К. В. Силаева
 Скачать 0.79 Mb.
|
|
Шестой технологический уклад В настоящее время новый (шестой) технологический уклад выходит из эмбриональной фазы развития, разворачивается процесс замещения им предыдущего технологического уклада, достигшего пределов своего роста. Этот процесс проявляется как финансовый и структурный кризис экономик ведущих стран мира, сопровождающийся взлетом и последующим падением цен на энергоносители и другие сырьевые материалы [2]. Человечество еще не успело в полной мере освоить возможности пятого технологического уклада, как на горизонте замаячил шестой уклад, прикладная эра которого уже наступает. Мы стоим на пороге освоения, по сути, не шестого индустриального, а первого постиндустриального технологического уклада (примерно 2030-2090 гг.), в основе которого, вероятно, будет (прогноз Глазьева) нанотехнологии, клеточные технологии: молекулярные, клеточные и ядерные технологии: нанотехнологии, нанобиотехнологии, нанобионика, микроэлектронные технологии, наноматериалы, нанороботизация и другие наноразмерные производства. Технологии на базе наноэнергетики будут обеспечивать еще более высокие производительные возможности экономике и гражданам. Появляется возможность излечения хронических болезней через управление развитием живого организма на уровне генной структуры и стволовых клеток, что приведет к существенному возрастанию продолжительности жизни человека и животных. В основе этого технологического уклада – нанотехнологии, оптотехнологии, генная инженерия и другие, о которых мир еще не знает. Мы только начинаем осознавать возможности этого первого постиндустриального технологического уклада. Над реализацией этих возможностей во всем мире работают ученые, изобретатели, проектировщики, производственники и эксплуатационники [4]. Предположительно с 2040 года произойдет конец фазы быстрого роста. Характеристики VI технологического уклада: - Ключевой фактор —Нанотехнологии, клеточные технологии; - Ядро технологического уклада — Наноэлектроника, молекулярная и нанофотоника, наноматериалы и наноструктурированные покрытия, нанобиотехнология, наносистемная техника; Несущие отрасли – нетрадиционная и космическая энергетика, космические технологии, нанотехнологии, генная инженерия животных и человека, ИСУ; - Основные преимущества — индивидуализация производства и потребления, повышение гибкости и расширение разнообразия, 26 деурбанизация размещения производства и населения в малых городах на основе новых транспортных и телекоммуникационных технологий и др. Резкое снижение энерго и материалоемкости производства, конструирование материалов и организмов с заранее заданными свойствами; - Режимы экономического регулирования в странах-лидерах — Стратегическое планирование научно-технического и экономического развития. Электронное правительство. Институты развития и фонды финансирования инновационной активности; - Организация инновационной активности в странах-лидерах — Переход к непрерывному инновационному процессу, отнесение расходов на НИОКР на себестоимость продукции. Коммерциализация науки и научно- производственная интеграция, Компьютерное управление жизненным циклом продукции [5]. К лидерам технологического ядра относят страны — Японию, США, Германию, Швецию, Канаду, Южную Корею, Австралию [6]. Таким образом, развитие общества идет путем последовательной и постепенной смены технологических укладов. Каждый из названных и освоенных нашей цивилизацией технологических укладов в своем развитии проходил различные стадии, отличающиеся мерой их влияния на общий экономический рост в мире. Детальное изучение технологических укладов дает возможность установить взаимодействие технологических сдвигов, выявить их роль в повышении социально-экономической эффективности производства, а также определить приоритеты технико-экономического развития. 4. История возникновения и развития мехатроники и робототехники От механики к мехатронике Механика в настоящее время очень ёмкое понятие и обширная область, имеющая глубокую и богатую историю. Механика – это наука об исходной форме движения материи и перемещении простейших элементов в пространстве. Огромный вклад в развитие механики как науки внесли выдающиеся и известные учёные своего времени такие как Г.Галилей, Р.Декарт, Х.Гюйгенс, И.Ньютон, Л.Эйлер, Ж.Лагранж, М.В.Ломоносов, Л.Пуансо, Э.Раус, И.А.Вышнеградский, А.М.Ляпунов, И.В.Мещерский, Н.Е.Жуковский, М.В.Остроградский, С.А.Чаплыгин, А.Н.Крылов, И.Н.Вознесенски и др. Многие исследователи истории науки и техники уделяли внимание изучению истории механики с целью осмысления её развития и взаимосвязи с общим развитием научно-технической практики, а также с целью систематизации всеобщего историко-научного материала. Сегодня механика имеет достаточно много разделов, к примеру – теория упругости, гидромеханика, аэромеханика, газовая механика, гидравлика и т.д. 27 Следует отметить, что в современной инженерной сложившейся практике механику понимают более широко, не только как науку, но и как вид техники, которая осуществляет преобразование движений и усилий. Современная техника сложна и имеет, соответственно, сложную структуру, так как во многих технических устройствах необходимо использовать механизмы для достижения конкретных функциональных целей. Ускоренное в последние десятилетия развитие науки и процессов совершенствования техники расширяет область технических наук и способствует появлению новых разделов. Относительно механики появилось новое направление в научно-инженерной деятельности, которое назвали мехатроникой. В основе мехатроники лежит механика, которая рассматривается в комплексе с электротехникой, электроникой и компьютерным управлением. Ныне это актуальная и сложная интегрированная область деятельности направленная на создание техники нового поколения. Далее в данном параграфе основные сведения по мехатронике приводятся из работ Готлиба Б.