Егоров О.С., Подураев Ю.В. - Мехатронные модули. Расчет и конструирование (1053456), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Но важно подчеркнуть, что применение мехатронных модулей, особенно со встроенными электронными и управляющими устройствами, должно быть технологически и экономически обосновано для каждого конкретного приложения. Достижение высокой технико-экономической эффективности при проектировании, производстве и эксплуатации мехатронных модулей как сложных многокомпонентных систем требует решения следующих основных научно-технических задач: ° конструктивной интеграции элементов различной физической природы (механических компонент — преобразователей движения, электротехнических изделий — двигателей и переключателей, сенсоров — датчиков обратной связи и диагностики) в едином корпусе мехатронного модуля движения; 12 е аппаратно-программной интеграции электромеханических приводов с электронными и компьютерными компонентами в пнгсллекгуальных мехатронных модулях; ° технологической подготовки производства гибридных молулсй; ~ нос~роения математических молелей мехатронных модулей и систем, отражающих их интеграционную специфику; ° создания многопользовательских программных сред лля поддержки решений мехатронных задач; ~ интеграционных подходов в организационно-зкономической деятельности предприятий, выпускающих мехатронную продукцию; ° подготовки специалистов, способных к системной интеграции в области мехатроники.
Дальнейшее развитие мехатроники будет определяться тем, насколько эффективно будут решаться эти задачи прн разработке и пронзволстве мехатронных модулей, систем и машин нового поколения. При этом технико-экономическая эффективность модульных технологий проектирования определяется следующими основными факторами: ° сокрашением сроков и трудоемкости проектирования многокоорлинатных мехатронных машин, относительно низкая цена благодаря высокому уровню унификации и стандартизации элементов н интерфейсов; ° возможностью быстрой реконфигурации системы в специализированную машину под конкретную технологическую задачу без функциональной избыточности; е повышенной надежностью и ремонтопригодностью сложных комплексов при эксплуатации, так как модули являются объектом серийного производства. 1.2.
Общие положения проектирования мехатронных модулей Мехатроника как научная область только начинает развиваться, ее границы, содержание и терминология строго еше не определены Р3,431. Вместе с тем, синергетическая интеграция как основополагающий принцип построения мехатронных систем, изначально является общепризнанным и постулирован в первой же строке определения мехатроники [20,33,431 3алача конструктора при синергетической интеграции состоит в том, чтобы не просто связать отдельные части в систему с поч:„::!;:,.' мощью типовых соединений и преобразователей, а сделать конструктивные связи в мехатронном модуле взаимопроникаюшими и 1з неразрывными. В настоящее время большинство успешных реше- ний в мехатронике основаны скорее на инженерном опыте и интуиции, чем на фундаментальной научной методологии.
Добиться качественно новых характеристик позволяет современная концепция «встроенного проектирования», которая предполагает конструктивную интеграцию элементов модуля в едином корпусе. Предлагаемый подход к анализу и проектированию мехатронных модулей основан на совместном анализе их функциональной, структурной и конструктивной моделей. Целью проектирования мехатронного модуля является преобразование исходных требований в конструкторскую реализацию и соответствующую документацию, по которой может быть изготовлена эта система, удовлетворяющая сформулированным показателям качества.
Ограничимся рассмотрением только технических показателей, но при выборе структуры и конструкции мехатронных модулей следует также учитывать экономические и эксплуатационные оценки качества. Общий алгоритм проектирования мехатронного модуля представлен на рис. 1.4 Данный алгоритм предусматривает три основных этапа проектирования — это последовательно выполняемые функциональный, структурный и конструктивный анализ и синтез мехатронных модулей. Применяя процедуры функционально-структурного и структурно-конструктивного анализа, разработчик оценивает принимаемые решения, стремясь добиться высокого уровня синергетической интеграции элементов. Для использования методов автоматизированного проектирования формируют взаимосвязанные функциональную (Г- модель), структурную (3- 14 „дель) и конструктивную (С-модель) модели мехатронного модузя.
Определение функции ММ является проблемой концептуального проектирования и в настоящей работе не рассматривается. Задача конструирования мехатронного модуля включает три основных этапа; ° выбор вариантов структурных решений модуля по его заданной функции и их функционально-структурный анализ. Входной информацией для этого этапа проектирования является Е- модель, а на выходе формируется Б-модель мехатронного модуля; ~ структурно-конструктивный анализ конструкторских решений и построение С-модели мехатронного модуля; ° конструкторская реализация выбранного варианта модуля с разработкой конструкторской документации; Таким образом, задача проектирования мехатронного модуля заключается в нахождении наилучшего соответствия между заданной функцией и конструктивным исполнением.
Ключевой методологической идеей данного подхода является приоритет функции модуля над ее структурной органиэацией и конструктивным решением. В мехатронном модуле заданные функциональные преобразования могут быть реализованы несколькими наборами структурных блоков, а эти блоки, в свою очередь, могут иметь различное конструкторское исполнение.
