Введение в мехатронику

Министерство образования и науки Украины

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

ВВЕДЕНИЕ В МЕХАТРОНИКУ

Учебное пособие

Харьков 2014

УДК 621.865.8 ББК 34.816

М 54

Утверждено редакционно-издательским советом университета, протокол №2 от 12.12.2013 г.

Рецензенты: Димитров Л., к-т техн. наук, декан Машиностроительного факультета Софийского технического университета Верезуб Н.В., д-р техн. наук, проф.

НТУ «Харьковский политехнический институт».

Коллектив авторов: А.И. Грабченко, В.Б. Клепиков, В.Л. Доброскок, Г.К. Крыжный, Н.В. Анищенко, Ю.Н. Кутовой, Д.А. Пшеничников, Я.Н. Гаращенко

М 54 Введение в мехатронику: уч. пособие / А.И. Грабченко, В.Б. Клепиков, В.Л. Доброскок и др. – Х.: НТУ «ХПИ», 2014. – 264 с.

ISBN 978-966-303-527-7

Учебное пособие подготовлено в соответствии с учебным планом магистерского курса «Основы мехатроники» по специальности «Технология машиностроения» в НТУ «Харьковский политехнический институт». В учебном пособии представлены основные научные подходы, терминология принятая в мехатронике, структура и виды мехатронных систем, методы их построения и управления. Пособие предназначено для магистрантов и аспирантов технических вузов.

Навчальний посібник підготовлено відповідно за навчальним планом магістерського курсу «Основи мехатроніки» за фахом «Технологія машинобудування» в НТУ «Харківський політехнічний інститут». У навчальному посібнику представлено основні наукові підходи, термінологію з мехатроніки, структуру і види мехатронних систем, методи їх побудови та управління. Посібник призначено для магістрантів і аспірантів технічних вузів.

This textbook has been prepared in accordance with the curriculum of the master course «Fundamentals of mechatronics» on the specialty «Mechanical engineering» in NTU «Kharkiv Polytechnic Institute». Basic scientific approaches and terminology, which are established in mechatronics, the structure and types of mechatronic systems, methods of their construction and control are presented in this textbook. The textbook is intended for students and graduate students of technological universities.

2

магистратуре по специальности «Мехатроника», предстоит выполнить магистерскую работу, связанную с решением отдельных задач создания и исследования мехатронной системы. При этом характер задач может определяться профилем кафедры и направлением подготовки в бакалавратуре: конструированием, схемотехникой, программированием, анализом и синтезом мехатронной системы как системы автоматического управления и др. Однако решение данной задачи должно выполняться с четким представлением о сущности всей мехатронной системы.

В связи с этим нам представилось целесообразным написать данное учебное пособие как «Введение в мехатронику», которое должно облегчить дальнейшую работу со специальной литературой при выполнении магистерской работы.

Это особенно целесообразно для украинских университетов, поскольку в перечне специальностей Вузов Украины специальность «Мехатроника» отсутствует. Ряд кафедр решением Совета Вуза ввели обучение в магистратуре по мехатронике в виде специализации. Открытие на данных кафедрах специализации «Мехатроника» для подготовки магистров достаточно хорошо согласуется с учебными планами и программами бакалаврата по направлению «Электромеханика». При этом магистратура должна предусматривать расширение и углубление знаний по программированию, конструированию, датчикам информации, диагностике с учетом специфики мехатронных систем.

Содержание пособия позволяет уяснить принятые в мехатронике терминологию, понятия и определения, дает представление о структуре и видах мехатронных систем, методах построения мехатронных модулей и их компонентах, о датчиках координат движения и технологических параметров. В пособии описаны методы управления мехатронными модулями и системами, в том числе интеллектуальные, функционирующие по аналогии с мозгом человека.

Работа по написанию учебного пособия распределилась между авторами следующим образом: введение, гл. 1 и разд. 7.4 – Клепиков В.Б., гл. 2 – Доброскок В.Л., гл. 4 и разд. 5.1-5.4 – Гаращенко Я.Н., гл. 3 – Крыжный Г.К., разд. 5.5, 5.6 и гл. 6 – Кутовой Ю.Н.,

разд. 5.7, 5.8.3, 7.1-7.3 – Анищенко Н.В., разд. 5.8.1, 5.8.2 и 5.9 –

Пшеничников Д.А., под общей редакцией А.И. Грабченко.