М. [1 и 2]. Современный термин «Mechatronics» был введен фирмой Yaskawa Electri c (Япония) в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Это название получено комбинацией слов «механика» и «электроника». Объединение этих понятий в едином словосочетании означает интеграцию знаний в соответствующих областях науки и техники, которая позволила совершить качественный скачок в создании техники нового поколения и производства новейших видов систем и оборудования. Аналогичным образом шло развитие электромеханики как науки, использующей достижения электротехники и механики при создании приводных исполнительных систем широкого назначения. Интеграция электромеханики и микроэлектроники привела к появлению комплектных интегрированных мехатронных модулей движения рабочих органов и узлов машин, а также создаваемого на их основе оборудования. Именно в этом направлении преимущественно развивалась мехатроника в нашей стране. Так как затронут вопрос о появлении термина «мехатроника» в научно- технической области, то хотелось бы уделить некоторое внимание образованию терминологии в целом в профессиональной технической среде. Это одна из таких частных и существующих проблем – формирование новой терминологии в различных областях научно-технического знания. Эта проблема была и раньше в относительно небольшом масштабе, однако в настоящее время она обостряется достаточно существенно. Бесспорно, что в мире формируется информационное общество, однако в нём наряду со значительными «плюсами» имеются и сопутствующие «минусы». К «минусам» в том числе относится и достаточно большой бессистемный поток новых терминов во многих областях жизнедеятельности. Стихийный ввод каких-либо новых понятий и терминов в научный оборот на определённом этапе может заметно сдерживать в определённой мере эффективное и рациональное общение в профессиональном сообществе, так как новые 28 термины не всегда несут адекватную смысловую нагрузку. Появление всё новых разделов наук, их интеграция на различных уровнях развития в сочетании с потоком информацией лавинообразного характера для конкретного субъекта в текущей научной и инженерной деятельности на некоторых этапах нередко создаёт определённую сложность. Если процесс формирования терминов представить в некотором «идеале», то необходимо какие-либо обобщённые правила, которые должны неукоснительно выполняться в научном обществе. Однако, по многим и понятным причинам это невозможно. Какое положение «складывается» фактически в этом вопросе в технической области? В целом достаточно адекватное, так как профессиональные сообщества с определёнными трудностями всё же решают эту проблему. В частности, рассматриваемый пример показывает достаточную обоснованность этого понятия и термина как мехатроника – есть и аналогия, конкретизация, профессиональное обсуждение и признание, выработаны соответствующие нормативные документы. К началу 80-х годов термин «мехатроника» утверждается в мировой технической литературе как название целого класса машин с компьютерным управлением движением. При этом интегрируются достижения не только в области электромеханики и электроники, но и в области систем компьютерного управления движениями машин и сложных пространственных механизмов. Общее определение мехатроники в широком понимании дано в Государственном образовательном стандарте РФ междисциплинарной специальности 07.18 «Мехатроника» (1995 год): «Мехатpоника - это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микpопpоцессоpной техники, информатики и компьютеpного упpавления движением машин и агpегатов». В данном определении представлена триединая сущность мехатронных систем, в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических электронных и компьютерных элементов. Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы. Известно также несколько определений, опубликованных в периодических изданиях, трудах международных конференций и симпозиумов, где понятие о мехатронике конкретизируется и специализируется. К примеру, «Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями». Таким образом, мехатроника изучает особый методологический (концептуальный) подход в построении машин с качественно новыми характеристиками. Важно подчеркнуть, что этот подход является весьма 29 универсальным и может быть применен в машинах и системах различного назначения. Однако следует отметить, что обеспечение высокого качества управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта. Поэтому изучение мехатроники целесообразно осуществлять по специальностям, предметом которых являются конкретные классы производственных машин и процессов. Можно заметить, что во втором приведённом определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов в мехатронных объектах. При этом принципиально важно, что составляющие части, не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами. В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели – реализации заданного управляемого движения. Также следует отметить, что интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиками уже на стадии проектирования машины, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машины. В этом радикальное отличие мехатронных машин от традиционных, когда зачастую пользователь был вынужден самостоятельно объединять в систему разнородные механические, электронные и информационно-управляющие устройства различных изготовителей. Таким образом, можно считать исходя из вышеизложенного, что понятие «мехатроника» целенаправленно наполняется содержанием в течение последних лет по мере совершенствования техники и развития технических наук. Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования (concurrent engineering methods). При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Парадигма параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы. Базовыми объектами изучения мехатроники являются мехатронные модули, которые выполняют движения, как правило, по одной управляемой координате. Из таких модулей, как из функциональных кубиков, компонуются сложные системы модульной архитектуры. Мехатронные системы предназначены, как следует из вышеприведённых определений, для реализации заданного движения. Поэтому критерии качества выполнения движения являются проблемно- ориентированными, то есть определяются постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещения выходного звена (рабочего органа) 30 технологической машины (например, инструмента для механообработки). При этом необходимо координировать управление пространственным перемещением с управлением различными внешними процессами. Такие сложные координированные движения мехатронных систем называют функциональными движениями. В современных мехатронных системах для обеспечения высокого качества реализации