Мехатронные устройства – это выделившийся в последние десятилетия класс машин, или узлов этих машин, базирующийся на использовании в них точной механики, электропривода, электроники, компьютерного управления. Мехатронное устройство обладает следующими характерными признаками:
Наличие: выходного механического звена (ВМЗ), выполняющего внешние функции мехатронного устройства; силового электромеханического привода выходного звена; устройства программного управления приводом; информационной системы, контролирующей состояние окружающей среды и состояние самого мехатронного устройства.
Минимум преобразований информации и энергии (например, использование высокомоментных или линейных двигателей без редукторов) – принцип минимума преобразований.
Использование одного и того же элемента мехатронного устройства для реализации нескольких функций – принцип совмещения функций.
Объединение корпусов мехатронного устройства – принцип совмещения корпусов.
Применение сверхплотного монтажа элементов.
Примерами современных мехатронных устройств являются модули станков и промышленных роботов, устройства внешней памяти компьютеров, принтеры, бытовая техника и т. п. Мехатронное устройство может быть либо машиной, либо узлом (функциональный элемент, модуль) машины.
Мехатронный узел включает в себя:
– механизм, состоящий из корпуса, привода и выходного механического звена. Последнее может включать силовой элемент, механическую передачу движения, рабочий орган или другой оконечный элемент ВМЗ;
– усилитель мощности силового элемента;
– устройство управления усилителем мощности;
– внутреннюю информационную систему (датчики состояния самого мехатронного узла, средства обработки информации с датчиков);
– внешнюю информационную систему (сенсоры информации о внешней среде мехатронного узла, средства обработки этой информации);
– устройство управления мехатронным узлом.
Проблема эксплуатации и ремонта трубопроводов актуальна для нефтяных и газопроводов, для водопроводных и канализационных сетей (особенно для крупных городов и мегаполисов), для каналов водосброса и водозабора из рек. Применение мобильных роботов для телеинспекции и обслуживания магистралей позволяет предупреждать техногенные и экологические аварии и катастрофы и внедрить бестраншейные методы ремонта. Роботизация позволяет также осуществлять реновацию и санацию ветхих магистралей, проводить приемку новых и контроль за состоянием действующих трубопроводов, проводить экологический мониторинг сетей, составлять карты подземных коммуникаций.
В качестве примера решения этой технической проблемы рассмотрим робот Р-200, предназначенный для телеинспекции трубопроводов диаметром от 150 до 1200 мм. Этот мобильный робот имеет набор сменных колес и цветную поворотную телекамеру. Управляется робот дистанционно оператором с поста управления, размещенного в автомобиле (длина кабеля до 200 м). Пост управления имеет цветной монитор и цифровую систему документирования на базе компьютера в промышленном исполнении. Телекамера оснащена устройством наведения (механизмы качания, ротации и подъема) для осмотра стенок трубы, блоками основного и дополнительного освещения, электромеханический стеклоочиститель, а также имеет дистанционный привод фокусировки. Робот имеет герметичное исполнение, способен работать с погружением в воду, корпус накачивается азотом для предотвращения конденсации влаги внутри него и запотевания стекол телекамеры. Приводы перемещения представляют собой мехатронные модули типа «мотор-колесо» на базе двигателей постоянного тока. Схема телеинспекции показана на рисунке 2.1а. Помимо системы технического зрения робот оснащен датчиком пути, датчиком углов крена и дифферента корпуса, датчиками углов ориентации телекамеры. Эти сенсоры необходимы не только для управления движением робота, но и для трассировки залегания трубопровода, дают информацию о профиле трубы и координатах дефекта (свища, трещины) или обнаруженного постороннего предмета.
Рис. 2.1 Схемы роботизированных операций:
а) телеинспекция трубопровода; б) подрезка выступающих элементов;
в) локальная заделка дефекта; г) дефект в трубопроводе;
д) зачистка с помощью фрезерной головки;
е) установка внутреннего бандажа; ж) трубопровод после ремонта
Телероботы позволяют не только обнаружить, но и устранить целый ряд дефектов. Робот РОКОТ-1М комплектуется сменными рабочими органами – фрезерными и бандажными головками для выполнения ремонтных операций внутри трубы. Фрезерная головка предназначена для локальной зачистки поверхностей, сверления, подрезки выступающих элементов (наплывы, грат на сварных швах, штыри), прорезки боковых отводов после санации трубы пластиком. Заделка дефектов выполняется с помощью бандажной головки, которая накладывает кольцевой бандаж шириной 100 мм из ткани со специальной пропиткой. Схемы ремонта дефекта в трубопроводе для ликвидации утечек без раскопки показаны на рисунке 2.1б-ж.
