Егоров О.С., Подураев Ю.В. - Мехатронные модули. Расчет и конструирование (1053456), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Мехатронный подход в построении машин нового поколения закчючается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуаль- Объем (%) ным (электронным, ОВ (%) компьютерным и информационным) ком- В понентам, которые лег- Ф ко перепрограммируются под новую задачу и при этом являются относительно дешевыми Так функциональный анализ производственных машин показывает, 2 что доля механической эю 1 части сократилась с имфогэмююмй1 70% в начале 90-х годов, ' годы ло 25-30% в настоящее время. На рис.1.1 представлен характерный график (по данным журнала [45], выпущенного специально к Всемирной выставке "Промышленность, автоматизация и инновации" 2000 г.), который отражает динамику этого процесса в производственных машинах за 30 лет, начиная с 70-х голов.
Анализ показывает, что еще в начале 90-х годов подавляющее большинство функций машины (более 70%) реализовывалось механическим путем. В последующие десятилетия происходило постепенное вытеснение механических узлов — сначала электронными, а затем и компьютерными блоками. В настоящее время в меха- тронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну.
При этом доля компьютерной части возросла за последнее 10-летие вдвое и есть все основания прогнозировать сохранение этой тенденции в технике будущего. Принципиально важно подчеркнуть, что тенденция перехода от механических к мехатронным технологиям в современном машиностроении не "закрывает" механику. Наоборот, это стимулирует ее Развитие к интеграции с интеллектуальными компонентами в Рамках единой мехатронной системы.
Системный подход диктует новые требования к встроенным механическим и гибридным компонентам, что в свою очередь ведет к развитию новых технологий и конструкторских решений в области механики. Чем же вызвана рассматриваемая тенденция перехода "От Механики к Мехатронике"? В первую очередь - резко возросшими требованиями рынка к потребительским свойствам и качеству продукции машиностроения и приводной техники. Именно зтот ключевой фактор определяет современные тенденции мирового индустриального развития и стимулирует научно-технический прогресс в области мехатроники.
Таким образом, создание нового поколения оборудования на базе мехатронных технологий, по сути, является ответом производителей на новые рыночные вызовы. Передовой мировой уровень в области станкостроения можно оценить по новейшим образцам оборудования, которые ведущие фирмы-производители представили на международной выставке ПМТОГ-2002 (Япония, ноябрь 2002 года). Приводныс системы современных станков для металлообработки обеспечивают следующие характеристики: скорости рабочих подач до 15 м/мин, скорости холостого хода до 200 м/мин, ускорение приводов при разгоне до Зя, точность обработки порядка 2-3 мкм, количество одновременно управляемых осей до 20 в одном обрабатываюшем комплексе.
Очевидно, что для создания машин со столь выдающимися техническими показателями необходимы принципиально новые подходы к конструированию и производству приводных модулей и систем. Рассмотрим качественно новые требования, предъявляемые к функциональным характеристикам приводной техники для технологических машин. К их числу в первую очередь следует отнести; ° сверхвысокие скорости движения рабочих органов машин, которые определяют новый уровень производительности технологических комплексов; ° сверхвысокую точность движений, необходимую для реализации прецизионных технологий (вплоть до микро- и наноперемещений); ° максимальную компактность конструкции и минимизацию массогабаритных показателей модулей (вплоть до миниатюризации в микросистемах); ° интеллектуальное поведение машин, функционируюших в изменяюшихся и неопределенных внешних средах; ° реализапию быстрых и точных перемещений рабочих органов по сложным контурам и поверхностям; ° существенное расширение технологических и функциональных возможностей оборудования, желательно без увеличения его цены; ° способность системы к РеконфигУРации в зависимости от ,„, лняемой конкретной задачи или операции; , высокую належность и безопасность функционирования.
добиться качественно новых характеристик позволяет меха;ронная концепция «встроенного проектирования», которая предполагает конструктивное обьединение элементов системы в единый модуль. Интеграция в одном устройстве различных по своей физической сущности составляющих является сложной творческой залачей. Ее решение основывается на современньгх научно-технических знющях в области конструирования, технологий изготовления и управления машинами в сочетании с инженерной интуицией и изобретательством, без которых удачное и оригинальное решение невозможно.
Отметим, что развитие машин от механики к современной мехатронике проходит последовательно ряд стадий. Первый этап— это разработка электромеханических систем путем обьединения в приводе электрического двигателя и механического преобразователя движения (как правило, редуктора) с электронными блоками. В структурном базисе ме- м«»«»»«» хатроники (рис.1,2) пг«е»»»«»»»« «ФФФМЗ«»»»»««««»д«» электромеханика пока- '®«'««»'» »»»»»«»«»«««»»« зана как одна из граней "Пирамиды Мехатрони- ниф«г»«»ии«и«ы« ки".
