], 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.
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.
Существует точка зрения, что мехатронные технологии включают в себя технологии новых материалов и композитов, микроэлектронику, фотонику, микробионику, лазерные и др. технологии.
Однако, при этом происходит подмена понятий и, вместо мехатронных технологий, которые реализуются на основе использования мехатронных объектов, в этих работах идет речь о технологии изготовления и сборки таких объектов.
Большинство научных работников в настоящее время считают, что мехатронные технологии всего лишь формируют и реализуют необходимые законы исполнительных движений механизмов с компьютерным управлением, а также агрегатов на их основе, или осуществляют анализ этих движений для решения диагностических и прогностических задач.
В механической обработке эти технологии направлены на обеспечение точности и производительности, которые невозможно достигнуть без использования мехатронных объектов, прообразами которых являются металлорежущие станки с открытыми системами ЧПУ. В частности такие технологии позволяют компенсировать погрешности, которые возникают вследствие колебания инструмента относительно заготовки.
Однако, предварительно следует отметить, что мехатронные технологии включают в себя следующие этапы:
Технологическая постановка задачи;
Создание модели процесса с целью получения закона исполнительного движения;
Разработка программного и информационного обеспечения для реализации;
Дополнение информационной управляющей и конструкторской базы типового мехатронного объекта, реализующего предлагаемую технологию, если в этом есть необходимость.
Адаптивный способ повышения виброустойчивости токарного станка.
В условиях использования разнообразного режущего инструмента, обрабатываемые детали сложной формы и широкой номенклатуры как обрабатываемых, так и инструментальных материалов резко возрастает вероятность возникновения автоколебаний и потеря виброустойчивости технологической системы станка.
Это влечет за собой снижение, интенсивности обработки или дополнительные капитальные вложения в технологический процесс. Перспективным способом снижения уровня автоколебаний является изменение скорости резания в процессе обработки.
Такой способ достаточно просто реализуется технически и оказывает эффективное воздействие на процесс резания. Ранее этот способ реализовался как априорное регулирование на основе предварительных расчетов, что ограничивает его применение, так как не позволяет учитывать многообразие причин и изменчивость условий возникновения вибраций.
Значительно более эффективны адаптивные системы регулирования скорости резания с оперативным контролем силы резания и ее динамической составляющей.
Механизм считывания уровня автоколебаний при обработке с изменяемой скоростью резания можно представить следующим образом.
Пусть при обработке детали со скоростью резания V 1 технологическая система находится в условиях автоколебаний. При этом частота и фаза колебаний на обработанной поверхности совпадают с частотой и фазой колебаний силы резания и самого резца (эти колебания выражаются в виде дробления, волнистости и шероховатости).
При переходе к скорости V 2 колебания на обработанной поверхности детали относительно резца при последующем обороте (при обработке «по следу») происходит с другой частотой и синхронности колебаний, то есть их фазовое совпадение нарушается. Благодаря этому, в условиях обработки «по следу» интенсивность автоколебаний снижается, а в их спектре появляются высокочастотные гармоники.
С течением времени в спектре начинают преобладать собственные резонансные частоты и процесс автоколебаний вновь интенсифицируется, что требует повторного изменения скорости резания.
Из сказанного следует, что основными параметрами описанного метода является величина изменения скорости резания V, а также знак и частота этого изменения. Эффективность влияния изменения скорости резания на показатели обработки следует оценивать по длительности периода восстановления автоколебаний. Чем он больше, тем дольше сохраняется пониженный уровень автоколебаний.
Разработка метода адаптивного управления скоростью резания предполагает имитационное моделирование этого процесса на основе математической модели автоколебаний, которая должна:
Учитывать динамику процесса резания;
Принимать во внимание обработку «по следу»;
Адекватно описывать процесс резания в условиях автоколебаний.
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).
Одной из основных тенденций развития современного машиностроения является внедрение в технологический процесс производства мехатронных технологических машин и роботов. Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным компонентам, которые легко перепрограммируются в новую задачу и при этом являются относительно дешевыми.
Мехатронный подход к проектированию предполагает не расширение, а именно замещение функций, традиционно выполняемых механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.
Понимание принципов построения интеллектуальных элементов мехатронных систем, методов разработки алгоритмов управления и их программной реализации является необходимым условием для создания и внедрения мехатронных технологических машин.
Предлагаемое методическое руководство относится к учебному процессу по специальности «Применение мехатронных систем», предназначены для изучения принципов разработки и реализации алгоритмов управления мехатроннымх систем на базе электронных и компьютерных блоков и содержат информацию по проведению трех лабораторных работ. Все лабораторные работы объединены в единый комплекс, целью которого является создание и реализация алгоритма управления мехатронной технологической машины.
Вначале каждой лабораторной работы обозначена конкретная цель, затем следует ее теоретическая и практическая части. Все работы проводятся на специализированном лабораторном комплексе.
