К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению традиционными средствами автоматизации следует отнести:

Относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

Высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;

Высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

Конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации и микромашинах),

Улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

Возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

Станкостроение и оборудование для автоматизации технологических процессов;

Робототехника (промышленная и специальная);

Авиационная, космическая и военная техника;

Автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

Нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

Офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);

Элементы вычислительной техники (например, принтеры, плоттеры, дисководы);

Медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);

Бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины);

Микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и телекоммуникации);

Контрольно-измерительные устройства и машины;

Фото- и видеотехника;

Тренажеры для подготовки пилотов и операторов;

Шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).

Безусловно, этот список может быть расширен.

Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах как нового научно-технического направления обусловлено тремя основным факторами:

Новые тенденции мирового индустриального развития;

Развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиально новые технические и технологические решения);

Активность специалистов в научно-исследовательской и образовательной сферах.

Современный этап развития автоматизированного машиностроения в нашей стране происходит в новых экономических реалиях, когда стоит вопрос о технологической состоятельности страны и конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Можно выделить следующие тенденции изменения в ключевых требованиях мирового рынка в рассматриваемой области:

Необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества, сформулированных в стандартах ISO серии 9000 ;

Интернационализация рынка научно-технической продукции и, как следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов
международного инжиниринга и трансфера технологий;

Повышение роли малых и средних производственных предприятий в экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка;

Бурное развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникации (в странах ЕЭС в 2000 году 60% роста Совокупного Национального Продукта произошло именно за счет этих отраслей); прямым следствием этой общей тенденции является интеллектуализация систем управления механическим движением и технологическими функциями современных машин.

В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоемкой продукции исторически мехатронные модули первого уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить "мотор-редуктор", где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент. Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).

Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привела к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: 1) механических, 2) электротехнических и 3) электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы 1) управляемые энергетические машины (турбины и генераторы), 2) станки и промышленные роботы с числовым программным управлением.

Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров на их базе и направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь процесса управления функциональными движениями машин и агрегатов. Одновременно идет разработка новых принципов и технологии изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых 1) прецизионных, 2) информационных и 3) измерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и производства интеллектуальных мехатронных модулей и систем.

В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких комплексов - добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить, конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции.

Современные предприятия, приступающие к разработке и выпуску мехатронных изделий, должны решить в этом плане следующие основные задачи:

Структурная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые, как правило функционировали автономно и разобщенно) в единые проектные и производственные коллективы;

Подготовка "мехатронно-ориентированных" инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификации;

Интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей (механика, электроника, компьютерное управление) в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач;

Стандартизация и унификация всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве МС.

Решение перечисленных проблем зачастую требует преодоления сложившихся на предприятии традиций в управлении и амбиций менеджеров среднего звена, привыкших решать только свои узкопрофильные задачи. Именно поэтому средние и малые предприятия которые могут легко и гибко варьировать свою структуру, оказываются более подготовленными к переходу на производство мехатронной продукции.

Похожая информация.

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

станкостроение и оборудование для автоматизации технологических

процессов;

робототехника(промышленная и специальная);

авиационная, космическая и военная техника;

автомобилестроение(например, антиблокировочные системы тормозов,

системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

нетрадиционные транспортные средства(электровелосипеды, грузовые

тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

офисная техника(например, копировальные и факсимильные аппараты);

элементы вычислительной техники(например, принтеры, плоттеры,

дисководы);

медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);

бытовая техника(стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины);

микромашины(для медицины, биотехнологии, средств

телекоммуникации);

контрольно-измерительные устройства и машины;

‑­

фото- и видеотехника;

тренажеры для подготовки пилотов и операторов;

шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).

Одной из основных тенденций развития современного машиностроения является внедрение в технологический процесс производства мехатронных технологических машин и роботов. Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным компонентам, которые легко перепрограммируются в новую задачу и при этом являются относительно дешевыми.

Мехатронный подход к проектированию предполагает не расширение, а именно замещение функций, традиционно выполняемых механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.

Понимание принципов построения интеллектуальных элементов мехатронных систем, методов разработки алгоритмов управления и их программной реализации является необходимым условием для создания и внедрения мехатронных технологических машин.

Предлагаемое методическое руководство относится к учебному процессу по специальности «Применение мехатронных систем», предназначены для изучения принципов разработки и реализации алгоритмов управления мехатроннымх систем на базе электронных и компьютерных блоков и содержат информацию по проведению трех лабораторных работ. Все лабораторные работы объединены в единый комплекс, целью которого является создание и реализация алгоритма управления мехатронной технологической машины.