4

Термин «мехатроника» появился в 1969 г. в Японии, где активно проводилась разработка прецизионных электроприводов для станков с программным управлением и отрабатывающих центров. Автор термина, Тецуро Мориа (Tetsuro Moria) – старший инженер компании «YASKAWA ELECTRIC». Этот термин был им введен для обозначения осуществлявших приведение в движение рабочих органов машин и агрегатов, электромеханических устройств с электродвигателями, управляемыми электронными полупроводниковыми преобразователями и представлял комбинацию слов «механика» и «электроника».

В СССР, Германии и в некоторых других странах устройства преобразования электрической энергии в механическую для приведения в движение рабочих органов (исполнительных механизмов), начиная с 30-х годов прошлого столетия получили название «электрический привод». Этот термин в Японии и США не был распространен, что обусловило введение для характеристики данного класса устройств нового определения. Первоначально термин «мехатроника» был зарегистрирован как торговый знак. Технические успехи Японии в области электроники, станкостроения и создании роботов обусловили достаточно широкое распространение этого термина, в том числе в США, и компания впоследствии отказалась от использования его как товарного знака. Из иностранных источников термин «мехатроника» пришел и утвердился в европейских странах и

СССР.

С методической точки зрения целесообразно уяснить сходство и отличия системы электропривода в традиционном понимании и мехатронной системы. С этой целью рассмотрим функциональные схемы электропривода и мехатронной системы (рис. 1.1).

Уясним общие признаки и различие системы электропривода в традиционном понимании и мехатронной системы, исходя из их функциональных схем.

На рис. 1.1а представлена схема электропривода, который по определению является электромеханической системой, предназначенной для преобразования электрической энергии в механическую и

5

управления движением в соответствии с требованиями технологического процесса.

а

б

Рис. 1.1. Функциональные схемы:

а – система электропривода; б – мехатронная система

Электрический привод состоит из следующих элементов:

–электродвигательного устройства (ЭДУ), предназначенного для преобразования электрической энергии в механическую. Роль ЭДУ обычно выполняют различного вида электродвигатели;

–силового преобразовательного устройства (СПУ), предназна-

ченного для преобразования параметров электрической энергии: напряжения, тока, частоты, источника электрической энергии (ИЭЭ)

кзначениям, необходимым для питания ЭДУ. В современных электроприводах СПУ выполняют на базе полупроводниковых приборов – тиристорах и транзисторах различных типов;

–передаточного механизма (ПМ), осуществляющего преобразование параметров механической энергии ЭДУ к заданному виду (вращательное, поступательное) и требуемым значениям (крутящего

6

момента, силы, частоты вращения, скорости), необходимым для функционирования рабочего органа (исполнительного механизма) машины или агрегата;

–датчиков параметров (координат) Д1-Д3, характеризующих текущее состояние ЭП, информация о которых используется для формирования обратных связей, необходимых для управления движением в соответствии с технологическими и техническими требованиями. Координатами являются токи и напряжения СПУ и ЭДУ, движущие и упругие моменты, скорость, угловое и линейное перемещения и др.;

–управляющего устройства (УУ), которое на основании

задающего сигнала Uз и сигналов от датчиков обратных связей вырабатывает необходимый сигнал управления, подаваемый на силовое преобразовательное устройство. Управляющие устройства в своем развитии прошли путь от релейных, ламповых, транзисторных схем усиления и логики, регуляторов на операционных усилителях до современных компьютерных устройств – микропроцессоров. Сигнал задания поступает от оператора, программного блока либо от компьютеризированной системы более высокого уровня иерархии, контролирующего ход технологического процесса в целом.

ВГОСТах СССР электропривод определялся как «устройство». Рабочий орган (исполнительный механизм) и источник электрической энергии в его состав не включались.

Однако создание электропривода, исследование динамических

иустановившихся режимов, синтез системы ЭП, обеспечивающей требуемые показатели регулирования, невозможен без знания статических и динамических характеристик нагрузки. При питании от источника электрической энергии ограниченной мощности следует учитывать и его параметры. Поэтому на практике система ЭП рассматривалась как единая электромеханическая система, включающая в свой состав вышеуказанные компоненты. Это нашло отражение в более поздних определениях ЭП как электромеханической системы.

Рассмотрим функциональную схему мехатронной системы, представленной на рис. 1.1, б. В данной схеме:

–микропроцессор выполняет роль управляющего устройства, формируя на выходе в цифровой форме сигнал управления, исходя из поступающих к нему сигнала задания от «системы управления и

7

индикации» и сигналов от датчиков информации через входные преобразователи;

–датчики информации фиксируют текущие значения координат движения исполнительного механизма в виде электрических сигналов;

–входные преобразователи преобразуют значения электрических сигналов к виду, воспринимаемому микропроцессором, т. е. к цифровой форме;

–выходные преобразователи преобразуют цифровое значение выходного сигнала микропроцессора в электрический сигнал управления мехатронным модулем;

–мехатронный модуль обеспечивает преобразование электрической энергии источника питания в механическую с значениями крутящего момента и скорости, необходимыми для работы исполнительного механизма;

Вданной схеме отсутствует источник электрической энергии, что может быть объяснимо для автономных роботов, если полагать, что он входит в состав мехатронного модуля. Однако для мехатронных систем промышленных роботов и станков с ЧПУ роль источника выполняет электрическая сеть, т. е. предполагается, что, как и в электроприводе он не входит в состав мехатронной системы.

Укажем на общие признаки и отличия рассматриваемых систем электропривода и мехатронной системы.

Главным общим признаком обеих систем является то, что они являются электромеханическими системами и их задачей является преобразование электрической энергии в механическую и управление движением рабочего органа (исполнительного механизма) в соответствии с требованиями технологического процесса. Это зна-

чит, что и мехатронные системы, и электропривод относятся к одному классу – электромеханическим системам.

Рассмотренная на рис. 1, б мехатронная система может быть подсистемой более сложной мехатронной системы, включающей в себя несколько мехатронных модулей, что в теории электропривода соот-

ветствует многодвигательному взаимосвязанному электроприводу.

Перечислим отличия, вытекающие из сопоставления обеих функциональных схем.

Вмехатронной системе роль управляющего устройства выполняет микропроцессор, а в электроприводе это могут быть и иные, в том числе аналоговые устройства.

8

В функциональной схеме мехатронной системы отсутствуют блоки СПУ – силового электронного устройства, питающего электродвигатель, ЭДУ – электродвигательного устройства, ПМ – передаточного механизма. Это возможно лишь в том случае, если выполняющие их функции блоки сосредоточены в мехатронном модуле. Это обстоятельство ограничивает предел мощности мехатронных систем, т. к. создание мехатронных модулей мощностью в сотни и тысячи кВт весьма затруднительно. Таким образом, системы электропривода, выпускаемые в диапазоне мощности от долей Ватт до десятков тысяч кВт являются более широким классом электромеханических систем (ЭМС), к которым следует отнести и мехатронные системы (МС), которые, однако, в силу своих особенностей, достоинств и сфер применения следует рассматривать как специальный класс ЭМС. Следовательно, системы электропривода и мехатроники относятся к одному классу управляемых электромеханических систем.

Исторически, вышеуказанные свойства МС были обусловлены тем, что в период, начиная с 60-х годов ХХ века, шло быстрое развитие средств электроники, полупроводниковых преобразовательных устройств, компьютерной техники, программирования и интеллектуальных методов управления. Это, в свою очередь, обеспечило условия создания автоматических систем управления с широкими функциональными возможностями. При этом в полупроводниковой технике происходило увеличение преобразуемой одним элементом электрической мощности, улучшались динамические характеристики полупроводниковых приборов: быстродействие, управляемость. В компьютерной технике возможности управления необычайно расширило появление микропроцессорных устройств, сокращение их веса и габаритов при одновременном повышении быстродействия и объемов памяти.

Развитие программного обеспечения и совершенствование компьютерной техники позволило реализовать интеллектуальные методы управления: нечеткая логика, нейронные сети, а также генетические алгоритмы.

Развитие техники создало предпосылки для объединения (интеграции) вышеуказанных устройств (полностью или частично) в едином конструктивном исполнении мехатронного модуля. Такое

9