Мобильный робот является характерной мехатронной системой, когда проектно-конструкторские решения по разработке электромеханической, сенсорной и электрической частей принимались только во взаимосвязи, учитывая уже с начальных этапов главный лимитирующий фактор – диаметр трубопровода.
Перспективы развития мобильной робототехники связаны с интеллектуализацией устройств управления и сенсоров, которая, в частности, заключается в автоматическом принятии решений о поведении роботов, это позволит повысить качество проводимых операций и автономность их выполнения.
Автоматическое принятие решений рассматриваемым роботом, без непосредственного участия человека-оператора, целесообразно на следующих операциях:
обнаружение и распознавание постороннего объекта в трубопроводе с использованием информации системы технического зрения и локационных датчиков;
планирование траектории и скорости движения при прохождении поворотов на базе сенсорных сигналов от двухкомпонентного датчика крена-дифферента и датчиков приводных модулей «мотор-колесо»;
управление режимами работы фрезерной головки на основании информации о действующих силах и моментах;
диагностика и измерение толщины стенки трубы.
Трудовые действия |
|
Требования к образованию и обучению |
|
Требования к опыту практической работы |
|
Предпосылки развития мехатроники
Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах прошлого столетия как нового научно-технического направления обусловлено тремя основными факторами:
новыми тенденциями мирового индустриального развития;
развитием фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиально новые технические и технологические решения);
активностью специалистов в научно-исследовательской и образовательной сферах.
Можно выделить следующие тенденции, изменения и ключевые требования мирового рынка в рассматриваемой области:
необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества;
интернационализация рынка научно-технической продукции и, как следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов международного инжиниринга и трансфера технологий;
повышение роли малых и средних производственных предприятий в экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка;
бурное развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникации. Прямым следствием этой общей тенденции является интеллектуализация систем управления механическим движением и технологическими функциями современных машин.
Области применения мехатронных систем
станкостроение и оборудование для автоматизации технологических процессов;
робототехника (промышленная и специальная);
авиационная, космическая и военная техника;
автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);
нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые тележки, электророллеры, инвалидные коляски);
офисная техника ( например, копировальные и факсимильные аппараты);
элементы вычислительной техники (например, принтеры, плоттеры, дисководы);
медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);
бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины);
микромашины ( для медицины, биотехнологии, средств связи и телекоммуникации);
контрольно-измерительные устройства и машины;
фото- и видеотехника;
тренажеры для подготовки пилотов и операторов;
шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).
Определения и терминология мехатроники
Мехатроника – 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 микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.
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.
Синергия – это совместное действие, направленное на достижение общей цели. При этом составляющие части не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами.
Робототехника – это наука создания технических систем с автоматизацией. Это значит, что робототехника, по сути есть синтез программирования управляющего софта, механики и электроники, так как роботы – всё же пока ещё электронные механизмы.
Структура и основные составляющие мехатронных модулей
В состав традиционной машины входят следующие основные компоненты
механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган;
блок приводов, включающий силовые преобразователи и исполнительные двигатели;
устройство компьютерного управления, верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть;
сенсоры, предназначенные для передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии блоков машины и движении МС.
Таким образом, наличие трех обязательных частей - механической (точнее электромеханической), электронной и компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками, является первичным признаком, отличающим мехатронные системы.
Принципы построение мехатронных систем
Мехатронное устройство обладает следующими характерными признаками:
Наличие: выходного механического звена (ВМЗ), выполняющего внешние функции мехатронного устройства; силового электромеханического привода выходного звена; устройства программного управления приводом; информационной системы, контролирующей состояние окружающей среды и состояние самого мехатронного устройства.
Минимум преобразований информации и энергии (например, использование высокомоментных или линейных двигателей без редукторов) – принцип минимума преобразований.
Использование одного и того же элемента мехатронного устройства для реализации нескольких функций – принцип совмещения функций.
Объединение корпусов мехатронного устройства – принцип совмещения корпусов.
Применение сверхплотного монтажа элементов.
Мехатронное устройство может быть либо машиной, либо узлом (функциональный элемент, модуль) машины.
Мехатронный узел включает в себя:
механизм, состоящий из корпуса, привода и выходного механического звена. Последнее может включать силовой элемент, механическую передачу движения, рабочий орган или другой оконечный элемент ВМЗ;
усилитель мощности силового элемента;
устройство управления усилителем мощности;
внутреннюю информационную систему (датчики состояния самого мехатронного узла, средства обработки информации с датчиков);
внешнюю информационную систему (сенсоры информации о внешней среде мехатронного узла, средства обработки этой информации);
устройство управления мехатронным узлом.
