1. Что такое мехатроника

Мехатроника – новая область науки и техники, которая посвящена созданию и эксплуатации систем с компьютерным управлением, базирующаяся на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и систем управления механизмами, агрегатами и т.д.

Мехатронике присуща единая сущность механических, электрических и компьютерных элементов. Системная интеграция трех элементов является необходимым условием построения и существования МС.

Мехатроника – наука, которая изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электроникой, электротехникой и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых машин, систем и комплексов с интеллектуальным управлением.

1. Мехатроника изучает универсальные подходы к построению машин с новыми характеристиками.

2. Синергетическое объединение – характер интеграции составляющих узлов МС. Синергия – совместное действие на достижение единой цели. Составляющие части системы дополняют друг друга, и при создании новой системы будут обладать качественно новыми свойствами.

3. Интегрированные МС – элементы мехатронной системы выбираются разработчиком на этапе проектирования, а затем обеспечивается инженерно-техническая поддержка при производстве МС и эксплуатации.

4. методологической разработкой МС служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением сначала происходит разработка, механической, электрической и компьютерных частей системы, а затем производится выбор интерфейсных блоков. В МС параллельное проектирование заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов.

5. Базовыми объектами мехатроники является мехатронный модуль, который выполняет движение по одной управляемой координате. Из таких модулей комплектуется сложная система модулей.

6. МС предназначены для реализации заданного движения. Критерием качества выполнения движения МС – проблемное ориентирование, т.е. он определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач в машиностроении состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины. Необходимо координировать управление пространством перемещений МС, а также совместно с управлением различными внешними процессами (регулирование силового взаимодействия рабочего органа станка с объектом обработки), контроль и диагностика текущего состояния критических элементов МС, управление дополнительными технологическими воздействиями на деталь (в комбинированных механизмах обработки), управление вспомогательными элементами оборудования. это управление называется функциональным управлением и контролем. Для реализации повышения качества и точности движений применяют методы интеллектуального управления. Они опираются на новые идеи теории управления с помощью современных аппаратных и программных средств вычислительной техники и перспективного подхода к синтезу МС.

Т.о. мехатроника находится в начале развития, в котором границы еще не определены.

2. Концепция проектирования и применения мехатронных систем

Современные требования рынка вызвали бурное развитие мехатроники.

Март 2002г. – основы политики РФ в области развития технологий до 2010г. и далее: мехатронные технологии являются для РФ критическими.

Требования, предъявляемые к функциональным характеристикам технологических ММ:

1. сверхвысокие скорости движения рабочих органов, которые определяют новый уровень.

2. сверхвысокая точность для реализации прецизионных нанотехнологий.

3. максимальная компактность конструкции и минимизация массогабаритных показателей модулей.

4. интеллектуальное поведение машин, функционирующих в изменяющихся и неопределенных внешних сферах.

5. реализация быстрых и точных перемещений по сложным контурами поверхностям.

6. существенное расширение технологических и функциональных возможностей оборудования без увеличения стоимости.

7. способность системы к реконфигурации в зависимости от конкретной выполняемой задачи или операции.

8. высокая надежность и безопасность функционирования.

Передовой мировой уровень можно оценивать по новейшим образцам оборудования. Приводные системы современных станков имеют следующие характеристики:

· рабочая подача – до 0,15 мм/мин

· скорость ускоренных перемещений – до 15000 мм/мин

· ускорение при разгоне – 3g

· точность обработки – 1-2 мкм

Для создания таких машин необходимы новые подходы в проектировании и производстве. Методология проектирования модулей машин на основе мехатронного подхода направлено на синергетическую интеграцию.

Ключевой методологической идеей данного подхода является приоритет функции модуля над ее структурной организацией и конструкторским решением. Применяя последовательно выполнение процедуры функционально-структурного и структурно-конструкторского анализа МС разработчик оценивает принимаемые решения, стремясь добиться максимального уровня синергетической интеграции элементов.

Для использования методов автоматизированного проектирования формируют взаимосвязанную функционально-структурную и конструкторскую модель ММ. затем планируют движения МС в пространстве, времени, оптимизируя их, например, по критерию максимального быстродействия. Главными преимуществами МС является исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей, следовательно, точность и улучшение динамической характеристики, конструктивная компактность модулей, т.е. хорошие массо-габаритные характеристики; возможность объединения ММ в сложные мехатронные системы и комплексы, допускающие быструю их реконструкцию, имеющие относительно низкую стоимость установки, настройки и обслуживания, благодаря их модульности, унификации аппаратных и программных средств.

3. Структура и принципы построения мехатронных систем

Внешней средой для мехатронных систем является технологическая среда, которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и обрабатываемую деталь. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения обрабатываемая деталь оказывает возмущающее воздействие на рабочий орган. Примерами таких воздействий может служить сила резания; контактные силы и моменты сил; сила реакции струи жидкости в зоне обработки. Система управления осуществляет следующие функции:

1. Управление двумя мехатронными модулями в реальном времени с обработкой поступающей информации от датчика (чувствительный орган).

2. Организация управления функциональными движениями мехатронной системы, которая предполагает координацию управления механическим движением и сопутствующими внешними процессами. Для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы и выходы.

3. Взаимодействие мехатронной системы с оператором происходит через машинный интерфейс в режимах автономного программирования или в процессе работы мехатронной системы.

4. Организация обмена данными с периферийными устройствами, чувствительными органами и другими устройствами системы.

Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно, что электрическая энергия (гидравлическая, пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

4. Построение мехатронных модулей на основе синергетической интеграции элементов

Мехатронные модули – это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением, предназначенные для выполнения движений, по одной управляемой координате.

Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов.

Синергетическая интеграция – это не просто соединение отдельных частей в систему с помощью интерфейсных блоков, но и построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и взаимопроникновение элементов, которые имеют, как правило, различную физическую природу.

Назначением мехатронных модулей является реализация заданного управляемого движения по одной управляемой координате. Таким образом, мехатронные модули движения являются теми функциональными «кубиками», из которых можно компоновать сложные многокоординатные мехатронные системы.

Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый модуль составляющих элементов. Применение этого подхода базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив точки интеграции можно на основе технико-экономического и технологического анализа принять конкретные инженерные решения по проектированию и изготовлениюя мехатронного модуля.

Схема синергетических и информационных потоков в электромеханическом мехатронном модуле:

На вход мехатронного модуля поступает информация о цели движения, которая формируется верхним уровнем системы управления, а выходом является целенаправленное движение (вращение выходного вала). Для физической реализации электромеханического мехатронного модуля теоретически необходимы четыре основных функциональных блока, последовательно-соединенные: информационно-электрический и электромеханический функциональный преобразователь в прямой цепи и электро-информационный и механико-информационный преобразователи в цепи обратной связи.

Традиционная структура электро-механического модуля с компьютерным управлением:

УКУ (устройство компьютерного управления) на основании входной информации, поступающей с верхнего уровня управления и по цепям обратной связи от ДОС, выдает во времени на приводы управляющие электрические сигналы. В силовых преобразователях происходит усиление по мощности данных сигналов и их модуляция, затем исполнительные приводы прикладывают соответствующие усилия к звеньям механического устройства, что вызывает целенаправленное движение конечного звена модуля с рабочим органом. Для соединения элементов в систему вводят интерфейсные устройства, обозначенные И1-И7.

И1 - комплекс аппаратно-программных средств для сопряжения УКУ модуля с верхним уровнем системы управления. Функции верхнего уровня управления выполняет высокопроизводительный компьютер либо оператор.

И2 обычно состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и усилительно-преобразующего устройства и служит для формирования управляющих сигналов для исполнительных приводов.

И3 – механические передачи, связывающие исполнительные двигатели со звеньями механического устройства (редукторы, муфты, тормоза и т.п.)

