], область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, систем и машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. Термин «Мехатроника» (англ. «Mechatronics», нем. «Mechatronik») был введён японской фирмой « Yaskawa Electric Corp. » в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Отметим, что в отечественной технической литературе ещё в 1950-х гг. использовался подобным же образом образованный термин – «механотроны» (электронные лампы с подвижными электродами, которые применялись в качестве датчиков вибраций и т. п.). Мехатронные технологии включают проектно-конструкторские, производственные, информационные и организационно-экономические процессы, которые обеспечивают полный жизненный цикл мехатронных изделий.

Предмет и метод мехатроники

Главная задача мехатроники как направления современной науки и техники состоит в создании конкурентоспособных систем управления движением разнообразных механических объектов и интеллектуальных машин, которые обладают качественно новыми функциями и свойствами. Метод мехатроники заключается (при построении мехатронных систем) в системной интеграции и использовании знаний из ранее обособленных научных и инженерных областей. К их числу относятся прецизионная механика, электротехника, гидравлика, пневматика, информатика, микроэлектроника и компьютерное управление. Мехатронные системы строятся путём синергетической интеграции конструктивных модулей, технологий, энергетических и информационных процессов, начиная со стадии их проектирования и заканчивая производством и эксплуатацией.

В 1970–80-х гг. три базисных направления – оси мехатроники (точная механика, электроника и информатика) интегрировались попарно, образовав три гибридных направления (на рис. 1 показаны боковыми гранями пирамиды). Это электромеханика (объединение механических узлов с электротехническими изделиями и электронными блоками), компьютерные системы управления (аппаратно–программное объединение электронных и управляющих устройств), а также системы автоматизированного проектирования (САПР) механических систем. Затем – уже на стыке гибридных направлений – возникает мехатроника, становление которой как нового научно-технического направления начинается с 1990-х гг.

Элементы мехатронных модулей и машин имеют различную физическую природу (механические преобразователи движений, двигатели, информационные и электронные блоки, управляющие устройства), что определяет междисциплинарную научно-техническую проблематику мехатроники. Междисциплинарные задачи определяют и содержание образовательных программ по подготовке и повышению квалификации специалистов, которые ориентированы на системную интеграцию устройств и процессов в мехатронных системах.

Принципы построения и тенденции развития

Развитие мехатроники является приоритетным направлением современной науки и техники во всём мире. В нашей стране мехатронные технологии как основа построения роботов нового поколения включены в число критических технологий РФ.

К числу актуальных требований к мехатронным модулям и системам нового поколения следует отнести: выполнение качественно новых служебных и функциональных задач; интеллектуальное поведение в изменяющихся и неопределённых внешних средах на основе новых методов управления сложными системами; сверхвысокие скорости для достижения нового уровня производительности технологических комплексов; высокоточные движения с целью реализации новых прецизионных технологий, вплоть до микро- и нанотехнологий; компактность и миниатюризация конструкций на основе применения микромашин; повышение эффективности многокоординатных мехатронных систем на базе новых кинематических структур и конструктивных компоновок.

Построение мехатронных модулей и систем основывается на принципах параллельного проектирования (англ. – concurrent engineering), исключения многоступенчатых преобразований энергии и информации, конструктивного объединения механических узлов с цифровыми электронными блоками и управляющими контроллерами в единые модули.

Ключевым принципом проектирования является переход от сложных механических устройств к комбинированным решениям, основанным на тесном взаимодействии более простых механических элементов с электронными, компьютерными, информационными и интеллектуальными компонентами и технологиями. Компьютерные и интеллектуальные устройства придают мехатронной системе гибкость, поскольку их легко перепрограммировать под новую задачу, и они способны оптимизировать свойства системы при изменяющихся и неопределённых факторах, действующих со стороны внешней среды. Важно отметить, что за последние годы цена таких устройств постоянно снижается при одновременном расширении их функциональных возможностей.

Тенденции развития мехатроники связаны с появлением новых фундаментальных подходов и инженерных методов решения задач технической и технологической интеграции устройств различной физической природы. Компоновка нового поколения сложных мехатронных систем формируется из интеллектуальных модулей («кубиков мехатроники»), объединяющих в одном корпусе исполнительные и интеллектуальные элементы. Управление движением систем осуществляется с помощью информационных сред для поддержки решений мехатронных задач и специального программного обеспечения, реализующего методы компьютерного и интеллектуального управления.

Классификация мехатронных модулей по структурным признакам представлена на рис. 2.

Модуль движения – конструктивно и функционально самостоятельный электромеханический узел, включающий в себя механическую и электрическую (электротехническую) части, который можно использовать как сепаратный блок, так и в различных комбинациях с другими модулями. Главным отличием модуля движения от общепромышленного электропривода является использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразователя движения. Примерами модулей движения являются мотор-редуктор, мотор-колесо , мотор-барабан, электрошпиндель станка.

Мотор-редукторы являются исторически первыми по принципу своего построения мехатронными модулями, которые стали серийно выпускать, и до настоящего времени находят широкое применение в приводах различных машин и механизмов. В мотор-редукторе вал является конструктивно единым элементом для двигателя и преобразователя движения, что позволяет исключить традиционную соединительную муфту, добиваясь таким образом компактности; при этом существенно уменьшается количество присоединительных деталей, а также затраты на установку, отладку и запуск. В мотор-редукторах в качестве электродвигателей наиболее часто используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемым преобразователем частоты вращения вала, однофазные двигатели и двигатели постоянного тока. В качестве преобразователей движения применяются зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные, волновые и винтовые передачи. Для защиты от действия внезапных перегрузок устанавливают ограничители вращающего момента.

Мехатронный модуль движения – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя управляемый двигатель, механическое и информационное устройства (рис. 2). Как следует из данного определения, по сравнению с модулем движения, в состав мехатронного модуля движения дополнительно встроено информационное устройство. Информационное устройство включает датчики сигналов обратных связей, а также электронные блоки для обработки сигналов. Примерами таких датчиков могут служить фотоимпульсные датчики (энкодеры), оптические линейки, вращающиеся трансформаторы, датчики сил и моментов и т. д.

Важным этапом развития мехатронных модулей движения стали разработки модулей типа «двигатель-рабочий орган». Такие конструктивные модули имеют особое значение для технологических мехатронных систем, целью движения которых является реализация целенаправленного воздействия рабочего органа на объект работ. Мехатронные модули движения типа «двигатель-рабочий орган» широко применяют в станках под названием мотор-шпиндели.

Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, построенное путём синергетической интеграции двигательной, механической, информационной, электронной и управляющей частей.

Таким образом, по сравнению с мехатронными модулями движения, в конструкцию ИММ дополнительно встраиваются управляющие и силовые электронные устройства, что придаёт этим модулям интеллектуальные свойства (рис. 2). К группе таких устройств можно отнести цифровые вычислительные устройства (микропроцессоры, сигнальные процессоры и т. п.), электронные силовые преобразователи, устройства сопряжения и связи.

Применение интеллектуальных мехатронных модулей даёт мехатронным системам и комплексам ряд принципиальных преимуществ: способность ИММ выполнять сложные движения самостоятельно, без обращения к верхнему уровню управления, что повышает автономность модулей, гибкость и живучесть мехатронных систем, работающих в изменяющихся и неопределённых условиях внешней среды; упрощение коммуникаций между модулями и центральным устройством управления (вплоть до перехода к беспроводным коммуникациям), что позволяет добиваться повышенной помехозащищённости мехатронной системы и ее способности к быстрой реконфигурации; повышение надёжности и безопасности мехатронных систем благодаря компьютерной диагностике неисправностей и автоматической защите в аварийных и нештатных режимах работы; создание на основе ИММ распределённых систем управления с применением сетевых методов, аппаратно-программных платформ на базе персональных компьютеров и соответствующего программного обеспечения; использование современных методов теории управления (адаптивных, интеллектуальных, оптимальных) непосредственно на исполнительном уровне, что существенно повышает качество процессов управления в конкретных реализациях; интеллектуализация силовых преобразователей, входящих в состав ИММ, для реализации непосредственно в мехатронном модуле интеллектуальных функций по управлению движением, защите модуля в аварийных режимах и диагностики неисправностей; интеллектуализация сенсоров для мехатронных модулей позволяет добиться более высокой точности измерения, программным путём обеспечив в самом сенсорном модуле фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характеристик вход/выход, компенсацию перекрёстных связей, гистерезиса и дрейфа нуля.