Принципы интеграции мехатронных систем
Назначение мехатронных модулей движения
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.
Классификация типов механического движения по функциональному назначению
Механические движения для выполнения основных и вспомогательных операций в технологических и энергетических машинах различных отраслей промышленности
Машиностроение
Полиграфическая промышленность
Текстильная и легкая промышленность
Упаковочно-расфасовочная техника
Нефтегазодобывающая
Механические движения при преобразовании различных видов движения в механическую
Электродвигатели
Двигатели внутреннего сгорания
Пневмо и гидродвигатели
Механические движения двигателей транспортных средств
ТС колесного и гусеничного
Двуногие шагающие роботы
Устройства передвижения для инвалидов
Механические движения исполнительных органов систем управления технологических установок различного назначения
Задвижки нефтегазоперекачивающих трубопроводов и трубопроводов водо и теплоснабжения
Задвижки нефтегазоперерабатывающих установок
Автоматические коробки передачи, автоматические стеклоочистители и стеклоподъемники
Рули управления самолетами с автопилотом
Исполнительные органы в системе наведения ракет и зенитных установок
Классификация типов механического движения по типу движения рабочего органа в пространстве
Пространственное движение - Когда РО имеет точки , траектории движения которых не лежат в одной плоскости
Плоское движение – когда все точки РО перемещаются в одной плоскости либо в параллельной
Классификация типов механического движения в плоскости и во времени
Однонаправленное движение РО
С постоянной скоростью
С переменной скоростью без остановок
С мгновенными остановками
Разнонаправленное движение РО
Реверсивное движение с мгновенными остановками в момент смены направления движения
Реверсивное движение с остановками конечной продолжительности между периодами движения в разных направлениях
Сложное движение (реверсивное комбинированное) когда в одни периоды времени РО совершает все возможные варианты однонаправленного движения в другие, все возможные варианты реверсивного движения
Классификация типов механического движения по периодичности смены режимов движения
Апериодическое движение когда изменение скоростей при однонаправленном движении и изменению направленного движения при реверсивном движении.
Периодические движение когда в однонаправленном и реверсивном движении можно выделить периоды по определенному закону. Такому циклическому движению характерно перемещение рабочего органа за цикл, за определенное время.
Упаковочно-расфасовочная техника
Переплетно- оберточная техника
Подъем опускание
Объектом управления в мехатронике является сложная многосвязная система, в состав которой входят:
комплекс исполнительных приводов,
механическое устройство с рабочим органом,
блок сенсоров,
объект работ, с которым взаимодействует рабочий орган.
Указанная структура объекта управления определяет требования ипостановку задачи управления мехатронными системамирассматриваемого класса. Очевидно, что воспроизведение заданныхдвижений мехатронными модулями основывается на выполненииклассических требований теории управления: устойчивости, точности икачества процесса управления. Однако дополнительно необходимоучитывать следующие специфические особенности мехатронных систем:
Движение рабочего органа как конечного управляемого звенаобеспечивается взаимосвязанными (кинематически и динамически)перемещениями нескольких исполнительных приводов и звеньевмеханического устройства.
Задача управления мехатронной системой должна быть решена в пространстве (т.е. найдены оптимизированные траектории движениявсех звеньев, включая рабочий орган) и во времени (т.е. определены иреализованы желаемые скорости, ускорения и развиваемые усилия длявсех приводов системы).
Для многих технологических задач параметры внешних ивозмущающих воздействий, приложенных к рабочему органу иотдельным мехатронным модулям, заранее не определены.
Сложность построения адекватных математических моделеймехатронных систем традиционными аналитическими методами(особенно прецизионных многосвязных систем, включающихдинамическую модель технологического процесса).
Для планирования заданного движения мехатронной системы необходимо решить обратную задачу о положении механизма. Суть данной задачи состоит в определении требуемых перемещений звеньев системы по заданному закону движения рабочего органа.
Как известно, положение схвата манипулятора однозначно определяется его обобщенными координатами, а именно:
, |
где: – вектор абсолютных координат схвата;
– вектор обобщенных координат манипулятора;
– число степеней подвижности манипулятора.
Дифференцируя (8.6) по времени, получим
, |
где – матрица Якоби размерностьюдля преобразования (8.7).