Вначале каждой лабораторной работы обозначена конкретная цель, затем следует ее теоретическая и практическая части. Все работы проводятся на специализированном лабораторном комплексе.

Основной тенденцией в развитии современной промышленности являются интеллектуализация производственных технологий на базе использования мехатронных технологических машин и роботов. Во многих областях промышленности мехатронные системы (МС) приходят на смену традиционным механическим машинам, которые уже не соответствуют современным качественным требованиям.

Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключаются в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным компонентам, которые легко перепрограммируются под новую задачу и при этом являются относительно дешевыми. Мехатронный подход к проектированию технологических машин предполагает замещение функций, традиционно выполняемых механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки. Еще в начале 90-х годов прошлого века подавляющее большинство функций машины реализовывалось механическим путем, в последующие десятилетие происходило постепенное вытеснение механических узлов электронными и компьютерными блоками.

В настоящее время в мехатронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну. К современным технологическим машинам предъявляются качественно новые требования:

сверхвысокие скорости движения рабочих органов;

сверхвысокая точность движений, необходимую для реализации нанотехнологий;

максимальную компактность конструкции;

интеллектуальное поведение машины, функционирующей в изменяющихся и неопределенных средах;

реализацию перемещений рабочих органов по сложным контурам и поверхностям;

способность системы к реконфигурации в зависимости от выполняемой конкретной задачи или операции;

высокую надежность и безопасность функционирования.

Все эти требования, возможно, выполнить только с использованием мехатронных систем. Мехатронные технологии включены в число критических технологий Российской Федерации.

В последние годы создание технологических машин четвертого и пятого поколений с мехатронными модулями и интеллектуальными системами управления получило развитие и в нашей стране.

К таким проектам следует отнести мехатронный обрабатывающий центр МС-630, обрабатывающие центры МЦ-2, Гексамех-1, робот-станок РОСТ-300.

Дальнейшее развитие получили мобильные технические роботы, которые могут самостоятельно передвигаться в пространстве и обладают способностью выполнять технологические операции. Примером таких роботов могут служить роботы для применения в подземных коммуникациях: РТК-100, РТК-200, РТК «Рокот-3».

К главным преимуществам мехатронных систем относятся:

исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и, следовательно, высокая точность и улучшенные динамические характеристики машин и модулей;

конструктивная компактность модулей;

возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы, допускающие быструю реконфигурацию;

относительно низкая стоимость установки, настройки и обслуживания системы благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных платформ;

способность выполнять сложные движения за счет применения методов адаптивного и интеллектуального управления.

Примером такой системы может служить система регулирования силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, управление технологическими воздействиями (тепловыми, электрическими, электрохимическими) по объекту работ при комбинированных методах обработки; управление вспомогательным оборудованием (конвейерами, загрузочными устройствами).

В процессе движения механического устройства рабочий орган системы непосредственно воздействует на объект работ и обеспечивает качественные показатели выполняемой автоматизированной операции. Таким образом, механическая часть является в МС объектом управления. В процессе выполнения МС функционального движения внешняя среда оказывает возмущающее воздействие на рабочий орган, который является конечным звеном механической части. Примерами таких воздействий могут служить силы резания в операциях механообработки, контактные силы и моменты сил при формообразовании и сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.

Кроме рабочего органа в состав МС входит блок приводов, устройств компьютерного управления, верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть; сенсоры, предназначенные для передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии блоков машины и движении МС.

Устройство компьютерного управления выполняет следующие основные функции:

организация управления функциональными движениями МС;

управление процессом механического движения мехатронного модуля в реальном времени с обработкой сенсорной информации;

взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс;

организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.

Преимущества мехатронных систем и устройств (МСиУ) К основным преимуществам МСиУ по сравнению с традиционными средствами автоматизации можно отнести следующее. 1. Относительно низкая стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов. 2. Высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления. 1

3. Высокая надёжность, долговечность, помехозащищённость. 4. Конструктивная компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах). 5. Улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей; 6. Возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика. 2

Применение мехатронных модулей (ММ) и мехатронных систем (МС) Сегодня ММ и МС находят применение в следующих областях. Станкостроение и оборудование для автоматизации производственных процессов. Робототехника (промышленная и специальная). Авиационная, космическая и военная техника. Автомобилестроение (например, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки). Не традиционные транспортные средства (Эл. велосипеды, грузовые тележки, инвалидные коляски и т.д.). 3

