МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

Л.А. Савин

МЕХАТРОНИКА:

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

для использования в учебном процессе

в качестве учебного пособия для высшего профессионального образования

Орел 2011

УДК 621.865

ББК

С 13

Рецензенты:

д.т.н., профессор, зав. каф. «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника», «ГОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»…………………………………………………………………….Н.А. Глебов

д.т.н., профессор, директор технологического института ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»…………………………………………………А.В. Киричек

С 13 Савин Л.А. МЕХАТРОНИКА: Введение в специальность. Учебное пособие для высшего профессионального образования / Л.А. Савин. – Орел: «ФГБОУ ВПО Госуниверситет – УНПК» , 2011 г., 150 с.

Мехатроника является одной из самых перспективных специальностей, в основу которой положен синергетический принцип соединения в единое целое точной механики, электроники и информационных технологий. Именно такое диалектическое единство отдельных составляющих накладывает определенные требования на наличие в учебном процессе вводного специального курса с соответствующим информационным и методическим обеспечением. Данное учебное пособие содержит сведения об областях применения, предмете, методах проектирования элементной базы и принципах построения мехатронных устройств.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Мехатроника». Материалы пособия могут быть использованы студентами других специальностей при выборе тем курсовых и дипломных проектов, а также для знакомства с новыми направлениями науки и техники.

ISBN

УДК 621.865

ББК

©ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2011

Содержание

Условные обозначения, индексы и сокращения 4

Введение 5

Мехатроника как сфера науки и техники	6
Области применения и тенденции развития мехатронных систем	10
Этапы развития техники и становления мехатроники	18
Принципы и структура мехатронных устройств	20
Вопросы искусственного интеллекта	24
Вычислительные устройства и микропроцессоры	34
Информационно-измерительные системы	39
Механические элементы	45
Устройства пневмогидроавтоматики	50
Роботы и робототехнические устройства	61
Специальные робототехнические комплексы	75
Автомобильные мехатронные устройства	83
Роторные машины Мехатронные подшипниковые узлы	96 100
Вопросы расчета и проектирования	106
Автоматизированное проектирование технических объектов	111
Моделирование мехатронных систем Человек как мехатронная система	117 120
Картотека тем рефератов	137
Список вопросов	138
Литература	139

Условные обозначения, индексы и сокращения

Z1. Условные обозначения:

x, y, z – декартовы координаты;

t – время, с;

m – масса, кг;

E – энергия, Дж;

A – работа, Дж;

N – мощность, Вт;

f – частота, Гц;

L – индуктивность;

I – сила тока, А;

U – напряжение, В;

J – момент инерции массы, кг·м²

P(t) – вероятность безотказной работы;

(t) – интенсивность отказов;

S – коэффициент запаса прочности.

Z2. Индексы:

max, min, m, *, optim – максимальное, минимальное, осредненное, критическое и оптимальное значения соответственно;

X, Y, Z – относятся к соответствующим координатам;

мх – мехатронный.

Z3. Сокращения:

МХС – мехатронная система;

ДВС – двигатель внутреннего сгорания;

ДЛА – двигатель летательного аппарата;

ТНА – турбонасосный агрегат;

ИИ – искусственный интеллект

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

ИИС – измерительно-информационная система;

МП – микропроцессор;

ЦП – центральный процессор;

ПК – персональный компьютер;

КПД – коэффициент полезного действия.

Введение

Создание интеллектуальных технических устройств и систем становится доминирующим направлением науки и техники. Более того, с определенной долей уверенности можно утверждать, что на обозримое будущее интеллектуальная техника, ядром которой является мехатроника, станет базой развития всей человеческой цивилизации. Причем речь идет не только о машинах и приборах, но и о коммуникациях и строительных сооружениях. В настоящее время уже проектируются интеллектуальные дома, «умные» дороги, которые на основе нетрадиционных (известных, но мало применяемых) физических эффектов в устройствах точной механики, электронных приборов и компьютерных программ способны обеспечить сооружения электрической энергией, предоставлять информацию о параметрах среды и движения, а также управлять процессом в условиях неопределенности внешней среды.

Можно констатировать быстро растущий интерес во всем мире к мехатронике в производственной, научной и образовательной сферах. Мехатроника включена в число критических технологий РФ, ежегодно увеличивается объем производства мехатронных модулей, открыта образовательная специальность 220401 в будущих технических университетах России и институтах РАН, издаются специализированные журналы, проводятся международные научные конференции и выставки.

Мехатроника связана с интеграцией знаний из различных областей науки и техники: точной механики, микроэлектроники, компьютерного управления, искусственного интеллекта, информационных технологий. В основу мехатронного подхода положен синергетический принцип, который позволяет создать новые поколения машин, обладающих качественно более высокими свойствами и функциями.

Учебный план по специальности «Мехатроника» включает в себя ряд специальных дисциплин, таких как: графическое программирование, методы искусственного интеллекта, основы мехатроники, проектирование мехатронных модулей, микропроцессорная техника и т.д. Дисциплина «Введение в специальность» предназначена для того, чтобы дать студентам общее представление об объекте, методах применения, принципах построения мехатронных систем и стать отправной точкой для изучения базовых дисциплин мехатроники.