В терминах рассматриваемой нами обратной задачи кинематики манипуляционных систем матрица Якоби (размерностью ) имеет вид:
Зависимость (8.7) более подробно можно представить следующим образом:
Зависимости (8.7) и (8.8) показывают, что между абсолютными скоростями и обобщенными скоростямисуществует линейная связь, однако коэффициенты в этой линейной связи переменные, так как элементы матрицы Якоби, которые образуют эти коэффициенты в различных сочетаниях, есть величины переменные.
Выражение (8.7) представляет собой прямую скоростную задачу и её решение при известных (заданных) функциях не представляет собой принципиальных трудностей.
Решим зависимость (8.7) относительно обобщенных скоростей , а именно:
Эта зависимость и есть решение обратной задачи по скорости, которая часто используется для управления манипуляционным роботом в режиме on-line.
При этом вектор обобщенных координат Qявляется неизвестным и значенияприходится для данного момента времени (рассчитываемого момента реального времени) брать с датчиков обратной связи, фиксирующих текущее положениеi-го звена относительно (i-1)-го, то есть значение.
В выражении (8.9) есть обратная матрица по отношению к матрице Якоби.
Рассмотрим более подробно последовательность решения прямой и обратной скоростных задач на примере простого манипулятора с двумя степенями подвижности (рис. 8.9).
Автомобили, оснащенные АКПП второго поколения, отличаются мощностью и маневренностью на дорогах. Экономичный расход бензина, комфортное вождение по любому дорожному полотну – все это добавляет плюсиков в «коробку с преимуществами» АКПП с блоком управления мехатроник.
Что же касается минусов, то и они имеют место быть! Главным недостатком АКПП с электрогидравлическим узлом, является достаточно высокая стоимость восстановительных работ в случае выхода системы из строя.
Еще совсем недавно о ремонте преселективной коробки переключения передач говорили лишь в теории. Все, что мастера многочисленных сервис — центров могли предложить своим клиентам – полная замена электрогидравлического модуля.
Сегодня же ситуация кардинально изменилась. Все проблемы в работе с коробками АКПП данного типа успешно решаются мастерами высокого класса, за относительно приемлемую стоимость.
Как же выявить проблему с блоком управления мехатроник, для того чтобы вовремя отвести авто в сервис центр? На что любой уважающий себя автомобилист сразу же обратит внимание?
• Не включаются парные и непарные передачи скоростного режима
• Легкая вибрация, рывки, толчки машины в момент старта с места
• Незначительный откат автомобиля назад на подъемах
• Автомобиль не может тронуться с места
• Самостоятельный переход автомобиля на аварийный режим и невозможность выхода из него.
Если хотя бы один из этих пунктов отображается в текущей работе вашего автомобиля, лучше незамедлительно отвести авто в сервис центр. Почему? Может быть, электроника сама восстановит правильный алгоритм своей работы?
Как показывает практика, чудеса если случаются, то только не с АКПП с электрогидравлическим узлом. Если проблема «чувствуется» значит пришло время безотлагательного решения текущей неисправности.
Заметьте! Мы не говорим о поломке, может быть блоку управления необходимо провести лишь адаптацию.
Мы знаем, как решить проблему с блоком управления мехатроник
В нашем сервис центре работают отличные мастера, способные провести качественную диагностику и необходимый ремонт АКПП всех типов и любой сложности. Мы не «придумываем» несуществующих проблем с автоматической коробкой переключения передач, а каждое наше решение обосновано и аргументировано.
Этап №1. Личная беседа владельца авто с мастером нашего сервис центра.
На этом этапе вы должны охарактеризовать неисправность в работе АКПП, что вызывает у вас подозрение и опасение в момент эксплуатации транспортного средства.
Этап №2. Тест-драйв.
Следующий этап предусматривает совместный тест-драйв автомобиля, в момент которого наш специалист делает первые предварительные выводы о работе АКПП.
Этап №3. Компьютерная диагностика АКПП
После завершения тест-драйва, мастер диагностирует автоматическую коробку передач с помощью оригинального сканера и анализирует полученные данные (кода).
Все! На этом этапе установка причины неисправности блока управления мехатроник завершена. Дальше мастер назовет вам все возможные способы устранения поломки, детально остановившись на каждом из них.
Стоимость услуг, оказываемых специалистами высокого уровня в стенах нашего сервисного центра, позволяет каждому автолюбителю доверить устранение текущих неисправностей людям, четко понимающих, что они делают!
Не стройте иллюзий на тему, что прочитав несколько статей в интернете и посмотрев пару любительских видео роликов, каждый желающий сможет произвести замену нового блок управления или устранить неисправность в электрогидравлическом узле самостоятельно.
"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453