РОЗДІЛ 1. МЕХАНІКО-ЕЛЕКТРОННІ СИСТЕМИ

1.1 Завдання й об'єкти мехатроники

Звернемося в Інтернет: «термін " Mecha-tronics" («Механотроника» або «Мехатроника»), відповідно до японських джерел, був уведений фірмою Yaskawa llcctric в 1969 р. і зареєстрований як торговельна марка в 1972 р. Термін отриманий сполученням слів "механіка" і "електроніка". Об'єднання цих понять виражає ту інтеграцію знань у відповідних галузях науки й техніки, що дозволила зробити якісний стрибок у створенні техніки нових поколінь і виробництві новітніх видів систем і встаткування».

«Мехатроника - це галузь науки й техніки, заснована на синергетическом об'єднанні вузлів точної механіки з електронними, електротехнічними й комп'ютерними компонентами, що забезпечують проектування й виробництво якісно нових модулів, систем, машин і систем з інтелектуальним керуванням їхніми функціональними рухами» (стандарт спеціальності, СТАНКИН, Росія).

Значимість усякого нового напрямку в техніку можна оцінити по тимі фінансовим засобам і увазі, що їм приділяють фірми-конкуренти на ринку продукції й послуг. Що стосується механотроники, те кожні два роки проводяться студентські олімпіади, міжнародні наукові конференції - кілька разів у рік, а самої головне - фірми випускають дороге навчальне встаткування й поставляють його в промышленно-развитые країни.

Рис.1 Навчальна станція маніпулювання компанії FESTO: а) завантаження, б) вивантаження на промежуточною позицію, в) вивантаження на позицію обробки: 1-1- схват, 2 - сенсор на позиції завантаження, 3 - геркон на позиції вивантаження, 4 - пневмоцилиндр, 5 - контролер і панель керування, 6 - привод вертикального руху, 7 - сенсори контролю суміжних станцій, 8 - пневматичні клапани, 9 - вивантаження виробу

Навчальні механотронные комплекси орієнтовані на рішення певних завдань у різних галузях (верстатобудування, хімічні технології, пакувальне встаткування, приладобудування, складальне виробництво, видавництво, медицина й інші). Розробку й виробництво комплексів виконують фірми, що є законодавцями тенденцій у своїх сегментах ринку техніки, такі, як FESTO, Bosch-Rexroth, SMC, SIEMENS і інші [36,37]. Незважаючи на відмінності в традиціях, яких ці фірми дотримуються, принципи побудови й функціонування навчальних комплексів механотроники майже неотличимы. І це не дивно - в основі їх лежать фундаментальні закони механіки, інформатики, електроніки й керування (мал. 1.2).

Якщо скористатися аналогією, то можна припустити: персональні комп'ютери одержали статус персональних не тільки для користувачів, але й для окремих механізмів. Системи, що включають такі механізми, утворили свій напрямок - «...це нова галузь науки й техніки, присвячена створенню й експлуатації машин і систем з комп'ютерним керуванням рухом, що базується на знаннях в області механіки, електроніки й мікропроцесорної техніки, інформатики й комп'ютерного керування рухом машин і агрегатів» (Москва, 1995 р.).

Рис. Складові мехатроники

Для більше рельєфного сприйняття механотроники можна розглянути два напрямки розвитку техніки - а) поширення засобів комп'ютерної техніки, б) удосконалювання засобів автоматизації. Збільшимо масштаб і розглянемо перетинання цих напрямків. Коли комп'ютери вперше наблизилися до автоматизованих або автоматичних систем, їм були довірені в основному функції контролю й спостереження. Така вузька спеціалізація могла бути обумовлена порівняльними показниками вартості й надійності систем керування й керованих об'єктів. Тому, тільки найбільш дорога техніка, така як космічні, авіаційна, ядерні реактори, могли дозволити собі використовувати комп'ютери в якості дублюючих або основних засобів у системах керування. Однак швидкий технічний прогрес забезпечив перенос аерокосмічних технологій в усі сфери техніки, виробництва й побуту.

Спробуємо подивитися на передумови поширення ПК (персональні комп'ютери) і простежимо, чи використовувала аналогічні передумови механотроника [10,27,36,37]. Помітимо, такий погляд не може бути вичерпної, але може визначити фактори, достатні для додання імпульсу розвитку певного класу техніки.

• Перше, що можна побачити - це придатність ПК як інструмента для рішення дуже широкого спектра завдань, що зустрічаються в повсякденної i гельности кожної людини.

