Введение в мехатронику

В процессе автоматизации производства создан класс машин, в которых электронное и компьютерное управление сочетается с механическими органами, реализующими необходимые физические действия. Типичным представителем таких машин является современный промышленный робот. Теоретическую основу выделившегося класса машин составляют теория механических устройств (теория механизмов и машин) и теория вычислительных управляющих систем (электроника). Эти два направления объединяются в новую отрасль науки, названную мехатроникой.

Термин мехатроника означает совокупность двух научно-технических направлений и образован сочетанием частей названий этих направлений – механика и электроника. Основные идеи мехатроники начали формироваться по мере того, как в состав обычных машин, состоящих из разнообразных механизмов, стали входить электронные устройства. Эти устройства преобразили облик машин, расширили их функции и положили начало новому этапу в машиностроении и других сферах деятельности человека.

На рис. 227 отражена взаимосвязь научно-технических направлений, составляющих мехатронику. Мехатроника связана с автоматизацией производства, промышленной автоматикой и робототехникой, автоматизацией транспортных и складских функций производства. Преимущества практического использования достижений мехатроники заключаются: в снижении стоимости продукции при одновременном повышении качества и потребительских свойств, повышении эффективности производства и росте прибыли.

Достижения мехатроники широко используются в товарах массового спроса: часы, фотоаппараты, кинокамеры, кондиционеры, швейные машины, холодильники и мн. др. Так, например, применение электронных устройств в часах существенно изменило их конструкцию и технологию производства и придало часам много новых функций, вплоть до функций калькулятора.

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.

Обобщенная структура мехатронного узла представлена на рис. 228, где приняты следующие обозначения: СЭ – силовой элемент, ВМЗ – выходное механическое звено, ССО – сенсор (датчик) состояния объекта, СВС – датчик параметра внешней среды,
ИП – измерительный преобразователь, ЦАП – цифроаналоговый преобразователь, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЛУ – логическое устройство.

Мехатронное устройство может содержать несколько ВМЗ для выполнения требуемого набора действий. Каждое ВМЗ имеет свой силовой элемент СЭ (привод). Приводы управляются от электронного логического устройства ЛУ или ЭВМ. Для управления могут использоваться аналоговые и дискретные логические сигналы.

Сигналы управления должны быть согласованы с приводами объекта по виду и мощности. Для этой цели применяются электронные усилители мощности, гальванические развязки, АЦП и другие электронные устройства.

Контроль состояния объекта управления осуществляется датчиками ССО, сигналы которых преобразуются и нормируются измерительными преобразователями ИП. При необходимости используются усилители и аналого-цифровые преобразователи АЦП. Измерительная информация этих датчиков используется для целей управления, при использовании замкнутого управления с обратной связью.

В случае применения адаптивного управления возникает необходимость в контроле параметров окружающей среды, и в устройство вводятся датчики параметров окружающей среды СВС, вырабатывающие соответствующую информацию. Информационные сигналы таких датчиков могут быть как аналоговыми, так и дискретными.

Задачами управления мехатронным устройством могут быть: задача автоматического регулирования, задача логико-программного управления, задача адаптивного управления. Для управления служит электронное логическое устройство ЛУ или компьютерное устройство управления. Управление осуществляется в соответствии с управляющими программами и заданными значениями управляемых параметров (уставками).

Таким образом, мехатронные модули движения предназначены для получения требуемого движения некоторого исполнительного устройства или рабочего органа называемого, как отмечалось, выходным механическим звеном. Это механическое движение ВМЗ получается из некоторого исходного движения, создаваемого приводом под воздействием системы управления. Необходимая функция перемещения ВМЗ во времени может быть получена либо путем управления приводом по соответствующему закону, либо путем функционального преобразования равномерного движения привода с помощью механизма преобразования и передачи движения (МПиПД). Первая постановка задачи относится к проектированию управляемых приводов, вторая связана с разработкой МПиПД, входящих в мехатронные устройства.

