17
2.2 Структура и принципы построения
мехатронных систем
Методологической основой разработки мехатронных систем
служат методы параллельного проектирования (concurrent engineering
methods). При традиционном проектировании машин с компью-
терным управлением последовательно проводится разработка меха-
нической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы,
а затем выбор интерфейсных блоков.
Парадигма параллельного проектирования заключается в
одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонент системы.
На рис. 2.2 представлена обобщенная структура машин с ком-
пьютерным управлением (автоматических роботов), используемых в
машиностроении. Данная схема позволяет показать принципы
построения мехатронных систем.
Рис. 2.2. Обобщенная схема машины с компьютерным
управлением движением
18
Внешней средой для машин рассматриваемого класса является
технологическая среда, которая содержит основное и вспомога-
тельное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ.
При выполнении мехатронной системой заданного функцио-
нального движения объекты работ оказывают возмущающие воздей-
ствия на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут слу-
жить силы резания для операций механообработки, контактные силы
и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при
операции гидравлической резки.
Внешние среды делят на два основных класса: детермини-
рованные и недетерминированные. К детерминированным относятся
среды, для которых параметры возмущающих воздействий и
характеристики объектов работ могут быть заранее определены с
необходимой точностью для проектирования мехатронных систем.
Некоторые среды являются недерминированными по своей природе
(например, экстремальные среды: подводные, подземные и т.п.).
Характеристики технологических сред, как правило, могут быть
определены с помощью аналитико-экспериментальных исследований
и методов компьютерного моделирования. Например, для опре-
деления сил резания при механообработке проводятся экспери-
ментальные исследования на специальных установках, параметры
вибрационных воздействий измеряют на вибростендах с последую-
щим формированием математических и/или компьютерных моделей
возмущающих воздействий.
Однако для проведения таких исследований, как правило,
требуются слишком сложные и дорогостоящие аппаратура и измери-
тельные технологии. Так для предварительной оценки силовых
воздействий на рабочий орган на операции роботизированного
удаления облоя с отливок необходимо контролировать их форму и
размеры. В таких случаях целесообразно применять методы адаптив-
ного управления, которые позволяют автоматически корректировать
закон движения рабочих органов мехатронных систем непосредст-
венно в ходе выполнения операции.
В состав традиционной машины входят следующие основные
компоненты: механическое устройство (конечное звено – рабочий
орган; блок приводов, включающий силовые преобразователи и
исполнительные двигатели; устройство компьютерного управления,
19
верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо
другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть; сенсоры, предна-
значенные для передачи в устройство управления информации о
фактическом состоянии блоков машины и движении мехатронной
системы.
Таким образом, наличие трех обязательных частей – механи-
ческой (электромеханической), электронной и компьютерной, свя-
занных энергетическими и информационными потоками, является
первичным признаком мехатронных систем.
Электромеханическая часть включает механические звенья и
передачи, рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнитель-
ные электротехнические элементы (тормоза, муфты). Механическое
устройство предназначено для преобразования движений звеньев в
требуемое движение рабочего органа. Электронная часть состоит из
микроэлектронных устройств, силовых преобразователей и электро-
ники измерительных цепей. Сенсоры предназначены для сбора
данных о фактическом состоянии внешней среды и объектов работ,
механического устройства и блока приводов с последующей первич-
ной обработкой и передачей этой информации в устройство компью-
терного управления. В состав этого устройства 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 ме-
хатронной системы, которая предполагает координацию управления
механическим движением мехатронной системы и сопутствующими
внешними процессами.
– взаимодействие с оператором через интерфейс в режимах
автономного программирования (off-line) и непосредственно в
процессе движения мехатронной системы (on-line).
– организация обмена данными с периферийными устройст-
вами, сенсорами и другими устройствами системы.
Задачей мехатронной системы является преобразование вход-
ной информации, поступающей с верхнего уровня управления, в
20
целенаправленное механическое движение с управлением на основе
принципа обратной связи.
Характерно, что электрическая энергия (реже гидравлическая
или пневматическая) используется в современных системах как
промежуточная энергетическая форма.
Особенность мехатронного подхода к проектированию заклю-
чается в интеграции в единый функциональный модуль двух или
более элементов возможно даже различной физической природы.
Соответственно на стадии проектирования из традиционной струк-
туры машины исключается как минимум один интерфейс при
сохранении физической сущности преобразования, выполняемого
данным модулем.
В идеальном для пользователя варианте мехатронный модуль,
получив на вход информацию о цели управления, будет выполнять
заданное функциональное движение с допустимой погрешностью.
Аппаратное объединение элементов в единые конструктивные мо-
дули обязательно сопровождают разработкой интегрированного
программного обеспечения.
Программные средства обеспечивают непосредственный пере-
ход от замысла системы через ее математическое моделирование к
управлению функциональным движением в реальном времени.
Применение мехатронного подхода при создании машин с
компьютерным управлением определяет их основные преимущества
по сравнению с традиционными средствами автоматизации:
– относительно низкую стоимость благодаря высокой степени
интеграции, унификации и стандартизации элементов и интерфейсов;
– высокую точность сложных движений вследствие применения
методов интеллектуального управления;
– высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;
– конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатю-
ризации в микромашинах);
– улучшенные массогабаритные и динамические характеристики
машин вследствие упрощения кинематических цепей;
– возможность комплексирования функциональных модулей в
сложные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.
|