НТУ «Днепровская политехника» — соответствие Времени

Что такое мехатроника


Любая машина состоит из механической части, приводной (преимущественно электромеханической) части, а также системы управления. Элементами механической части являются:

  • рабочий орган (лебедка крана, рабочее колесо насоса, фреза металлорежущего станка), выполняющий полезную механическую работу (перемещение груза, механическая обработка детали и т.п.);
  • механическая передача, изменяющая скорость движения или его характер (поступательное вместо вращательного).

Заданием приводной части (электропривода) является преобразование электрической энергии в механическую и приведение в движение рабочих органов машины. Электромеханическая приводная часть состоит из электрического двигателя и электронного силового преобразователя, преобразующего электроэнергию, потребленную из источника (системы электроснабжения) к виду, пригодному для питания обмоток двигателя. Именно через этот преобразователь и осуществляется управление скоростью, усилиями и положением вала двигателя и, в конце концов, рабочего органа.

В последнее время в построении машин нового поколения наблюдается тенденция передачи все большего количества функций от механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным, информационным), из которых состоит система управления машиной. Интеллектуальные узлы легко перепрограммируются под новое задание, что расширяет функциональные возможности машины. Вместе с тем с развитием техники узлы машины разной физической природы (механические, электрические, электромеханические, электронные, информационные) постепенно объединялись в единое конструктивное целое. Именно такие интеллектуальные машины и узлы называют мехатронными. Мехатроника (Mechatronics) – отрасль науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в сфере электромеханики, электроники, микропроцессорной техники, автоматики и ІТ-технологий.


Рис. 1 Мехатроника и смежные области знаний

Термин «мехатроника» появился в конце 60-х годов прошлого столетия в Японии. Он есть комбинацией слов «МЕХАника» та «элекТРОНИКА». Место мехатроники среди смежных областей знаний показано на рис. 1. Как видно, она вбирает в себя достижения не только механики та электроники, но и современных цифровых систем управления и автоматизированного проектирования (CAD). Во внешнем круге показаны основные сферы применения мехатроники.

Ключевым элементом мехатронных систем является модуль движения. Одним из самых первых таких модулей стал в свое время мотор-редуктор (рис. 2), объединивший в себе приводной электрический двигатель и индустриальный механический редуктор. Его использование значительно упростило разработку и изготовление машины, ее надежность.


Рис. 2 Мотор-редукторы
(1 – электрический двигатель; 2 – редуктор; 3 – выходной вал редуктора)

Дальнейшая миниатюризация средств силовой и управляющей электроники дала возможность конструктивно объединить с электромеханическими узлами еще и электронные. Появились интеллектуальные мехатронные модули (ИММ) в виде двигателей и мотор-редукторов с силовыми преобразователями (преобразователями частоты) на борту (рис. 3). Подобные устройства благодаря наличию в их составе вычислительных устройств способны автономно выполнять перемещения рабочих органов машин без постоянного контроля со стороны системы автоматизации верхнего уровня.


Рис. 3 Двигатели и мотор-редукторы со встроенными преобразователями частоты (1)

Для нужд машиностроения (в первую очередь для станков с числовым программным управлением и промышленных роботов) разработаны мехатронные модули, объединяющие в себе не только электромеханические узлы, но и сам рабочий орган машины:

  • электрошпиндель (электродвигатель + шпиндельный узел для закрепления режущего инструмента, рис. 4,а);
  • поворотный стол для закрепления обрабатываемой детали (рис. 4,б);
  • мотор-колесо (объединение двигателя и колеса транспортного средства, рис. 4,в) и т.п.


а)

б)

в)
Рис. 4 Мехатронные модули с интегрированным рабочим органом

Большое количество механизмов имеет поступательное движение рабочего органа (механизмы подач станков, некоторые промышленные роботы и т.п.). Для них разработаны мехатронные модули поступательного движения. На рис. 5,а показан разрез электроцилиндра, состоящего из электродвигателя 1, винта 2 (одновременно является ротором двигателя) и неподвижной гайки 3. Два последних образуют шарико-винтовую передачу, в которой вращение винта приводит к его поступательному перемещению. На рис. 5,б показан электроцилиндр в сборе.



а)

б)
Рис. 5 Электроцилиндры

Той же цели можно достичь с помощью т.н. «линейных осей». На рис. 6,а изображен комплектный модуль, в состав которого входит серводвигатель 1 с преобразователем частоты и электромагнитным тормозом, винт 2 и суппорт с гайкой 3. Вращение вала двигателя и винта приводит к поступательному перемещению суппорта. На рис. 6,б можно видеть мехатронный линейный модуль, обеспечивающий движение вдоль трех осей.



