Різновиди систем транспортування із застосуванням мехатронних систем. Застосування мехатронних систем в автомобільній промисловості. Адаптивний спосіб підвищення вібростійкості токарного верстата

До основних переваг мехатронних пристроїв в порівнянні традиційними засобами автоматизації слід віднести:

Відносно низьку вартість завдяки високому ступеню інтеграції, уніфікації та стандартизації всіх елементів і інтерфейсів;

Висока якість реалізації складних і точних рухів внаслідок застосування методів інтелектуального управління;

Високу надійність, довговічність і перешкодозахищеність;

Конструктивну компактність модулів (аж до мініатюризації і мікромашин),

Покращені масогабаритні і динамічні характеристики машин внаслідок спрощення кінематичних ланцюгів;

Можливість комплексування функціональних модулів в складні мехатронні системи і комплекси під конкретні завдання замовника.

Обсяги світового виробництва мехатронних пристроїв щорічно збільшуються, охоплюючи все нові сфери. Сьогодні мехатронні модулі та системи знаходять широке застосування в наступних областях:

Верстатобудування і обладнання для автоматизації технологічних процесів;

Робототехніка (промислова і спеціальна);

Авіаційна, космічна та військова техніка;

Автомобілебудування (наприклад, протиблокувальні гальмівні, системи стабілізації руху автомобіля і автоматичного паркування);

Нетрадиційні транспортні засоби (електровелосипеди, вантажні візки, електророллери, інвалідні коляски);

Офісна техніка (наприклад, копіювальні та факсимільні апарати);

Елементи обчислювальної техніки (наприклад, принтери, плоттери, дисководи);

Медичне обладнання (реабілітаційне, клінічне, сервісне);

Побутова техніка (пральні, швейні, посудомийні та інші машини);

Мікромашини (для медицини, біотехнології, засобів зв'язку і телекомунікації);

Контрольно-вимірювальні пристрої та машини;

Фото- і відеотехніка;

Тренажери для підготовки пілотів і операторів;

Шоу-індустрія (системи звукового та світлового оформлення).

Безумовно, цей список може бути розширений.

Стрімкий розвиток мехатроніки в 90-х роках як нового науково-технічного напрямку обумовлено трьома основними факторами:

Нові тенденції світового індустріального розвитку;

Розвиток фундаментальних основ і методології мехатроніки (базові наукові ідеї, принципово нові технічні та технологічні рішення);

Активність фахівців в науково-дослідній та освітній сферах.

Сучасний етап розвитку автоматизованого машинобудування в нашій країні відбувається в нових економічних реаліях, коли стоїть питання про технологічної спроможності країни та конкурентоспроможності продукції, що випускається.

Можна виділити наступні тенденції зміни в ключових вимогах світового ринку в даній області:

Необхідність випуску і сервісу обладнання відповідно до міжнародної системи стандартів якості, сформульованих в стандартах ISOсерії 9000 ;

Інтернаціоналізація ринку науково-технічної продукції і, як наслідок, необхідність активного впровадження в практику форм і методів
міжнародного інжинірингу та трансферу технологій;

Підвищення ролі малих і середніх виробничих підприємств в економіці завдяки їх здатності до швидкого і гнучкого реагування на вимоги ринку;

Бурхливий розвиток комп'ютерних систем і технологій, засобів телекомунікації (в країнах ЄЕС 2000 року 60% зростання Сукупного Національного Продукту відбулося саме за рахунок цих галузей); прямим наслідком цієї загальної тенденції є інтелектуалізація систем управління механічним рухом і технологічними функціями сучасних машин.

В якості основного класифікаційної ознаки в мехатроніки за доцільне прийняти рівень інтеграції складових елементів. Відповідно до цієї ознаки можна розділяти мехатронні системи за рівнями або за їхніми, якщо розглядати їх поява на ринку наукомісткої продукції історично мехатронні модулі першого рівня являють собою об'єднання тільки двох вихідних елементів. Типовим прикладом модуля першого покоління може служити "мотор-редуктор", де редуктор і керований двигун випускаються як єдиний функціональний елемент. Мехатронні системи на основі цих модулів знайшли широке застосування при створенні різних засобів комплексної автоматизації виробництва (конвеєрів, транспортерів, поворотних столів, допоміжних маніпуляторів).

Мехатронні модулі другого рівня з'явилися в 80-х роках у зв'язку з розвитком нових електронних технологій, які дозволили створити мініатюрні датчики і електронні блоки для обробки їх сигналів. Об'єднання приводних модулів з зазначеними елементами привела до появи мехатронних модулів руху, склад яких повністю відповідає введеному вище визначенню, коли досягнута інтеграція трьох пристроїв різної фізичної природи: 1) механічних, 2) електротехнічних і 3) електронних. На базі мехатронних модулів даного класу створені 1) керовані енергетичні машини (турбіни і генератори), 2) верстати і промислові роботи з числовим програмним управлінням.

Розвиток третього покоління мехатронних систем обумовлено появою на ринку порівняно недорогих мікропроцесорів і контролерів на їх базі та направлено на інтелектуалізацію всіх процесів, що протікають в мехатронної системі, в першу чергу процесу управління функціональними рухами машин і агрегатів. Одночасно йде розробка нових принципів і технології виготовлення високоточних і компактних механічних вузлів, а також нових типів електродвигунів (в першу чергу високомоментних безколекторних і лінійних), датчиків зворотного зв'язку і інформації. Синтез нових 1) прецизійних, 2) інформаційних і 3) вимірювальних наукомістких технологій дає основу для проектування і виробництва інтелектуальних мехатронних модулів і систем.

Надалі мехатронні машини і системи будуть об'єднуватися в мехатронні комплекси на базі єдиних інтеграційних платформ. Мета створення таких комплексів - домогтися поєднання високої продуктивності і одночасно гнучкості техніко-технологічного середовища за рахунок можливості її реконфігурації, що дозволить забезпечити, конкурентоспроможність і високу якість продукції, що випускається.

Сучасні підприємства, що приступають до розробки і випуску мехатронних виробів, повинні вирішити в цьому плані такі основні завдання:

Структурна інтеграція підрозділів механічного, електронного та інформаційного профілів (які, як правило функціонували автономно і роз'єднано) в єдині проектні та виробничі колективи;

Підготовка "Мехатронні-орієнтованих" інженерів і менеджерів, здатних до системної інтеграції і керівництву роботою вузькопрофільних фахівців різної кваліфікації;

Інтеграція інформаційних технологій з різних науково-технічних областей (механіка, електроніка, комп'ютерне управління) в єдиний інструментарій для комп'ютерної підтримки мехатронних завдань;

Стандартизація та уніфікація всіх використовуваних елементів і процесів при проектуванні і виробництві МС.

Рішення перерахованих проблем часто вимагає подолання сформованих на підприємстві традицій в управлінні і амбіцій менеджерів середньої ланки, які звикли вирішувати тільки свої вузькопрофільні задачі. Саме тому середні і малі підприємства які можуть легко і гнучко варіювати свою структуру, виявляються більш підготовленими до переходу на виробництво мехатронної продукції.

Схожа інформація.

Мехатроніка виникла як комплексна наука від злиття окремих частин механіки і мікроелектроніки. Її можна визначити як науку, що займається аналізом і синтезом складних систем, в яких в однаковій мірі використовуються механічні і електронні вузли знаходяться.

Все мехатронні системи автомобілів по функціональному призначенню ділять на три основні групи:

- системи управління двигуном;
- системи управління трансмісією і ходовою частиною;
- системи управління обладнанням салону.

Система управління двигуном підрозділяється на системи управління бензиновим і дизельним двигуном. За призначенням вони бувають монофункціональні і комплексні.

У монофункціональних системах ЕБУ подає сигнали тільки системі уприскування. Впорскування може здійснюватися постійно і імпульсами. При постійній подачі палива його кількість змінюється за рахунок зміни тиску в топливопроводе, а при імпульсному - за рахунок тривалості імпульсу і його частоти. На сьогодні одним з найбільш перспективних напрямків докладання систем мехатроніки є автомобілі. Якщо розглядати автомобілебудування, то впровадження подібних систем дозволить прийти до достатньої гнучкості виробництва, краще вловлювати віяння моди, швидше впроваджувати передові напрацювання вчених, конструкторів, і тим самим отримувати нову якість для покупців машин. Сам автомобіль, тим більше, сучасний автомобіль, є об'єктом пильної розгляду з конструкторської точки зору. Сучасне використання автомобіля вимагає від нього підвищених вимог до безпеки управління, в силу все збільшується автомобілізації країн і посилення нормативів по екологічній чистоті. Особливо це актуально для мегаполісів. Відповіддю на сьогоднішні виклики урбанізму і покликані конструкції мобільних стежать систем, контролюючих та коригуючих характеристики роботи вузлів і агрегатів, досягаючи оптимальних показників по екологічності, безпеки, експлуатаційної комфортності автомобіля. Нагальна потреба комплектувати двигуни автомобілів більш складними і дорогими паливними системами багато в чому пояснюється введенням все більш жорстких вимог щодо вмісту шкідливих речовин у відпрацьованих газах, що, на жаль, тільки починає відпрацьовуватися.

