CC BY
119
УДК 681.323-181.4
О.Д. Егоров, канд. техн. наук, доц., (8499) 246-52-24, egorovod@yandex.ru (Россия, Москва, СТАНКИН)
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ
Представлен подход к особенностям проектирования мехатронных модулей на основеразработаннои их классификации и критериев интеграции.
Ключевые слова: проектирование, мехатронный модуль, классификация, интеграция.
Мехатронный модуль (ММ) представляет собой особый класс технических устройств, состоящий из нескольких компонент различной физической природы, конструктивно объединенных в едином блоке. Данная разнородность отдельных элементов требует повышенной согласованности их создания.
Для анализа и синтеза различных мехатоонных модулей и для систематизации информации разработана их классификация по видам интеграции: модули движения (МД), мехатронные модули движения (ММД) и интеллектуальные мехатронные модули (ИММ); по уровням интеграции: МД - 1 - гои 2 - го уровней, ММД - 1 - го, 2 - го и 3 - го уровней и ИММ -1 - 7 уровней, а также по основным конструктивным элементам, их составляющих, что позволяет конструктору быстро ориентироваться при выборе и создании нового ММ [1].
ММ первого уровня состоят из основных элементов, осуществляющих функциональные преобразования, необходимые для выполнения требуемого движения выходного звена модуля. В МД такими элементами являются двигатель (Д) и механический преобразователь (МП), в ММД - Д, МП и информационное устройство (датчики обратной связи (ДОС) - датчики перемещений, скорости и ускорений (ИУ)), в ИММ - Д, МП, ИУ, устройство компьютерного управления (УКУ), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), силовой преобразователь (СП) и устройство обратной связи (УОС).
В ММ более высоких уровней некоторые основные элементы заменяют интегрированными элементами, осуществляющими те же функциональные преобразования, что и замененные основные элементы. Например, основные элементы Д и МП можно заменить одним высокомоментным двигателем (ВМД), Д, МП и ИУ - интегрированным высокомоментным двигателем (ИВМД), УКУ и ЦАП - контроллером (К) и т.д. В идеале все основные элементы можно заменить одним суперэлементом, который будет выполнять все функциональные преобразования в ММ. В результате полу-
62
чим суперинтегрированный интеллектуальный мехатронный модуль (СИИММ).
Проектирование ММ начинают с построения его функциональной модели, которую получают после проведения функционального анализа данных технического задания. В первую очередь конструктор должен выделить основные функции, которые должны быть реализованы модулем по отношению к внешним объектам. На этом этапе система может быть представлена в виде «черного ящика» с набором входов, выходов и внешних возмущающих воздействий [3]. Далее в функциональную модель ММ вводят внутренние функциональные преобразования, которые позволяют трансформировать совокупность входных воздействий в выходные с заданным набором параметров. На этой стадии проектирования важно решить, какие дополнительные обратные связи необходимы для качественной работы ММ, т.е. для оценки его текущего внутреннего состояния и корректировки функционального движения выходного звена. Таким образом, функциональная модель ММ должна давать полное представление о программе движения, заданной устройством компьютерного управления, преобразуемой в целенаправленное управляемое движение выходного звена, взаимодействующего с объектами внешней среды.
Затем проводят функционально-структурный анализ ММ и получают его структурную модель, показывающую, какими основными аппаратными средствами можно эффективно реализовать полученную функциональную модель и связи между ними. В процессе проектирования конструктор должен проработать несколько возможных вариантов структурной реализации модели ММ и выбрать наилучшее решение.
Следующим этапом является структурно-конструктивный анализ ММ, заключающийся в выборе типа, числа, порядка расположения и взаимодействия основных и дополнительных конструктивных элементов, вводимых в состав ММ с целью обеспечения его высокой работоспособности, надёжности, точности, долговечности, в результате которого получают его конструктивную модель.
После проведения указанных анализов проводят сравнение различных моделей ММ и осуществляют дальнейшее проектирование на основе функциональной, структурной и конструктивной интеграции с использованием следующих критериев [1].
