CC BY
52
УДК 681.527.7: 004.94
Ю.М. Осипов, Т.Н. Зайченко, М.Г. Шепеленко, С.В. Щербинин
Методология создания мультикоординатных электромехатронных систем движения
Представлена методология создания мультикоординатных электромехатронных систем движения на основе интеллекта разработчика и компьютерного выбора рационального варианта. Ключевые слова: мультикоординатная электромехатронная система движения, иинтеллек-туальное схемоконструкторское проектирование, компьютерный выбор рационального варианта.
Нетрадиционные компоновки мультикоординатных электромехатронных систем движения (МЭСД) [1] обеспечивают высокую технологичность и конкурентоспособность продукции. Они основаны на синергетическом объединении S(q) механических, электротехнических, электронных и компьютерных компонентов q, в соответствии с критерием оптимизации «цена-качество» - главным критерием конкурентности высокотехнологичной продукции, который позволяет учесть и экономические требования (цена), и производственно-технические требования (качество продукции). Технико-эксплуатационно-экономические характеристики (ТЭЭХ) нового товара описываются функцией S(q) - зависимостью качества МЭСД и его составляющих от стоимости потребления, являющейся суммой затрат на изготовление и эксплуатацию. Функция S(q) может быть описана большим количеством факторов, из которых определяющими является схемоконструкторское исполнение МЭСД и его элементов (индуктор, ротор, рабочий орган, виды опор, электронный блок управления, программное обеспечение и т.п.). Авторский подход к методологии синергетического объединения S(q) компонентов q в нетрадиционные компоновки МЭСД представлен в виде признаков классификации МЭСД «интеллектуальное схемоконструкторское проектирование (ИСП)» и «интеллектуальное управление движением» [2].
Рассмотрим один из основных и первоначальных этапов создания МЭСД - «интеллектуальное схемоконструкторское проектирование». Здесь понятие «интеллектуальное схемоконструкторское проектирование» состоит из нескольких ключевых слов и словосочетаний, сущность понимания авторами которых требует разъяснения.
1. Термин «интеллектуальное» происходит от классического понятия интеллект - это общая способность к познанию и решению проблем, которая объединяет все познавательные способности индивида: ощущение, восприятие, память, представление, мышление, воображение [3]. Здесь «интеллектуальное» понимается как интеллектуальная активность и ее уровни - не стимулированное извне продолжение мышления. Мерой интеллектуальной активности может служить интеллектуальная инициатива, понимаемая как продолжение мыслительной деятельности за пределами ситуативной заданности, не обусловленной ни практическими нуждами, ни внешней или субъективной отрицательной оценкой работы. Интеллектуальная активность - чисто личностное свойство, единство познавательных и мотивационных факторов.
Можно выделить два уровня действия личности:
1) действия личности на уровне социального индивида, когда деятельность обусловлена поставленной целью и желаемым результатом;
2) действия творческой личности, когда результат всегда шире поставленной цели. В этом случае действие приобретает порождающий характер (порождается новая цель) и все более теряет форму ответа на задачу.
Имеется три качественных уровня интеллектуальной активности.
Первый уровень - стимульно-продуктивный, или пассивный, когда человек при самой добросовестной и энергичной работе остается в рамках заданного или первоначально найденного способа действия.
Второй уровень - эвристический. На этом уровне человек проявляет в той или иной степени интеллектуальную активность, не стимулированную ни внешними фактами, ни субъективной оценкой неудовлетворительности результатов деятельности. Имея достаточно надежный способ реше-
ния, человек продолжает анализировать состав и структуру своей деятельности, сопоставляет между собой отдельные задачи, что приводит его к открытию новых, оригинальных, внешне более остроумных способов решения.
Третий, высший уровень интеллектуальной активности - креативный. Здесь обнаруженная субъектом эмпирическая закономерность становится для него не эвристикой, не просто приемом решения, а самостоятельной проблемой, ради изучения которой он готов прекратить предложенную извне деятельность, начав другую, мотивированную уже изнутри.
На стимульно-продуктивном уровне интеллектуальной активности задачи анализируются субъектом во всем многообразии их индивидуальных особенностей, но как частные, без соотнесения с другими задачами. Это тип познания единичного.
При переходе на эвристический уровень происходит сопоставление ряда задач, в результате чего открываются новые закономерности, общие для системы задач. Это уровень познания особенного.
