1. Введение, целевые задачи мехатроники.

Мехатроника – это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, систем и машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.[11]

Цель мехатроники состоит в создании интеллектуальных машин и движущихся систем, которые обладают качественно новыми функциями и свойствами. Именно принципиальная новизна мехатронных систем вызывает быстрорастущий интерес к мехатронике во всем мире и стимулирует высокую активность специалистов в научно-исследовательской, образовательной и производственной сферах.

Предметом мехатроники являются процессы проектирования и производства модулей, машин и систем для реализации заданных функциональных движений. Функциональное движение мехатронной системы предусматривает ее целенаправленное механическое перемещение, которое координируется с параллельно управляемыми технологическими и информационными процессами. Таким образом, понятие «движение» трактуется в данном определении мехатроники расширительно. Древнегреческие философы понимали под движением тела всякое его изменение вообще: от изменения размеров, цвета и температуры, вплоть до возникновения и уничтожения. Но все-таки основой функциональных движений в мехатронике служит механическое перемещение функциональных движений (по точности, скорости и т.д.) определяются служебным назначением машины.

Метод мехатроники основан на системном сочетании таких ранее обособленных естественно – научных и инженерных направлений как точная механика, микроэлектроника, электроника, компьютерное управление и информатика. Основой метода мехатроники является синергетическая интеграция структурных элементов, технологий, энергетических и информационных процессов на всех этапах жизненного цикла изделия, начиная со стадии его концептуального проектирования и заканчивая производством и эксплуатацией.

Мехатронные технологии включают маркетинговые, проектно-конструкторские, производственные, технологические и информационные процессы, которые обеспечивают полный жизненный цикл мехатронных изделий. Раскрытие связей и закономерностей, характерных для этих процессов, позволяет создавать мехатронные модули, машины и системы, которые способны наиболее эффективно выполнять заданные требования. Мехатронику можно поставить в один ряд с такими фундаментальными подходами к разработке сложных технических систем, как САПР в машиностроении, кибернетический и бионический подходы к проектированию, модульный принцип построения машин и CALS – технологии. В автомобилестроении мехатронные модули и системы машин нашли широкое применение в приводных модулях «мотор-колесо», антиблокировочных устройствах тормозов, автоматических коробках передач, системах автоматической парковки, навигационных системах, электромобилях и т.д.

Мехатроника представляет собой область науки, посвященной анализу исполнительных состояний мехатронных объектов и функционального взаимодействия механических, энергетических и информационных процессов между ними и с внешней средой, а также синтезу мехатронных объектов. С другой стороны, мехатроника – область техники, обеспечивающая полный жизненный цикл мехатронного объекта.

Мехатронный объект синтезируется на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин с интеллектуальным управлением их функциональными состояниями (в том числе движениями), рис. 1.1.

Рис. 1.1. Научно-технический синтез мехатроники.

Мехатроника решает задачи передачи и преобразования движения, манипулирования и давления (без относительного перемещения или при малых перемещениях).

Большую роль в механических компонентах играет трение в кинематических парах, из-за которого происходит износ контактирующих поверхностей. С этим процессом напрямую связан термин «самоорганизация» (например, геометрических форм).

Мехатронные объекты могут быть детерминированными, т.е. с постоянной структурой и недетерминированными, адаптирующимися к внешним условиям. При этом изменяться могут не только параметры, но и структура объекта.

Недетерминированные объекты - это интеллектуально управляемые объекты, т.к. выработка решения на изменение структуры производится лишь после анализа ситуации.

В машиностроении мехатроника должна сыграть большую роль в повышении точности обработки деталей и сборки узлов, в реализации разнообразнейших сочетаний механических движений, в создании принципиально новых технологических процессов производства и обработки композиционных материалов.

Современный этап развития мехатроники можно охарактеризовать как переход от мехатронизированных объектов к мехатронным.

Факторы, сдерживающие процесс расширения области применения мехатронных объектов можно разделить на субъективные и объективные.

Первые обусловлены ограниченным распределением идей мехатроники. Сегодня мехатроника представляет собой пока ещё недостаточно доступную для большинства общества отрасль техники.

Вторые являются следствием естественного процесса дифференциации мехатронного знания.[8]

Мехатронные идеи и образ мышления, связанные с применением микроэлектроники и средств вычислительной техники для управления движением наземных машин и систем, начали проникать в самые различные области техники ещё задолго до появления самого термина мехатроника.

Как писал «отец кибернетики» Н.Винер «важные исследования» задерживаются из-за того, что в одной области неизвестны результаты, уже давно ставшие классическими в смежной области.

Все мехатронные системы автомобилей по функциональному назначению делят на три основные группы:

• системы управления двигателем;

• системы управления трансмиссией и ходо­вой частью;

• системы управления оборудованием салона.

Система управления двигателем подразде­ляется на системы управления бензиновым и дизельным двигателем. По назначению они бывают монофункциональные и комплексные.

В монофункциональных системах ЭБУ по­дает сигналы только системе впрыска. Впрыск может осуществляться постоянно и импульсами. При постоянной подаче топлива его количество меняется за счет изменения давления в топливопроводе, а при импульс­ной - за счет продолжительности импульса и его частоты.

В комплексных системах один электронный блок управляет несколькими подсистемами: впрыска топлива, зажигания, фазами газо­распределения, самодиагностики и др.

Система электронного управления дизель­ным двигателем контролирует количество впрыскиваемого топлива, момент начала впрыска, ток факельной свечи и т.п.

В электронной системе управления транс­миссией объектом регулирования является главным образом автоматическая транс­миссия. На основании сигналов датчиков угла открытия дроссельной заслонки и ско­рости автомобиля ЭБУ выбирает оптималь­ное передаточное число трансмиссии, что повышает топливную экономичность и управляемость.

