Основы мехатроники. Что такое мехатроника и ее определение
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
Что такое мехатроника и ее определение. Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященное созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движения, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов. В данном определении особо подчеркнуто приединая сущность мехатронной системы, в основу построения которой заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Поэтому эмблемой мехатроники ставят 3 пересекающихся круга, включенных в общую оболочку: производство,  менеджмент, требования рынка. Таким образом, системная интеграция 3 указанных видов элемента является необходимым условием построения мехатронной системы. Известно несколько определений мехатроники как науки. Предлагается след специальная формулировка предмета мехатроники: Мехатроника - изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, машин, систем и комплексов машин с интеллектуальным управлением с их функциональными движениями. Пояснения к определению:
Примерами таких процессов могут служить регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, контроль и диагностика текущего состояния критических элементов мехатронных систем, управление дополнительными технологическими воздействиями на объект работ при комбинированных методах обработки, управление вспомогательным оборудованием, выдача и прием сигналов от устройств электроавтоматики. Такие сложные координированные движения называют функциональными движениями. В современных мехатронных системах для реализации высокого качества и точности движения применяются методы интеллектуального управления. Данная группа методов опирается на новые идеи теории управления современным аппаратным и программным средством вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемого движения мехатронных систем. Мехатроника как новая область науки и техники находится в стадии своего становления, ее терминология, границы и классификационные признаки еще строго не очерчены. Мехатронные технологические системы: концепция проектирования и применение в современном машиностроении. Бурное развитие мехатроники вызвано резко возросшими требованиями рынка к потребительским свойствам и качеству продукции современного машиностроения. Именно этот фактор определяет современные тенденции развития и стимулирует НТП в области мехатроники. Таким образом, создание оборудования нового поколения на базе новых технологий для производства новых продуктов является ответом производителей на новые рыночные условия. В России в последние годы становлению мехатронике уделяется повышенное внимание. В марте 2002 г Путиным утвержден документ «Основы политики РФ в области развития и технологии на период 2010 г и в дальнейшей перспективе», где мехатронные технологии включены в число критических технологий РФ. Новые требования, предъявляемые функциональным характеристикам технологических модулей и машин:
Передовой мировой уровень в области станкостроения можно оценить по новейшим образцам оборудования, которых ведущие производители представили на международной выставке в Японии в ноябре 2002 года. Приводные системы современных металлообрабатывающих станков обеспечивают следующие характеристики: скорость рабочей подачи до 15 м/мин, скорость холостого хода до 200 м/мин, ускорение приводов при разгоне до 3g, точность обработки порядка 2-3 микронов, число одновременно управляемых осей до 20 в одном обрабатывающем комплексе. Очевидно, что для создания машин с такими техническими показателями необходимы принципиально новые подходы проектирования и производства приводных модулей и систем. К их числу в первую очередь следует отнести мехатронику. Методология проектирования модулей и машин на основе мехатронного подхода направлена на синергетическую интеграцию элемента, представленную на рисунке.  Ключевой методологической идеей данного подхода является приоритет функции модуля над её структурной организацией и конструктивным решением. Применяя последовательно выполняемые процедуры функционально-структурного и структурно-конструктивного анализа мехатронных систем, разработчик оценивает принимаемые решения, стремясь добиться максимального уровня синергетической интеграции элементов. Для использования методов автоматизированного проектирования формируют взаимосвязанные функциональную, структурную и конструктивную модели мехатронных модулей, затем планируют движение мехатронной системы в пространстве и во времени, оптимизируя их, например, по критерию максимального быстродействия. В рамках программы инновационного машиностроения ряд организаций приступил к созданию мехатронных машин нового поколения на базе мехатронных модулей. Концептуальными проектами являются следующие:
ПМС-630 и высокоскоростного шпинделя iBAG завода им. Свердлова.