И4 если применяются датчики с аналоговым сигналом, то он построен на основе аналоговых цифровых преобразователей АЦП; если сигнал электрический, то И4 исключается.

И5, И6, И7, в зависимости от физического характера сигнала можно разделить на электрические и механические. К механическим интерфейсам относятся устройства для датчиков обратной связи, фотоимпульсных, кодовых, силовых, моментных и тактильных датчиков и информации о движении звеньев механической цепи.

Преобразование и передача сигналов о переменных состояниях системы, которые имеют электрическую природу осуществляется электрическими интерфейсами. Число преобразователей в традиционной структуре избыточно по отношению к минимально необходимому числу. Можно новые решения, базирующиеся на синергетической интеграции элементов.

Различие мехатронного и традиционного подхода к проектированию состоит в концепции построения и реализации функциональных преобразователей. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой самостоятельные устройства и узлы. Обычно это блоки, которые выпускаются специализированными фирмами. Мехатронный подход нацеливает разработчика на интеграцию элементов привода в единые блоки, минимизацию промежуточных интерфейсов как сепаратных блоков.

Построение электромеханических мехатронных модулей на основе синергетической интеграции элементов.

Следуя логике мехатронного подхода к потенциально возможным точкам аппаратной интеграции элементов можно отнести интерфейсные блоки И1 – И7.

Мехатронные модули или элементы	Составные части привода		Интерфейсные блоки
Мехатронные модули или элементы	основные	дополнительные	Интерфейсные блоки
Приводной модуль	Исполнительный двигатель	Силовой преобразователь	И3
Метатронный модуль движения	Приводной модуль	Силовой преобразователь	И5
Интеллектуальный мехатронный модуль	ДОС	Микропроцессор	И4
Интеллектуальный мехатронный модуль движения	Мехатронный модуль движения	Усиливающее устройство	И2

В перспективе интерес для мехатроники представляет построение мехатронных модулей на базе нескольких точек интеграции.

Однокоординатный модуль движения: см рис.

Мотор – редукторы являются исторически первыми по принципу своего построения мехатр. модулями, которые выпускаются серийно и находят широкое применение в приводах машин и механизмов. Мотор – редуктор представляет собой компактный конструктивный модуль, объединяющий электродвигатель и редуктор. Преимущества: Сокращение габаритных размеров, снижение стоимости и затрат на установку и наладку модуля. Конструктивное исполнение зависит от типа объединяемого редуктора и двигателя. Недостатки: блок управления коммутацией обмотки ненадежен; необходимость в системе охлаждения

5.Мехатроные технологические машины в машиностроение

Построение диагностического прогноза в развитие машиностроения и выбор основных тенденций и стратегий его развития концентрируется на:

1. интеграции технологий и знаний

2. интеллектуализации производственных технологий

3. мехатронных технолологий машинах и роботах

4. сквозных информационных систем

Во многих областях техники МС приходят на смену традиционным механическим машинам, которые уже не соответствуют современным качественным требованиям. Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным, электронным, компьютерным информационным компонентам, которые легко перепрограммируются под новую задачу и при этом являются относительно дешевыми. Так ф-ный анализ производственных машин показывает что доля механической части сократилась с 70% в начале 90-х годов до 25-30% в настоящее время. Принципиально важно подчеркнуть, что мехатр подход в проектирование предпологает не расширение, а именно замещение функций традиционно выполняемые механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.

Анализ показывает, что еще в начале 1990 х годов подавляющее большинство функций машины (более 70%) реализовывалось механическим путем. Последующее десятилетие происходило постепенное вытеснение механических узлов сначала электронными, а затем и компьютерными блоками. В настоящее время в мехатронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну. Доля компьют части выросла за последнее десятилетие вдвое и есть все основания прогнозировать сохранение этой тенденции в будущем.

Принципиально важно, что тенденция перехода от чисто механич к мехатр технологиям в современном машиностроении не закрывает механику. Наоборот стимулирует ее развитие на фоне с интеллектуальными компонентами в рамках единой мехатр системы. Системный подход диктует новые требования к встроенным механич и гибридным компонентам, что в свою очередь ведет к развитию новых технологий и конструкторских решений в области механики.

Чем же вызван переход от механики к мехатроники?

1. требованиями рынка

2. Новыми взаимоотнашениями потребитель – производитель. В связи с этим появились качественно новые требования предъявляемые к ф-ным характеристикам приводной техники для технологических машин.

Дальнейшее развитие получили мобильные технологические роботы, которые могут самостоятельно передвигаться в пространстве и обладают способностью выполнять технологические операции. При этом отечественная промышленность имеет прекрасный задел в этой области.

Сенсорная система робота состоит из датчика пути, сенсоров ориентации телекамеры. Информация поступающая от сенсоров может использоваться в качестве обратной связи для контуров управления приводами, а также для точного определения места залегания труб в грунте и места нахождения локальных дефектов. Отметим, что развитие машин от традиционной механики к современной мехатронике проходит последовательно ряд стадий:

1. Разработка электромеханич систем путем объеденения в приводе электрического привода и механической передачи с электронными блоками.

В структурном базисе мехатроники электромеханика показана как одна из граней «Пирамиды мехатроники» Исторически мехатроника развивались из электромеханики опираясь на ее достижения идет дальше путем системного объединения элекромех систем с компьют системами управления, встроенными датчиками и интерфейсами. Высокая точность, предельное быстродействие, сложные законы перемещения рабочего органа в пространстве и во времени. Совокупность этих требований определяется технол постановкой задачи управления кроме того необходимо координировать управление пространственным перемещением МС с управлением различными внешними процессами. Примерами таких процессов могут служить 1) регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектами работ при механообработке,

2) управление дополнительными технол взаимодействиями на объект работ при комбинированных методах обработки, 3) управление вспомогательным оборудованием комплекса.

6.Структурный анализ мехатронных систем на основе показателей распределения функциональной нагрузки (РФН)

Анализ научно – технической эволюции мехатр модулей и мехатр систем показывает, что в основе их построения лежит концепция «встроенного проектирования». Эта концепция предполагает синергетическое объединения механич, электронных и компьют элементов. Путем их структурного и конструктивного проникновения, введение в систему глубоких энергетических и информационных взаимосвязей. В ряде работ рассмотрен подход к проектированию и анализу мехатр систем, основанный на совмесном анализе их функциональной и структурной моделей. На основе введенного критерия « функционально структурной интеграции » (ФСИ) дана классификация и постановка задачи оптимизации мехатр структуры и подсистем на нач уровне.

Рассмотренный подход можно проиллюстрировать сравнительным анализом и примерами систем компьют управления для манипуляционного робота РUМА 650

При этом задается методика расчета и получены оценки для трех вариантов построения управляющей системы по критерию ФСИ. Для структурной оценки мехатр модулей и систем предлогается использовать новую количественную меру, названную показателем распределения функциональной нагрузки (РФН). Показатель РФН является численной мерой, позволяющей оценить объем функциональной нагрузки, которую несет каждый из структурных элементов или блоков в исследуемой системе. Чем выше значение данного показателя, тем больше влияние оказывает данный элемент на качество системы в целом, ее стоимость, надежность и др комплексные функциональные характеристики.

Методы оценки уровня значимости элементов используют ряд разработанных теорий графов и матриц. В данном случае используется метод анализа структурных элементов, представленный в монографии Нечепаренко В. И. «Структурный анализ систем»

Расчет показателей распределения функциональной нагрузки для анализа и проектирования системы управления робота РUMА 660

ЦП - центральный процессор

ДМ – демультиплексор

МП – микропроцессор

ИД – исполнительный двигатель

ФИД – фотоимпульсный датчик

ШИМ – широтно-импульсный модулятор

Структура исследуемой системы включает в себя управляющую подсистему, так и электромеханическую часть: Эл двигатель и фотоимпульсные датчики обратной связи которые будет неизменной при выполнение анализа. Полученные ниже показатели РПН рассчитаны для трех вариантов построения подсистемы управления, которые будут представлены на трех рисунках.