• Наступне - вартість інструмента повинна відповідати вартості, і не взагалі, а теж для «персонального» людини. Тобто, завдання можуть бути нескладними, але їхня вага для користувача повинен збігатися з вартістю придбання й навчання роботі на ПК. Як показав досвід, такими завданнями можуть бути й гри, і тренування, і навчання іноземним мовам, і тестування, і креслення, і анімація, а також численного професійного завдання.

• Третє - користувач за короткий проміжок часу одержує позитивний результат і бачить перевагу освоєння нового інструмента. Його зацікавленість буде підвищуватися разом з розширенням завдань, доступних у професійній діяльності.

На наш погляд перерахованих факторів досить, щоб, у випадку їхнього об'єднання, здійснився перехід деякої концепції в практичну площину. Проаналізуємо, що по кожному із цих факторів можна i пожити завдяки об'єднанню механіки, електроніки й інформатики.

Завдання. Спектр повсякденної роботи, що не в змозі самостійно виконати інформатика (ПК), охоплює як побутові завдання (прання, збирання, підтримка комфортних умов, готування їжі, контроль стану здоров'я, керування автомобілем і інші) так і нескладні, але розповсюджені завдання виробничого напрямку (складське господарство, навантаження й розвантаження, маніпулювання, упакування, вхідний і вихідний контроль, сортування й різноманітні технологічні дії).

Помітимо, що в 80-х роках фахівці декількох напрямків техніки з деяким подивом відзначили, що частина їхніх власних досягнень називають механотроникой і ця частина претендує на автономію. Такі погляди поширені серед розроблювачів верстатів зі ЧПУ, рукторов роботів і маніпуляторів, авторів робото-технологічних комплексів (РТК), ліній, гнучких автоматизованих виробництв (ГАП). Спектр актуальних завдань, що вимагає об'єднання зусиль механіки інформатики, цілком достатній.

Вартість. Персональна для користувача цінність інструмента формується шляхом зіставлення а) його зайнятості й б) зручностей, надаваних інструментом при рішенні завдань. На цьому напрямку спостерігаємо підвищення темпу життя з однієї сторони й стрімке здешевлення комп'ютерної техніки з іншої. Дуже важливим є фактор надійності, тому, що інформаційна помилка для комп'ютерної гри й для технологічного встаткування, непорівнянні по своїх наслідках. У питанні надійності електроніка демонструє стабільні досягнення як у стандартизації засобів виміру й керування, так і в їхній розмаїтості, відповідно потребам виробництва, транспорту, медицини, комунікацій і інших завдань. Тобто, електроніка, інформатика й ПК надали досить дешеві, прості у використанні й надійні доповнення до персональних механізмів, що допомагають механізмам «зрозуміти» комп'ютери, а комп'ютерам «почути» механізми.

Час. Фактор швидкої реакції на зміни ринку часто є вирішальним у конкурентній боротьбі провідних виробників. Перехід на нову модель автомобільного конвеєра, взуттєвої фабрики або заводу побутової техніки у відповідь на збільшення попиту є майже законом. Інформаційні технології пропонують, у цьому питанні, широкі можливості гнучких алгоритмів прийняття рішень, використання нечіткої логіки, прогнозування, оцінки ймовірності й інші інструменти. Важливо, що ці технології є інваріантними для різних завдань, тобто, якщо завдання формалізували, то рішення одержати нескладно, і в медицині, і в приладобудуванні, і в побутовій техніці. Але рішення буде інформаційним, і для його матеріалізації необхідні виконавці - механізми, агрегати, приводи, одним словом - виконавчі пристрої.

Підіб'ємо підсумок: достатній набір факторів існує, але він повинен знайти внутрішні зв'язки - перетворитися з набору в об'єкт. Саме так і можна сформулювати загальне завдання механотроники: з'єднати виконавчі можливості механіки, засобу спостереження й управління електроніки, а також алгоритми й гнучкість інформатики в підході до створення машин, які візьмуть на себе більшість завдань середньої складності.

Так точно, як механотроника складається із частин, так і її загальне завдання полягає з окремих питань, які становлять коло механотроники (мал. 1.2). Початок відліку задають практичні завдання, а безпосередній контакт із ними мають виконавчі пристрої - механічні, пневматичні, гідравлічні, електричні, технологічні й інші.

Підготовчий етап - освоїти закони механіки й з їхньою допомогою зрозуміти й перетворити побутові, медичні, виробничі й інші проблеми в завдання для технічної реалізації. А далі, коли проблема з'ясована, наступає черга конкретних завдань.

Перше завдання - механіка - перейти від технічних питань до створення виконавчих механізмів із залученням різноманіття новітніх розробок.

Друге завдання - електроніка - підібрати електронні засоби контролю й керування, які дозволять визначати стан механіки й управляти її діями в заданому напрямку.

