2.2 Структура и принципы построения

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. 

21

жүктеу/скачать 23,07 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: