CC BY
353
С.Н. Васильева, Э.В. Гринцевич
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
S.N. Vasilyeva, E. V. Grintsevich
THE PRINCIPLES OF CONSTRUCTION AND MODERN TRENDS IN DEVELOPMENT OF MECHATRONIC SYSTEMS
Ключевые слова: мехатроника, микропроцессоры, контроллеры, мехатронные модули.
Key words: mechatronics, microprocessors, controllers, mechatronic modules.
Аннотация
В данной работе рассмотрены принципы построения мехатронных систем, тенденция развития и уровни интеграции мехатронных систем.
Abstract
The article deals with construction principles of mechatronic systems, trend of development and levels of integration of mechatronic system.
Современный термин "Мехатроника" ("Mechatronics"), согласно японским источникам, был введен фирмой Yaskawa Electric в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Это название получено комбинацией слов "МЕХАника" и "ЭлекТРОНИКА". Объединение этих понятий в едином словосочетании означает интеграцию знаний в соответствующих областях науки и техники, которая позволила совершить качественный скачок в создании техники новых поколений и производстве новейших видов систем и 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 нашей стране.
Однако к началу 80-х годов термин "Мехатроника" утверждается в мировой технической литературе как название целого класса машин с компьютерным управлением. При этом интегрируются достижения не только в области электромеханики и электроники, но и систем компьютерного управления движениями машин и сложных пространственных механизмов.
Мехатроника находится только в стадии становления, и поскольку до настоящего времени ее определение и базовая терминология еще полностью не сформированы, то представляется целесообразным рассмотреть определения, выражающие суть предмета мехатро-ники как в широком, так и в узком (специальном) смысле.
Мехатроника - это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.
В данном определении особо подчеркнута триединая сущность мехатронных систем (МС), в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов.
Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы. Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.
Рассмотрим обобщенную структуру машин с компьютерным управлением, ориентированных на задачи автоматизированного машиностроения. Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда, которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения, объекты работ оказывают возмущающие воздействия на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки. Внешние среды укрупнено можно разделить на два основных класса: детерминированные и недетерминированные. К детерминированным относятся среды, для которых параметры возмущающих воздействий и характеристики объектов работ могут быть заранее определены с необходимой для проектирования МС степенью точности. Некоторые среды являются не терминированными по своей природе (например, экстремальные среды: подводные, подземные и т.п.). Характеристики технологических сред, как правило, могут быть определены с помощью аналитико-экспериментальных исследований и методов компьютерного моделирования. Например, для оценки сил резания при механообработке проводят серии экспериментов на специальных исследовательских установках, параметры вибрационных воздействий измеряют на вибростендах с последующим формированием математических и компьютерных моделей возмущающих воздействий на основе экспериментальных данных. Однако для организации и проведения подобных исследований часто требуются слишком сложные и дорогостоящие аппаратура и измерительные технологии.
В состав традиционной машины входят следующие основные компоненты: механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган; блок приводов, включающий силовые преобразователи и исполнительные двигатели; устройство компьютерного управления, верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть; сенсоры, предназначенные для передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии блоков машины и движении МС.
Таким образом, наличие трех обязательных частей - механической (точнее электромеханической), электронной и компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками, является первичным признаком, отличающим мехатронные системы.
Электромеханическая часть включает механические звенья и передачи, рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнительные электротехнические элементы (тормоза, муфты). Механическое устройство предназначено для преобразования движений звеньев в требуемое движение рабочего органа. Электронная часть состоит из микроэлектронных устройств, силовых преобразователей и электроники измерительных цепей. Сенсоры предназначены для сбора данных о фактическом состоянии внешней среды и объектов работ, механического устройства и блока приводов с последующей первичной обработкой и передачей этой информации в устройство компьютерного управления (УКУ). В состав УКУ мехатрон-ной системы обычно входят компьютер верхнего уровня и контроллеры управления движением. Устройство компьютерного управления выполняет 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 МС, которая предполагает координацию управления механическим движением МС и сопутствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства.
3. Взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс в режимах автономного программирования (off-line) и непосредственно в процессе движения МС (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 механическое движение с управ-
лением на основе принципа обратной связи. Характерно, что электрическая энергия используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.
Суть мехатронного подхода к проектированию состоит в интеграции в единый функциональный модуль двух или более элементов возможно даже различной физической природы. Другими словами, на стадии проектирования из традиционной структуры машины исключается как сепаратное устройство по крайней мере один интерфейс при сохранении физической сущности преобразования, выполняемого данным модулем.
В идеальном варианте мехатронный модуль, получив на вход информацию о цели управления, будет выполнять с желаемыми показателями качества заданное функциональное движение. Аппаратное объединение элементов в единые конструктивные модули должно обязательно сопровождаться разработкой интегрированного программного обеспечения.
Программные средства МС должны обеспечивать непосредственный переход от замысла системы через ее математическое моделирование к управлению функциональным движением в реальном времени.
Применение мехатронного подхода при создании машин с компьютерным управлением определяет их основные преимущества по сравнению с традиционными средствами автоматизации:
• относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;
• высокое качество реализации сложных и точных движений, в результате применения методов интеллектуального управления;
• высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;
• конструктивную компактность модулей;
• улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;
• возможность комплексирования функциональных модулей в сложные системы.
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;
• 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, принципиально новые 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:
• интернационализация рынка научно-технической продукции и, как следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов международного инжиниринга и трансферта технологий;
• повышение роли малых и средних производственных предприятий в экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка;
• бурное развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникации.
Прямым следствием этой общей тенденции является интеллектуализация систем
управления механическим движением и технологическими функциями современных машин.
Анализ указанных тенденций показывает, что достигнуть качественно нового уровня основного технологического оборудования на основе традиционных подходов уже практически нереально.
Развитие мехатроники как междисциплинарной научно-технической области помимо очевидных технико-технологических сложностей ставит и целый ряд новых организационноэкономических проблем. Современные предприятия, приступающие к разработке и выпуску мехатронных изделий, должны решить в этом плане следующие основные задачи:
• структурная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые, как правило функционировали автономно) в единые проектные и производственные коллективы;
• подготовка "мехатронно-ориентированных" инженеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификации;
• интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей (механика, электроника, компьютерное управление) в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач;
• стандартизация и унификация всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве мехатронных систем.
В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоемкой продукции исторически.
Мехатронные модули первого уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить "мотор-редуктор", где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент.
Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).
Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привело 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 меха-
нических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомомент-ных, бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых прецизионных, информационных и измерительных 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 техникотехнологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции на рынках XXI века.
