Раздел 2-5-МЕХАТРОННЫЙ ПРИВОД (Лекции ОПиЭНТО)

МЕХАТРОННЫЙ ПРИВОД

Очередным этапом развития современного технологического оборудования является его всё возрастающая универсальность. Задача каждой технологической машины этого класса – выполнение широкого диапазона технологических операций (или обработка большого круга изделий) без использования традиционной перенастройки с помощью гитар, коробок скоростей и т.п. Более того, в таких установках предусматривается, во-первых, возможность интеллектуальной реакции на изменяющиеся или неопределённые условия эксплуатации и, во-вторых, способность изменять свою конфигурацию в зависимости от требований к выполняемой операции. Такие тенденции научно-технического прогресса стимулировали появление новой отрасли науки и техники – мехатроники.

В действующем Государственном образовательном стандарте РФ дано определение мехатроники:

Мехатроника – это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении механизмов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, машин и систем машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.

В определении подчёркивается синергетический характер объединения составляющих элементов в мехатронных объектах. Синергия (греч) – это совместное действие, направленное на достижение единой цели. В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели – реализации заданного управляемого движения.

Во многих отраслях техники мехатронные системы приходят на смену «механическим» машинам. Однако следует учесть, что переход от механических к мехатронным технологиям в современном машиностроении не «устраняет» механику, а наоборот, стимулирует её развитие в направлении интеграции с интеллектуальными компонентами в рамках единой мехатронной системы.

Переход от электромеханического привода к мехатронному стал возможен лишь благодаря развитию электронных технологий и, главным образом, микроэлектроники. Научно-технический прогресс в микроэлектронике заложил основу новой элементной базы таких важнейших компонент мехатронных систем, как силовые преобразователи, управляющие и диагностирующие электронные блоки, датчики обратной связи и чувствительные элементы. Начиная с 90-х годов ХХ века, произошёл решающий рывок в становлении мехатроники. Он был обусловлен бурным прогрессом в области информационных технологий. Достижения в области теории управления, современных аппаратных и программных средств вычислительной техники реализуются в новейших мехатронных системах. Появляется возможность интеллектуальной реакции системы на различные возмущающие воздействия, в том числе и при управлении функциональными движениями¹. К таким воздействиям можно отнести силы резания при механообработке, погрешности взаимного положения топологических рисунков при выполнении операции совмещения и экспонирования и т.п.

В рамках задач, сформулированных для учебной дисциплины «Расчёт и конструирование привода», рассмотрим особенности построения мехатронного привода.

Проектирование современных мехатронных систем основано на модульном принципе построения. В качестве конструктивных кубиков в процессе компоновки многокоординатных мехатронных комплексов и машин служат мехатронные модули.

Мехатронный модуль является самостоятельным устройством, в котором конструктивно и программно интегрированы элементы различной физической природы: Э

• механические (преобразователи движения, передачи),

• электротехнические (двигатели, тормоза, муфты),

• электронные (блоки, платы, микропроцессоры) и

• информационные (датчики, измерители).

Рис.1. Структурная схема мехатронного модуля движения

На рис.1 представлена структурная схема (модель) мехатронного модуля. Информационный преобразователь осуществляет обработку цифровых сигналов, цифровое регулирование, расчёт управляющих воздействий, обмен данными с периферийными устройствами. Эти функции исполняет управляющий контроллер, который передаёт соответствующий сигнал на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), реализующий функции информационно-электрического преобразователя. Электрический преобразователь (или силовой преобразователь) осуществляет усиление электрического сигнала и состоит обычно из усилителя мощности, широтно-импульсного модулятора и трёхфазного инвертора (для асинхронного двигателя). Преобразование электрической энергии в механическое движение чаще всего осуществляет управляемый электродвигатель переменного или постоянного тока (возможно использование и иных движителей, например, гидравлических или пневматических). Механический преобразователь (передача, редуктор, вариатор) реализует заданное управляемое движение и через исполнительный орган взаимодействует с внешним объектом. Электро-информационный преобразователь исполняет функции устройства обратной связи для контроля текущих напряжений и токов в силовом преобразователе. Механико-информационный преобразователь – устройство обратной связи для контроля управляющих воздействий и оценки реакции внешней среды.

Оставив рассмотрение информационных и управляющих элементов мехатронного модуля другим учебным дисциплинам, уделим внимание исполнительной части – элементам, реализующим требуемое движение исполнительного органа.

В современных интеллектуальных мехатронных приводах в качестве источника движения наиболее часто используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемым преобразователем частоты, а также однофазные двигатели и двигатели постоянного тока (см. учебную дисциплину «Электропривод»).

Передача движения от двигателя к выходному звену мехатронного модуля может быть осуществлена с помощью преобразователей движения. Их основное назначение преобразование одного вида движения в другое. Вместе с тем они участвуют в формировании требуемой скорости и усилия (вращающих моментов) на выходном звене. Для преобразования движения используют реечные, винтовые, цепные, ремённые передачи, мальтийский механизм и другие. Согласование скоростей высокооборотного двигателя и выходного звена осуществляют понижающими передачами: зубчатыми цилиндрическими и коническими, червячными, планетарными, волновыми.

Выбор типа преобразователя движения производят по таким параметрам, как

• сложность конструкции,

• коэффициент полезного действия,

• передаточное число (или передаточное отношение),

• свойства самоторможения,

• жесткость,

• долговечность (надежность),

• технологичность,

• удобство компоновки вместе с другими элементами мехатронного модуля,

• габаритные размеры,

• стоимость и т.п.

1 Функциональными движениями называются сложные координированные перемещения, реализующие технологическую задачу мехатронной системы.