运动和有毒物质的过程会对人员构成安全隐患。自动化允许机器人执行不安全的任务，从而消除伤害甚至死亡。
降低运营成本：除了由于更好的质量和持续更高的生产率而获得的额外利润外，其他经济效益还可以从更少的原材料浪费和更少的人力成本中获得。通过采用自动进料系统，确保原材料的使用一致，从而减少材料浪费。通过编程可以轻松、轻松地优化进料量。在节省人力方面，一个机器人可以执行多个人员的工作。从长远来看，这些好处将抵消安装自动化系统的高投资成本。

弊：

投资成本高：高昂的投资成本是阻碍流程所有者建立自动化系统的主要因素。除了传感器、控制器和执行器外，自动化系统还由不同的辅助系统组成，例如电源、压缩空气系统、液压系统和润滑系统。机器人系统的成本可能约为数百甚至数百万美元，具体取决于所需自动化的复杂性。
需要额外的维护：自动化系统可能不会像人类操作员那样感到疲劳，但连续运行会导致组件不可避免的磨损。为了保持其最佳性能和使用寿命，定期进行维护以检查或防止可能导致计划外停机的任何问题。
多功能性较差：大多数自动化系统无法轻松重新配置。模块化和可编程性是增加设备成本的附加功能。此外，由于机器人仅根据特定指令运行，因此超出其编程范围的任何条件都可能导致不可预测的输出或突然的系统故障。人类操作员可以分析这些条件并采取相应的行动。

第3章自动化系统的基本组件

自动化系统由能够接收输入的设备（传感器、人机界面等）、计算系统（处理器）和执行实际工作的机械手（执行器）组成。三者中最重要的部分是计算或控制系统。可分为开环和闭环（反馈）控制两种。

开环控制是控制器向执行器发送信号以获得所需响应的系统。发送的信号仅由最初馈送到控制器的程序控制。在闭环系统中，涉及反馈信号。反馈信号由传感器产生，传感器直接或间接测量执行器发出的响应。该反馈信号由控制器处理，以将实际输出与所需输出进行比较。然后，控制器对发送到执行器的信号进行必要的调整。重复循环，直到获得正确的响应。

输入组件可以是人机界面或传感器。

人机界面是人类操作员与控制器通信的地方。这是输入变量或命令以修改预期输出的地方。

传感器用于利用不同的物理或电磁特性（如压力、温度、磁性、辐射等）来测量输出。测量的物理特性被转换为控制器可以读取和使用的电子信号。

执行器是产生动作的部分。执行器由驱动器以及接头和连杆组件组成。驱动器提供所需的力或扭矩，用于移动通过关节连接的连杆。驱动器可以考虑为电动、液压或气动。电动执行器是将电能转换为机械输出的电机或螺线管。液压和气动系统使用压缩在活塞、气缸、叶片或叶片上的流体压力运行。这些系统在其最基本的概念中也可以被认为是电动的，因为流体是由电磁阀的打开和关闭控制的。

链节可以相对于彼此移动，具体取决于接头允许的自由度。自由度定义为链接在三维轴上的允许运动。有六个自由度，三个用于平移（向上和向下，左右，向前和向后），三个用于旋转（俯仰，偏航和滚动）。为了简单起见，大多数关节只允许一个或两个自由度，因为创建一个高度可移动的手臂是困难的、昂贵的和不切实际的。

手臂配置

手臂是安装手臂末端工具的地方。手臂是具有固定运动范围的连杆和关节的组件。连杆通常是能够传递力的刚性部件。连杆通过关节连接，这些接头分为蜗壳接头或棱柱形接头。蜗壳关节允许旋转运动，而棱柱形关节允许平移运动。这些连杆和关节的组合产生不同程度的自由度或运动范围。手臂配置可分为以下几类。