Схема 2-й степени интеграции (2-го уровня) в соответствии с классификацией ФСИ.

Система управления на базе контроллера движения 3-й степени интеграции.

Анализ проводится в соответствии с алгоритмом, разработанным на основании монографий.

В традиционной системе управления ЦП и демультиплексор являются наиболее нагруженными элементами. В то время как 6 МП несут нагрузку в несколько раз меньшую (РФН для них 2%).

Для второго варианта показатель РФН для каждого из 3 компьютерных компонентов существенно превосходит нагрузку других элементов системы.

Наибольший показатель РФН среди всех рассматриваемых компонентов имеет контроллер движения в системе 3-го уровня интеграции (14%).

Показатели РФН для группы элементов, содержащих электронные и компьютерные компоненты, ответственные за информационные, информационно-электрические и электро-информационные функциональные преобразования в мехатронной системе, складываются следующим образом в значение РФН.

Традиционная структура 7.6%

Структура 2-го уровня 12.4%

Структура 3-го уровня 21.3%

7.Мехатронные технологии обработки материалов резанием

Существует точка зрения, что мехатронные технологии включают в себя технологии новых материалов и композитов, микроэлектронику, фотонику, микробионику, лазерные и др. технологии.

Однако при этом происходит подмена понятий и, вместо мехатронных технологий, которые реализуются на основе использования мехатронных объектов, в этих работах идет речь о технологии изготовления и сборки таких объектов.

Большинство научных работников в настоящее время считают, что мехатронные технологии всего лишь формируют и реализуют необходимые законы исполнительных движений механизмов с компьютерным управлением, а также агрегатов на их основе, или осуществляют анализ этих движений для решения диагностических и прогностических задач.

В механической обработке эти технологии направлены на обеспечение точности и производительности, которые невозможно достигнуть без использования мехатронных объектов, прообразами которых являются металлорежущие станки с открытыми системами ЧПУ. В частности такие технологии позволяют компенсировать погрешности, которые возникают вследствие колебания инструмента относительно заготовки.

Однако, предварительно следует отметить, что мехатронные технологии включают в себя следующие этапы:

1. Технологическая постановка задачи;

2. Создание модели процесса с целью получения закона исполнительного движения;

3. Разработка программного и информационного обеспечения для реализации;

4. Дополнение информационной управляющей и конструкторской базы типового мехатронного объекта, реализующего предлагаемую технологию, если в этом есть необходимость.

8. Мехатроника в автомобилестроении

Внедрение МС в автомобилестроение позволило дать гибкость, внедрение новых разработок конструкторов и доносить МС до потребителя. Современная эксплуатация авто требует безопасного управления и ужесточает требования по экологичности. Для выполнения таких требований создаются следящие системы контроля и корректировки, достигаются оптимальные показатели по экологичности, безопасности и удобству эксплуатации. Современное авто не представляется без компактных управляющих блоков. Сегодня внедрение идет семимильными шагами: электронный впрыск топлива, сервоприводы (зеркал, стекол, люка), электрический усилитель руля, мультимедийные системы.

1970 год – первая АBS (AntilockBrakeSystem, антиблокировочная система тормозов). ABS не только управляет машиной при вжатой в пол педали, но и позволяет создать:

- TCS (TractionControlSystem, система контроля покрытия дороги) – система тягового контроля (1988). Тяговый контроль – это электронный блок, который отслеживает тягу на колесах с помощью датчиков скорости. При нажатии педали газа в пол устройство “притушит” двигатель.

- ESP (ElectronicStabilityProgram, начало 80-х). Автомобиль оснащается датчиками угла поворота, скорости вращения колес, поперечного ускорения, датчиками тормоза. Система притормозит то или иное колесо, сводя к минимуму снос машины при быстром прохождении сложных поворотов.

В настоящее время электроники доверяют лишь напорную функцию, давление в пневмосистеме упр-т педалью.

В 2000-году создана SBC (SensoricBrakeControl) – электро-гидравлическая тормозная система. Гидр. часть – аккумулятор давления, главного тормозного механизма и магистрали, электрическая часть – насос (P=160 атм), датчики давления, датчики скорости вращения колес, датчик хода педали тормоза. Нажимая педаль тормоза водитель не перемещает шток вакуумного усилителя, а давит на кнопку, подавая сигнал компьютеру, который определяет оптимальное давление на тормозной цилиндр. (+) – быстродействие, совмещение функций ABS и ESP в одном блоке.

Если резко сбросить газ, то колодки придвинутся к диску. Эта система связана с дворниками, и по интенсивности дворников система притормозит колеса. Если стоять в пробке на подъем, авто при трогании не откатится назад, при сбросе газа мягко притормозит.

Сегодня фирма Делфай объявила о решении создать мощные электромоторы, которые заменят тормозные цилиндры. Компания BOSH также создала электротормоза.

Серийные электромеханические тормоза появляются когда появляется дублирующее электромагнитная сеть.

В области электромеханики создан автомобиль-конструктор, в котором можно переносить руль, педали, коробку передач. Механическая связь полностью разрывается в системе SBC, команды от педали тормоза передается в электронный блок и затем в гидро…… . В экстренных ситуациях система SBC помогает произвести экстренное дотормаживание. В вакуумный усилитель тормозов встроены датчики скорости, перемещения штока педали, электромагнитный клапан. Стоит скорости превысить определенный порог, электронная система откроет клапан, увеличивая давление воздуха в камере усилителя, тормозное усилие достигнет максимума, но ABS предотвратит блокировку колес.

Фирма Делфай представила в 2003 г. новую концепцию монтирования трех колодок, 3-я между двумя плавающими дисками, кинетическая энергия поглощается 4-мя поверхностями. Масса тормозного механизма на 2/3 меньше, а требуемое давление 2 раза меньше, чем у традиционных механизмов.

Автомобильный стояночный тормоз. Водитель, нажатием кнопки активирует систему стабилизации, которая повышает давление в приводе тормозов, прижимая колодки к дискам, затем, вмонтированный в цилиндр электромагнитный клапан запирает тормоза.

Коробка передач. Подстраивается под стиль вождения.

Подвеска. “Щупает” дорогу.

Система ParkTronic (“глаза машины”). В бампер встроены ультразвуковые датчики (по 4 спереди и сзади). Они сканируют пространство вокруг автомобиля срабатывая когда до препятствия 1,5 метра. Когда до препятствия 20 см звуковой сигнал становится постоянным, или на дисплей выводятся разноцветные зоны расстояния до объекта. Более сложные системы видят объекты и по бокам.

Круиз контроль. Поддерживает заданную скорость. Блок ставится м\у педалью и заслонкой. В ранних конструкциях водитель нажимает специальную кнопку в торце подрегулировочного переключателя. Удерживая эту кнопку можно разгонятся. Блок управления сравнивает заданные параметры с фактическими, управляя шаговым двигателем, который управляет педалью акселератора. Человек может вмешиваться в работу системы при обгоне. В более поздних системах пневмоустройство воздействует на дроссельную заслонкую Электромагнитный клапан, которым управляет командный блок, дозирует давление в полости рабочего механизма.

С появлением электроники механическая связь между педалью газа и двигателем исчезла. Их связь осуществляется через компьютер.

Разработаны конструкции, которые поддерживают безопасную дистанцию. В передней части автомобиля устанавливается радар, который работает в режиме приема-передачи. Вычисляется расстояние до объекта и передается на блок управления. Задаваемая водителем скорость оценивается компьютером и если на пути есть препятствие, компьютер производит регулировку скорости (глушит двигатель и активирует тормоза).