сложных и точных движений применяются методы интеллектуального управления (advanced intelligent control). Данная группа методов опирается на новые идеи в теории управления, современные аппаратные и программные средства вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемых движений мехатронной системы. Следует отметить, что мехатроника как новая область науки и техники, находится в стадии своего становления и её классификационные признаки еще строго не определены. Конечно, на нынешнем этапе первостепенное значение имеет выявление сущности новых принципов построения и тенденций развития машин с компьютерным управлением движением, а соответствующие семантические понятия и определения, безусловно, со временем будут видоизменяться и более точно отражать содержание. Широкое распространение мехатронных устройств стало возможно благодаря использованию в них так называемого искусственного интеллекта. Под искусственным интеллектом в технике специалисты понимают свойство автоматических систем брать на себя отдельные функции, например, выбирать и принимать оптимальные решения (без участия человека) на основе рационального анализа внешних воздействий (в рамках какой-либо установленной системы). Можно отметить, что к середине 1970-х годов появились первые интеллектуальные программы, использующие различные способы представления знаний для решения задач – экспертные системы. Одним из востребованных направлений систем искусственного интеллекта являлась и является робототехника. Первых роботов трудно назвать интеллектуальными. Только в 1960-х годах появились «очувствлённые» роботы, которые управлялись с компьютера. Например, в 1969 году в Электротехнической лаборатории в Японии началась разработка проекта «промышленный интеллектуальный робот». Целью этой разработки было создание «очувствлённого» манипуляторного робота с элементами искусственного интеллекта для выполнения сборочно- монтажных работ с визуальным контролем. В настоящее время во многих научно-исследовательских институтах и высших учебных заведениях всего мира разрабатываются самые различные технологии применения принципов искусственного интеллекта. Производство мехатронных устройств в мире ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях: 1. робототехника (промышленная и специальная); 31 2. авиационная, космическая и военная техника; 3. автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки); 4. нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые тележки, электророллеры, инвалидные коляски); 5. офисная техника (копировальные и факсимильные аппараты); 6. элементы вычислительной техники (например, принтеры, плоттеры, дисководы); 7. медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное); 8. бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины); 9. микромашины (для медицины, биотехнологии, средств телекоммуникации); 10. контрольно-измерительные устройства и машины; 11. фото- и видеотехника; 12. тренажеры для подготовки пилотов и операторов шоу-индустрии (системы звукового и светового оформления). Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах как нового научно- технического направления обусловлено целым рядом факторов. Можно назвать два основных фактора: тенденции мирового индустриального развития; развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиально новые технические и технологические решения). Также можно выделить следующие тенденции изменения и ключевые требования мирового рынка в рассматриваемой области: 1. - интернационализация рынка научно-технической продукции и, как следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов международного инжиниринга и трансфера технологий; 2. - быстрое развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникации (прямым следствием этой общей тенденции является интеллектуализация систем управления механическим движением и технологическими функциями современных машин); 3. - повышение роли малых и средних производственных предприятий в экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка; 4. - необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества, сформулированных в стандарте ISO 9000. Развитие мехатроники как междисциплинарной научно-технической области помимо очевидных технических и технологических сложностей ставит и целый ряд новых организационно-экономических задач. Современные предприятия, приступающие к проектированию, разработке и выпуску мехатронных изделий, должны решить следующие задачи: 32 1. - провести структурную интеграцию подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые в основном функционировали автономно) в единые проектные и производственные коллективы; 2. - подготовить «мехатронно-ориентированных» инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификации; 3. - интегрировать информационные технологии из различных научно- технических областей в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач; 4. - обеспечить стандартизацию и унификацию всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве мехатронных систем. Теперь немного об уровнях интеграции мехатронных систем. В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их последовательное появление на рынке наукоемкой продукции. Мехатронные модули первого уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить «мотор-редуктор», где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент. Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов). Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привела к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы управляемые энергетические машины (турбины и генераторы), станки и промышленные роботы с числовым программным управлением. Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров и на их базе и обеспечена интеллектуализация всех процессов, протекающих в мехатронной системе. Одновременно идет разработка новых принципов и технологий изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую 33 очередь высокомоментных, бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых прецизионных, информационных и измерительных наукоемких технологий создаёт основу для проектирования и изготовления интеллектуальных мехатронных модулей и систем. В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких комплексов - добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции в будущем. |