Лекція 2. Принципи побудови мехатронних систем

 

Розглянемо узагальнену структуру машин з комп'ютерним керуванням, орієнтованих на задачі автоматизованого машинобудування, яка показана на рис. 2.1. В основу побудови даної схеми покладена широко відома структура автоматичних роботів, введена академіком Е. П. Поповим.

Зовнішнім середовищем для машин розглянутого класу є технологічне середовище, яке містить різне основне і допоміжне обладнання, технологічну оснастку і виконавчу роботу.

При виконанні мехатронною системою заданого функціонального руху виконавчих робіт надають впливи на робочий орган. Прикладами таких впливів можуть служити сили різання для операцій механообробки, контактні сили і моменти сил при складанні, сила реакції струменя рідини при операції гідравлічного різання.

Зовнішні середовища умовно можна розділити на два основні класи: детерміновані та недетерміновані. До детермінованих відносяться середовища, для яких параметри збуджуючих впливів і характеристик об'єктів робіт можуть бути заздалегідь визначені з необхідною для проектування мехатронних систем ступенем точності. Деякі середовища є недермінірованними за своєю природою (наприклад, екстремальні середовища: підводні, підземні і т.п.). Характеристики технологічних середовищ як правило можуть бути визначені за допомогою аналітично-експериментальних досліджень і методів комп'ютерного моделювання. Наприклад, для оцінки сил різання при механообробці проводять серії експериментів на спеціальних дослідницьких установках, параметри вібраційних впливів вимірюють на вібростендах з подальшим формуванням математичних і комп'ютерних моделей різних впливів на основі експериментальних даних.

Однак для організації та проведення подібних досліджень часто потрібні занадто складна і дорога апаратура та вимірювальні технології. Так для попередньої оцінки силових впливів на робочий орган при операції роботизованого видалення облою з литих виробів необхідно виміряти фактичну форму і розміри кожної заготовки. В таких випадках доцільно застосовувати методи адаптивного управління, які дозволяють автоматично коректувати закон руху мехатроною системою безпосередньо в хід встановлення.

Рис. 2.1. Узагальнена схема машини з комп'ютерним керуючим рухом

 

До складу традиційних машин входять наступні основні компоненти: механічний пристрій, кінцевою ланкою якого є робочий орган; блок приводів, що включає силові перетворювачі і виконавчі двигуни; пристрій комп'ютерного управління, верхнім рівнем для якого є людина-оператор, або інша ЕОМ, що входить в комп'ютерну мережу; сенсори, призначені для передачі в пристрій управління інформації про фактичний стан блоків машини та рух мехатронних систем.

Таким чином, наявність трьох обов'язкових частин - механічної (точніше електромеханічної), електронної та комп'ютерної, пов'язаних енергетичними та інформаційними потоками, є первинним ознакою, що відрізняє мехатронні системи.

Електромеханічна частина включає механічні ланки і передачі, робочий орган, електродвигуни, сенсори і додаткові електротехнічні елементи (гальма, муфти). Механічний пристрій призначений для перетворення рухів ланок в необхідний рух робочого органу. Електронна частина складається з мікроелектронних пристроїв, силових перетворювачів і електроніки вимірювальних ланцюгів. Сенсори призначені для збору даних про фактичний стан зовнішнього середовища і об'єктів робіт, механічного пристрою і блоку приводів з подальшою первинною обробкою і передачею цієї інформації в пристрій комп'ютерного керування (ПКК). До складу ПКК мехатронної системи зазвичай входять комп'ютер верхнього рівня і контролери управління рухом.

Основні функції керування мехатроних систем:

1. Управління процесом механічного руху мехатронного модуля або багатовимірної системи в реальному часі з обробкою сенсорної інформації.

2. Організація керування функціональними рухами мехатроних систем, яка передбачає координацію керування механічним рухом мехатроних систем і супутніми зовнішніми процесами. Як правило, для реалізації функції керування зовнішніми процесами використовуються дискретні входи / виходи пристрою.

3. Взаємодія з людиною-оператором через людино-машинний інтерфейс в режимах автономного програмування (off-line) і безпосередньо в процесі руху МС (режим on-line).

4. Організація обміну данни між периферійними пристроями, сенсорами та іншими пристроями системи.

Завданням мехатронної системи є перетворення вхідної інформації, що надходить з верхнього управління, в цілеспрямований механічний рух з керуванням на основі принципу зворотного зв'язку.

Характерно, що електрична енергія (гідравлічна або пневматична) використовується в сучасних системах як проміжна енергетична форма.

Суть мехатроного підходу для проектування полягає в інтеграції в єдиний функціональний модуль двох або більше елементів можливо навіть різної фізичної природи. Іншими словами, на стадії проектування з традиційної структури машини виключається сепараторний пристрій (принаймні один інтерфейс) при збереженні фізичної сутності перетворення, виконуваного даними модулем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2. Ієрархічна структура мехатронної системи

 

В ідеальному для користувача варіанті мехатроний модуль, отримавши на вхід інформацію про цілі керування, виконуватиме з бажаними показниками якості заданого функціонального руху. Апаратне об'єднання елементів в єдині конструктивні модулі повинно обов'язково супроводжуватись розробкою інтегрованого програмного забезпечення. Програмні засоби мехатроних систем повинні забезпечувати безпосередній перехід від задуму системи через її математичне моделювання до керування функціональним рухом у реальному часі. Застосування мехатроного підходу при створенні машин з комп'ютерним керуванням визначає їх основні переваги в порівнянні з традиційними засобами автоматизації:

• відносно низьку вартість завдяки високому ступеню інтеграції, уніфікації та стандартизації всіх елементів і інтерфейсів;

• висока якість реалізації складних і точних рухів внаслідок застосування методів інтелектуального управління;

• високу надійність, довговічність і перешкодозахищеність;

• конструктивну компактність модулів (аж до мініатюризації в мікромашину);

• поліпшені масогабаритні і динамічні характеристики машин внаслідок спрощення кінематичних ланцюгів;

• можливість комплексування функціональних модулів у складні системи і комплекси під конкретні завдання замовника.

Рис. 2.3. Структура мехатронної системи