Офисная техника (например, копировальные аппараты). Вычислительная техника (например, принтеры, винчестеры). Медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное). Бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные машины и т.д.). Микромашины (для медицины, биотехнологий, для средств связи и телекоммуникаций). Контрольно – измерительные устройства и машины; Фото и видео техника. Тренажёры для подготовки пилотов и операторов. Шоу – индустрия. 4

Развитие мехатроники Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах и в настоящее время, как нового научно-технического направления, обусловлено 3-мя основными факторами. 1) Новые тенденции мирового индустриального развития. 2) Развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиально новые технические и технологические решения); 3) Активность специалистов в научно- исследовательской и образовательной сферах. 6

Основные требования мирового рынка в области мехатронных систем Необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества, сформулированных в стандарте ISO9000. Интернационализация рынка научно- технической продукции и, как следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов международного инжениринга и трансфера технологий. 8

Повышение роли малых и средних производственных предприятий в экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка, Бурное развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникаций (в странах ЕЭС до 60% роста совокупного национального продукта обеспечивается именно за счёт этих отраслей). Прямым следствием этой тенденции является интеллектуализация систем управления механическим движением и технологическими функциями современных машин. 9

Современные предприятия, приступающие к разработке мехатронных изделий, должны решить следующие основные задачи. 1. Структурная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей в единые проектные и производственные коллективы. 2. Подготовка мехатронно-ориентированных инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификации. 3. Интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей – механики, электроники, компьютерного управления, в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач. 11

В качестве основного классификационного признака в мехатронике принят уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделить МС по уровням или поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоёмкой продукции хронологически. 12

Поколения ММ 1 поколение Базовый элемент электродвигатель Модуль - мотор Высокомоментн ый двигатель Модуль двигатель- рабочий орган Второе поколение Мехатронные модули движения (вращательные и линейные) Третье поколение интеллектуальные мехатронные модули Дополнительный элемент Силовой преобразователь Механическое устройство Рабочий орган Датчики обратной связи Датчики информации Микрокомпьютер (контроллер) Схема развития мехатронных модулей движения 13

ММ 1-го уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. В 1927 г. фирмой «Бауэр» (Германия) была разработана принципиально новая конструкция, объединяющая электродвигатель и редуктор, получившая в дальнейшем широкое распространение и названная мотор – редуктором. Т.О., мотор – редуктор, это компактный конструктивный модуль, в котором объединены электродвигатель и преобразователь движения –редуктор. 14

ММ 2-го поколения появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привело к появлению ММ движения, на базе которых были созданы управляемые энергетические машины, в частности, ПР и станки с ЧПУ. 15

Модуль движения – функционально и конструктивно самостоятельное изделие, включающее в себя механическую и электротехническую части, которые можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями. Мехатронный модуль движения – модуль движения, дополнительно включающий в себя информационную часть, включающую в себя датчики различного назначения. 16

Главным признаком, отличающим модуль движения от общепромышленного привода, является использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразователя. Примерами модулей движения являются мотор-редуктор, мотор-колесо, мотор- барабан, электрошпиндель и т.д. 17

ММ 3-его поколения. Их развитие обусловлено появлением на рынке сравнительно не дорогих микропроцессоров и контроллеров на их основе. В результате, стала возможной интеллектуализация процессов, протекающих в МС, в первую очередь, процессов управления функциональными движениями машин и агрегатов. Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) – это мехатронный модуль движения, дополнительно включающий в себя микропроцессорное вычислительное устройство и силовой преобразователь. 18

Мехатронные устройства 4-го поколения – это информационно-измерительные и управляющие мехатронные микросистемы и микророботы (например, проникающие по сосудам внутрь организма для борьбы с раком, атеросклерозом, оперирования повреждённых органов и тканей). Это роботы для обнаружения и ремонта дефектов внутри трубопроводов, ядерных реакторов, космических летательных аппаратов и т.п. 19

В мехатронных устройствах 5-го поколения произойдёт замещение традиционных компьютерных и программных средств числового программного управления на нейрочипы и нейрокомпьютеры, основанные на принципах работы мозга и способных к целесообразной деятельности в изменяющейся внешней среде. 20

Сферы применения мехатронных систем. К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению традиционными средствами автоматизации следует отнести: относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов; высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления; высокую надежность долговечность и помехозащищенность; конструктивную компактность модулей вплоть до миниатюризации и микромашинах улучшенные...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 4. Сферы применения мехатронных систем.