Управление ходовой частью включает в себя управление процессами движения, измене­ния траектории и торможения автомобиля. Они воздействуют на подвеску, рулевое управление и тормозную систему, обеспечи­вают поддержание заданной скорости дви­жения.

Управление оборудованием салона призвано повысить комфортабельность и потребитель­скую ценность автомобиля. С этой целью используются кондиционер воздуха, элек­тронная панель приборов, мультифункциональная информационная система, компас, фары, стеклоочиститель с прерывистым ре­жимом работы, индикатор перегоревших ламп, устройство обнаружения препятствий при движении задним ходом, противоугон­ные устройства, аппаратура связи, централь­ная блокировка замков дверей, стеклоподъёмники, сиденья с изменяемым положе­нием, режим безопасности и т. д.

Мехатронные технологии оказывают и будут ещё больше оказывать влияние на социальные условия жизни населения, что связано как интеллектуализацией условий труда и быта, повышением качества и комфортности наземных машин, так и с сокращением рабочих мест. Отсюда последуют и научные основы структурных изменений в экономике.

1.1 Тенденции развития автомобильных мехатронных систем

Помимо специфики выполняемых функций новейшие системы автомобильной бортовой автоматики кардинально отличаются от классических, чисто электронных систем широким разнообразием принципов действия входящих в них составных подсистем. В зависимости от решаемой задачи в новую систему в качестве основных компонентов могут входить не только электрические и электронные узлы и блоки, но и механические, гидравлические, светооптические, ультразвуковые и любые прочие устройства, имеющие не электрическую природу функционирования. Их роль в реализации заданной функции управления главная, хотя все информационные процессы в системе реализуются на уровне электронных блоков управления (ЭБУ), а в новейших системах — в бортовых микропроцессорах. Такие крупные составные комплексы управления не могут относиться ни к механическим, ни к электронным, ни к любым другим «чистым» по принципу действия системам.

Например, система автоматического управления амортизатором использует в качестве основной входной информации дорожные условия: тип дорожного покрытия (графий, бетон, асфальт) и его качество; асфальт (сухой, мокрый, обледенелый); освещение дороги; плотность транспортного потока.

Тип и качество дорожного покрытия с помощью датчиков (радарных или ультразвуковых) связаны с цифроаналоговыми преобразованиями.

Большое значение в системах автоматического управления уделяется бортовому компьютеру автомобиля.

Для расчета компьютером некоторых параметров водитель должен перед выездом ввести в него исходные данные, после чего компьютер сможет давать указанную выше информацию при нажатии соответствующей кнопки на пульте управления.

Для расчетов, требующих знания текущего времени, компьютер имеет встроенные кварцевые часы высокой точности.

Центральный бортовой компьютер (микропроцессор МП), в который интегрированы все логические и вычислительные функции автоматических систем управления (подвеской, курсовой устойчивостью, антиблокировочной системой тормозов, положением кузова относительно дороги и т.д.). Он содержит оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память, а также входные аналогово-цифровые (АЦП) и выходные цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.

Микропроцессор — это центральный орган управления системы. Его главная функция заключается в преобразовании электрических информационных сигналов об условиях движения автомобиля, полученных от входной периферии, в электрические сигналы управления, несущие информацию об интенсивности и последовательности неэлектрических воздействий на неэлектрические органы управления. Такая информация формируется в микропроцессоре в виде кодовых последовательностей электрических импульсов, которые для непосредственного управления неэлектрическими органами непригодны. Для согласования энергетических уровней без нарушения информационного содержания на выходе микропроцессора реализуется обратное преобразование информационных сигналов из цифровой формы в аналоговую. Эту функцию предполагается выполнять цифроаналоговыми преобразователями (ЦАПЫ), которые одновременно являются усилителями мощности аналоговых электрических сигналов.

Чтобы выполнить управляемое неэлектрическое воздействие на неэлектрические органы управления вслед за ЦАПами устанавливаются конечные преобразователи электрических сигналов в механические или любые другие неэлектрические воздействия. Конечные преобразователи являются выходными исполнительными устройствами системы, но не являются её информационным окончанием. В отличие от электронной системы мехатронная система включает в свой состав и неэлектрические объекты управления, которые и являются конечными потребителями информации.

В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых платформ. Цель создания таких комплексов – добиться сочетания высокой производительности транспортных машин и одновременно гибкости технико – технологической среды за счёт возможности её реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции.[14]

Предмет мехатроника состоит из следующих разделов:

• Общие вопросы мехатроники;

• Кинематика и динамика мехатронных систем;

• Электроника мехатронных систем;

• Сенсорные элементы и устройства мехатронных систем;

• Исполнительные элементы и устройства мехатронных систем;

• Модули и компоненты мехатронных систем и технологий;

• Моделирование мехатронных систем и технологий;

• Управление мехатронными системами и автоматизация мехатронных технологий;

• Информационные технологии в мехатронных системах;

• Интеллектуализация мехатронных систем и технологий;

• Автоматизация проектирования мехатронных систем и технологий;

• Контроль, диагностика и испытание мехатронных систем;

• Робототехнические системы и комплексы;

• Гибкие автоматизированные производства и системы;

• Специальные мехатронные системы и технологии;

• Применение мехатронных систем и технологий (опыт создания, внедрения и эксплуатации отраслевых мехатронных систем и технологий: автомобилестроение, тракторостроение, строительно-дорожные машины, автодорожный комплекс и т.д.);

• Надежность, качество, стандарты и сертификация в мехатронике;

• Экономические и социальные аспекты мехатроники.