В.1. Понятие “мехатроника”

В настоящее время мехатроника как наука находится на стадии становления, поэтому ее определение и базовая терминология еще не полностью сформирована. Известно несколько определений, опубликованных в периодических изданиях, трудах международных конференций и симпозиумах, на основе которых в Государственном образовательном стандарте РФ 2000 года определена следующая трактовка: “Мехатроника – область науки и техники, основанная на синергетическом объединении точной механики, электротехники, электроники и интеллектуального управления, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, машин и систем с управлением их функциональными движениями”.

Заложенная в этом опре­делении триединая сущность мехатронных систем – глубо­кая взаимосвязь механиче­ских (в том числе гидравлических и пневматических), электротехнических компонен­тов и системы автоматизации (интеллектуального управления) может быть про­иллюстрирована рис. В.2. Главная методологическая идея мехатроники состоит в системном сочетании ранее обособленных научно-техниче­ских направлений с целью создания новых устройств, обладающих высокими функциональными качествами, конструктивной компактностью, высокой надежностью и долговечностью.

В.2. Структура и принципы интеграции мехатронных систем

Объектом исследования в мехатронике как науке является мехатронная система, в состав которой входят:

- механическое устройство с преобразователями движения и рабочим органом;

- блок привода (исполнительный электро- либо гидропривод);

- интеллектуальное устройство управления с локальной системой регулирования исполнительным приводом и системой комплексной автоматизации.

На рис. В.3 приведена обобщенная структура мехатронной системы. Задачей мехатронной системы является преобразование информации о цели управления, поступающей с верхнего уровня от человека-оператора либо промышленного компьютера, в целенаправленное функциональное движение.

Сигнал задания обрабатывается локальной системой автоматического регулирования, усиливается и преобразуется в силовом электронном преобразователе и воздействует на исполнительный двигатель. Исполнительный двигатель совместно с преобразователем движения и рабочим органом совершает заданное движение и выполняет при этом необходимую полезную работу.

Рис. В.3. Обобщенная структура мехатронной системы

В процессе движения объект оказывает возмущающее воздействие на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы сопротивления металла при его прокатке, силы резания для операций механообработки, сила тяжести при подъеме груза и т.п. Поэтому с целью обеспечения заданного качества движения необходимо иметь информацию о фактическом состоянии внешней среды, механического устройства, исполнительных двигателей и силовых преобразователей. Для получения этой информации в мехатронную систему вводятся специальные датчики и информационные устройства.

В определение мехатроники под понятием синергетического объединения узлов механики, электротехники, электроники и интеллектуального управления заложено не простое соединение частей посредством механических сочленений и интерфейсных блоков (как это показано на рис. В.3), а их конструктивное встраивание в мехатронные модули. Здесь под модулем понимается функциональная часть системы, конструктивно выполненная как самостоятельное изделие.

Объединение двух элементов системы позволяет получить мехатронный модуль 1-го поколения. Типичным примером таких модулей является мотор-редутор, где механический редуктор и электродвигатель выпускаются как единый функциональный элемент. При этом сочленение двигателя и редуктора осуществляется без соединительной муфты путем закрепления вала двигателя в полом вале редуктора посредством шпонки. Примером мехатронного модуля 1-го поколения также является и современный преобразователь для питания электродвигателя, в котором одновременно с силовой схемой встроена система автоматического регулирования координатами электропривода и технологическими координатами.

Мехатронные модули 2-го поколения появились в 80-х годах в связи с развитием электронных технологий, позволивших создать миниатюрные датчики координат электропривода. Объединение двигателей с информационными датчиками привело к созданию так называемых мехатронных модулей движения, в которых достигнута интеграция уже трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных.

Главной особенностью современного – 3-го этапа развития мехатроники стало создание интеллектуальных мехатронных модулей, являющимися конструктивно и функционально самостоятельными изделиями с интеграцией механической, электротехнической, электронной и интеллектуальной частей. По сравнению с мехатронными модулями движения (2-го поколения) в конструкцию интеллектуальных модулей движения встраивается микропроцессорные устройства, что придает им интеллектуальные свойства.

Первые образцы интеллектуальных мехатронных модулей появились в середине 90-х годов ХХ века. Сегодня они выпускаются рядом фирм уже серийно, и в последние годы их доля на рынке быстро увеличивается. В современных интеллектуальных мехатронных модулях используются различные типы электродвигателей: вращательного и линейного движения, переменного и постоянного тока, вентильные, шаговые и др. В качестве преобразователей движения применяют зубчатые, винтовые и прочие передачи. Силовые электронные преобразователи реализуются как на основе тиристоров, так и на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором. В состав модулей входят датчики положения, скорости, тока и др. координат, дающих достаточную информацию о фактическом состоянии подсистем модуля и объекта в целом. Встроенные управляющие контроллеры позволяют получать надежно функционирующие изделия, обладающие интеллектуальными свойствами, а также позволяют строить на их основе многокоординатные мехатронные системы с децентрализованным управлением.