К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению традиционными средствами автоматизации следует отнести:

Относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

Высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;

Высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

Конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации и микромашинах),

Улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

Возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

Станкостроение и оборудование для автоматизации технологических
процессов;

Робототехника (промышленная и специальная);

авиационная, космическая и военная техника;

автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов,
системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые
тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);

элементы вычислительной техники (например, принтеры, плоттеры,
дисководы);

медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);

бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и другие
машины);

микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и
телекоммуникации);

контрольно-измерительные устройства и машины;

фото- и видеотехника;

тренажеры для подготовки пилотов и операторов;

Шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).

Безусловно, этот список может быть расширен.

Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах как нового научно-технического направления обусловлено тремя основным факторами:

Новые тенденции мирового индустриального развития;

Развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые
научные идеи, принципиально новые технические и технологические
решения);

активность специалистов в научно-исследовательской и образовательной
сферах.

Современный этап развития автоматизированного машиностроения в нашей стране происходит в новых экономических реалиях, когда стоит вопрос о технологической состоятельности страны и конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Можно выделить следующие тенденции изменения в ключевых требованиях мирового рынка в рассматриваемой области:

необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с
международной системой стандартов качества, сформулированных в
стандарте ISO 9000 ;

интернационализация рынка научно-технической продукции и, как
следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов
международного инжиниринга и трансфера технологий;

повышение роли малых и средних производственных предприятий в
экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию
на изменяющиеся требования рынка;

Бурное развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникации (в странах ЕЭС в 2000 году 60% роста Совокупного
Национального Продукта произошло именно за счет этих отраслей);
прямым следствием этой общей тенденции является интеллектуализация
систем управления механическим движением и технологическими
функциями современных машин.

В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоемкой продукции исторически мехатронные модули первого уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить "мотор-редуктор", где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент. Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).

Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привела к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы управляемые энергетические машины (турбины и генераторы), станки и промышленные роботы с числовым программным управлением.

Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров на их базе и направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь процесса управления функциональными движениями машин и агрегатов. Одновременно идет разработка новых принципов и технологии изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых прецизионных, информационных и измерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и производства интеллектуальных мехатронных модулей и систем.

В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться и мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких комплексов - добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить, конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции.

Современные предприятия, приступающие к разработке и выпуску мехатронных изделий, должны решить в этом плане следующие основные задачи:

Структурная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые, как правило функционировали автономно и разобщенно) в единые проектные и производственные коллективы;

Подготовка "мехатронно-ориентированных" инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификации;

Интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей (механика, электроника, компьютерное управление) в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач;

Стандартизация и унификация всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве МС.

Решение перечисленных проблем зачастую требует преодоления сложившихся на предприятии традиций в управлении и амбиций менеджеров среднего звена, привыкших решать только свои узкопрофильные задачи. Именно поэтому средние и малые предприятия которые могут легко и гибко варьировать свою структуру, оказываются более подготовленными к переходу на производство мехатронной продукции.