У комплексних системах один електронний блок управляє декількома підсистемами: уприскування палива, запалювання, фазами газорозподілу, самодіагностики і ін. Система електронного керування дизельним двигуном контролює кількість палива, що впорскується, момент початку впорскування, ток факельної свічки і т.п. В електронній системі управління трансмісією об'єктом регулювання є головним чином автоматична трансмісія. На підставі сигналів датчиків кута відкриття дросельної заслінки і швидкості автомобіля ЕБУ вибирає оптимальне передавальне число трансмісії, що підвищує паливну економічність і керованість. Управління ходовою частиною включає в себе управління процесами руху, зміни траєкторії і гальмування автомобіля. Вони впливають на підвіску, рульове управління і гальмівну систему, забезпечують підтримку заданої швидкості руху. Управління обладнанням салону покликане підвищити комфортабельність і споживчу цінність автомобіля. З цією метою використовуються кондиціонер повітря, електронна панель приладів, мультифункцией-нальная інформаційна система, Компас, фари, склоочисник з переривчастим режимом роботи, індикатор перегорілих ламп, пристрій виявлення перешкод при русі заднім ходом, протиугінні пристрої, апаратура зв'язку, центральне блокування замків дверей, скло підйомники, сидіння із змінним положенням, режим безпеки і т. Д.

Мехатронні модулі знаходять все більш широке застосування в різних транспортних системах.

Сучасний автомобіль в цілому є мехатронної системою, що включає в себе механіку, електроніку, різні датчики, бортовий комп'ютер, який відстежує і регулює діяльність всіх систем автомобіля, інформує користувача і доводить управління від користувача до всіх систем. Автомобілебудування на сучасному етапі свого розвитку є однією з найперспективніших областей впровадження мехатронних систем в силу підвищеного попиту і зростання автомобілізації населення, а також завдяки наявності конкурентної боротьби між окремими виробниками.

Якщо класифікувати сучасний автомобіль за принципом управління, він відноситься до антропоморфних пристроїв, тому що його рух контролюється людиною. Вже зараз можна сказати, що в доступному для огляду майбутньому автомобілебудування потрібно очікувати появу автомобілів з можливістю автономного управління, тобто з інтелектуальною системою управління рухом.

Жорстка конкуренція на автомобільному ринку змушує фахівців в цій області до пошуку нових передових технологій. На сьогоднішній день, однією з головних проблем для розробників полягає в створенні «розумних» електронних пристроїв, здатних скоротити число дорожньо-транспортних пригод (ДТП). Підсумком роботи в цій галузі стало створення системи комплексної безпеки автомобіля (СКБА), яка здатна автоматично підтримувати задану дистанцію, зупиняти машину при червоному сигналі світлофора, попереджати водія про те, що він долає поворот на швидкості, більш високою, ніж це допустимо законами фізики. Були розроблені навіть датчики удару з радіосігналізатором, який при наїзді автомобіля на перешкоду або зіткненні викликає машину швидкої допомоги.

Всі ці електронні пристрої запобігання ДТП діляться на дві категорії. Перша включає прилади в автомобілі, що діють незалежно від будь-яких сигналів зовнішніх джерел інформації (інших автомобілів, інфраструктури). Вони обробляють інформацію, що надходить від бортового радіолокатора (радара). Друга категорія - системи, дія яких заснована на даних, отриманих від джерел інформації, розташованих поблизу дороги, зокрема від маяків, які збирають відомості про дорожню обстановку і передають їх за допомогою інфрачервоних променів в проїжджаючі автомобілі.

СКБА об'єднала нове покоління перерахованих вище пристроїв. Вона приймає як сигнали радара, так і інфрачервоні промені «думаючих» маяків, а на додаток до основних функцій забезпечує невпинне і спокійне для водія рух на нерегульованих перехрестях доріг і вулиць, обмежує швидкість руху на поворотах і в житлових районах межами встановлених швидкісних лімітів. Як все автономні системи, СКБА вимагає, щоб автомобіль був обладнаний антиблокувальною системою гальм (АБС) і автоматичною коробкою передач.

СКБА включає лазерний далекомір, постійно вимірює відстань між автомобілем та будь-якою перешкодою по ходу - рухомим або нерухомим. Якщо наїзд імовірний, а водій не уповільнює швидкість, мікропроцесор дає команду скинути тиск на педаль акселератора, включити гальма. Невеликий екран на панелі приладів спалахує попередженням про небезпеку. За бажанням водія бортовий комп'ютер може встановлювати безпечну дистанцію в залежності від дорожнього покриття - вологого або сухого.

СКБА (ріс.5.22) здатна керувати автомобілем, орієнтуючись на білі лінії розмітки дорожнього покриття. Але для цього необхідно, щоб вони були чіткими, оскільки постійно «зчитуються» знаходиться на борту відеокамерою. Обробка зображення потім визначає положення машини щодо ліній, а електронна система відповідно до цього впливає на рульове керування.

Бортові приймачі інфрачервоних променів СКБА діють при наявності передавачів, розміщених через певні інтервали уздовж проїжджої дороги. Промені поширюються прямолінійно і на невелику відстань (приблизно до 120 м), а дані, що передаються закодованими сигналами, неможливо ні заглушити, ні спотворити.

Мал. 5.22. Система комплексної безпеки автомобіля: 1 - приймач інфрачервоних променів; 2 - датчик погоди (дощ, вологість); 3 - привід дросельної заслінки системи харчування; 4 - комп'ютер; 5 - допоміжний електроклапан в приводі гальм; 6 - АБС; 7 - далекомір; 8 - автоматична коробка передач; 9 - датчик швидкості автомобіля; 10 - допоміжним електроклапан рульового управління; 11 - датчик акселератора; 12 - датчик рульового управління; 13 - стіл-сигнал; 14 - комп'ютер електронного бачення; 15 - телевізійна камера; 16 - екран.

На рис. 5.23 представлений датчик погоди фірми «Boch». Залежно від моделі всередину поміщають інфрачервоний світлодіод і один - три фотоприймача. Світлодіод випускає невидимий промінь під гострим кутом до поверхні вітрового скла. Якщо на вулиці сухо, весь світ відбивається назад і потрапляє на фотоприймач (так розрахована оптична система). Оскільки промінь модулирован імпульсами, то на стороннє світло датчик не зреагує. Але якщо на склі є краплі або шар води, умови заломлення змінюються, і частина світла йде в простір. Це фіксується сенсором, і контролер розраховує відповідний режим роботи склоочисника. Попутно даний прилад може закрити електролюк в даху, підняти скла. Датчик має ще 2 фотоприймача, які інтегровані в загальний корпус з датчиком погоди. Перший призначений для автоматичного включення фар, коли сутеніє або автомобіль в'їжджає в тунель. Другий, перемикає «дальній» і «ближній» світло. Задіяні ці функції, залежить, від конкретної моделі автомобіля.

Ріс.5.23. Принцип роботи датчика погоди

Антиблокувальні гальмівні системи (АБС), її необхідні компоненти - датчики швидкості колеса, електронний процесор (блок керування), сервоклапани, гідравлічний насос з електричним приводом і акумулятор тиску. Деякі ранні АБС були "триканальні", тобто управляли передніми гальмівними механізмами індивідуально, але розгальмовує повністю все задні гальмівні механізми при початку блокування будь-якого із задніх коліс. Це заощаджувало кілька вартості і ускладнення конструкції, але дало більш низьку ефективність у порівнянні з повною чотирьохканальної системою, в якій кожен гальмівний механізм управляється індивідуально.

АБС має багато спільного з протівобуксовочной системою (ПБС), дія якого могло б розглядатися як "АБС навпаки", так як ПБС працює за принципом виявлення моменту початку швидкого обертання одного з коліс в порівнянні з іншим (моменту початку пробуксовування) і подачі сигналу на пригальмовування цього колеса. Датчики швидкості колеса можуть бути загальними, і тому найбільш ефективний спосіб запобігати пробуксовку ведучого колеса зменшенням його швидкості полягає в тому, щоб застосувати миттєве (і якщо необхідно, повторне) дію гальма, гальмівні імпульси можуть бути отримані від блоку клапанів АБС. Насправді, якщо присутній АБС, це все, що потрібно, щоб забезпечити і ПБС - плюс деякий додаткове програмне забезпечення і додатковий блок управління, щоб зменшити при необхідності крутний момент двигуна або скоротити кількість підводиться палива, або здійснити пряме втручання в систему управління педаллю газу .

На рис. 5.24 представлена \u200b\u200bсхема електронної системи харчування автомобіля: 1 - реле запалювання; 2 - центральний перемикач; 3 - акумуляторна батарея; 4 - нейтралізатор відпрацьованих газів; 5 - датчик кисню; 6 - повітряний фільтр; 7 - датчик масової витрати повітря; 8 - колодка діагностики; 9 - регулятор холостого ходу; 10 - датчик положення дросельної заслінки; 11 - дросельний патрубок; 12 - модуль запалювання; 13 - датчик фаз; 14 - форсунка; 15 - регулятор тиску палива; 16 - датчик температури ОЖ; 17 - свічка; 18 - датчик положення коленвала; 19 - датчик детонації; 20 - паливний фільтр; 21 - контролер; 22 - датчик швидкості; 23 - паливний насос; 24 - реле включення паливного насоса; 25 - бензобак.

