Лекція 1. Основні поняття та визначення мехатроніки

 

Мехатроніка знаходиться у стадії становлення, і оскільки до сьогоднішнього дня її визначення і базова термінологія ще повністю не сформовані, то доцільно розглянути визначення, які виражають суть предмету мехатроніки як в широкому, так і у вузькому (спеціальному) розумінні.

Загальне визначення мехатроніки в широкому розумінні: "Мехатроніка – це нова галузь науки і техніки, присвячена створенню та експлуатації машин і систем з комп'ютерним управлінським рухом, яка базується на знаннях в області механіки, електроніки та мікропроцесорної техніки, інформатики та комп'ютерного управління руху машин і агрегатів".

В даному визначенні підкреслені три елементи мехатроних систем, в основу побудови яких закладена ідея глибокого взаємозв'язку механіки, електроніки та комп'ютерної техніки. Найбільш поширеним графічним символом мехатроніки стали три пересічних кола (рис. 1.1), поміщені в зовнішню оболонку "Виробництво" – "Менеджмент" – "Вимоги ринку". Таким чином, системна інтеграція трьох зазначених складових є необхідною умовою побудови мехатроної системи.

 

Рис. 1.1. Визначення мехатроних систем за Ю. В. Подураєвим [7]

 

У «Oxford Illustrated Encyclopedia» можна прочитати: Мехатроніка – японський термін для опису технологій, що виникли на основі електротехніки, машинобудування і програмного забезпечення. Включає проектування, виробництво і вивчає функціонування машин з «розумною» поведінкою, тобто діючих за заданою програмою, їх зв'язку з іншими матеріалами (штучний інтелект, вимірювальне обладнання, системи управління).

Відомо кілька визначень, опублікованих у періодичних виданнях, працях міжнародних конференцій і симпозіумів, де поняття про мехатроніку конкретизується і спеціалізується.

На основі розглянутих вище визначень пропонується наступне спеціальне формулювання предмета мехатроніки: "Мехатроніка – наука, яка вивчає синергетичне об'єднання вузлів точної механіки з електронними, електротехнічними і комп'ютерними компонентами з метою проектування і виробництва якісно нових модулів, систем, машин і комплексів машин з інтелектуальним керуванням функціональних рухів".

Особливості мехатроних систем:

1. Мехатроніка вивчає особливий методологічний (концептуальний) підхід в побудові машин з якісно новими характеристиками. Важливо підкреслити, що цей підхід є досить універсальним і може бути застосований в машинах і системах різного призначення. Однак слід зазначити, що забезпечення високої якості управління мехатроною системою можна тільки з урахуванням специфіки конкретного керованого об'єкта. Тому вивчення мехатроніки доцільно здійснювати за спеціальностями, предметом яких є конкретні класи виробничих машин і процесів.

2. У визначенні підкреслюється синергетичний характер інтеграції складових елементів в мехатроних об'єктах. Синергія (грец.) – це спільна дія, спрямована на досягнення єдиної мети. При цьому важливим є те, що складові частини не просто доповнюють один одного, але об'єднуються таким чином, що утворена система має якісно новими властивостями. В мехатроніці всі енергетичні та інформаційні потоки спрямовані на досягнення єдиної мети – реалізації заданого керованого руху.

3. Інтегровані мехатроні елементи вибираються розробником вже на стадії проектування машини, а потім забезпечується необхідна інженерна і технологічна підтримка при виробництві та експлуатації машини. В цьому радикальна відмінність мехатроних машин від традиційних, коли найчастіше користувач був змушений самостійно об'єднувати в систему різнорідні механічні, електронні та інформаційно – керуючі пристрої різних виробників. Саме тому більшість складних комплексів (наприклад, деякі гнучкі виробничі системи у вітчизняному машинобудуванні) показали на практиці низьку надійність і невисоку техніко-економічну ефективність.

4. Методологічною основою розробки мехатроних систем служать методи паралельного проектування (concurrent engineering methods). При традиційному проектуванні машин з комп'ютерним управлінням послідовно проводиться розробка механічної, електронної, сенсорної та комп'ютерної частин системи, а потім вибір інтерфейсних блоків. Парадигма паралельного проектування полягає в одночасному і взаємопов'язаному синтезі всіх компонентів системи.

5. Базовими об'єктами вивчення мехатроніки є мехатроні модулі, які виконують рухи, як правило, по одній керованій координаті. З таких модулів, як з функціональних кубиків, компонуються складні системи модульної архітектури.

6. Мехатроні системи призначені, як трактується у визначенні, для реалізації заданого руху. Критерії якості виконання руху МС є проблемно-орієнтованими, тобто визначаються постановкою конкретної прикладної задачі. Специфіка задач автоматизованого машинобудування полягає в реалізації переміщення вихідної ланки – робочого органу технологічної машини (наприклад, інструменту для механообработки). При цьому необхідно координувати управління просторового переміщення МС з керуванням різних зовнішніх процесів. Прикладами таких процесів можуть служити регулювання силової взаємодії робочого органу з об'єктом робіт при механообробці, контроль і діагностика поточного стану критичних елементів МС (інструменту, силового перетворювача), управління додатковими технологічними впливами (тепловими, електричними, електрохімічними) на об'єкт робіт при комбінованих методах обробки, управління допоміжним устаткуванням комплексу (конвеєрами, завантажувальними пристроями тощо), видача і прийом сигналів від пристроїв електроавтоматики (клапанів, реле, перемикачів). Такі складні координовані рухи мехатроних систем будемо надалі називати функціональними рухами.