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
9213.		Приводы мехатронных систем. Способы управления МС	35.4 KB
	Способы управления МС. Привод как известно включает прежде всего двигатель и устройство управления им. Требования предъявляемые к их способу управления быстродействию и точности непосредственно определяются соответствующими требованиями к МС в целом. Наряду с общей обратной связью по положению в схеме имеется обратная связь по скорости которая играет роль корректирующей гибкой обратной связи и часто кроме того служит для управления скоростью.
9205.		Применение мехатронных систем (МС) в автоматизированном технологическом оборудовании	58.03 KB
	Здесь появились первые средства автоматизации и сосредоточено до 80 всего мирового парка робототехнических средств. Технологические комплексы с такими роботами называются роботизированными технологическими комплексами РТК. Термин робототехнические системы РТС означает технические системы любого назначения в которых основные функции выполняют роботы.
9201.		Применение мехатронных систем на автомобильном, водном и воздушном транспорте	301.35 KB
	1 Система комплексной безопасности автомобиля: 1 приемник инфракрасных лучей; 2 датчик погоды дождь влажность; 3 привод дроссельной заслонки системы питания; 4 компьютер; 5 вспомогательный электроклапан в приводе тормозов; 6 АБС; 7 дальномер; 8 автоматическая коробка передач; 9 датчик скорости автомобиля; 10 вспомогательным электроклапан рулевого управления; 11 датчик акселератора; 12 датчик рулевого управления;...
10153.		Сферы применения маркетинга. Принципы маркетинга. Этапы развития маркетинга. Основные стратегии маркетинга. Внешняя среда предприятия. Виды рынков. Сегмент рынка. Инструментарий маркетинга	35.17 KB
	Сегмент рынка. Различают три основные сферы деятельности в управлении предприятием: рациональное использование наличных ресурсов; организация обменных процессов предприятия с внешней средой для реализации поставленных собственником задач; поддержание организационнотехнического уровня производства способного отвечать вызовам рынка. Поэтому отношения вне предприятия с другими участниками рынка принято обозначать как маркетинговую деятельность предприятия которая не имеет непосредственного отношения к собственно производственному...
6511.		Принципи побудови систем АРП кабельного лінійного тракту систем передачі з ЧРК	123.51 KB
	Пристрої автоматичного регулювання посилення призначені для регулювання рівнів передачі підсилювачів магістралі в заданих межах і для стабілізації залишкового загасання каналів звязку.
8434.		Види облікових систем (АРМ-систем) бухгалтера та їх будова	46.29 KB
	Види облікових систем АРМсистем бухгалтера та їх будова 1. Структурна будова облікових АРМ систем. Побудова облікових систем ОС на базі АРМ характеризується багатоаспектністю можливих варіантів їх побудови. Виділяючи класифікаційні ознаки АРМ враховують такі особливості їх побудови і впровадження як структурнофункціональне місце займане кожним АРМ розподіл функціональних задач серед АРМ способи організації розв’язування задач зв’язки з АРМ одного і різних рівнів управління та інші фактори.
5803.		Правоотношения сферы трудового права	26.32 KB
	Основанием возникновения трудового правоотношения по общему правилу считается трудовой договор. Именно изучение и анализ трудового договора вывел ученых на изучение более общего феномена – трудового правоотношения. Правоотношения сферы трудового права – это урегулированные нормами трудового законодательства отношения субъектов данной отрасли работника и работодателя их юридическая связь.
5106.		Основные виды исследования систем управления: маркетинговые, социологические, экономические (их особенности). Основные направления совершенствования систем управления	178.73 KB
	В условиях динамичности современного производства и общественного устройства управление должно находиться в состоянии непрерывного развития, которое сегодня невозможно обеспечить без исследования путей и возможностей этого развития
3405.		Система правового обеспечения сферы СКСТ	47.95 KB
	Роль права в обеспечение социальнокультурного сервиса и туризма. Важнейшей предпосылкой для ускоренного развития туризма в России повышения его социальноэкономической эффективности и значимости для граждан общества и государства является формирование законодательства РФ с учетом современного мирового опыта а также традиций отечественного права. был принят Федеральный закон Об основах туристской деятельности в Российской Федерации далее также Закон о туризме который сыграл важную роль в становлении туризма в России. Закон...
19642.		Управления социальной сферы муниципального образования	50.11 KB
	Соблюдение конституционных гарантий по оказанию медицинской помощи и созданию благоприятных санитарно-эпидемиологических условий жизнедеятельности населения предполагает структурные преобразования в системе здравоохранения предусматривающие: – новые подходы к принятию политических решений и формированию бюджетов всех уровней с учетом приоритетности задач охраны здоровья населения; – формирование новой нормативно-правовой базы деятельности учреждений здравоохранения в условиях рыночной экономики; – приоритетность в системе здравоохранения...

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

Станкостроение и оборудование для автоматизации технологических

процессов;

Робототехника(промышленная и специальная);

Авиационная, космическая и военная техника;

Автомобилестроение(например, антиблокировочные системы тормозов,

системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

Нетрадиционные транспортные средства(электровелосипеды, грузовые

тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

Офисная техника(например, копировальные и факсимильные аппараты);

Элементы вычислительной техники(например, принтеры, плоттеры,

дисководы);

Медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);

Бытовая техника(стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины);

Микромашины(для медицины, биотехнологии, средств

телекоммуникации);

Контрольно-измерительные устройства и машины;

Фото- и видеотехника;

Тренажеры для подготовки пилотов и операторов;

Шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1.
Ю. В. Подураев «Основы мехатроники» Учебное пособие. Москва.- 2000г. 104 с.

2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Мехатроника

3.
http://mau.ejournal.ru/

4.
http://mechatronica-journal.stankin.ru/

Анализ структуры мехатронных систем мехатронных модулей

Учебное пособие

По дисциплине «Проектирование мехатронных систем»

по специальности 220401.65

«Мехатроника»

г.о. Тольятти 2010

Краснов С.В., Лысенко И.В. Проектирование мехатронных систем. Часть 2. Проектирование электромеханических модулей мехатронных систем

Аннотация. Учебное пособие включает сведения о составе мехатронной системы, месте электромехатронных модулей в мехатронных системах, о структуре электромехатронных модулей, их типах и особенностях, включает этапы и методы проектирования мехатронных систем. критерии расчета нагрузочных характеристик модулей, критерии выбора приводов и т.д.