Мал. 5.24. Спрощена схема системи упорскування

Одною з складових частин СКБА є подушка безпеки (див. Ріс.5.25.), Елементи якої розміщені в різних частинах автомобіля. Інерційні датчики, що знаходяться в бампері, у моторного щита, в стійках або в районі підлокітника (в залежності від моделі автомобіля), в разі аварії посилають сигнал на електронний блок управління. У більшості сучасних СКБА фронтальні датчики розраховані на силу удару на швидкості від 50 км / год. Бічні спрацьовують при більш слабких ударах. Від електронного блоку управління сигнал слід на основний модуль, який складається з компактно покладеної подушки, з'єднаної з газогенератором. Останній являє собою таблетку діаметром близько 10 см і товщиною близько 1 см з кристалічним азотгенерірующім речовиною. Електричний імпульс підпалює в «таблетці» пиропатрон або плавить дріт, і кристали зі швидкістю вибуху перетворюються в газ. Весь описаний процес відбувається дуже швидко. «Середня» подушка наповнюється за 25 мс. Поверхня подушки європейського стандарту мчить назустріч грудній клітці і віч зі швидкістю близько 200 км / ч, а американського - близько 300. Тому в машинах, обладнаних подушкою безпеки, виробники настійно радять пристібатися і не сидіти впритул до керма або торпедо. У найбільш «просунутих» системах є пристрої, що ідентифікують наявність пасажира або дитячого крісла і, відповідно, або відключають, або коригувальні ступінь надування.

Ріс.5.25 Автомобільна подушка безпеки:

1 - натягач ременя безпеки; 2 - надувна подушка безпеки; 3 - надувна подушка безпеки; для водія; 4 - блок управління і центральний датчик; 5 - виконавчий модуль; 6 - інерційні датчики

Більш детально з сучасної автомобільної МС можна ознайомитися в посібнику.

Крім звичайних автомобілів велика увага приділяється створенню легких транспортних засобів (ЛТС) з електроприводом (іноді їх називають нетрадиційними). До цієї групи транспортних засобів відносяться електровелосипеди, ролери, інвалідні коляски, електромобілі з автономними джерелами живлення. Розробку таких мехатронних систем веде Науково-інженерний центр "Мехатроніка" в кооперації з рядом організацій. ЛТС є альтернативою транспорту з двигунами внутрішнього згоряння і використовуються в даний час в екологічно чистих зонах (лікувально-оздоровчих, туристичних, виставкових, паркових комплексах), а також в торгових і складських приміщеннях. Технічна характеристика дослідного зразка електровелосипеда:

Максимальна швидкість 20 км / год,

Номінальна потужність приводу 160 Вт,

Номінальна частота обертання 160 об / хв,

Максимальний крутний момент 18 Нм,

Маса двигуна 4.7 кг,

Акумуляторна батарея 36В, 6 А * год,

Рух в автономному режимі 20 км.

Основою для створення ЛТС є мехатронні модулі типу "мотор-колесо" на базі, як правило, високомоментних електродвигунів.

Морський транспорт. МС знаходять все більш широке застосування для інтенсифікації праці екіпажів морських і річкових суден, пов'язаних з автоматизацією і механізацією основних технічних засобів, до яких відносяться головна енергетична установка з обслуговуючими системами і допоміжними механізмами, електроенергетична система, загальносуднових системи, кермові пристрої та двигуни.

Комплексні автоматичні системи утримання судна на заданій траєкторії (СУЗТ) або судна, призначеного для дослідження Світового океану, на заданій лінії профілю (СУЗП) відносяться до систем, які забезпечують третій рівень автоматизації управління. Застосування таких систем дозволяє:

Підвищити економічну ефективність морських транспортних перевезень за рахунок реалізації найкращої траєкторії, руху судна з урахуванням навігаційних і гідрометеорологічних умов плавання;

Підвищити економічну ефективність океанографічних, гідрографічних і морських геологорозвідувальних робіт за рахунок збільшення точності утримання судна на заданій лінії профілю, розширення діапазону ветроволнових збурень, при яких забезпечується необхідну якість управління, і збільшення робочої швидкості судна;

Вирішувати завдання реалізації оптимальної траєкторії руху судна при розбіжності з небезпечними об'єктами; підвищити безпеку мореплавання поблизу навігаційних небезпек за рахунок більш точного управління рухом судна.

Комплексні автоматичні системи управління рухом за заданою програмою геофізичних досліджень (АСУД) призначені для автоматичного виведення судна на задану лінію профілю, автоматичного утримання геолого-геофізичного судна на досліджуваній лінії профілю, маневрування при переходах з однієї лінії профілю на іншу. Вже згадана система дозволяє підвищити ефективність і якість морських геофізичних досліджень.

У морських умовах неможливе застосування звичайних методів попередньої розвідки (пошукова партія або детальна аерофотозйомка), тому найбільш широке поширення отримав сейсмічний метод геофізичних досліджень (рис. 5.26). Геофізичне судно 1 буксирує на кабель-тросі 2 пневматичну гармату 3, що є джерелом сейсмічних коливань, сейсмографную косу 4, на якій розміщені приймачі відображених сейсмічних коливань, і кінцевий буй 5. Профілі дна визначають за допомогою реєстрації інтенсивності сейсмічних коливань, відбитих від прикордонних шарів 6 різних порід.

Ріс.5.26. Схема проведення геофізичних досліджень.

Для отримання достовірної геофізичної інформації судно повинно добре змащувати заданому положенні відносно дна (лінії профілю) з високою точністю, незважаючи на малу швидкість руху (3-5 уз) і наявність буксируваних пристроїв значної довжини (до 3 км) з обмеженою механічною міцністю.

Фірмою «Анжутц» розроблена комплексірованние МС, що забезпечує утримання судна на заданій траєкторії. На рис. 5.27 представлена \u200b\u200bструктурна схема цієї системи, в яку входять: гірокомпас 1; лаг 2; прилади навігаційних комплексів, що визначають положення судна (два і більше) 3; Авторульовий 4; міні-ЕОМ 5 (5а - інтерфейс, 5б - центральне пристрій, 5в - центральний процесорний блок); зчитувач перфострічки 6; графічний пристрій 7; дисплей 8; клавіатура 9; рульова машина 10.

За допомогою даної системи можна автоматично вивести судно на запрограмовану траєкторію, яка задається оператором за допомогою клавіатури, яка визначає географічні координати точок повороту. У цій системі незалежно від інформації, що надходить від якої-небудь однієї групи приладів традиційного радіонавігаційного комплексу або пристроїв супутникового зв'язку, що визначає положення судна, обчислюються координати ймовірного положення судна за даними, що видаються гірокомпасом і лагом.

Ріс.5.27. Структурна схема комплексірованние МС утримання судна на заданій траєкторії

Управління курсом за допомогою даної системи здійснюється авторульовим, на вхід якого надходить інформація про величину заданого курсу ψзад, формована міні-ЕОМ з урахуванням помилки по положенню судна. Система зібрана в пульті управління. У верхній його частині розміщений дисплей з органами настройки оптимального зображення. Нижче, на похилому полі пульта, розташований Авторульовий з рукоятками управління. На горизонтальному полі пульта знаходиться клавіатура, за допомогою якої здійснюється введення програм в міні-ЕОМ. Тут же розміщений перемикач, за допомогою якого проводиться вибір режиму управління. У цокольній частині пульта розташовані міні-ЕОМ і інтерфейс. Вся периферійна апаратура розміщується на спеціальних підставках або інших пультах. Вже згадана система може працювати в трьох режимах: «Курс», «Монітор» і «Програма». У режимі «Курс» здійснюється утримання заданого курсу за допомогою авторульового за показаннями гірокомпас. Режим «Монітор» вибирається тоді, коли готується перехід на режим «Програма», коли цей режим переривається або коли перехід з даного режиму закінчений. На режим «Курс» переходять, коли виявляються несправності міні-ЕОМ, джерел живлення або радіонавігаційного комплексу. В цьому режимі Авторульовий працює незалежно від міні-ЕОМ. У режимі «Програма» відбувається управління курсом за даними радіонавігаційних приладів (датчиків положення) або гірокомпас.

Обслуговування системи утримання судна на ЗТ здійснюється оператором з пульта. Вибір групи датчиків для визначення положення судна проводиться оператором за рекомендаціями, представленим на екрані дисплея. У нижній частині екрана наводиться список всіх дозволених для даного режиму команд, які можуть вводитися за допомогою клавіатури. Випадкове натискання будь-якої забороненої клавіші блокується ЕОМ.

Авіаційна техніка. Успіхи, досягнуті в розвитку авіаційної і космічної техніки з одного боку і необхідність зниження вартості цільових операцій з іншого, стимулювали розробки нового виду техніки - дистанційно пілотованих літальних апаратів (ДПЛА).

На рис. 5.28 представлена \u200b\u200bструктурна схема системи дистанційного керування польотом ДПЛА - HIMAT. Основним компонентом системи дистанційного пілотування HIMAT є наземний пункт дистанційного керування. Параметри польоту ДПЛА надходять в наземний пункт по лінії радіозв'язку від літального апарату, приймаються і декодуються станцією обробки телеметрії і передаються в наземну частину обчислювальної системи, а також на прилади індикації інформації в наземному пункті управління. Крім цього, з борта ДПЛА надходить відображається за допомогою телевізійної камери картина зовнішнього огляду. Телевізійне зображення, висвічується на екрані наземного робочого місця людини-оператора, використовується для керування літальним апаратом при повітряних маневрах, заході на посадку і при самій посадці. Кабіна наземного пункту дистанційного керування (робоче місце оператора) обладнана приладами, що забезпечують індикацію інформації про політ і стан апаратури комплексу ДПЛА, а також засобами для керування літальним апаратом. Зокрема, в розпорядженні людини-оператора є ручки і педалі керування літальним апаратом по крену і тангажу, а також ручка управління двигуном. При виході з ладу основної системи управління подача команд системи управління відбувається за допомогою спеціального пульта дискретних команд оператора ДПЛА.