Блок фар. Авто оснащается рефлекторами, которые адаптируются к условиям дороги для максимального удобства освещения пути, например, при повороте, одна из фар светит в сторону поворота.

Органы чувств. Ученые обещают научить авто ориентироваться на дороге, предупреждать ошибки водителя. Хотя главная роль остается за водителем, электроника будет управлять в случае сложных дорожных ситуаций. Одна из таких систем – система прохождения поворотов и перестройки из ряда в ряд. Эта система учитывает направление ветра, уклон дороги и контролирует автомобиль до возникновения критической ситуации.

Система Stop and Go. Позволяет водителю в пробке лишь поворачивать руль.

ISP (BOSCH) – система стабилизации при действии рулевого управления.

1) предотвращает аварии на перекрестках (компьютер с помощью ИК или тепловых камер, радаров или УЗ датчиков сканирует территорию, если возникает препятствие, а водитель ничего не предпринимает, система снижает скорость или тормозит)

2) “переговоры с машинами” (размер сканируемого пространства до 1 км). Система анализирует ситуацию и прокладывает пут, обмениваясь информацией о состоянии дороги.

Адаптивные приводы колес (2001). В колеса встраиваются компактные тяговые электромоторы. (-) – увеличение массы; (+) – не нужны карданные колеса, тяги колес. Суть метода закл-ся в том, что электромотор подвешивается внутри колеса и колебания электродвигателя противофазны колебаниям колеса, что при наложении уничтожает колебания. Для таких колес разрабатывается специальная резина.

9. Мехатронные системы управления автомобильным двигателем

Современный автомобиль – не простое создание мехатронных и электронных систем, он представляет собой синтез механики, электроники и систем управления, т.е. мехатронную систему, объединяющую механические, электронные и информационные технологии.

Автомобильная электроника выполняет разнообразные функции систем управления:

• управление двигателем и трансмиссией;

• управление ходовой частью и рулевым механизмом;

• оборудованием кузова (кабины водителя);

• управление потоками информации и бортовым контролем.

В управлении двигателем:

Электроавтоматика оптимизирует управление топливом подачи, зажиганием, антитоксичными устройствами, настройкой впускного трубопровода, фазами газораспределения, наддувом и др. Функции электроники расширяются и усложняются, включая электронное управление дроссельной заслонкой, термостатом, степенью сжатия, турбокомпрессором и т.д.

Основной проблемой применения электроавтоматики является то, что при существующих практически неограниченных возможностях современной электроники очень часто отсутствуют необходимые датчики и электромеханические (электрогидравлические) исполнительные устройства, обеспечивающие стыковку физически разнородных каналов сбора информации, ее обработки и реализации исполнительных воздействий. Для решения проблем необходим поиск новых приводов управления двигателями, создание высокоэффективных исполнительных устройств и перспективных датчиков на основе принципов микроэлектроники и мехатроники.

Проанализируем основные тенденции и перспективные направления взаимосвязанного развития современных автомобильных двигателей и их систем электронного управления.

Сегодня доминирует система распределения впрыскивания топлива (90% двигателей). Доля использования карбюраторных систем – 3%. 2000г. – новый виток развития систем впрыскивания топлива – непосредственное впрыскивание (4% двигателей). Основной причиной задержки развития этой системы – высокая стоимость и стоимость элементов системы Митсубиши сокращает разработки таких систем. Поэтому почти все автомобили оснащены распределительной системой впрыскивания топлива, двигатели просты и имеют невысокую стоимость. Можно использовать различные механизмы на входе, использовать распределение топлива и другими способами, повышать экономичность и снижать токсичность.

До 2010 г. 80% всех автомобилей на дизеле будут оборудованы электронными системами управления, а к 2012г. – все 100%. Перспективой дизелей является камонреал (Bosch)/ эта система имеет повышенное давление впрыска и высокую точность дозировки. Оптимальное давление, оптимального впрыска все дизели достигнут к 2012г.

Дизельные топливные аппараты будут использовать форсунки с управляющими пьезоэлементами, которые обеспечивают высокое быстродействие. Замена материала форсунок способствует реализации многократного впрыска так, что обеспечивается управляемое повышение давления и улучшение энергетических и экологических показателей двигателя. Создаются унифицированные системы для дизелей и бензинных двигателей, которые базируются на использовании единой компоновки: датчики, исполнительные устройства, система управления. Она будет иметь близкие характеристики двух типов двигателей. Разрабатывается электропривод дроссельной заслонки. В конструкции используют безконтактные датчики в устройстве педалей и комп. Элементов двигателя для управления дроссельной заслонкой. При этом реализуется концепция «управление по проводам». Сигнал датчика-акселератора поступает в контроллер и далее в соответствии с алгоритмом контрольный сигнал приходит к электрическому приводу заслонки. Такая схема управления дроссельной заслонкой позволяет оптимизировать работу двигателя и исключить ошибку водителя. Она тесно связана я ABS и антипробуксовочной системой. Развивается направление управления агрегатами наддува. Предлагаемые решения позволяют гибко изменять параметры наддува в зависимости от режима работы двигателя, оптимизируя систему «двигатель-нагнетатель».

Фирма Japem создала гамму новых турбокомпрессоров для наддува. Компрессор имеет ветр. Эл. магн. (Р=1,5кВт), расположенный между турбиной и компрессором и имеет общий вал. В режиме разгона, где существует провал электрической мощности, включенный электромагнит увеличивает вращение до 40000 об/мин, что дает возможность получить дополнительную электрическую мощность до 1,5 кВт при напряжении 12В в сети.

Интенсивно развивается направление, связанное с использованием электронной автоматики для управления агрегатами наддува. Предлагаемые в этом направлении решения позволяют гибко изменять параметры надува в зависимости от режима работы двигателя.

Значительный потенциал в улучшении энергетических и экологических показателей двигателей имеют управляемые механизмы газораспределения. Появились конструкции вообще без распределительных валов, которые позволяют гибко изменять характеристики газообмена в широких пределах на различных режимах работы двигателя. Встроены электрические и электрогидравлические приводы клапанов, которые дают возможность реализовать бездроссельное регулирование во всем диапазоне частот вращения вала, снижение расхода топлива на 15%. В целом потенциал увеличения показателей двигателя за счет управления газораспределением оценивается высоко и ожидается широкое применение.

Система охлаждения двигателя, система смазывания не были связаны с применением электроники. Сегодня электроника используется и в этих системах. В традиционных системах управление с термомеханическим термостатом, насосом с механическим приводом и вентилятором оптимизировать тепловое состояние двигателя практически невозможно из-за отсутствия взаимосвязи между этими узлами. Разработаны интегрированные элементы электроавтоматики для управления системой охлаждения. В таких системах жидкостный насос и вентилятор имеют электропривод. Регулирование температуры жидкости осуществляется пропорционально клапаном с электронным управлением и встроенной диагностической системой. Работа насоса и вентилятора бесступенчато регулируется контроллером в зависимости от теплового состояния двигателя. Достигается необходимый баланс между расходами жидкости и воздуха в системе охлаждения, что позволяет снизить затраты мощности на привод насоса и вентилятора на 80%, экономия топлива до 5% при одновременном снижении выбросов СО₂ на 15%.

Конструкция электрического термостата включает электропривод, для пор?? Клапан и датчиков контроля его перемещения термостат потратит примерно 7 Вт, управляется контроллером двигателя. Интеллектуальная система охлаждения - необходимо было разработать прокладку (между головкой и блоком цилиндра), она включает датчики температуры, давления, расхода жидкости. Полученная информация позволяет рационально смазывать узлы двигателя и более экономично использовать энергию для привода насоса. Так, если n=3000 об/мин, разница затрат мощности между механическими и электрическими приводами незаметна, после этой частоты разница возрастает, а при n=6000 об/мин экономия электронасоса – 80%.

