МЕХАТРОННЫЕ СИСТЕМЫ В УПРАВЛЕНИИ МЕХАНИЧЕСКИМ ДВИЖЕНИЕМ И ФУНКЦИЯМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Основы мехатроники и принципы построения мехатронных модулей в системах машин. Мехатроника, основные определения

Мехатроника - это сравнительно новая область науки и техники, посвященная созданию, исследованию 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 и процессом в машинах и аппарата известно несколько определений мехатроники. В [ 1 дано определение «Мехатроника - область науки и техники, основанная на системном объединение узлов точной механики, датчиков состояния внешней среды и самого объекта, источников энергии, исполнительных механизмов, усилителей, вычислительных устройств (ЭВМ и микропроцессоры. Мехатронная система - единый комплекс электромеханических, электрогидравлических, электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется постоянный динамически меняющийся обмен энергией и информацией, объединенный общей системой автоматического управления, обладающей элементами искусственного интеллекта.

Таким образом, мехатроника изучает особый методологический (концептуальный) подход в построении машин с качественно новыми характеристиками. Важно подчеркнуть, что этот подход является весьма универсальным и может быть применен в машинах и системах различного назначения. Однако следует отметить, что обеспечение высокого качества управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта. В основу построения мехатронной системы заложены идеи взаимосвязи механических, электротехнических и компьютерных элементов и устройств. Необходимо отметить, что каждая составляющая обеспечивает вполне определенные самостоятельные функции и они объединяются таким образом, что образуют новую систему, которая получает качественно новые свойства.

Мехатроника как новая область науки и техники находится в стадии становления, ее терминология, границы и классификационные признаки еще строго не очерчены. Бурное развитие этой области науки и техники вызвано возросшими требованиями рынка к потребительским свойствам и качеству продукции современного машиностроения. К таким требованиям следует отнести:

  • -сверхвысокие точности движения для реализации прецизионных технологий;
  • -сверхвысокие скорости движения рабочих органов в технологических процессах;
  • -высокие требования перемещения рабочих органов по сложным контурам и поверхностям;
  • -способность системы к реконфигурации в зависимости от конкретных задач и операций;
  • -высокая надежность и безопасность функционирования; -интеллектуальность в поведении машин и аппаратов.

Все эти требования в полной мере относятся к тем, которые неразрывно связаны с созданием и функционированием новых машин и аппаратов и могут обеспечить их конкурентоспособность на мировом рынке.

Особо следует подчеркнуть триединую сущность мехатронных систем (МС), в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Наверное поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга (рис.6Л), помещенные во внешнюю оболочку «Производство» - «Менеджмент» - «Требования рынка». Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы.

Рис.бЛ

Базовыми объектами изучения мехатроники являются мехатронные модули, которые выполняют движения, как правило, по одной управляемой координате. Из таких модулей, как из функциональных кубиков, компонуются сложные системы модульной архитектуры.

Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения или технологического процесса. Критерии качества выполнения движения или процесса являются проблемно-ориентированными, т.е. определяются постановкой конкретной прикладной задачи. Примерами таких задач могут служить регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, контроль и диагностика текущего состояния критических элементов МС (инструмента, силового преобразователя), управление дополнительными

технологическими воздействиями (тепловыми, электрическими, электрохимическими) на объект работ при комбинированных методах обработки, управление вспомогательным оборудованием комплекса (конвейерами, загрузочными устройствами и т.п.), выдача и прием сигналов от устройств электроавтоматики (клапанов, реле, переключателей). Такие сложные координированные движения мехатронных систем будем в дальнейшем называть функциональными движениями.

В современных МС для обеспечения высокого качества реализации сложных и точных движений применяются методы интеллектуального управления (advanced intelligent control). Данная группа методов опирается на новые идеи в теории управления, современные аппаратные и программные средства вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемых движений МС.

Базовыми объектами мехатроники являются мехатронные модули, которые выполняют движение по одной управляемой координате. Из этих модулей как функциональных кубиков компонуются сложные системы модульной архитектуры.

Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения:

  • - управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации;
  • - управление функциональными движениями, координатное управление механическим движением дискретными методами;
  • - взаимодействие с оператором через интерфейсы в режимах автономного программирования;

- обмен с периферийными структурами.

На рис.6.2 представлена структурная схема мехатронного модуля.

Структурная схема мехатронного модуля

Рис.6.2. Структурная схема мехатронного модуля

Задачей мехатронной системы является преобразование входно информации с верхнего уровня управления в движение с управлением на основе принципа обратной связи.

Методологической основой разработки мехатронной системы являются методы параллельного проектирования, который заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.

Проанализируем характер преобразования и структуру электромеханического модуля с компьютерным управлением. Входная информация, поступающая с верхнего уровня управления, по цепям обратной связи от сенсоров выдает управляющие сигналы. В преобразователях силовыми элементами производится усиление и модуляция этих сигналов, и передача их в исполнительные приводы с целью воздействия на механические устройства для целенаправленного движения рабочего органа.

Для построения такой системы традиционными методами понадобилось бы избыточное число интерфейсных блоков и соединительных кабелей с коммутационной аппаратурой.

Этот вывод даст основание на поиск новых решений построения системы на основе синергетической интеграции элементов.

Синергетическая интеграция - это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков, а построение единого модуля через конструктивное объединение и взаимодействие элементов, которые могут иметь различную физическую природу.

Различие мехатронного и традиционного подхода к созданию модулей и машин на их основе с компьютерным управлением состоит в концепции построения и реализации функциональных преобразователей.

При традиционном проектировании интерфейсы являются отдельными самостоятельными устройствами или узлами, которые, как правило, создаются и изготавливаются пользователями или выполняются на заказ специализированными фирмами.

Мехатронный метод нацеливает разработчика на интеграции всех элементов в единые блоки, минимизацию промежуточных преобразований и устранению интерфейсов как отдельных сепаратных блоков.

Обобщенная структура автоматизированной системы с компьютерным управлением, предложенная академиком Поповым Е.П., приведена на рис.6.3.

Таким образом, наличие трех обязательных частей -

электротехнической, электронной и компьютерной, связанных

энергетическими и информационными потоками, является первичным признаком, отличающим мехатронные системы.

Электротехническая часть включает рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнительные электротехнические элементы. Электронная часть состоит из электронных устройств, силовых преобразователей и информационно-измерительных цепей.

Обобщенная схема машины с компьютерным управлением движением

Рис.6.3 Обобщенная схема машины с компьютерным управлением движением

Сенсоры предназначены для сбора данных о фактическом состоянии внешней среды и объектов работ, механического устройства и блока приводов с последующей первичной обработкой и передачей этой информации в устройство компьютерного управления (УКУ). В состав УКУ мехатронной системы обычно входят компьютер верхнего уровня и контроллеры управления движением.

Устройство компьютерного управления выполняет следующие основные функции:

  • - управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации;
  • - организация управления функциональными движениями МС, которая предполагает координацию управления механическим движением МС и сопутствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства;
  • - взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс в режимах автономного программирования (off-line) и непосредственно в процессе движения МС (режим on-line);
  • - организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.

Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления, в целенаправленное механическое движение или технологический процесс с управлением на основе принципа обратной связи.

Характерно, что электрическая энергия используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

Суть мехатронного подхода к проектированию состоит в интеграции в единый функциональный модуль двух или более элементов возможно даже различной физической природы. Другими словами, на стадии проектирования из традиционной структуры машины исключаются как сепаратное устройство по крайней мере один интерфейс при сохранении физической сущности преобразования, выполняемого данным модулем.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >