5. Метод объединения элементов мехатронного модуля в едином корпусе.

Одним из методов интеграции мехатронных модулей является минимизация конструктивной сложности модулей путем создания интегрированных мехатронных модулей, реализующих несколько функциональных и структурных преобразований. Эта цель может быть достигнута на этапе структурно-конструктивного анализа (рис. 5.1)

Рис. 5.1 Процедура проектирования интегрированных мехатронных

модулей и машин

Структуру модуля, которая сформирована на предыдущем этапе, теперь считаем известной. Задача разработчика состоит в выборе конструктивных решений, реализующих заданный набор элементов и связи между ними.

Рассмотренный метод интеграции заключается в аппаратно-конструктивном объединении выбранных элементов и интерфейсов в едином корпусе.

Технологической базой для данного метода интеграции является гибридная сборка узлов и элементов. Аппаратное и конструктивное объединение элементов в единые модули должно обязательно сопровождаться разработкой интегрированного программного обеспечения.

Методическим ключом при поиске вариантов является рассмотрение интерфейсных блоков в качестве локальных точек, где потенциально возможна интеграция элементов. Для получения высокоинтегрированных модулей можно рекомендовать при проектировании опираться сразу на несколько интерфейсных точек.

В корпусе модуля движения объединены исполнительным двигателем и механическим устройством, причём вал двигателя является элементом механического преобразователя движения. Модули движения реализуют электромеханическое и механическое функциональные преобразования. Примерами модулей движения могут служить: мотор-редуктор, мотор-колесо, мотор-шпиндель и мотор барабан.

В состав современных модулей движения помимо двигателей и преобразователей движения входят и другие виды механических устройств − тормозные и люфтовыбирающие механизмы, направляющие и преобразователи движения. К модулям движения можно отнести также высокооборотные мотор-шпиндели, которые получены объединением ротора электродвигателя и вала инструмента.

Выбор окончательного проектного варианта во многом зависит от схемы и конструкции привода, технологии изготовления устройства привода и ряда других критериев, которые могут быть противоречивыми.

На рисунке 5.2 приведены удельные сравнительные характеристики электрических (Э), гидравлических (Г) и пневматических (П) приводов промышленного робота (ПР) в зависимости от преобразуемой мощности.

Анализ графических зависимостей удельной мощности Ny показывает, что при значении выходной мощности приводов до 1.5 кВт предпочтение следует отдать электрическому приводу в сравнении с гидравлическим. Электрические приводы более выгодны для промышленных роботов малой и средней грузоподъемности со значениями выходной мощности из ряда N = 0.1 … 1.5 кВт.

Но гидравлические приводы имеют лучшие показатели удельной мощности Ny для тяжелых и сверхтяжелых ПР при значениях N = 2 … 3 кВт и более.

Пневматический привод для указанного диапазона изменения выходной мощности и реализации агрегатно-модульного построения может работать при напряжении рабочей среды 0.6 … 1.0 мПа, обеспечивая наилучшие показатели, в частности, массогабаритная характеристика − удельная мощность Ny (рис. 5.2).

Окончательный вариант выбранного привода обычно принимается после моделирования процессов передачи и преобразования энергии в машинах, когда уточняются параметры и качественные соотношения механических, энергетических, гидравлических и пневматических явлений, используемых при моделировании заданного движения исполнительного механизма мехатронной системы: машины-автомата, промышленного робота.

В едином корпусе модуля находятся: двигатель, механическое устройство и датчик обратной связи.

В состав ротационного модуля входят: коллекторный электродвигатель, планетарный редуктор и фотоимпульсный датчик обратной связи (инкодер). Главной особенностью современного этапа развития мехатроники является создание принципиально нового поколения модулей − интеллектуальных мехатронных модулей (ИММ).

По сравнению с мехатронными модулями движения в конструкции ИММ дополнительно встраиваются компьютерные устройства и силовые электронные преобразователи. Это придает этим модулям интеллектуальные свойства и является их главным отличительным признаком.

Интеллектуальные мехатронные модули реализуют семь функциональных преобразований: моноэнергетические (информационные, электрические и механические преобразователи) и дуальные, − двойственные (информационно-электрические и электромеханические преобразователи, расположенные в прямой цепи функциональной модели, а также электро-информационные и механико-информационные преобразователи в цепях обратной связи). Структурно-конструктивная интеграция в интеллектуальных мехатронных модулях (ИММ) осуществляется по всем интерфейсным точкам.

В общем случае интеллектуальный мехатронный модуль состоит из следующих основных элементов:

− электродвигатель (гидродвигатель, пневмодвигатель);

− механическое устройство;

− датчики и устройства обратной связи;

− устройство компьютерного управления (УКУ);

− электронный силовой преобразователь;

− интерфейс для связи УКУ с компьютером верхнего уровня управления, а также внутренние интерфейсы.

Встраивание интеллектуальных устройств непосредственно в мехатронный модуль порождает и ряд ограничений. К ним следует отнести сложность модернизации, увеличение массогабаритных показателей модуля движения (по сравнению с приводами, где управляющие и электронные устройства вынесены в отдельные шкафы), а также существенные механические и температурные воздействия исполнительных устройств на встроенные электронные и компьютерные компоненты.

Подключение цифровых входов и диагностических сигналов, а также электрическая связь между двигателем и силовым преобразователем осуществляется с помощью штекерной техники.

Связь с центральным устройством управления и другими модулями обычно организуется через стандартную шину, − соединение производится подготовительным кабелем с присоединенным фланцем.

Подход к проектированию мехатронных модулей и систем заключается в нахождении оптимального соответствия между функциональной и структурной моделями синтезируемой системы.

При проектировании интегрированных мехатронных систем следует стремиться к повышению показателя функционально-структурной интеграции (ФСИ), т.е. реализовывать наибольшее количество функциональных преобразований минимально возможным числом структурных элементов. В этом смысле выгодно исключить промежуточные структурные преобразователи и самостоятельные интерфейсы, а также создавать многофункциональные мехатронные модули.

Зависимость показателя ФСИ от числа интегрируемых элементов при заданном числе функциональных преобразований имеет гиперболический характер. Особенно высокая степень интеграции достигается при объединении в мехатронном модуле более пяти элементов. Этому условию удовлетворяют интеллектуальные мехатронные модули, в которых максимум функциональных преобразований сосредоточен в едином структурном элементе. С целью повышения показателя ФСИ проектирование системы управления нового уровня представляется целесообразным сосредоточить на двух главных точках интеграции:

− реализация всех функций информационного преобразователя в едином структурном модуле;

− сосредоточение функций информационно - электрического преобразования в одном структурном блоке.

Ядром разрабатываемых систем управления обычно является контроллер движения (КД), который выполняет все заданные информационные преобразования. В состав системы могут также входить усилитель с широтно-импульсным входом и фотоимпульсные датчики обратной связи.

Функцию информационно-электрического преобразования выполняет усилитель с широтно-модулированным (ШИМ) – входом.

ШИМ – сигнал, поступающий от контроллера движения, может иметь только два уровня (высокий и низкий) и при этом является маломощным.

В настоящее время механические устройства всё чаще становятся узким местом в сложных машинах.

Это объясняется их недостаточной функциональной гибкостью, наличием трения, люфтов и, упругостей в передачах, всё возрастающей стоимостью изготовления. Поэтому происходит постепенное вытеснение механических узлов сначала электронными, а затем и компьютерными блоками.

Производители отдают предпочтение упрощенным механическим решениям, но со сложными интеллектуальными системами управления.

Метод анализа значимости структурных элементов основан на теории графов и матриц.