И, наконец, на креативном уровне, на котором подвергаются анализу и доказательству найденные закономерности путем анализа их исходного генетического основания, мысль достигает всеобщего характера.
Стимульно-продуктивный уровень интеллектуальной активности соответствует принятию и продуктивному решению стоящих перед человеком задач. При этом в рамках уже поставленных проблем люди этого типа творчества способны на смелые гипотезы и оригинальные находки.
Эвристический уровень соответствует открытию закономерностей эмпирическим путем. Это уровень эмпирических открытий.
Креативный уровень интеллектуальной активности соответствует теоретическим открытиям. Ученый этого уровня, на основании найденных им или другими фактов и закономерностей, строит теорию, их объясняющую, ставит новую проблему.
2. Первая часть термина «схемоконструкторское» происходит от слова «схема», которое используется не в его узком смысле как графический документ, а в общем как «изложение, изображение, представление чего-либо в самых общих чертах, упрощённо» [4]. Вторая часть термина «кон -структорское» означает совокупность свойств изделия, характеризуемая в общем случае составом его частей, назначением, взаимным расположением, формами, размерами и материалами составных частей и их соединением между собой. Выполняется в виде конструкторской документации - совокупности конструкторских документов, содержащих данные, необходимые в общем случае для разработки, изготовления, контроля, приемки, поставки и эксплуатации изделия, включая ремонт.
3. Термин «проектирование» - разделение конструкторских работ на творческую, технологическую, организационную, производственную и корректировочную деятельности. Организационная деятельность - планирование работы, подбор и расстановка кадров. Творческая деятельность -применение метода «мозгового штурма» в поиске новых идей и т.д.
Итак, понятие «интеллектуальное схемоконструкторское проектирование» многозначно, это разделение конструкторских работ на творческую, технологическую, организационную, производственную и корректировочную деятельности, представляемых:
- тремя качественными уровнями интеллектуальной активности и общей способностью к познанию и решению проблем, которая объединяет все познавательные способности индивида: ощущение, восприятие, память, мышление, воображение, упрощённое представление чего-либо в самых общих чертах;
- изложением, изображением и представлением совокупности свойств изделия, характеризуемых в общем случае составом его частей, назначением, взаимным расположением, формами, размерами и материалами составных частей и их соединением между собой, в виде совокупности конструкторских документов, содержащих данные, необходимые в общем случае для разработки, изготовления, контроля, приемки, поставки и эксплуатации изделия, включая ремонт.
Методология создания мультикоординатных электромехатронных систем движения. В процессе проектирования возникают трудноформализуемые задачи, которые может решить человек, обладающий творческими способностями. Для решения таких задач часто используют САПР с подсистемами для узкоспециализированных задач [2, 3]. Для успешного решения задач проектирования МЭСД предлагается рассмотреть общие характеристики и состав компонентов МЭСД.
В состав электромехатронного модуля движения (ЭМД) - основного компонента МЭСД в общем случае входят следующие компоненты (рис. 1):
- электрический двигатель прямого действия (ЭДПД), включающий электрические обмотки, магнитопроводы из электротехнической стали, постоянные магниты и датчики обратной связи (оптические, магнитные и т.п.) и синергетически связанный с ним рабочий орган, включающий направляющие вращательного движения (или линейного движения, или преобразователи видов движения), корпусные элементы;
- электронно-программное устройство управления, содержащее устройство управления ЭДПД, аппаратную часть планировщика мультикоординатных движений (ПМД), блок питания (силовой преобразователь или устройство управления мощностью двигателя);
- сенсоры (датчики скорости, положения, тока и т.п.), аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и интерфейсы ввода-вывода.
Рис. 1. Состав электромехатронного модуля движения
Взаимодействие основных компонентов в МЭСД осуществляется не напрямую, а через соединительные блоки-интерфейсы. Это могут быть устройства различной физической природы (электромеханические, электронные, информационные), имеющие одинаковое функциональное назначение.
В состав МЭСД в общем случае входят следующие компоненты (рис. 2):
- устройство управления движением - планировщик мультикоординатных движений, включающее подсистемы: база данных элементов поверхностей, математическая модель обрабатываемой поверхности, геометрическое обеспечение движения рабочего органа (выбор, определение и расчет траекторий обработки поверхности изделия рабочим органом), программа, управляющая движением и т. п.;
- электромехатронные модули движения (линейные, вращательные или дуговые) и-координат и конструктивы, синергетически объединяющие ЭМД и-координат.
