МЕХАТРОННЫЕ
И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
Учебное пособие
ВвЕдение
Мехатроника изучает технические системы, агрегаты, машины и комплексы машин различного назначения с компьютерным управлением движением. Главная методологическая идея мехатроники состоит в системном сочетании таких ранее обособленных научно-технических областей, как точная механика, микроэлектроника, электротехника, компьютерное управление и информационные технологии.
В мехатронных системах укрупненно принято выделять три составные части – механическую, электронную и компьютерную, объединение которых посредством интерфейсов и образует систему в целом. Суть мехатронного подхода заключается в тесной взаимосвязи указанных компонент на всех этапах жизненного цикла изделия, начиная со стадии его проектирования и маркетинга и заканчивая производством и эксплуатацией заказчиком.
Интенсивное развитие и широкое распространение в последнее десятилетие мехатронных устройств объясняется их основными преимуществами по сравнению с традиционными средствами автоматизации, к которым следует отнести:
- относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;
- высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;
- высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;
- конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах);
- улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;
- возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.
В рамках Государственных научно-технических программ в нашей стране выполнен целый ряд фундаментальных научных исследований, успешных инженерных и производственных разработок по интеграции перечисленных направлений, которые заложили научно-технический потенциал для развития современных мехатронных систем. Созданы серии комплектных электромеханических приводов, встраиваемых в узлы машин. В автоматизированном машиностроении наиболее ярко эта тенденция проявилась в 70–80-х годах прошлого столетия при создании промышленных и специальных роботов, станков с числовым программным управлением, обрабатывающих центров, гибких производственных модулей и систем.
Глава 1. Предпосылки развития, основные понятия и принципы построения мехатронных устройств
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.
Анализ указанных тенденций показывает, что достигнуть качественно нового уровня основного технологического оборудования на основе традиционных подходов уже практически нереально. В ближайшие годы ожидается резкий рост отношения «Качество/Цена» для нетрадиционных производственных машин, выполненных на основе новых механизмов параллельных соединений и гексаподов.
Историю мехатроники принято отсчитывать с 1969 года, когда японская фирма Yaskawa Electric ввела новый термин «Мехатроника». Первоначально мехатронными системами считались только регулируемые электроприводы. Затем сюда стали относить автоматические двери, торговые автоматы, мобильные средства и фотокамеры с автофокусировкой. В 80-х годах прошлого столетия класс мехатронных систем пополнился станками с числовым программным управлением, промышленными роботами и новыми видами бытовых машин (посудомоечных, стиральных и т. п.). В последние десятилетия очень большое внимание уделяется созданию мехатронных модулей для современных автомобилей, нового поколения технологического оборудования (станков с параллельной кинематикой, роботов с интеллектуальным управлением), микромашин, новейшей компьютерной и офисной техники.
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 появление на рынке наукоемкой продукции исторически.
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 прошлого столетия 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 привело 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 на их базе и направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь – процесса управления функциональными движениями машин и агрегатов. Одновременно идет разработка новых принципов и технологий изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных, бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых прецизионных, информационных и измерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и производства 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 на рынках XXI века.
Важно подчеркнуть, что толчком для становления мехатроники стали не общие теоретические идеи (как это было, например, в истории робототехники), а технические достижения инженеров-практиков в различных отраслях. Затем заинтересованные организации в конце 80-х годов прошлого столетия стали объединяться в научно-технические сообщества. В России координацию научно-технических работ в настоящее время осуществляет Ассоциация инновационного машиностроения и мехатроники. Аналогичные организации были созданы и во многих странах Европы.
В эти же годы курсы по мехатронике стали включать в учебные планы технические университеты. В нашей стране специальность «Мехатроника» была введена в классификатор Государственного комитета по высшему образованию в марте 1994 года. Первыми эту специальность открыли МГТУ «СТАНКИН», МГТУ им. Н. Э. Баумана и Балтийский ГТУ (Санкт-Петербург).
Со второй половины 90-х годов прошлого века начинается активная разработка фундаментальных основ мехатроники как науки. В марте 1996 года выходит первый выпуск журнала IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, который издается Институтом инженеров по электротехнике и электронике совместно с Американским обществом инженеров-механиков. В 1996–1998 годах появляется целый ряд статей по мехатронике в отечественных журналах («Приводная техника», СТИН и других), а также в научно-технических сборниках. Направление «Мехатронные технологии» выделено Министерством науки и технологий РФ на 1999–2000 годы как критическое в рамках Федеральной программы «Технологии, машины и производства будущего». Ежегодно в мире проводится несколько специализированных научно-технических конференций в области мехатроники.
По мере расширения области применения мехатронных систем и расширения международных научно-технических связей, становится все более значимым активный обмен новыми производственными и информационными технологиями между их создателями и пользователями, между различными группами потребителей и разработчиков (научно-исследовательскими центрами, предприятиями различных форм собственности, университетами).
Развитие мехатроники как междисциплинарной научно-технической области помимо очевидных технико-технологических сложностей ставит и целый ряд новых организационно-экономических проблем. Современные предприятия, приступающие к разработке и выпуску мехатронных изделий, должны решить в этом плане следующие основные задачи:
- структурную интеграцию подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые, как правило, функционировали автономно и разобщенно) в единые проектные и производственные коллективы;
- подготовку «мехатронно-ориентированных» инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификации;
- интеграцию информационных технологий из различных научно-технических областей (механики, электроники, компьютерного управления) в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач;
- стандартизацию и унификацию всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве мехатронных систем.