Показатель функциональной интеграции показывает удельную функциональность ММ по отношению к интеллектуальному ММ:
т _
Т Р ---------,
^РИММ
где N - число функциональных преобразований в ММ. В МД Ыр = 2, в ММД = 3, в ИММ Аримм = 7. Чем больше показатель функциональной интеграции, тем ближе ММ к ИММ и тем лучше качество его работы.
Показатель функционально-структурной интеграции показывает уровень интеграции ММ при выполнении им требуемых функциональных пре-образований различным числом структурных блоков N5:
т =
5 N5 •
Если каждое функциональное преобразование осуществляется одним структурным блоком, то для МД N = 2, для ММД N = 3 и для ИММ N = 7. С уменьшением их числа Т увеличивается и для ИММ при N = 1
Т = 7.
Следует иметь в виду, что одни и те же функции могут быть реализованы различным числом структурных блоков. Сокращение их числа при неизменном числе функциональных преобразований приводит также и к уменьшению числа межблочных интерфейсов, что положительно сказывается на надежности и качестве работы мехатронного модуля.
Показатель структурно-конструктивной интеграции указывает на наличие в структурной модели ММ дополнительных конструктивных элементов Ад, вводимых в его состав для повышения качества работы:
т _ N5
Т К _---------.
К N5 + Ад
С увеличением Nд в ММ Т уменьшается соответственно качество его работы улучшается, но массогабаритные показатели и надежность ухудшаются. Исходя из этих противоречий конструктор должен решить, какое количество дополнительных конструктивных элементов ему необходимо вводить в состав ММ.
Показатель мехатронности отражает степень приближения ММ к идеальному суперинтегрированному интеллектуальному мехатронному модулю (СИИММ), осуществляющему семь функциональных преобразований одним конструктивным элементом:
т. N5
^РИММ ^5 + N Д )
Если рассматривать мехатронные модули без дополнительных конструктивных элементов (N5=0) и с начальным уровнем функционально-структурной интеграции, т.е. такие, в которых каждый структурный блок выполняет только одно функциональное преобразование, то получим максимальное значение показателя мехатронности: для модуля движения Ттах = 0,29; для мехатронного модуля движения Ттах = 0,43; для интеллектуального мехатронного модуля Ттах = 1.
Показатель мехатронности Т больше единицы могут иметь интеллектуальные мехатронные модули с более высоким уровнем функционально-структурной интеграции. Если число структурных блоков, а следовательно, и число базовых конструктивных элементов в ме-хатронном модуле меньше числа функциональных преобразований, то показатель мехатронности становится больше единицы и при числе структурных блоков, равным единице, показатель мехатронности станет равным семи.
Таким образом, показатель мехатронности показывает степень приближения мехатронного модуля к суперинтегрированному интеллектуальному мехатронному модулю (Тсиимм=7), осуществляющему семь функциональных преобразований одним конструктивным элементом.
Каждый ММ обладает некоторым уровнем качества работы, который условно можно принять равным единице. Однако он не всегда достаточен для удовлетворения требований технического задания. Поэтому вводят показатель дополнительного качества, который показывает превышение качества работы ММ при наличии дополнительных конструктивных элементов по отношению к нему без них:
N
Д
Э
NS + N д
Наличие дополнительных конструктивных элементов приводит к улучшению качественных показателей работы ММ, но при этом увеличиваются его массогабаритные параметры, снижаются долговечность и надежность, возрастает стоимость.
Структурная избыточность - отношение общего количества основных и интерфейсных Nи блоков в структурной модели ММ к числу необходимых функциональных преобразований
5 = NS + NИ
N5
При проектировании ММ необходимо стремиться к уменьшению структурной избыточности. Этого можно достичь интеграцией основных и интерфейсных элементов.
Структурная связность - величина, характеризующая влияние уровня функциональной и структурной интеграции на сложность структурной модели ММ.
