Что такое мехатроника и ее определение.

Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященное созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движения, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.

В данном определении особо подчеркнуто приединая сущность мехатронной системы, в основу построения которой заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Поэтому эмблемой мехатроники ставят 3 пересекающихся круга, включенных в общую оболочку:

производство,

менеджмент,

требования рынка.

Таким образом, системная интеграция 3 указанных видов элемента является необходимым условием построения мехатронной системы.

Известно несколько определений мехатроники как науки.

Предлагается след специальная формулировка предмета мехатроники:

Мехатроника - изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, машин, систем и комплексов машин с интеллектуальным управлением с их функциональными движениями.

Пояснения к определению:

1. Мехатроника изучает особые методологический подход построения машин с качественно новыми характеристиками. Этот подход является универсальным и может быть применен в машинных системах различного назначения. Однако, следует отметить, что обеспечить высокое качество управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта.

2. В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов мехатронных объектов. Синергия - это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом важно, что составляющие части непросто дополняют друг друга, а объединяются таким образом, что образованные системы обладают качественно новыми свойствами. В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели в реализации заданного управляемого движения.

3. Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машин, а затем обеспечиваются необходимые инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машин. В этом отличие мехатронных машин от традиционных, когда пользователь зачастую был вынужден самостоятельно объединять систему в разнородные механические , электронные и информационные управляющие устройства различных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность.

4. Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводятся разработка механической ,электронной , сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.

5. Базовыми объектами изучения мехатроники является мехатронный модуль, который выполняет движения по одной управляемой кординате. Из таких модулей как из функциональных кубиков компануются сложные системы модульной архитектуры.

6. Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем – проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (инструмент на станке). При этом необходимо координировать управление пространством перемещения мехатронных систем с управлением различными внешними процессами.

Примерами таких процессов могут служить регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, контроль и диагностика текущего состояния критических элементов мехатронных систем, управление дополнительными технологическими воздействиями на объект работ при комбинированных методах обработки, управление вспомогательным оборудованием, выдача и прием сигналов от устройств электроавтоматики. Такие сложные координированные движения называют функциональными движениями.

В современных мехатронных системах для реализации высокого качества и точности движения применяются методы интеллектуального управления. Данная группа методов опирается на новые идеи теории управления современным аппаратным и программным средством вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемого движения мехатронных систем.

Мехатроника как новая область науки и техники находится в стадии своего становления, ее терминология, границы и классификационные признаки еще строго не очерчены.

Мехатронные технологические системы: концепция проектирования и применение в современном машиностроении.

Бурное развитие мехатроники вызвано резко возросшими требованиями рынка к потребительским свойствам и качеству продукции современного машиностроения. Именно этот фактор определяет современные тенденции развития и стимулирует НТП в области мехатроники.

Таким образом, создание оборудования нового поколения на базе новых технологий для производства новых продуктов является ответом производителей на новые рыночные условия. В России в последние годы становлению мехатронике уделяется повышенное внимание. В марте 2002 г Путиным утвержден документ «Основы политики РФ в области развития и технологии на период 2010 г и в дальнейшей перспективе», где мехатронные технологии включены в число критических технологий РФ.

Новые требования, предъявляемые функциональным характеристикам технологических модулей и машин:

1. Сверхвысокие скорости движения рабочих органов машин, определяющие новый уровень производительности технологических машин

2. Сверхвысокие точности движения, необходимые для реализации прецизионных технологий (вплоть до микро- и наноперемещений)

3. Максимальная компактность конструкции и минимизация массогабаритных показателей модулей

4. Интеллектуальное поведение машин, функционирующих в изменяющихся и неопределенных внешних средах

5. Реализация быстрых и точных перемещений рабочих органов по сложным контурам и поверхностям

6. Существенное расширение технологических и функциональных возможностей оборудования желательно без увеличения его стоимости

7. Способность системы к реконфигурации в зависимости от выполняемой конкретной задачи или операции

8. Высокая надежность и безопасность функционирования

Передовой мировой уровень в области станкостроения можно оценить по новейшим образцам оборудования, которых ведущие производители представили на международной выставке в Японии в ноябре 2002 года. Приводные системы современных металлообрабатывающих станков обеспечивают следующие характеристики: скорость рабочей подачи до 15 м/мин, скорость холостого хода до 200 м/мин, ускорение приводов при разгоне до 3g, точность обработки порядка 2-3 микронов, число одновременно управляемых осей до 20 в одном обрабатывающем комплексе.

