Энергетическая автономность.

K_i = I_m /(I_m+I_o), (2.3)

где I_o – объем принимаемых решений человеком (оператором); I_m – объем принимаемых решений интеллектуальной системой управления мехатронного объекта.

Если оценку объема принимаемых решений в выражении (2.10) заменить оценкой соответствующего количества интеллектуальных функций из общего вышеприведенного перечня функций, выполняемых человеко-машинной системой, то получим коэффициент уровня интеллектуальности в виде:

k_i = К_im /(К_im+K_io), (2.4)

где K_io - количества интеллектуальных функций управления, выполняемых человеком; К_im - количества интеллектуальных функций, выполняемых системой управления МО.

В вышеназванном перечне функций к интеллектуальным отнесены:

· постановка глобальной цели, целевая установка,

· диагностика состояния внешней среды,

· диагностика состояния М,

· принятие стратегических решений управления М,

· постановка локальных целей и задач,

· адаптация к условиям внешней среды и состоянию М,

· выработка алгоритма действий (тактика),

· формирование управляющих воздействий,

· анализ результатов действий и выполнения задач,

· коррекция функций (пп. 6 - 10) для решения последующих задач,

· обучение и самообучение на базе опыта,

· обмен сигналами и информацией с внешней средой и другими машинами.

Так, например, из данных табл.2.3 в соответствии с выражением (2.11) следует, что мехатронный объект «станок с ЧПУ» имеет коэффициент уровня интеллектуальности k_i равный 0,33, а объект «МО для безлюдного производства» – 0,92.

Профессором Подураевым Ю.В. [18] предложены еще два показателя качества МО: функционально-структурной интеграции (ФСИ) и распределения функциональной нагрузки (РФН).

Показатель ФСИ характеризует уровень интеграции составляющих элементов структуры МО. Увеличение этого показателя отражает стремление реализовывать наибольшее количество функциональных преобразований минимально возможным числом структурных элементов за счет интеграции функций в этих элементах:

I^FS = N_F /N_S – 1,

где N_F - число оригинальных функциональных преобразований сигналов в системах управления МО; N_S - число отдельных блоков в структурном варианте системы управления.

Использование элементов со смешанными (или совмещенными) функциями характерно для специфики МС, так как соответствует одному из принципов их построения. Этот принцип предполагает совмещение нескольких функций в одном элементе системы. Это относится к функциям преобразования вещества, энергии и информации одновременно или к вещественно-энергетическим, информационно-энергетическим, вещественно-информационным преобразованиям.Для более подробного знакомства с введенными понятиями и их графическим представлением рекомендуем читателю учебное пособие [18].

Показатель РФН позволяет оценить объем функ­циональной нагрузки, которую несет каждый из структурных элементов или блоков в исследуемой системе. Чем выше значение данного показа­теля, тем большее влияние оказывает данный элемент на качество систе­мы в целом, т.е. ее стоимость, надежность и другие комплексные харак­теристики. Показатель РФН является численной мерой, которая опреде­ляет важность структурной единицы (элемента, группы элементов, под­системы) на основе наличия и числа ее связей с другими элементами сис­темы. Чем выше ранг данного узла, тем большую функциональную на­грузку он несет, тем больше он влияет на качество системы в целом.

Алгоритм вычисления рангов структурных элементов и анализ распределения функциональной нагрузки внутри системы проводится методом анализа значимости структурных элементов, разработанным Ю.В. Подураевым на основе методов теории графов и мат­риц.

Представленная совокупность свойств и показателей качества охватывает практически полный жизненный цикл МС. При сравнении систем на этапе проектирования наряду с данными об объективных физических свойствах используется также дополнительная экспертная информация о предпочтительности свойств вариантов. Поскольку конечной целью сравнения вариантов систем являются чисто качественные выводы о предпочтительности (принимается полученный вариант МС для дальнейшей проработки или нет), то процедуру сравнения целесообразно строить на основе информации, представленной не только в количественном, но и в качественном виде.

3.ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

С точки зрения функционального назначения механизмы машины обычно делят на следующие виды [1]:

механизмы двигателей;

механизмы преобразователей механической работы в другие виды энергии;

механизмы передачи движения;

исполнительные механизмы;

механизмы управления, контроля и регулирования;

механизмы подачи, транспортировки, питания и сортировки обрабатываемых сред и объектов;

механизмы автоматического счета, взвешивания и упаковки готовой продукции.

