Мехатронные системы

СОДЕРЖАНИЕ 
 

Введение

 
             Мехатроника – это новое направление современной науки и техники, которое стремительно развивается в последнее десятилетие во всем мире. Цель мехатроники состоит в создании интеллектуальных машин и движущихся систем, обладающих качественно новыми функциями и свойствами. Именно принципиальная новизна мехатронных систем вызывает быстро растущий интерес к мехатронике во всем мире и стимулирует высокую активность специалистов в научно-исследовательской, образовательной и производственной сферах.

Широкое применение мехатронных устройств в конструкциях машин дает ряд существенных преимуществ, к которым относятся: 
- относительно низкая стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации элементов и интерфейсов; 
- высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления; 
- высокая надежность, долговечность и помехозащищенность; конструктивная компактность;

- улучшение  массогабаритных и динамических  характеристик машин вследствие  упрощения кинематических цепей.

- мехатронные  системы интегрируют механические, электромеханические, электронные  и компьютерные компоненты в  единую систему автоматического  управления. [7]

Создание мехатронных систем требует знаний в области механики, электротехники, электрических машин, преобразовательной и электронной техники, компьютеров и микропроцессоров, программирования, теории систем автоматического управления, конструирования. 
Кроме того, мехатроника в своем развитии прошла значительный путь, сформировав как наука, своипонятия, терминологию и методы.  
Мехатронные устройства нашли широкое применение в различных областях деятельности человека в виде роботов, манипуляторов, мехатронных транспортных средств и устройств автоматизации технологических процессов, и их роль будет возрастать.

 
 
1. Понятие и история  развития «мехатроники»

 
            Единого мнения на счет определения термина «мехатроника» на сегодня нет. Различные группы ученых и исследователей дают хоть и похожие, но разные трактовки определения термина.

             Начиная c 1930-х годов в некоторых зарубежных странах и СССР для названия систем обеспечения требуемых движений посредством электричества применяется термин электрический привод. 
С развитием электрических приводов и возможностей их применения в индустриально-производственных и транспортных системах, стала очевидна необходимость полной интеграции составляющих элементов электропривода: механики, электрических машин, силовой электроники, микропроцессорной техники и программного обеспечения для наиболее полного использования возможностей электропривода и обеспечения им прецизионного движения.[7]

            Так как наиболее полное развитие данные тенденции получили в Японии, а с термином «электрический привод» как самостоятельной технической системой там знакомы не были, для описания данных систем в Японии был введен термин «мехатроника». Непосредственным автором является японец Тецуро Мориа, старший инженер компании Yaskawa Electric, а сам термин появился в 1969 году.[10]

            Этот термин был им введен для обозначения осуществлявших приведение в движение рабочих органов машин и агрегатов, электромеханических устройств с электродвигателями, управляемыми электронными полупроводниковыми преобразователями и состоял из двух частей — «меха-», от слова механика, и «-троника», от слова электроника. Сначала данный термин был торговой маркой (зарегистрирована в 1972 году), но так как технические успехи Японии в области электроники, станкостроения и создании роботов обусловили достаточно широкое распространение этого термина, в том числе в США, то компания впоследствииотказалась от использования его как товарного знака.  
Такое объединение в едином словосочетании означает интеграцию знаний в соответствующих областях науки и техники, которая позволила создать условия для появления техники новых поколений и производства новейших видов оборудования.

         Аналогичным образом шло развитие электромеханики как науки, использующей достижения электротехники и механики при создании приводных исполнительных систем широкого назначения. Интеграция электромеханики и микроэлектроники привела к появлению комплектных интегрированных мехатронных модулей движения рабочих органов и узлов машин, а также создаваемого на их основе оборудования. Именно в этом направлении наиболее активно развивалась мехатроника в СССР.  
К началу 80-х годов термин "Мехатроника" в мировой технической литературе используется применительно к области проектирования машин с компьютерным управлением движением. И соответственно интегрируя достижения в области электромеханики, электроники и систем компьютерного управления движениями машин и пространственных механизмов. 
            Из Японии мехатроника распространилась по всему миру. В англоязычной среде есть простое определение мехатроники: «мехатроника - это комбинация механики и электроники». Однако со временем в определение мехатроники включались все больше смежных областей. 
До настоящего времени "Мехатроника" находится в стадии становления, и ее определение и базовая терминология еще полностью не сформированы. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть известные определения, выражающие суть предмета мехатроники. [3] 
В известных определениях подчеркивается триединая сущность мехатронных систем, в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Видимо поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга.

Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы. 
В Российской федерации есть определение, сформулированное в образовательном стандарте направления обучения «Мехатроника и робототехника»:  
        Мехатроника – область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. 
Oxford Illustrated Encyclopedia предлагает следующее определение:  
Мехатроника – японский термин для описания технологий, возникших на стыке электротехники, машиностроения и программного обеспечения. Включает проектирование, производство и изучает функционирование машин с «разумным» поведением, т.е. действующих по заданной программе.  
Современные тенденции развития промышленности обуславливают следующую трактовку:

Мехатроника – область науки, посвященная анализу исполнительных состояний мехатронных объектов и функционального взаимодействия механических, энергетических и информационных процессов между ними и с внешней средой, а также синтезу мехатронных объектов. С другой стороны, мехатроника – область техники, обеспечивающая полный жизненный цикл мехатронного объекта. [3]

Мехатронный объект синтезируется на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производствокачественно новых модулей, систем, машин с интеллектуальным управлением их функциональными состояниями (в т.ч. движениями). 
Поскольку базовая терминология мехатроники на данный момент не сформирована, то в ряде работ решается задача систематизации и уточнения основных понятий по примеру построения научно обоснованной терминологии, например, в области теории управления. И эта задача актуальна, так как отсутствие единой, упорядоченной терминологии приводит к тому, что один термин может иметь несколько значений (многозначность), или для одного понятия применяется несколько терминов (синонимия).  
На данный момент предлагается иерархия терминов мехатроники. В этой иерархии, термин «мехатронный объект» – это обобщающее понятие, которое включает в себя мехатронные систему, агрегат, модуль или узел.  
              К первому уровню относят мехатронный узел или мехатронный модуль. Мехатронный модуль – унифицированный мехатронный объект, имеющий автономную документацию и предназначенный, как правило, для реализации движений по одной координате. Примерами мехатронных модулей служат части станков - шпиндельная бабка, поворотный стол. В качестве модулей могут выступать двигатели, редукторы и т.п. Более сложные модули (автономные приводы) - мотор-редуктор, мотор-колесо, мотор-шпиндель, мотор-барабан и поворотный стол. Узел принципиально отличается от модуля тем, что он не унифицирован.

Второй уровень – агрегат (машина), включающий в себя несколько модулей, предназначенных для реализации заданных движений в условиях взаимодействия с внешней средой. Примеры агрегатов - промышленные роботы, станки с ЧПУ и т.д.

Третий уровень – мехатронная система, состоящая из нескольких агрегатов или агрегата и ряда отдельных модулей, т.е. из объектов одинаковых или разных низших уровней. Система – совокупность компонентов, каким-либо образом связанных между собой: подчиненных определенному отношению, зависимости или закономерности; действующих как одно целое. Она полностью отвечает этому определению как совокупность механических, электронных и управляющих компонентов, образующих синергетическое единство, действующее как одно целое.  
Примеры мехатронных систем - гибкие производственные системы или современные автомобили.

Термин «устройство» применяется как общее название для узла (модуля), агрегата (машины). Термин «прибор» относится к измерительным и регулирующим устройствам, предназначенным для получения и преобразования информации.