Мехатронные системы

Мехатронные системы и модули вошли как в профессиональную деятельность, так и в повседневную жизнь современного человека. Сегодня они находят широкое применение в самых различных областях: автомобилестроение (автоматические коробки передач, антиблокировочные устройства тормозов, приводные модули «мотор-колесо», системы автоматической парковки); промышленная и сервисная робототехника (мобильные, медицинские, домашние и другие роботы); периферийные устройства компьютеров и офисная техника: принтеры, сканеры, CD-дисководы, копировальные и факсимильные аппараты; производственное, технологическое и измерительное оборудование; домашняя бытовая техника: стиральные, швейные, посудомоечные машины и автономные пылесосы; медицинские системы (например, оборудование для робото-ассистированной хирургии, коляски и протезы для инвалидов) и спортивные тренажёры; авиационная, космическая и военная техника; микросистемы для медицины и биотехнологии; лифтовое и складское оборудование, автоматические двери в отелях аэропортах, вагонах метро и поездов; транспортные устройства (электромобили, электровелосипеды, инвалидные коляски); фото- и видеотехника (проигрыватели видеодисков, устройства фокусировки видеокамер); движущиеся устройства для шоу-индустрии.

Выбор кинематической структуры является важнейшей задачей при концептуальном проектировании машин нового поколения. Эффективность её решения во многом определяет главные технические характеристики системы, её динамические, скоростные и точностные параметры.

Именно мехатроника дала новые идеи и методы для проектирования движущихся систем с качественно новыми свойствами. Эффективным примером такого решения стало создание машин с параллельной кинематикой (МПК) (рис. 3).

В основе их конструктивной схемы лежит обычно платформа Гью-Стюарта (разновидность параллельного манипулятора, имеющая 6 степеней свободы; используется октаэдральная компоновка стоек). Машина состоит из неподвижного основания и подвижной платформы, которые соединены между собой несколькими стержнями с управляемой длиной. Стержни соединены с основанием и платформой кинематическими парами, которые имеют соответственно две и три степени подвижности. На подвижной платформе устанавливается рабочий орган (например, инструментальная или измерительная головка). Программно регулируя длины стержней с помощью приводов линейного перемещения, можно управлять перемещениями и ориентацией подвижной платформы и рабочего органа в пространстве. Для универсальных машин, где требуется перемещение рабочего органа как твёрдого тела по шести степеням свободы, необходимо иметь шесть стержней. В мировой литературе такие машины называются «гексаподы» (от греч. ἔ ξ – шесть).

Основными преимуществами машин с параллельной кинематикой являются: высокая точность исполнения движений; высокие скорости и ускорения рабочего органа; отсутствие традиционных направляющих и станины (в качестве несущих элементов конструкции используются приводные механизмы), отсюда и улучшенные массогабаритные параметры, и низкая материалоёмкость; высокая степень унификации мехатронных узлов, обеспечивающая технологичность изготовления и сборки машины и конструктивную гибкость.

Повышенные точностные показатели МПК обусловлены следующими ключевыми факторами:

в гексаподах, в отличие от кинематических схем с последовательной цепью звеньев, не происходит суперпозиции (наложения) погрешностей позиционирования звеньев при переходе от базы к рабочему органу;

стержневые механизмы обладают высокой жесткостью, так как стержни не подвержены изгибающим моментам и работают только на растяжение-сжатие;

применяются прецизионные датчики обратной связи и измерительные системы (например, лазерные), а также используются компьютерные методы коррекции перемещений рабочего органа.

Благодаря повышенной точности МПК могут применяться не только как обрабатывающее оборудование, но и в качестве измерительных машин. Высокая жёсткость МПК позволяет применять их на силовых технологических операциях. Так, на рис. 4 показан пример гексапода, выполняющего гибочные операции в составе технологического комплекса «HexaBend» для производства сложных профилей и труб.

Компьютерное и интеллектуальное управление в мехатронике

Применение ЭВМ и микроконтроллеров, реализующих компьютерное управление движением разнообразных объектов, является характерной особенностью мехатронных устройств и систем. Сигналы от разнообразных датчиков, несущие информацию о состоянии компонентов мехатронной системы и приложенных к этой системе воздействий, поступают в управляющую ЭВМ. Компьютер перерабатывает информацию в соответствии с заложенными в него алгоритмами цифрового управления и формирует управляющие воздействия на исполнительные элементы системы.

Компьютеру отводится ведущая роль в мехатронной системе, поскольку компьютерное управление даёт возможность достичь высокой точности и производительности, реализовать сложные и эффективные алгоритмы управления, учитывающие нелинейные характеристики объектов управления, изменения их параметров и влияние внешних факторов. Благодаря этому мехатронные системы приобретают новые качества при увеличении долговечности и снижении размеров, массы и стоимости таких систем. Достижение нового, более высокого уровня качества систем благодаря возможности реализации высокоэффективных и сложных законов компьютерного управления позволяет говорить о мехатронике как о возникающей компьютерной парадигме современного развития технической кибернетики.

Характерным примером мехатронной системы с компьютерным управлением является прецизионный следящий привод на основе бесконтактной многофазной электрической машины переменного тока с векторным управлением. Наличие группы датчиков, в том числе высокоточного датчика положения вала двигателя, цифровых методов обработки информации, компьютерной реализации законов управления, преобразований, основанных на использовании математической модели электрической машины, и быстродействующего контроллера позволяет построить прецизионный быстродействующий привод, обладающий сроком службы до 30–50 тысяч часов и более.

Компьютерное управление оказывается весьма эффективным при построении многокоординатных нелинейных мехатронных систем. В этом случае ЭВМ анализирует данные о состоянии всех компонентов и внешних воздействиях, производит вычисления и формирует управляющие воздействия на исполнительные компоненты системы с учётом особенностей её математической модели. В результате достигается высокое качество управления согласованным многокоординатным движением, например, рабочего органа мехатронной технологической машины или мобильного робота.

Особую роль в мехатронике играет интеллектуальное управление, которое является более высокой ступенью развития компьютерного управления и реализует различные технологии искусственного интеллекта. Они дают возможность мехатронной системе воспроизводить в той или иной мере интеллектуальные способности человека и на этой основе принимать решения о рациональных действиях для достижения цели управления. Наиболее эффективными технологиями интеллектуального управления в мехатронике являются технологии нечёткой логики, искусственных нейронных сетей и экспертных систем.

Применение интеллектуального управления даёт возможность обеспечить высокую эффективность функционирования мехатронных систем при отсутствии подробной математической модели объекта управления, при действии различных неопределённых факторов и при опасности возникновения непредвиденных ситуаций в работе системы.

Преимущество интеллектуального управления мехатронными системами состоит и в том, что часто для построения таких систем не требуются их подробная математическая модель и знание законов изменения действующих на них внешних воздействий, а управление строится на основе опыта действий высококвалифицированных специалистов-экспертов.

Мехатронные модули находят все более широкое применение в различных транспортных системах.

Современный автомобиль в целом является мехатронной системой, включающей в себя механику, электронику, различные датчики, бортовой компьютер, который отслеживает и регулирует деятельность всех систем автомобиля, информирует пользователя и доводит управление от пользователя до всех систем. Автомобилестроение на современном этапе своего развития является одной из самых перспективных областей внедрения мехатронных систем в силу повышенного спроса и возрастающей автомобилизации населения, а также благодаря наличию конкурентной борьбы между отдельными производителями.

Если классифицировать современный автомобиль по принципу управления, он относится к антропоморфным устройствам, т.к. его движение контролируется человеком. Уже сейчас можно сказать, что в обозримом будущем автомобилестроения нужно ожидать появление автомобилей с возможностью автономного управления, т.е. с интеллектуальной системой управления движением.

