Глава 3. Мехатронные системы в приборостроении
Приборостроение – отрасль промышленности, предметом производства которой являются элементы информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС). Принципы мехатроники широко используются как в оборудовании для производства ИИУС, так и в них самих.
3.1. Особенности автоматизированного производства в приборостроении
Часто кроме термина «прибор» употребляют термин «аппарат». Эти близкие термины различают следующим образом. Прибор – это устройство, предназначенное для измерения и преобразования параметров физических процессов (рис. 3.1 а). Аппарат – это устройство, предназначенное для осуществления физического процесса на объект либо с целью получения какого-либо эффекта, либо для измерения (рис. 3.1 б). Такое различие в терминах чаще встречается в медицинском приборостроении.
К приборам и их элементам можно отнести навигационные приборы, высотомеры, сейсмографы, дозиметры, реле полупроводниковые элементы, микросхемы и т.д. К аппаратам можно отнести рентгеновские аппараты, осуществляющие воздействие на объект рентгеновскими лучами для получения информации о внутреннем строении объекта, томографы на эффекте ядерно-магнитного резонанса, ультразвуковые дефектоскопы и медицинские ультразвуковые сканеры, спектрометры, в которых происходит нагревание исследуемого объекта, аппараты искусственной вентиляции легких, аппарат «искусственная почка» и т.д.
Когда мы говорим о приборостроении, то подразумеваем два объекта: собственно приборы или аппараты и их элементы (т.е. изделия приборостроения) и средства для производства приборов и аппаратов.
Пример: как средство производства – электронное машиностроение: оборудование для производства электронной техники. Как изделие – электроника, микроэлектроника, оптоэлектроника и т.д.
Приборы можно классифицировать и по назначению: например, авионика, медицинская техника, спец. приборы (приборы военного назначения: детонаторы, «жучки» и т. д.).
Рис. 3. 1. Различие использования прибора и аппарата
В каждой из областей применения приборов существуют свои специфические требования. К основным технико-конструктивным требованиям можно отнести:
Обеспечение заданных тех. заданием характеристик и параметров приборов.
Обеспечение рациональных габаритных размеров, объема, массы прибора.
Удобство доступа для регулирования, ремонта и осмотра.
Предотвращение выхода из строя при неправильном подключении нештатных условиях работы.
Защита от внешних помех, наводок, предотвращение внутренних наводок и излучения помех во внешнее пространство.
Обеспечение требуемого температурного режима работы элементов прибора.
Обеспечение требуемого давления и влажности внутри прибора.
Прочность и долговечность конструкции прибора.
Удобство транспортирования и погрузки.
Оперативность обслуживания (сокращение времени на подготовку к работе).
Безопасность обслуживания.
Обеспечение возможности длительного хранения.
Очевидно, что приведенные требования не обязательно должны все выполняться в полной мере для каждого прибора.
3.2. Современные технико-экономические требования в приборостроении
Мехатронные системы позволяют с высокой эффективностью удовлетворять высоким и специфичным требованиям производства в приборостроении.
Основное требование – повышение производительности приборостроительного оборудования. Однако в приборостроении существует два направления с точки зрения объема производства. При массовом производстве приборов и их элементов, несомненно, нужна высокая производительность, при этом номенклатура остается постоянной. При единичном производстве, опытном производстве производительность оборудования уходит на второй план, главное – гибкость производства, возможность изменения параметров и структуры приборов, производимых на данном оборудовании.
Следующим требованием в приборостроении является надежность работы оборудования: необходимо обеспечить максимально возможный выход годных изделий. Это достигается постоянством параметров технологического процесса. Особенно это касается производства полупроводниковых приборов. Необходимо отметить такое требование, как помехозащищенность оборудования. При усложнении технологических процессов уровень автоматизации и управления растет, компактность оборудования повышается, поэтому помехозащищенность является важнейшим фактором повышения надежности.
Возможность модернизации оборудования при минимальных сроках остановки оборудования на модернизацию. Это достигается за счет модульности и унификации оборудования.
Повышение гибкости управления и настройки оборудования позволяет уменьшить время остановки оборудования.
Компактность оборудования – требование общее для большинства производств в приборостроении.
Высокие требования по экологии оборудования также является важнейшим фактором производства приборов, так как в приборостроении часто используются высокотоксичные химические вещества.
Комплексный фактор – экономичность оборудования, в том числе сокращение обслуживающего персонала и снижение уровня подготовки персонала.
Технологические процессы в приборостроении характеризуются большим разнообразием по применению физических и химических воздействий на объекты производства, сложностью, многоступенчатостью технологического процесса. В приборостроении требуется тщательное согласование и соблюдение последовательности операций. Накладываются высокие требования к подготовке заготовок (например, обезжиривание), к чистоте рабочих помещений, удалению побочных продуктов технологического процесса. В связи с такими требованиями и особенностями приборостроения необходимы многоуровневые иерархические системы управления оборудованием и производством в целом.
Промышленный робот (ПР) как средство автоматизации в приборостроении имеет специфику, связанную со сложностью технологических процессов. Сравним области применения ПР в машиностроении и приборостроении. В таблице 3.1 приведены данные о роботизированных технологических операциях в машиностроении.
Таблица 3.1
Области применения ПР в машиностроении
Область машиностроения |
Доля роботизации, % |
Загрузка и разгрузка станков |
8% |
Технологические работы |
80% |
Погрузочно-разгрузочные работы |
5% |
Сборочные операции (механические) |
5% |
Контрольно-измерительные работы |
0,5% |
Другие, менее распространенные, но перспективные направления применения ПР: упаковывание, уборка мусора, заправка автомашин топливом, сельскохозяйственные работы.
В таблице 3.2 приведены данные о роботизированных технологических операциях в приборостроении.
Таблица 3.2
Области применения ПР в приборостроении
Область приборостроения |
Доля роботизации, % |
Сборка, монтаж и технологические работы (сварка, окраска) |
38% |
Механообработка |
25% |
Очистка, промывка изделия |
15% |
Упаковывание, укладка |
12% |
Контрольно-измерительные работы |
6% |
В приборостроении наиболее перспективные направления применения роботов:
технологические роботы
установка электронных компонентов на печатные платы;
сборка механических приборов и их элементов;
сварка и пайка элементов приборов;
прокладка проводов и жгутов
лазерная резка (лазерный раскрой материалов)
покраска и нанесение покрытий приборов;
измерительные роботы
точные измерения геометрических параметров сложных корпусов машин;
измерение электрических параметров электронных схем;
измерение параметров микро- и нанорельефа образцов материалов.;
В медицине и в биологии для исследования и лечения используются
микроманипуляторы
измерения физико-химических и биологических параметров на клеточном уровне;
для микрохирургии мозга и в офтальмологии;
для генной инженерии;
мобильные микророботы
для внутрисосудистой диагностики и диагностики полых органов;
для микроопераций и доставки микродоз лекарств;
манипуляционные системы
для хирургии;
автоматизация медицинских лабораторных анализов,
экстракорпоральной литотрипсии;
для массажа;
обслуживание больных
в качестве экзоскелетонов.
Анализ этих направлений показывает, что обеспечение качества выполнения столь сложных манипуляционных операций возможно только при применении мехатронных принципов построения этих автоматических устройств.