Мехатроника как средство создания техники нового поколения

Сказки роботов

Summary:

Известно, что на стыках различных научных и технических дисциплин чаще всего появляются неординарные решения проблем, казавшихся ранее неразрешимыми. Именно на таком «стыке» механики и электроники находится мехатроника.

Как это не парадоксально, но августовский кризис 1998 г. пришелся отечественной промышленности весьма кстати: благодаря ему иностранные компании были на несколько лет вытеснены с российского рынка. Определенное преимущество получили и наши предприятия, изготавливающие оборудование для пищевой промышленности. Однако рано или поздно действие эффекта девальвации заканчивается, и для производителей продуктов питания настает время всерьез задуматься о смене машинного парка, большая часть которого, оставшаяся еще с советских времен, давно уже устарела и физически, и морально.
С заменой оборудования все ясно. Чем старше техника, тем больше убытков она приносит из-за вынужденных простоев для ремонта. И с течением времени либо ремонт становится бесконечным, либо машина просто рассыпается.
С утверждением о моральном устаревании можно поспорить. Одно время даже существовал лозунг: “В нашей стране техника морально не стареет”. Однако если производители все-таки хотят, чтобы их продукция пользовалась спросом, она должна быть дешевой и отвечать современным требованиям качества. Следовательно, оборудование, на котором эта продукция производится, тоже должно быть относительно недорогим и, главное, не требующим значительных затрат времени, сил и средств на поддержание его в рабочем состоянии.
На практике требования к “идеальному” оборудованию сводятся к следующему:

1. плановый ремонт и обслуживание должны производится редко и в кратчайшие сроки;

2. технология ремонта и обслуживания должна быть максимально простой;

3. внеплановых остановок и ремонтов быть не должно;

4. количество персонала, работающего с оборудованием, должно быть минимальным, а требования к его квалификации невысоки;

5. максимально возможное количество операций должно производиться без непосредственного участия человека, оптимально — полностью автоматический режим работы;

6. чем меньше масса и размеры машин, тем лучше.

Оборудование, разработанное 20 лет назад, всем этим требованиям в большинстве случаев не отвечает. И чтобы удержаться на плаву в условиях жесткой конкуренции, необходимо модернизировать не только изделия, но и само производство. Как сделать это одновременно?

Теория

Известно, что на стыках различных научных и технических дисциплин чаще всего появляются неординарные решения проблем, казавшихся ранее неразрешимыми. Именно на таком “стыке” механики и электроники находится мехатроника.

Термин “мехатроника” появился в 80-х гг. прошлого века, хотя машины, построенные на основе принципа, который позже был назван мехатроникой, существовали и ранее. В 1984 г. Японское общество инженеров-механиков выпустило 7-томное издание, посвященное мехатронике, тем самым официально утвердив этот термин. К сожалению, в России о нем мало кто слышал.
Наиболее распространенными в настоящее время являются три определения мехатроники.

4. Мехатроника — приоритетное направление развития техносферы, интегрирующее механику, электронику, автоматику и информатику в целях совершенствования технологий производства и создания техники новых поколений в промышленности, энергетике и на транспорте, включая станкостроение, робототехнику, авиа-, ракетно-космическую и биомедицинскую технику.

5. Мехатроника — это комплекс средств и принципов механики, электроники и информатики, синтез существующих в настоящее время технологий, эффективно используемых для достижения конкретной цели.

6. Мехатроника — новый междисциплинарный подход, обеспечивающий создание “интеллектуальных объектов”.Мы же предлагаем свое определение: мехатроника — это направление в развитии машин, связанное с интеграцией механических и электронных устройств для оптимизации технологических операций, включающих в себя механическое движение.