Главными преимуществами данных мехатронных систем являются исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и следовательно высокая точность и улучшенные динамические характеристики, конструктивная компактность модулей и следовательно улучшенные массо-габаритные характеристики. Возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы, и комплексы, допускающие быструю реконфигурацию, относительно низкая стоимость установки, настройки и обслуживания системы, благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных средств, способность выполнять сложные движения, благодаря применению методов адаптивного и интеллектуального управления. Структура и принципы построения мехатронных систем. 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 возмущающее воздействие на рабочий орган. Примерами таких воздействий может служить сила резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.  Устройство компьютерного управления осуществляет следующие основные функции:
Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно, что электрическая энергия (гидравлическая, пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма. Построение мехатронных модулей на основе синергетической интеграции элементов. Мехатронные модули – это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением, предназначенные для выполнения движений, как правило, по одной управляемой координате. Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов. Синергетическая интеграция – это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков, а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов, которые имеют, как правило, различную физическую природу. Назначением мехатронных модулей является реализация заданного управляемого движения, как правило, по одной управляемой координате. Мехатронные модули движения являются теми функциональными «кубиками», из которых затем можно компоновать сложные многокоординатные мехатронные системы. Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения. Приведем схему энергетических и информационных потоков в электромеханическом мехатронном модуле. На вход мехатронного модуля поступает информация о цели движения, которое формируется верхним уровнем системы управления, а выходом является целенаправленное мехатронное движение конечного звена, например, перемещение выходного вала модуля.Для физической реализации электромеханического мехатронного модуля теоретически необходимы четыре основных функциональных блока последовательно-соединенные: информационно-электрический и электромеханический функциональный преобразователь в прямой цепи и электро-информационный и механико- информационныи преобразователи в цепи обратной связи. Проанализируем физический характер преобразований и традиционную структуру электро-механического модуля с компьютерным управлением с этой же точки зрения. УКУ на основании входной информации, поступающей с верхнего уровня управления и по цепям обратной связи от сенсоров, выдает во времени на исполняющие приводы управляющие электрические сигналы. В силовых преобразователях происходит усиление по мощности данных сигналов и их модуляция, затем исполнительные приводы прикладывают соответствующие усилия к звеньям механического устройства, что в результате вызывает целенаправленное движение конечного звена модуля с рабочим органом.Для соединения элементов в систему традиционно вводят специальные интерфейсные устройства, обозначенные И1-И7. Интерфейс И1 представляет собой комплекс аппаратно-программных средств для сопряжения УКУ модуля с верхним уровнем системы управления. Функции верхнего уровня управления выполняет высокопроизводительный компьютер либо человек-оператор. Интерфейс И2 обычно состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и усилительно-преобразующего устройства и служит для формирования управляющих электрических напряжений для исполнительных приводов. Интерфейсы И3 – это, как правило, механические передачи, связывающие исполнительные двигатели со звеньями механического устройства. Конструктивно такие трансмиссии обычно включают редукторы, муфты, гибкие связи, тормоза и т.п. Интерфейс И4 на входе УКУ в случае применения в электромеханическом мехатронном модуле сенсоров с аналоговым выходным сигналом строится на основе аналоговых цифровых преобразователей (АЦП). Интерфейсы сенсоров И5, И6, И7, в зависимости от физического характера наблюдаемых переменных можно разделить на электрические и механические. К механическим интерфейсам относятся присоединительные устройства для датчиков обратной связи приводов (фотоимпульсных, кодовых, тахогенераторных и т.п.), силомоментных и тактильных датчиков, а так же других средств очувствления и информации о движении звеньев механической цепи, двигателей и внешних объектов. Преобразование и передача сигналов о переменных состояниях системы, которые имеют электрическую природу осуществляется электрическими интерфейсами. В их состав помимо усилительно-преобразующих плат входят также соединительные кабели и коммутационная аппаратура. Сравнивая представленные блок-схемы можно прийти к выводу о том, что число преобразующих и интерфейсных блоков в традиционной структуре привода с компьютерным управлением избыточно по отношению к минимально необходимому числу функциональных преобразований. Этот вывод даёт основание для поиска новых решений построения привода, базирующегося на синергетической интеграции элементов. Различие мехатронного и традиционного подхода к проектированию и изготовлению модулей и машин с компьютерным управлением состоит в концепции построения и реализации функциональных преобразователей. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой отдельные самостоятельные устройства и узлы. Обычно это сепаратные блоки, которые выпускаются специализированными фирмами но зачастую отдельные элементы приходится изготавливать самим пользователям. Мехатронный подход нацеливает разработчика на интеграцию элементов привода в единые блоки, минимизацию промежуточных преобразований и устранения интерфейсов как сепаратных блоков. Построение ЭМММ на основе синергетической интеграции элементов Следуя логики мехатр. Подхода потенциально возможным точкам аппаратной интеграции элементов можно отнести интерфейсные блоки И1 – И7 в структуре электромех. Привода.
Перспективный интерес для мехатроники представляет построение мехатронных модулей на базе нескольких точек интеграции что открывает огромные возможности для научного поиска ???? Рассмотрим типичные примеры однокоординатных модулей движения, разработанных для решения задач автоматизированного машиностроения.  Мотор – редукторы являются исторически первыми по принципу своего построения мехатр модулями, которые выпускаются серийно и находят широкое применение в приводах машин и механизмов.Мотор – редуктор представляет собой компактный конструктивный модуль, объединяющий электродвигатель и редуктор . Преимущества: Сокращение габаритных размеров, снижение стоимости и затрат на установку и наладку модуля. Конструктивное исполнение зависит от типа объединяемого редуктора и двигателя. Сложным шагом в развитие приводной техники стало появление ВМД вращательного движения, которые позволили вообще исключить редуктор из состава Эл привода. ВМД выпускаются коллекторного и вентильного типов (без щеточного) Основной недостаток: наличие дорогостоящих магнитов и блок управление коммутацией обмоток. Мехатроный подход к построению модулей вращательного движения получили свое развитие и в модулях линейного перемещения. Мехатронные модули на основе линейных ВМД (ЛВМД) находят все применение в гексоподах, высокоскоростных станках в комплексах для лазерной и гидравлической резки, Вспомогательном оборудование. Еще один недостаток всех ВМД и ЛВМД – необходимость в системе охлаждения и относительно невысокий КПД модуля. Мехатроные технологические машины в машиностроение. Построение диагностического прогноза в развитие машиностроения и выбор основных тенденций и стратегий его развития концентрируется на:
Во многих областях техники МС приходят на смену традиционным механическим машинам, которые уже не соответствуют современным качественным требованиям. Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным, электронным, компьютерным информационным компонентам, которые легко перепрограммируются под новую задачу и при этом являются относительно дешевыми. Так ф-ный анализ производственных машин показывает что доля механической части сократилась с 70% в начале 90-х годов до 25-30% в настоящее время. Принципиально важно подчеркнуть, что мехатр подход в проектирование предпологает не расширение, а именно замещение функций традиционно выполняемые механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.  Анализ показывает, что еще в начале 1990 х годов подавляющее большинство функций машины (более 70%) реализовывалось механическим путем. Последующее десятилетие происходило постепенное вытеснение механических узлов сначала электронными, а затем и компьютерными блоками. В настоящее время в мехатронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну. Доля компьют части выросла за последнее десятилетие вдвое и есть все основания прогнозировать сохранение этой тенденции в будущем. Принципиально важно, что тенденция перехода от чисто механич к мехатр технологиям в современном машиностроении не закрывает механику. Наоборот стимулирует ее развитие на фоне с интеллектуальными компонентами в рамках единой мехатр системы. Системный подход диктует новые требования к встроенным механич и гибридным компонентам, что в свою очередь ведет к развитию новых технологий и конструкторских решений в области механики. Чем же вызван переход от механики к мехатроники?