а)

б)
Рис. 6 Линейные оси
(а – однокоординатная; б – трехкоординатная)

Значительного упрощения механической части можно достичь путем использования линейных двигателей вместо обычных двигателей вращательного движения (рис. 7). Линейный двигатель не имеет вращающихся частей. Его подвижная часть (1 на рис. 7) имеет обмотку, создающую магнитное поле. Это поле отталкивается от неподвижной части (2) с постоянными магнитами, которая играет роль направляющих, и обеспечивает поступательное перемещение подвижной части.


Рис. 7 Мехатронный модуль
с линейным двигателем

Основные преимущества использования интеллектуальных мехатронных модулей:

  • способность ИММ выполнять сложные движения самостоятельно, без обращения к контроллеру верхнего уровня управления, что повышает автономность модулей, гибкость и живучесть мехатронных систем;
  • упрощение коммуникации между модулями и центральным устройством управления (вплоть до перехода к беспроводным коммуникациям);
  • повышение надежности и безопасности мехатронных систем благодаря компьютерной диагностике неисправностей и автоматической защите в аварийных ситуациях;
  • создание на основе ИММ распределенных систем автоматизации, для которых характерно делегирование функций управления «сверху» «вниз» (то есть переход от «монархии» к «демократии»), широкое использование сетевых технологий обмена информацией;
  • использование интеллектуальных сенсоров в ИММ приводит к повышению точности измерений благодаря первичной обработке информации, фильтрации шумов и т.п.

Для реализации точных движений мехатронный модуль комплектуется датчиком положения (энкодером, рис. 8). Электропривод, оборудованный таким датчиком, называют сервоприводом. В состав систем управления движением, объединяющих несколько сервоприводов И), входят контроллеры управления движением (сервоконтроллеры, рис. 9). К основным функциям сервоконтроллеров относятся координация движений отдельных сервоприводов (мехатронных модулей) и формирование для них заданий на перемещение с целью реализации сложных пространственных траекторий движения.



Рис. 8 Энкодеры

Рис. 9 Сервоконтроллеры

Ярким примером мехатронной системы есть роботы и манипуляторы (рис. 10). Они все чаще используются для сварочных и окрасочных работ, сборочных операций, изготовления электронных печатных плат, металлообработки, в космических исследованиях и даже в быту.



а)

б)
Рис. 10 Промышленные роботы (а – сварочный; б – упаковочный)


Рис. 11 Робокар (автоматическая тележка)

Некоторые разновидности роботов (в том числе показанные на рис. 10) чем-то похожи на человеческую руку как по конструкции, так и по назначению. Задачей других есть автоматическое перемещение грузов по цеху, поэтому они похожи на тележку (рис. 11).

Типичной мехатронной системой есть станок с числовым программным управлением (ЧПУ), используемый для механической обработки изделий из металла, дерева, пластмасс (рис. 12). Работу модулей движения (осей) координирует цифровая система ЧПУ, в которую предварительно загружена программа обработки.



а)

б)
Рис. 12 Станки с ЧПУ (а – токарный; б – фрезерный)

Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение также в следующих областях:

  • автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки, автопилоты);
  • 3D-принтеры (рис. 13);
  • нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, сегвеи, инвалидные коляски, дроны, рис. 14);
  • офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);
  • элементы вычислительной техники (принтеры, плоттеры, дисководы);
  • технологические линии и упаковочные машины пищевой и обрабатывающей промышленности;
  • полиграфические машины;
  • бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины);
  • фото- и видеотехника;
  • медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);
  • тренажеры для подготовки пилотов и операторов и т.п.


Рис. 13 3D-принтер

Рис. 14 Дрон

Цифровые системы управления мехатронными системами в зависимости от степени сложности и традиций соответствующей отрасли могут быть реализованы в виде:

Термины «мехатроника» и «электропривод» являются фактически синонимами. Мехатронные системы, как и системы электропривода, относятся к электромеханическим системам. Однако к отличиям мехатронных систем следует отнести:

  • относительно малую мощность (поскольку объединение в одном конструктивном модуле механических, электрических и электронных подсистем при большой их мощности реализовать невозможно);
  • исключительно цифровую природу систем управления (в электроприводе возможен и аналоговый принцип построения);
  • преимущественно большую точность и быстродействие.





Система Orphus
© 2006-2018 Інформація про сайт