直角坐标机器人：笛卡尔机器人由三个棱柱形关节组成。笛卡尔这个名字来源于由 X、Y 和 Z 轴组成的三维笛卡尔坐标系。这是最简单的系统，因为它很容易计算操纵末端执行器从一个地方到另一个地方所需的运动。这适用于只需要以直角移动而不需要末端执行器旋转的应用。笛卡尔机器人的一个例子是龙门机。
极地机械臂：这种类型也被称为球形机器人。它的运动范围可以可视化为一个球体，其半径具有连接第二蜗壳关节和末端执行器的连杆长度。允许使用棱柱形接头延伸此链接。因此，该机械臂由两个蜗壳关节和一个棱柱形关节组成。
圆柱形机械臂：这种类型的机械臂由一个蜗壳关节和两个棱柱关节组成。蜗壳关节位于手臂底部。该关节允许链接绕其轴旋转。这形成了一个圆柱形的运动范围。棱柱形接头可以延伸，可以可视化为改变圆柱体的高度和半径。
选择性兼容关节式机器人手臂（SCARA）：SCARA是一种机器人，它由一个手臂组成，该手臂在X-Y平面上水平柔顺或灵活，但在垂直或Z轴上是刚性的。这描述了其“选择性兼容”特性。它的“铰接式机器人手臂”类似于人类手臂，由两个末端由关节连接的链节组成。这允许机械臂伸展或折叠。
铰接式或拟人机器人：与SCARA机器人相比，该机器人为末端执行器增加了两个自由度。铰接式机器人的手臂在一端通过蜗壳关节连接，类似于SCARA。但是，它们没有垂直线性导轨。相反，一个臂安装在带有固定底座的旋转接头中，允许更灵活的移动。

第4章臂端工具

臂端工具（EOAT），也称为末端执行器，是设计用于与产品或过程交互的工具或操作员。大多数EOAT是用于移动或重新定向物体的抬起和放下物体的夹持器。夹具具有不同的处理物体的方法，分为冲击式（机械钳口）、侵入式（针状）、致伸缩式（真空和磁性）和连续式（粘附）。工具也可以用于更具体的应用，如铣削和焊接。

机械夹持器：这些用于基本的拾取和放置机器人系统。夹具有一到三组机械钳口，通常由伺服电机或气动执行器驱动。这些颌骨由一条线组成，该线通过蜗弯或棱柱关节连接到手腕。为了控制使用伺服电机时的夹持力，应变片或电机电流会产生反馈。对于使用气动执行器的夹持器，由于空气固有的可压缩性，可以在不损坏物品的情况下增加夹持力。钳口可以按照有效载荷的形状构造为叉子、手指、平行板或表面。通过在表面衬有弹性的高摩擦材料，可以实现更好的抓地力。
真空吸盘或吸盘：这些用于拾取具有光滑表面的物体，例如薄膜、玻璃和盘子。产生真空的常用方法是使用压缩空气供应的文丘里管。为了产生更大的吸力，使用了一系列吸盘。真空EOAT比机械夹具更清洁，并且可以允许一些位置偏差。这种类型的EOAT不适用于粗糙，多孔或不规则的表面。此外，当加速过快时，物体可能会滑出吸盘。
磁性夹持器：这些类型的EOAT使用电磁铁来提升铁磁物体。还使用永磁体，因为它不会持续消耗功率。但是，它需要一个机械装置来移除收集的物体。电磁铁是首选，因为它们操作简单，因为只需向电磁铁供电或切断电源即可抬起或放下物体。然而，除了在铁磁材料上使用的限制外，它还导致零件具有磁性。此外，它不能加速得太快，因为附着的对象可能会滑动。
充气项圈和气缸：充气环可以想象为一个环状弹性体管，由其外周的刚性结构支撑。它通过在释放时膨胀管子来抓住物体，这是通过放气来完成的。这些通常用于管状或圆柱形产品的二维抓取。
针夹具：这些类型通过用针或镣铐穿透物体或散装物来执行抓取动作。这些EOAT通常是静态的，没有任何关节的移动链接。针夹具用于处理多孔或纤维状物体，如纺织品、碳纤维和玻璃纤维，在这些物体中，穿透力小不是问题。
粘性夹持器：顾名思义，这些类型的夹持器通过表面粘附来抓取产品。一种特殊类型的粘合剂涂覆在接触要提升的产品的垫或板的表面上。粘性抓手的主要优点是能够在没有任何空气或电源的情况下运行。然而，它们仅限于处理轻质物体，并且随着时间的推移往往会失去抓握效果。
工具（永久和可变）：工具可以安装在手腕的最外链节，而不是夹持器。该工具可以永久连接或更换。末端执行器的常用工具包括螺丝刀、扳手、钻头、旋转刀具、激光器、水刀喷嘴、喷漆喷嘴、焊条和焊料。其他专用的末端执行器包括带有安装传感器的检测系统。这方面的一个例子是用于非接触式测试和3D测量的相机或其他类型的光学设备。由于机器人系统的固有可重复性、精度和准确性，由此产生的测量精确到十分之一毫米。