Существует термин “электромеханика”, внешне похожий на “мехатроника”, однако по сути это разные вещи. И разница здесь в уровнях развития техники. Термин “электромеханика” подразумевает сочетание механики и электротехники или электроники “низшего уровня” (диодов, резисторов, тиристоров и т. д.). Появление мехатроники связано с развитием микроэлектроники и микропроцессорной техники.
Эта техника при малых размерах может выполнять сложнейшие операции по управлению, которые технике предыдущих поколений были не под силу. Даже при простой замене старых элементов на новые блок управления сильно теряет в весе и размерах, выигрывая при этом в производительности.
Микропроцессорные системы достаточно легко можно “наделить” способностью к самотестированию и обратной связи. Кроме того, для корректировки работы системы в большинстве случаев достаточно лишь внести изменения в программу, не переделывая сам механизм.Однако и у электроники есть свои недостатки. Например, она иногда “зависает”, то есть происходит некий программный или аппаратный сбой, добраться до причины которого порой довольно сложно. Электроника не любит сырость, пыль, различные силовые поля, она очень требовательна к качеству электропитания (т. е. к стабильности и величине напряжения и силы тока). У механики таких недостатков нет.
Мехатроника, сочетая механику и электронику, берет от каждой лучшее.
Главное преимущество микропроцессорных систем в их гибкости и универсальности. Все микропроцессоры состоят из интегральных микросхем, которые, в свою очередь, составлены из стандартных простых элементов (диодов, транзисторов и т. п.). Если из строя вышла одна из системных плат, ее легко заменить на аналогичную, и это не потребует значительных денежных и временных затрат.Похожая ситуация и с программами: они тоже состоят из стандартных элементов. Все команды любой программы, написанной на любом языке программирования, превращаются в последовательности цифр 0 и 1 (точнее, в напряжение 0 В и +5 В), и эти команды понимает любой микропроцессор.
В мехатронике можно выделить следующие уровни: локальный и глобальный. Локальный уровень — это мехатронный узел, глобальный — мехатронная система.
Мехатронная система включает в себя исполнительные механизмы, электронные блоки управления и датчики, осуществляющие обратную связь. Яркий пример мехатронной системы — автомобильные системы впрыска топлива (инжекторы). В данном случае вместо механического прерывателя-распределителя зажигания и механического карбюратора с механическим управлением устанавливаются электронные блоки и управляемые ими по проводам форсунки. В результате двигатель в определенном смысле становится самонастраивающейся и самодиагностирующейся системой.
В упаковочном оборудовании примером мехатронной системы может служить автоматическая линия блистерной упаковки АЛБ-165, разработанная Институтом машиноведения РАН. Линия эта потребляет всего 6 кВт электроэнергии, 400 л/мин сжатого воздуха и 5 л/мин холодной воды. Очевидным преимуществом являются ее небольшие габариты: 2500х620х1500 мм при массе 350 кг. Линия предназначена для фасовки полужидких субстанций (сметана, сгущенное молоко, майонез), а при небольшой доработке может использоваться и для других типов продуктов. Производительность линии — до 2 т в сутки в зависимости от размера упаковки. В качестве упаковочного материала используется пленка (полистирольная или поливинилхлоридная) и алюминиевая фольга с термосваривающим покрытием. Технологическая схема машины (см. рисунок 1) является классической для блистерной упаковки.
Конечно, можно делать емкости отдельно или закупать их на стороне, тем самым обойтись безо всякой мехатроники. Но тогда будет потеряно одно из главных преимуществ блистерной упаковки — ее антисептичность. Пленка и фольга производятся на химических и металлургических предприятиях в условиях очень неблагоприятных для жизни микроорганизмов и поставляются в плотно намотанных рулонах. Сами по себе данные материалы питательной средой для микроорганизмов не являются. К тому же перед формовкой пленка подвергается термическому воздействию, также губительному для микробов. Все это гарантирует стерильность упаковки при едином технологическом цикле.
Работает линия следующим образом. Рабочий стол перемещается вдоль линии, разматывая пленку и фольгу из рулонов на один шаг, равный по величине одной емкости. Затем последовательно, в специальных секциях, происходят: нагрев пленки, формовка емкости, заполнение ее продуктом, сварка покровной фольги и краев емкости, вырубка “звездочек” на углах емкостей и продольная надрезка и отрезка блоков емкостей. Количество емкостей в блоке задается с пульта или программно, можно также отрезать отдельные емкости. Все эти операции составляют один цикл.