Перспективой является создание датчиков загрязнения масла, что позволяет определить степень загрязнения масла при эксплуатации двигателя, передавать сигнал о замене масла в бортовой компьютер. Принцип действия их различен, но в основе измерения лежит измерение диэлектрической проницаемости масла, либо метод акустических волн.

Разрабатываются датчики для систем управления двигателя – миниатюрная мехатронная система на основе средств микроэлектроники, микромеханики (нанотехнологии). Будут использоваться интеллектуальные микроэлектронные датчики, которые будут следить за генерацией искры, перемещением запирающих форсунок для впрыскивания топлива.

Разрабатывается система управления топливоподачи зажигания по изменению внутрицилиндрового давления. Это давление определяется не прямым путем, а косвенным способом – по деформации болта крепления головки или с помощью специального датчика под свечой зажигания. Такие свечи располагают информацией о характере изменения внутрицилиндрового давления. Они не только выявляют ранние признаки детонации, но и определяют угол опережения зажигания для увеличения КПД, они корректирую рециркуляцию отработанного газа в зависимости от изменения давления в цилиндре.

В Японии доведен до промышленного производства датчик, позволяющий измерять изменение давления в каждом цикле работы двигателя. Это пьезокерамический диск, установленный под свечой зажигания.

Использование внутрицилиндрового давления в качестве сигнала дает новые возможности для адаптивного управления бензинными двигателями.

Важной тенденцией современного автомобилестроения является применение различных материалов для двигателей. Разрабатывается система плазменного зажигания. Эта система обеспечивает мощную искру на всех режимах работы двигателя.

Перспективой является стартер-генератор. Применение этого устройства в комплекте с системой стоп-старт при использовании в городе позволяет уменьшить расход топлива и выбросы. Конструкция базируется на основе электромагнита. Это устройство имеет мощность генератора (до 10 кВт). Кроме генератора система включает блоки управления для переключения с постоянного на переменный ток. Масса интегрированного статера-генератора - 4 кг.

Концепция дальнейшего развития автомобильных двигателей связана с применением и развитием средств электроавтоматики и мехатроники. Двигатели будущего представляются в виде «эластичного» объекта, который обладает регулируемым впускным механизмом, имеет управляемый механизм, изменение фазы распределения, должен быть реально адаптирован, а электронный блок должен быть способен к самообучениям.

10. Микромашины

В последние годы вопросы максимальной механизации труда человека стали настолько обыденными, что некоторые решения даже не мыслимы без использования компьютеров, робототехнических комплексов и других средств автоматизации,облегчающих все аспекты нашей жизнедеятельности.

Использование к примеру микромашин как в быту, так и научно-образовательной сфере позволяют не только упростить и ускорить выполнения многих задач, но и перенаправить усилие и умственные способности человека на другие не менее важные проблемы.

МикроЭВМ может направлять и перемещать робот с высокой точностью, снова и снова возвращая его в одно и то же положение; при этом она не испытывает усталости не делает ошибок. Это является также одним из преимуществ автоматизированных средств. Человеческий интеллект явно превосходит возможности микромашин, но есть задачи, с которыми микромашины справляется лучше, чем рука и глаз человека, не застрахованные от ошибок.

Люди обычно знакомятся с промышленным роботом, сталкиваясь с ним на
производстве, однако определить, что такое микроробот, значительно труднее. Можно выделить три основные разновидности микророботов. Это может быть "робот для забавы", который интересен как новинка или развлечение; подобные устройства демонстрируются на выставках и ярмарках. Это может быть робот, предназначенный для любителей техники и преподавателей; такие изделия часто выпускаются виде конструкторских наборов. И наконец, существуют устройства, представляющие собой весьма полезный инструмент, предназначенный для использования в лабораториях и даже в промышленности.

Из истории возникновения микромашин

Микромашины появились в 80-х годах как результат широкого распространения микрокомпьютеров. В 70-х годах роботы хорошо зарекомендовали себя на таких операциях, как окраска распылением и сварка, завоевав всеобщее признание. Тем временем цена на них снижалась, а сами они становились меньше - подобная история произошла с микрокомпьютером. И наконец, появился микроробот, который прошел через многие этапы развития, характерные для микрокомпьютера в 70-х - начале 80-х годов.

На роботов обратили внимание даже средства массовой информации.Рынок
микророботов постепенно упорядочивается, и вместе с тем вырисовываются их возможности и экономическая целесообразность.

Различные области применения микромашин

Совсем иные проблемы возникают при использовании небольших роботов для оказания помощи инвалидам. К Гилл из Брайтонского политехникума (Великобритания) относится к числу исследователей, рассматривающих возможность применения небольшого робота для оказания помощи тем, кто не в состоянии обслуживать себя самостоятельно. Предложенный им проект, целью которого является разработка механических рук, управляемых голосом и реагирующих на команды "вверх,вниз,вперед, назад" и т.д. позволит частично или полностью парализованным людям оперировать различными предметами.

11. Микроробототехника с манипуляторами

Великобритания занимает ведущее место в мире по разработке роботов-
манипуляторов. Микроробот - манипулятор представляет собой стационарный робот, с которым можно взаимодействовать как с периферийным устройством компьютера..

Разнообразные робототехнические устройства отличаются не только размерами и ценой, но и типом применяемых приводов и механизмов. Есть роботы с гидравлическим приводом, однако чаще в качестве привода используются электродвигатели. Наиболее широко применяются шаговый серводвигатель и двигатель постоянного тока. Специализированные роботы обычно более дороги. Примером может служить робот "Суисс микробо", предназначенный для сборки часов. Для выполнения таких операций требуется высокая точность движений, поэтому в названном роботе реализованы сложнейшие дорогостоящие технические решения.

Конфигурация, геометрия и другие технические термины, используемые для
описания движений подобных устройств, совпадают с аналогичными понятиями, используемыми применительно к промышленным роботам. Единственная конфигурация движений, отсутствующая у микророботов-манипуляторов - это движение в цилиндрической системе координат. Данный вид движения типичен для промышленных роботов, оснащенных приводными ремнями. Другой важной характеристикой движения робота является число степеней свободы. Многие небольшие роботы-манипуляторы, как и человеческая рука, имеют шесть степеней свободы. Плечо имеет две степени свободы вращение и подъем, локоть - одну, запястье - три вращение, приведение - отведение и сгибание (вверх-вниз). Эти движения позволяют человеку или роботу выполнять большинство операций.

Большинство выпускаемых роботов оснащено двухпалым схватом, а робот Арм-дроид фирмы "Коли роботикс" имеет трехпалый схват. Ни один из микророботов неможет менять схваты или инструмент,как некоторые промышленные роботы, однако ряд моделей микророботов
поставляется с комплектом инструментов. Так, в манипуляторе робота Райно (носорог)можно закрепить либо пневматический присос, либо двух- или трехпалый схват. Стационарные и подвижные роботы имеют свои области
применения и достоинства. Основное преимущество стационарного манипулятора состоит в том, что он закреплен на неподвижном основании и, следовательно, обеспечивает более высокую точность при установке в заданное положение и при многократном выполнении одних и тех же движений. В промышленности, похоже, наметилась тенденция отказа от использования больших промышленных роботов, и если изготовителям микророботов удастся изменить бытующее о них представление как о "системах ремней и шкивов",то не исключено, что в ближайшем будущем эти роботы получат широкое распространение в промышленности и торговле.

Движущиеся микророботы

Широко распространено представление о роботе как о "разумном" существе
человекоподобного вида, которое при выполнении задач различной сложности перемещается на колесах или даже шагает; его неотъемлемые качества – подвижность и разум. Способность к передвижению позволяет работнику, будь то робот или человек,перемещаться относительно обрабатываемой детали, а не наоборот,как в случае стационарных роботов-манипуляторов. Однако перемещение робота порождает свои проблемы. Задача роботов - взаимодействие с окружающей средой.