Очевидно, что для создания машин с такими техническими показателями необходимы принципиально новые подходы проектирования и производства приводных модулей и систем. К их числу в первую очередь следует отнести мехатронику.

Методология проектирования модулей и машин на основе мехатронного подхода направлена на синергетическую интеграцию элемента, представленную на рисунке.

Ключевой методологической идеей данного подхода является приоритет функции модуля над её структурной организацией и конструктивным решением. Применяя последовательно выполняемые процедуры функционально-структурного и структурно-конструктивного анализа мехатронных систем, разработчик оценивает принимаемые решения, стремясь добиться максимального уровня синергетической интеграции элементов.

Для использования методов автоматизированного проектирования формируют взаимосвязанные функциональную, структурную и конструктивную модели мехатронных модулей, затем планируют движение мехатронной системы в пространстве и во времени, оптимизируя их, например, по критерию максимального быстродействия. В рамках программы инновационного машиностроения ряд организаций приступил к созданию мехатронных машин нового поколения на базе мехатронных модулей.

Концептуальными проектами являются следующие:

1. Мехатронный обрабатывающий центр МС-630 на базе четырех модулей

ПМС-630 и высокоскоростного шпинделя iBAG завода им. Свердлова.

2. Обрабатывающие центры: МЦ-1, гексамех-1, МЦ-2.

3. Робот-станок РООТ-300 для шлифования турбинных лопаток.

4. Лазерный комплекс для послойного синтеза.

5. Мобильные технологические роботы для инспекции и ремонта трубопроводов.

Главными преимуществами данных мехатронных систем являются исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и следовательно высокая точность и улучшенные динамические характеристики, конструктивная компактность модулей и следовательно улучшенные массо-габаритные характеристики. Возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы, и комплексы, допускающие быструю реконфигурацию, относительно низкая стоимость установки, настройки и обслуживания системы, благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных средств, способность выполнять сложные движения, благодаря применению методов адаптивного и интеллектуального управления.

Структура и принципы построения мехатронных систем.

Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда, которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения объекты работ оказывают возмущающее воздействие на рабочий орган. Примерами таких воздействий может служить сила резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.

Устройство компьютерного управления осуществляет следующие основные функции:

1. Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации.

2. Организация управления функциональными движениями мехатронной системы, которая предполагает координацию управления механическим движением мехатронной системы и сопутствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства.

3. Взаимодействие с человеком-оператором через машинный интерфейс в режимах автономного программирования (режим off-line) и непосредственно в процессе движения мехатронной системы (режим on-line).

4. Организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.

Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно, что электрическая энергия (гидравлическая, пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

Построение мехатронных модулей на основе синергетической интеграции элементов.

Мехатронные модули – это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением, предназначенные для выполнения движений, как правило, по одной управляемой координате.

Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов.

Синергетическая интеграция – это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков, а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов, которые имеют, как правило, различную физическую природу.

Назначением мехатронных модулей является реализация заданного управляемого движения, как правило, по одной управляемой координате.

Мехатронные модули движения являются теми функциональными «кубиками», из которых затем можно компоновать сложные многокоординатные мехатронные системы.

Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения. Приведем схему энергетических и информационных потоков в электромеханическом мехатронном

модуле.

На вход мехатронного модуля поступает информация о цели движения, которое формируется верхним уровнем системы управления, а выходом является целенаправленное мехатронное движение конечного звена, например, перемещение выходного вала модуля.

Для физической реализации электромеханического мехатронного модуля теоретически необходимы четыре основных функциональных блока последовательно-соединенные: информационно-электрический и электромеханический функциональный преобразователь в прямой цепи и электро-информационный и механико- информационныи преобразователи в цепи обратной связи.

Проанализируем физический характер преобразований и традиционную структуру электро-механического модуля с компьютерным управлением с этой же точки зрения.

УКУ на основании входной информации, поступающей с верхнего уровня управления и по цепям обратной связи от сенсоров, выдает во времени на исполняющие приводы управляющие электрические сигналы. В силовых преобразователях происходит усиление по мощности данных сигналов и их модуляция, затем исполнительные приводы прикладывают соответствующие усилия к звеньям механического устройства, что в результате вызывает целенаправленное движение конечного звена модуля с рабочим органом.

Для соединения элементов в систему традиционно вводят специальные интерфейсные устройства, обозначенные И1-И7.