Исторически меха- Ъ«»л». Т«ХН«»»»М» троника развилась из ' Й»ф»рм»«»»« электромеханики и, опираясь на ее достижения, идет дальше, путем системного объединения электромеханических систем с компь- э и «» Рис. 1.2 ютерными устройствами управления, встроенными датчиками и интерфейсами.
Поступательное развитие от механики к электромеханике и далее к мехатронике обусловлено в первую очередь появлением новых микроэлектронных и информационных технологий. Важнейшим технологическим фактором, который послужил ~олчком к возникновению мехатроники и дал ей вторую часть имени (от термина "электроника" ), стало в 30-х годах бурное развитие электронных технологий, и в первую очередь микроэлектроники. .'(р!:. Современные технологии микроэлектроники легли в основу новой элементной базы важнейших компонент для МС вЂ” силовых преоб- разователей, управляющих и диагностических электронных блоков, датчиков обратной связи и сенсоров.
Электронные технологии стали основой для создания технологий микроэлектромеханики, которые в настоящее время достигли новой ступени в своем развитии— технологий микромехатроники. Решающий рывок в развитии мехатроники в мире, начиная с 90-годов, обусловлен бурным прогрессом в области информационных технологий (ИТ). Создание современнь1х МС сегодня немыслимо без новых ИТ автоматизированного проектирования, компьютерного моделирования и управления сложными динамическими системами.
Особую роль в развитии мехатроники играют интеллектуальные технологии и их приложения к задачам управления функциональными движениями. Основной отличительной чертой интеллектуальных технологий является возможность системной обработки знаний [22!. Построение компьютерного управления меха- тронными системами на основе интеллектуальных технологий позволяет с высоким качеством выполнять сложные движения в условиях интенсивного изменения управляющих и возмущающих воздействий и неполной информации о внешней среде и объектах работ. К главным преимушествам мехатронных систем и модулей относят: ° исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и, следовательно, высокая точность и улучшенные динамические характеристики; ° конструктивная компактность модулей и, следовательно, улучшенные массогабаритные характеристики; а возможность обьединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы, допускающие быструю реконфигурациюю; ° относительно низкую стоимость установки, настройки и обслуживания системы благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных средств; ° способность выполнять сложные движения благодаря применению методов адаптивного и интеллектуального управления.
Высокая точность, предельное быстродействие, сложные законы перемещения выходного звена в пространстве и во времени— определяются технологической постановкой задачи управления. При этом необходимо координировать управление пространственным перемещением МС с управлением различными внешними процессами. Примерами таких процессов могут служить: регулирование силового взаимодействия рабочего органа машины на объект 10 при механообработке, управление дополнительными технологичекими воздействиями гтепловыми, электрическими, электрохимичекими) на объект при комбинированных методах обработки„управление вспомогательным оборудованием комплекса гконвейерами, за1рузочными устройствами). Такие сложные координированные дви;кения МС называют функциональными движениями.
На рнс.).3 представлена обобщенная структура мехатронной системы. Рис. !.3 н пропессе движения механического устройства его выходное звено непосредственно воздействует на объект и обеспечивает ка':;"~:.,';,", чесзвенные показатели вынолняемой автоматизированной операПин. Таким образом, механическая часть является в мехатронной 11 системе объектом управления. В процессе выполнения МС функционального движения внешние объекты оказывают возмущающие воздействия именно на выходное звено, которое является конечным звеном механической части. Примерами таких возлействий могут служить силы резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки. Следовательно, проектирование блока приводов, компьютерной системы управления и выбор сенсорных устройств МС начинается с анализа свойств механической подсистемы как управляемого объекта и расчета возмущающих воздействий, обусловленных выполняемой МС технологической операцией.
Проектирование современных мехатронных систем основано на модульных принципах и технологиях. Мехатронные модули (ММ) служат в качестве конструктивных «кубиков» при компоновке многомерных мехатронных машин и комплексов. Мехатронный модуль — это функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-програимной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу. К элементам различной физической природы относят механические (преобразователи движения, трансмиссии, звенья), электротехнические (двигатели, тормоза, муфты), электронные (электронные блоки и микропроцессоры) и информационные (датчики информации) элементы. Встроенные интеллектуальные устройства, реализованные на новой элементной базе, позволяют получать компактные и надежные мехатронные узлы, и строить на их основе многокоординатные мехатронные системы с децентрализованным управлением.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
