Базовыми объектами изучения мехатроники и робототехники являются мехатронные модули различного назначения. Проектирование современных мехатронных систем основано на модульных принципах и технологиях.
Общее определение модуля: «Модуль - это унифицированная функциональная часть машины (системы), конструктивно оформленная как самостоятельное изделие или подсистема».
Понятие мехатронного модуля (ММ) формулируется следующим образом: «Мехатронный модуль - это функционально и конструктивно самостоятельное синергетически, аппаратно и программно интегрированное изделие (или подсистема), состоящее из элементов различной физической природы и предназначенное для реализации определенных функций системы».
Модули могут состоять из отдельных мехатронных элементов (компонентов).
Мехатронные модули мехатронных систем по характеру выполняемых ими функций и по составу входящих в них устройств и элементов можно подразделить на три группы:
1. Исполнительные мехатронные модули движения.
2. Измерительно-информационные мехатронные модули.
3. Мехатронные модули систем управления различного уровня.
Исполнительные мехатронные модули движения по составу объединяемых устройств и элементов можно разделить:
a) на модули движения (МД);
b) мехатронные модули движения (ММД);
c) интеллектуальные мехатронные модули движения (ИММД).
Модуль движения (МД) - конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя механическую (гидравлическую, пневматическую) и электротехническую части, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.
Примерами МД являются моторредукторы, мотор-колесо, мотор- барабан, электрошпиндель.
Мехатронный модуль движения (ММД) - конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя механическую (гидравлическую, пневматическую), электротехническую, электронную и информационную части, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями. В отличие от МД в ММД появились электронные и информационные устройства.
В последнее время наметилась реальная интеллектуализация исполнительных мехатронных модулей движения на приводном уровне машин и механизмов. Интеллектуальный мехатронный модуль движения (ИММД) - конструктивно и функционально самостоятельное изделие с синергетической. Интеграцией механической (гидравлической, пневматической), электрической, электротехнической, электронной и компьютерной (микропроцессорной) частей, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.
Таким образом, по сравнению с ММД в конструкцию ИММД дополнительно включены микропроцессорные вычислительные устройства и силовые электронные преобразователи, а также элементы, обеспечивающие интеллектуальное управление со степенью интеллектуальности хотя бы в малом.
В состав исполниительной подсистемы мехатронной машины входят:
- Механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган;
- Блок приводов, включающий в себя силовые преобразователи исполнительные двигатели.
- Механическое устройство мехатронной машины представляет собой многозвенный механизм, кинематическую цепь которого образуют движущиеся звенья, составляющие кинематические пары. Конечным звеном кинематической цепи является рабочий орган.
- Рабочий орган мехатронной машины - это составная часть механического устройства для непосредственного выполнения технологических операций и / или вспомогательных переходов.
Примеры рабочих органов в робототехнике: механические схваты, вакуумные и электромагнитные захватные устройства, сварочные клещи (для точечной сварки), инструментальные головки для механообработки и лазерных операций, окрасочный пистолет. Таким образом, рабочий орган - это управляемый модуль, который может иметь несколько степеней подвижности и состоять из нескольких элементов, поэтому при его разработке также могут использоваться мехатронные принципы интеграции.
Моторы-редукторы – это механизмы, объединяющие в одном корпусе и электрические двигатели и редуктор. Они являются незаменимыми агрегатами везде, где потребуется изменение мощностей крутящих моментов или отрегулированные скорости электродвигателей. Мотор-редуктор используется для конструкций лебедок, конвейера и т.д. Мотор-редуктор подразделяется на виды:
- цилиндрический – очень надежен, имеет немалый ресурс эксплуатационной мощности, используется для обеспечений машины высокими оборотами. Бывает шевронным, прямозубым и косозубым;
- конический – имеет не параллельную, а пересекающуюся ось входного и выходного валов, что позволит использовать его с целью изменений направления кинетических передач;
- червячный – отличают этот редуктор высоким передаточным отношением, большим тепловыделением и невысоким КПД;
- планетарный – имеет малые размеры и вес, но отличается высокими нагрузочными способностями, с которыми можно получать хорошую передаточную величину;
- смешанный тип – в одном корпусе в наличии несколько передач. В современном варианте редуктор, совмещенный с мотором, используется очень широко. Типы редукторов выбираются в зависимость от целевых применений.
Мотор-колесо представляет собой агрегат, объединяющий колесо и встроенные в него тяговый электродвигатель, силовую передачу и, в некоторых случаях, тормозную систему (таким образом, каждое мотор-колесо имеет индивидуальный привод). Питается энергией от аккумулятора (на электромобилях). Существует два режима работы мотор-колеса — тяговый и генераторный. В тяговом режиме вращение передаётся с вала якоря электродвигателя, работающего в двигательном режиме, через редуктор к внутреннему зубчатому венцу ведущего колеса. Наибольшее распространение мотор-колёса получили на складских электрических машинах.
Эффектор робота — это физический интерфейс между рукой робота и обрабатываемой деталью. Этот инструмент на конце руки. Является одной из наиболее важных частей робота. Захват — разновидность эффектора, предназначенная для удержания и перемещения деталей. Захват входит в прямой контакт с продуктом, поэтому важно выбрать правильный тип захвата, наиболее подходящий для целевых объектов, который сможет надежно удерживать и не повредить их. Другие существующие виды эффекторов: сварочное, фрезерное или сверлильное оборудование, шуруповерты и гайковерты, распылители для краски или специальные захваты для определенных типов объектов, 3D-печатные экструдеры, строительный инструмент.
Существую также антропоморфные захваты, повторяющие кисть человеческой руки, но они почти не применяются в промышленности (до тех пор, пока антропоморфные роботы не задействованы на производстве), а предназначены для исследовательских и медицинских целей, например — как часть протезов.
Сегодня разработчики придерживаются двух принципиально разных подходов к проектированию эффекторов: универсальные захваты под любой тип инструмента или задачи, либо быстросменные узкоспециализированные захваты. Каждый подход имеет как свои достоинства, так и недостатки, поэтому проектировщикам роботизированных производств приходится учитывать экономическую целесообразность обоих подходов. На сегодняшний день наиболее распространенными являются узкоспециализированные захваты.
Захваты различаются по следующим типам:
По принципу действия:
- механические;
- магнитные;
- вакуумные;
- с эластичными пневматическими или гидравлическими камерами.
По характеру базирования объектов:
- базирующие (перемещающие объекты в заданную область);
- перебазирующие (способные изменять положение объектов в том числе относительно себя);
- центрирующие;
- поддерживающие;
- фиксирующие.
По характеру крепления:
- несменяемые;
- сменные;
- быстросменные;
- с автоматической заменой.
По типу привода:
- пружинные;
- пневматические;
- гидравлические;
- электромеханические.
Важными узлами мехатронных станций и многоцелевых станков с ЧПУ с горизонтальной и вертикальной компоновкой шпинделя являются поворотные и поворотно-наклоные столы для дополнительного получения к трем линейным координатным перемещениям рабочих органов еще двух круговых, что позволяет изготавливать на таких станках очень сложные детали.
-