3. Новые технологии в мехатронике.
Технологический процесс изготовления мехатронной машины может быть представлен в виде следующей схемы (рис.3.1):
Рис.3.1. Схема технологического процесса изготовления мехатронной машины
Все компоненты мехатронных модулей подразделены на две большие группы:
Исполнительные элементы, к которым отнесены механические и электротехнические элементы (двигатели, преобразователи движения, тормоза, тяговые соленоиды и т.д.)
Интеллектуальные элементы, куда входят силовые электронные блоки, информационные (сенсорные) и управляющие вычислительные элементы.
Технологическая интеграция элементов первой и второй групп возможна только на этапе изготовления элементов (II) и сборки мехатронных модулей и машин (III). Выбор фазы технологической интеграции определяет глубину объединения компонентов в мехатронном модуле.[7]
Гибридная сборка соответствует конструкторской идее объединения разноприродных элементов в едином корпусе. В этом случае компоненты указанных групп хотя и являются составными частями общего конструкторского замысла, но их изготовляют независимо и параллельно на различных технологических линиях.
Гибридные технологии предусматривают использование общих материалов (например, полупроводников) и общих технологических процессов при производстве как исполнительных, так и интеллектуальных элементов.
Это дает возможность уменьшить размеры мехатронного модуля и его стоимость.
Если разработка идет в большую серию, то эффективным является использование технологии ASIC – микросхем, выпускаемых под конкретную задачу пользователя. Микросхемы ASIC представляют собой «одночиповое» решение, имеющее ряд преимуществ по сравнению с перепрограммируемыми схемами FPGA (Field Programmable Gate Arrays).
Современные технологии управления движением позволили перейти в системах управления от внешних управляющих устройств к контроллерам движения. (motion controllers). При этом обычно эту задачу делят на две части: планирование движения и его исполнение во времени. Планирование функциональных движений осуществляется оператором на компьютере верхнего уровня с использованием пакетов прикладных программ. Функцию программного расчета и выдачи управляющих сигналов непосредственно на исполнительные приводы выполняет контроллер движения. Типичным является трапецеидальный закон изменения скорости движения, включающий участки разгона, перемещения с постоянной скоростью и торможения с заданным ускорением (рис.3.2)
Рис.3.2. Система управления мехатронными модулями на базе контроллера движения
Рис. 3.3. Классификация мехатронных модулей
Модуль – это унифицированная функциональная часть машины, конструктивно оформленная как самостоятельное изделие.
Мехатронный модуль – это функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его устройств, имеющих различную физическую природу (рис 3.3).
Модуль движения – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, в котором конструктивно объединены управляемый двигатель и механическое устройство.
Мехатронные машины являются многомерными системами, которые компонуются на базе двух или более мехатронных модулей
В состав мехатронной машины входят четыре основных части:
1. механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган;
2. блок приводов, включающий в себя силовые преобразователи и исполнительные двигатели;
3.устройство компьютерного управления (комплекс аппаратных и программных средств, вырабатывающий сигналы управления);
4. информационное устройство, предназначенное для получения и передачи в устройство компьютерного управления данных о реальном движении машины и о фактическом состоянии её подсистем.
В информационном устройстве можно выделить три группы сенсоров:
- датчики информации о состоянии внешней среды и объектов работ (системы технического зрения, локационные датчики, дальномеры и т.д.);
- датчики информации о движении механической части (датчики перемещений, скоростей, ускорений, сил и моментов);
- датчики обратной связи блока приводов (дают информацию о текущих значениях электрических токов и напряжений в силовых преобразователях).
Рабочая зона мехатронной машины представляет собой совокупность всех точек декартового пространства, которые могут быть достигнуты рабочим органом машины
Погрешность отработки траектории – это отклонение фактической траектории рабочего органа от траектории заданной программой движения.
Общий алгоритм проектирования мехатронного модуля можно представить в виде (Рис.3.4.)
Рис. 3.4. Алгоритм проектирования мехатронного модуля