КТОП теория

Методология проектирования МС. В определении мехатроники подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов в мехатронных объектах. Синергия (греч.) – это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом принципиально важно, что составляющие части, не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами. Например, в мехатронике механических систем все энергетические и информационные процессы направлены на достижение единой цели – реализации заданного управляемого движения.

Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования изделия, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации изделия. В этом радикальное отличие мехатронных систем от традиционных, когда зачастую пользователь был вынужден самостоятельно объединять в систему разнородные механические, электронные и информационноуправляющие устройства различных изготовителей.

Для сложных систем традиционный подход к проектированию не мог дать результатов, приемлемых по надежности и эффективности работы, поэтому мехатронный подход в последнее время применяется практически во всех сложных высокотехнологичных системах.

Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования (concurrent engineering methods). При традиционном проектировании изделий с компьютерным управлением последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Принцип параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.

17.2. Микроэлектроника и мехатроника

Новое направление создания изделий возникло как синтез механики, электромеханики и электроники, а также программирования. Одним из главных преимуществ микроэлектроники яв­ляется использование таких технологий, которые обеспечивают высокую концентрацию компо­нентов (плотность компоновки элементов на единицу площади или объема). Результатом являет­ся снижение массы изделия и существенное сокращение габаритов электронных устройств, что позволяет создавать встроенные конструкции. В свою очередь, это повлекло и микроминиатюри­зацию электромеханических компонентов.

Особые условия, которые необходимо учитывать при микроминиатюризации:

-среда внутри объекта значительно жестче, чем во внешней среде;

-воздействие электрических шумов;

-воздействие электромагнитных полей;

-влияние акустических нагрузок;

-механические колебания на таких объектах, как автомобили, самолеты, станки и др.;

-широкий температурный диапазон.

Главные достоинства микроэлектроники:

-скачкообразное повышение стойкости к воздействию окружающей среды за счет ин­теграции (плотной упаковки схем), что обусловлено уменьшением монтажных соединений и ис­пользованием твердотельных схем;

-стабильность технологии;

-упрощение процесса сборки и монтажа;

-снижение стоимости комплектующих элементов за счет массового автоматического производ­ства.

Синтез электроники и механики дает возможность создавать машины нового типа – комплексные ме­хатронные устройства и системы.

17.3. Примеры объектов мехатроники

Наиболее показательные примеры мехатронных устройств: роботы; систе­мы управления самолетами, ракетами, спутниками; обрабатывающие центры; радиотехническое оборудование; периферийные устройства ЭВМ и др.

Роботизация. Типичным мехатронным устройством является робот. Он включает ме­ханическую, электромеханическую, управляющую, информационную и сенсорную части. Имея представление о структуре робота и проблемах связанных с их разработкой, можно понять и дру­гие мехатронные устройства. Рассмотрим на основе положений информатики упрощенную классификацию роботов:

Антропоморфные манипуляторы. Роботы с циклическим управлением. Роботы с модифицируемой программой.

Роботы, работающие по принципу воспроизведения программы. Интеллектуальные роботы.

Первые относятся к роботам управляемым человеком. Действия робота контролиру­ются командами человека. Эти устройства имеют органы управления от человека и исполнитель­ные органы. Вторая группа − с их помощью можно многократно выполнять операции по алго­ритму. Третья группа − роботы работают по изменяемой программе в определенных пределах. К четвертой группе относятся роботы, работающие по принципу воспроизведения программы. Че­ ловек предварительно “обучает” робот, показывая ему траектории движения, а затем робот в процессе работы повторяет действия человека. И последняя группа − интеллектуальные роботы. Они осуществляют сбор информации об изменениях, происходящих в окружающей среде и, в со­ответствии с этим, вносят коррективы в свое поведение, т. е. обладают интеллектом.

Вмехатронике заложены большие возможности для исследования

иприменения мето­дов информатики – это фундаментальные задачи современной техники. Другая особенность – взаимосвязанное использование методов на основе “материального”, “энергетического”

и“информационного” подходов в создании изделий. При решении этих комплексных задач часто возникают “порочные круги”. Например: уровень миниатюризации недостаточно высок для дан­ного класса комплектующих, тогда использование их приведет к увеличению массы, что будет за­труднять управление и потребует введения дополнительных устройств обработки информации, которое вновь приведет к увеличению массы (можно вспомнить принцип цены в проектировании). Дру­гими словами, если взять шагающий робот, то он может встать и свободно ходить тогда, когда его масса будет меньше некоторой критической массы.

Смысл термина “мехатроника”, по всей видимости, заключается не только в учете за­висимостей, существующих между информацией, массой и энергией. Необходима увязка самых разнообразных компонентов, входящих в систему (комплексное проектирование механизмов, электронных схем и информационного обеспечения). При этом может быть различная степень миниатюризации и микроминиатюризации: электроника − высокая; механика − средняя; энерге­тика − низкая. Конкретные примеры мехатронных систем: головка самонаведения ракет, самолет, конфигурируемый управлением и накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер). Рассмотрим последний пример.