Секции (или устройства), входящие в состав автоматической линии, называются еще рабочими станциями. Каждая рабочая станция имеет независимый пневмопривод и включается в работу по команде микропроцессора. Обратная связь осуществляется посредством разнообразных датчиков. Иначе говоря, рабочая станция управляется “по проводам”, механических связей с блоком управления у нее нет.
Вся электронная и пневматическая “начинка” этой линии стандартна и изготовлена специализирующимися в этих областях фирмами. Даже механизмы рабочих станций, разработанные для этой линии, можно считать стандартными. Они могут использоваться на оборудовании других производителей и даже для других технологических операций.
Время цикла и параметры отдельных технологических операций задаются программно, и их можно легко и быстро изменить при переходе на другой продукт или упаковку. Линия будет работать в автоматическом режиме, человеку остается лишь принимать упакованную продукцию и укладывать ее в коробки.
Применение мехатроники позволяет быстро и с небольшими финансовыми затратами встроить в существующую линию рабочие станции для дополнительных технологических операций, например, для нанесения рисунка или наклейки этикеток. В настоящее время используется фольга с готовым рисунком, ее совмещение с емкостями осуществляется специальным механизмом. На фольгу нанесены метки, на смещение которых реагирует датчик, и по его команде механизм вытягивает фольгу.
Осуществить подобный проект, используя лишь классические механические и электрические способы управления, весьма затруднительно. Для этого пришлось бы задействовать громоздкий и мощный двигатель с распределительным валом, приводящим в действие все рабочие станции; к столу пришлось бы пристроить передаточное устройство, а механизм совмещения вообще невозможно было бы построить.
Примером мехатронного узла может служить разрабатываемое в настоящее время устройство коррекции положения рабочих станций в процессе работы. Необходимость в нем возникла в связи с тем, что некоторые корпусные материалы, остывая после остановки линии, дают усадку, а потом, нагреваясь при работе, снова вытягиваются. В результате емкости “выезжают” из рабочих станций.
Устройство, позволяющее решить эту проблему, может быть создано на основе принципов механического усилителя мощности и рекуперации энергии. В механическом усилителе мощности используется эффект самоторможения, свойственный некоторым механизмам. Самотормозящими называются механизмы, которые можно привести в движение только со стороны звена, к которому подводится энергия. Рекуперация (от лат. recuperatio — обратное получение, возвращение) — возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса для повторного использования в том же процессе. Кинематическая схема данного устройства представлена на рисунке 2.
Устройство коррекции положения рабочих станций состоит из силового пневмоцилиндра (1), винтовой передачи (3), рекупера и пневмодвигателя подкачки рекупера (9). Рекупер сам является отдельным мехатронным узлом в составе устройства перемещения рабочих станций. Он включает в себя аккумулятор механической энергии на базе упругого элемента (спиральной пружины) (5), управляемые упоры-фиксаторы (6), взаимодействующие с ними зубчатые диски (7), датчики (4), отсчитывающие угол поворота диска, и конический дифференциальный механизм (8). Рабочая станция (2) является перемещаемым объектом.
Работает устройство следующим образом: от датчика на рабочей станции в блок управления поступает сигнал о необходимости включения устройства перемещения; от блока управления на рекупер поступает сигнал, соответствующий величине перемещения; упор освобождает зубчатый диск, и рекупер вращает винт, отсчитывая необходимое количество шагов. Причем половину пути заданного перемещения рекупер разряжается, потом по сигналу датчика первый зубчатый диск фиксируется, второй освобождается и благодаря применению дифференциального механизма рекупер, вращаясь в том же направлении, заряжается, одновременно осуществляя плавное торможение. Двигатель подкачки компенсирует потери энергии.
Рекупер в 2—3 раза увеличивает быстродействие агрегата и на порядок снижает энергозатраты. Силовой пневмоцилиндр в это время перемещает рабочую станцию, усиливая таким образом управляющий сигнал рекупера. Поскольку винтовая передача является самотормозящим механизмом (попробуйте-ка сдвинуть гайку, не вращая винт), то когда остановится рекупер, прекратится движение всего устройства.