Жесткая конкуренция на автомобильном рынке вынуждает специалистов в этой области к поиску новых передовых технологий. На сегодняшний день, одной из главных проблем для разработчиков заключается в создании «умных» электронных устройств, способных сократить число дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Итогом работы в этой области стало создание системы комплексной безопасности автомобиля (СКБА), которая способна автоматически поддерживать заданную дистанцию, останавливать машину при красном сигнале светофора, предупреждать водителя о том, что он преодолевает поворот на скорости, более высокой, чем это допустимо законами физики. Были разработаны даже датчики удара с радиосигнализатором, который при наезде автомобиля на препятствие или столкновении вызывает машину скорой помощи.

Все эти электронные устройства предотвращения ДТП делятся на две категории. Первая включает приборы в автомобиле, действующие независимо от каких-либо сигналов внешних источников информации (других автомобилей, инфраструктуры). Они обрабатывают информацию, поступающую от бортового радиолокатора (радара). Вторая категория - системы, действие которых основано на данных, полученных от источников информации, расположенных вблизи дороги, в частности от маяков, которые собирают сведения о дорожной обстановке и передают их посредством инфракрасных лучей в проезжающие автомобили.

СКБА объединила новое поколение перечисленных выше устройств. Она принимает как сигналы радара, так и инфракрасные лучи «думающих» маяков, а в дополнение к основным функциям обеспечивает безостановочное и спокойное для водителя движение на нерегулируемых пересечениях дорог и улиц, ограничивает скорость движения на поворотах и в жилых районах пределами установленных скоростных лимитов. Как все автономные системы, СКБА требует, чтобы автомобиль был оборудован антиблокировочной системой тормозов (АБС) и автоматической коробкой передач.

СКБА включает лазерный дальномер, постоянно измеряющий расстояние между автомобилем и любым препятствием по ходу - движущимся или неподвижным. Если наезд вероятен, а водитель не замедляет скорость, микропроцессор дает команду сбросить давление на педаль акселератора, включить тормоза. Небольшой экран на панели приборов вспыхивает предупреждением об опасности. По желанию водителя бортовой компьютер может устанавливать безопасную дистанцию в зависимости от дорожного покрытия - влажного или сухого.

СКБА (рис.5.22) способна управлять автомобилем, ориентируясь на белые линии разметки дорожного покрытия. Но для этого необходимо, чтобы они были четкими, поскольку постоянно «считываются» находящейся на борту видеокамерой. Обработка изображения затем определяет положение машины относительно линий, а электронная система в соответствии с этим воздействует на рулевое управление.

Бортовые приемники инфракрасных лучей СКБА действуют при наличии передатчиков, размещенных через определенные интервалы вдоль проезжей дороги. Лучи распространяются прямолинейно и на небольшое расстояние (примерно до 120 м), а данные, передаваемые закодированными сигналами, невозможно ни заглушить, ни исказить.

Рис. 5.22. Система комплексной безопасности автомобиля: 1 - приемник инфракрасных лучей; 2 - датчик погоды (дождь, влажность); 3 - привод дроссельной заслонки системы питания; 4 - компьютер; 5 - вспомогательный электроклапан в приводе тормозов; 6 - АБС; 7 - дальномер; 8 - автоматическая коробка передач; 9 - датчик скорости автомобиля; 10 - вспомогательным электроклапан рулевого управления; 11 - датчик акселератора; 12 - датчик рулевого управления; 13 - стол-сигнал; 14 - компьютер электронного видения; 15 - телевизионная камера; 16 - экран.

На рис. 5.23 представлен датчик погоды фирмы «Boch». В зависимости от модели внутрь помещают инфракрасный светодиод и один - три фотоприемника. Светодиод испускает невидимый луч под острым углом к поверхности ветрового стекла. Если на улице сухо, весь свет отражается обратно и попадает на фотоприемник (так рассчитана оптическая система). Поскольку луч модулирован импульсами, то на посторонний свет датчик не среагирует. Но если на стекле есть капли или слой воды, условия преломления изменяются, и часть света уходит в пространство. Это фиксируется сенсором, и контроллер рассчитывает подходящий режим работы стеклоочистителя. Попутно данный прибор может закрыть электролюк в крыше, поднять стекла. Датчик имеет еще 2 фотоприемника, которые интегрированы в общий корпус с датчиком погоды. Первый предназначен для автоматического включения фар, когда смеркается или автомобиль въезжает в тоннель. Второй, переключает «дальний» и «ближний» свет. Задействованы ли эти функции, зависит, от конкретной модели автомобиля.

Рис.5.23. Принцип работы датчика погоды

Антиблокировочные тормозные системы (АБС), ее необходимые компоненты - датчики скорости колеса, электронный процессор (блок управления), сервоклапаны, гидравлический насос с электрическим приводом и аккумулятор давления. Некоторые ранние АБС были “трехканальные”, т.е. управляли передними тормозными механизмами индивидуально, но растормаживали полностью все задние тормозные механизмы при начале блокирования любого из задних колес. Это экономило некоторое количество стоимости и усложнения конструкции, но дало более низкую эффективность по сравнению с полной четырехканальной системой, в которой каждый тормозной механизм управляется индивидуально.

АБС имеет много общего с противобуксовочной системой (ПБС), чье действие могло бы рассматриваться как “АБС наоборот”, так как ПБС работает по принципу обнаружения момента начала быстрого вращения одного из колес по сравнению с другим (момента начала пробуксовывания) и подачи сигнала на притормаживание этого колеса. Датчики скорости колеса могут быть общими, и поэтому наиболее эффективный способ предотвращать пробуксовку ведущего колеса уменьшением его скорости состоит в том, чтобы применить мгновенное (и если необходимо, повторное) действие тормоза, тормозные импульсы могут быть получены от блока клапанов АБС. В действительности, если присутствует АБС, это все, что требуется, чтобы обеспечить и ПБС - плюс некоторое дополнительное программное обеспечение и дополнительный блок управления, чтобы уменьшить при необходимости крутящий момент двигателя или сократить количество подводимого топлива, или осуществить прямое вмешательство в систему управления педалью газа.

На рис. 5.24 представлена схема электронной системы питания автомобиля: 1 - реле зажигания; 2 - центральный переключатель; 3 - аккумуляторная батарея; 4 - нейтрализатор отработавших газов; 5 - датчик кислорода; 6 - воздушный фильтр; 7 - датчик массового расхода воздуха; 8 - колодка диагностики; 9 - регулятор холостого хода; 10 - датчик положения дроссельной заслонки; 11 - дроссельный патрубок; 12 - модуль зажигания; 13 - датчик фаз; 14 - форсунка; 15 - регулятор давления топлива; 16 - датчик температуры ОЖ; 17 - свеча; 18 - датчик положения коленвала; 19 - датчик детонации; 20 - топливный фильтр; 21 - контроллер; 22 - датчик скорости; 23 - топливный насос; 24 - реле включения топливного насоса; 25 - бензобак.

Рис. 5.24. Упрощенная схема системы впрыска

Одной из составных частей СКБА является подушка безопасности (см. рис.5.25.), элементы которой размещены в разных частях автомобиля. Инерционные датчики, находящиеся в бампере, у моторного щита, в стойках или в районе подлокотника (в зависимости от модели автомобиля), в случае аварии посылают сигнал на электронный блок управления. В большинстве современных СКБА фронтальные датчики рассчитаны на силу удара на скорости от 50 км/ч. Боковые срабатывают при более слабых ударах. От электронного блока управления сигнал следует на основной модуль, который состоит из компактно уложенной подушки, соединенной с газогенератором. Последний представляет собой таблетку диаметром около 10 см и толщиной около 1 см с кристаллическим азотгенерирующим веществом. Электрический импульс поджигает в «таблетке» пиропатрон или плавит проволоку, и кристаллы со скоростью взрыва превращаются в газ. Весь описанный процесс происходит очень быстро. «Средняя» подушка наполняется за 25 мс. Поверхность подушки европейского стандарта мчится навстречу грудной клетке и лицу со скоростью около 200 км/ч, а американского - около 300. Поэтому в машинах, оборудованных подушкой безопасности, производители настоятельно советуют пристегиваться и не сидеть вплотную к рулю или торпедо. В наиболее «продвинутых» системах есть устройства, идентифицирующие наличие пассажира или детского кресла и, соответственно, либо отключающие, либо корректирующие степень надувания.

