Что такое мехатроника

Основы мехатроники. Что такое мехатроника и ее определение

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:

Мехатроника изучает особые методологический подход построения машин с качественно новыми характеристиками. Этот подход является универсальным и может быть применен в машинных системах различного назначения. Однако, следует отметить, что обеспечить высокое качество управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта.
В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов мехатронных объектов. Синергия - это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом важно, что составляющие части непросто дополняют друг друга, а объединяются таким образом, что образованные системы обладают качественно новыми свойствами. В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели в реализации заданного управляемого движения.
Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машин, а затем обеспечиваются необходимые инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машин. В этом отличие мехатронных машин от традиционных, когда пользователь зачастую был вынужден самостоятельно объединять систему в разнородные механические , электронные и информационные управляющие устройства различных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность.

Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводятся разработка механической ,электронной , сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.
Базовыми объектами изучения мехатроники является мехатронный модуль, который выполняет движения по одной управляемой кординате. Из таких модулей как из функциональных кубиков компануются сложные системы модульной архитектуры.
Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем – проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (инструмент на станке). При этом необходимо координировать управление пространством перемещения мехатронных систем с управлением различными внешними процессами.

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:

Сверхвысокие скорости движения рабочих органов машин, определяющие новый уровень производительности технологических машин
Сверхвысокие точности движения, необходимые для реализации прецизионных технологий (вплоть до микро- и наноперемещений)
Максимальная компактность конструкции и минимизация массогабаритных показателей модулей
Интеллектуальное поведение машин, функционирующих в изменяющихся и неопределенных внешних средах
Реализация быстрых и точных перемещений рабочих органов по сложным контурам и поверхностям
Существенное расширение технологических и функциональных возможностей оборудования желательно без увеличения его стоимости
Способность системы к реконфигурации в зависимости от выполняемой конкретной задачи или операции
Высокая надежность и безопасность функционирования

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:

Мехатронный обрабатывающий центр МС-630 на базе четырех модулей

ПМС-630 и высокоскоростного шпинделя iBAG завода им. Свердлова.

Обрабатывающие центры: МЦ-1, гексамех-1, МЦ-2.
Робот-станок РООТ-300 для шлифования турбинных лопаток.
Лазерный комплекс для послойного синтеза.
Мобильные технологические роботы для инспекции и ремонта трубопроводов.

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:

Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации.
Организация управления функциональными движениями мехатронной системы, которая предполагает координацию управления механическим движением мехатронной системы и сопутствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства.
Взаимодействие с человеком-оператором через машинный интерфейс в режимах автономного программирования (режим off-line) и непосредственно в процессе движения мехатронной системы (режим on-line).
Организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.

Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления в целенаправленное механическое движение с 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.

Механич. МодулиИ элементы	Составные части	Исключаемые элементы
основные	Дополнит.
Приводной модуль	Исполнит двигатель	Силовой преобразователь	И3
Метатр. Модуль движения	Приводной модуль	Силовой преобразователь	И5
Интеллект. Сенсор	Сенсор	Микропроцессор	И4
Интеллект. Мехатр. Модуль движения	Мехатр. Модуль движения	Усиливающее устройство	И2

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:

интеграции технологий и знаний
интеллектуализации производственных технологий
мехатронных технолологий машинах и роботах
сквозных информационных систем

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?

требованиями рынка
Новыми взаимоотнашениями потребитель – производитель. В связи с этим появились качественно новые требования предъявляемые к ф-ным характеристикам приводной техники для технологических машин.

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 диаметраРТК Р200 для большого диаметраРТК РОКОТ – 3 для инспекции и ремонта трубРобот 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:

Разработка электромеханич систем путем объеденения в приводе электрического привода и механической передачи с электронными блоками.

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 650При 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 управленияСтруктура 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 процессорДМ – демультиплексорМП – микропроцессорИД – исполнительный двигательФИД – фотоимпульсный датчикШИМ – 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.

01.11.200422.11.200429.11.2004

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:

Технологическая постановка задачи;
Создание модели процесса с целью получения закона исполнительного движения;
Разработка программного и информационного обеспечения для реализации;
Дополнение информационной управляющей и конструкторской базы типового мехатронного объекта, реализующего предлагаемую технологию, если в этом есть необходимость.