Преимущества

Мехатроника несет потребителю оборудования немало преимуществ по сравнению с техникой предыдущего поколения. Это уменьшение массы и линейных размеров, повышение надежности как отдельных узлов, так и машины в целом, более простая технология ремонта и обслуживания, увеличение межремонтного периода.
Производителю же упаковочного оборудования мехатроника позволит существенно повысить эффективность машин и автоматических линий. Во-первых, применение стандартных деталей заметно ускоряет, а значит и удешевляет проектирование. Во-вторых, активизируется процесс оборота денежных средств. В-третьих, держать большой парк дорогих универсальных станков, которые в основном применяются в единичном и мелкосерийном производстве (а именно таким является производство упаковочного оборудования), не нужно. Можно вообще ограничиться одним сборочным участком, причем с самыми простейшими приспособлениями, а небольшое количество оригинальных деталей делать на заказ по мере необходимости.
В заключение можно сказать, что внедрение мехатроники в производство особенно выгодно на предприятиях малого и среднего бизнеса (в том числе упаковочного), где большая часть оборудования отлаживается под конкретные и, как правило, регулярные заказы. Использование гибких электронных систем управления позволит делать это максимально быстро, удобно и дешево.

МЕХАТРОНИКА» - новое направление в науке и технике, которое базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.
Объектами профессиональной деятельности являются: технические системы, агрегаты, машины и комплексы машин различного назначения, построенные на базе мехатронных модулей, используемых в качестве информационно-сенсорных, исполнительных и управляющих устройств. Сферой деятельности являются робототехнические системы как промышленного, так и непромышленного назначения, а также необходимое программно-алгоритмическое обеспечение для управления такими системами, для их проектирования и эксплуатации.
Специальные дисциплины:

Основы мехатроники;

Конструирование мехатронных модулей;

Проектирование мехатронных систем;

Применение мехатронных систем;

Микропроцессорная техника;

Компьютерное управление мехатронными системами;

Информационные системы и устройства в мехатронике;

Электромеханические и мехатронные системы;

Электронные устройства в мехатронике;

Моделирование и исследование мехатронных систем и устройств;

Мехатроника как средство создания техники нового поколения

Мюнхенский концерн "BMW" недавно получил награды за "Лучшую технологию 2004-го года" и за "Лучшую разработку 2003-го года". Так французский и немецкий автожурналы отметили создание активной системы рулевого управления "Active Front Steering" (AFS). Это первый пример использования компанией BMW мехатронной конструкции на серийном автомобиле.

Мехатроника - направление развития техносферы, интегрирующего механику, электронику, автоматику и информатику в целях совершенствования технологий производства и создания техники новых поколений.

Мехатронное рулевое управление - это конструкция, где механический вал активно связан с гидравлической и электронной системами автомобиля. Легче всего понять, как всё это работает, на конкретном примере. Вы попали на обочину дороги, причём так, что каждое из колёс двигается по разному покрытию. Вы начинаете тормозить, а система AFS, моментально оценивая качество поверхности под каждым колесом, самостоятельно руководит ими - каждым из колёс - и рулём. Причём непрофессионал этого вмешательства электроники даже и не заметит. Система Active Front Steering "спарена" с системой стабилизации движения Dynamic Stability Control (DSC), благодаря чему любое "перекручивание руля" тотчас выявляется компьютером и и корректируется незаметно для водителя. Можно сказать, что AFS - это новый ассистент (вроде уже давно известных АВS или ESP), но более разносторонний и шустрый. Система AFS делает управление автомобилем более удобным и повышает его манёвренность и безопасность.