Ріс.5.28. Система дистанційного пілотування ДПЛА HIMAT:

носій У-52; 2 - резервна система управління на літаку TF-104G; 3 - лінія телеметричної зв'язку з землею; 4 - ДПЛА HIMAT; 5 - лінії телеметричної зв'язку з ДПЛА; 5 - наземний пункт дістаціонного пілотування

В якості автономної навігаційної системи, що забезпечує числення шляху, використовуються доплеровские вимірювачі шляховий швидкості і кута зносу (ДПСС). Така навігаційна система використовується спільно з курсовою системою, що вимірює курс датчиком вертикалі, формує сигнали крену і тангажа, і бортовий ЕОМ, що реалізує алгоритм числення шляху. У сукупності ці пристрої утворюють доплерівську навігаційну систему (див. Ріс.5.29). Що б підвищити надійність і точність вимірювання поточних координат літального апарату, ДІСС може об'єднуватися з вимірювачами швидкості

Ріс.5.29. Схема доплеровской навігаційної системи

Мініатюризація електронних елементів, створення і серійний випуск спеціальних типів датчиків і індикаторних пристроїв, надійно працюють у важких умовах, а також різке здешевлення мікропроцесорів (в тому числі і спеціально призначених для автомобілів) створили умови для перетворення транспортних засобів в МС досить високого рівня.

Високошвидкісний наземний транспорт на магнітному підвісі є наочним прикладом сучасної мехатронної системи. Поки єдина в світі комерційна транспортна система такого роду введена в експлуатацію в Китаї у вересні 2002 р і з'єднує міжнародний аеропорт Пудонг з центром міста Шанхай. Система була розроблена, виготовлена \u200b\u200bі випробувана в Німеччині, після чого вагони поїзда були переправлені в Китай. Направляючий шлях, розташований на високій естакаді, виготовлявся на місці в Китаї. Поїзд розганяється до швидкості 430 км / год і пролітає шлях довжиною 34 км за 7 хвилин (максимальна швидкість може досягати 600 км / ч). Поїзд ширяє над напрямних шляхом, тертя об шлях відсутня, і основний опір руху надає повітря. Тому поїзду додана аеродинамічна форма, стики між вагонами закриті (ріс.5.30).

Щоб у разі аварійного відключення електроживлення поїзд не впав на направляючий шлях, в ньому передбачені потужні акумуляторні батареї, енергії яких досить для плавної зупинки поїзда.

За допомогою електромагнітів відстань між поїздом і напрямних шляхом (15 мм) під час руху витримується з точністю до 2 мм, що дозволяє повністю виключити вібрацію вагонів навіть на максимальної швидкості. Кількість і параметри підтримують магнітів є комерційною таємницею.

Мал. 5.30. Поїзд на магнітному підвісі

Транспортна система на магнітному підвісі повністю управляється комп'ютером, так як на такій високій швидкості людина не встигає реагувати на виникаючі ситуації. Комп'ютер керує і розгоном-гальмуванням поїзда, враховуючи також повороти шляху, тому пасажири не відчувають дискомфорту при виникають прискореннях.

Описана транспортна система відрізняється високою надійністю і небувалою чіткістю виконання розкладу руху. За три перші роки експлуатації було перевезено понад 8 мільйонів пасажирів.

На сьогоднішній день, лідерами в технології маглев (використовується на Заході скорочення від слів «магнітна левітація») є Японія і Німеччина. В Японії маглев поставив світовий рекорд швидкості рейкового транспорту - 581 км / ч. Але далі встановлення рекордів Японія поки не просунулася, поїзди курсують лише за експериментальними лініях в префектурі Яманасі, загальною протяжністю близько 19 км. У Німеччині розвитком технології маглев займається компанія Transrapid. Хоча в самій Німеччині комерційна версія маглева не прижилася, поїзди експлуатуються на випробувальному полігоні в Емсланд компанією Transrapid, яка вперше в світі успішно реалізувала комерційну версію маглев в Китаї.

Як приклад вже існуючих транспортних мехатронних систем (ТМС) з автономним управлінням можна привести машину-робота компанії VisLab і лабораторії машинного зору і інтелектуальних систем університету Парми.

Чотири машини-робота виконали безпрецедентний для автономних транспортних засобів шлях в 13 тисяч кілометрів від італійської Парми до Шанхая. Цей експеримент був покликаний стати жорстким тестом для інтелектуальної системи автономного водіння ТМС. Її випробування проходило і в міському трафіку, наприклад, в Москві.

Машини-роботи були побудовані на базі мікроавтобусів (ріс.5.31). Від звичайних машин вони відрізнялися не тільки автономним управлінням, а й чистої електротягою.

Мал. 5.31. Автомобіль з автономним управлінням компанії VisLab

На даху ТМС були розташовані сонячні батареї для живлення критично важливого обладнання: робототехнической системи, яка обертає кермо і тиснуть на педалі газу і гальма, так і комп'ютерних компонентів машини. Іншу енергію поставляли електричні розетки по ходу подорожі.

Кожен автомобіль-робот був оснащений чотирма лазерними сканерами спереду, двома парами стереокамер, що дивляться вперед і назад, трьома камерами, які охоплюють 180-градусний сектор огляду в передній «півсфері» і системою супутникової навігації, а також набором комп'ютерів і програм, що дозволяють машині приймати рішення в тих чи інших ситуаціях.

Ще один приклад транспортної мехатронної системи з автономним управлінням - це роботизований електромобіль RoboCar MEV-C японського підприємства ZMP (ріс.5.32).

Ріс.5.32. Роботизований електромобіль RoboCar MEV-C

Виробник позиціонує дану ТМС як машину для подальших передових розробок. До складу пристрою автономного управління входять такі компоненти: стереокамера, 9-вісний бездротової датчик руху, GPS-модуль, сенсор температури і вологості, лазерний далекомір, чіпи Bluetooth, Wi-Fi і 3G, а також протокол CAN, який координує спільну роботу всіх компонентів . Розміри RoboCar MEV-C складають 2,3 x 1,0 x 1,6 м, він важить 310 кг.

Сучасним представником транспортної мехатронної системи є трансскутер, що відноситься до класу легких транспортних засобів з електроприводом.

Трансскутери - новий різновид трансформованих багатофункціональних наземних транспортних засобів індивідуального користування з електроприводом, переважно призначених для осіб з обмеженими фізичними можливостями (ріс.5.33). Основною відмінною рисою трансскутера від інших наземних транспортних засобів є можливість прохідності по сходових маршах і реалізації принципу багатофункціональності, а значить, і трансформований в широкому діапазоні.

Мал. 5.33. Зовнішній вигляд одного з зразків трансскутера сімейства «Кенгуру»

Рушій трансскутера виконаний на базі мехатронного модуля типу «мотор-колесо». Функції і, відповідно, зміни, що забезпечуються трансскутерамі сімейства «Кенгуру», такі (ріс.5.34):

- «Скутер» - рух з великою швидкістю на довгій базі;

- «Крісло» - маневрування на короткій базі;

- «Баланс» - рух стоячи в режимі гіростабілізаціі на двох колесах;

- «Компакт-вертикаль» - рух стоячи на трьох колесах в режимі гіростабілізаціі;

- «Поребрик» - подолання поребрика відразу стоячи або сидячи ( окремі моделі мають додаткову функцію «Косий поребрик» - подолання поребрика під кутом до 8 градусів);

- «Сходи вгору» - підйом по східцях сходів переднім ходом, сидячи або стоячи;

- «Сходи вниз» - спуск по сходах сходів переднім ходом, сидячи;

- «За столом» - низька посадка, ноги на підлозі.

Мал. 5.34. Основні конфігурації трансскутера на прикладі одного з варіантів його виконання

У складі трансскутера в середньому 10 компактних високомоментних електроприводів з мікропроцесорним управлінням. Всі приводи однотипні - вентильні двигуни постійного струму, керовані за сигналами з датчиків Холла.

Для управління такими апаратами використовується багатофункціональна мікропроцесорна система управління (СУ) з бортовим комп'ютером. Архітектура системи управління трансскутером є дворівневою. Нижній рівень - обслуговування безпосередньо самого приводу, верхній рівень - злагоджена робота приводів за заданою програмою (алгоритмом), тестування і контроль роботи системи і датчиків; зовнішній інтерфейс - віддалений доступ. В якості контролера верхнього рівня ( бортового комп'ютера) Використовується PCM-3350 фірми Advantech, виконаний у форматі PC / 104. В якості контролера нижнього рівня - спеціалізований мікроконтролер TMS320F2406 фірми Texas Instruments для управління електродвигунами. Загальна кількість контролерів нижнього рівня, що відповідають за роботу окремих блоків, - 13: десять контролерів управління приводами; контролер рульової головки, що відповідає також за індикацію виведеної інформації на дисплей; контролер визначення залишкової ємності акумуляторної батареї; контролер заряду і розряду акумуляторної батареї. Обмін даними між бортовим комп'ютером трансскутера і периферійними контролерами підтримується по загальній шині з CAN-інтерфейсом, що дозволяє мінімізувати кількість провідників і досягти реальної швидкості передачі даних 1 Мбіт / с.