Таким образом, при проектировании модуля его структура и конструктивное решение являются подчиненными по отношению к заданной функции Функционально-структурный подход, основанный на эволюционном методе синтеза технических систем, предложен акад. Е.П. Балашовым [1] и разработан для задач проектирования информационно-управляющих комплексов и вычислительных устройств [2[ В книге функционально-структурный подход объединен со структурно-конструктивным анализом в общую методику разработки мехатронных модулей (рис.1.4). Специфика и сложность мехатронных модулей заключается в том, что их составляющие части (механическал, электронная и компьютерная) имеют различную физическую 'д приролу, а основные структурные элементы (см, рис.1.3) выпускают зачастую предприятиями различных отраслей промышленности 1.3.
Функция и структура мехатроиного модуля Известны два основных подхода к построению моделей сложных технических систем. Первый заключается в функциональном определении рассматриваемой системы через ее поведение по отношению к внешним объектам и внешней среде. Второй подход основан на структурном описании состава системы и связей между ее элементами. Исследование и оптимизация взаимосвязи между функцией и структурой системы лежит в основе функционально- структурного подхода, который соответствует первым двум этапам проектирования мехатронных систем и модулей (рис.
1.4). На первом этапе проводят функциональный анализ мехатронной системы или мехатронного модуля, результатом которого является построение функциональной модели. Функциональное представление МС или ММ с определенными входными и выхолными переменными (модель типа черный ящик» ) показано на рис.
1.5. Рис. 1.6 Таким образом, основная функциональная задача мехатронной системы или мехатронного молуля заключается в преобразовании информации о программе движения в целенаправленное управляемое движение выходного звена. ',х) Программа движения может быть задана управляющим компьютером как набор команд высокого уровня или, в случае дистанционного управления, человеком-оператором с помощью человеко- машинного интерфейса. Управляемое движение осуществляется механической подсистемой ММ, и его конечное звено взаимодействует с объектами внешней среды. Внешние воздействия (например, силы резания при шлифовальных и фрезерных операциях, л' контактные силы и моменты при роботизированной сборке [33,441) должны эффективйо отражаться мехатронным модулем в процессе движения.
Информационная обратная связь необходима для оцен- 16 ки теку1цего состояния ММ как объекта управления и внешней реды в режиме реального времени. Обозначенная основная функция не является единственной для гехатронных систем. Некоторые дополнительные функции, — та- и,, как реконфигурация системы, обмен сигналами и информаци- „11 с другим технологическим оборудованием, самодиагностика— также должны быть реализованы для эффективной и надежной ее работы МС. Но именно выполнение функционального движении является основной мехатронной функцией, так как механическая подсистема взаимодействует с объектами работ и таким образом определяет поведение МС во внешней среде.
Рассмотренное представление мехатронного модуля в форме черного ящика (см. рис. !.5), имеет два информационных входа (программа движения и информационная обратная связь), энергетический вход (реакция внешней среды) и механический выход (целенаправленное управляемое движение). Следовательно, в общем случае, функциональная модель мехатронного модуля может быть определена как иифорлсациоиио-мехаиический преобразователь.
Рис 1,б Для физической реализации мехатронного информационно- механического преобразования необходим внешний энергетический источник. На современной стадии развития мехатроники для этой цели в основном используют электрические источники энер- Введя соответствующие электроэнергетические преобразова- 9:,:,;,." ния, получаем следукпцую функциональную модель (г -модель) ме- хатронного модуля (рис.
1.6) Полученная Г-модель ММ в обшем случае содержит семь базовых функциональных преобразователей, связанных энергетическими и информационными потоками. Отметим, что электрическая энергия является только промежуточной энергетической формой между входной информацией и выходным механическим движением. Следовательно, электрическая подсистема отнюдь не является единственно возможной для выполнения мехатронной функции, как это постулировано в приведенном определении мехатроники. Безусловно, и другие виды энергетических процессов могут быть использованы в мехатронных системах для промежуточных преобразований и должны рассматриваться как альтернативные варианты на этапе концептуального проектирования. Выбор разработчиком ММ физической природы промежуточного преобразователя определяется возможностями технической реализации, исходными требованиями и особенностями его применения.
В современной инженерной практике широко применяют гидравлические, пневматические, химические и другие виды энергетических преобразователей. Итак, в любом мехатронном модуле необходимо реализовать семь функциональных преобразований (рис.1.6). Три из них назовем молоэнергетвческими (информационный, электрический и механический преобразователи), где входные и выходные переменные имеют одну и ту же физическую природу. Остальные четыре являются дуольяыми (двойственными), так как в них входные и выходные переменные принадлежат различным физическим видам. К этой группе относят информационно-электрический и электромеханический преобразователи, расположенные в прямой цепи функциональной модели и параллельные электро-информационный и механико- информационный преобразователи в цепи обратной связи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