Дальнейшее развитие получили мобильные технологические роботы, которые могут самостоятельно передвигаться в пространстве и обладают способностью выполнять технологические операции. Подобный вид оборудования уже активно применяется в различных отраслях экономики, например в системах водоснабжения. При этом отечественная промышленность имеет прекрасный задел в этой области. РТК Р100 для инспекции труб малого диаметра РТК Р200 для большого диаметра РТК РОКОТ – 3 для инспекции и ремонта труб Робот Р100 выполняет телеинспекцию труб базируется на колесном шасси, имеет цветную телекамеру и систему подсветки управляется дистанционно через кабель 100м. Сенсорная система робота состоит из датчика пути, сенсоров ориентации телекамеры. Информация поступающая от сенсоров может использоваться в качестве обратной связи для контуров управления приводами, а также для точного определения места залегания труб в грунте и места нахождения локальных дефектов. К главным приемуществам мехатр систем относятся (см ранее). Отметим, что развитие машин от традиционной механики к современной мехатронике проходит последовательно ряд стадий:
В структурном базисе мехатроники электромеханика показана как одна из граней «Пирамиды мехатроники»  Исторически мехатроника развивались из электромеханики опираясь на ее достижения идет дальше путем системного объединения элекромех систем с компьют системами управления, встроенными датчиками и интерфейсами. Высокая точность, предельное быстродействие, сложные законы перемещения рабочего органа в пространстве и во времени. Совокупность этих требований определяется технол постановкой задачи управления кроме того необходимо координировать управление пространственным перемещением МС с управлением различными внешними процессами. Примерами таких процессов могут служить регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектами работ при механообработки, управление дополнительными технол взаимодействиями на объект работ при комбинированных методах обработки, управление вспомогательным оборудованием комплекса. Структурный анализ мехатронных систем на основе показателей распределения функциональной нагрузки.(РФН) Анализ научно – технической эволюции мехатр модулей и мехатр систем показывает, что в основе их построения лежит концепция «встроенного проектирования» Эта концепция предполагает синергетическое объединения механич, электронных и компьют элементов. Путем их структурного и конструктивного проникновения, введение в систему глубоких энергетических и информационных взаимосвязей. В ряде работ рассмотрен подход к проектированию и анализу мехатр систем, основанный на совмесном анализе их функциональной и структурной моделей. На основе введенного критерия « функционально структурной интеграции » (ФСИ) дана классификация и постановка задачи оптимизации мехатр структуры и подсистем на нач уровне. Рассмотренный подход можно проиллюстрировать сравнительным анализом и примерами систем компьют управления для манипуляционного робота РИМА 650 При этом задается методика расчета и получены оценки для трех вариантов построения управляющей системы по критерию ФСИ. Для структурной оценки мехатр модулей и систем предлогается использовать новую количественную меру, названную показателем распределения функциональной нагрузки. Показатель РФН является численной мерой, позволяющей оценить объем функциональной нагрузки, которую несет каждый из структурных элементов или блоков в исследуемой системе. Чем выше значение данного показателя, тем больше влияние оказывает данный элемент на качество системы в целом, ее стоимость, надежность и др комплексные функциональные характеристики. ??? методы оценки уровня значимости элементов, разработанных теорией графов и матриц. В данном случае используется метод анализа структурных элементов, представленный в монографии Нечепаренко В. И. «Структурный анализ систем» Расчет показателей распределения функциональной нагрузки для анализа и проектирования системы управления робота РИТА 560  Традиционная структурная система управления Структура исследуемой системы включает в себя управляющую подсистему, так и электромеханическую часть: Эл двигатель и фотоимпульсные датчики обратной связи которые будет неизменной при выполнение анализа. Полученные ниже показатели РПН рассчитаны для трех вариантов построения подсистемы управления, которые будут представлены на трех рисунках. ЦП - центральный процессор ДМ – демультиплексор МП – микропроцессор ИД – исполнительный двигатель ФИД – фотоимпульсный датчик ШИМ – широтно-импульсный модулятор Схема 2-й степени интеграции (2-го уровня) в соответствии с классификацией ФСИ.  Система управления на базе контроллера движения 3-й степени интеграции.  Анализ проводится в соответствии с алгоритмом, разработанным на основании монографий. В традиционной системе управления ЦП и демультиплексор являются наиболее нагруженными элементами. В то время как 6 МП несут нагрузку в несколько раз меньшую (РФН для них 2%). Для второго варианта показатель РФН для каждого из 3 компьютерных компонентов существенно превосходит нагрузку других элементов системы. Наибольший показатель РФН среди всех рассматриваемых компонентов имеет контроллер движения в системе 3-го уровня интеграции (14%). Показатели РФН для группы элементов, содержащих электронные и компьютерные компоненты, ответственные за информационные, информационно-электрические и электро-информационные функциональные преобразования в мехатронной системе, складываются следующим образом в значение РФН. Традиционная структура 7.6% Структура 2-го уровня 12.4% Структура 3-го уровня 21.3% Применение мехатронных систем в автомобильной промышленности. 