Исполнительными механизмами называются механизмы, выполняющие непосредственно требуемую технологическую операцию путем воздействия на обрабатываемую среду или объект с целью изменения их формы, состояния, положения и свойств,

Система, состоящая из двигателя и связанных с ним устройств для приведения в движение одного или нескольких исполнительных механизмов, входящих в состав мехатронной системы называется приводом.

В мехатронных и робототехническихсистемах широко применяются электрические, гидравлические и пневматические (по физическому принципу действия основного движителя) приводы, а также их комбинации, различающиеся функциональными возможностями.

Анализ основных этапов развития приводов технологических систем до уровня мехатронных позволил выявить следующие основные тенденции:

постепенное “растворение” элементов передачи в элементах управления, с соответствующей передачей выполняемых функций;

упрощение механической части;

“сращивание” силовых элементов привода с электронными;

упрощение и уменьшение числа движений рабочих органов технологического оборудования и выходных звеньев привода, соответственно;

минимизация числа используемых компоновок привода;

переход к универсальным узлам, построенным из унифицированных элементов;

выделение функций активной разгружающей системы (расчленение функций управления путем введения дополнительных устройств, действующих на рабочий орган);

переход к непрерывному вращательному движению и цифровому управлению.

Показатели качества приводов изменялись в направлениях:

повышения быстродействия (связано с рядом причин, в том числе и с переходом к процессорному управлению);

повышения точности (связано рядом причин, в том числе и с переходом к процессорному управлению);

повышения надежности;

снижения материалоемкости;

уменьшения габаритных размеров силовой части;

повышения энергонапряженности рабочей среды;

повышения мощности.

Выявились следующие особенности:

сокращение числа механических элементов структуры;

возрастание КПД привода и его подсистем;

сокращение количества компоновочных решений приводов;

возрастание степени унификации узлов и элементов привода;

возрастание децентрализованности и автономности использования привода;

возрастание управляемости привода (процессорное управление);

возрастание степени расчленения потоков информации (функций управления) за счет выделения активной разгружающей системы;

возрастание эксплуатабельности привода (безопасности, простоты наладки и обслуживания);

возрастание требований по обеспечению необходимых параметров технологического процесса;

рост соответствия выходных характеристик привода общим характеристикам работоспособности МС.

Приводы технологических мехатронных систем по физико-энергетической сущности (рис. 3.14) можно разделить на:

электрический - в основном двигателе электрическая энергия преобразуется в механическую энергию;

гидравлический - в основном двигателе энергия потока рабочей жидкости преобразуется в механическую энергию;

пневматический - в основном двигателе энергия потока сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию.

Рис.3.1 Схема обобщенного привода

Рис. 3.2. электрический привод

Рис. 3.3. Гидравлический привод

Рис. 3.4.Пневматический привод

Рис. 3.4. Пневматический привод.

Особенностями электроприводов являются расширенный диапазон малых моментов (всего до 0,05 Нм), повышенная максимальная частота вращения (до 15 × 10³ об/мин), уменьшенная инерция двигателей, возможность встраивания в ЭД электромагнитных тормозов и различных датчиков, а также механических и волновых передач.

Основные достоинства применения электроприводов следующие:

– компактная конструкция двигателей;

– высокое быстродействие;

– равномерность вращения;

– высокий крутящий момент при максимальной скорости;

– высокая степень надежности;

– широкий диапазон регулирования по скорости и позиционированию, а также изменению моментов нагрузки;

– возможность длительной работы в заторможенном режиме;

– высокая точность срабатывания, которая обеспечивается применением цифровой измерительной системы и высокоточных импульсных датчиков;

– взаимозаменяемость двигателей;

– компактная конструкция различных преобразователей;

– низкий уровень шума и вибрации и доступность электроэнергии.

Недостатки применения электроприводов в ПР следующие:

– ограниченное использование во взрывоопасных средах;

– зависимость скорости выходного звена от внешней , что приводит к необходимости создания дополнительных контуров регулирования привода;

– наличие дополнительной кинематической цепи между электродвигателем и рабочим органом системы. Электрические приводы используются в 40…50% серийно выпускаемых промышленных роботах со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности 3…6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.

Исполнительный электропривод – это электромеханическая система, обеспечивающая изменение скорости вращения, перемещения исполнительного механизма в заданном диапазоне регулирования с определенной точностью и быстродействием. В состав электропривода входят : электродвигатель; силовой преобразователь, питающий электродвигатель; регуляторы, обеспечивающие требуемое качество регулирования; датчики обратных связей, устройство управления и источник питания.

