Мехатронные системы

Однако для проведения таких исследований, как правило, требуются слишком сложные и дорогостоящие аппаратура и измерительные технологии. Так для предварительной оценки силовых воздействий на рабочий орган на операции роботизированного удаления облоя с отливок необходимо контролировать их форму и размеры. В таких случаях целесообразно применять методы адаптивного управления, которые позволяют автоматически корректировать закон движения рабочих органов мехатронных систем непосредственно в ходе выполнения операции. 
В состав традиционной машины входят следующие основные компоненты: 
- механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган; 
- блок приводов, включающий силовые преобразователи и исполнительные двигатели; 
- устройство компьютерного управления, верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть; 
- сенсоры, предназначенные для передачи в устройство управленияинформации о фактическом состоянии блоков машины и движении мехатронной системы.

Таким образом, наличие трех обязательных частей – механической (электромеханической), электронной и компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками, является первичным признаком мехатронных систем.

 

 
Рис. 2 – Принцип построения мехатронной системы

 

Электромеханическая часть включает механические звенья и передачи, рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнительные электротехнические элементы (тормоза, муфты). Механическое устройство предназначено для преобразования движений звеньев в требуемое движение рабочего органа. Электронная часть состоит из микроэлектронных устройств, силовых преобразователей и электроники измерительных цепей. Сенсоры предназначены для сбора данных о фактическом состоянии внешней среды и объектов работ, механического устройства и блока приводов с последующей первичной обработкой и передачей этой информации в устройство компьютерного управления. В состав этого устройства обычно входят компьютер верхнего уровня и контроллеры управления движением. 
Устройство компьютерного управления осуществляет следующие основные функции: 
1. Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации. 
2. Организация управления функциональными движениями мехатронной системы, которая предполагает координацию управления механическим движением мехатронной системы и сопутствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства. 
3. Взаимодействие с человеком-оператором через машинный интерфейс в режимах автономного программирования (режим off-line) и непосредственно в процессе движения мехатронной системы (режим on-line). 
4. Организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.

Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления в целенаправленное механическоедвижение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно, что электрическая энергия (гидравлическая, пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

Особенность мехатронного подхода к проектированию заключается в интеграции в единый функциональный модуль двух или более элементов возможно даже различной физической природы. Соответственно на стадии проектирования из традиционной структуры машины исключается как минимум один интерфейс при сохранении физической сущности преобразования, выполняемого данным модулем.

В идеальном для пользователя варианте мехатронный модуль, получив на вход информацию о цели управления, будет выполнять заданное функциональное движение с допустимой погрешностью. Аппаратное объединение элементов в единые конструктивные модули обязательно сопровождают разработкой интегрированного программного обеспечения.  
Программные средства обеспечивают непосредственный переход от замысла системы через ее математическое моделирование к управлению функциональным движением в реальном времени.

Применение мехатронного подхода при создании машин с компьютерным управлением определяет их основные преимущества по сравнению с традиционными средствами автоматизации:  
- относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;  
- высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;  
- высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;  
- конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах);  
- улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;  
- возможность комплексирования функциональных модулей в сложные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика. 
 

3. Уровни интеграции  мехатронных систем

 
В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии сэтим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоемкой продукции исторически.

Мехатронные модули первого уровня представляют собой объединении только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить "мотор-редуктор", где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент.

Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).

Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привела к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы управляемые энергетические машины(турбины и генераторы), станки и промышленные роботы с числовым программным управлением. Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров на их базе и направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь - процесса управления функциональными движениями машин и агрегатов. Одновременно идет разработка новых принципов и технологий изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных, бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых прецизионных, информационных иизмерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и изготовления интеллектуальных мехатронных модулей и систем. В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ.

Цель создания таких комплексов - добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции на рынках XXI века.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Мехатронные системы  на автотранспорте

 
Проблема мехатронных систем на транспорте и в тяговых машинах различного назначения возникла в последние годы, когда автоматика пришла в автомобили и тракторы. Главным образом — в зарубежные автомобили и тракторы. Легко предположить появление и прогрессирующего развития на автомобилях и тракторах и отечественного производства в ближайшем будущем автоматики, а вместе с ней и развития на них мехатронных систем. 
Жесткая конкуренция на автомобильном рынке вынуждает специалистов в этой области к поиску новых передовых технологий.  
Мехатронные модули находят все более широкое применение в различных транспортных системах. Современный автомобиль так начинен мехатронными устройствами, что его можно считать мехатронной системой (МС) (рис. 3).

