Техническая база мехатроники

Мехатронные устройства представляют собой совокупность 3х частей:

1. силовой (энергетической) системы;

2. информационной системы;

3. системы управления.

Силовая система осуществляет механические перемещения, информационная система позволяет получать информацию о состоянии всех элементов и связывает их с системой управления, а система управления (электронная) управляет мехатронным устройством.

Мехатронные устройства обладают следующими характерными признаками:

Минимум преобразования информации и энергии

Реализация принципа совмещения функций

Объединение корпусов мехатронных устройств

Применение сверхплотного монтажа элементов

Мехатронные устройства обладают следующими характерными признаками:

Наличие выходного механического звена, силового электромеханического привода, устройства программного управления приводом.

Последнее условие исключает из состава мехатронных устройств такие компактные устройства как лазер на кристалле, в которым все элементы лазера заключены в один кристалл. Лазер на кристалле станет мехатронным устройством при совмещении его с системой управления движением лазерного луча, т.е создание технологического станка или инструмента. Именно станки и электромеханические инструменты роботов и автоматических станций представляют собой большинство мехатронных устройств. Подробнее разберем виды мехатронных устройств:

1) Мобильные мехатронные роботы. В нефтяной промышленности зачастую требуется диагностика и ремонт большой сети трубопроводов. Для этой цели могут быть применены мобильные мехатронные роботы. Их помощь в диагностике подземных трубопроводов неоценима. Роботы могут быть предназначены для трубопроводов любых размеров.

Для этого они оснащаются мощной двигательной системой для того, чтобы направленно перемещаться по трубопроводу или сетям трубопровода обычно малых размеров.

Также они оснащаются несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации и коммуникации. Роботы могут организовываться в сенсорную сеть для поддержки связи оператора с каждым роботом на большом расстоянии.

Роботу нужна транспортная система, доставляющая вещества от контейнера к манипуляторам

2) Робототехнический комплекс

В качестве примера возьмем робототехнический комплекс, предназначенный для лазерной сварки. Он содержит проточный газовый CO₂ лазер, оптоволокно для передачи излучения к манипулятора робота, системой, обеспечивающей точное направление лазерного луча на свариваемый участок, при этом система оценивает попадание лазерного луча в нужное место на основе тепловой и радиационной диагностики.

.

Общие понятия и закономерности

Длительное время в науке доминировало представление об отсутствии явления самоорганизации в неживой природе. Считалось, что объекты неорганического мира способны изменяться только в направлении дезорганизации. Последнее означает, что в соответствие со вторым началом термодинамики, системы неживой природы могут «эволюционировать» лишь в сторону возрастания их энтропии, а значит хаоса. Считалось, что эволюционирование, нарастание сложности, присущи только живым системам.¹

Объект изучения классической термодинамики — закрытые системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергии и информацией. Напомним, что центральным понятием термодинамики является понятие энтропии. Оно относится к закры­тым системам, находящимся в тепловом равновесии. Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. Согласно второму началу в системе происходит нарастание энтропии, хаоса, в системе нивелируют различия.

Вместе с тем уже во второй половине XIX в. и особенно в XX в. биология, прежде всего теория эволюции Дарвина, убедительно по­казала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. Сила эволюции Вселенной развивают ее в противопо­ложном направлении от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организо­ванному» Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с переходом естествознания к изучению открытых систем появилась такая возможность.

Открытые системы — это такие системы, которые поддерживают­ся в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существо­вания неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым нача­лом термодинамики) к однородному равновесному состоянию. От­крытые системы — это системы необратимые; в них важным оказыва­ется фактор времени. В открытых системах ключевую роль — наряду с закономерным и необходимым — могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается.

Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учи­тывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию систе­мы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, на нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции: здесь воз­можны ситуации, когда совместные действия причин А и В вызывают эффекты, которые не имеют ничего общего с результатами воздейст­вия А и В по отдельности.

Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких усло­виях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, ко­торые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой систе­ме (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состоя­ние — диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекаю­щих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микро­процессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается оттого, что происходит каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.²

Рассматривая процесс эволюции этих систем учёные выделяли 2 перемежающихся этапа. Один из них есть детерминированный путь, когда начальные условия задают следующее развитие системы и в ней не происходит значимых флуктуаций. Второе понятие было введено синергетикой и оно называется точкой бифуркации, где система выбирает между несколькими путями развития.

Простейшая точка бифуркации соответствует ситуации, когда некогда устойчивое состояние становится неустойчивым и симметрично возникают два других возможных устойчивых состояния. Этот случай служит наглядной иллюстрацией существенно вероятностного характера бифуркаций: нарушения детерминистического поведения на макроскопическом уровне. Существует один шанс из двух возможных найти систему за точкой бифуркации в той или другой из ее двух новых возможных мод активности. Исход такой бифуркации столь же случаен, как бросание игральной кости. Разумеется, мы можем нарушить симметрию между двумя новыми устойчивыми модами. Например, при включении гравитационного поля одна из мод активности может стать предпочтительнее другой. В пределе это может привести к квазидетерминистическому предсказанию эволюции системы. Но тогда, строго говоря, никакой точки бифуркации более не существует: точку, соответствующую бифуркации, система теперь может проходить непрерывно. Таким образом, восстановить детерминизм можно, не увеличивая наше знание, а существенно трансформируя саму систему.³

Рассматривая процесс развития социального общества, нельзя учесть всех событий. В точках бифуркаций общество подвержено действию незначительных возмущений.

Кто не знает истории о том, как из-за того, что в кузнице не было гвоздя, у лошади слетела еле державшаяся подкова, из-за захромавшей лошади был убит скакавший на ней командир, из-за смерти командира разбита конница, что в свою очередь вызвало отступление всей армии и т.д. Такого рода проблемы пленяют воображение каждого любителя истории и служат основной темой научно-фантастических “путешествий во времени”: что случилось бы, если бы...? Спекуляции на эту тему всегда предполагают некоторое изменение масштаба. Событие, ранее казавшееся незначительным, смогло изменить ход истории. Некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции. Иначе говоря, эволюция должна быть “нестабильной”, т.е. характеризоваться механизмами, способными делать некоторые события исходным пунктом нового развития, нового глобального взаимообусловленного порядка.⁴

Поднятые проблемы ракетно-ядерной эпохи должны решаться и в наше время. Создание ядерного оружия и ухудшающаяся экологическая обстановка сделало необходимым совместное решение глобальных проблем. Прошло время, когда каждое государство решало только свои проблемы, когда человеческая деятельность не могла оказаться смертельно опасной для экосистемы нашего общего космического корабля – Земли. В наше время, во время Кубинского конфликта, мир стоял в шаге от перехода холодной войны в ядерную. Обмен ядерными ударами грозил завышенным радиационным фоном, началом ядерной зимы и изменением состава атмосферы. Однако человек, в отличие от современных компьютеров, обладает моралью и способен осуществлять адекватные при недостаточных данных действия. Или ошибаться. Там, где человек, воз­можно, и остановился бы, компьютеры будут продолжать действовать, ибо они не обладают моралью. Это свойство человеческого сознания является стабилизирующим фактором нашего социального и политического мира.