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:

Учитывать динамику процесса резания;
Принимать во внимание обработку «по следу»;
Адекватно описывать процесс резания в условиях автоколебаний.

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:

Регулированием скорости резания в условиях автоколебаний можно добиться уменьшения их амплитуды. В дальнейшем амплитуда может снова возрастать, что требует повторного изменения скорости резания.
Величина изменения скорости резания заметно влияет на длительность периода снижения и восстановления уровня автоколебаний.
Для каждой частоты автоколебаний существует свое оптимальное значение изменения скорости резания.
Чем выше частота автоколебаний, тем меньше должно быть значение V
Чем меньше заданная допустимая амплитуда автоколебаний, тем с большей частотой следует изменять скорость резания.

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.

Мехатроника — что это такое? Основы мехатроники. Мехатроника и робототехника (специальность): кем работать?

ХХ век был очень плодотворным на возникновение новых наук, одной из которых является мехатроника. Кем работать после освоения данной дисциплины? Что она представляет собой и чем занимается? Насколько она важна в современной жизни? Какие она открывает нам перспективы? Кем работают люди, которые изучают данную дисциплину в университетах и самостоятельно? Вот неполный список вопросов, на которые будет дан ответ в статье.

Что такое мехатроника?

Данный термин был получен при соединении слов «механика» и «электроника». Впервые он был применён в 1969 году. На данный момент времени мехатроника – это наука, которая посвящена созданию и целенаправленной эксплуатации машин и систем, движение которых определяется электронно-вычислительной техникой. Она базируется на знаниях механики, микропроцессорной техники, информатики, электроники и компьютерном управлении движения агрегатов и машин. Изучить основы мехатроники можно при желании, поскольку научно-образовательной литературы по этому направлению достаточно. Для большего придётся приложить значительные усилия, чтобы найти необходимый материал. Хотя можно, теоретически, и самому додуматься, что представляет собой мехатроника. Что это такое мы уже выяснили, давайте перейдём к отдельным аспектам.

Связь с робототехникой

Очень часто их можно встретить вместе. Почему так? Дело в том, что робототехника – это самое перспективное направление мехатроники, которое может развиваться исключительно в её рамках. Здесь необходимо сделать небольшое отступление. Дело в том, что сейчас мехатроника занимается автомобильной, авиационной, космической, бытовой, медицинской и спортивной техникой. Но чтобы изготавливать предметы этого типа существуют отдельные специальности. И специально, чтобы акцентировать внимание на том, что студенты будут заниматься проектированием роботов, станков с численно-программным управлением и подобных устройств, а также их созданием, направление подготовки и называется «мехатроника и робототехника».

Общее описание практической составляющей

Что нам даёт мехатроника? Что это такое с точки зрения практики создания? Давайте рассмотрим общую схему построения машин, которые имеют компьютерное управление и ориентированы на то, чтобы автоматизировать производственные и бытовые задачи. Внешней средой для них является технологическое окружение, с которым будет происходить взаимодействие. Когда мехатронная система выполняет свои функции, то это происходит благодаря рабочим органам. Следует отметить, что данное научное направление является довольно молодым, в нём много неточностей и расплывчатых формулировок даже в научной литературе, поэтому со временем некоторые теоретические принципы могут поменяться. Мехатронные системы формируются из трех частей, которые связаны между собой информационными и энергетическими потоками:

Электромеханической. Сюда относят механические звенья, передачи, электродвигатели, сенсоры, рабочий орган, дополнительные электротехнические элементы, сенсоры. Все составляющие применяются для того, чтобы обеспечить необходимые движения. Особую важность для корректного выполнения поставленных задач имеют сенсоры. Они собирают данные про состояние объекта работ и внешней среды, непосредственно мехатронного устройства и его составляющих.
Электронный. Сюда относят микроэлектронные устройства, силовые преобразователи и измерительные цепи.
Компьютерной. Сюда относятся микроконтроллеры и электронно-вычислительные машины высшего уровня.

Основные функции мехатронных систем

На данный момент времени их выделяют 4:

Управление процессом механического движения в режиме реального времени с одновременной обработкой информации, что поступают с их сенсоров.
Соорганизация своих действий с внешними источниками влияния.
Взаимодействие с человеком посредством специального интерфейса в автономном режиме или в реальном времени.
Организация обмена данными между сенсорами, периферийными устройствами и другими составляющими элементами системы.