Завдання бортового комп'ютера: управління електроприводами, обслуговування команд від рульової головки; розрахунок і виведення на індикацію залишкового заряду акумуляторної батареї; рішення траєкторної завдання для пересування по сходах; можливість віддаленого доступу. За допомогою бортового комп'ютера реалізуються такі окремі програми:

Розгону і гальмування скутера з керованим прискоренням / уповільненням, яке персонально адаптується для користувача;

Програма, що реалізує алгоритм роботи задніх коліс при поворотах;

Поздовжньої і поперечної гіростабілізаціі;

Подолання поребрика вгору і вниз;

Рухи по сходах вгору і вниз,

Адаптації до розмірів сходинок;

Ідентифікації параметрів сходів;

Зміни колісної бази (від 450 до 850 мм);

Моніторингу датчиків скутера, блоків керування приводами, акумуляторної батареї;

Емуляції на основі показників датчиків роботи паркувального радара;

Віддаленого доступу до керуючих програм, зміни параметрів настройки через Інтернет.

Трансскутер має в своєму складі 54 датчика, що дозволяють йому пристосуватися до навколишньому середовищу. Серед них: датчики Холла, вбудовані в вентильні електродвигуни; абсолютні датчики кута, що визначають положення складових частин трансскутера; резистивний датчик повороту керма; інфрачервоний датчик відстані для паркувального радара; інклінометр, що дозволяє визначати нахил скутера під час руху; акселерометр і датчик кутової швидкості, службовці для управління гіростабілізаціей; радіочастотний приймач для дистанційного керування; резистивний датчик лінійного переміщення для визначення положення крісла щодо рами; шунти для вимірювання струму двигунів і залишкової ємності акумулятора; потенциометрический задатчик швидкості руху; тензометричний датчик ваги для контролю розваговки апарату.

Загальна блок-схема СУ представлена \u200b\u200bна ріс.5.35.

Мал. 5.35. Блок-схема СУ трансскутером сімейства «Кенгуру»

Умовні позначення:

RMC - абсолютні датчики кута, ДХ - датчики Холла; БУ - блок управління; РКІ - рідкокристалічний індикатор; МКЛ - мотор-колесо ліве; МКП - мотор-колесо праве; BMS - система управління живленням; LAN - порт для зовнішнього підключення бортового комп'ютера з метою програмування, налаштування і т.п .; Т - гальмо електромагнітний.

], Область науки і техніки, заснована на синергетичному об'єднанні вузлів точної механіки з електронними, електротехнічними і комп'ютерними компонентами, що забезпечує проектування і виробництво якісно нових модулів, систем та машин з інтелектуальним керуванням їх функціональними рухами. Термін «Мехатроніка» (англ. «Mechatronics», ньому. «Mechatronik») був введений японською фірмою «Yaskawa Electric Corp. » в 1969 році і зареєстрований як торгова марка в 1972 році. Відзначимо, що у вітчизняній технічній літературі ще в 1950-х рр. використовувався подібним же чином утворений термін - «МЕХАНОТРОН» (електронні лампи з рухомими електродами, які застосовувалися в якості датчиків вібрацій і т. п.). Мехатронні технології включають проектно-конструкторські, виробничі, інформаційні та організаційно-економічні процеси, які забезпечують повний життєвий цикл мехатронних виробів.

Предмет і метод мехатроніки

Головне завдання мехатроніки як напрямки сучасної науки і техніки полягає у створенні конкурентоспроможних систем управління рухом різноманітних механічних об'єктів і інтелектуальних машин, які мають якісно новими функціями і властивостями. Метод мехатроніки полягає (при побудові мехатронних систем) в системній інтеграції і використанні знань з раніше відокремлених наукових і інженерних областей. До їх числа відносяться прецизійна механіка, електротехніка, гідравліка, пневматика, інформатика, мікроелектроніка та комп'ютерне управління. Мехатронні системи будуються шляхом синергетичної інтеграції конструктивних модулів, технологій, енергетичних та інформаційних процесів, починаючи зі стадії їх проектування та закінчуючи виробництвом і експлуатацією.

У 1970-80-х рр. три базисних напрямки - осі мехатроніки (точна механіка, електроніка та інформатика) інтегрувалися попарно, утворивши три гібридних напрямки (на рис. 1 показані бічними гранями піраміди). Це електромеханіка (об'єднання механічних вузлів з електротехнічними виробами та електронними блоками), комп'ютерні системи управління (апаратно-програмне об'єднання електронних і керуючих пристроїв), а також системи автоматизованого проектування (САПР) механічних систем. Потім - уже на стику гібридних напрямків - виникає мехатроніка, становлення якої як нового науково-технічного напрямку починається з 1990-х рр.

Елементи мехатронних модулів і машин мають різну фізичну природу (механічні перетворювачі рухів, двигуни, інформаційні та електронні блоки, вузли знаходяться), що визначає міждисциплінарну науково-технічну проблематику мехатроніки. Міждисциплінарні завдання визначають і зміст освітніх програм з підготовки та підвищення кваліфікації фахівців, які орієнтовані на системну інтеграцію пристроїв і процесів в мехатронних системах.

Принципи побудови і тенденції розвитку

Розвиток мехатроніки є пріоритетним напрямком сучасної науки і техніки в усьому світі. У нашій країні мехатронні технології як основа побудови роботів нового покоління включені в число критичних технологій РФ.

До числа актуальних вимог до мехатронним модулів і систем нового покоління слід віднести: виконання якісно нових службових і функціональних завдань; інтелектуальне поведінка в умовах, що змінюються і невизначених зовнішніх середовищах на основі нових методів управління складними системами; надвисокі швидкості для досягнення нового рівня продуктивності технологічних комплексів; високоточні руху з метою реалізації нових прецизійних технологій, аж до мікро- і нанотехнологій; компактність і мініатюризація конструкцій на основі застосування микромашин; підвищення ефективності багатокоординатних мехатронних систем на базі нових кінематичних структур і конструктивних компоновок.

Побудова мехатронних модулів і систем ґрунтується на принципах паралельного проектування (англ. - concurrent engineering), виключення багатоступеневих перетворень енергії та інформації, конструктивного об'єднання механічних вузлів з цифровими електронними блоками і керуючими контролерами в єдині модулі.

Ключовим принципом проектування є перехід від складних механічних пристроїв до комбінованим рішенням, заснованим на тісній взаємодії більш простих механічних елементів з електронними, комп'ютерними, інформаційними та інтелектуальними компонентами і технологіями. Комп'ютерні та інтелектуальні пристрої надають мехатронної системі гнучкість, оскільки їх легко перепрограмувати під нове завдання, і вони здатні оптимізувати властивості системи при змінюються і невизначених факторах, що діють з боку зовнішнього середовища. Важливо відзначити, що за останні роки ціна таких пристроїв постійно знижується при одночасному розширенні їхніх функціональних можливостей.

Тенденції розвитку мехатроніки пов'язані з появою нових фундаментальних підходів і інженерних методів вирішення завдань технічної і технологічної інтеграції пристроїв різної фізичної природи. Компонування нового покоління складних мехатронних систем формується з інтелектуальних модулів ( «кубиків мехатроніки»), які об'єднують в одному корпусі виконавчі і інтелектуальні елементи. Управління рухом систем здійснюється за допомогою інформаційних середовищ для підтримки рішень мехатронних завдань і спеціального програмного забезпечення, що реалізує методи комп'ютерного та інтелектуального управління.

Класифікація мехатронних модулів по структурним ознаками представлена \u200b\u200bна рис. 2.

Модуль руху - конструктивно і функціонально самостійний електромеханічний вузол, що включає в себе механічну і електричну (електротехнічну) частини, який можна використовувати як сепаратний блок, так і в різних комбінаціях з іншими модулями. Головною відмінністю модуля руху від загальнопромислового електропривода є використання вала двигуна в якості одного з елементів механічного перетворювача руху. Прикладами модулів руху є мотор-редуктор, мотор-колесо, мотор-барабан, Електрошпинделі верстата.

Мотор-редуктори є історично першими за принципом своєї побудови мехатронних модулями, які стали серійно випускати, і до теперішнього часу знаходять широке застосування в приводах різних машин і механізмів. У мотор-редукторі вал є конструктивно єдиним елементом для двигуна і перетворювача руху, що дозволяє виключити традиційну сполучну муфту, домагаючись таким чином компактності; при цьому істотно зменшується кількість приєднувальних деталей, а також витрати на установку, налагодження та запуск. У мотор-редукторах як електродвигунів найбільш часто використовують асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором і регульованим перетворювачем частоти обертання валу, однофазні двигуни і двигуни постійного струму. В якості перетворювачів руху застосовуються зубчасті циліндричні і конічні, черв'ячні, планетарні, хвильові і гвинтові передачі. Для захисту від дії раптових перевантажень встановлюють обмежувачі крутного моменту.

