Целевой задачей мехатроники является проектирование и производство качественно новых модулей и движущихся машин. Фундаментальное понятие «качество машины» было введено в обиход российскими учеными. Качество машины оценивается совокупностью специально подобранных показателей (критериев), выбор которых определяется его служебным (функциональным) назначением.
К числу современных требований к функциональным и техническим показателям модулей и машин относятся:
1 – выполнение машинами и системами качественно новых служебных и функциональных задач;
2 – сверхвысокие скорости движения рабочего органа с одновременно высокой точностью позиционирования и мягкостью;
3 – ультрапрецизионные движения модулей вплоть до микро- и нанотехнологий;
4 – компактность модулей и движущихся систем;
5 – новые кинематические структуры и конструктивные компоновки многокоординатных машин;
6 – интеллектуальное поведение систем, функционирующих в меняющихся и неопределенных внешних средах;
7 – выполнение пространственных движений по криволинейным траекториям и реализация сложных законов перемещения во времени.
1. Примером выполнения МУ новых служебных функций является применение мобильных роботов для инспекции и ремонта подземных трубопроводов. Особое значение имеют МС, функционирующие в условиях несовместимых с жизнедеятельностью человека либо опасных для его здоровья. Например, ликвидация последствий аварий на АЭС (Чернобыль). Другой пример, для предотвращения и ликвидации террористических операций необходимы МУ для инспекционных проверок и обезвреживания взрывных устройств, видеоразведки объектов и территорий, осмотр днищ, салонов и багажных отделений автомашин, обнаружение и ликвидация взрывчатых веществ.
2. Сверхвысокие скорости применения рабочих органов обрабатывающих станков решают три задачи:
Ø повышение производительности механообработки;
Ø улучшение качества поверхности обрабатываемых деталей;
Ø повышение точности обработки.
Примеры.
Прецизионные электрошпиндельные узлы, в которых объединены в единый конструктивный модуль опоры шпинделя, активные части двигателя, датчики информационных утройств. Скорость вращения этого электрошпиндельного МУ – 100 000 об/мин. Автоматический контроль состояния узла и параметров его движения (скорости, угла поворота и развиваемого момента) в процессе обработки обеспечивает заданный технологический режим с высоким качеством обработки.
3. Прецизионность (или сверхвысокая точность) перемещений конечного звена МУ – важнейшее требование к современным МС. Высокая точность позиционирования рабочих органов МС осуществляется с помощью линейных двигателей. Статор линейных двигателей закреплен на станке, а ротор – на перемещающейся детали. Точностные параметры линейного двигателя обеспечиваются применением высокоэрцитивных магнитов, а также управляющими измерительными устройствами МС. Ротор состоит из ряда прямоугольных постоянных магнитов и изготовлены из редкоземельных материалов.
4. Компактность модулей и движущихся систем. Требования к массогабаритным характеристикам иногда являются превалирующим требованием при создании МС. Предлагается три подхода к проектированию мехатронных модулей:
Ø замена электромеханических устройств на мехатронные модули движения, что исключает многоступенчатые модули движения, что исключает многоступенчатые кинематические цепи от двигателя до рабочего органа (например, МУ на основе линейных двигателей);
Ø конструктивное объединение в едином корпусе всех основных приводов элементов (примером могут служить авиационные электрические механизмы – бустеры, объединяющие в одном корпусе малогабаритный электродвигатель, планетарный редуктор, рабочие органы и датчики обратной связи (концевые выключатели);
Ø синергетическая интеграция позволяет исключить промежуточные блоки и интерфейсы и получать ультракомпактные конструкции.
5 – Новые кинематические структуры. Проблема выбора кинематической структуры МС является важной задачей при концептуальном проектировании и усложняется неоднозначностью выбора координатных базисов программирования исполнения движения рабочего органа и промежуточных звеньев кинематических цепей. Поэтому один из мехатронных способов создания машин с качественно новыми свойствами состоит в поиске нетрадиционных координатных базисов, оптимальных для поставленных функциональных задач.
6 – Интеллектуальное поведение систем. Главной чертой интеллектуальных систем управления является использование информационных технологий обработки знаний и управление на основе анализа внешних событий и ситуаций. Поэтому эти системы не обладают «интеллектом» в общепринятом смысле. Их свойства соответствуют пониманию латинского слова intelligent, что означает «разумны», «понимающий», «смышленый».
Архитектура любой интеллектуальной системы содержит следующие блоки:
Ø базу знаний с развитыми механизмами выводы;
Ø интеллектуальный решатель задач;
Ø интеллектуальный планировщик задач;
Ø систему объяснений;
Ø интерфейс с пользователем.
Интеллектуальная система обладает следующими функциональными возможностями:
Ø автономность и гибкость при планировании и исполнении движений с минимальным взаимодействием с оператором;
Ø адаптация и оптимизация исполнительных операций при любых внешних возмущениях;
Ø автоматический контроль и диагностика собственного состояния для надежной и безопасной работы.
7 – Пространственные движения по криволинейным траекториям. Движения многомерной мехатронной системы (МС) условно можно разделить на два: движение в пространстве и во времени.
Законы пространственного перемещения всех звеньев МС определяются технологической постановкой желаемого движения рабочего органа. Форма траектории рабочего органа определяется геометрией объекта работ, инструментом и технологией выполнения операций.
Закон движения во времени исполнительных приводов определяется как желаемым законом перемещения рабочего органа, так и кинематикой многомерной системы. В задачах автоматизированного машиностроения обычно задается простой профиль скорости рабочего органа. Например, при операции лазерной резки и окраски изделий требуется постоянная скорость по контуру рабочей поверхности. В МС с нелинейным базисом этот простой закон потребует движения исполнительных приводов по сложным законам.
Основное отличие мехатроники от робототехники заключается в классификационных признаках. Мехатроника изучает новый методологический подход к созданию модулей и машин с качественно новыми характеристиками. Роботы – это один из современных классов машин с компьютерным управлением движений. Мехатронный подход охватывает все основные фазы жизненного цикла машины (проектирование, производство, эксплуатация), а иногда требует привлечения других методологических подходов: методов технической кибернетики, бионики и САПР.
Современное проектирование МС основано на модульных принципах и технологиях. Из фундаментального словаря: «Модуль» – это унифицированная функциональная часть машины, конструктивно оформленная, как самостоятельное издание. Как правило ММ выполняют движения по одной координате (вращательной или поступательной), реже имеют две степени подвижности.
Мехатронные модули делятся на три группы:
Ø модули движения;
Ø мехатронные модули движения;
Ø интеллектуальные мехатронные модули.
Модуль движения – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, в котором конструктивно объединены управляемый двигатель и механическое устройство. Главное отличие – использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразования движения.
Мехатронные модули движения – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя управляемый двигатель, механическое и информационное устройства. Информационные устройства содержат датчики обратной связи, информации и электронные блоки для обработки и преобразования сигналов. Например, фотоимпульсные датчики (инкодеры), дающие информацию о скорости движения и об угловом перемещении, оптические линейки, вращающиеся трансформаторы т.д.
Интеллектуальный мехатронный модуль – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, содержащее синергетическую интеграцию двигательной, механической, информационной, электронной и управляющей частей. Например, цифровые вычислительные устройства (микропроцессоры, сигнальные процессоры), электронные силовые преобразователи, компьютерные устройства сопряжения и связи.
Первая и вторая группа являются объекта ми серийного производства, третья группа появилась на рынке сравнительно недавно. В полной мере определению мехатронике соответствует только третья группа, содержащая все три определяющие подсистемы.