Интерфейс И1 представляет собой комплекс аппаратно-программных средств для сопряжения УКУ модуля с верхним уровнем системы управления. Функции верхнего уровня управления выполняет высокопроизводительный компьютер либо человек-оператор.

Интерфейс И2 обычно состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и усилительно-преобразующего устройства и служит для формирования управляющих электрических напряжений для исполнительных приводов.

Интерфейсы И3 – это, как правило, механические передачи, связывающие исполнительные двигатели со звеньями механического устройства. Конструктивно такие трансмиссии обычно включают редукторы, муфты, гибкие связи, тормоза и т.п.

Интерфейс И4 на входе УКУ в случае применения в электромеханическом мехатронном модуле сенсоров с аналоговым выходным сигналом строится на основе аналоговых цифровых преобразователей (АЦП).

Интерфейсы сенсоров И5, И6, И7, в зависимости от физического характера наблюдаемых переменных можно разделить на электрические и механические. К механическим интерфейсам относятся присоединительные устройства для датчиков обратной связи приводов (фотоимпульсных, кодовых, тахогенераторных и т.п.), силомоментных и тактильных датчиков, а так же других средств очувствления и информации о движении звеньев механической цепи, двигателей и внешних объектов. Преобразование и передача сигналов о переменных состояниях системы, которые имеют электрическую природу осуществляется электрическими интерфейсами. В их состав помимо усилительно-преобразующих плат входят также соединительные кабели и коммутационная аппаратура.

Сравнивая представленные блок-схемы можно прийти к выводу о том, что число преобразующих и интерфейсных блоков в традиционной структуре привода с компьютерным управлением избыточно по отношению к минимально необходимому числу функциональных преобразований.

Этот вывод даёт основание для поиска новых решений построения привода, базирующегося на синергетической интеграции элементов.

Различие мехатронного и традиционного подхода к проектированию и изготовлению модулей и машин с компьютерным управлением состоит в концепции построения и реализации функциональных преобразователей. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой отдельные самостоятельные устройства и узлы. Обычно это сепаратные блоки, которые выпускаются специализированными фирмами но зачастую отдельные элементы приходится изготавливать самим пользователям. Мехатронный подход нацеливает разработчика на интеграцию элементов привода в единые блоки, минимизацию промежуточных преобразований и устранения интерфейсов как сепаратных блоков.

Построение ЭМММ на основе синергетической интеграции элементов

Следуя логики мехатр. Подхода потенциально возможным точкам аппаратной интеграции элементов можно отнести интерфейсные блоки И1 – И7 в структуре электромех. Привода.

Механич. Модули И элементы	Составные части		Исключаемые элементы
	основные	Дополнит.
Приводной модуль	Исполнит двигатель	Силовой преобразователь	И3
Метатр. Модуль движения	Приводной модуль	Силовой преобразователь	И5
Интеллект. Сенсор	Сенсор	Микропроцессор	И4
Интеллект. Мехатр. Модуль движения	Мехатр. Модуль движения	Усиливающее устройство	И2

Перспективный интерес для мехатроники представляет построение мехатронных модулей на базе нескольких точек интеграции что открывает огромные возможности для научного поиска

????

Рассмотрим типичные примеры однокоординатных модулей движения, разработанных для решения задач автоматизированного машиностроения.

Мотор – редукторы являются исторически первыми по принципу своего построения мехатр модулями, которые выпускаются серийно и находят широкое применение в приводах машин и механизмов.

Мотор – редуктор представляет собой компактный конструктивный модуль, объединяющий электродвигатель и редуктор .

Преимущества: Сокращение габаритных размеров, снижение стоимости и затрат на установку и наладку модуля. Конструктивное исполнение зависит от типа объединяемого редуктора и двигателя.

Сложным шагом в развитие приводной техники стало появление ВМД вращательного движения, которые позволили вообще исключить редуктор из состава Эл привода.

ВМД выпускаются коллекторного и вентильного типов (без щеточного)

Основной недостаток: наличие дорогостоящих магнитов и блок управление коммутацией обмоток.

Мехатроный подход к построению модулей вращательного движения получили свое развитие и в модулях линейного перемещения.

Мехатронные модули на основе линейных ВМД (ЛВМД) находят все применение в гексоподах, высокоскоростных станках в комплексах для лазерной и гидравлической резки,

Вспомогательном оборудование. Еще один недостаток всех ВМД и ЛВМД – необходимость в системе охлаждения и относительно невысокий КПД модуля.