Учебное пособие Харьков 014 удк

114 
традиционной структуры исключают промежуточные блоки и соот-
ветствующие интерфейсы, сохраняя функциональное преобразова-
ние, выполняемое мехатронным модулем в целом, его входные и 
выходные переменные. Метод реализуется, как правило, на втором 
этапе проектирования мехатронных систем (см. рис. 4.5) при синтезе 
структуры модулей. 
Структурные решения для мехатронных систем выявляются с 
помощью методики функционально-структурного анализа проектных 
решений. 
Известны два основных подхода к построению моделей слож-
ных технических систем. Первый заключается в функциональном 
определении рассматриваемой системы через ее поведение по 
отношению к внешним объектам и внешней среде. Второй подход 
основан на структурном представлении системы и связей между ее 
элементами. Исследование и оптимизация взаимосвязей между 
функцией и структурой системы лежит в основе функционально-
структурного подхода, который применяют к задачам мехатроники. 
Для методически корректного проектирования необходимо 
рассмотреть функциональную организацию мехатронной системы. 
Функциональное представление с определенными входными и вы-
ходными переменными (модель типа «черный ящик») представлено 
на рис. 4.6. Главная функциональная задача мехатронной системы 
заключается в преобразовании информации о программе движения в 
управляемое движение ее конечного звена. 
Рис. 4.6. Функциональное представление мехатронной системы 
Программа движения задается компьютером или оператором 
(см. рис. 2.2). Управляемое движение осуществляется звеньями меха-
нического устройства, причем конечное звено – рабочий орган взаимо-

115
действует с внешней средой. В процессе движения на механическое 
устройство действуют внешние силы со стороны объектов работ 
(например, силы резания при шлифовальных и фрезерных операциях, 
контактные силы и моменты при роботизированной сборке). Информа-
ционная обратная связь необходима для оценки в режиме реального 
времени текущего состояния управляемой системы и внешней среды. 
Выделенная основная функция не обязательно является 
единственной для мехатронных систем. Некоторые дополнительные 
функции, такие как: реконфигурация системы, обмен сигналами и 
информацией с другим технологическим оборудованием, самодиаг-
ностика, также должны быть реализованы для ее эффективной и 
надежной работы. Но именно выполнение заданного функциональ-
ного движения является главной функцией, которая определяет 
поведение мехатронной системы во внешней среде.
Функциональное представление мехатронного модуля в форме 
«черного ящика» (см. рис. 4.6) содержит два информационных входа 
(программа движения и информационная обратная связь), дополни-
тельный механический вход (силы реакции внешней среды) и один 
выход – целенаправленное механическое движение. Следовательно, в 
общем случае функциональная схема мехатронного модуля может 
быть построена как информационно-механический преобразователь. 
Физическая реализация мехатронного информационно-механи-
ческого преобразования осуществляется путем использования элект-
рических источников энергии. Соответственно функциональная мо-
дель для современных мехатронных систем представлена на рис. 4.7. 
Рис. 4.7. Функциональная модель мехатронного модуля 

116 
Полученная функциональная модель в общем случае содержит 
семь базовых преобразователей, связанных энергетическими и 
информационными потоками. 
Электрическая энергия является только промежуточной энерге-
тической формой между входной информацией и выходным 
механическим движением.
Выбор физической природы промежуточного преобразователя 
определяется возможностями технической реализации, исходными 
требованиями и особенностями применения. В мехатронных модулях 
широко применяют: 
– гидравлические преобразователи, которые наиболее эффек-
тивны в машинах, испытывающих высокие нагрузки; 
– пневматические преобразователи, которые характеризуются 
простотой, надежностью и обладают высоким быстродействием; 
– химические преобразователи применяются в биоприводах, 
аналогичных по принципу действия мускулам живых организмов; 
– тепловые энергетические процессы используются в микроме-
хатронных системах c использованием материалов с памятью формы; 
– комбинированные преобразователи, основанные на энергети-
ческих процессах различной физической природы. 
В общем случае в мехатронном модуле (см. рис. 4.6) реализу-
ется семь функциональных преобразований. Три моноэнергетические 
преобразователи (информационный, электрический и механический), 
у которых входные и выходные переменные имеют одну физическую 
природу. И четыре – дуальные (двойственные), у них входные и 
выходные переменные различных физических видов. 
Структурная модель мехатронного модуля отражает состав его 
элементов и связи между ними. Структурные модели можно графи-
чески представить в виде блок-схем. В качестве исходной структуры 
мехатронного модуля представлен традиционный электропривод с 
компьютерным управлением (рис. 4.8). 
В представленной структурной схеме выделяют управляющую 
и электромеханическую подсистемы. Структурная модель электроп-
ривода (см. рис. 4.8) включает в себя следующие элементы: 
– устройство компьютерного управления движением (информа-
ционное преобразование: обработка цифровых сигналов, цифровое 
регулирование, расчет управляющих воздействий, обмен данными с 
периферийными устройствами); 

117
Рис. 4.8. Структура традиционного электропривода
с компьютерным управлением 
– цифроаналоговый преобразователь (функция информационно-
электрического преобразования); 
– силовой преобразователь, как правило, состоящий из усили-
теля мощности, широтно-импульсного модулятора и трехфазного 
инвертора (для асинхронных двигателей); 
– управляемый электродвигатель (электромеханическое пре-
образование); 
– механическое устройство (реализует заданное управляемое 
движение, и рабочий орган, взаимодействующий с внешними объек-
тами); 
– устройство обратной связи (дает информацию о значениях 
электрических напряжений и токов в силовом преобразователе); 
– датчики обратной связи (по положению и скорости движения 
звеньев), выполняющие функцию механико-информационного пре-
образования; 
– интерфейсные устройства I0-I8. 
В зависимости от физической природы входных и выходных 
переменных интерфейсные блоки могут быть как механическими, 
так и интеллектуальными преобразователями. Примерами механи-
ческих интерфейсов являются передачи и трансмиссии, связывающие 
механическое устройство с двигателем (интерфейс I4) и датчиками 
обратной связи 

жүктеу/скачать 23,07 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: