Уровни интеграции мехатронных систем

В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоемкой продукции исторически. Мехатронные модули первого уровня представляют собой объединении только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить "мотор-редуктор", где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент.

Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).

Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привела к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы управляемые энергетические машины(турбины и генераторы), станки и промышленные роботы с числовым программным управлением. Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров 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 изготовления интеллектуальных мехатронных модулей и систем. В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ.

Цель создания таких комплексов - добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции на рынках XXI века.

^

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях :

• 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

телекоммуникации);

• контрольно-измерительные устройства и машины;

• фото- и видеотехника;

• тренажеры для подготовки пилотов и операторов ;

• шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).

^

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1.
Ю. В. Подураев «Основы мехатроники» Учебное пособие. Москва.- 2000г. 104 с.

2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Мехатроника

3.
http://mau.ejournal.ru/

4.
http://mechatronica-journal.stankin.ru/

Анализ структуры мехатронных систем мехатронных модулей

Содержание

Учебное пособие

По дисциплине «Проектирование мехатронных систем»

по специальности 220401.65

«Мехатроника»

г.о. Тольятти 2010

Краснов С.В., Лысенко И.В. Проектирование мехатронных систем. Часть 2. Проектирование электромеханических модулей мехатронных систем

Аннотация. Учебное пособие включает сведения о составе мехатронной системы, месте электромехатронных модулей в мехатронных системах, о структуре электромехатронных модулей, их типах и особенностях, включает этапы и методы проектирования мехатронных систем. критерии расчета нагрузочных характеристик модулей, критерии выбора приводов и т.д.

1 Анализ структуры мехатронных систем мехатронных модулей 5

1.1 Анализ структуры мехатронной системы 5

1.2 Анализ оборудования приводов мехатронных модулей 12

1.3 Анализ и классификация электрических двигателей 15

1.4 Анализ структуры систем управления приводами 20

1.5 Технологии формирования управляющего сигнала. ШИМ модуляция и ПИД регулирование 28

1.6 Анализ приводов и систем числового управления станков 33

1.7 Энергетические и выходные механические преобразователи приводов мехатронных модулей 39

1.8 Датчики обратной связи приводов мехатронных модулей 44

2 Основные понятия и методологии проектирования мехатронных систем (МС) 48

2.1 Основные принципы проектирования мехатронных систем 48

2.2 Описание этапов проектирования МС 60

2.3 Изготовление (реализация) МС 79

2.4 Тестирование МС 79

2.5 Оценка качества МС 83

2.6 Документация к МС 86

2.7 Экономическая эффективность МС 87

2.8 Разработка мероприятий по обеспечению безопасных условий труда с электромеханическими модулями 88

3. Методы расчетов параметров и проектирование мехатронных модулей 91

3.1 Функциональное моделирование процесса проектирования мехатронного модуля 91

3.2 Этапы проектирования мехатронного модуля 91

3.3 Анализ критериев выбора двигателей мехатронных систем 91

3.4 Анализ основного математического аппарата расчета приводов 98

3.5 Расчет требуемой мощности и выбор ЭД подач 101

3.6 Управление двигателем постоянного тока по положению 110

3.7 Описание современных аппаратно-программных решений управления исполнительными элементами станков 121

Список источников и литературы 135

Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплекса машин с интеллектуальным управлениями их функциональными движениями.[1]

Мехатронная система – совокупность мехатронных модулей (компьютерного ядра, информационных устройств-датчиков, электромеханических (приводов двигателей), механичемских (исполнительные элементы – фрезы, руки робота и т.д.), программного обеспечения (специально – управляющие программы, системного – операционные системы и среды, драйверы).

Мехатронный модуль – отдельный блок мехатронной системы, совокупность аппаратно-программных средств, осуществляющих движение одного или нескольких исполнительных органов.

Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком на стадии проектирования, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка.

Методологическая основа разработки МС служат методы параллельного проектирования, то есть одновременного и взаимосвязанного при синтезе всех компонентов системы. Базовыми объектами являются мехатронные модули, которые выполняют движение, как правило, по одной координате. В мехатронных системах для обеспечения высокого качества реализации сложных и точных движений применяются методы интеллектуального управления (новые идеи в теории управления, современные аппараты вычислительной техники).

В состав традиционной мехатронной машины входят следующие основные компоненты:

- механические устройства, конечным звеном которого является рабочий орган;

- блок приводов, включающий силовые преобразователи и силовые двигатели;

- устройства компьютерного управления, уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ входящая в компьютерную сеть;

- сенсорные устройства, предназначенные для передачи устройству управления информации о фактическом состоянии блоков машины и движения мехатронной системы.

Таким образом, наличие трех обязательных частей: электромеханической, электронной, компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками является первичным признаком отличающим мехатронную систему.

Таким образом, для физической реализации мехатронной системы теоретически необходимы 4 основных функциональных блока, которые изображены на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 – Блок-схема мехатронной системы

Если работа основана на гидравлических, пневматических или комбинированных процессах, то необходимы соответствующие преобразователи и датчики обратной связи.

Мехатроника является научно-технической дисциплиной, которая изучает построение электромеханических систем нового поколения, обладающих принципиально новыми качествами и, часто, рекордными параметрами. 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 даёт сокращение массогабаритных показателей, повышение надёжности системы и другие преимущества. Любая система, управляющая группой приводов может считаться мехатронной. В частности, если она управляет группой реактивных двигателей космического аппарата.

Рисунок 1.2 – Состав мехатронной системы

Иногда система содержит принципиально новые с конструкторской точки зрения узлы, такие как электромагнитные подвесы, заменяющие обычные подшипниковые узлы.

Рассмотрим обобщенную структуру машин с компьютерным управлением, ориентированных на задачи автоматизированного машиностроения.

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 возмущающие воздействия на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.

Внешние среды укрупненно можно разделить на два основных класса: детерминированные и недетерминированные. К детерминированным относятся среды, для которых параметры возмущающих воздействий и характеристики объектов работ могут быть заранее определены с необходимой для проектирования МС степенью точности. Некоторые среды являются недерминированными по своей природе (например, экстремальные среды: подводные, подземные и т.п.). Характеристики технологических сред как правило могут быть определены с помощью аналитико-экспериментальных исследований и методов компьютерного моделирования. Например, для оценки сил резания при механообработке проводят серии экспериментов на специальных исследовательских установках, параметры вибрационных воздействий измеряют на вибростендах с последующим формированием математических и компьютерных моделей возмущающих воздействий на основе экспериментальных данных.

Однако для организации и проведения подобных исследований зачастую требуются слишком сложные и дорогостоящие аппаратура и измерительные технологии. Так для предварительной оценки силовых воздействий на рабочий орган при операции роботизированного удаления облоя с литых изделий необходимо измерять фактические форму и размеры каждой заготовки.

Рисунок 1.3 – Обобщенная схема мехатронной системы с компьютерным управлением движением

В таких случаях целесообразно применять методы адаптивного управления, которые позволяют автоматически корректировать закон движения МС непосредственно в ходе выполнения операции.

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.

Электромеханическая часть включает механические звенья и передачи, рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнительные электротехнические элементы (тормоза, муфты). Механическое устройство предназначено для преобразования движений звеньев в требуемое движение рабочего органа. Электронная часть состоит из микроэлектронных устройств, силовых преобразователей и электроники измерительных цепей. Сенсоры предназначены для сбора данных о фактическом состоянии внешней среды и объектов работ, механического устройства и блока приводов с последующей первичной обработкой и передачей этой информации в устройство компьютерного управления (УКУ). В состав УКУ мехатронной системы обычно входят компьютер верхнего уровня и контроллеры управления движением.

Устройство компьютерного управления выполняет следующие основные функции:

- управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации;

- организация управления функциональными движениями МС, которая предполагает координацию управления механическим движением МС и сопутствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства;

- взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс в режимах автономного программирования (off-line) и непосредственно в процессе движения МС (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 (реже гидравлическая или пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

Суть мехатронного подхода к проектированию состоит в интеграции в единый функциональный модуль двух или более элементов возможно даже различной физической природы. Другими словами, на стадии проектирования из традиционной структуры машины исключается как сепаратное устройство по крайней мере один интерфейс при сохранении физической сущности преобразования, выполняемого данным модулем.

В идеальном для пользователя варианте мехатронный модуль, получив на вход информацию о цели управления, будет выполнять с желаемыми показателями качества заданное функциональное движение. Аппаратное объединение элементов в единые конструктивные модули должно обязательно сопровождаться разработкой интегрированного программного обеспечения. Программные средства МС должны обеспечивать непосредственный переход от замысла системы через ее математическое моделирование к управлению функциональным движением в реальном времени.

Применение мехатронного подхода при создании машин с компьютерным управлением определяет их основные преимущества по сравнению с традиционными средствами автоматизации:

- 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 системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Классификация приводов исполнительных механизмов мехатронной системы показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Классификация приводов мехатронной системы

На рисунке 1.5 показана схема электромехатронного узла на базе привода.

Рисунок 1.5 – Схема электромехатронного узла

В различных областях техники широко распространены приводы, выполняющие силовые функции в системах управле­ния разнообразными объектами. Автоматизация технологичес­ких процессов и производств, в частности, в машиностроении невозможна без использования различных приводов, которые включают в себя: исполнительные механизмы, определяемые технологическим процессом, двигатели и систему управления двигателями. В приводах систем управления МС (технологи­ческих машин, машин — автоматов МА, ПР и т.д.) применяют значительно отличающиеся по физическим эффектам испол­нительные двигатели. Реализация таких физических эффек­тов как магнетизм (электродвигатели), гравитация в виде пре­образования гидравлических и воздушных потоков в механи­ческое движение, расширение среды (двигатели внутреннего сгорания, реактивные, паровые и пр.); электролиз (емкостные двигатели) в совокупности с новейшими достижениями в области микропроцессорной техники позволяет создавать современные приводные системы (ПС) с улучшенными технически­ми характеристиками. Связь силовых параметров привода (крутящий момент, усилие) с кинематическими параметрами (угловая скорость выходного вала, скорость линейного пере­мещения штока ИМ) определяется механическими характе­ристиками электро-, гидро-, пневмо- и других приводов, в совокупности или раздельно решающих задачи движения (ра­бочего, холостого хода) механической части МС (технологи­ческого оборудования). При этом, если требуется регулирова­ние выходных параметров машины (силовых, скоростных, энергетических), то механические характеристики двигате­лей (приводов) должны целесообразно видоизменяться в ре­зультате управления устройствами регулирования, например, уровня питающего напряжения, тока, давления, расхода жид­кости или газа.

Простота формирования механических движений непосред­ственно из электрической энергии в приводных системах с электрическим двигателем, т.е. в электромеханических систе­мах ЭМС, предопределяет ряд преимуществ такого привода перед гидравлическими и пневматическими приводами. В на­стоящее время электродвигатели постоянного и переменного тока выпускаются заводами-изготовителями от десятых долей ватта до десятков мегаватт, что позволяет обеспечить спрос на них (по требуемой мощности) как для применения в промыш­ленности, так и на многих видах транспорта, в быту.

Гидравлические приводы МС (технологического оборудова­ния и ПР) в сравнении с электроприводами, весьма широко применяются в транспортных, горных, строительных, дорож­ных, путевых, мелиоративных и сельскохозяйственных маши­нах, подъемно-транспортных механизмах, летательных и под­водных аппаратах. Они обладают существенным преимуще­ством перед электромеханическим приводом там, где требуют­ся значительные рабочие нагрузки при небольших габаритах, например, в тормозных системах или автоматических короб­ках передач автомобилей, ракетной и космической технике. Широкая применимость гидроприводов обусловлена тем, что напряженность рабочей среды в них значительно больше, чем напряженность рабочей среды в электродвигателях и в про­мышленных пневматических приводах. В реальных гидравли­ческих приводах напряженность рабочей среды в направлении передачи движения составляет 6-100 МПа при гибком управ­лении за счет регулирования потока жидкости гидравлически­ми устройствами, имеющими различное управление, в том числе и электронное. Компактность и малая инерционность гидропривода обеспечивают легкое и быстрое изменение на­правления движения ИМ, а применение электронной аппаратуры управления обеспечивает приемлемые переходные про­цессы и заданную стабилизацию выходных параметров.

Для автоматизации управления МС (различного технологи­ческого оборудования, машин-автоматов и ПР) широко исполь­зуют также пневматические приводы на базе пневмодвигателей для реализации как поступательных, так и вращательных дви­жений. Однако из-за существенного различия свойств рабочей среды пневмо- и гидроприводов их технические характеристики отличаются вследствие значительной сжимаемости газов в срав­нении со сжимаемостью капельной жидкости. При простоте конструкции, хороших экономических показателях и достаточ­ной надежности, но низких регулировочных свойствах, пневмоприводы не могут быть использованы в позиционных и контур­ных режимах работы, что несколько снижает привлекатель­ность их применения в МС (технических системах ТС).

Определить наиболее приемлемый вид энергии в приводе с возможно достижимой эффективностью использования его в процессе эксплуатации технологического или оборудо­вания другого назначения задача достаточно сложная и может иметь несколько решений. Прежде всего, каждый привод дол­жен удовлетворять своему служебному назначению, необходи­мым силовым и кинематическим характеристикам. Определяю­щими факторами при достижении требуемых силовых и кинема­тических характеристик, эргономических показателей разраба­тываемого привода могут быть: быстродействие привода, точ­ность позиционирования и качество управления, ограничения по массе и габаритным размерам, расположение привода в общей компоновке оборудования. Окончательное решение при сопоставимости определяющих факторов принимается по резуль­татам экономического сравнения различных вариантов выбран­ного вида привода по стартовым и эксплуатационным затратам на его проектирование, изготовление и эксплуатацию.

Таблица 1.1 - Классификация электродвигателей