В разработках подвижных роботов приоритет принадлежит США, существуют
движущиеся роботы двух видов "черепаха" и свободно перемещающийся робот. Робот-черепаха соединен кабелем с управляющим компьютером. В основном они используются для целей обучения. Прародителем робота будущего,который может стать помощником человека в быту, является свободно перемещающийся робот,оснащенный "бортовым" компьютером, источниками питания, датчиками различных типов и "разумной" программой, управляющей всеми узлами робота.

Некоторые из функций микромашин представляют собой заранее
запрограммированные встроенные "модули", которые вызываются с помощью клавиатуры, расположенной на "голове" робота. Робот высотой 48 см и весом 9,5кг перемещается по дому на колесах и может переносить в кисти, закрепленной на выдвигающейся руке, груз 0,45 кг. В его корпусе установлены датчики, имитирующие органы восприятия человека. Робот способен воспринимать звуки и распознавать ограниченный набор команд, в том числе "старт", "стоп", "влево", "вправо" и т. д. Он реагирует на свет, а для измерения расстояния и обнаружения препятствий использует ультразвуковые датчики. Благодаря встроенным часам робот может выполнять конкретные программы за строго определенное время. Кроме того, внем имеется синтезатор речи, который генерирует 64 звуковых тона для имитации человеческой речи и подачи звуковых сигналов. Робот поет, играет в различные игры;ему можно приказать охранять помещение, разбудить вас в определенное время или напомнить о каком-то событии. Он снабжен рукой, с помощью которой может поднимать предметы и класть их себе на голову, т.е. служить своего рода посыльным. Рука вытягивается на127мм,имеет 4 степени свободы и оснащена простым схватом.

12. Роботы для научных - исследовательских целей

К числу наиболее очевидных применений микророботов относятся лабораторные эксперименты. Приготовление и анализ проб фармацевтических, химических и пищевых продуктов часто представляют собой многократно повторяющийся и утомительный процесс. Однако этой довольно монотонной работой обычно занимаются весьма квалифицированные и сравнительно высокооплачиваемые работники лабораторий.

В Англии идея применения роботов для нужд лабораторий уже внедрена. В частности, они осуществляют химическое титрование
(перемешивание двух жидкостей до тех пор, пока не произойдет какая-либо реакция). Другие автоматы взвешивают химикаты на чувствительных весах с точностью до 0,0001г. В процессе взвешивания, титрования или других операций над химикатами лаборанту часто приходится переносить пробы химикатов в виде порошка,колб с жидкостями или химических реактивов с одного рабочего места на другое.Эксперименты по использованию роботов для переноса проб и манипулирования ими ведутся уже длительное время, и сейчас начинают проявляться их результаты. Маловато, над бы добавить... с др. ?? см 27

13. Мехатронные системы в ядерной (атомной) промышленности. Требования к конструкции. Складывающиеся манипуляторы

В настоящее время в ядерной энергетике отмечается постоянное усиление внимания к вопросам контроля за состоянием оборудования, которое должно отвечать всем требованиям техники безопасности: это обеспечение безопасной эксплуатации систем и узлов, не доступных или опасных для человека, а так же стремление максимально продлить срок службы как уже работающих, так и вновь строящихся атомных электростанций. Это все требует эффективного контроля оборудования эксплуатационными службами и подразделениями, ответственными за обеспечение техники безопасности.

Важнейшим препятствием при разработке устройств, предназначенных для работы внутри реактора, является способ их введения в рабочую зону. В большинстве ныне действующих реакторов не предусмотрено специальных каналов доступа, поэтому приходится использовать имеющиеся (как правило, каналы для загрузки топлива или доступа к органам управления), принимая специальные меры обеспечения безопасности. После ввода в рабочую зону манипулятор отрабатывает передаваемые ему команды (задаваемые оператором или программой), манипулируя приборами контроля, телекамерой или рабочими органами.

Требования к конструкции, которые накладывают и те условия, в которых оно должно работать внутри реактора:

Температура. Осмотр и обслуживание оборудования телеуправляемыми устройствами выполняются в моменты вывода реактора на холостой ход. Однако температура в рабочей зоне может достигать 150" С.

Радиация. Уровень радиации в рабочей зоне реактора с газовым охлаждением может превышать 30 рад/ч.

Радиоактивное заражение. Канал доступа ведет в зону сильного радиоактивного заражения. Во время пребывания устройства в рабочей зоне на него могут оседать зараженные частицы.

Надежность. После ввода устройства в рабочую зону необходимо постоянно иметь точную информацию о его положении в пространстве. В противном случае неизбежны столкновения манипулятора с частями оборудования, поломка и в наихудшем случае - заклинивание. Предотвращение последней возможности требует от конструктора особого внимания не только потому, что телеуправляемое устройство дорого, а его потеря весьма нежелательна, но и потому, что заклинивание устройства в рабочей зоне может надолго, если не навсегда вывести из строя весь реактор.Поэтому конструкция всего устройства, особенно механизма его развертывания, должна предусматривать возможность извлечения его из рабочей зоны при любых поломках и сбоях.

Складывающиеся манипуляторы для работы внутри реакторов роботов с развертывающимися манипуляторами по свободному топливному каналу в верхней части для автоматической герметизации, предотвращает попадание воздуха внутрь реактора, заполненного углекислым газом, и утечку радиоактивного углекислого газа, в «чистую» зону над реактором. Команды манипулятору подаются с пульта управления, расположенного в безопасной зоне По кабелю, соединяющему пульт управления с исполнительным органом, передаются команды и телеметрическая информация. Визуальный контроль действий, выполняемых в рабочей зоне, осуществляется с помощью телевизионной системы, телеуправляемая камера которой расположена на манипуляторе, с монитор — на пульте управления. Освещение рабочей зоны осуществляется мощными лампами, также размещенными на манипуляторе.

Рис.1. Типовой складывающийся манипулятор:

1 — пульт управления;

2— топливный стержень;

3— манипулятор в развернутом положении

Используются электромеханические и пневматические приводы, причем в целях повышения надежности предусмотрен аварийный вывод всех звеньев в исходные положения. Запястье манипулятора может принудительно втягиваться внутрь последнего звена через скользящую муфту, а поворотная часть манипулятора имеет дополнительный привод (лебедку), возвращающий ее в исходное положение.

Предотвратить разрушительное воздействие радиации на манипулятор невозможно, но его можно ослабить, используя: а) радиационно-устойчивые материалы; б) стабилизированное оптическое стекло в объективах; в) улучшенные герметики; г) экранирующие прокладки.

Во время работы манипулятор омывается потоком охлаждающего газа, что предотвращает его перегрев.

В манипулятор встроена моноскопическая телевизионная камера с высокой разрешающей способностью, оптическая ось которой разворачивается на 45° в горизонтальной плоскости и 120°—в вертикальной. Объектив камеры имеет шестикратное увеличение и телеуправляемые диафрагму и наводку на резкость. Под телекамерой размещается йодная лампа мощностью 250 Вт в двойном баллоне из кварцевого стекла. Яркость свечения лампы регулируется, она механически связана с телекамерой, так что свет всегда падает в требующемся направлении.

Конструкция всех звеньев манипулятора предусматривает возможность его извлечения из рабочей зоны при любой поломке или сбое привода.

Конструкция манипулятора предусматривает специальные средства для упрощения его технического обслуживания. В частности, половина поверхности мачты изготовлена из съемных сегментов, что упрощает доступ к узлам манипулятора

Устройство управления роботов в атомной промышленности.

Система управления манипулятором предусматривает три уровня:

а) аварийное управление;

б) ручное управление;

в) обучение и повторение.

Реализация всех уровней управления обеспечивается с помощью микропроцессорной техники.