1 Анализ структуры мехатронных систем мехатронных модулей 5

1.1 Анализ структуры мехатронной системы 5

1.2 Анализ оборудования приводов мехатронных модулей 12

1.3 Анализ и классификация электрических двигателей 15

1.4 Анализ структуры систем управления приводами 20

1.5 Технологии формирования управляющего сигнала. ШИМ модуляция и ПИД регулирование 28

1.6 Анализ приводов и систем числового управления станков 33

1.7 Энергетические и выходные механические преобразователи приводов мехатронных модулей 39

1.8 Датчики обратной связи приводов мехатронных модулей 44

2 Основные понятия и методологии проектирования мехатронных систем (МС) 48

2.1 Основные принципы проектирования мехатронных систем 48

2.2 Описание этапов проектирования МС 60

2.3 Изготовление (реализация) МС 79

2.4 Тестирование МС 79

2.5 Оценка качества МС 83

2.6 Документация к МС 86

2.7 Экономическая эффективность МС 87

2.8 Разработка мероприятий по обеспечению безопасных условий труда с электромеханическими модулями 88

3. Методы расчетов параметров и проектирование мехатронных модулей 91

3.1 Функциональное моделирование процесса проектирования мехатронного модуля 91

3.2 Этапы проектирования мехатронного модуля 91

3.3 Анализ критериев выбора двигателей мехатронных систем 91

3.4 Анализ основного математического аппарата расчета приводов 98

3.5 Расчет требуемой мощности и выбор ЭД подач 101

3.6 Управление двигателем постоянного тока по положению 110

3.7 Описание современных аппаратно-программных решений управления исполнительными элементами станков 121

Список источников и литературы 135

Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплекса машин с интеллектуальным управлениями их функциональными движениями.

Мехатронная система – совокупность мехатронных модулей (компьютерного ядра, информационных устройств-датчиков, электромеханических (приводов двигателей), механичемских (исполнительные элементы – фрезы, руки робота и т.д.), программного обеспечения (специально – управляющие программы, системного – операционные системы и среды, драйверы).

Мехатронный модуль – отдельный блок мехатронной системы, совокупность аппаратно-программных средств, осуществляющих движение одного или нескольких исполнительных органов.

Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком на стадии проектирования, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка.

Методологическая основа разработки МС служат методы параллельного проектирования, то есть одновременного и взаимосвязанного при синтезе всех компонентов системы. Базовыми объектами являются мехатронные модули, которые выполняют движение, как правило, по одной координате. В мехатронных системах для обеспечения высокого качества реализации сложных и точных движений применяются методы интеллектуального управления (новые идеи в теории управления, современные аппараты вычислительной техники).

В состав традиционной мехатронной машины входят следующие основные компоненты:

Механические устройства, конечным звеном которого является рабочий орган;

Блок приводов, включающий силовые преобразователи и силовые двигатели;

Устройства компьютерного управления, уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ входящая в компьютерную сеть;

Сенсорные устройства, предназначенные для передачи устройству управления информации о фактическом состоянии блоков машины и движения мехатронной системы.

Таким образом, наличие трех обязательных частей: электромеханической, электронной, компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками является первичным признаком отличающим мехатронную систему.

Таким образом, для физической реализации мехатронной системы теоретически необходимы 4 основных функциональных блока, которые изображены на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 – Блок-схема мехатронной системы

Если работа основана на гидравлических, пневматических или комбинированных процессах, то необходимы соответствующие преобразователи и датчики обратной связи.

Мехатроника является научно-технической дисциплиной, которая изучает построение электромеханических систем нового поколения, обладающих принципиально новыми качествами и, часто, рекордными параметрами. Обычно мехатронная система является объединением собственно электромеханических компонентов с новейшей силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, ПК или других вычислительных устройств. При этом система в истинно мехатронном подходе, несмотря на использование стандартных компонентов, строится как можно более монолитно, конструкторы стараются объединить все части системы воедино без использования лишних интерфейсов между модулями. В частности, применяя встроенные непосредственно в микроконтроллеры АЦП, интеллектуальные силовые преобразователи и т. п. Это даёт сокращение массогабаритных показателей, повышение надёжности системы и другие преимущества. Любая система, управляющая группой приводов может считаться мехатронной. В частности, если она управляет группой реактивных двигателей космического аппарата.