Рис.5.25 Автомобильная подушка безопасности:

1 - натяжное устройство ремня безопасности; 2 - надувная подушка безопасности; 3 - надувная подушка безопасности; для водителя; 4 – блок управления и центральный датчик; 5 – исполнительный модуль; 6 – инерционные датчики

Более подробно с современной автомобильной МС можно ознакомиться в пособии .

Помимо обычных автомобилей большое внимание уделяется созданию легких транспортных средств (ЛТС) с электроприводом (иногда их называют нетрадиционными). К этой группе транспортных средств относятся электровелосипеды, роллеры, инвалидные коляски, электромобили с автономными источниками питания. Разработку таких мехатронных систем ведет Научно-инженерный центр "Мехатроника" в кооперации с рядом организаций. ЛТС являются альтернативой транспорту с двигателями внутреннего сгорания и используются в настоящее время в экологически чистых зонах (лечебно-оздоровительных, туристических, выставочных, парковых комплексах), а также в торговых и складских помещениях. Техническая характеристика опытного образца электровелосипеда:

Максимальная скорость 20 км/час,

Номинальная мощность привода 160 Вт,

Номинальная частота вращения 160 об/мин,

Максимальный крутящий момент 18 Нм,

Масса двигателя 4.7 кг,

Аккумуляторная батарея 36В, 6 А*ч,

Движение в автономном режиме 20 км.

Основой для создания ЛТС являются мехатронные модули типа "мотор-колесо" на базе, как правило, высокомоментных электродвигателей.

Морской транспорт. МС находят все более широкое применение для интенсификации труда экипажей морских и речных судов, связанных с автоматизацией и механизацией основных технических средств, к которым относятся главная энергетическая установка с обслуживающими системами и вспомогательными механизмами, электроэнергетическая система, общесудовые системы, рулевые устройства и двигатели.

Комплексные автоматические системы удержания судна на заданной траектории (СУЗТ) или судна, предназначенного для исследования Мирового океана, на заданной линии профиля (СУЗП) относятся к системам, обеспечивающим третий уровень автоматизации управления. Применение таких систем позволяет:

Повысить экономическую эффективность морских транспортных перевозок за счет реализации наилучшей траектории, движения судна с учетом навигационных и гидрометеорологических условий плавания;

Повысить экономическую эффективность океанографических, гидрографических и морских геологоразведочных работ за счет увеличения точности удержания судна на заданной линии профиля, расширения диапазона ветроволновых возмущений, при которых обеспечивается требуемое качество управления, и увеличения рабочей скорости судна;

Решать задачи реализации оптимальной траектории движения судна при расхождении с опасными объектами; повысить безопасность мореплавания вблизи навигационных опасностей за счет более точного управления движением судна.

Комплексные автоматические системы управления движением по заданной программе геофизических исследований (АСУД) предназначены для автоматического выведения судна на заданную линию профиля, автоматического удержания геолого-геофизического судна на исследуемой линии профиля, маневрирования при переходах с одной линии профиля на другую. Рассматриваемая система позволяет повысить эффективность и качество морских геофизических исследований.

В морских условиях невозможно применение обычных методов предварительной разведки (поисковая партия или детальная аэрофотосъемка), поэтому наиболее широкое распространение получил сейсмический метод геофизических исследований (рис. 5.26). Геофизическое судно 1 буксирует на кабель-тросе 2 пневматическую пушку 3, являющуюся источником сейсмических колебаний, сейсмографную косу 4, на которой размещены приемники отраженных сейсмических колебаний, и концевой буй 5. Профили дна определяют посредством регистрации интенсивности сейсмических колебаний, отраженных от пограничных слоев 6 различных пород.

Рис.5.26. Схема проведения геофизических исследований.

Для получения достоверной геофизической информации судно должно удерживаться на заданном положении относительно дна (линии профиля) с высокой точностью, несмотря на малую скорость движения (3-5 уз) и наличие буксируемых устройств значительной длины (до 3 км) с ограниченной механической прочностью.

Фирмой «Анжутц» разработана комплексированная МС, обеспечивающая удержание судна на заданной траектории. На рис. 5.27 представлена структурная схема этой системы, в которую входят: гирокомпас 1; лаг 2; приборы навигационных комплексов, определяющих положение судна (два и более) 3; авторулевой 4; мини-ЭВМ 5 (5а - интерфейс, 5б - центральное запоминающее устройство, 5в - центральный процессорный блок); считыватель перфоленты 6; графопостроитель 7; дисплей 8; клавиатура 9; рулевая машина 10.

С помощью рассматриваемой системы можно автоматически вывести судно на запрограммированную траекторию, которая задается оператором с помощью клавиатуры, определяющей географические координаты точек поворота. В этой системе независимо от информации, поступающей от какой-либо одной группы приборов традиционного радионавигационного комплекса или устройств спутниковой связи, определяющей положение судна, вычисляются координаты вероятного положения судна по данным, выдаваемым гирокомпасом и лагом.

Рис.5.27. Структурная схема комплексированной МС удержания судна на заданной траектории

Управление курсом с помощью рассматриваемой системы осуществляется авторулевым, на вход которого поступает информация о величине заданного курса ψзад, формируемая мини-ЭВМ с учетом ошибки по положению судна. Система собрана в пульте управления. В верхней его части размещен дисплей с органами настройки оптимального изображения. Ниже, на наклонном поле пульта, расположен авторулевой с рукоятками управления. На горизонтальном поле пульта находится клавиатура, при помощи которой осуществляется ввод программ в мини-ЭВМ. Здесь же размещен переключатель, с помощью которого производится выбор режима управления. В цокольной части пульта расположены мини-ЭВМ и интерфейс. Вся периферийная аппаратура размещается на специальных подставках или других пультах. Рассматриваемая система может работать в трех режимах: «Курс», «Монитор» и «Программа». В режиме «Курс» осуществляется удержание заданного курса с помощью авторулевого по показаниям гирокомпаса. Режим «Монитор» выбирается тогда, когда готовится переход на режим «Программа», когда этот режим прерывается или когда переход по данному режиму закончен. На режим «Курс» переходят, когда обнаруживаются неисправности мини-ЭВМ, источников питания или радионавигационного комплекса. В этом режиме авторулевой работает независимо от мини-ЭВМ. В режиме «Программа» происходит управление курсом по данным радионавигационных приборов (датчиков положения) или гирокомпаса.

Обслуживание системы удержания судна на ЗТ осуществляется оператором с пульта. Выбор группы датчиков для определения положения судна производится оператором по рекомендациям, представленным на экране дисплея. В нижней части экрана приводится список всех разрешенных для данного режима команд, которые могут вводиться с помощью клавиатуры. Случайное нажатие какой-либо запрещенной клавиши блокируется ЭВМ.

Авиационная техника. Успехи, достигнутые в развитии авиационной и космической техники с одной стороны и необходимость снижения стоимости целевых операций с другой, стимулировали разработки нового вида техники – дистанционно пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА) .

На рис. 5.28 представлена структурная схема системы дистанционного управления полетом ДПЛА - HIMAT. Основной компонентой системы дистанционного пилотирования HIMAT является наземный пункт дистанционного управления. Параметры полета ДПЛА поступают в наземный пункт по линии радиосвязи от летательного аппарата, принимаются и декодируются станцией обработки телеметрии и передаются в наземную часть вычислительной системы, а также на приборы индикации информации в наземном пункте управления. Кроме этого, с борта ДПЛА поступает отображаемая с помощью телевизионной камеры картина внешнего обзора. Телевизионное изображение, высвечиваемое на экране наземного рабочего места человека-оператора, используется для управления летательным аппаратом при воздушных маневрах, заходе на посадку и при самой посадке. Кабина наземного пункта дистанционного управления (рабочее место оператора) оборудована приборами, обеспечивающими индикацию информации о полете и состоянии аппаратуры комплекса ДПЛА, а также средствами для управления летательным аппаратом. В частности, в распоряжении человека-оператора имеются ручки и педали управления летательным аппаратом по крену и тангажу, а также ручка управления двигателем. При выходе из строя основной системы управления подача команд системы управления происходит посредством специального пульта дискретных команд оператора ДПЛА.