В дальнейшем к высшему уровню мехатронного объекта возможно будет причислить комплекс, объединяющий несколько систем, либо систему и другие мехатронные объекты различных низших уровней. Определение комплекса в фундаментальном словаре механики машин отсутствует, а в энциклопедическом словаре дается как совокупность предметов, составляющих одно целое. Считается, что в перспективе мехатронные машины и системы будут объединяться в комплексы на основе единых интеграционных платформ (этот термин четко не определен).  
Термин «машина» был выведен из иерархии, поскольку в фундаментальном словаре механики машин он отождествлен с агрегатом, а в некоторых работах Артоболевского И.И. машина с приводом называется агрегатом. Соответственно термин «машина» можно оставить как синоним термина «агрегат». 
Мехатронные технологии – информационные технологии управления движением, т.е. реализация с помощью информационных технологий сложных законов исполнительных движений, которые по тем или иным причинам не могли быть реализованы с использованием традиционных технологий ранее. Например, интеллектуализация металлорежущих станков и достижения в области динамики резания позволяют с помощью данных технологий управлять различными видами колебаний, динамической характеристикой технологической системы, корректировать возникающие недостатки этой системы и т.д.

Важным является определение признаков мехатронности. Мехатронными объектами являются большинство современных электромеханических систем с управлением. Очень многие электронные объекты фактически являются мехатронными.

К объектам разной степени мехатронности или уровней интеграции можно отнести станки с ЧПУ, промышленные и специальные роботы, многие образцыавиакосмической, военной техники и автомобилестроения. 
Мехатронными являются офисная техника (факсы, копиры), средства вычислительной техники (плоттеры, принтеры, дисководы), видеотехника (видеомагнитофоны), бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и др. машины-автоматы), нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые тележки, электророллеры, инвалидные коляски), тренажеры для подготовки пилотов и операторов, шоу индустрия (системы звукового и светового оформления).  
Мехатронность объектов – динамическое явление, формируемое в процессе их эволюционного развития и совершенствования. Отсюда и различная степень интеграции компонентов и уровня их интеллектуализации.  
К полностью мехатронным относят объекты, в которых реализована максимально возможная степень интеграции в сочетании с наивысшим уровнем интеллектуализации.

В настоящее время большей частью применяют мехатронизированные объекты, чем в значительной мере и определяется настоящий период развития мехатроники.

2. Структура и принципы построения  мехатронных систем

Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков.

Парадигма параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонент системы.  
На рис. 2 представлена обобщенная структура машин с компьютерным управлением (автоматических роботов), используемых в машиностроении. В основу построения данной схемы положена широко известная структура автоматических роботов, введенная академиком Е.П.Поповым . Данная схема позволяет показать принципы построения мехатронных систем. 
Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда, которая содержит основное и вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ. 
При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения объекты работоказывают 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 делят 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 точностью для проектирования мехатронных систем. Некоторые среды являются недетерминированными 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 проведения таких исследований, как правило, требуются слишком сложные и дорогостоящие аппаратура и измерительные технологии. Так для предварительной оценки силовых воздействий на рабочий орган на операции роботизированного удаления облоя с отливок необходимо контролировать их форму и размеры. В таких случаях целесообразно применять методы адаптивного управления, которые позволяют автоматически корректировать закон движения рабочих органов мехатронных систем 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 управленияинформации о фактическом состоянии блоков машины и движении мехатронной системы.

Таким образом, наличие трех обязательных частей – механической (электромеханической), электронной и компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками, является первичным признаком мехатронных систем.

 
Рис. 2 – Принцип построения мехатронной 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. В состав этого устройства обычно входят компьютер верхнего уровня и контроллеры управления движением. 
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 механическоедвижение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно, что электрическая энергия (гидравлическая, пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

Особенность мехатронного подхода к проектированию заключается в интеграции в единый функциональный модуль двух или более элементов возможно даже различной физической природы. Соответственно на стадии проектирования из традиционной структуры машины исключается как минимум 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 заданное функциональное движение с допустимой погрешностью. Аппаратное объединение элементов в единые конструктивные модули обязательно сопровождают разработкой интегрированного программного обеспечения.  
Программные средства обеспечивают 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. 
 