Электроприводы классифицируются:

- по назначению – главного движения, подач и вспомогательные;

- по способу регулирования – с постоянным моментом, с постоянной мощностью, двух зонные;

- по роду тока исполнительного двигателя – постоянного и переменного тока;

- по схеме силового преобразователя – управляемые выпрямители (одно- и многофазные), широтно-импульсные преобразователи, автономные инверторы напряжения (тока);

- по структуре системы автоматического регулирования – одноконтурные и многоконтурные;

- по способу управления – аналоговые (с аналоговым задатчиком и аналоговым датчиком основной обратной связи), цифро-аналоговые (с цифровым задатчиком, цифровым датчиком основной обратной связи и аналоговыми регуляторами), цифровые (с цифровыми задатчиками, датчиками обратных связей и цифровым формированием закона управления скоростью двигателя).

Основными параметрами, электроприводов являются:

- номинальный вращающий момент на валу электродвигателя М_ном;

- номинальная выходная мощность на валу электродвигателя Р_ном;

- номинальная угловая скорость W_ном (n_ном);

- максимальная угловая скорость W_max (n_max);

- диапазон регулирования – отношение максимальной скорости к минимальной (D=W_max /W_min), при которой сохраняются все параметры электропривода по стабильности при изменении нагрузки, напряжения сети, температуры окружающей среды, реверсе двигателя и по неравномерности вращения;

- чувствительность – минимальный сигнал управления, отрабатываемый электроприводом U_{y min} (в следящем приводе станка с ЧПУ этот сигнал должен быть меньше напряжения управления, соответствующего одной дискрете);

- перегрузочная способность по мощности (P_час/P_ном); моменту (М_max /М_ном) в установившемся и переходном режимах;

- динамические характеристики по управляющему воздействию – времена пуска t_п и торможения t_т, по возмущению в нагрузке – время восстановления скорости t_в и динамическое изменение скорости DW;

- энергетические характеристики: КПД h и коэффициент мощности cos j;

- удельные массогабаритные показатели – P/m, кВт/кг; P/V, кВт/дм³, M/m, Н×м/кг; M/V, Н×м/дм³ ;

- надежность – наработка на отказ, вероятность безотказной работы, срок службы, ремонтопригодность;

- стоимость, экономичность и простота обслуживания.

3.6.7 Электродвигатели исполнительных механизмов мехатронных систем

Привод на базе коллекторной машины постоянного тока (МПТ) имеет существенные преимущества перед другими, например, гидравлическими и пневматическими исполнительными устройствами. Это простота получения механических движений непосредственно из электрической энергии, удобство подведения энергии к технологическому оборудованию, повышенный коэффициент полезного действия, отсутствие фактора загрязнения окружающей среды и низкий уровень шума.

На рис. 3. 5 приведена конструктивная схема электродвигателя постоянного тока с элементом возбуждения на статоре (СТ). Работа двигателя постоянного тока (ДПТ) основана на взаимодействии проводника с током и магнитным полем возбуждения машины. Роль проводника (витка) в двигателе выполняет обмотка якоря, расположенная на вращающемся роторе (якоре). По типу возбуждения ДПТ бывают электромагнитного (с помощью обмотки возбуждения серий МИ, ДИ, П, СЛ, СД, Д) и магнитоэлектрического возбуждения (с помощью постоянного магнита серий ДПР, ДПМ, ДП, МИГ, МРМ, ПЯ).

Рис. 3.5. Конструктивная схема электродвигателя: 1 - постоянный магнит главного полюса на статоре СТ; 2 - проводник тока обмотки якоря (ротора); 3 - коллекторные пластины; 4 - щетки электрографитовые; 5 - подшипниковый узел крепления вала; d - воздушный зазор

Развиваемый электромагнитный момент на валу электродвигателя может быть описан выражением:

, (3.1)

где С - конструктивный коэффициент; Ф - магнитный поток электродвигателя; I_я - ток обмотки якоря; j - пространственный электрический угол между векторами потока и тока .

Значение механической мощности на выходном валу электродвигателя определяется как:

, (3.2)

где W - угловая скорость вращения якоря двигателя.

Если выполнение каких-то механических операций требует затрат мощности до единиц киловатт, то целесообразно приводную систему создавать на базе ЭП, при больших мощностях - электрогидроприводов. Последние более сложны в изготовлении, их стоимость существенно выше, чем у ЭП, ресурс работы меньше. Однако они более компактны, а разница в массогабаритных показателях тем больше, чем выше мощность приводной системы.

