Глава 1. Принципы построения и проектирования мехатронных систем
1.1. Принципы построения и структура мехатронных систем
Мехатронные системы, как новое направление в развитии технических систем, обладают определенными признаками и свойствами, которые отличают их от технических систем с традиционным построением и структурой.
В принципе для любых сложных систем признаки и свойства являются важнейшими информационными блоками, характеризующими и отличающими данную систему от других. Для понимания различия между признаками и свойствами прибегнем к следующему примеру. Допустим мы рассматриваем некий неизвестный объект и хотим найти отличия от известных или найти общее у рассматриваемого объекта с другими. В этом случае мы говорим о признаках отличительных или общих с другими известными объектами. В случае, когда нам известен объект и его функции, то мы анализируем его свойства, которые проявляются при функционировании объекта. Признак – это описание проявлений сторон неизвестно объекта, по которым можно отличить объект от других или объединить его с другими. Совокупность признаков позволяет идентифицировать данный объект, определить его место среди других объектов. Свойство – это то, что проявляется при функционировании рассматриваемого объекта при его взаимодействии с другими объектами. Свойства технической системы можно количественно описать ее параметрами и характеристиками. Параметры – это численные значения величин, характеризующие свойства объекта или системы. Технические характеристики – это описание свойств объекта.
Проще всего понятия признака и свойств формируется в медицине. Так, врач по признакам болезненного состояния пациента определяет болезнь. Например, признаками начинающегося гриппа является головная боль, слабость, озноб, повышенная температура, ощущение сухости в носу и т.д. Объективными параметрами признаков являются температура, повышенная скорость оседания эритроцитов. Здесь важно отметить, что для такой сложной системы, как человек, эти признаки могут быть в наличии не все одновременно, а только некоторые из них. К свойствам гриппа можно отнести заразность, возможные осложнения. Характеристиками протекания болезни являются время выздоровления, изменение состояния или график зависимости температуры пациента от времени.
В сложной технической системе, в том числе и мехатронной, ее функционирование возможно только при наличии материального объекта («железа») и информационных потоков. Необходимо подчеркнуть, что функционирование возможно только при наличии третьего компонента – энергетического. Для технологической системы материальные потоки – это объекты обработки и инструменты (рис. 1. 1).
Энергетические потоки
(электричество, сж. воздух …)
Рис. 1.1. Потоки в производственном процессе
Подвод извне энергии позволяет системе функционировать: напри ,невозможно мер, происходит механическое движение или обмен информации. Включив компьютер, т.е. подав энергию, можно заставить функционировать это устройство. В мехатронной системе также функционирование невозможно без подвода энергии извне. Функционирование системы – это взаимодействие трех потоков материального, информационного и энергетического.
Взаимодействие материальных, энергетических и информационных потоков осуществляется при помощи технических материальных компонентов автоматических систем (электронных блоков, электромагнитных реле, материальных носителей компьютерных программ и т.д.), в противном случае речь может идти только о виртуальных процессах, о моделировании реальности.
Анализ признаков мехатронной системы лучше всего начинать со структурно-морфологических признаков, т.е. признаков отличающих структуру и строение элементов мехатронной системы от другой технической системы, построенной по другим принципам.
Структурно-морфологические признаки мехатронной системы
В качестве структурно-морфологических признаков, которые отличают мехатронную систему от традиционной, можно привести следующие:
Интеграция (структурно-функциональная и структурно-компоновочная) подсистем: механической, электромеханической, микропроцессорной и информационно-измерительной при программном обеспечении и управлении всей системы.
Как правило, наличие большого количества элементов обратных связей в системе управления, т.е. наличие большого числа датчиков, дающих информацию о разнообразных параметрах состояния системы.
Иерархическая структура системы управления. Возможность внешнего управления через различные средства электронной связи (в том числе через Интернет).
Модульность всех элементов системы и высокая степень унификации (в том числе возможность наращивания программных модулей).
Укороченные кинематические цепи механической и электромеханической подсистемы, а также использование параллельных кинематических цепей.
Использование высокоточных механических передач в механической подсистеме.
Применение разнообразных видов преобразователей энергии, основанные на различных физических эффектах.
Использование новых материалов с повышенными механическими и электромеханическими характеристиками.
Часто число степеней подвижности в системе превышает необходимое, характеризуемое наличием дополнительных приводов.
Использование электронных миниатюрных компонентов со сверхплотным монтажом.
Наличие высоко информативного интерфейса человек-машина.
Возможное использование бионических принципов построения системы.
Структурно-функциональная интеграция подразумевает уменьшение структурных блоков, в основном в информационно-управляющей подсистеме. Например, вместо отдельных датчиков скорости (тахогенератор) и датчиков угла поворота (потенциометр) или перемещения в мехатронных системах применяют фотоимпульсные датчики, от которых получают информацию о скорости и перемещении в двоичной кодовой форме. Это решение позволяет убрать из системы АЦП и согласующие электронные устройства (интерфейсы). Следует подчеркнуть, что такое решение не всегда оправдано.
Структурно-компоновочная интеграция подразумевает группирование в одном конструктивном модуле элементов разной физической сущности. Самые эффективные решения состоят в объединение в единый сенсорный модуль механических узлов (валов, подшипников, направляющих), кодировочных дисков, фотоэлементов и микропроцессоров, от которых сигналы обратной связи идут в контроллер по стандартному протоколу в двоичном коде.