Структурная модель ММ представляет собой ориентированный граф (орграф). Поэтому к ней можно применить теорию графов. Следовательно, структурную связность ММ определяют по зависимости [2]
1 п п 1
с=—1-г ЕЕ а 1
(п -1)2 ,=1і=1 і п -1
аг]
размерности пхп, у которой
где ау - элемент матрицы смежности А структурной модели мехатрон-ного модуля; п - число блоков структурной модели. Матрица смежности структурной модели - это матрица А =
элемент а у = 1, если существует связь (стрелка), направленная от предыдущего структурного блока I к последующему структурному блоку у (т.е. блок I смежен блоку у). В противном случае а у = 0.
По значению структурной связности можно косвенно судить о сложности структурной модели ММ.
При проектировании ММ необходимо стремиться к увеличению значения структурной связности.
Структурная компактность отражает близость структурных блоков (конструктивных элементов) между собой в структурной модели ММ:
п 1 п п
к = А---------£1 Гу,
п -1 п(п -1) I=1 ]=1
где Гу - элемент матрицы расстояний Я, равный длине кратчайшего пути (числу минимальных связей - стрелок) из блока I в блок ]. Если такого пути нет, то соответствующий элемент матрицы принимают равным бесконечности. Для того чтобы результат вычислений по приведенной формуле был определенным, элементам Гу матрицы Я, равным бесконечности, присваивают конечные значения, равные числу блоков п структурной модели.
Структурная компактность косвенно характеризует простоту организации связей между отдельными блоками структурной модели.
Показатель функциональной нагрузки дает количественную оценку объема функциональной нагрузки, которую несет каждый структурный элемент в структурной модели ММ [3]:
п
^ Г
N =——,
' п п
II Г]
г=1У=1
где Гу -]-й элемент г-й строки матрицы соответствия В=А(Е+А); А - матрица смежности; Е - единичная матрица.
Чем выше показатель функциональной нагрузки, тем большую функциональную нагрузку несет соответствующий элемент.
Конструктивная избыточность показывает, какую часть от общего числа элементов в ММ составляют дополнительные конструктивные элементы:
N д
С5 = д
где Ад - число дополнительных конструктивных элементов в ММ; No -число основных функциональных конструктивных элементов в ММ.
С точки зрения структуры в блоке достаточно всего лишь одного функционального преобразователя движения, остальные являются избыточными, служащими для изменения каких-либо его параметров. Поэтому их можно относить к дополнительным конструктивным элементам.
Таким образом, использование при анализе и синтезе указанных критериев позволяет выбрать наиболее рациональную структурную модель ММ, отвечающего всем показателям интеграции, и приступить к ее конструкторской реализации.
Список литературы
1. Егоров О.Д. Интегрированные мехатронные модули: учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во «СТАНКИН», 2011. 172 с.
2. Лебедев В.Б. Структурный анализ систем управления: учеб. пособие для вузов. Пенза: Изд-во ПензГУ, 2000. 100 с.
3. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение: учеб. пособие для вузов. М.: Машиностроение, 2006. 256 с.
O.D. Egorov
SPECIFICY OF INTEGRATED MECHATRONICMODULES DESIGN The approach to mechatronic modules design basing on their classification and integration criteria is presented.
Key words: design, mechatronic module, classification, integration.
Получено 03.10.11
УДК 621.312
H.C. Илюхина, канд. техн. наук, доц.,
A.A. Фролов, магистрант, (4872) 47-37-75, neymles@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХОБМОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТА ВТЯЖНОГО ТИПА
Представлены построение математической модели, расчет и анализ статических и динамических характеристик двухобмоточного электромагнита втяжного типа. Приведены принципиальные схемы, а так же схемы замещения магнитной и электрической цепей, а так же основные допущения при построении нелинейной математической модели.
Ключевые слова: электромагнит втяжного типа, электромагнитный рулевой привод, вихревой ток, поле рассеяния.
Электромеханические устройства получили широкое распространение в системах автоматического управления вследствие высокого их быстродействия и надежности конструкций. Они используются в качестве ис-
67