由于新产品要求、系统改进或零件过时带来的修改，安装在机械臂上的现有工具也可以随着时间的推移而改变。在确定新工具是否适用时，必须验证几个因素：
- 新工具的重量;
- 与工件对齐时的位置和角度精度;
- 工具施加的力和扭矩;
- 刚性要求;
- 适配器、联轴器和快速释放机构;
- 反馈控制和安装的传感器;
- 辅助系统要求。
拟人化和自适应夹持器：与机械夹持器相比，拟人夹持器具有更复杂的连杆和接头。机械夹具通常有一个连杆通过蜗壳或棱柱形关节连接到手腕。另一方面，拟人化夹持器有两个或多个链节通过蜗壳接头链接在一起。它们可以配置为通过两组或三组手指提供二维或三维抓取。为了自适应，每个手指都通过安装的传感器独立驱动，以检查接近度和握力。拟人化和自适应夹具在物体经常变化的应用中非常有用，例如在分拣和多产品线包装系统中。

第5章执行器

执行器是提供力或扭矩以产生运动的组件。它们通过钢筋、齿轮、链条、凸轮或轴连接到连杆和接头上，形成主驱动系统。它们分为电动、液压和气动。

电动推杆：电动推杆是工业机器人使用最广泛的推杆。最常见的电动执行器类型是由直流电源供电的伺服电机。电机的旋转运动可以通过皮带、电缆和链条等各种机械传动系统转换为线性动作。产生直接直线运动的电动推杆也以直线电机和螺线管的形式存在。电动推杆的主要类型总结如下：
- 伺服电机：这种类型的电动推杆通过闭环或反馈系统运行，该系统处理输出信号以控制其位置、速度和加速度。伺服机构中使用的电机可以是有刷直流电机、无刷直流电机、交流电机，甚至直线电机。伺服机构有一个传感器、换能器或电位器，称为编码器，用于测量电机的位置和速度并将其转换为电子信号。数字或模拟信号被馈送到放大器和控制器，然后放大器和控制器改变提供给电机的电力的电压或频率。
- 步进电机：与伺服电机不同，步进电机不需要反馈回路。它们通过拉动转子极的定子极的持续通电和断电来运行。定子具有单独通电的极，以拉动转子极并产生步进或分度旋转。转子由层压铁磁材料制成，其极数与定子不同。转子和定子的极数差异允许一次只能吸引一组或一对极。控制器和放大器根据电机的编程速度为极点供电。步进电机比伺服电机简单，但功率较小。如果超过负载，电机可能会打滑。由于没有内置的反馈回路，因此无法纠正偏差。
气动执行器：气动执行器通常使用压缩空气在大约 6 至 10 bar 的压力下运行。压缩空气的流量由电磁阀控制。最常见的气动执行器类型是气缸或柱塞。气缸有一个活塞，在气缸内施加压力时会伸展或缩回。活塞的一侧连接到连接到机器人手臂的杆。也可以使用其他耦合方法，例如电缆和磁铁。产生的力的大小取决于活塞的压力和有效面积。

气缸可以是单作用或双作用。单作用气缸只有一个入口，压缩空气仅将活塞推向一个方向。回程是通过弹簧力或重力等外力实现的。另一方面，双作用气缸在气缸的两端有两个端口，分别用作进气口和排气口。压缩空气在一端供应，另一端释放。这允许活塞在两个方向上移动和施加力。一种不太常见的气缸类型是伸缩式气缸，它由嵌套壳体组成，当引入压缩空气时会延伸。伸缩式气缸可以是单作用或双作用。为了使用压缩空气产生旋转运动，使用了气动马达。常见的气动马达是旋片和涡轮机。旋片在空气通过转子时通过正排量运行。涡轮机利用通过空气的动能产生旋转。除了气缸和电机外，还存在其他类型的气动执行器，例如管子、波纹管和隔膜。虽然结构不同，但它们的功能与气缸和电机相同。
液压执行器：液压执行器的工作方式与气动执行器相同。唯一的区别是产生的力的大小，结构的坚固性，其流体回路以及伺服控制的能力。液压执行器可以施加非常大的力，适合承载重载荷。这可以归因于液压油或油的不可压缩性。压力可高达 130 巴。由于涉及高压，液压执行器由非常厚和刚性的金属制成。柱塞和活塞经过表面处理和密封，以防止任何流体泄漏。

气动回路通常是开放的，空气不会在系统内再循环。在液压回路中，流体返回到泵送装置，在再循环之前对油进行过滤和冷却。当在非常高的压力下压缩时，流体往往会升温，从而加速其降解。液压执行器的另一个理想特性是其伺服控制能力。气缸只能完全伸展或缩回。另一方面，液压缸能够进行伺服控制，其中可以精确控制其延伸长度和速度。