Функциональные свойства мехатронных систем (синергетические эффекты)
При работе мехатронной системы проявляются ее функциональные свойства, в которых обнаруживаются синергетические эффекты. Слово синергетическое, которое приведено в определении. Термин синергетика пришел из биологии и медицины – (от греческого synergos – вместе действующий) совместное и однородное функционирование элементов и систем; при комбинированном действии которых суммарный эффект превышает действие каждого в отдельности. Иными словами, соединение в единую систему указанных выше элементов дает эффект больший, чем использовании всех этих элементов по одиночке. В качестве примера можно привести следующее. Что нового дает совмещение в единую систему автомашины, предназначенной для перевозки тяжелых грузов, и подъемного крана, предназначенного для подъема тяжелых грузов? Автокран имеет новое качество – мобильность производства подъемно-транспортных работ. Также по аналогии мехатронные системы должны давать новое качество. Эти новые качества мехатронных систем можно сформулировать следующим образом:
Повышение доли функций системы, приходящихся на систему управления и уменьшение доли функций, приходящихся на механическую подсистему (например, коррекция положения резца при его износе).
Увеличение вариативности функций, выполняемых системой за счет программного обеспечения.
Автоматизация переналадки системы.
Повышение надежности системы в целом за счет сокращения доли механических подсистем, изменения программным путем функций механической и электромеханической подсистем, а также за счет программной автоматической защиты приводов от перегрузок, мониторинга состояния всех элементов системы во время работы.
Автоматизация технической диагностики и мониторинг всех подсистем во время работы.
Повышение интеллектуальности программного обеспечения, внедрение искусственного интеллекта.
Относительно низкая стоимость из-за высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех компонентов мехатронных систем.
Высокое качество исполнения сложных и точных движений вследствие применения методов адаптивного и интеллектуального управления.
Высокая помехозащищенность за счет модульности подсистем.
Компактность мехатронных модулей вследствие миниатюризации и укорочения кинематических цепей.
Повышение удельной мощности и улучшение динамических характеристик машин вследствие исключения многоступенчатого преобразования энергии и информации.
Возможность быстрого комплектования мехатронных систем функциональными модулями, допускающих простую реконфигурацию в зависимости от технических требований.
Главная методологическая идея мехатроники как науки и техники состоит в системном сочетании ранее обособленных научно-технических областей как механика, микроэлектроника, электротехника, компьютерное управление, сенсорика и информационные технологии (рис. 1. 2).
Рис. 1. 2. Составляющие мехатроники как научно-технического направления
Под мехатронными объектами понимается синергетическое объединение исполнительных устройств с электронными, электромеханическими, компьютерными и программными компонентами. Мехатронным объектам характерно иерархическое построение. Все мехатронные объекты можно разделить на следующие (рис. 1. 3): мехатронные узлы, мехатронные модули, мехатронные агрегаты, мехатронные системы [5].
Мехатронный узел – это неунифицированная сборочная единица, содержащая некоторые компоненты мехатронного объекта (например, шариковинтовая передача с датчиками положения и усилия). Мехатронный модуль – основная единица мехатронной системы, это унифицированный мехатронный объект, служащий для реализации одной из функций мехатронной системы (например, мехатронный модуль подачи инструмента, мотор-шпиндель). (По определению модуль – это унифицированная функциональная часть машины, конструктивно оформленная как самостоятельное изделие.) Мехатронные модули как унифицированные объекты имеют нормализованный ряд типоразмеров, характеризуемый определенными мощностями, габаритами, типом движения (например, поступательного или вращательного), классом точности и т.д. Мехатронный агрегат – это совокупность мехатронных модулей, предназначенная для выполнения группы однотипных функций (например, многокоординатная измерительная машина, а также многокоординатный столик микроскопа, если он состоит из модулей).
Рис.1.3. Иерархия мехатронных объектов
Мехатронная система – это целевое упорядоченное множество взаимосвязанных мехатронных агрегатов, функционирующих во времени и взаимодействующих с внешней средой. Мехатронные системы могут состоять из мехатронных модулей (минуя мехатронные агрегаты). Примерами мехатронных систем могут служить гибкие производственные системы (ГПС), системы мониторинга и искусственной вентиляции легких (ИВЛ) в отделении реанимации, а также современные автомобили. Так, Мерседес SW220 представляет собой мехатронную систему, включающую до 40 управляющих блоков, она состоит из нескольких мехатронных агрегатов (подсистема управления двигателем, коробкой передач, подвеской, АБС и т.д.) а сами мехатронные агрегаты включают в себя мехатронные модули (впрыска, управления замком, дворников и т.д.).
В приборостроении в настоящее время получил распространение термин мехатронный прибор – это мехатронный агрегат или мехатронный модуль, предназначенный для получения и преобразования информации о механических величинах. Термин мехатронный прибор означает мехатронный объект, осуществляющий какое-либо измерение или комплекс измерений механических величин.
Мехатронным аппаратом можно назвать мехатронный объект, который осуществляет физическое воздействие на внешнюю среду (например, аппарат искусственного кровообращения, автоматический спектрометр, где нужно предварительно совершить подготовительные операции с образцом, прежде чем определить его состав).
Исходя из положений теории сложных систем, можно дать следующее определение мехатроники. Мехатроника – это область науки и техники, посвященная анализу и синтезу мехатронных объектов.