При интеллектуальном схемоконструкторском проектировании МЭСД используется созданная в результате многолетнего опыта работы база знаний (рис. 3), включающая в себя компьютерные данные подсистем автоматизированного проектирования для решения узкоспециализированных задач электромехатроники, интеллектуально-креативные ресурсы коллектива сотрудников научнообразовательного центра «Электромехатроника и микросистемная техника» Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники [5].
Рис. 2. Состав мультикоординатной электромехатронной системы движения
В основе задачи проектирования МЭСД лежит полное решение поставленной функциональной задачи. Путь решения такой задачи может быть представлен в виде многомерной функции, где помимо трехмерного геометрического представления объекта, необходимо учитывать такие параметры как время, материалы, технологии, критерий «цена-качество» и др.
При выполнении функционально-структурного анализа МЭСД необходимо учитывать имеющуюся базу данных по видам и типоразмерам электромехатронных модулей движения, являющихся базовыми элементами структуры мультикоординатных электромехатронных систем движения. На данном этапе проектирования выполняется выбор одного из вариантов схемоконструкторского решения для МЭСД с требуемыми функциональными параметрами.
Методологической основой разработки ЭМСД служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводятся разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.
Проектирование мультикоординатных электромехатронных систем движения является сложной многофакторной задачей выбора и оптимизации принимаемых технических и технологических, организационно-экономических и информационных решений. Взаимодействие основных устройств в мехатронной системе осуществляется не напрямую, а через соединительные блоки. Это могут быть совершенно различные устройства различной физической природы (механические, электронные, информационные), имеющие одинаковое функциональное назначение. Все это предполагает конструктивную и аппаратно-программную сложность процесса проектирования.
В процессе создания МЭСД могут выявиться проблемы связанные с ограниченными возможностями технологий изготовления отдельных элементов. В таких случаях требуется внести коррективы в конструкцию МЭСД не нарушающие основные критерии его функциональности.
Основной функцией МЭСД является манипулирование обрабатываемыми объектами в трехмерном рабочем пространстве технологического комплекса. Обеспечение оптимальности данной функции является сложной технологической задачей, которая должна учитываться на этапе проектирования МЭСД.
На рис. 4. схематически представлена система планирования траекторий МЭСД. Система планирования траекторий состоит из двух подсистем: подсистемы геометрического обеспечения функционирования МЭСД - четырехкоодинатного электромехатронного манипулятора ЮМО-2-2.2-1 [6] и подсистемы моделирования технологической связи МЭСД и инструмента - лазерного технологического комплекса «БЕТА МАРК2000». Подсистема моделирования технологической связи должна обеспечивать технологически обусловленные перемещения звеньев манипулятора ЮМО-2-2.2-1 и двухкоординатной электронной системы перемещений лазерного луча.
Для решения задачи планирования траекторий используют:
- базу данных, включающую 3Б-модели МЭСД, их имитационные модели;
- 3Б-модели обрабатываемых изделий;
- информацию (геометрическую, кинематическую и динамическую) об инструментах, материале заготовки и т. д.
Доклады ТУСУРа, № 2 (26), часть 2, декабрь 2012
База знаний:
интеллёктульнО^кре-атн&ныС: ресурсы ПрОЙКГНрОЬЩНКОЁ метадан ные интеллектуальны* систем проектирований, ■системы поинсна информации.
Б±ма данных пй- ыидам и типоразмерам злектро-мехаггроннык л-годулеи движения: врашательныв;
линейные-;
покоординатные.
Определен МЭ-кон стр матер тежнеи |ле функций СП укцня; иал ья; ГЮ1ИН.
Г
Функцие структурны выбор конструн.тпрп М3 >нэльно-й анализ и схемо-нот решения сд
Г
Баэз данных злектрические О&МОТКИ: ^агн /топ ровады; пос_аяннь е магниты; датчики обратной связи.
т
Бээа данных по конструктивным элементам механики направля юш.ие;
ПрЕоЬсВ^ПВ-Э_Е.П.-1 движения;
КОрпуСНЫЙ ЭЛЁ-МёКТЫ и т.д.
Параллельное п рое нети ро ван ие
даник го элементам электронно-программны* устройств управления планировщик траекторий МЭСД; программы для передачи и преобразования инфО|ЭмЛоли и да.