Современная автомобильная МС включает, как правило, целый ряд подсистем, выполняющих функции:

• управления двигателем;

• управления коробкой передач;

• обеспечения безопасности движения (тормоза, диагностика, подвеска,

подушки безопасности, круиз-контроль, система навигации);

• обеспечения комфорта (климат-контроль, автоматическое управление аудио- и видеосистемами).

Появление в мировом авто- и тракторостроении автоматики, особенно компьютерной микропроцессорной автоматики, привело к перестройке и зарубежной системы проектирования, к переводу её на мехатронные рельсы, т. е. на методы единого комплексного проектирования всех трёх составляющих мехатронных комплексов. [9]

Развитие мехатроники на автомобилях и на производственныхмашинах имеет свои особенности. На автомобилях экспансия автоматики, а следовательно, и мехатроники, преимущественно началась в сфере устройств комфорта, на тракторах - в сфере силовых агрегатов.

 

 

 

Рис. 3 Автомобиль как мехатронная система.

 

 
Первым из мехатронных агрегатов, как это исторически повелось, там стал двигатель с системой топливоподачи и автоматикой её регулирования.  
Вторым — система силового управления навесным устройством (EHR), мировым лидером в производстве которой является фирма Bosch.  
Третьим — трансмиссия. Тут процесс начался с появления механических трансмиссий с переключением ступеней под нагрузкой. На них появились гидравлические, затем электрогидравлические устройства переключения, а затем и электронная автоматика управления переключениями. Западные фирмы (Германская ZF и другие) начали поставлять автомобильным и тракторным заводам и производить на продажу трансмиссии в таком именно полном комплекте. С появлением затем в зарубежном тракторостроении бесступенчатых трансмиссий (пока ещё только гидрообъёмных двухпоточных) это явление упрочилось. [1]

               Сила и выгода мехатронного исполнения агрегатов особенно ярко видна на примере трансмиссий ,которые при наличии и отсутствии автоматики управления при одинаковых других компонентах комплекса являют разительный контраст в характеристиках как их самих, так и оборудованных ими тракторов и автомобилей. В мехатронном виде они обеспечивают на порядок более выгодные характеристики практически по всем показателям работы машин: техническим, экономическим и эргономическим.

         Сравнивая мехатронные комплексы с их не мехатронными прообразами по техническому совершенству легко увидеть, что первые значительно превосходят последних не только по общим показателям, но и по уровню и качеству проектирования. Это не удивительно: синергический эффект проявляется не только в конечном продукте, но и в процессе проектирования вследствие и нового подхода к проектированию и более высокой по необходимости квалификации проектировщиков. [2]

        Сравнение цены этих объектов ещёболее разительно. Мехатронные комплексы вследствие применения в автоматике микропроцессорной технологии, дающей весьма дешёвые устройства автоматики, по цене очень не много дороже прообразов, зато по совокупному показателю цена/качество превосходят их на порядок.

         Это обстоятельство снимает вопрос об экономической эффективности мехатронных агрегатов, оставляя только вопрос о готовности современной промышленности к организации и выполнению проектирования и изготовления таких технических систем.

 

5. Современные  тенденции развития мехатронных  систем

 
Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:  
- станкостроение и оборудование для автоматизации технологических  
процессов;  
- робототехника (промышленная и специальная);

- авиационная, космическая и военная техника;

- автомобилестроение (например, антиблокировочные системы  тормозов,  
системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);  
- нетрадиционные транспортные средства ( электровелосипеды, грузовые  
тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

- офисная техника (например, копировальные и факсимильные  аппараты);  
- элементы вычислительной техники( например, принтеры, плоттеры,  
дисководы);  
- медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);  
- бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины);  
- микромашины (для медицины, биотехнологии, средств  
телекоммуникации);  
- контрольно-измерительные устройства и машины;

- фото- и видеотехника;

- тренажеры  для подготовки пилотов и операторов ;

- шоу-индустрия (системы звукового и светового  оформления). 
Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах как нового научно-технического направления обусловлено целым рядом факторов, среди которых ключевыми являются следующие: новые тенденции мирового индустриального развития; развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиальноновые технические и технологические решения), активность специалистов в научно-исследовательской и образовательной сферах.

            Можно выделить следующие тенденции изменения и ключевые требования мирового рынка в рассматриваемой области:  
- необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества, сформулированных в стандарте ISO 9000;

- интернационализация  рынка научно-технической продукции  и, как следствие, необходимость  активного внедрения в практику  форм и методов международного  инжиниринга и трансфера технологий; 
- повышение роли малых и средних производственных предприятий в экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка;