Терминология мехатроники

К настоящему времени предложено несколько определений, уточняющих первоначальное значение термина «мехатроника». Авторами учебника сформулированы следующие два определения современных представлений о мехатронике [5,6].

Мехатроника – наука о механических, энергетических и информационных процессах и их системном взаимодействии в машинах с микропроцессорным управлением (мехатронных объектах), а так же о процессах их взаимодействия с внешней средой при выполнении технологических функций.

Мехатроника – область техники, обеспечивающая реализацию жизненного цикла (разработку, изготовление, эксплуатацию) мехатронных объектов, вплоть до интеллектуальных машин.

В федеральном государственном образовательном стандарте приведено следующее определение:

Мехатроника – область науки и техники, основанная на системном объединении узлов точной механики, датчиков состояния внешней среды и самого объекта, источников энергии, исполнительных механизмов, усилителей, вычислительных устройств (ЭВМ и микропроцессоры).

В мехатронике используются такие современные технологии как:

· технологии разработки, изготовления микросхем, БИС, СБИС, микропроцессоров, микроЭВМ и специализированных контроллеров в интегральном исполнении;

· технологии информационных систем (получение информации, ее обработка, ввод в процессорные СУ, цифровая обработка и т.д.).

· технологии моделирования, как метода создания, так и одного из аспектов функционирования мехатронной системы (МС);

В целом мехатроника – системный комплекс средств и принципов механики, электроники и информатики, синтез передовых технологий и технических решений, эффективно используемых для достижения конкретных целей при создании современных машин.

Предметом мехатроники являются процессы проектирования и производства модулей, машин и систем для реализации заданных функ­циональных движений.

Функциональное движение мехатронной системы предусматривает ее целенаправленное механическое перемещение, которое координирует­ся с параллельно управляемыми технологическими и информационными процессами. Таким образом, понятие "движение" трактуется в данном определении мехатроники расширительно. Но все-таки основой функциональных движений в мехатронике служит ме­ханическое перемещение системы в пространстве и во времени. Требова­ния к показателям качества исполнения функциональных движений (по точности, скорости и т.д.) определяются служебным назначением машины.

Метод мехатроники основан на системном сочетании таких ранее обособленных естественно-научных и инженерных направлений, как точная механика, микроэлектроника, электротехника, компьютерное управление и информатика. Основой метода мехатроники является синергетическая интеграция структурных элементов, технологий, энергетических и информационных процессов на всех этапах жизненного цикла изделия, начиная со стадии его концептуального проектирования и заканчивая производством и эксплуатацией.

Синергия (греч.) – это совместное действие, направленное на дости­жение общей цели. В мехатронике все энергетические и информацион­ные потоки направлены на достижение единой цели – выполнить про­граммное движение с заданными показателями качества.

При синергетическом объединении достига­ется результат больший, чем арифметическая сумма вкладов отдельных частей системы. Элементы мехатронных модулей и машин имеют различную физическую природу, что определяет междисциплинарную сущность предмета меха­троники и ее научно-техническую проблематику. При синергетической интеграции компоненты мехатронной системы должны быть слиты не­разрывно и органически – именно так трактовалось это понятие в исто­рически первом определении мехатроники, в буквальном переводе с японского языка.

Исполнительный орган – функциональная часть мехатронного устройства, предназначенная для выполнения действий по сигналам системы управления.

Рабочий орган мехатронной машины – это составная часть механи­ческого устройства для непосредственного выполнения технологических операций и/или вспомогательных переходов.

Примеры рабочих органов в робототехнике: механические схваты, вакуумные и электромагнитные захватные устройства, сварочные клещи (для точечной сварки), инструментальные головки для механообработки и лазерных операций, окрасочный пистолет. Таким образом, рабочий ор­ган – это управляемый модуль, который может иметь не­сколько степеней подвижности и состоять из нескольких элементов.

Рабочая зона мехатронной машины – совокупность всех точек де­картового пространства, которые могут быть достигнуты рабочим орга­ном машины.

Мехатронная система- множество механических, микропроцессорных, электронных и электротехнических компонентов, находящихся в связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

В состав мехатронной системы входят 4 основные части:

- механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган;

- блок приводов, включающих в себя силовые преобразователи и исполнительные двигатели;

- информационное устройство, предназначенное для получения и передачи в устройство компьютерного управления данных о реальном движении и фактическом состоянии мехатронной системы;

- устройство компьютерного управления, на вход которого поступают команды человека-оператора, либо ЭВМ верхнего уровня.

Мехатронный объект – предмет (изделие), представляющий собой машину с компьютерным управлением как мехатронную систему устройств, самостоятельно функционирующую в соответствии с целевым назначением.

Общая классификация мехатронных объектов[5] приведена на рис 1.1.

Рис.1.1. Классификация мехатронных объектов.

Мехатронный комплекс – совокупность связанных между собой мехатронных объектов, предназначенная для осуществления действий, определяемых общим целевым назначением.

Мехатронные объекты являются многомерными системами, которые компонуются на базе двух или более мехатронных модулей.

Мехатронный модуль – это функционально и конструктивно самостоятельное изделие, предназначенное для реализации движений, с программно-аппаратной интеграцией составляющих его устройств, имеющих различную физическую природу.

Мехатронные технологии включают в себя маркетинговые, проектно-конструкторские, производственные, технологические и информа­ционные процессы, которые обеспечивают полный жизненный цикл мехатронных изделий. Раскрытие связей и закономерностей, характерных для этих процессов, позволяет создавать мехатронные модули, объекты и системы, которые способны наиболее эффективно выполнять заданные требования.

Целевой задачей мехатроники является проектирование и производ­ство качественно новых модулей и машин. Качество машины оценивается совокупностью специаль­но подобранных показателей (или критериев), выбор которых определя­ется ее служебным (функциональным) назначением. Машины нового поколения должны отвечать таким общим критериям, как отношение цена/качество, высокая надежность и безопасность функционирования.

К числу новых современных требований к функциональным и тех­ническим показателям модулей и машин в первую очередь следует от­нести:

- выполнение машинами и системами качественно новых служеб­ных и функциональных задач;

- сверхвысокие скорости движения конечного звена машины – ее рабочего органа, что определяет новый уровень производительности тех­нологических комплексов;

- ультрапрецизионные движения модулей с целью реализации но­вых прецизионных технологий вплоть до микро – и нанотехнологий;

- компактность модулей и движущихся систем, миниатюризация конструкций в микромашинах;

- новые кинематические структуры и конструктивные компоновки многокоординатных машин;

- интеллектуальное поведение систем, функционирующих в изме­няющихся и неопределенных внешних средах;

- выполнение пространственных движений по криволинейным траекториям и реализация сложных законов перемещения во времени.

В конкретных областях мехатроники, таких как робототехника, летательные аппараты, медицинское оборудование, транспорт и пр. используется специализированная терминология.