Задача мехатроники

Они должна решать проблему преобразования входной информации, что поступает с верхнего уровня управления в необходимые механические движения. При этом, как правило, используется принцип обратной связи. В проектировании эта задача выражается в том, что происходит интеграция в один функциональный модуль нескольких элементов, что имеют разную природу – в этом специфичность, которую имеет мехатроника. Специальность людей, которые занимаются выполнением данных целей может быть самой разной. В идеале при предоставлении планируемой информации будет получаться желаемый результат. Помочь в этой аппаратной составляющей должно программное обеспечение.

Преимущество мехатронного подхода при решении реальных задач

Сравнение будет проводиться с традиционными средствами автоматизации:

Относительно низкая стоимость систем, что достигается благодаря значительной интеграции, стандартизации и унификации всех составляющих интерфейсов и элементов.
Возможность реализации точных и сложных движений благодаря методам интеллектуального управления.
Высокий уровень надежности, долговечности и помехозащищенности.
Компактность используемых модулей, что позволяет обходиться меньшей площадью. Также их можно относительно легко совмещать для достижения возможности выполнения конкретных задач.
Благодаря упрощению кинематических цепей машины обладают хорошими динамическими и массогабаритными характеристиками.

Вот благодаря чему развивается мехатроника и робототехника. Специальность в данном случае позволяет получить уже отобранные и готовые у изучению данные, тогда как при самообразовании придётся всё искать самому.

Примеры мехатроники в реальной жизни

Где можно найти подобные системы около нас? Для этого предлагаю взглянуть на такие области людской деятельности:

Станкостроение и изготовление оборудования для проведения автоматизации технологических процессов.
Робототехника.
Военная, космическая и авиационная техника.
Автомобилестроение (так, мехатронными системами является стабилизация движения, автоматическая парковка и подобные разработки).
Различные нестандартные средства передвижения и транспортировки (электророллеры, грузовые тележки, инвалидные коляски, электровелосипеды).
Контрольно-измерительные машины и устройства.
Офисная техника (факсимильные и копировальные аппараты).
Медицинское оборудование (реанимационное, реабилитационное, клиническое).
Бытовая техника (швейные, посудомоечные, стиральные и иные машины подобного типа).
Тренажеры для подготовки операторов, водителей, пилотов.
Системы светового и звукового оформления.
Микромашины (активно применяются в медицине, биотехнологиях, средствах телекоммуникации).

Продолжать этот список можно ещё очень долго.

Высшее образование: мехатроника и робототехника

Вузы предлагают возможность обучения широкому спектру профессиональных умений. Этот список может быть очень длинным, но постараемся сделать его как можно короче:

Проводить оценку актуальности, перспективности и значимости проектов.
Разрабатывать информационные, электромеханические, электрогидравлические, электронные и микропроцессорные макеты модулей систем.
Создавать программное обеспечение, чтобы при необходимости осуществлять управление мехатронными приборами.
Составлять проектные документы, в которых будет описываться конструкция и процесс изготовления отдельных деталей.
Контролировать разработки на предмет соответствия стандартам.
Изготавливать, собирать и испытывать проектируемую технику.
Составлять патентные и лицензионные паспорта.
Делать модернизацию и отладку мехатронных систем.
Подготавливают инструкцию по использованию устройства.

Вот что может предоставить своим студентам любой лицензированный министерством образования факультет мехатроники и робототехники. Их мало, в основном существуют отдельные кафедры, но и на них можно получить необходимое образование.

Самореализация человека, которому известна мехатроника и робототехника: кем работать?

Где можно будет трудоустроиться после получения образования? Специалисты данного профиля создают и конструируют робототехнические системы промышленного и бытового использования. Также они могут разрабатывать программное обеспечение, чтобы обеспечить управление ими и удобную эксплуатациею. После получения образования обычно начинают работать на должности помощников конструкторов, программистов и техников, хотя перспективы дальнейшего места работы очень широкие, ведь облегчение труда человека и улучшение его результата – вот конечная задача, которую имеет мехатроника. Что это такое, мы уже изучили. И напоследок хотим сообщить, что потенциально можно будет заниматься одним из таких видов деятельности:

Научно-исследовательской.
Проектно-конструкторской.
Эксплуатационной.
Организационно-управленческой.