7. В сучасних мехатроних системах для забезпечення високої якості реалізації складних і точних рухів застосовуються методи інтелектуального управління (advanced intelligent control). Дана група методів спирається на нові ідеї в теорії керування, сучасні апаратні і програмні засоби обчислювальної техніки, перспективні підходи до синтезу керованих рухів мехатроних систем.

Слід зазначити, що мехатроніка як нова область науки і техніки, знаходиться в стадії свого становлення, її термінологія, межі та класифікаційні ознаки ще не визначені. На нинішньому етапі першочергове значення має виявлення сутності нових принципів побудови і тенденцій розвитку машин з комп'ютерним керуючим рухом, а відповідні семантичні поняття та визначення безумовно з часом визначаться.

Історія становлення мехатроніки. Історію мехатроніки прийнято відраховувати з 1969 року, коли японська фірма Yaskawa Electric ввела новий термін "Мехатроніка" як комбінацію слів "Механіка" і "Електроніка". У 1972 році фірма зареєструвала цей термін як товарний знак. Слід зауважити, що у вітчизняній літературі ще на початку 50-х років використовувався подібним же чином утворений термін – "Механотрон". Так називалися електронні лампи з рухомими електродами, які застосовувалися в якості датчиків малих переміщень, прискорень, вібрацій і т.п . Починаючи з 80-х років термін "Мехатроніка" частіше застосовується у світовій технічній літературі як назва цілого класу машин з комп'ютерним управлінням рухом. Спочатку Мехатроними системами вважалися тільки регульовані електроприводи. Потім сюди стали відносити автоматичні двері, торгові автомати, мобільні засоби і фотокамери з автофокусуванням. В 80-х роках клас мехатроних систем поповнився верстатами з числовим програмним управлінням, промисловими роботами і новими видами побутових машин (посудомийних, пральних тощо). В останнє десятиліття дуже велика увага приділяється створенню мехатроних модулів для сучасних автомобілів, нового покоління технологічного обладнання (верстатів з паралельною кінематикою, роботів з інтелектуальним управлінням), мікромашин, новітньої комп'ютерної та офісної техніки.

Як основа класифікаційної ознаки в мехатроніці є доцільним прийняти рівень інтеграції складових елементів. Відповідно до цієї ознаки можна розділяти мехатроні системи за рівнями або за поколіннями, якщо розглядати їх появу на ринку наукової продукції історично.

Мехатроні модулі першого рівня складаються з об'єднання двох вихідних елементів. Типовим прикладом модуля першого покоління може бути "мотор-редуктор", де механічний редуктор і керований двигун виготовляються як єдиний функціональний елемент. Мехатроні системи на основі цих модулів знайшли широке застосування при створенні різних засобів комплексної автоматизації виробництва (конвеєрів, транспортерів, поворотних столів, допоміжних маніпуляторів).

Мехатроні модулі другого рівня з'явилися в 80-х роках у зв'язку з розвитком нових електронних технологій, які дозволили створити мініатюрні датчики та електронні блоки для обробки сигналів. Об'єднання приводних модулів із зазначеними елементами привела до появи мехатроних модулів руху, склад яких повністю відповідає введеному вище визначенню, коли досягнута інтеграція трьох пристроїв різної фізичної природи: механічних, електротехнічних і електронних. На базі мехатроних модулів даного класу створені керовані енергетичні машини (турбіни і генератори), верстати та промислові роботи з числовим програмним керуванням.

Розвиток третього покоління мехатроних систем обумовлено появою на ринку порівняно недорогих мікропроцесорів і контролерів на їх базі та направлено на інтелектуалізацію всіх процесів, що протікають в мехатроній системі, в першу чергу – процесу управління функціональними рухами машин і агрегатів. Одночасно йде розробка нових принципів і технологій виготовлення високоточних і компактних механічних вузлів, а також нових типів електродвигунів (в першу чергу високомоментних, безколекторних та лінійних), датчиків зворотного зв'язку та інформації. Синтез нових прецизійних, інформаційних і вимірювальних наукомістких технологій дає основу для проектування і виробництва інтелектуальних мехатронних модулів і систем.

Надалі мехатронні машини і системи будуть об'єднуватися в мехатроні комплекси на базі єдиних інтеграційних платформ. Мета створення таких комплексів – поєднання високої продуктивності і одночасно гнучкості техніко-технологічного середовища за рахунок можливості її реконфігурації, що дозволить забезпечити конкурентоспроможність і високу якість продукції на ринках XXI століття.