I
1
Е*ээа данных по элентронныл* элементам; сенсоры; датчики с>братной евнэ-и;
преобразователи; интерфейсы.
Проектирован ие исполнител ьны.х устройств
Проеитирование компьютерной системы упранлен ия
Синергетическое объединение
$
о
гь
0 оь
м
£
5&
л
§
1
§
§
п
Си
©\
«
85
Ж
О
О/
§
о
оо
§
гь
5
а
=с
§
Рис. 3. Методология проектирование МЭСД
Мул ьти координатная ал е в-:тр ом в х атра н н а я система движений
ы
СЛ
Доклады ТУСУРа, № 2 (26), часть 2, декабрь 2012
База данных технологических элементов: 30-модель МЭСД; имитационная модель механической компоненты МЭСД;
30-модели обрабатываемых деталей; инструменты; материал заготовки _________________ИТ-Ц.________________
г
Подсистема геометрческого обеспечения функционаирования _____________МЭСД___________
Моделирование обрабатываемых поверхностей изделий
Планирование траекторий движения МЭСД
Подсистема моделирования технологической связи МЭСД и инструмента
Определение динамических и инерционных свойств системы
Математическая модель системы
Рис. 4. Система планирования траекторий МЭСД
Подсистема программирования и оптимизации
В процессе генерации траекторий МЭСД проводится анализ рабочего пространства на предмет выявления участков обрабатываемых поверхностей недоступных для инструмента, оптимизация траекторий с использованием различных целевых функций (время, минимизация энергетических затрат, качество обработки и т.д.). После решения оптимизационных задач выполняется генерация программ для системы управления МЭСД.
Заключение. В статье предлагается методология создания мультикоординатных электромеха-тронных систем движения на основе интеллекта разработчика и компьютерного выбора рационального варианта. Обоснована технология интеллектуального схемоконструкторского проектирования и интеллектуального управлением движением рабочего органа и звеньев системы.
Литература
1. Осипов О.Ю. Мультикоординатные электромехатронные системы движения / О.Ю. Осипов, Ю.М. Осипов, С.В. Щербинин. - Томск: Изд-во Том. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2010. - 320 с.
2. Осипов Ю.М. О мехатронике как научной основе создания высокотехнологичной продукции / Ю.М. Осипов,С.В. Щербинин // Мехатроника. Автоматизация управления. - 2012. - №8. - С. 2-6.
3. Хокинс Д. Об интеллекте / Д. Хокинс, С. Блейксли. - М.: ООО «И. Д.Вильямс, 2007. - 240 с.
4. Лопатин В.В. Русский толковый словарь : около 35 000 слов / В.В. Лопатин, Л.Е. Лопатина. -4-е изд. - М.: Русский язык, 1997. - 832 с.
5. Инновационные технологии управления. Электромехатроника: сб. науч. трудов / под ред. проф. Ю.М. Осипова. - Томск: Изд-во ТУСУРа, 2010. - Вып. 2. - 139 с.
6. Осипов Ю.М. Операционные автоматы с электроприводом прямого действия. - Томск: ИПФ ТПУ, 1997. - 185 с.
Осипов Юрий Мирзоевич
Д-р техн. наук, д-р экономических наук, профессор, зав. отделением каф. ЮНЕСКО ТУСУРа
Тел.: (8-382-2) 41-38-64
Эл. почта: umo@main.tusur.ru
Зайченко Татьяна Николаевна
Д-р техн. наук, профессор каф. моделирования и основ теории цепей ТУСУРа
Тел.: (8-382-2) 41-39-15
Эл. почта: ztntomsk@rambler.ru
Шепеленко Михаил Григорьевич
Аспирант отделения каф. ЮНЕСКО ТУСУРа Эл. почта: mixan_19@mail.ru
Щербинин Сергей Васильевич
Канд. техн. наук, доцент отделения каф. ЮНЕСКО ТУСУРа Тел.: (8-382-2) 41-38-64 Эл. почта: sherb@sbi.tusur.ru
Osipov Yu.M., Zaitchenko T.N., Shepelenko M.G., Scherbinin S.V.
Methodology of multycoordinate electromechatronics systems of motion designing
The methodology of creation of multicoordinate electromechatronics systems of movement on the basis of intelligence of the developer and a computer choice of a rational variant is presented.
Keywords: multycoordinate electromechatronics system of motion, developer intelligence, computer choice rational variant.