3. Уровни интеграции  мехатронных систем

 
В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии сэтим 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 объединении 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: механических, электротехнических и электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы управляемые энергетические машины(турбины и генераторы), 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 технологий 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 прецизионных, информационных иизмерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и изготовления 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 на рынках XXI века.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Мехатронные системы  на автотранспорте

 
Проблема мехатронных систем на транспорте и в тяговых машинах различного назначения возникла в последние годы, когда автоматика пришла в автомобили и тракторы. Главным образом — в зарубежные автомобили и тракторы. Легко предположить появление и прогрессирующего развития на автомобилях и тракторах и отечественного производства в ближайшем будущем автоматики, а вместе с ней и развития на них мехатронных систем. 
Жесткая конкуренция на автомобильном рынке вынуждает специалистов в этой области к поиску новых передовых технологий.  
Мехатронные модули находят все более широкое применение в различных транспортных системах. Современный автомобиль так начинен мехатронными устройствами, что его можно считать мехатронной системой (МС) (рис. 3).

Современная автомобильная МС включает, как правило, целый ряд подсистем, выполняющих функции:

• управления двигателем;

• управления коробкой передач;

• обеспечения безопасности движения (тормоза, диагностика, подвеска,

подушки безопасности, круиз-контроль, система навигации);

• обеспечения комфорта (климат-контроль, автоматическое управление аудио- и видеосистемами).

Появление в мировом авто- и тракторостроении автоматики, особенно компьютерной микропроцессорной автоматики, привело к перестройке и зарубежной системы проектирования, к переводу её на мехатронные рельсы, т. е. на методы единого комплексного проектирования всех трёх составляющих мехатронных комплексов. [9]

Развитие мехатроники на автомобилях и на производственныхмашинах имеет свои особенности. На автомобилях экспансия автоматики, а следовательно, и мехатроники, преимущественно началась в сфере устройств комфорта, на тракторах - в сфере силовых агрегатов.

Рис. 3 Автомобиль как мехатронная система.

 
Первым из мехатронных агрегатов, как это исторически повелось, там стал двигатель с системой топливоподачи и автоматикой её регулирования.  
Вторым — система силового управления навесным устройством (EHR), мировым лидером в производстве которой является фирма Bosch.  
Третьим — трансмиссия. Тут процесс начался с появления механических трансмиссий с переключением ступеней под нагрузкой. На них появились гидравлические, затем электрогидравлические устройства переключения, а затем и электронная автоматика управления переключениями. Западные фирмы (Германская ZF и другие) начали поставлять автомобильным и тракторным заводам и производить на продажу трансмиссии в таком именно полном комплекте. С появлением затем в зарубежном тракторостроении бесступенчатых трансмиссий (пока ещё только гидрообъёмных двухпоточных) это явление упрочилось. [1]

               Сила и выгода мехатронного исполнения агрегатов особенно ярко видна на примере трансмиссий ,которые при наличии и отсутствии автоматики управления при одинаковых других компонентах комплекса являют разительный контраст в характеристиках как их самих, так и оборудованных ими тракторов и автомобилей. В мехатронном виде они обеспечивают на порядок более выгодные характеристики практически по всем показателям работы машин: техническим, экономическим и эргономическим.

         Сравнивая мехатронные комплексы с их не мехатронными прообразами по техническому совершенству легко увидеть, что первые значительно превосходят последних не только по общим показателям, но и по уровню и качеству проектирования. Это не удивительно: синергический эффект проявляется не только в конечном продукте, но и в процессе проектирования вследствие и нового подхода к проектированию и более высокой по необходимости квалификации проектировщиков. [2]

        Сравнение цены этих объектов ещёболее разительно. Мехатронные комплексы вследствие применения в автоматике микропроцессорной технологии, дающей весьма дешёвые устройства автоматики, по цене очень не много дороже прообразов, зато по совокупному показателю цена/качество превосходят их на порядок.

         Это обстоятельство снимает вопрос об экономической эффективности мехатронных агрегатов, оставляя только вопрос о готовности современной промышленности к организации и выполнению проектирования и изготовления таких технических систем.

5. Современные  тенденции развития мехатронных  систем

 
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). 
Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах как нового научно-технического направления обусловлено целым рядом факторов, среди которых ключевыми являются следующие: новые тенденции мирового индустриального развития; развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиальноновые технические и технологические решения), активность специалистов в научно-исследовательской и образовательной сферах.

            Можно выделить следующие тенденции изменения и ключевые требования мирового рынка в рассматриваемой области:  
- необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества, сформулированных в стандарте ISO 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;