Мехатроника и ее определение.

Мехатроника и ее определение.

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

В данном определении особо подчеркнуто приединая сущность мехатронной системы, в основу построения которой заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Поэтому эмблемой мехатроники ставят 3 пересекающихся круга, включенных в общую оболочку:

производство,

менеджмент,

требования рынка.

Таким образом, системная интеграция 3 указанных видов элемента является необходимым условием построения мехатронной системы.

Известно несколько определений мехатроники как науки.

Предлагается след специальная формулировка предмета мехатроники:

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

Пояснения к определению:

1.     Мехатроника изучает особые методологический подход построения машин с качественно новыми характеристиками. Этот подход является универсальным и может быть применен в машинных системах различного назначения. Однако, следует отметить, что обеспечить высокое качество управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта.

2.     В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов мехатронных объектов. Синергия - это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом важно, что составляющие части непросто дополняют друг друга, а объединяются таким образом, что образованные системы обладают качественно новыми свойствами. В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели в реализации заданного управляемого движения.

3.     Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машин, а затем обеспечиваются необходимые инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машин. В этом отличие мехатронных машин от традиционных, когда пользователь зачастую был вынужден самостоятельно объединять систему в разнородные механические , электронные и информационные управляющие устройства различных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность.

4.     Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводятся разработка механической ,электронной , сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.

5.     Базовыми объектами изучения мехатроники является мехатронный модуль, который выполняет движения по одной управляемой кординате. Из таких модулей как из функциональных кубиков компануются сложные системы модульной архитектуры.

6.     Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем – проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (инструмент на станке). При этом необходимо координировать управление пространством перемещения мехатронных систем с управлением различными внешними процессами.

Примерами таких процессов могут служить регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, контроль и диагностика текущего состояния критических элементов мехатронных систем, управление дополнительными технологическими воздействиями на объект работ при комбинированных методах обработки, управление вспомогательным оборудованием, выдача и прием сигналов от устройств электроавтоматики. Такие сложные координированные движения называют функциональными движениями.

В современных мехатронных системах для реализации высокого качества и точности движения применяются методы интеллектуального управления. Данная группа методов опирается на новые идеи теории управления современным аппаратным и программным средством вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемого движения мехатронных систем.

Мехатроника как новая область науки и техники находится в стадии своего становления, ее терминология, границы и классификационные признаки еще строго не очерчены.

Мехатронные технологические системы: концепция проектирования и применение в современном машиностроении.

Бурное развитие мехатроники вызвано резко возросшими требованиями рынка к потребительским свойствам и качеству продукции современного машиностроения. Именно этот фактор определяет современные тенденции развития и стимулирует НТП в области мехатроники.

Таким образом, создание оборудования нового поколения на базе новых технологий для производства новых продуктов является ответом производителей на новые рыночные условия. В России в последние годы становлению мехатронике уделяется повышенное внимание. В марте 2002 г Путиным утвержден документ «Основы политики РФ в области развития и технологии на период 2010 г и в дальнейшей перспективе», где мехатронные технологии включены в число критических технологий РФ.

Новые требования, предъявляемые функциональным характеристикам технологических модулей и машин:

1.     Сверхвысокие скорости движения рабочих органов машин, определяющие новый уровень производительности технологических машин

2.     Сверхвысокие точности движения, необходимые для реализации прецизионных технологий (вплоть до микро- и наноперемещений)

3.     Максимальная компактность конструкции и минимизация массогабаритных показателей модулей

4.     Интеллектуальное поведение машин, функционирующих в изменяющихся и неопределенных внешних средах

5.     Реализация быстрых и точных перемещений рабочих органов по сложным контурам и поверхностям

6.     Существенное расширение технологических и функциональных возможностей оборудования желательно без увеличения его стоимости

7.     Способность системы к реконфигурации в зависимости от выполняемой конкретной задачи или операции

8.     Высокая надежность и безопасность функционирования

Передовой мировой уровень в области станкостроения можно оценить по новейшим образцам оборудования, которых ведущие производители представили на международной выставке в Японии в ноябре 2002 года. Приводные системы современных металлообрабатывающих станков обеспечивают следующие характеристики: скорость рабочей подачи до 15 м/мин, скорость холостого хода до 200 м/мин, ускорение приводов при разгоне до 3g, точность обработки порядка 2-3 микронов, число одновременно управляемых осей до 20 в одном обрабатывающем комплексе.

Очевидно, что для создания машин с такими техническими показателями необходимы принципиально новые подходы проектирования и производства приводных модулей и систем. К их числу в первую очередь следует отнести мехатронику.

                Поколения Мехатронных устройств

Существуют на сегодняшний день уже три поколения мехатронных устройств (МУ):

I – программные мехатронные системы;

П – адаптивные мехатронные системы;

Ш – интеллектуальные мехатронные системы.

МУ I-го поколения – программные системы. Их поведение меняется в результате смены программы. Вся информация об изменении внешней среды вводится при смене программного обеспечения. Перестроиться на новую программу, приспособиться к происшедшим внешним изменениям МУ I-го поколения без помощи человека не может. Эти МУ в настоящее время составляют большинство используемых в промышленности.