Рис.5.28. Система дистанционного пилотирования ДПЛА HIMAT:

носитель В-52; 2 – резервная система управления на самолете TF-104G; 3 – линия телеметрической связи с землей; 4 - ДПЛА HIMAT; 5 – линии телеметрической связи с ДПЛА; 5 – наземный пункт дистационного пилотирования

В качестве автономной навигационной системы, обеспечивающей счисление пути, используются доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса (ДПСС). Такая навигационная система используется совместно с курсовой системой, измеряющей курс датчиком вертикали, формирующим сигналы крена и тангажа, и бортовой ЭВМ, реализующей алгоритм счисления пути. В совокупности эти устройства образуют доплеровскую навигационную систему (см. рис.5.29). Что бы повысить надежность и точность измерения текущих координат летательного аппарата, ДИСС может объединяться с измерителями скорости

Рис.5.29. Схема доплеровской навигационной системы

Миниатюризация электронных элементов, создание и серийный выпуск специальных типов датчиков и индикаторных устройств, надежно работающих в тяжёлых условиях, а также резкое удешевление микропроцессоров (в том числе и специально предназначенных для автомобилей) создали условия для превращения транспортных средств в МС довольно высокого уровня.

Высокоскоростной наземный транспорт на магнитном подвесе является наглядным примером современной мехатронной системы. Пока единственная в мире коммерческая транспортная система такого рода введена в эксплуатацию в Китае в сентябре 2002 г. и соединяет международный аэропорт Пудонг с центром города Шанхай. Система была разработана, изготовлена и испытана в Германии, после чего вагоны поезда были переправлены в Китай. Направляющий путь, расположенный на высокой эстакаде, изготавливался на месте в Китае. Поезд разгоняется до скорости 430 км/ч и пролетает путь длиной 34 км за 7 минут (максимальная скорость может достигать 600 км/ч). Поезд парит над направляющим путем, трение о путь отсутствует, и основное сопротивление движению оказывает воздух. Поэтому поезду придана аэродинамическая форма, стыки между вагонами закрыты (рис.5.30).

Чтобы в случае аварийного отключения электропитания поезд не упал на направляющий путь, в нем предусмотрены мощные аккумуляторные батареи, энергии которых достаточно для плавной остановки поезда.

С помощью электромагнитов расстояние между поездом и направляющим путем (15 мм) во время движения выдерживается с точностью до 2 мм, что позволяет полностью исключить вибрацию вагонов даже на максимальной скорости. Количество и параметры поддерживающих магнитов является коммерческой тайной.

Рис. 5.30. Поезд на магнитном подвесе

Транспортная система на магнитном подвесе полностью управляется компьютером, так как на такой высокой скорости человек не успевает реагировать на возникающие ситуации. Компьютер управляет и разгоном-торможением поезда, учитывая также повороты пути, поэтому пассажиры не чувствуют дискомфорта при возникающих ускорениях.

Описанная транспортная система отличается высокой надежностью и небывалой четкостью выполнения расписания движения. За три первых года эксплуатации было перевезено свыше 8 миллионов пассажиров.

На сегодняшний день, лидерами в технологии маглев (используемое на Западе сокращение от слов «магнитная левитация») являются Япония и Германия. В Японии маглев поставил мировой рекорд скорости рельсового транспорта – 581 км/ч. Но дальше установления рекордов Япония пока не продвинулась, поезда курсируют лишь по экспериментальным линиям в префектуре Яманаси, общей протяжённостью около 19 км. В Германии развитием технологии маглев занимается компания Transrapid. Хотя в самой Германии коммерческая версия маглева не прижилась, поезда эксплуатируются на испытательном полигоне в Эмсланде компанией Transrapid, которая впервые в мире успешно реализовала коммерческую версию маглев в Китае.

В качестве примера уже существующих транспортных мехатронных систем (ТМС) с автономным управлением можно привести машину-робота компании VisLab и лаборатории машинного зрения и интеллектуальных систем университета Пармы.

Четыре машины-робота проделали беспрецедентный для автономных транспортных средств путь в 13 тысяч километров от итальянской Пармы до Шанхая. Этот эксперимент был призван стать жёстким тестом для интеллектуальной системы автономного вождения ТМС. Ее испытание проходило и в городском трафике, например, в Москве .

Машины-роботы были построены на базе микроавтобусов (рис.5.31). От обычных машин они отличались не только автономным управлением, но и чистой электротягой.

Рис. 5.31. Автомобиль с автономным управлением компании VisLab

На крыше ТМС были расположены солнечные батареи для питания критически важного оборудования: робототехнической системы, вращающей руль и жмущей на педали газа и тормоза, так и компьютерных компонентов машины. Остальную энергию поставляли электрические розетки по ходу путешествия.

Каждый автомобиль-робот был оснащён четырьмя лазерными сканерами спереди, двумя парами стереокамер, смотрящими вперёд и назад, тремя камерами, охватывающими 180-градусный сектор обзора в передней «полусфере» и системой спутниковой навигации, а также набором компьютеров и программ, позволяющих машине принимать решения в тех или иных ситуациях.

Еще один пример транспортной мехатронной системы с автономным управлением – это роботизированный электромобиль RoboCar MEV-C японского предприятия ZMP (рис.5.32).

Рис.5.32. Роботизированный электромобиль RoboCar MEV-C

Производитель позиционирует данную ТМС как машину для дальнейших передовых разработок. В состав устройства автономного управления входят следующие компоненты: стереокамера, 9-осный беспроводной датчик движения, GPS-модуль, сенсор температуры и влажности, лазерный дальномер, чипы Bluetooth, Wi-Fi и 3G, а также протокол CAN, который координирует совместную работу всех компонентов. Размеры RoboCar MEV-C составляют 2,3 x 1,0 x 1,6 м, он весит 310 кг.

Современным представителем транспортной мехатронной системы является трансскутер, относящийся к классу легких транспортных средств с электроприводом.

Трансскутеры – новая разновидность трансформируемых многофункциональных наземных транспортных средств индивидуального пользования с электроприводом, преимущественно предназначенных для лиц с ограниченными физическими возможностями (рис.5.33). Основной отличительной особенностью трансскутера от других наземных транспортных средств является возможность проходимости по лестничным маршам и реализации принципа многофункциональности, а значит, и трансформируемости в широком диапазоне.

Рис. 5.33. Внешний вид одного из образцов трансскутера семейства «Кенгуру»

Движитель трансскутера выполнен на базе мехатронного модуля типа «мотор-колесо». Функции и, соответственно, конфигурации, обеспечиваемые трансскутерами семейства «Кенгуру», следующие (рис.5.34):

- «Скутер» – движение с большой скоростью на длинной базе;

- «Кресло» – маневрирование на короткой базе;

- «Баланс» – движение стоя в режиме гиростабилизации на двух колесах;

- «Компакт-вертикаль» – движение стоя на трёх колесах в режиме гиростабилизации;

- «Поребрик» – преодоление поребрика сходу стоя или сидя (отдельные модели имеют дополнительную функцию «Косой поребрик» – преодоление поребрика под углом до 8 градусов);

- «Лестница вверх» – подъём по ступеням лестницы передним ходом, сидя или стоя;

- «Лестница вниз» – спуск по ступеням лестницы передним ходом, сидя;

- «За столом» – низкая посадка, ноги на полу.

Рис. 5.34. Основные конфигурации трансскутера на примере одного из вариантов его исполнения

В составе трансскутера в среднем 10 компактных высокомоментных электроприводов с микропроцессорным управлением. Все приводы однотипные – вентильные двигатели постоянного тока, управляемые по сигналам с датчиков Холла.

