1.  Изложите сущность мехатронного подхода при проектировании МС. Ма Ми

2. Построение мехатронных модулей на основе синергетической интеграции элементов.

3. Мехатронные модули — это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением, предназначенные для выполнения движений, как правило, по одной управляемой координате.

4. Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов.

5. Синергетическая интеграция — это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков, а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов, которые имеют, как правило, различную физическую природу.

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

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

8. 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. Приведем схему энергетических и информационных потоков в электромеханическом мехатронном

9. модуле.

10. На вход мехатронного модуля поступает информация о цели движения, которое формируется верхним уровнем системы управления, а выходом является целенаправленное мехатронное движение конечного звена, например, перемещение выходного вала модуля.

11. Для физической реализации электромеханического мехатронного модуля теоретически необходимы четыре основных функциональных блока последовательно-соединенные: информационно-электрический и электромеханический функциональный преобразователь в прямой цепи и электро-информационный и механико- информационныи преобразователи в цепи обратной связи.

12. Проанализируем физический характер преобразований и традиционную структуру электро-механического модуля с компьютерным управлением с этой же точки зрения.

13. УКУ на основании входной информации, поступающей с верхнего уровня управления и по цепям обратной связи от сенсоров, выдает во времени на исполняющие приводы управляющие электрические сигналы. В силовых преобразователях происходит усиление по мощности данных сигналов и их модуляция, затем исполнительные приводы прикладывают соответствующие усилия к звеньям механического устройства, что в результате вызывает целенаправленное движение конечного звена модуля с рабочим органом.

14. Для соединения элементов в систему традиционно вводят специальные интерфейсные устройства, обозначенные И1-И7.

15. Интерфейс И1 представляет собой комплекс аппаратно-программных средств для сопряжения УКУ модуля с верхним уровнем системы управления. Функции верхнего уровня управления выполняет высокопроизводительный компьютер либо человек-оператор.

16. Интерфейс И2 обычно состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и усилительно-преобразующего устройства и служит для формирования управляющих электрических напряжений для исполнительных приводов.

17. Интерфейсы И3 — это, как правило, механические передачи, связывающие исполнительные двигатели со звеньями механического устройства. Конструктивно такие трансмиссии обычно включают редукторы, муфты, гибкие связи, тормоза и т.п.

18. Интерфейс И4 на входе УКУ в случае применения в электромеханическом мехатронном модуле сенсоров с аналоговым выходным сигналом строится на основе аналоговых цифровых преобразователей (АЦП).

19. Интерфейсы сенсоров И5, И6, И7, в зависимости от физического характера наблюдаемых переменных можно разделить на электрические и механические. К механическим интерфейсам относятся присоединительные устройства для датчиков обратной связи приводов (фотоимпульсных, кодовых, тахогенераторных и т.п.), силомоментных и тактильных датчиков, а так же других средств очувствления и информации о движении звеньев механической цепи, двигателей и внешних объектов. Преобразование и передача сигналов о переменных состояниях системы, которые имеют электрическую природу осуществляется электрическими интерфейсами. В их состав помимо усилительно-преобразующих плат входят также соединительные кабели и коммутационная аппаратура.

20. Сравнивая представленные блок-схемы можно прийти к выводу о том, что число преобразующих и интерфейсных блоков в традиционной структуре привода с компьютерным управлением избыточно по отношению к минимально необходимому числу функциональных преобразований.

21. Этот вывод даёт основание для поиска новых решений построения привода, базирующегося на синергетической интеграции элементов.

22. Различие мехатронного и традиционного подхода к проектированию и изготовлению модулей и машин с компьютерным управлением состоит в концепции построения и реализации функциональных преобразователей. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой отдельные самостоятельные устройства и узлы. Обычно это сепаратные блоки, которые выпускаются специализированными фирмами но зачастую отдельные элементы приходится изготавливать самим пользователям. Мехатронный подход нацеливает разработчика на интеграцию элементов привода в единые блоки, минимизацию промежуточных преобразований и устранения интерфейсов как сепаратных блоков.

2 Что такое интеллектуальные сенсоры и виртуальные датчики мехатронных модулей?

Поясните принцип их работы и приведите конкретные примеры их использования. Ма

1.6. Интеллектуальные сенсоры

Совсем новые возможности появились в 80-х годах ХХ века, когда началось серийное производство микропроцессоров и микрокомпьютеров, умещавшихся уже на одном кристаллике кремния ("чипе"). Каждый из них – это маленький универсальный искусственный электронный "мозг", который можно встроить в сенсор и выполнять в нём достаточно сложную обработку первичной информации. Тем самым сложились предпосылки для рождения принципиально нового класса современных "интеллектуальных" сенсоров.