Основной тенденцией в развитии современной промышленности являются интеллектуализация производственных технологий на базе использования мехатронных технологических машин и роботов. Во многих областях промышленности мехатронные системы (МС) приходят на смену традиционным механическим машинам, которые уже не соответствуют современным качественным требованиям.
Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключаются в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным компонентам, которые легко перепрограммируются под новую задачу и при этом являются относительно дешевыми. Мехатронный подход к проектированию технологических машин предполагает замещение функций, традиционно выполняемых механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки. Еще в начале 90-х годов прошлого века подавляющее большинство функций машины реализовывалось механическим путем, в последующие десятилетие происходило постепенное вытеснение механических узлов электронными и компьютерными блоками.
В настоящее время в мехатронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну. К современным технологическим машинам предъявляются качественно новые требования:
сверхвысокие скорости движения рабочих органов;
сверхвысокая точность движений, необходимую для реализации нанотехнологий;
максимальную компактность конструкции;
интеллектуальное поведение машины, функционирующей в изменяющихся и неопределенных средах;
реализацию перемещений рабочих органов по сложным контурам и поверхностям;
способность системы к реконфигурации в зависимости от выполняемой конкретной задачи или операции;
высокую надежность и безопасность функционирования.
Все эти требования, возможно, выполнить только с использованием мехатронных систем. Мехатронные технологии включены в число критических технологий Российской Федерации.
В последние годы создание технологических машин четвертого и пятого поколений с мехатронными модулями и интеллектуальными системами управления получило развитие и в нашей стране.
К таким проектам следует отнести мехатронный обрабатывающий центр МС-630, обрабатывающие центры МЦ-2, Гексамех-1, робот-станок РОСТ-300.
Дальнейшее развитие получили мобильные технические роботы, которые могут самостоятельно передвигаться в пространстве и обладают способностью выполнять технологические операции. Примером таких роботов могут служить роботы для применения в подземных коммуникациях: РТК-100, РТК-200, РТК «Рокот-3».
К главным преимуществам мехатронных систем относятся:
исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и, следовательно, высокая точность и улучшенные динамические характеристики машин и модулей;
конструктивная компактность модулей;
возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы, допускающие быструю реконфигурацию;
относительно низкая стоимость установки, настройки и обслуживания системы благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных платформ;
способность выполнять сложные движения за счет применения методов адаптивного и интеллектуального управления.
Примером такой системы может служить система регулирования силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, управление технологическими воздействиями (тепловыми, электрическими, электрохимическими) по объекту работ при комбинированных методах обработки; управление вспомогательным оборудованием (конвейерами, загрузочными устройствами).
В процессе движения механического устройства рабочий орган системы непосредственно воздействует на объект работ и обеспечивает качественные показатели выполняемой автоматизированной операции. Таким образом, механическая часть является в МС объектом управления. В процессе выполнения МС функционального движения внешняя среда оказывает возмущающее воздействие на рабочий орган, который является конечным звеном механической части. Примерами таких воздействий могут служить силы резания в операциях механообработки, контактные силы и моменты сил при формообразовании и сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.
Кроме рабочего органа в состав МС входит блок приводов, устройств 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.
Устройство компьютерного управления выполняет следующие основные функции:
организация управления функциональными движениями МС;
управление процессом механического движения мехатронного модуля в реальном времени с обработкой сенсорной информации;
взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс;
организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.
Т ермин «мехатроника » введён Tetsuro Moria (Тецуро Мори) инженером японской компании Yaskawa Electric (Яскава электрик) в 1969. Термин состоит из двух частей - «меха», от слова механика, и «троника», от слова электроника. В России до возникновения термина «мехатроника» применялись приборы с названием «механотроны».
Мехатроника – это прогрессивное направление развития науки и техники, ориентированное на создание и эксплуатацию автоматических и автоматизированных машин и систем с компьютерным (микропроцессорным) управлением их движением. Основной задачей мехатроники является разработка и создание высокоточных, высоконадёжных и многофункциональных систем управления сложными динамическими объектами. Простейшими примерами мехатроники являются тормозная система автомобиля с АБС (антиблокировочной системой) и промышленные станки с ЧПУ.
Крупнейшим в мировой подшипниковой отрасли разработчиком и изготовителем мехатронных устройств является компания SNR . Компания известна как пионер в области “сенсорных” подшипников, c оздавшая “ноу-хау” технологию c использованием многополюсных магнитных колец и измерительных компонентов интегрированные в механические детали. Именно SNR впервые предложила использовать колесные подшипники с интегрированным датчиком скорости вращения на основе уникальной магнитной технологии – ASB ® (Active Sensor Bearing ), которые в настоящее время являются стандартом, признанным и используемым почти всеми крупнейшими автопроизводителями в Европе и Японии. Уже произведено более 82 миллионов подобных устройств, а к 2010 году почти 50% всех колесных подшипников в Мире выпускаемых различными производителями будут использовать технологию ASB ® . Такое массовое применение ASB ® лишний раз доказывает надежность этих решений, обеспечивающих высокую точность измерения и передачи цифровой информации в самых агрессивных окружающих условиях (вибрации, грязь, большие перепады температур и т.п.).
Иллюстрация : SNR
Структура подшипника ASB ®
Основными преимуществами технологий ASB ® , применяемых в автомобилестроении, являются:
это компактное и экономичное решение, может использоваться и на транспортных средствах низшего ценового диапазона, а не только на дорогих автомобилях в отличие от многих других конкурентных технологий,
это прогрессивная технология в исследовании автомобильного комфорта и безопасности,
это главный элемент в концепции “полного контроля за шасси”,
это открытый стандарт, обеспечивающий минимальные затраты при лицензировании производства изготовителями подшипников и электронных компонентов.
Технология ASB ® в 1997 году на выставке EquipAuto в Париже получила Первый Grand Prix в номинации "Новые технологии для оригинального (конвейерного) производства".
В 2005 году на EquipAuto SNR предложила к обозрению дальнейшее развитие ASB ® – специальную систему с датчиком угла поворота ASB ® Steering System , предназначенная для измерения угла поворота рулевого колеса, что позволит оптимизировать работу электронных систем автомобиля и увеличить уровень безопасности и комфорта. Разработка данной системы началась в 2003 году, усилиями CONTINENTAL TEVES и SNR Roulements . В 2004 году первые опытные образцы были готовы. Полевое испытание ASB ® Steering System прошли в марте 2005 года в Швеции на автомобилях Mercedes C -класса и показали великолепные результаты. В серийное производство ASB ® Steering System должна войти в 2008 году.
Иллюстрация : SNR
ASB ® Steering System
Основными преимуществами ASB ® Steering System станут:
более простая конструкция,
обеспечение малого уровня шума,
меньшая себестоимость,
оптимизация размеров …
Имея более чем 15 летний опыт разработки и изготовления мехатронных устройств, компания предлагает для клиентов не только из сферы автомобилестроения, но и промышленности и аэрокосмонавтики - “мехатронных” подшипники Sensor Line . Эти подшипники унаследовали непревзойденную надёжность ASB ® , полную интеграцию и соответствие международным стандартам ISO .
Расположенный в самом центре движения, датчик Sensor Line передаёт информацию об угловом смещении и скорости вращения в течение более 32 периодов за один оборот. Таким образом, объединяются функции подшипника и измерительного устройства, что положительно сказывается на компактности подшипника и оборудования в целом, обеспечивая при этом конкурентно способную цену по отношению к стандартным решениям (на базе оптических сенсоров).
Фото : SNR
включает:
Запатентованное многодорожечное и многополюсное магнитное кольцо, генерирующее магнитное поле определённой формы;
Специальный электронный компонент MPS 32 XF преобразует информацию об изменении магнитного поля в цифровой сигнал.
Фото: Torrington
Компонента MPS 32 XF
Sensor Line Encoder может достигать разрешения 4096 импульсов за один оборот с радиусом чтения всего 15 мм, обеспечивая точность позиционирования более, чем 0,1° ! Таким образом, Sensor Line Encoder во многих случаях может заменить стандартное оптическое кодирующее устройство, при этом придавая дополнительные функции.
Устройство Sensor Line Encoder может обеспечить получение следующих данных с высокой точностью и надёжностью:
угловое положение,
Скорость,
направление вращения,
Температуру.
Уникальные свойства нового устройства SNR были признаны в мире электроники ещё на стадии опытных образцов. Специальный сенсор MPS 32 XF выиграл главный приз Gold Award на выставке Sensor Expo 2001 в г.Чикаго (США).
В настоящее время Sensor Line Encoder находит свое применение:
в конвейерах;
в робототехнике;
в грузоподъёмниках;
в системах контроля, измерения и позиционирования.
Фото: SNR
Одним из дальнейших проектов, который должен финишировать в 2010-11 годах, является ASB ® 3 – подшипник с интегрированным датчиком моментов основанный на применении туннельного магнитосопротивления. Использование технологии туннельного магнитосопротивления позволяет обеспечить:
высокую чувствительность датчика,
низкие энергозатраты,
лучший сигнал по отношению к уровню шума,
более широкий температурный диапазон.
ASB ® 4 , выход которого запланирован на 2012-15 г.г., завершит открытие эры информационных технологий для подшипникостроения. Впервые будет интегрирована система самодиагностики, что позволит, например, по температуре смазки подшипника или его вибрации узнать состояние подшипника.