Мехатронні модуль руху - конструктивно і функціонально самостійний виріб, що включає в себе керований двигун, механічне та інформаційне пристрої (рис. 2). Як випливає з даного визначення, в порівнянні з модулем руху, до складу мехатронного модуля руху додатково вбудовано інформаційний пристрій. Інформаційне пристрій включає датчики сигналів зворотних зв'язків, а також електронні блоки для обробки сигналів. Прикладами таких датчиків можуть служити фотоімпульсние датчики (енкодери), оптичні лінійки, обертові трансформатори, датчики сил і моментів і т. Д.

Важливим етапом розвитку мехатронних модулів руху стали розробки модулів типу «двигун-робочий орган». Такі конструктивні модулі мають особливе значення для технологічних мехатронних систем, метою руху яких є реалізація цілеспрямованого впливу робочого органу на об'єкт робіт. Мехатронні модулі руху типу «двигун-робочий орган» широко застосовують у верстатах під назвою мотор-шпинделі.

Інтелектуальний Мехатронні модуль (ІММ) - конструктивно і функціонально самостійний виріб, побудоване шляхом синергетичної інтеграції рухової, механічної, інформаційної, електронної та керуючої частин.

Таким чином, у порівнянні з Мехатронні модулями руху, в конструкцію ІММ додатково вбудовуються керуючі і силові електронні пристрої, що надає цим модулям інтелектуальні властивості (рис. 2). До групи таких пристроїв можна віднести цифрові обчислювальні пристрої (мікропроцесори, сигнальні процесори і т. П.), Електронні силові перетворювачі, пристрої сполучення і зв'язку.

Застосування інтелектуальних мехатронних модулів дає мехатронним системам і комплексам ряд принципових переваг: здатність ІММ виконувати складні рухи самостійно, без звернення до верхнього рівня управління, що підвищує автономність модулів, гнучкість і живучість мехатронних систем, що працюють в умовах, що змінюються і невизначених умовах зовнішнього середовища; спрощення комунікацій між модулями і центральним пристроєм управління (аж до переходу до бездротових комунікацій), що дозволяє домагатися підвищеної перешкодозахищеності мехатронної системи і її здатності до швидкої реконфігурації; підвищення надійності та безпеки мехатронних систем завдяки комп'ютерній діагностиці несправностей і автоматичної захисту в аварійних і позаштатних режимах роботи; створення на основі ІММ розподілених систем управління із застосуванням мережевих методів, апаратно-програмних платформ на базі персональних комп'ютерів і відповідного програмного забезпечення; використання сучасних методів теорії управління (адаптивних, інтелектуальних, оптимальних) безпосередньо на виконавчому рівні, що істотно підвищує якість процесів управління в конкретних реалізаціях; інтелектуалізація силових перетворювачів, що входять до складу ІММ, для реалізації безпосередньо в мехатронних модулі інтелектуальних функцій з управління рухом, захисту модуля в аварійних режимах і діагностики несправностей; інтелектуалізація сенсорів для мехатронних модулів дозволяє домогтися більш високої точності вимірювання, програмним шляхом забезпечивши в самому сенсорному модулі фільтрацію шумів, калібрування, линеаризацию характеристик вхід / вихід, компенсацію перехресних зв'язків, гистерезиса і дрейфу нуля.

мехатронні системи

Мехатронні системи і модулі увійшли як в професійну діяльність, так і в повсякденному житті сучасної людини. Сьогодні вони знаходять широке застосування в самих різних областях: автомобілебудування (автоматичні коробки передач, антиблокувальні пристрої гальм, приводні модулі «мотор-колесо», системи автоматичного паркування); промислова і сервісна робототехніка (мобільні, медичні, домашні та інші роботи); периферійні пристрої комп'ютерів і офісна техніка: принтери, сканери, CD-дисководи, копіювальні та факсимільні апарати; виробниче, технологічне і вимірювальне обладнання; домашня побутова техніка: пральні, швейні, посудомийні машини і автономні пилососи; медичні системи (наприклад, обладнання для робото-асистував хірургії, коляски і протези для інвалідів) і спортивні тренажери; авіаційна, космічна і військова техніка; мікросистеми для медицини і біотехнології; ліфтове й складське устаткування, автоматичні двері в готелях аеропортах, вагонах метро і поїздів; транспортні пристрої (електромобілі, електровелосипеди, інвалідні коляски); фото- і відеотехніка (програвачі відеодисків, пристрої фокусування відеокамер); рухомі пристрої для шоу-індустрії.

Вибір кінематичної структури є найважливішим завданням при концептуальному проектуванні машин нового покоління. Ефективність вирішення великою мірою визначає головні технічні характеристики системи, її динамічні, швидкісні і точності параметри.

Саме мехатроніка дала нові ідеї та методи для проектування рухомих систем з якісно новими властивостями. Ефективним прикладом такого рішення стало створення машин з паралельної кінематикою (МПК) (рис. 3).

В основі їх конструктивної схеми лежить зазвичай платформа Г'ю-Стюарта (різновид паралельного маніпулятора, що має 6 ступенів свободи; використовується октаедральная компоновка стійок). Машина складається з нерухомого підстави і рухомої платформи, які з'єднані між собою декількома стержнями з керованою довжиною. Стрижні з'єднані з основою і платформою кінематичними парами, які мають відповідно дві та три ступені рухливості. На рухомій платформі встановлюється робочий орган (наприклад, інструментальна або вимірювальна головка). Програмно регулюючи довжини стрижнів за допомогою приводів лінійного переміщення, можна управляти переміщеннями і орієнтацією рухомої платформи і робочого органу в просторі. Для універсальних машин, де потрібне переміщення робочого органу як твердого тіла по шести ступеням свободи, необхідно мати шість стрижнів. У світовій літературі такі машини називаються «гексапод» (від грец. Ἔ ξ - шість).

Основними перевагами машин з паралельної кінематикою є: висока точність виконання рухів; високі швидкості і прискорення робочого органу; відсутність традиційних напрямних і станини (в якості несучих елементів конструкції використовуються приводні механізми), звідси і поліпшені масогабаритні параметри, і низька матеріаломісткість; висока ступінь уніфікації мехатронних вузлів, що забезпечує технологічність виготовлення і складання машини і конструктивну гнучкість.

Підвищені точності показники МПК обумовлені наступними ключовими факторами:

в гексапод, на відміну від кінематичних схем з послідовним колом ланок, не відбувається суперпозиції (накладення) похибок позиціювання ланок при переході від бази до робочого органу;

стрижневі механізми мають високу жорсткість, так як стрижні не схильні до изгибающим моментам і працюють тільки на розтяг-стиск;

застосовуються прецизійні датчики зворотного зв'язку і вимірювальні системи (наприклад, лазерні), а також використовуються комп'ютерні методи корекції переміщень робочого органу.

Завдяки підвищеної точності МПК можуть застосовуватися не тільки як обробляє обладнання, але і в якості вимірювальних машин. Висока жорсткість МПК дозволяє застосовувати їх на силових технологічних операціях. Так, на рис. 4 показаний приклад гексапод, що виконує гнучкі операції в складі технологічного комплексу «HexaBend» для виробництва складних профілів і труб.

Комп'ютерне та інтелектуальне управління в мехатроніки

Застосування ЕОМ і мікроконтролерів, що реалізують комп'ютерне управління рухом різноманітних об'єктів, є характерною особливістю мехатронних пристроїв і систем. Сигнали від різноманітних датчиків, які мають інформацію про стан компонентів мехатронної системи та доданих до цієї системи впливів, надходять в ЕОМ. Комп'ютер переробляє інформацію відповідно до закладених в нього алгоритмами цифрового управління і формує керуючі впливу на виконавчі елементи системи.

Комп'ютера відводиться провідна роль в мехатронної системі, оскільки комп'ютерне управління дає можливість досягти високої точності і продуктивності, реалізувати складні та ефективні алгоритми управління, що враховують нелінійні характеристики об'єктів управління, зміни їх параметрів і вплив зовнішніх факторів. Завдяки цьому мехатронні системи набувають нової якості при збільшенні довговічності і зниження розмірів, маси і вартості таких систем. Досягнення нового, більш високого рівня якості систем завдяки можливості реалізації високоефективних і складних законів комп'ютерного управління дозволяє говорити про мехатроніці як про виникає комп'ютерної парадигмі сучасного розвитку технічної кібернетики.

Характерним прикладом мехатронної системи з комп'ютерним управлінням є прецизійний стежить привід на основі безконтактної багатофазної електричної машини змінного струму з векторним керуванням. Наявність групи датчиків, в тому числі високоточного датчика положення вала двигуна, цифрових методів обробки інформації, комп'ютерної реалізації законів управління, перетворень, заснованих на використанні математичної моделі електричної машини, і швидкодіючого контролера дозволяє побудувати прецизійний швидкодіючий привод, що володіє терміном служби до 30-50 тисяч годин і більше.

Комп'ютерне управління виявляється досить ефективним при побудові багатокоординатних нелінійних мехатронних систем. В цьому випадку ЕОМ аналізує дані про стан всіх компонентів і зовнішніх впливах, виробляє обчислення і формує керуючі впливу на виконавчі компоненти системи з урахуванням особливостей її математичної моделі. В результаті досягається висока якість управління узгодженим багатокоординаційно рухом, наприклад, робочого органу мехатронної технологічної машини або мобільного робота.