С учетом сказанного можно выделить три основные функции мехатронного модуля:

1) Получение исходного механического движения.

2) Преобразование исходного движения в требуемое.

3) Передача полученного движения к движущемуся объекту.

В качестве источника механического движения используют электро-, пневмо- и гидроприводы. Исходное механическое движение может иметь характер вращательного или поступательного движения. Преобразование исходного механического движения осуществляется с помощью различных механических устройств: редукторов, кулачковых, рычажных и других механизмов. Для передачи движения к рабочему органу используются различные кинематические цепи.

Описанная последовательность получения, преобразования и передачи движения является традиционной (классической). Одной из целей мехатроники является стремление сделать эту последовательность как можно короче. Оптимальным будет мехатронное устройство, содержащее привод и ВМЗ, движущееся по требуемому закону за счет соответствующего управления приводом.

Для современного состояния техники наиболее приемлемым способом получения требуемого функционального движения ВМЗ мехатронного модуля является комбинация управляемого привода с функциональным преобразователем движения.

На рис. 229 показан пример накопителя на гибком магнитном диске (НГМД), широко используемого в компьютерах в качестве внешнего запоминающего устройства. НГМД представляет собой органический комплекс механических и электронных устройств и является типичным мехатронным устройством.

Механическая часть НГМД включает: 1 – гибкий магнитный диск, являющийся носителем информации; 2 – привод вращения гибкого магнитного диска; 3 – конечный выключатель защиты записи;
4 – фотодатчик начала записи (начала дорожки); 5 – блок головок записи-считывания с электромагнитом прижима головок к поверхности диска; 6 – шаговый привод для позиционирования головок в радиальном направлении.

Электронные устройства предназначены для управления рабочим циклом НГМД, для преобразования и усиления информационных сигналов и для связи НГМД с ЭВМ: БУПВД – блок управления приводом вращения диска; БУЭМ – блок управления электромагнитом прижима головок; СБ – схема блокировок; БУПМГ – блок управления шаговым приводом позиционирования магнитных головок; УУ – устройство общего управления с интерфейсными схемами.

Конструктивно НГМД выполнен в виде единого блока, который можно встраивать в корпус ЭВМ или других устройств. Печатные платы электронных устройств и механические устройства жестко соединены между собой. В результате НГМД представляет собой законченный электронно-механический модуль, выполняющий функции записи, хранения и чтения информации, представляемой в виде электрических сигналов.

На рис. 230 приведена кинематическая схема мехатронного модуля для сборки вальцовочных соединений*. Объектом перемещений является вальцовочное устройство 4. Движение устройства обеспечивается за счет гайки 1 и винта 2. Гайка 1 может только вращаться, а винт – как вращаться, так и перемещаться поступательно. Вращательное движение винта обеспечивается двигателем М2 через муфту 3. Гайка вращается от двигателя М1.

При различных сочетаниях скоростей вращения w1 и w2 валов двигателей М1 и М2 устройство 4 может совершать три вида движения: чисто вращательное, чисто поступательное или винтовое.

Положение выходного механического звена определяется в системе координат, жестко связанной с корпусом механизма. ВМЗ может иметь одну или несколько степеней свободы относительно корпуса. Такие узлы называют одно-, двух-, трех-, многокоординатными мехатронными узлами.

Мехатронные узлы могут иметь в одном механизме два или более ВМЗ. Название таких узлов обычно связано с их технологическим назначением, например, многошпиндельные, двухосевые, многокоординатные и т.п.

По типу объединения корпусов механизма, усилителей, информационных устройств и устройств управления различают:

– многокорпусные мехатронные устройства (все корпуса жестко связаны между собой);

– распределенные мехатронные устройства (корпуса связаны только информационными и энергетическими интерфейсами);

– комбинированные мехатронные устройства (часть корпусов объединены в жесткие блоки).

При объединении мехатронных узлов (модулей, звеньев) они образуют мехатронную систему (машину), в которой мехатронные узлы обладают возможностью управляемого относительного перемещения. В этом случае узел чаще называют модулем.