Курс лекций
«Конструирование мехатронных модулей»
Направление подготовки 220400 “Мехатроника и робототехника”
Специальность 220401 “Мехатроника”
Суржик Виталий Витальевич д.т.н.,
Профессор, кафедры ОиАМ
Иркутск 2012
Лекция 1.
Раздел 1. Методика и специфика конструирования мехатронных
модулей
Специфика конструирования мехатронных модулей.
Цель преподавания дисциплины “ Конструирование мехатронных модулей” – формирование у специалиста основных и важнейших знаний и умений по конструированию мехатронных модулей.
Дисциплина базируется на таких дисциплинах, как ”Дискретная математика”, ”Математика”, ”Информатика”, ”Физика”, “Теоретическая механика”, ”Основы мехатроники”.
Задачами дисциплины являются: передача студентам знаний и умений в области конструирования мехатронных модулей; развитие общего представления о современном состоянии конструирования мехатронных модулей и тенденциях ее развития в России и за рубежом.
Активно конструировать - это значит:
- конструировать осмысленно, не копируя слепо существующие об-
разцы; выбирать из имеющихся разработанных конструктивных ре
шений наиболее целесообразные в данных условиях;
- сочетать различные решения и находить новые, улучшенные;
- исходя из наработанного опыта в данной отрасли, непрерывно
улучшать показатели машин;
- учитывая динамику развития отрасли, создавать изделия с учетом
длительного срока их морального не устаревания.
Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященная 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 триединая 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 их функциональными движениями.
Синергетика (от греч. συν — «совместно» и греч. εργος — «действующий») — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). «…наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…».
Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же, безотносительно природы систем и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.
Пояснения к определению:
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
Стандартное определение (1995):
Мехатpоника — это 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, инфоpматики и компьютерного упpавления движением машин и агpегатов [citation origin needed]
Мехатроника является научно-технической дисциплиной, которая изучает построение электромеханических систем нового поколения, обладающих принципиально новыми качествами и, часто, рекордными параметрами.
Некоторые исследователи видят главную суть мехатроники в объединении, прежде всего, механики и электроники, в отличие от электромеханики, появившейся в свое время на стыке механики и электротехники.
Обычно мехатронная система является объединением собственно электромеханических компонентов с новейшей силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, ПК или других вычислительных устройств. При этом система в истинно мехатронном подходе, несмотря на использование стандартных компонентов, строится как можно более монолитно, конструкторы стараются объединить все части системы воедино без использования лишних интерфейсов между модулями. В частности, применяя встроенные непосредственно в микроконтроллеры АЦП, интеллектуальные силовые преобразователи и т. п. Это уменьшает массу и размеры системы, повышает ее надёжность и дает некоторые другие преимущества. Любая система, управляющая группой приводов может считаться мехатронной. В частности, если она управляет группой реактивных двигателей космического аппарата.
Иногда система содержит принципиально новые с конструкторской точки зрения узлы, такие как электромагнитные подвесы, заменяющие обычные подшипниковые узлы. К сожалению, такие подвесы дороги и сложны в управлении и в нашей стране применяются редко (на 2005 г.). Одной из областей применения электромагнитных подвесов являются турбины, перекачивающие газ по трубопроводам. Обычные подшипники здесь плохи тем, что в смазку проникают газы — она теряет свои свойства.
Мехатронными модулями называют составляющие части мехатронной системы. Такие модули могут объединять в одном корпусе несколько компонентов, например, двигатель, редуктор и датчики.
Исходное определение: "Technologies and developed products incorporating electronics into mechanisms, intimately and organically, and making it impossible to tell where one ends and the other begins".
Вообще, многие современные системы являются мехатронными или используют идеи мехатроники, поэтому постепенно мехатроника становится «наукой обо всём».
Примеры мехатронных систем в быту: принтер, сканер, радиоуправляемые модели автомобилей и др.
Лекция 2.
Понятие конструирования
В последние годы потребности промышленности стимулируют интенсивное развитие теории конструирования, т. е. учения о правилах и приемах конструирования с использованием систематизированных сведений о технических объектах (базы данных технических решений) и различных вспомогательных средств. Использование термина методическое конструирование подчеркивает наличие определенной методики. Области приложения этой научной дисциплины постоянно расширяются, и становится очевидной ее принципиальная полезность для решения практических задач. К сожалению, возможности применения этой' теории в повседневной конструкторской работе до сих пор ограничены довольно тесными рамками, поскольку в настоящее время у нас нет ни достаточного многообразия отработанных методов, алгоритмически применимых ко всему разветвленному множеству технических конструкций, ни надежных знаний, систематизированных и представленных в удобной форме.
Для конструирование мехатронных модулей различают основные методы конструирования
- процесс конструирования по Байтцу;
- алгоритмический избирательный метод конструирования по каталогам
- системное конструирование по Ханзену