Для управления такими аппаратами используется многофункциональная микропроцессорная система управления (СУ) с бортовым компьютером. Архитектура системы управления трансскутером является двухуровневой. Нижний уровень – обслуживание непосредственно самого привода, верхний уровень – согласованная работа приводов по заданной программе (алгоритму), тестирование и контроль работы системы и датчиков; внешний интерфейс - удалённый доступ. В качестве контроллера верхнего уровня (бортового компьютера) используется PCM-3350 фирмы Advantech, выполненный в формате PC/104. В качестве контроллера нижнего уровня – специализированный микроконтроллер TMS320F2406 фирмы Texas Instruments для управления электродвигателями. Общее число контроллеров нижнего уровня, отвечающих за работу отдельных блоков, – 13: десять контроллеров управления приводами; контроллер рулевой головки, отвечающий также за индикацию выводимой информации на дисплей; контроллер определения остаточной ёмкости аккумуляторной батареи; контроллер заряда и разряда аккумуляторной батареи. Обмен данными между бортовым компьютером трансскутера и периферийными контроллерами поддерживается по общей шине с CAN-интерфейсом, что позволяет минимизировать количество проводников и достичь реальной скорости передачи данных 1 Мбит/с.

Задачи бортового компьютера: управление электроприводами, обслуживание команд от рулевой головки; расчет и вывод на индикацию остаточного заряда аккумуляторной батареи; решение траекторной задачи для передвижения по лестнице; возможность удалённого доступа. Посредством бортового компьютера реализуются следующие отдельные программы:

Разгона и торможения скутера с управляемым ускорением/замедлением, которое персонально адаптируется для пользователя;

Программа, реализующая алгоритм работы задних колёс при поворотах;

Продольной и поперечной гиростабилизации;

Преодоления поребрика вверх и вниз;

Движения по лестнице вверх и вниз,

Адаптации к размерам ступенек;

Идентификации параметров лестницы;

Изменения колесной базы (от 450 до 850 мм);

Мониторинга датчиков скутера, блоков управления приводами, аккумуляторной батареи;

Эмуляции на основе показаний датчиков работы парковочного радара;

Удалённого доступа к управляющим программам, изменения параметров настройки через Интернет.

Трансскутер имеет в своём составе 54 датчика, позволяющих ему приспособиться к окружающей среде. Среди них: датчики Холла, встроенные в вентильные электродвигатели; абсолютные датчики угла, определяющие положение составных частей трансскутера; резистивный датчик поворота руля; инфракрасный датчик расстояния для парковочного радара; инклинометр, позволяющий определять наклон скутера при движении; акселерометр и датчик угловой скорости, служащие для управления гиростабилизацией; радиочастотный приёмник для дистанционного управления; резистивный датчик линейного перемещения для определения положения кресла относительно рамы; шунты для измерения тока двигателей и остаточной ёмкости аккумулятора; потенциометрический задатчик скорости движения; тензометрический датчик веса для контроля развесовки аппарата.

Общая блок-схема СУ представлена на рис.5.35.

Рис. 5.35. Блок-схема СУ трансскутером семейства «Кенгуру»

Условные обозначения:

RMC – абсолютные датчики угла, ДХ – датчики Холла; БУ – блок управления; ЖКИ – жидкокристаллический индикатор; МКЛ – мотор-колесо левое; МКП – мотор-колесо правое; BMS – система управления питанием; LAN – порт для внешнего подключения бортового компьютера с целью программирования, настройки и т.п.; Т – тормоз электромагнитный.

Мехатроника возникла как комплексная наука от слияния отдельных частей механики и микроэлектроники. Её можно определить как науку, занимающуюся анализом и синтезом сложных систем, в которых в одинаковой степени используются механические и электронные управляющие устройства.

Все мехатронные системы автомобилей по функциональному назначению делят на три основные группы:

• - системы управления двигателем;
• - системы управления трансмиссией и ходовой частью;
• - системы управления оборудованием салона.

Система управления двигателем подразделяется на системы управления бензиновым и дизельным двигателем. По назначению они бывают монофункциональные и комплексные.

В монофункциональных системах ЭБУ подает сигналы только системе впрыска. Впрыск может осуществляться постоянно и импульсами. При постоянной подаче топлива его количество меняется за счет изменения давления в топливопроводе, а при импульсном - за счет продолжительности импульса и его частоты. На сегодня одним из наиболее перспективных направлений приложения систем мехатроники являются автомобили. Если рассматривать автомобилестроение, то внедрение подобных систем позволит прийти к достаточной гибкости производства, лучше улавливать веяния моды, быстрее внедрять передовые наработки ученых, конструкторов, и тем самым получать новое качество для покупателей машин. Сам автомобиль, тем более, современный автомобиль, является объектом пристального рассмотрения с конструкторской точки зрения. Современное использование автомобиля требует от него повышенных требований к безопасности управления, в силу все увеличивающейся автомобилизации стран и ужесточения нормативов по экологической чистоте. Особо это актуально для мегаполисов. Ответом на сегодняшние вызовы урбанизма и призваны конструкции мобильных следящих систем, контролирующих и корректирующих характеристики работы узлов и агрегатов, достигая оптимальных показателей по экологичности, безопасности, эксплуатационной комфортности автомобиля. Насущная необходимость комплектовать двигатели автомобилей более сложными и дорогими топливными системами во многом объясняется введением все более жестких требований по содержанию вредных веществ в отработавших газах, что, к сожалению, только начинает отрабатываться.

В комплексных системах один электронный блок управляет несколькими подсистемами: впрыска топлива, зажигания, фазами газораспределения, самодиагностики и др. Система электронного управления дизельным двигателем контролирует количество впрыскиваемого топлива, момент начала впрыска, ток факельной свечи и т.п. В электронной системе управления трансмиссией объектом регулирования является главным образом автоматическая трансмиссия. На основании сигналов датчиков угла открытия дроссельной заслонки и скорости автомобиля ЭБУ выбирает оптимальное передаточное число трансмиссии, что повышает топливную экономичность и управляемость. Управление ходовой частью включает в себя управление процессами движения, изменения траектории и торможения автомобиля. Они воздействуют на подвеску, рулевое управление и тормозную систему, обеспечивают поддержание заданной скорости движения. Управление оборудованием салона призвано повысить комфортабельность и потребительскую ценность автомобиля. С этой целью используются кондиционер воздуха, электронная панель приборов, мультифункцио-нальная информационная система, компас, фары, стеклоочиститель с прерывистым режимом работы, индикатор перегоревших ламп, устройство обнаружения препятствий при движении задним ходом, противоугонные устройства, аппаратура связи, центральная блокировка замков дверей, стекло- подъёмники, сиденья с изменяемым положением, режим безопасности и т. д.

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

Станкостроение и оборудование для автоматизации технологических

процессов;

Робототехника(промышленная и специальная);

Авиационная, космическая и военная техника;

Автомобилестроение(например, антиблокировочные системы тормозов,

системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

Нетрадиционные транспортные средства(электровелосипеды, грузовые

тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

Офисная техника(например, копировальные и факсимильные аппараты);

Элементы вычислительной техники(например, принтеры, плоттеры,

дисководы);

Медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);

Бытовая техника(стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины);

Микромашины(для медицины, биотехнологии, средств

телекоммуникации);

Контрольно-измерительные устройства и машины;

Фото- и видеотехника;

Тренажеры для подготовки пилотов и операторов;

Шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1.
Ю. В. Подураев «Основы мехатроники» Учебное пособие. Москва.- 2000г. 104 с.

2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Мехатроника

3.
http://mau.ejournal.ru/

4.
http://mechatronica-journal.stankin.ru/

Анализ структуры мехатронных систем мехатронных модулей

Учебное пособие

По дисциплине «Проектирование мехатронных систем»

по специальности 220401.65

«Мехатроника»

г.о. Тольятти 2010

Краснов С.В., Лысенко И.В. Проектирование мехатронных систем. Часть 2. Проектирование электромеханических модулей мехатронных систем

Аннотация. Учебное пособие включает сведения о составе мехатронной системы, месте электромехатронных модулей в мехатронных системах, о структуре электромехатронных модулей, их типах и особенностях, включает этапы и методы проектирования мехатронных систем. критерии расчета нагрузочных характеристик модулей, критерии выбора приводов и т.д.

1 Анализ структуры мехатронных систем мехатронных модулей 5

1.1 Анализ структуры мехатронной системы 5

1.2 Анализ оборудования приводов мехатронных модулей 12

1.3 Анализ и классификация электрических двигателей 15

1.4 Анализ структуры систем управления приводами 20

1.5 Технологии формирования управляющего сигнала. ШИМ модуляция и ПИД регулирование 28

1.6 Анализ приводов и систем числового управления станков 33

1.7 Энергетические и выходные механические преобразователи приводов мехатронных модулей 39

1.8 Датчики обратной связи приводов мехатронных модулей 44

2 Основные понятия и методологии проектирования мехатронных систем (МС) 48

2.1 Основные принципы проектирования мехатронных систем 48

2.2 Описание этапов проектирования МС 60

2.3 Изготовление (реализация) МС 79

2.4 Тестирование МС 79

2.5 Оценка качества МС 83

2.6 Документация к МС 86

2.7 Экономическая эффективность МС 87

2.8 Разработка мероприятий по обеспечению безопасных условий труда с электромеханическими модулями 88

3. Методы расчетов параметров и проектирование мехатронных модулей 91

3.1 Функциональное моделирование процесса проектирования мехатронного модуля 91

3.2 Этапы проектирования мехатронного модуля 91

3.3 Анализ критериев выбора двигателей мехатронных систем 91

3.4 Анализ основного математического аппарата расчета приводов 98

3.5 Расчет требуемой мощности и выбор ЭД подач 101

3.6 Управление двигателем постоянного тока по положению 110

3.7 Описание современных аппаратно-программных решений управления исполнительными элементами станков 121

Список источников и литературы 135

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

Мехатронная система – совокупность мехатронных модулей (компьютерного ядра, информационных устройств-датчиков, электромеханических (приводов двигателей), механичемских (исполнительные элементы – фрезы, руки робота и т.д.), программного обеспечения (специально – управляющие программы, системного – операционные системы и среды, драйверы).

Мехатронный модуль – отдельный блок мехатронной системы, совокупность аппаратно-программных средств, осуществляющих движение одного или нескольких исполнительных органов.

Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком на стадии проектирования, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка.

Методологическая основа разработки МС служат методы параллельного проектирования, то есть одновременного и взаимосвязанного при синтезе всех компонентов системы. Базовыми объектами являются мехатронные модули, которые выполняют движение, как правило, по одной координате. В мехатронных системах для обеспечения высокого качества реализации сложных и точных движений применяются методы интеллектуального управления (новые идеи в теории управления, современные аппараты вычислительной техники).

В состав традиционной мехатронной машины входят следующие основные компоненты:

Механические устройства, конечным звеном которого является рабочий орган;

Блок приводов, включающий силовые преобразователи и силовые двигатели;

Устройства компьютерного управления, уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ входящая в компьютерную сеть;

Сенсорные устройства, предназначенные для передачи устройству управления информации о фактическом состоянии блоков машины и движения мехатронной системы.

Таким образом, наличие трех обязательных частей: электромеханической, электронной, компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками является первичным признаком отличающим мехатронную систему.

Таким образом, для физической реализации мехатронной системы теоретически необходимы 4 основных функциональных блока, которые изображены на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 – Блок-схема мехатронной системы

Если работа основана на гидравлических, пневматических или комбинированных процессах, то необходимы соответствующие преобразователи и датчики обратной связи.

Мехатроника является научно-технической дисциплиной, которая изучает построение электромеханических систем нового поколения, обладающих принципиально новыми качествами и, часто, рекордными параметрами. Обычно мехатронная система является объединением собственно электромеханических компонентов с новейшей силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, ПК или других вычислительных устройств. При этом система в истинно мехатронном подходе, несмотря на использование стандартных компонентов, строится как можно более монолитно, конструкторы стараются объединить все части системы воедино без использования лишних интерфейсов между модулями. В частности, применяя встроенные непосредственно в микроконтроллеры АЦП, интеллектуальные силовые преобразователи и т. п. Это даёт сокращение массогабаритных показателей, повышение надёжности системы и другие преимущества. Любая система, управляющая группой приводов может считаться мехатронной. В частности, если она управляет группой реактивных двигателей космического аппарата.

Рисунок 1.2 – Состав мехатронной системы

Иногда система содержит принципиально новые с конструкторской точки зрения узлы, такие как электромагнитные подвесы, заменяющие обычные подшипниковые узлы.

Рассмотрим обобщенную структуру машин с компьютерным управлением, ориентированных на задачи автоматизированного машиностроения.

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 возмущающие воздействия на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.

Внешние среды укрупненно можно разделить на два основных класса: детерминированные и недетерминированные. К детерминированным относятся среды, для которых параметры возмущающих воздействий и характеристики объектов работ могут быть заранее определены с необходимой для проектирования МС степенью точности. Некоторые среды являются недерминированными по своей природе (например, экстремальные среды: подводные, подземные и т.п.). Характеристики технологических сред как правило могут быть определены с помощью аналитико-экспериментальных исследований и методов компьютерного моделирования. Например, для оценки сил резания при механообработке проводят серии экспериментов на специальных исследовательских установках, параметры вибрационных воздействий измеряют на вибростендах с последующим формированием математических и компьютерных моделей возмущающих воздействий на основе экспериментальных данных.

Однако для организации и проведения подобных исследований зачастую требуются слишком сложные и дорогостоящие аппаратура и измерительные технологии. Так для предварительной оценки силовых воздействий на рабочий орган при операции роботизированного удаления облоя с литых изделий необходимо измерять фактические форму и размеры каждой заготовки.

Рисунок 1.3 – Обобщенная схема мехатронной системы с компьютерным управлением движением

В таких случаях целесообразно применять методы адаптивного управления, которые позволяют автоматически корректировать закон движения МС непосредственно в ходе выполнения операции.

В состав традиционной машины входят следующие основные компоненты: механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган; блок приводов, включающий силовые преобразователи и исполнительные двигатели; устройство компьютерного управления, верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть; сенсоры, предназначенные для передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии блоков машины и движении МС.

Таким образом, наличие трех обязательных частей - механической (точнее электромеханической), электронной и компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками, является первичным признаком, отличающим мехатронные системы.

Электромеханическая часть включает механические звенья и передачи, рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнительные электротехнические элементы (тормоза, муфты). Механическое устройство предназначено для преобразования движений звеньев в требуемое движение рабочего органа. Электронная часть состоит из микроэлектронных устройств, силовых преобразователей и электроники измерительных цепей. Сенсоры предназначены для сбора данных о фактическом состоянии внешней среды и объектов работ, механического устройства и блока приводов с последующей первичной обработкой и передачей этой информации в устройство компьютерного управления (УКУ). В состав УКУ мехатронной системы обычно входят компьютер верхнего уровня и контроллеры управления движением.

Устройство компьютерного управления выполняет следующие основные функции:

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

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

Взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс в режимах автономного программирования (off-line) и непосредственно в процессе движения МС (режим on-line);

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 (реже гидравлическая или пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

Суть мехатронного подхода к проектированию состоит в интеграции в единый функциональный модуль двух или более элементов возможно даже различной физической природы. Другими словами, на стадии проектирования из традиционной структуры машины исключается как сепаратное устройство по крайней мере один интерфейс при сохранении физической сущности преобразования, выполняемого данным модулем.

В идеальном для пользователя варианте мехатронный модуль, получив на вход информацию о цели управления, будет выполнять с желаемыми показателями качества заданное функциональное движение. Аппаратное объединение элементов в единые конструктивные модули должно обязательно сопровождаться разработкой интегрированного программного обеспечения. Программные средства МС должны обеспечивать непосредственный переход от замысла системы через ее математическое моделирование к управлению функциональным движением в реальном времени.

Применение мехатронного подхода при создании машин с компьютерным управлением определяет их основные преимущества по сравнению с традиционными средствами автоматизации:

Относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

Высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;

Высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

Конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах),

Улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

Возможность комплексирования функциональных модулей в сложные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Классификация приводов исполнительных механизмов мехатронной системы показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Классификация приводов мехатронной системы

На рисунке 1.5 показана схема электромехатронного узла на базе привода.