Особенностью данной специальности является то, что ощущается значительная нехватка кадров. Поэтому не редкостью являются факты трудоустройства даже самоучек, которые смогли продемонстрировать значительный уровень умений и практических навыков.

Заключение

Все профессии важны, все они нужны. Не преувеличивая, можно сказать, что описанная нами - одна из специальностей будущего. Спрос на работников умственного труда такого профиля постоянно растёт. Этот факт, а также хороший уровень денежного обеспечения позволяет говорить нам о том, что в это направление станет значительно популярней в ближайших десятилетиях. Возможно, что специальности юристов, экономистов и управленцев отойдут на задний план, и вперёд выйдет мехатроника. Что это такое, мы уже знаем, а с пониманием важности данной научной дисциплины будет приходить и согласие с данными словами.

Структура и принципы построения мехатронных систем.

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.

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:

Мехатроника изучает особые методологический подход построения машин с качественно новыми характеристиками. Этот подход является универсальным и может быть применен в машинных системах различного назначения. Однако, следует отметить, что обеспечить высокое качество управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта.
В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов мехатронных объектов. Синергия - это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом важно, что составляющие части непросто дополняют друг друга, а объединяются таким образом, что образованные системы обладают качественно новыми свойствами. В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели в реализации заданного управляемого движения.
Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машин, а затем обеспечиваются необходимые инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машин. В этом отличие мехатронных машин от традиционных, когда пользователь зачастую был вынужден самостоятельно объединять систему в разнородные механические , электронные и информационные управляющие устройства различных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность.
Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводятся разработка механической ,электронной , сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.
Базовыми объектами изучения мехатроники является мехатронный модуль, который выполняет движения по одной управляемой кординате. Из таких модулей как из функциональных кубиков компануются сложные системы модульной архитектуры.
Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем – проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (инструмент на станке). При этом необходимо координировать управление пространством перемещения мехатронных систем с управлением различными внешними процессами.

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.

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:

Сверхвысокие скорости движения рабочих органов машин, определяющие новый уровень производительности технологических машин
Сверхвысокие точности движения, необходимые для реализации прецизионных технологий (вплоть до микро- и наноперемещений)
Максимальная компактность конструкции и минимизация массогабаритных показателей модулей
Интеллектуальное поведение машин, функционирующих в изменяющихся и неопределенных внешних средах
Реализация быстрых и точных перемещений рабочих органов по сложным контурам и поверхностям
Существенное расширение технологических и функциональных возможностей оборудования желательно без увеличения его стоимости
Способность системы к реконфигурации в зависимости от выполняемой конкретной задачи или операции
Высокая надежность и безопасность функционирования

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.

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:

Мехатронный обрабатывающий центр МС-630 на базе четырех модулей

ПМС-630 и высокоскоростного шпинделя iBAG завода им. Свердлова.

Обрабатывающие центры: МЦ-1, гексамех-1, МЦ-2.
Робот-станок РООТ-300 для шлифования турбинных лопаток.
Лазерный комплекс для послойного синтеза.
Мобильные технологические роботы для инспекции и ремонта трубопроводов.

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:

Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации.
Организация управления функциональными движениями мехатронной системы, которая предполагает координацию управления механическим движением мехатронной системы и сопутствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства.
Взаимодействие с человеком-оператором через машинный интерфейс в режимах автономного программирования (режим off-line) и непосредственно в процессе движения мехатронной системы (режим on-line).
Организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.

Построение мехатронных модулей на основе синергетической интеграции элементов.

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.

Проанализируем физический характер преобразований и традиционную структуру электро-механического модуля с компьютерным управлением с этой же точки зрения.

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

Механич. Модули И элементы	Составные части	Исключаемые элементы
основные	Дополнит.
Приводной модуль	Исполнит двигатель	Силовой преобразователь	И3
Метатр. Модуль движения	Приводной модуль	Силовой преобразователь	И5
Интеллект. Сенсор	Сенсор	Микропроцессор	И4
Интеллект. Мехатр. Модуль движения	Мехатр. Модуль движения	Усиливающее устройство	И2

????

Рассмотрим типичные примеры однокоординатных модулей движения, разработанных для решения задач автоматизированного машиностроения.

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.