МУ II-го поколения реагируют на изменения внешней среды. Они называются адаптивными и имеют развитую систему восприятия информации о внешней среде, преобразуют ее в управляющую информацию в реальном времени. Эти МУ имеют мощную вычислительную систему на базе микропроцессорной техники и они имею очень большую функциональную возможность и эффективность эксплуатации. Уже существуют адаптивные мехатронные устройства, но использование их невелико.

МУ Ш-го поколения – интеллектуальные. Эти системы работают как промышленные (I поколение), как адаптивные (П поколение), то есть воспринимают изменения внешней среды и меняют свое поведение в соответствие с этими изменениями. Его отличие от I-го и П-го поколений в том, что он планирует свое поведение и решает поставленную задачу согласно поставленных критериальных оценок и в рамках этих ограничений и среди множества способов решения задачи выбирает наилучший способ и решает задачу. Эти МУ находятся в стадии разработки и создания.

Объем современного производства МУ ежегодно увеличивается. Сегодня ММ и МС все шире применяются в:

Ø станкостроении и оборудовании для автоматизации технологических производств;

Ø робототехнике (промышленной и специальной);

Ø авиационной, космической, военной промышленности;

Ø автомобилестроении (например, антиблокировочные системы тормозов, системы стабилизации движения автомобилей и автоматической парковки);

Ø нетрадиционных транспортных средствах (электровелосипеды, грузовые тележки, электроллеры, инвалидные коляски);

Ø офисной технике (копировальные и факсимильные аппараты);

Ø элементах вычислительной техники (принтеры, плоттеры, дисководы);

Ø медицинском оборудовании (реабилитационное, клиническое, сервисное);

Ø бытовой технике (стиральные, швейные, кухонные и др.);

Ø микромашинах (для медицины, биотехнологии, средств телекоммуникаций);

Ø контрольно-измерительных устройствах и машинах;

Ø фото-кино-видеотехнике;

Ø тренажерах различного назначения;

Ø шоуиндустрии (системы звукового и светового оформления);

Бурное развитие мехатроники началось с 90-ых годов прошлого века, как нового научно-технического направления и обусловлено:

Ø новыми тенденциями мирового индустриального развития;

Ø появлением фундаментальных основ и методологии мехатроники;

Ø необходимостью выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества (согласно ISO 9000);

Ø интернационализацией рынка научно-технической продукции и внедрением в практику форм и методов международного инженеринга и трансферта технологий;

Ø значительным ростом роли малых и средних производственных предприятий в экономике, ввиду их способности быстрой адаптации и гибкому реагированию на меняющиеся требования рынка;

Ø бурным развитием компьютерных систем и технологий, а также средств телекоммуникаций;

Ø интеллектуализацией систем управления механическим движением и технологическими функциями современных машин.

Мехатроные технологические машины в машиностроение.

Построение диагностического прогноза в развитие машиностроения и выбор основных тенденций и стратегий его развития концентрируется на:

1.     интеграции технологий и знаний

2.     интеллектуализации производственных технологий

3.     мехатронных технолологий машинах и роботах

4.     сквозных информационных систем

Во многих областях техники МС приходят на смену традиционным механическим машинам, которые уже не соответствуют современным качественным требованиям. Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным, электронным, компьютерным информационным компонентам, которые легко перепрограммируются под новую задачу и при этом являются относительно дешевыми. Так ф-ный анализ производственных машин показывает что доля механической части сократилась с 70% в начале 90-х годов до 25-30% в настоящее время. Принципиально важно подчеркнуть, что мехатр подход в проектирование предпологает не расширение, а именно замещение функций традиционно выполняемые механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.

Принципиально важно, что тенденция перехода от чисто механич к мехатр технологиям в современном машиностроении не закрывает механику. Наоборот стимулирует ее развитие на фоне с интеллектуальными компонентами в рамках единой мехатр системы. Системный подход диктует новые требования к встроенным механич и гибридным компонентам, что в свою очередь ведет к развитию новых технологий и конструкторских решений в области механики.

Чем же вызван переход от механики к мехатроники?

1.     требованиями рынка

2.     Новыми взаимоотнашениями потребитель – производитель. В связи с этим появились качественно новые требования предъявляемые к ф-ным характеристикам приводной техники для технологических машин.

Дальнейшее развитие получили мобильные технологические роботы, которые могут самостоятельно передвигаться в пространстве и обладают способностью выполнять технологические операции. Подобный вид оборудования уже активно применяется в различных отраслях экономики, например в системах водоснабжения. При этом отечественная промышленность имеет прекрасный задел в этой области.

РТК Р100 для инспекции труб малого диаметра

РТК Р200 для большого диаметра

РТК РОКОТ – 3 для инспекции и ремонта труб

Робот Р100 выполняет телеинспекцию труб базируется на колесном шасси, имеет цветную телекамеру и систему подсветки управляется дистанционно через кабель 100м.

Сенсорная система робота состоит из датчика пути, сенсоров ориентации телекамеры. Информация поступающая от сенсоров может использоваться в качестве обратной связи для контуров управления приводами, а также для точного определения места залегания труб в грунте и места нахождения локальных дефектов. К главным приемуществам мехатр систем относятся (см ранее). Отметим, что развитие машин от традиционной механики к современной мехатронике проходит последовательно ряд стадий:

Краткое описание документа:

Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященное созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движения, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов. В данном определении особо подчеркнуто приединая сущность мехатронной системы, в основу построения которой заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Поэтому эмблемой мехатроники ставят 3 пересекающихся круга, включенных в общую