Особливу роль в мехатроніки грає інтелектуальне управління, яке є більш високою ступінню розвитку комп'ютерного управління і реалізує різні технології штучного інтелекту. Вони дають можливість мехатронної системі відтворювати в тій чи іншій мірі інтелектуальні здібності людини і на цій основі приймати рішення про раціональні дії для досягнення мети управління. Найбільш ефективними технологіями інтелектуального управління в мехатроніки є технології нечіткої логіки, штучних нейронних мереж і експертних систем.

Застосування інтелектуального управління дає можливість забезпечити високу ефективність функціонування мехатронних систем при відсутності докладної математичної моделі об'єкта управління, при дії різних невизначених факторів і при небезпеці виникнення непередбачених ситуацій в роботі системи.

Перевага інтелектуального управління мехатронних системами полягає і в тому, що часто для побудови таких систем не потрібні їх детальна математична модель і знання законів зміни діючих на них зовнішніх впливів, а управління будується на основі досвіду дій висококваліфікованих фахівців-експертів.

Верстатобудування і обладнання для автоматизації технологічних

процесів;

Робототехніка (промислова і спеціальна);

Авіаційна, космічна та військова техніка;

Автомобілебудування (наприклад, протиблокувальні гальмівні,

системи стабілізації руху автомобіля і автоматичного паркування);

Нетрадиційні транспортні засоби (електровелосипеди, вантажні

візки, електророллери, інвалідні коляски);

Офісна техніка (наприклад, копіювальні та факсимільні апарати);

Елементи обчислювальної техніки (наприклад, принтери, плоттери,

дисководи);

Медичне обладнання (реабілітаційне, клінічне, сервісне);

Побутова техніка (пральні, швейні, посудомийні та інші машини);

Мікромашини (для медицини, біотехнології, засобів

телекомунікації);

Контрольно-вимірювальні пристрої та машини;

Фото- і відеотехніка;

Тренажери для підготовки пілотів і операторів;

Шоу-індустрія (системи звукового та світлового оформлення).

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1.
Ю. В. Подураев «Основи мехатроніки» Навчальний посібник. Москва.- 2000р. 104 с.

2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Мехатроника

3.
http://mau.ejournal.ru/

4.
http://mechatronica-journal.stankin.ru/

Аналіз структури мехатронних систем мехатронних модулів

Навчальний посібник

З дисципліни «Проектування мехатронних систем»

за фахом 220401.65

«Мехатроніка»

г.о. Тольятті 2010

Краснов С.В., Лисенко І.В. Проектування мехатронних систем. Частина 2. Проектування електромеханічних модулів мехатронних систем

Анотація. Навчальний посібник включає відомості про склад мехатронної системи, місці електромехатронних модулів в мехатронних системах, про структуру електромехатронних модулів, їх типах і особливостях, включає етапи і методи проектування мехатронних систем. критерії розрахунку навантажувальних характеристик модулів, критерії вибору приводів і т.д.

1 Аналіз структури мехатронних систем мехатронних модулів 5

1.1 Аналіз структури мехатронної системи 5

1.2 Аналіз обладнання приводів мехатронних модулів 12

1.3 Аналіз та класифікація електричних двигунів 15

1.4 Аналіз структури систем управління приводами 20

1.5 Технології формування керуючого сигналу. ШІМ модуляція і ПІД регулювання 28

1.6 Аналіз приводів і систем числового управління верстатів 33

1.7 Енергетичні та вихідні механічні перетворювачі приводів мехатронних модулів 39

1.8 Датчики зворотного зв'язку приводів мехатронних модулів 44

2 Основні поняття та методології проектування мехатронних систем (МС) 48

2.1 Основні принципи проектування мехатронних систем 48

2.2 Опис етапів проектування МС 60

2.3 Виготовлення (реалізація) МС 79

2.4 Тестування МС 79

2.5 Оцінка якості МС 83

2.6 Документація до МС 86

2.7 Економічна ефективність МС 87

2.8 Розробка заходів щодо забезпечення безпечних умов праці з електромеханічними модулями 88

3. Методи розрахунків параметрів і проектування мехатронних модулів 91

3.1 Функціональне моделювання процесу проектування мехатронного модуля 91

3.2 Етапи проектування мехатронного модуля 91

3.3 Аналіз критеріїв вибору двигунів мехатронних систем 91

3.4 Аналіз основного математичного апарату розрахунку приводів 98

3.5 Розрахунок необхідної потужності та вибір ЕД подач 101

3.6 Управління двигуном постійного струму по положенню 110

3.7 Опис сучасних апаратно-програмних рішень управління виконавчими елементами верстатів 121

Список джерел та літератури 135

Мехатроніка вивчає синергетичне об'єднання вузлів точної механіки з електронними, електротехнічними і комп'ютерними компонентами з метою проектування і виробництва якісно нових модулів, систем, машин і комплексу машин з інтелектуальним управліннями їх функціональними рухами.

Мехатронні система - сукупність мехатронних модулів (комп'ютерного ядра, інформаційних пристроїв-датчиків, електромеханічних (приводів двигунів), механічемскіх (виконавчі елементи - фрези, руки робота і т.д.), програмного забезпечення (спеціально - керуючі програми, системного - операційні системи та середовища, драйвери).

Мехатронні модуль - окремий блок мехатронної системи, сукупність апаратно-програмних засобів, що здійснюють рух одного або декількох виконавчих органів.

Інтегровані мехатронні елементи вибираються розробником на стадії проектування, а потім забезпечується необхідна інженерна та технологічна підтримка.

Методологічна основа розробки МС служать методи паралельного проектування, тобто одночасного і взаємозв'язаного при синтезі всіх компонентів системи. Базовими об'єктами є мехатронні модулі, які виконують рух, як правило, по одній координаті. У мехатронних системах для забезпечення високої якості реалізації складних і точних рухів застосовуються методи інтелектуального управління (нові ідеї в теорії управління, сучасні апарати обчислювальної техніки).

До складу традиційної мехатронної машини входять наступні основні компоненти:

Механічні пристрої, кінцевою ланкою якого є робочий орган;

Блок приводів, що включає силові перетворювачі і силові двигуни;

Пристрої комп'ютерного управління, рівнем для якого є людина-оператор, або інша ЕОМ входить в комп'ютерну мережу;

Сенсорні пристрої, призначені для передачі пристрою управління інформації про фактичний стан блоків машини і руху мехатронної системи.

Таким чином, наявність трьох обов'язкових частин: електромеханічної, електронної, комп'ютерної, пов'язаних енергетичними та інформаційними потоками є первинною ознакою відрізняє мехатронних систем.

Таким чином, для фізичної реалізації мехатронної системи теоретично необхідні 4 основних функціональних блоку, які зображені на малюнку 1.1

Малюнок 1.1 - Блок-схема мехатронної системи

Якщо робота заснована на гідравлічних, пневматичних або комбінованих процесах, то необхідні відповідні перетворювачі і датчики зворотного зв'язку.

Мехатроніка є науково-технічної дисципліною, яка вивчає побудову електромеханічних систем нового покоління, що володіють принципово новими якостями і, часто, рекордними параметрами. Зазвичай Мехатронні система є об'єднанням власне електромеханічних компонентів з новітньої силовий електронікою, які управляються за допомогою різних мікроконтролерів, ПК або інших обчислювальних пристроїв. При цьому система в істинно мехатронних підході, незважаючи на використання стандартних компонентів, будується як можна більш монолітно, конструктори намагаються об'єднати всі частини системи воєдино без використання зайвих інтерфейсів між модулями. Зокрема, застосовуючи вбудовані безпосередньо в мікроконтролери АЦП, інтелектуальні силові перетворювачі і т. П. Це дає скорочення масогабаритних показників, підвищення надійності системи і інші переваги. Будь-яка система, що управляє групою приводів може вважатися мехатронної. Зокрема, якщо вона управляє групою реактивних двигунів космічного апарату.

Малюнок 1.2 - Склад мехатронної системи

Іноді система містить принципово нові з конструкторської точки зору вузли, такі як електромагнітні підвіси, які замінять звичайні підшипникові вузли.

Розглянемо узагальнену структуру машин з комп'ютерним управлінням, орієнтованих на завдання автоматизованого машинобудування.

Зовнішнім середовищем для машин даного класу є технологічне середовище, яка містить різну основне і допоміжне обладнання, технологічне оснащення та об'єкти робіт. При виконанні мехатронної системою заданого функціонального руху об'єкти робіт надають впливи на робочий орган. Прикладами таких впливів можуть служити сили різання для операцій механічної обробки, контактні сили і моменти сил при складанні, сила реакції струменя рідини при операції гідравлічної різання.

Зовнішні середовища укрупненно можна розділити на два основні класи: детерміновані і недетерміновані. До детермінованим відносяться середовища, для яких параметри збурюючих впливів і характеристики об'єктів робіт можуть бути заздалегідь визначені з необхідною для проектування МС ступенем точності. Деякі середовища є недермінірованним за своєю природою (наприклад, екстремальні середовища: підводні, підземні і т.п.). Характеристики технологічних середовищ як правило можуть бути визначені за допомогою аналітико-експериментальних досліджень і методів комп'ютерного моделювання. Наприклад, для оцінки сил різання при механічної обробки проводять серії експериментів на спеціальних дослідницьких установках, параметри вібраційних впливів вимірюють на вібростендах з подальшим формуванням математичних і комп'ютерних моделей впливів, що обурюють на основі експериментальних даних.