Рисунок 1.2 – Состав мехатронной системы

Иногда система содержит принципиально новые с конструкторской точки зрения узлы, такие как электромагнитные подвесы, заменяющие обычные подшипниковые узлы.

Рассмотрим обобщенную структуру машин с компьютерным управлением, ориентированных на задачи автоматизированного машиностроения.

Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда, которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения объекты работ оказывают возмущающие воздействия на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.

Внешние среды укрупненно можно разделить на два основных класса: детерминированные и недетерминированные. К детерминированным относятся среды, для которых параметры возмущающих воздействий и характеристики объектов работ могут быть заранее определены с необходимой для проектирования МС степенью точности. Некоторые среды являются недерминированными по своей природе (например, экстремальные среды: подводные, подземные и т.п.). Характеристики технологических сред как правило могут быть определены с помощью аналитико-экспериментальных исследований и методов компьютерного моделирования. Например, для оценки сил резания при механообработке проводят серии экспериментов на специальных исследовательских установках, параметры вибрационных воздействий измеряют на вибростендах с последующим формированием математических и компьютерных моделей возмущающих воздействий на основе экспериментальных данных.

Однако для организации и проведения подобных исследований зачастую требуются слишком сложные и дорогостоящие аппаратура и измерительные технологии. Так для предварительной оценки силовых воздействий на рабочий орган при операции роботизированного удаления облоя с литых изделий необходимо измерять фактические форму и размеры каждой заготовки.

Рисунок 1.3 – Обобщенная схема мехатронной системы с компьютерным управлением движением

В таких случаях целесообразно применять методы адаптивного управления, которые позволяют автоматически корректировать закон движения МС непосредственно в ходе выполнения операции.

В состав традиционной машины входят следующие основные компоненты: механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган; блок приводов, включающий силовые преобразователи и исполнительные двигатели; устройство компьютерного управления, верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть; сенсоры, предназначенные для передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии блоков машины и движении МС.

Таким образом, наличие трех обязательных частей - механической (точнее электромеханической), электронной и компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками, является первичным признаком, отличающим мехатронные системы.

Электромеханическая часть включает механические звенья и передачи, рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнительные электротехнические элементы (тормоза, муфты). Механическое устройство предназначено для преобразования движений звеньев в требуемое движение рабочего органа. Электронная часть состоит из микроэлектронных устройств, силовых преобразователей и электроники измерительных цепей. Сенсоры предназначены для сбора данных о фактическом состоянии внешней среды и объектов работ, механического устройства и блока приводов с последующей первичной обработкой и передачей этой информации в устройство компьютерного управления (УКУ). В состав УКУ мехатронной системы обычно входят компьютер верхнего уровня и контроллеры управления движением.

Устройство компьютерного управления выполняет следующие основные функции:

Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации;

Организация управления функциональными движениями МС, которая предполагает координацию управления механическим движением МС и сопутствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства;

Взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс в режимах автономного программирования (off-line) и непосредственно в процессе движения МС (режим on-line);

Организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.

Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления, в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно, что электрическая энергия (реже гидравлическая или пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

Суть мехатронного подхода к проектированию состоит в интеграции в единый функциональный модуль двух или более элементов возможно даже различной физической природы. Другими словами, на стадии проектирования из традиционной структуры машины исключается как сепаратное устройство по крайней мере один интерфейс при сохранении физической сущности преобразования, выполняемого данным модулем.

В идеальном для пользователя варианте мехатронный модуль, получив на вход информацию о цели управления, будет выполнять с желаемыми показателями качества заданное функциональное движение. Аппаратное объединение элементов в единые конструктивные модули должно обязательно сопровождаться разработкой интегрированного программного обеспечения. Программные средства МС должны обеспечивать непосредственный переход от замысла системы через ее математическое моделирование к управлению функциональным движением в реальном времени.

Применение мехатронного подхода при создании машин с компьютерным управлением определяет их основные преимущества по сравнению с традиционными средствами автоматизации:

Относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

Высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;

Высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

Конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах),

Улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

Возможность комплексирования функциональных модулей в сложные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Классификация приводов исполнительных механизмов мехатронной системы показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Классификация приводов мехатронной системы

На рисунке 1.5 показана схема электромехатронного узла на базе привода.