Решение перечисленных проблем зачастую требует преодоления сложившихся на предприятии традиций в управлении и амбиций менеджеров среднего звена, привыкших решать только свои узкопрофильные задачи. Именно поэтому средние и малые предприятия, которые могут легко и гибко варьировать свою структуру, оказываются более подготовленными к переходу к производству мехатронной продукции.
Приведенный анализ современных тенденций объективно и убедительно свидетельствует о быстро возрастающем интересе к мехатронике и высокой активности специалистов в научно-исследовательской, образовательной и производственной сферах, что определяет перспективу развития мехатроники в XXI веке как одного из ключевых направлений современной науки и техники.
Основные понятия и определения мехатроники
Современный термин «Мехатроника» («Mechatronics»), согласно японским источникам, был введен фирмой Yaskawa Electric в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Этоназвание получено комбинацией слов «МЕХАника» и «элекТРОНИКА».
Начиная с 80-х годов прошлого века, термин «Мехатроника» все чаще применяется в мировой технической литературе как название целого класса машин с компьютерным управлением движением.
Мехатроника находится только в стадии становления, поэтому на сегодняшний день ее определения и базовая терминология еще полностью не сформированы.
Общее определение мехатроники в широком понимании дано в 1995 году в Государственном образовательном стандарте РФ специальности «Мехатроника»:
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.
В данном определении особо подчеркнута триединая сущность мехатронных систем (МС), в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Именно поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга (рис. 1.1), помещенные во внешнюю оболочку «Производство» - «Менеджмент» - «Требования рынка».
Рис. 1.1 Определение мехатронных систем
Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы.
Известно несколько определений, опубликованных в периодических изданиях, трудах международных конференций и симпозиумов, где понятие о мехатронике конкретизируется и специализируется. На основе этих определений предложена следующая формулировка предмета мехатроники:
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.
Это определение можно прокомментировать следующим образом:
1. Мехатроника изучает новый методологический подход (в некоторых работах даже используются более укрупненные понятия – «философия», «парадигма») в построении машин с качественно новыми характеристиками.
Важно подчеркнуть, что этот подход является весьма универсальным и может быть применен в машинах и системах различного назначения. Но при этом следует отметить, что обеспечить высокое качество управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта. Поэтому учебные курсы по мехатронике целесообразно включать в программы подготовки по специальностям, предметом которых являются конкретные классы производственных машин и процессов (например, «Автоматизация технологических процессов и производств», «Металлорежущие станки», «Машины для обработки металлов давлением», «Роботы и робототехнические системы» и т. д.).
2. В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов в мехатронных объектах. 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.
В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели – реализации заданного управляемого движения. В некоторых определениях вместо термина «синергетическое» используются понятия «органическое», «системное» соединение частей в мехатронную систему.
3. Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком 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. Именно поэтому многие сложные комплексы (например, некоторые гибкие производственные системы в отечественном машиностроении) 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 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.
5. 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.
6. Мехатронные системы предназначены, как следует из определения, для реализации заданного движения. Критерии качества выполнения движения мехатронными системами (МС) являются проблемно-ориентированными, т. е. определяются постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещения выходного звена – рабочего органа технологической машины (например, инструмента для механообработки). При этом необходимо координировать управление пространственным перемещением МС с управлением различными внешними процессами. Таким образом, в мехатронике рассматривают многосвязные системы. Многосвязность системы означает, что движение каждого звена влияет на движение остальных звеньев. Указанное взаимовлияние происходит через механическое устройство как общую нагрузку, через общий источник энергии, а также вследствие естественных и искусственных динамических связей между каналами управления в блоке приводов. Следовательно, необходимо формировать управление движением мехатронной системы (особенно на высоких скоростях, где влияние динамических факторов существенно) с учетом перекрестных связей. Примерами таких процессов могут служить регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, контроль и диагностика текущего состояния критических элементов МС (инструмента, силового преобразователя), управление дополнительными технологическими воздействиями (тепловыми, электрическими, электрохимическими) на объект работ при комбинированных методах обработки, управление вспомогательным оборудованием комплекса (конвейерами, загрузочными устройствами и т. п.), выдача и прием сигналов от устройств электроавтоматики (клапанов, реле, переключателей). Такие сложные координированные движения мехатронных систем будем в дальнейшем называть функциональными движениями.
7. В современных МС для обеспечения высокого качества реализации сложных и точных движений применяются методы интеллектуального управления. Данная группа методов опирается на новые идеи в теории управления, современные аппаратные и программные средства вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемых движений мехатронными системами.
1.3. Принципы построения, признаки
и состав мехатронных систем
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:
1. 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.
2. Минимум преобразований информации и энергии (например, использование высокомоментных или линейных двигателей без редукторов) – принцип минимума преобразований.
3. Использование одного и того же элемента мехатронного устройства для реализации нескольких функций – принцип совмещения функций.
4. Объединение корпусов мехатронного устройства – принцип совмещения корпусов.
5. 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.