Однак для організації та проведення подібних досліджень часто потрібні занадто складні і дорогі апаратура і вимірювальні технології. Так для попередньої оцінки силових впливів на робочий орган при операції роботизованого видалення облоя з литих виробів необхідно вимірювати фактичні форму і розміри кожної заготовки.

Малюнок 1.3 - Узагальнена схема мехатронної системи з комп'ютерним управлінням рухом

У таких випадках доцільно застосовувати методи адаптивного управління, які дозволяють автоматично коректувати закон руху МС безпосередньо в ході виконання операції.

До складу традиційної машини входять наступні основні компоненти: механічний пристрій, кінцевою ланкою якого є робочий орган; блок приводів, що включає силові перетворювачі і виконавчі двигуни; пристрій комп'ютерного управління, верхнім рівнем для якого є людина-оператор, або інша ЕОМ, що входить в комп'ютерну мережу; сенсори, призначені для передачі в пристрій управління інформації про фактичний стан блоків машини і русі МС.

Таким чином, наявність трьох обов'язкових частин - механічної (точніше електромеханічної), електронної та комп'ютерної, пов'язаних енергетичними та інформаційними потоками, є первинною ознакою, який вирізняє мехатронні системи.

Електромеханічна частина включає механічні ланки і передачі, робочий орган, електродвигуни, сенсори і додаткові електротехнічні елементи (гальма, муфти). Механічне пристрій призначений для перетворення рухів ланок в необхідний рух робочого органу. Електронна частина складається з мікроелектронних пристроїв, силових перетворювачів і електроніки вимірювальних ланцюгів. Сенсори призначені для збору даних про фактичний стан зовнішнього середовища і об'єктів робіт, механічного пристрою і блоку приводів з подальшою первинною обробкою і передачею цієї інформації в пристрій комп'ютерного управління (УКУ). До складу УКУ мехатронної системи зазвичай входять комп'ютер верхнього рівня і контролери управління рухом.

Пристрій комп'ютерного управління виконує наступні основні функції:

Управління процесом механічного руху мехатронного модуля або багатовимірної системи в реальному часі з обробкою сенсорної інформації;

Організація управління функціональними рухами МС, яка передбачає координацію управління механічним рухом МС і супутніми зовнішніми процесами. Як правило, для реалізації функції управління зовнішніми процесами використовуються дискретні входи / виходи пристрою;

Взаємодія з людиною-оператором через людино-машинний інтерфейс в режимах автономного програмування (off-line) і безпосередньо в процесі руху МС (режим on-line);

Організація обміну даними з периферійними пристроями, сенсорами і іншими пристроями системи.

Завданням мехатронної системи є перетворення вхідної інформації, що надходить з верхнього рівня управління, в цілеспрямоване механічний рух з керуванням на основі принципу зворотного зв'язку. Характерно, що електрична енергія (рідше гідравлічна або пневматична) використовується в сучасних системах як проміжна енергетична форма.

Суть мехатронного підходу до проектування полягає в інтеграції в єдиний функціональний модуль двох або більше елементів можливо навіть різної фізичної природи. Іншими словами, на стадії проектування з традиційної структури машини виключається як сепаратне пристрій принаймні один інтерфейс при збереженні фізичної сутності перетворення, виконуваного даним модулем.

В ідеальному для користувача варіанті Мехатронні модуль, отримавши на вхід інформацію про мету управління, буде виконувати з бажаними показниками якості заданий функціональний рух. Апаратне об'єднання елементів в єдині конструктивні модулі повинно обов'язково супроводжуватися розробкою інтегрованого програмного забезпечення. Програмні засоби МС повинні забезпечувати безпосередній перехід від задуму системи через її математичне моделювання до управління функціональним рухом в реальному часі.

Застосування мехатронного підходу при створенні машин з комп'ютерним управлінням визначає їх основні переваги в порівнянні з традиційними засобами автоматизації:

Високу надійність, довговічність і перешкодозахищеність;

Конструктивну компактність модулів (аж до мініатюризації в мікромашин),

Покращені масогабаритні і динамічні характеристики машин внаслідок спрощення кінематичних ланцюгів;

Можливість комплексування функціональних модулів в складні системи і комплекси під конкретні завдання замовника.

Класифікація приводів виконавчих механізмів мехатронної системи показана на малюнку 1.4.

Малюнок 1.4 - Класифікація приводів мехатронної системи

На малюнку 1.5 показана схема електромехатронного вузла на базі приводу.

Малюнок 1.5 - Схема електромехатронного вузла

У різних областях техніки широко поширені приводи, що виконують силові функції в системах управління різноманітними об'єктами. Автоматизація технологічних процесів і виробництв, зокрема, в машинобудуванні неможлива без використання різних приводів, які включають в себе: виконавчі механізми, які визначаються технологічним процесом, Двигуни і систему управління двигунами. У приводах систем управління МС (технологічних машин, машин - автоматів МА, ПР і т.д.) застосовують значно відрізняються за фізичними ефектів виконавчі двигуни. Реалізація таких фізичних ефектів як магнетизм (електродвигуни), гравітація в вигляді перетворення гідравлічних і повітряних потоків в механічний рух, розширення середовища (двигуни внутрішнього згоряння, реактивні, парові і ін.); електроліз (ємнісні двигуни) в сукупності з новітніми досягненнями в області мікропроцесорної техніки дозволяє створювати сучасні приводні системи (ПС) з поліпшеними технічними характеристиками. Зв'язок силових параметрів приводу (крутний момент, зусилля) з кінематичними параметрами (кутова швидкість вихідного вала, швидкість лінійного переміщення штока ІМ) визначається механічними характеристиками електро-, гідро-, пневмо- і інших приводів, в сукупності або окремо вирішують завдання руху (робочого, холостого ходу) механічної частини МС (технологічного обладнання). При цьому, якщо потрібно регулювання вихідних параметрів машини (силових, швидкісних, енергетичних), то механічні характеристики двигунів (приводів) повинні доцільно видозмінюватися в результаті управління пристроями регулювання, наприклад, рівня живлячої напруги, струму, тиску, витрати рідини або газу.

Простота формування механічних рухів безпосередньо з електричної енергії в приводних системах з електричним двигуном, Тобто в електромеханічних системах ЕМС, зумовлює ряд переваг такого приводу перед гідравлічними і пневматичними приводами. В даний час електродвигуни постійного і змінного струму випускаються заводами-виробниками від десятих часток вата до десятків мегават, що дозволяє забезпечити попит на них (по необхідної потужності) як для застосування в промисловості, так і на багатьох видах транспорту, в побуті.

Гідравлічні приводи МС (технологічного обладнання і ПР) в порівнянні з електроприводами, вельми широко застосовуються в транспортних, гірських, будівельних, дорожніх, колійних, меліоративних і сільськогосподарських машинах, підйомно-транспортних механізмах, літальних і підводних апаратах. Вони володіють істотною перевагою перед електромеханічним приводом там, де потрібні значні робочі навантаження при невеликих габаритах, наприклад, в гальмівних системах або автоматичних коробках передач автомобілів, ракетній і космічній техніці. Широка застосовність гідроприводів обумовлена \u200b\u200bтим, що напруженість робочого середовища в них значно більше, ніж напруженість робочого середовища в електродвигунах і в промислових пневматичних приводах. У реальних гідравлічних приводах напруженість робочого середовища в напрямку передачі руху становить 6-100 МПа при гнучкому управлінні за рахунок регулювання потоку рідини гідравлічними пристроями, що мають різне управління, в тому числі і електронне. Компактність і мала інерційність гідроприводу забезпечують легке і швидке зміна напрямку руху ІМ, а застосування електронної апаратури управління забезпечує прийнятні перехідні процеси і задану стабілізацію вихідних параметрів.

Для автоматизації управління МС (різного технологічного устаткування, машин-автоматів і ПР) широко використовують також пневматичні приводи на базі Пневмодвигуни для реалізації як поступальних, так і обертальних рухів. Однак через істотне відмінності властивостей робочого середовища пневмо- і гідроприводів їх технічні характеристики відрізняються внаслідок значної стисливості газів в порівнянні з сжимаемостью крапельної рідини. При простоті конструкції, хороших економічних показниках і достатньої надійності, але низьких регулювальних властивості, пневмоприводи не можуть бути використані в позиційних і контурних режимах роботи, що трохи знижує привабливість їх застосування в МС (технічних системах ТЗ).

Визначити найбільш прийнятний вид енергії в приводі з можливо досяжною ефективністю використання його в процесі експлуатації технологічного або обладнання іншого призначення завдання досить складна і може мати кілька рішень. Перш за все, кожен привід повинен задовольняти своєму службовому призначенню, необхідним силовим і кинематическим характеристикам. Визначальними факторами при досягненні необхідних силових і кінематичних характеристик, ергономічних показників розробляється приводу можуть бути: швидкодію приводу, точність позиціонування і якість управління, обмеження по масі і габаритним розмірам, розташування приводу в загальній компонуванні обладнання. Остаточне рішення при порівнянності визначальних чинників приймається за результатами економічного порівняння різних варіантів обраного виду приводу за стартовими і експлуатаційних витрат на його проектування, виготовлення і експлуатацію.

Таблиця 1.1 - Класифікація електродвигунів