Третє завдання - інформатика - перевести спеціальні знання професіоналів в алгоритми прийняття рішень, які зможе виконувати механіка.

Завдання другого кола з'являються на перетинанні складових механотроники й саме вони сформували специфіку, достатню для виділення механотроники в самостійний напрямок. Механіка - електроніка:

• оснастити механікові сенсорами, датчиками, спостереженням, що поставляють достовірну інформацію про її стан;

• підібрати контролери, реле, компаратори, джерела живлення, підсилювачі - електроніку, що дозволяє управляти механікою.

Електроніка - інформатика:

• довести інформацію про стан механіки до алгоритмів прийняття рішень;

• сформувати такі рішення, з яких можна побудувати сигнали команд керування для механізмів, що виконують задані функції.

Інформатика - механіка:

• перетворити результати обчислень і прийняття рішень в алгоритми й сигнали команд, зрозумілі механізмам;

• урахувати властивості механіки й знання фахівців в алгоритмах керування.

Складові механотроники утворили замкнутий контур, тобто набір засобів укомплектований, але йому не вистачає цілісності, потрібно синтезувати його структуру, спроектувати відповідну систему, перевірити отриманий результат. Це можна зробити, розглянувши завдання побудови систем механотроники: структурний синтез, проектування й моделювання.

Расмотренные завдання становлять тільки початок списку питань, які прийдется вирішувати при створенні кожної реальної системи. Оскільки узагальнений об'єкт механотроники отриманий як синтез об'єктів механіки, електроніки й інформатики, більшість питань присвячена узгодженню об'єктів і обліку специфіки одних об'єктів при їхній взаємодії з іншими. Ці питання можуть мати різний зміст:

- фізичне, при узгодженні потоків енергії по виду, рівню й параметрам,

- інформаційне, при узгодженні сигналів стану й керування, алгоритмів програм і особливостей одержання й обробки інформації, по

- технологічне, оскільки основним завданням є виконання эксплуационного процесу, у якому зайняті всі об'єкти,

- формальне, оскільки всі об'єкти необхідно проектувати й моделювати, а вони належать до різних областей знань, що мають свої традиції, наукові школи, прийняті умовні позначки.

Відзначена междисциплинарность привносить, на перший погляд термінологічну непогодженість і невизначеність у завдання механотроники. Наприклад, такі поняття, як перехідний процес, перерегулювання, передатна функція або запас по стійкості, широко використовувані в школі гідропневмоавтоматики, не знайдуть розуміння у фахівців математичної логіки (логічний синтез) і гідромеханіки (визначення тиску на поверхні клапана). Крім різної понятійної бази, у кожній зі складових дисциплін є прийняті умовні позначки й скорочення. Фахівець в області механотроники, переходячи зі своїм завданням з однієї області знань в іншу, зобов'язаний ураховувати такі відмінності.

У пропонованому матеріалі збережені традиції кожної зі складових механотроники. Тому, при переході від однієї області знань до іншої (oт роздягнула до розділу) відбувається уточнення понять, часткова заміна й розшифровка умовних позначок. Наприклад, традиційне позначення-швидкості в гідромеханіці «u» заміняється на «v» при проектуванні елементів гідроприводу, а «?» спочатку позначає коефіцієнт гідравлічного тертя в гідравліці, потім довжину хвилі в ультразвукових технологіях, «X» використовується для позначення координати в механіку й двійкової змінної при логічному синтезі, «?» позначає коефіцієнт динамічної в'язкості в гідромеханіці, коефіцієнт Ламмэ в акустику, коефіцієнт витрати в гідроприводі. Перелік може бути продовжений, і чим глибше ми будемо вникати в зміст завдання, тим більше число понять стане суміжними для взаємодіючих об'єктів і зажадають уточнення. Але тим і приваблива механотроника, що складні об'єкти створюються майже по «складальній» технології з більше простих, а уточнення торкнеться тільки декількох, які забезпечать взаємодію досить самостійних, що володіють власним інтелектом, минисистем.

Перераховані завдання й питання, а точніше - приклади й підходи до їхнього рішення, становлять основний зміст пропонованого матеріалу. У ньому Ви знайдете невеликий, але узагальнюючий погляд на механіку як засіб виконання корисних функцій і засіб автоматизації, приклади побудови нових і використання відомих технічних рішень, невеликий довідковий матеріал, кілька методик і підходів, ради по розробці систем, проектуванню й моделюванню. Підготовка посібника до видання опирається на досвід, отриманий викладачами спеціалізації "Механотроника в машинобудуванні" на кафедрі прикладний гидроаэромеханики й механотроники НТУУ "КПИ" і при роботі в учбово-методичному комплексі « КПИ-ФЕСТО».