Рисунок 1.5 – Схема электромехатронного узла

В различных областях техники широко распространены приводы, выполняющие силовые функции в системах управле­ния разнообразными объектами. Автоматизация технологичес­ких процессов и производств, в частности, в машиностроении невозможна без использования различных приводов, которые включают в себя: исполнительные механизмы, определяемые технологическим процессом, двигатели и систему управления двигателями. В приводах систем управления МС (технологи­ческих машин, машин - автоматов МА, ПР и т.д.) применяют значительно отличающиеся по физическим эффектам испол­нительные двигатели. Реализация таких физических эффек­тов как магнетизм (электродвигатели), гравитация в виде пре­образования гидравлических и воздушных потоков в механи­ческое движение, расширение среды (двигатели внутреннего сгорания, реактивные, паровые и пр.); электролиз (емкостные двигатели) в совокупности с новейшими достижениями в области микропроцессорной техники позволяет создавать современные приводные системы (ПС) с улучшенными технически­ми характеристиками. Связь силовых параметров привода (крутящий момент, усилие) с кинематическими параметрами (угловая скорость выходного вала, скорость линейного пере­мещения штока ИМ) определяется механическими характе­ристиками электро-, гидро-, пневмо- и других приводов, в совокупности или раздельно решающих задачи движения (ра­бочего, холостого хода) механической части МС (технологи­ческого оборудования). При этом, если требуется регулирова­ние выходных параметров машины (силовых, скоростных, энергетических), то механические характеристики двигате­лей (приводов) должны целесообразно видоизменяться в ре­зультате управления устройствами регулирования, например, уровня питающего напряжения, тока, давления, расхода жид­кости или газа.

Простота формирования механических движений непосред­ственно из электрической энергии в приводных системах с электрическим двигателем, т.е. в электромеханических систе­мах ЭМС, предопределяет ряд преимуществ такого привода перед гидравлическими и пневматическими приводами. В на­стоящее время электродвигатели постоянного и переменного тока выпускаются заводами-изготовителями от десятых долей ватта до десятков мегаватт, что позволяет обеспечить спрос на них (по требуемой мощности) как для применения в промыш­ленности, так и на многих видах транспорта, в быту.

Гидравлические приводы МС (технологического оборудова­ния и ПР) в сравнении с электроприводами, весьма широко применяются в транспортных, горных, строительных, дорож­ных, путевых, мелиоративных и сельскохозяйственных маши­нах, подъемно-транспортных механизмах, летательных и под­водных аппаратах. Они обладают существенным преимуще­ством перед электромеханическим приводом там, где требуют­ся значительные рабочие нагрузки при небольших габаритах, например, в тормозных системах или автоматических короб­ках передач автомобилей, ракетной и космической технике. Широкая применимость гидроприводов обусловлена тем, что напряженность рабочей среды в них значительно больше, чем напряженность рабочей среды в электродвигателях и в про­мышленных пневматических приводах. В реальных гидравли­ческих приводах напряженность рабочей среды в направлении передачи движения составляет 6-100 МПа при гибком управ­лении за счет регулирования потока жидкости гидравлически­ми устройствами, имеющими различное управление, в том числе и электронное. Компактность и малая инерционность гидропривода обеспечивают легкое и быстрое изменение на­правления движения ИМ, а применение электронной аппаратуры управления обеспечивает приемлемые переходные про­цессы и заданную стабилизацию выходных параметров.

Для автоматизации управления МС (различного технологи­ческого оборудования, машин-автоматов и ПР) широко исполь­зуют также пневматические приводы на базе пневмодвигателей для реализации как поступательных, так и вращательных дви­жений. Однако из-за существенного различия свойств рабочей среды пневмо- и гидроприводов их технические характеристики отличаются вследствие значительной сжимаемости газов в срав­нении со сжимаемостью капельной жидкости. При простоте конструкции, хороших экономических показателях и достаточ­ной надежности, но низких регулировочных свойствах, пневмоприводы не могут быть использованы в позиционных и контур­ных режимах работы, что несколько снижает привлекатель­ность их применения в МС (технических системах ТС).

Определить наиболее приемлемый вид энергии в приводе с возможно достижимой эффективностью использования его в процессе эксплуатации технологического или оборудо­вания другого назначения задача достаточно сложная и может иметь несколько решений. Прежде всего, каждый привод дол­жен удовлетворять своему служебному назначению, необходи­мым силовым и кинематическим характеристикам. Определяю­щими факторами при достижении требуемых силовых и кинема­тических характеристик, эргономических показателей разраба­тываемого привода могут быть: быстродействие привода, точ­ность позиционирования и качество управления, ограничения по массе и габаритным размерам, расположение привода в общей компоновке оборудования. Окончательное решение при сопоставимости определяющих факторов принимается по резуль­татам экономического сравнения различных вариантов выбран­ного вида привода по стартовым и эксплуатационным затратам на его проектирование, изготовление и эксплуатацию.

Таблица 1.1 - Классификация электродвигателей

К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению традиционными средствами автоматизации следует отнести:

Относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

Высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;

Высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

Конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации и микромашинах),

Улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

Возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

Станкостроение и оборудование для автоматизации технологических процессов;

Робототехника (промышленная и специальная);

Авиационная, космическая и военная техника;

Автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

Нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

Офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);

Элементы вычислительной техники (например, принтеры, плоттеры, дисководы);

Медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);

Бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины);

Микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и телекоммуникации);

Контрольно-измерительные устройства и машины;

Фото- и видеотехника;

Тренажеры для подготовки пилотов и операторов;

Шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).

Безусловно, этот список может быть расширен.

Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах как нового научно-технического направления обусловлено тремя основным факторами:

Новые тенденции мирового индустриального развития;

Развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиально новые технические и технологические решения);

Активность специалистов в научно-исследовательской и образовательной сферах.

Современный этап развития автоматизированного машиностроения в нашей стране происходит в новых экономических реалиях, когда стоит вопрос о технологической состоятельности страны и конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Можно выделить следующие тенденции изменения в ключевых требованиях мирового рынка в рассматриваемой области:

Необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества, сформулированных в стандартах ISO серии 9000 ;

Интернационализация рынка научно-технической продукции и, как следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов
международного инжиниринга и трансфера технологий;

Повышение роли малых и средних производственных предприятий в экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка;

Бурное развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникации (в странах ЕЭС в 2000 году 60% роста Совокупного Национального Продукта произошло именно за счет этих отраслей); прямым следствием этой общей тенденции является интеллектуализация систем управления механическим движением и технологическими функциями современных машин.

В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоемкой продукции исторически мехатронные модули первого уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить "мотор-редуктор", где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент. Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).

Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привела к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: 1) механических, 2) электротехнических и 3) электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы 1) управляемые энергетические машины (турбины и генераторы), 2) станки и промышленные роботы с числовым программным управлением.

Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров на их базе и направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь процесса управления функциональными движениями машин и агрегатов. Одновременно идет разработка новых принципов и технологии изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых 1) прецизионных, 2) информационных и 3) измерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и производства интеллектуальных мехатронных модулей и систем.

В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких комплексов - добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить, конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции.

Современные предприятия, приступающие к разработке и выпуску мехатронных изделий, должны решить в этом плане следующие основные задачи:

Структурная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые, как правило функционировали автономно и разобщенно) в единые проектные и производственные коллективы;

Подготовка "мехатронно-ориентированных" инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификации;

Интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей (механика, электроника, компьютерное управление) в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач;

Стандартизация и унификация всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве МС.

Решение перечисленных проблем зачастую требует преодоления сложившихся на предприятии традиций в управлении и амбиций менеджеров среднего звена, привыкших решать только свои узкопрофильные задачи. Именно поэтому средние и малые предприятия которые могут легко и гибко варьировать свою структуру, оказываются более подготовленными к переходу на производство мехатронной продукции.

Похожая информация.