Аварийное управление. В случае сбоя управляющей ЭВМ или системы управления манипулятор выводится из рабочей зоны реактора. Для этого предусмотрено управление с помощью последовательного нажатия кнопок, каждая из которых подает питание на один из соленоидов, управляющих клапанами пневмосистемы.

Ручное управление. Ручное управление манипулятором в нормальном режиме осуществляется с помощью двух пневмонических рукояток, размещенных на пульте управления. Все действия манипулятора разделены на логически связанные пары. С помощью набора переключателей любая пара звеньев может присоединиться к любой из пневмонических рукояток. Оператор наблюдает за перемещениями манипулятора на экране монитора.

Обучение и повторение. Основной особенностью автоматической системы управления является возможность запоминания маршрута движения манипулятора (с целью последующего воспроизведения). Она позволяет оператору в процессе тренировки записывать полную последовательность перемещений всех звеньев манипулятора, необходимых для выполнения той или иной операции внутри реактора. Запись последовательностей можно выполнять как на манипуляторе, введенном внутрь реактора, так и на специальном стенде, до ввода манипулятора в реактор.

Система управления предоставляет в распоряжение пользователя следующие
программы: запоминание последовательности, воспроизведение

последовательности, воспроизведение последовательности в обратном порядке, воспроизведение последовательности и запоминание новой последовательности.

Программные ограничители перемещения. Для повышения безопасности работы манипулятора внутри реактора специальное микропроцессорное устройство блокирует его выход из безопасной зоны при выполнении всех операций, предотвращая столкновения.

Отображение информации. На мониторе, расположенном на пульте управления, отображается информация о положении всех звеньев манипулятора, об ограничениях, установленных на перемещение каждого из звеньев, и список звеньев, находящихся в граничных положениях.

14. Мехатронные манипуляторы для обслуживания ядерных реакторов, демонтаж

Требования, предъявляемые сегодня к средствам технического контроля оборудования атомных электростанций, не всегда возможно удовлетворить за счет использования манипуляторов традиционной конструкции. От механизмов, работающих внутри реактора, требуются расширенное рабочее пространство, большая универсальность и повышенная точность. Все эти требования были учтены при разработке манипуляторов на основе односторонне складывающихся цепей.

На рис.3 представлена принципиальная схема такого манипулятора. «Звенья цепи» имеют коробчатое сечение и соединены друг с другом шарнирами, прикрепленными к верхним углам. Такая конструкция позволяет цепи складываться только в одном направлении (складываться в другом направлении мешают упирающиеся друг в друга нижние углы звеньев). С одной стороны, это свойство позволяет сворачивать цепь, а с другой стороны, обеспечивает жесткость развернутого манипулятора. Точная механическая обработка звеньев и шарниров позволяет построить относительно легкую, но прочную конструкцию переменной длины, что существенно расширяет рабочее пространство манипулятора в горизонтальной плоскости и уменьшает его габариты.

Для того, чтобы полностью использовать преимущества такой схемы построения манипулятора, цепь вводится внутрь реактора через, полую мачту, из которой выходит через направляющий башмак. Последний подвижно соединяется с мачтой и его можно отклонять в вертикальной плоскости, управляя тем самым направлением выдвинутой части цепи.

Роботизация демонтажа

При демонтаже оборудования атомной электростанции возникают те же проблемы, что и при его эксплуатации. При выполнении этих работ роль промышленных роботов трудно переоценить — они могут выполнять все операции в условиях сильной радиации. В последнее время развернуты исследования по роботизации демонтажа атомных реакторов после истечения срока их эксплуатации, а также извлечения, обработки и упаковке радиоактивных отходов.

На рис.6 представлена одна из стадий демонтажа реактора. Промышленный робот используется в качестве рабочего органа специальной машины, предназначенной для разборки графита, несущих конструкций и последующего разрезания и удаления оболочки реактора. Все материалы, с которыми приходится работать, в той или иной степени радиоактивны, поэтому все перечисленные операции нельзя выполнять вручную.

Основной элемент разборочной машины - вращающаяся турель, упирающаяся во внутреннюю поверхность оболочки реактора тремя опорами, имеющими индивидуальный подвес. Под турелью установлена несущая консоль робота.

Питание и команды подаются по кабелям из помещений в «чистой» зоне. Робот может выполнять несколько операций при помощи сменных рабочих органов.

На ранних стадиях демонтажа манипулятор робота несет плазменный резак, с помощью которого разрезает внутреннюю оболочку на куски — слябы, размеры и форма которых задаются программно из соображений удобства последующей, работы с ними. По завершении демонтажа внутренней оболочки робот совместно со специальной системой сбора разбирает промежуточный слой из графитных блоков. Выполнение этой работы идет по командам оператора, который следит за действиями манипулятора с помощью телевизионной системы, управляя всеми его движениями.

После того как графит полностью удален, робот разрезает на куски конструкции, несшие на себе отдельные секции графитовой оболочки, и внешнюю оболочку реактора. Последняя операция требует значительного изменения программ, используемых при разрезании внутренней оболочки, поскольку внешняя сторона наружной оболочки всюду соприкасается с обмуровкой. В этом случае для формирования удобных для извлечения и последующей обработки слябов из полусферического дна оболочки приходится проводить плазменный резак по у более сложным траекториям.

При разрезке цилиндрической части оболочки сложных проблем не возникает: она выполняется послойно, вертикальные участки траектории разрезания выполняются за счет подъема и опускания машины, горизонтальные - за счет ее вращения. В процессе резания отделяемые слябы удерживаются электромагнитным захватом.

Устройство управления роботов в атомной промышленности.

Система управления манипулятором предусматривает три уровня:

а) аварийное управление;

б) ручное управление;

в) обучение и повторение.

Реализация всех уровней управления обеспечивается с помощью микропроцессорной техники.

15. Экстремальная мехатронная робототехника

Толчком к развитию отечественной экстремальной робототехники стала авария на Чернобыльской АЭС. Именно эта трагедия впервые остро поставила вопрос о необходимости иметь технику для выполнения работ в подобных чрезвычайных ситуациях.

Прежде всего, были срочно дооборудованы радиационной защитой штатные технологические машины для выполнения различных, в основном уборочных, работ на открытой территории станции. Однако сразу же стало ясно, что эффект от их применения незначителен, так как требуется принципиально новая техника для работы внутри помещений станции и на их кровле, т. е. специальная робототехника. Были закуплены в Германии два дистанционно-управляемых мобильных робота MF-2 и MF-3. В результатe вскоре были поставлены на станцию два экспериментальных образца мобильных роботов — "Белоярец" ПО "Атомэнергоремонт" и МВТУ-2, созданный в МВТУ им. Н. Э. Баумана. Позднее были поставлены еще два робота СТР-1.

Что касается перечисленных выше роботов других организаций, то оба робота ФРГ практически при первых же попытках их использования вышли из строя под действием ионизирующих излучений. Также сразу потерпел аварию робот МВТУ-2. Немного поработал робот "Белоярец". Только роботы СТР-1 выполнили определенный объем работы по очистке кровли уже осенью 1986 г.

задачи, которые необходимо решать, — это создание и организация производства:

• интеллектуальных мобильных роботов для поиска радиоактивных, взрывчатых, наркотических и других химических веществ;

• таких же роботов и их коллективов для охраны, активной защиты и борьбы с террористами и тому подобными противниками;

• интеллектуальных автопилотов для мобильных объектов различного базирования.

16. Мехатронные летательные аппараты

Первый автопилот появился в 1978г. (Буран). В современном мире, где на технические устройства возлагается всё большая часть работ, а вместе с тем и всё большая ответственность, инженерам приходиться задумываться о новых методах проектирования систем управления. Теперь требования к системам управления таковы, что о технические устройства должны корректно отрабатывать возложенные на них функции даже в непредвиденных условиях и, по возможности, в непредвиденных ситуациях.