Такие сенсоры, как правило, являются "активными", т.е. не просто пассивно воспринимают влияние, свойства, характеристики объекта наблюдения, но и сами специальным образом воздействуют на объект, воспринимая и анализируя вызванные этим изменения. Для них не является проблемой учесть нелинейность характеристикчувствительных элементов, различные поправки и влияние сторонних воздействий (напр., изменения температуры). Если требуется, они сами автоматически могут повторить измерения, усреднить результаты, пересчитать в иные единицы измерения и т.п.

Функциональная схема "интеллектуального" сенсора показана на рис. 1.6. Его "интеллект" сосредоточен в микрокомпьютере МК (другие названия – микропроцессор, микроконтроллер, микроконвертор). МК не только обрабатывает информацию, но и организовывает всю работу сенсора и его информационную связь с внешним миром – с пользователем, с внешним компьютером, с каналом связи или с компьютерной сетью.Микрокомпьютер при наличии соответствующих заложенных в его память микропрограмм может выполнять также самоконтроль, контроль всех узлов сенсора и выдавать пользователю предупреждения и диагностические сообщения. Пользователь имеет возможность влиять на работу сенсора через клавиатуру Кл, в частности, выбирать и изменять режимы работы, задавать или изменять какие-то уставки и параметры и т.д.

Рис. 1.6.  Функциональная схема "интеллектуального" сенсора: ЧЭ – чувствительные элементы; УСС – усилители-селекторы сигналов; МК – микрокомпьютер; Кл – клавиатура

Получив команду о начале работы, микрокомпьютер в предусмотренном программой порядке включает узлы воздействия на объект наблюдения и начинает отслеживать сигналы, поступающие от чувствительных элементов ( ЧЕ ). Слабые или "зашумленные" сигналы предварительно усиливаются и выделяются в усилителе-селекторе сигналов ( УСС ). Сигналы, не требующие усиления или селекции, могут поступать непосредственно вмикрокомпьютер. Отслеживая данные от чувствительных элементов, микрокомпьютер может автоматически изменять интенсивность или характер воздействия на объект наблюдения, величину усиления или характер селекции сигналов в узле УСС.

В соответствии с заданной микропрограммой микрокомпьютер обрабатывает совокупность сигналов, поступающих от чувствительных элементов, а полученные результаты перекодирует в наиболее удобную для пользователя форму и выводит на дисплей. Полученные результаты могут быть также помечены, рассортированы, "упакованы", занесены в долговременную память микрокомпьютера и храниться в ней, а когда потребуется, то через стандартный интерфейс (СИ) переданы во внешний компьютер или в компьютерную сеть. Благодаря этому новые "интеллектуальные" сенсорыорганически вписываются в новейшие высокопродуктивные технологии промышленного и сельскохозяйственного производства, медицинской практики, научных исследований.

В некоторых интеллектуальных сенсорах клавиатуру и дисплей объединяют в виде сенсорного экрана.

Наличие встроенного микрокомпьютера придаёт "интеллектуальным" сенсорам невиданную ранее гибкость, возможность автоматической адаптации к изменяющимся условиям работы. Становится возможной многофункциональность, когда, меняя какую-нибудь насадку и переходя в другой режим работы, сенсор сравнительно легко может выполнять совсем иную функцию. Вы, несомненно, знаете, например, что многие мобильные телефоны могут служить и в качестве записной книжки, карманного компьютера, цифрового фотоаппарата.

И, наконец, интеллектуальный сенсор может быть способен не только собирать, обрабатывать и поставлять те или иные данные о контролируемом объекте, но и интерпретировать их, помогая пользователю в диагностике и принятии решения.

Можно смело утверждать, что без интеллектуальных сенсоров не может функционировать и настоящий искусственный интеллект. Ведь глубокая предварительная обработка первичных данных уже в сенсорах – это предпосылка создания информационных моделей всё более высокого уровня.

Подводя итог, понятие "интеллектуальный сенсор" можно определить следующим образом.

Интеллектуальный сенсор – это сенсор, имеющий в своем составе микрокомпьютер и благодаря этому способный выполнять достаточно сложную обработку первичной информации; учитывать все нелинейности и необходимые поправки; выдавать данные в наиболее удобной для пользователяформе; активно воздействовать на объект наблюдения, воспринимая и анализируя вызванные этим изменения; производить самоконтроль и самодиагностику; накапливать и систематизировать данные; поддерживать информационную связь с внешним миром; изменять режимы своей работы, адаптируясь к изменяющимся условиям; переходить к выполнению других функций и т.д.