Рисунок 1.5 – Схема электромехатронного узла

В различных областях техники широко распространены приводы, выполняющие силовые функции в системах управле­ния разнообразными объектами. Автоматизация технологичес­ких процессов и производств, в частности, в машиностроении невозможна без использования различных приводов, которые включают в себя: исполнительные механизмы, определяемые технологическим процессом, двигатели и систему управления двигателями. В приводах систем управления МС (технологи­ческих машин, машин - автоматов МА, ПР и т.д.) применяют значительно отличающиеся по физическим эффектам испол­нительные двигатели. Реализация таких физических эффек­тов как магнетизм (электродвигатели), гравитация в виде пре­образования гидравлических и воздушных потоков в механи­ческое движение, расширение среды (двигатели внутреннего сгорания, реактивные, паровые и пр.); электролиз (емкостные двигатели) в совокупности с новейшими достижениями в области микропроцессорной техники позволяет создавать современные приводные системы (ПС) с улучшенными технически­ми характеристиками. Связь силовых параметров привода (крутящий момент, усилие) с кинематическими параметрами (угловая скорость выходного вала, скорость линейного пере­мещения штока ИМ) определяется механическими характе­ристиками электро-, гидро-, пневмо- и других приводов, в совокупности или раздельно решающих задачи движения (ра­бочего, холостого хода) механической части МС (технологи­ческого оборудования). При этом, если требуется регулирова­ние выходных параметров машины (силовых, скоростных, энергетических), то механические характеристики двигате­лей (приводов) должны целесообразно видоизменяться в ре­зультате управления устройствами регулирования, например, уровня питающего напряжения, тока, давления, расхода жид­кости или газа.

Простота формирования механических движений непосред­ственно из электрической энергии в приводных системах с электрическим двигателем, т.е. в электромеханических систе­мах ЭМС, предопределяет ряд преимуществ такого привода перед гидравлическими и пневматическими приводами. В на­стоящее время электродвигатели постоянного и переменного тока выпускаются заводами-изготовителями от десятых долей ватта до десятков мегаватт, что позволяет обеспечить спрос на них (по требуемой мощности) как для применения в промыш­ленности, так и на многих видах транспорта, в быту.

Гидравлические приводы МС (технологического оборудова­ния и ПР) в сравнении с электроприводами, весьма широко применяются в транспортных, горных, строительных, дорож­ных, путевых, мелиоративных и сельскохозяйственных маши­нах, подъемно-транспортных механизмах, летательных и под­водных аппаратах. Они обладают существенным преимуще­ством перед электромеханическим приводом там, где требуют­ся значительные рабочие нагрузки при небольших габаритах, например, в тормозных системах или автоматических короб­ках передач автомобилей, ракетной и космической технике. Широкая применимость гидроприводов обусловлена тем, что напряженность рабочей среды в них значительно больше, чем напряженность рабочей среды в электродвигателях и в про­мышленных пневматических приводах. В реальных гидравли­ческих приводах напряженность рабочей среды в направлении передачи движения составляет 6-100 МПа при гибком управ­лении за счет регулирования потока жидкости гидравлически­ми устройствами, имеющими различное управление, в том числе и электронное. Компактность и малая инерционность гидропривода обеспечивают легкое и быстрое изменение на­правления движения ИМ, а применение электронной аппаратуры управления обеспечивает приемлемые переходные про­цессы и заданную стабилизацию выходных параметров.

Для автоматизации управления МС (различного технологи­ческого оборудования, машин-автоматов и ПР) широко исполь­зуют также пневматические приводы на базе пневмодвигателей для реализации как поступательных, так и вращательных дви­жений. Однако из-за существенного различия свойств рабочей среды пневмо- и гидроприводов их технические характеристики отличаются вследствие значительной сжимаемости газов в срав­нении со сжимаемостью капельной жидкости. При простоте конструкции, хороших экономических показателях и достаточ­ной надежности, но низких регулировочных свойствах, пневмоприводы не могут быть использованы в позиционных и контур­ных режимах работы, что несколько снижает привлекатель­ность их применения в МС (технических системах ТС).

Определить наиболее приемлемый вид энергии в приводе с возможно достижимой эффективностью использования его в процессе эксплуатации технологического или оборудо­вания другого назначения задача достаточно сложная и может иметь несколько решений. Прежде всего, каждый привод дол­жен удовлетворять своему служебному назначению, необходи­мым силовым и кинематическим характеристикам. Определяю­щими факторами при достижении требуемых силовых и кинема­тических характеристик, эргономических показателей разраба­тываемого привода могут быть: быстродействие привода, точ­ность позиционирования и качество управления, ограничения по массе и габаритным размерам, расположение привода в общей компоновке оборудования. Окончательное решение при сопоставимости определяющих факторов принимается по резуль­татам экономического сравнения различных вариантов выбран­ного вида привода по стартовым и эксплуатационным затратам на его проектирование, изготовление и эксплуатацию.

Таблица 1.1 - Классификация электродвигателей