1. Предпосылки развития мехатроники

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

• новыми тенденциями мирового индустриального развития;

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

• активностью специалистов в научно-исследовательской и образовательной сферах.

Можно выделить следующие тенденции, изменения и ключевые требования мирового рынка в рассматриваемой области:

• необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества;

• 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. Прямым следствием этой общей тенденции является интеллектуализация систем управления механическим движением и технологическими функциями современных машин.

2. Области применения мехатронных систем

• 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).

3. Определения и терминология мехатроники

Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.

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

Синергия – это совместное действие, направленное на достижение общей цели. При этом составляющие части не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами.

Робототехника – это наука создания технических систем с автоматизацией. Это значит, что робототехника, по сути есть синтез программирования управляющего софта, механики и электроники, так как роботы – всё же пока ещё электронные механизмы.

4. Структура и основные составляющие мехатронных модулей

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.

5. Принципы построение мехатронных систем

Мехатронное устройство обладает следующими характерными признаками:

• Наличие: выходного механического звена (ВМЗ), выполняющего внешние функции мехатронного устройства; силового электромеханического привода выходного звена; устройства программного управления приводом; информационной системы, контролирующей состояние окружающей среды и состояние самого мехатронного устройства.

• Минимум преобразований информации и энергии (например, использование высокомоментных или линейных двигателей без редукторов) – принцип минимума преобразований.

• Использование одного и того же элемента мехатронного устройства для реализации нескольких функций – принцип совмещения функций.

• Объединение корпусов мехатронного устройства – принцип совмещения корпусов.

• Применение сверхплотного монтажа элементов.

Мехатронное устройство может быть либо машиной, либо узлом (функциональный элемент, модуль) машины.

Мехатронный узел включает в себя:

• механизм, состоящий из корпуса, привода и выходного механического звена. Последнее может включать силовой элемент, механическую передачу движения, рабочий орган или другой оконечный элемент ВМЗ;

• усилитель мощности силового элемента;

• устройство управления усилителем мощности;

• внутреннюю информационную систему (датчики состояния самого мехатронного узла, средства обработки информации с датчиков);

• внешнюю информационную систему (сенсоры информации о внешней среде мехатронного узла, средства обработки этой информации);

• устройство управления мехатронным узлом.

6. Принципы интеграции мехатронных систем

7. Назначение мехатронных модулей движения

Назначением мехатронных модулей является реализация заданного управляемого движения, как правило, по одной управляемой координате.

Мехатронные модули движения являются теми функциональными «кубиками», из которых затем можно компоновать сложные многокоординатные мехатронные системы.

Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения.

8. Классификация типов механического движения по функциональному назначению

Механические движения для выполнения основных и вспомогательных операций в технологических и энергетических машинах различных отраслей промышленности

• Машиностроение

• Полиграфическая промышленность

• Текстильная и легкая промышленность

• Упаковочно-расфасовочная техника

• Нефтегазодобывающая

Механические движения при преобразовании различных видов движения в механическую

• Электродвигатели

• Двигатели внутреннего сгорания

• Пневмо и гидродвигатели

Механические движения двигателей транспортных средств

• ТС колесного и гусеничного

• Двуногие шагающие роботы

• Устройства передвижения для инвалидов

Механические движения исполнительных органов систем управления технологических установок различного назначения

• Задвижки нефтегазоперекачивающих трубопроводов и трубопроводов водо и теплоснабжения

• Задвижки нефтегазоперерабатывающих установок

• Автоматические коробки передачи, автоматические стеклоочистители и стеклоподъемники

• Рули управления самолетами с автопилотом

• Исполнительные органы в системе наведения ракет и зенитных установок

9. Классификация типов механического движения по типу движения рабочего органа в пространстве

• Пространственное движение - Когда РО имеет точки , траектории движения которых не лежат в одной плоскости

• Плоское движение – когда все точки РО перемещаются в одной плоскости либо в параллельной

10. Классификация типов механического движения в плоскости и во времени

Однонаправленное движение РО

• С постоянной скоростью

• С переменной скоростью без остановок

• С мгновенными остановками

Разнонаправленное движение РО

• Реверсивное движение с мгновенными остановками в момент смены направления движения

• Реверсивное движение с остановками конечной продолжительности между периодами движения в разных направлениях

Сложное движение (реверсивное комбинированное) когда в одни периоды времени РО совершает все возможные варианты однонаправленного движения в другие, все возможные варианты реверсивного движения

11. Классификация типов механического движения по периодичности смены режимов движения

Апериодическое движение когда изменение скоростей при однонаправленном движении и изменению направленного движения при реверсивном движении.

