1.1.2 Основні напрями розвитку мехатронных систем (інтеграція, інтелектуалізація, мініатюризація)
Напрями розвитку(становлення) мехатронных систем можна простежити з різних позицій. Наприклад, цілком розумно в основу ретроспективного погляду на розвиток мехатронных систем використати різні класифікаційні ознаки в мехатронике.
Згідно, однією з таких ознак є рівень інтеграції(синергетичного об'єднання) елементів, яких належать елементи механічних, електромеханічних, електронних і комп'ютерних(інформаційних) модулів(за визначенням модуль - це уніфікована функціональна частина машини, конструктивно оформлена як самостійний виріб). Синергетичне об'єднання припускає не просте з'єднання частин за допомогою інтерфейсних блоків, але їх конструктивне вбудовування в мехатронные модулі. Синергетична інтеграція елементів при проектуванні мехатронных модулів заснована на трьох базових принципах(функціонально-структурний підхід до проектування МС) :
– реалізація заданих функціональних перетворень мінімально можливим числом структурних і конструктивних блоків шляхом об'єднання двох і більше елементів в єдині багатофункціональні модулі;
– вибір інтерфейсів в якості локальних точок інтеграції і виключення надмірних структурних блоків і інтерфейсів як сепаратних елементів;
– перерозподіл функціонального навантаження в мехатронной системі від апаратних блоків до інтелектуальних(електронним і комп'ютерним) компонент.
Разом з синергетичним об'єднанням(інтеграцією) елементів мехатронных систем іншими кваліфікаційними ознаками розвитку мехатронных систем, мабуть, слід визнати їх інтелектуалізацію і мініатюризацію.
Інтеграція мехатронных систем
Відповідно до ознаки синергетичного об'єднання можна історично розділити мехатронные модулі по рівнях(що визначає провідну тенденцію в сучасному машинобудуванні «від механіки до мехатронике»). Мехатронные модулі першого рівня є об'єднанням тільки двох початкових елементів. Типовим прикладом модуля першого покоління може служити «мотор-редуктор», де механічний редуктор і керований двигун випускаються як єдиний функціональний елемент. Мехатронные системи на основі цих модулів знайшли широке застосування при створенні різних засобів комплексної автоматизації виробництва(конвеєрів, транспортерів, поворотних столів, допоміжних маніпуляторів).
Мехатронные модулі другого рівня з'явилися в 80-х роках у зв'язку з розвитком нових електронних технологій, які дозволили створити мініатюрні датчики і електронні блоки для обробки їх сигналів.
Об'єднання приводних модулів з вказаними елементами привело до появи мехатронных модулів рухи, склад яких повністю відповідає введеному вище визначенню, коли досягнута інтеграція трьох облаштувань різної фізичної природи : механічних, электро-технических і електронних. На базі мехатронных модулів цього класу створені керовані енергетичні машини(турбіни і генератори), верстати і промислові роботи з числовим програмним управлінням.
Розвиток третього покоління мехатронных систем обумовлений появою на ринку порівняно недорогих мікропроцесорів і контроллерів на їх базі і спрямовано на інтелектуалізацію усіх процесів, що протікають в мехатронной системі, в першу чергу - процесу управління функціональними рухами машин і агрегатів.
Одночасно йде розробка нових принципів і технологій виготовлення високоточних і компактних механічних вузлів, а також нових типів електродвигунів(в першу чергу високомоментних, безколекторних і лінійних), датчиків зворотного зв'язку і інформації. Синтез нових прецизійних, інформаційних і вимірювальних наукомістких технологій дає основу для проектування і виробництва інтелектуальних мехатронных модулів і систем.
Надалі мехатронные машини і системи об'єднуватимуться в мехатронные комплекси на базі єдиних інтеграційних платформ. Мета створення таких комплексів - добитися поєднання високої продуктивності і одночасно гнучкості техніко-технологічного середовища за рахунок можливості її реконфігурації, що дозволить забезпечити конкурентоспроможність і висока якість продукції, що випускається, на ринках XXI століття.
На Рис. 1.1 представлений характерний графік(за даними журналу, випущеного спеціально до Всесвітньої виставки «Промисловість, автоматизація і інновації» 2000 р.), який відбиває динаміку цього процесу у виробничих машинах за 30 років, починаючи з 70-х років. Аналіз показує, що ще на початку 90-х років переважна більшість функцій машини(більше 70 %) реалізовувалися механічним шляхом. У подальші десятиліття відбувалося поступове витіснення механічних вузлів - спочатку електронними, а потім і комп'ютерними блоками. Нині в мехатронных системах об'єм функцій розподілений між механічними, електронними і комп'ютерними компонентами практично порівну. При цьому доля комп'ютерної частини зросла за останнє 10-річчя удвічі, і є усі підстави прогнозувати збереження цієї тенденції в техніці майбутнього.
Рис. 1.1 - Динаміка зміни що становлять «Механіка - електроніка - інформатика»
Принципово важливо підкреслити, що тенденція переходу від механічних до мехатронным технологій в сучасному машинобудуванні не «закриває» механіку. Навпаки, це стимулює її розвиток до інтеграції з інтелектуальними компонентами у рамках єдиної мехатронной системи.
Системний підхід диктує нові вимоги до вбудованих механічних і гібридних компонент, що у свою чергу веде до розвитку нових технологій і конструкторських рішень в області механіки [14].
Повною мірою фундаментальному визначенню мехатроники відповідають тільки модулі третього рівня, які містять усі три визначальні підсистеми. В порівнянні з модулями другого рівня вони мають апаратно-вбудовану комп'ютерну частину, що дозволяє називати їх інтелектуальними мехатронными модулями руху. В той же час, включення в класифікацію модулів 1-го і 2-го рівнів(чи «мехатронизированных» об'єктів) представляється методологічно і логічно обгрунтованим. Дійсно, ці класи мехатронных об'єктів побудовані на мехатронных принципах проектування, вони є базою для створення «істинно мехатронных» модулів 3-го рівня, і нині більшість практично використовуваних мехатронных пристроїв відносяться саме до цього виду.