На практике применение AFS помогает сократить тормозной путь на 10 процентов, поскольку тормозное усилие применяется более эффективно, как бы более "осмысленно". Жизнь водителя BMW облегчается ещё и тем, что теперь система рулевого управления получила изменяемую скорость вращения рулевого вала и переменный шаг зубьев рулевой рейки. Благодаря этому улучшается управляемость автомобилем в поворотах и на извилистых дорогах, поскольку водителю нужно прилагать меньше усилий для поворота руля. Процесс парковки также становится значительно проще, так как требует не более двух полных оборотов руля вместо трёх-четырех, которые были необходимы раньше. При движении по прямой случайные незначительные подёргивания руля (например, на выбоинах) будут меньше влиять на траекторию движения, автомобиль будет двигаться стабильнее.

Система Active Front Steering была разработана компанией BMW в содружестве с фирмой ZF Lenksysteme GmbH.

Виктор Агаев. "Немецкая волна"

Университет Фонтис предлагает программу бакалавра в области мехатроники. Мехатроника - это эффективное соединение механики, электроники и интеллектуального управления. Она включает в себя точное машиностроение, информатику, математику и технологии для моделирования более усовершенственных систем и процессов. Мехатроника уже активно используется в индустрии, производстве, медицине и секторе обслуживания. В курс обучения войдут следующие придметы:

• информатика
• сети и аналоговая электроника
• программирование в C++
• передача электрической энергии
• мехатроника
• приводные принципы
• принципы построения
• автомотизация и др.

Наиболее интересным является направление «Мехатроника», объединяющее механику, электронику и информатику. Суть мехатроники заключается в ее междисциплинарной природе. Это направление объединило взгляды специалистов различных направлений. Это значит, что инженеры-механики должны воспринимать мехатронику как расширение механики, инженетры-электрики как дополнение к электрике, а компьютерщики как практическое применение информационных технологий. Оборудование и программноеобеспечение, поставляемые FESTO, позволяют оборудовать любую лабораторию мечты.

Студенты, выполняя конкретные задания на компьютерах, настоящих измерительных и производственных приборах и системах, знакомятся с технологическими заданиями и принципами работы составляющих частей настоящего оборудования. Практические навыки студентов отрабатываются на станциях MPS-центральном элементе модульной производственной системы, являющейся, по сути, лабораторией для углубленного изучения мехатроники

Современная мехатроника – что это?

Мехатроникой сегодня называют науку об «интеллектуальных» машинах. Концепция «мехатроника» – удачное слияние механизмов и микроэлектроники – была основана в конце 60-х годов. С появлением этой науки увеличилась производительность в таких отраслях, как автомобилестроение, компьютеры, средства связи, появилась возможность их глобального развития.

Современное человечество не может представить своей жизни без компьютера, мобильного телефона и Интернета. Новостью о разработках в области «искусственного интеллекта» в наши дни вряд ли кого-то можно удивить. Мы уже не задумываемся о том, как устроены те системы, которыми мы пользуемся каждый день: а существование этих сложных систем стало возможным благодаря успешным разработкам в сфере мехатроники и интеллекта.
Академик РАЕН, доктор технических наук, заведующий кафедрой кибернетики и мехатроники профессор Константин Пупков, выступая с докладом на Фестивале науки, выстроил свою систему «интеллектуальных ценностей»: «Успехи в области мехатроники, микро-, нанопроцессорной техники и информационных технологий приводят к необходимости разработки и создания нового типа систем обработки информации и управления – интеллектуальных; этот тип систем особенно важен в мехатронике, поскольку проектирование механических систем и их систем управления должно осуществляться как единое целое – интегрированные системы. При этом надо учитывать, что одни проблемы могут быть решены легко и просто в физических и механических образцах, другие в «информационных» образцах – в микроконтроллерах. Эти составляющие объединены информационным процессом, реализованным, в том числе, в программном обеспечении».
«Современная мехатроника появилась не на пустом месте, – подчеркивает академик Константин Пупков, – ей предшествовал огромный опыт комплексирования механических устройств, радио- и оптоэлектроники, аналоговых и цифровых вычислительных средств в сложных системах различного назначения. Компоненты этих систем представляют собой отдельные блоки, которые соединяются с помощью различных преобразователей (ЦАП, АЦП) и других сопрягающих устройств. Однако, как и в нынешней мехатронике, все эти блоки объединялись информационным процессом, включавшим получение и обработку измерительной информации, ее распознавание, прогнозирование, выработку управления, исполнение управления действием и контроль результатов действия. Сейчас это явление можно назвать макромехатроникой. Усложнение решаемых задач, обеспечение высокой точности и надежности работы систем, улучшение качества выпускаемой продукции, безопасность потребовали новых подходов. Нужна была гибкая обработка информации в условиях ее неполноты и противоречивости, принятия решения, синтеза и коррекции цели, сложного воздействия окружающей среды. Единственная интеллектуальная система, которая может справиться с этими задачами – это человек».

В 1935 году П. К. Анохин применил разработанный им системный подход к изучению и пониманию функций живого организма, опираясь на предложенную им же оригинальную теорию функциональной системы. Используя тончайшие методы аналитического исследования нервной системы, Анохин находит место любому физиологическому процессу в целостной структуре организма. По мнению ученого, функциональная система – есть замкнутое физиологическое образование с наличием обратной информационной связи о результатах действия. Каждая функциональная система (от уровня клетки до макроуровня), обеспечивающая приспособительный эффект, имеет многочисленные каналы, по которым информация с периферии достигает соответствующих нервных центров. Работы П. К. Анохина легли в основу определения «интеллектуальная система», используемого в современной мехатронике.

«Под «интеллектуальной системой» будем понимать объединенную информационным процессом совокупность технических средств и программного обеспечения, работающую во взаимосвязи с человеком (коллективом людей) или автономно, способную на основе сведений и знаний при наличии мотивации синтезировать цель, принимать решение к действию и находить рациональные способы достижения цели», – поясняет Константин Пупков.

Говоря об этой науке сегодня, необходимо отметить, что системы мехатроники
и их производство являются комбинацией компьютеров, механизмов, исполнительных устройств, чувствительных элементов и функций управления системами, которые все усложняются. По словам Константина Пупкова, «грядущая эра перемен, вызванная развитием технологий, будет, по существу, эрой безграничных возможностей инженерной профессии и эрой восстановления ведущих позиций инженеров. Начало XXI века может стать для инженеров настоящей эпохой Ренессанса. Естественно, это должно учитываться при подготовке учебных планов в университетах и при повышении квалификации».
Интеллектуализация меха-троники сопряжена, например, с созданием робота-гуманоида. В свое время был поставлен вопрос о создании робота в соответствии со строгой антропометрической концепцией. Можно ли сделать гуманоид, который бы потреблял 100 Вт энергии? Какое моделирование и исследование систем надо провести, чтобы сделать такую машину? Здесь необходимо обратиться к построению моделей механизмов и систем в живой природе, и прежде всего человека, с параллельным привлечением достижений наноэлектроники и нанотехнологий. «В ближайшее время современная мехатроника должна быть наномеханикой, конечно, используя концепцию интеллектуальной системы», – убежден Константин Пупков.

Заключительным этапом доклада о мехатронике стала цитата академика И. П. Павлова: «Вся жизнь – от простейших до сложнейших организмов, включая, конечно, и человека, есть длинный ряд все усложняющихся до высочайшей степени уравновешиваний среды. Придет время, пусть отдаленное, когда математический анализ, опираясь на естественно-научный, осветит величественными формами уравнений все эти уравновешивания, включая в них и самого себя». «Это время пришло!» – уверен заведующий кафедрой кибернетики и мехатроники РУДН.

.