Механические и электрические параметры электропривода постоянного тока связаны между собой известными соотношениями, математически описывающими различные способы регулирования скорости:

Р_мех = MW; Р_эл = UI; W = (U – IR)/cФ;

М=с/Ф; с=pN(2pa), (3.3)

где Р_мех - механическая мощность на валу электродвигателя; Р_эл - электрическая мощность двигателя; М – вращающий момент на валу двигателя; W - скорость двигателя; U – напряжение на якоре двигателя; I – ток двигателя (действующее значение); Ф – поток возбуждения двигателя; с – конструктивная постоянная двигателя; p – число пар полюсов двигателя; N – число активных проводников в пазу; а – число параллельных ветвей обмотки якоря.

Регулирование скорости двигателя постоянного тока производится изменением двух электрических параметров – напряжения на якоре U и потока возбуждения Ф.

Зависимости предельных значений мощности и вращающего момента на валу двигателя от скорости при регулировании напряжения якоря и магнитного потока возбуждения [1] представлены на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Зависимости предельных значений мощности и момента от скорости электродвигателя

В зоне I скорость регулируется от 0 до W_ном изменением напряжения на якоре от 0 до U_ном при постоянном предельном моменте. При увеличении мощности осуществляется пропорционально скорости от 0 до Р_ном.

В зоне II скорость регулируется от W_ном до W^/_max, при U_я=U_я.ном путем ослабления магнитного потока от Ф_ном до Ф_min при постоянной предельной мощности и соответствующем снижении вращающего момента.

В зоне III регулирование выходных параметров электродвигателя осуществляется при производстве стендовых испытаний в заводских условиях.

Соответственно изложенному различают три вида регулирования скорости привода:

- при постоянном моменте М=const (зона I);

- при постоянной мощности P=const (зона II);

- двухзонное (зона I и II).

Приведенные виды регулирования параметров электропривода широко применяются в современных электромеханических мехатронных и роботизированных системах. По конструкции якоря ДПТ подразделяются на двигатели с «обычным» (зубцовым) якорем, с гладким (беззубцовым) якорем, с печатным дисковым и цилиндрическим якорем и двигатели с полым ротором.

Якорь двигателя с зубцовым исполнением является механически прочной конструкцией. К недостаткам такой конструкции относится возможность насыщения зубцов шихтованного железа якоря при больших токах якоря i_я, ведущая к ограничению вращающего момента М. Примерами такого исполнения могут быть двигатели серий МИ, Д, ДИ, ДПМ, СЛ.

Двигатели с гладким якорем характеризуются более высокой электромагнитной индукцией в воздушном зазоре d (рис. 3.12), что позволяет уменьшить диаметр якоря (момент инерции ротора) в сравнении с ДПТ с зубцовым якорем. Обмотка якоря в таких двигателях наклеивается на тело якоря снаружи, что существенно уменьшает электромагнитную постоянную времени Т_я двигателя. Примерами двигателей с гладким беззубцовым якорем являются двигатели серий МИГ, ПГТ.

К исполнительным двигателям (ИД) с уменьшенным моментом инерции якоря и электромагнитной постоянной времени следует отнести двигатели с дисковым печатным якорем (серий ПЯ, МРМ) и полым немагнитным ротором (серии ДПР). Особенностью таких двигателей является нецилиндрический, а плоский воздушный зазор d.

Управление ИД постоянного тока осуществляется подачей регулируемого напряжения на обмотку якоря - якорное управление или на обмотку возбуждения - полюсное управление.

Регулируемый электропривод переменного тока, использующий синхронные и асинхронные электродвигатели, также начинает все более широко внедряться в оборудование различных технологических комплексов, бытовую технику с микропроцессорным управлением. Несмотря на более сложные принципы управления, электропривод переменного тока по большинству основных показателей превосходит электропривод постоянного тока из-за простоты конструкции и изготовления электродвигателя, а также его надежности и долговечности. Применение нерегулируемых электродвигателей переменного тока в качестве исполнительных устройств возможно в сочетании с управляемыми электромагнитными муфтами.

В последние 5-10 лет в регулируемых бесколлекторных электроприводах применяют реактивные индукторные электродвигатели. В зарубежной литературе их называют SRM (Switched Reluctance Motors), а в отечественных разработках ЭП МС такой двигатель именуется реактивным индукторным двигателем (РИД), управляемым реактивным двигателем (УРД) или переключаемым реактивным двигателем (ПРД).