Периодические движение когда в однонаправленном и реверсивном движении можно выделить периоды по определенному закону. Такому циклическому движению характерно перемещение рабочего органа за цикл, за определенное время.

• Упаковочно-расфасовочная техника

• Переплетно- оберточная техника

• Подъем опускание

25. Особенности постановки задач управления мехатронными системами.

Объектом управления в мехатронике является сложная многосвязная система, в состав которой входят:

• комплекс исполнительных приводов,

• механическое устройство с рабочим органом,

• блок сенсоров,

• объект работ, с которым взаимодействует рабочий орган.

Указанная структура объекта управления определяет требования ипостановку задачи управления мехатронными системамирассматриваемого класса. Очевидно, что воспроизведение заданныхдвижений мехатронными модулями основывается на выполненииклассических требований теории управления: устойчивости, точности икачества процесса управления. Однако дополнительно необходимоучитывать следующие специфические особенности мехатронных систем:

1. Движение рабочего органа как конечного управляемого звенаобеспечивается взаимосвязанными (кинематически и динамически)перемещениями нескольких исполнительных приводов и звеньевмеханического устройства.

2. Задача управления мехатронной системой должна быть решена в пространстве (т.е. найдены оптимизированные траектории движениявсех звеньев, включая рабочий орган) и во времени (т.е. определены иреализованы желаемые скорости, ускорения и развиваемые усилия длявсех приводов системы).

3. Для многих технологических задач параметры внешних ивозмущающих воздействий, приложенных к рабочему органу иотдельным мехатронным модулям, заранее не определены.

4. Сложность построения адекватных математических моделеймехатронных систем традиционными аналитическими методами(особенно прецизионных многосвязных систем, включающихдинамическую модель технологического процесса).

26. Решение обратной задачи кинематики манипулятора на основе обратной матрицы Якоби

Для планирования заданного движения мехатронной системы необходимо решить обратную задачу о положении механизма. Суть данной задачи состоит в определении требуемых перемещений звеньев системы по заданному закону движения рабочего органа.

Как известно, положение схвата манипулятора однозначно определяется его обобщенными координатами, а именно:

,

где: – вектор абсолютных координат схвата;

– вектор обобщенных координат манипулятора;

– число степеней подвижности манипулятора.

Дифференцируя (8.6) по времени, получим

,

где – матрица Якоби размерностьюдля преобразования (8.7).

В терминах рассматриваемой нами обратной задачи кинематики манипуляционных систем матрица Якоби (размерностью ) имеет вид:

Зависимость (8.7) более подробно можно представить следующим образом:

Зависимости (8.7) и (8.8) показывают, что между абсолютными скоростями и обобщенными скоростямисуществует линейная связь, однако коэффициенты в этой линейной связи переменные, так как элементы матрицы Якоби, которые образуют эти коэффициенты в различных сочетаниях, есть величины переменные.

Выражение (8.7) представляет собой прямую скоростную задачу и её решение при известных (заданных) функциях не представляет собой принципиальных трудностей.

Решим зависимость (8.7) относительно обобщенных скоростей , а именно:

Эта зависимость и есть решение обратной задачи по скорости, которая часто используется для управления манипуляционным роботом в режиме on-line.

При этом вектор обобщенных координат Qявляется неизвестным и значенияприходится для данного момента времени (рассчитываемого момента реального времени) брать с датчиков обратной связи, фиксирующих текущее положениеi-го звена относительно (i-1)-го, то есть значение.

В выражении (8.9) есть обратная матрица по отношению к матрице Якоби.

Рассмотрим более подробно последовательность решения прямой и обратной скоростных задач на примере простого манипулятора с двумя степенями подвижности (рис. 8.9).