01.11.2004 22.11.2004 29.11.2004 Мехатронные технологии обработки материалов резанием. Существует точка зрения, что мехатронные технологии включают в себя технологии новых материалов и композитов, микроэлектронику, фотонику, микробионику, лазерные и др. технологии. Однако, при этом происходит подмена понятий и, вместо мехатронных технологий, которые реализуются на основе использования мехатронных объектов, в этих работах идет речь о технологии изготовления и сборки таких объектов. Большинство научных работников в настоящее время считают, что мехатронные технологии всего лишь формируют и реализуют необходимые законы исполнительных движений механизмов с компьютерным управлением, а также агрегатов на их основе, или осуществляют анализ этих движений для решения диагностических и прогностических задач. В механической обработке эти технологии направлены на обеспечение точности и производительности, которые невозможно достигнуть без использования мехатронных объектов, прообразами которых являются металлорежущие станки с открытыми системами ЧПУ. В частности такие технологии позволяют компенсировать погрешности, которые возникают вследствие колебания инструмента относительно заготовки. Однако, предварительно следует отметить, что мехатронные технологии включают в себя следующие этапы:
Адаптивный способ повышения виброустойчивости токарного станка. В условиях использования разнообразного режущего инструмента, обрабатываемые детали сложной формы и широкой номенклатуры как обрабатываемых, так и инструментальных материалов резко возрастает вероятность возникновения автоколебаний и потеря виброустойчивости технологической системы станка. Это влечет за собой снижение, интенсивности обработки или дополнительные капитальные вложения в технологический процесс. Перспективным способом снижения уровня автоколебаний является изменение скорости резания в процессе обработки. Такой способ достаточно просто реализуется технически и оказывает эффективное воздействие на процесс резания. Ранее этот способ реализовался как априорное регулирование на основе предварительных расчетов, что ограничивает его применение, так как не позволяет учитывать многообразие причин и изменчивость условий возникновения вибраций. Значительно более эффективны адаптивные системы регулирования скорости резания с оперативным контролем силы резания и ее динамической составляющей. Механизм считывания уровня автоколебаний при обработке с изменяемой скоростью резания можно представить следующим образом. Пусть при обработке детали со скоростью резания V1 технологическая система находится в условиях автоколебаний. При этом частота и фаза колебаний на обработанной поверхности совпадают с частотой и фазой колебаний силы резания и самого резца (эти колебания выражаются в виде дробления, волнистости и шероховатости). При переходе к скорости V2 колебания на обработанной поверхности детали относительно резца при последующем обороте (при обработке «по следу») происходит с другой частотой и синхронности колебаний, то есть их фазовое совпадение нарушается. Благодаря этому, в условиях обработки «по следу» интенсивность автоколебаний снижается, а в их спектре появляются высокочастотные гармоники. С течением времени в спектре начинают преобладать собственные резонансные частоты и процесс автоколебаний вновь интенсифицируется, что требует повторного изменения скорости резания. Из сказанного следует, что основными параметрами описанного метода является величина изменения скорости резания V, а также знак и частота этого изменения. Эффективность влияния изменения скорости резания на показатели обработки следует оценивать по длительности периода восстановления автоколебаний. Чем он больше, тем дольше сохраняется пониженный уровень автоколебаний. Разработка метода адаптивного управления скоростью резания предполагает имитационное моделирование этого процесса на основе математической модели автоколебаний, которая должна:
Структурная модель автоколебаний.  1 – модель динамической характеристики силы резания 2 – преобразование Pz в колебания резца Zp 3 – преобразование Zp в колебания ад на поверхности детали 4 – блок задержки на время одного оборота заготовки Первоначально возмущающим входным воздействием разработанной модели является аз припуска на заготовке. Изменения припуска приводят к колебаниям силы резания Pz, что определяется моделью ее динамической характеристики. Изменение Pz вызывает колебание Zp резца. Дальнейшие преобразования колебания резца в колебания ад детали, позволят перейти к колебаниям на обработанной поверхности детали. Введение обратной связи путем подачи колебания ад на вход модели с задержкой на время одного оборота заготовки учитывает обработку «по следу». В результате моделирования установлено следующее:
Последнее свидетельствует о том, что область применения предложенного метода подавления автоколебаний ограничена динамическими характеристиками привода главного движения (ПГД). На основании результатов моделирования разработан алгоритм адаптивного управления приводом главного движения в целях снижения уровня автоколебаний. Исходя из технологических условий задают допустимую амплитуду автоколебаний технологической системы. В отсутствие задания система сама устанавливает мнимое значение адоп.  | ||||||||||||||||||||||