С такими жесткими требованиями могут справиться только интеллектуальные системы управления. К текущему моменту времени создано много теорий об интеллектуальных и интелектуализированых системах.

В настоящее время интеллектуальной системой считается та, которая сможет действовать по обстоятельствам, принимая во внимание предшествующие события. За последние десятилетия было предложено множество реализации таких систем. В их основах лежали как нейронные сети, так и фреймовые модели. Однако основным отличием здесь явилась аппаратная реализация самой системы. Одно направление, применяемое в основном для исследовательских работ или для маломасштабных промышленных проектов, использовало эмуляцию или моделирование нейронных сетей программным путём на компьютерах малой и средней мощностей. Другой реализацией задуманного явилась непосредственная реализация на специализированных чипах, производительность которых измерялась сотнями миллионов соединений в секунду.

Последние были сконструированы на скоростных аналоговых сигнальных процессорах и разрешили остро стоящий вопрос нехватки вычислительных ресурсов. В своё время этот метод существенно привлёк внимание российских военных и они, сконструировав несколько интеллектуальных систем, создали такие шедевры как "БУРАН", многочисленные самолёты и авианосцы с встроенными интеллектуальными системами управления. Доказательством дееспособности и триумфом теории систем интеллектуального управления стал полностью беспилотный полёт космического челнока "БУРАН", выполнение им всех доставленных задач и успешное возвращение на космодром, при наличии неблагоприятных погодных условий (в частности - сильного бокового ветра).

Установлены основные требования к интеллектуальным системам управления, которые обязаны обладать рядом функций (или иначе говоря функциональных блоков) для реализации полноценного управления объектом

• производить как можно более полное прогнозирование ситуации, опираясь на данные, полученные за всё прошедшее время существования системы, а так же на данные о состоянии системы полученные в локально малый период времени.

• Распознавать образы сложившейся на текущий момент ситуации и положения

• Задействовать соответствующий план действий для достижения определённой поставленной цели, выработанный в процессе функционирования системы.

• Содержать информационные базы: базу знаний, описывающую собой основные структуры и базу данных, заполняющую поля этих структур.

• Иметь логический блок и содержать правила логического вывода для элементов системы.

Из основных требований к системе видно, что она после сборки требует "обкатки". То есть с ней должны поработать эксперты для получения системой базовых навыков и знаний.

Принципы конструирования, применяющиеся для создания подобных систем, предполагают использование метода открытости: То есть система не может Оставаться замкнутой и должна учитывать (в идеале) не только наличие объекта управления, но всевозможных факторов и второстепенных объектов его окружающих.

Теория системы автоматического управления летательного аппарата (сюда же, в этот вопрос входит)

Современные автопилоты (АП) представляют собой комплекс совместно работающих устройств, обеспечивающих стабилизацию ЛА на траектории, стабилизацию высоты полета, управление маневрами ЛА и приведение его в горизонтальный полет.

В основу схемы автопилотов при работе в режиме стабилизации положен принцип регулирования по углу, угловой скорости (автопилоты типа АП-6Е, АП-28, АП-31, АП-40 и др.), а у некоторых автопилотов и по угловому ускорению (автопилоты типа АП-15). Система «Самолет—автопилот» представляет единую замкнутую систему автоматического регулирования и управления. Автопилот состоит обычно из трех автоматических систем регулирования с внутренними перекрестными связями. Все три системы обычно выполняются по одинаковым схемам. На рис. 1 приведена схема канала управления рулями высоты.

δ_в -отклонения руля высоты, град; V₃- заданная скорость движения; V— фактическая скорость движения; ωу-ускорение; 3 - задатчик угла тангажа; ИУ - измерительные устройства (датчики); U_V₃, U_V, U_ω_у,— напряжения, пропорциональные значениям v₃, v, ω_v; СУ — система управления; U_oc — напряжение обратной связи; У — усилитель; ОС - датчик обратной связи; к - коэффициент усиления усилителя; РМ — рулевой механизм.

В состав каждого канала входят измерительные устройства ИУ, суммирующие устройства СУ, усилительные (У) и исполнительные устройства (РМ). Измерительные устройства ИУ автопилотов типа АИ (например, датчики углов крена, тангажа, курса, высоты и т. п.) измеряют значения отклонений угла и угловой скорости (например, угла тангажа v, угловой скорости тангажа ω_v) и преобразуют эти отклонения в величины напряжений U_у и U_ω. После алгебраического суммирования в суммирующем устройстве СУ сумма напряжений Uсум усиливается усилителем У и подается на рулевую машину РМ автопилота. Последняя отклоняет руль высоты, в результате чего появившееся отклонение угла тангажа ликвидируется.

На суммирующее устройство с выхода рулевой машины подается сигнал U_ocобратной связи. Отрицательная обратная связь обеспечивает устойчивость и быстрое затухание колебаний системы «Самолет—автопилот». Для задания определенного значения угла тангажа v₃ в схеме автопилота предусматривается специальный задатчик этой величины. Аналогичные функциональные схемы имеют каналы управления креном и курсом самолета. Для устранения автоколебаний в системе «Самолет—автопилот» в автопилотах применяется жесткая обратная связь. Жесткая обратная связь применяется для получения в установившемся состоянии пропорциональности между отклонением руля и отклонением ЛА.

При этом закон регулирования автопилота имеет вид:

Δδкурс=kнапр·Δφ

Δδкрен=kкрен·ΔV

Δδтангаж=kтангаж·ΔV

Где Δδкурс , Δδкрен , Δδтангаж — углы отклонения

к_н, к_э, к_т — передаточные числа автопилота по курсу, крену, тангажу соответственно;

Δφ , ΔV , ΔV — угол отклонения (от заданного) самолета по курсу, крену, тангажу соответственно.

В качестве чувствительных элементов, реагирующих на угловые отклонения ЛА относительно центра тяжести, применяются:

• по курсу — гирополукомпасы, дистанционные магнитные компасы, курсовые системы;

• по крену и тангажу — центральные гировертикали, гиродатчики дистанционных авиагоризонтов;

• по курсу, крену и тангажу — курсовертикали;

• по угловой скорости — демпфирующие гироскопы;

• по угловому ускорению — специальные устройства, вырабатывающие сигналы, пропорциональные угловому ускорению ЛА, путем дифференцирования сигналов датчиков угловой скорости.

Электрические сигналы отклонений ЛА по углу, угловой скорости и угловому ускорению, полученные с датчиков, усиливаются электронными или электромашинными усилителями, подаются на рулевые машины, которые перемещают соответствующие рули самолета или изменяют режимы работы (тягу) авиадвигателей. Автопилоты имеют электрические связи с курсовыми системами, централями скорости и высоты, демпферами колебаний, автоматами дополнительных усилий, навигационными вычислительными устройствами.

17. Беспилотное и дистанционное управление мехатронными системами

Первый этап использования беспилотных средств ознаменован 1944г. во время войны немецкими учеными. Второй этап – 60 годы, использование во Вьетнаме беспилотных средств в виде аэростатов. В СССР же только в 70-х годах началось развитие беспилотников и проходило в 2 направлениях – дистанционно пилотируемый и беспилотный автоматический летательный аппарат.

Летчик в своей деятельности ограничен рамками и наставлениями. В отличии от техники пилот обладает чувствами, эмоциями, действуют различные факторы. Они влияют на адекватность. Самый лучший летчик может превратить лучший самолет в заурядный, если он устал. Если с пилота снять выполнение управлением движения, управления коммут. в кабине, тех состояния, парировать возможности отказа систем, тогда можно оптимизировать 85% всех его физических, психических свойств. Летчик делает глобальные действия – стратегия, алгоритмы выполнения задач. Частичное снятие локальных функций приводит к потере летчиком чувствительности самолета, но зато он сможет сосредоточиться на глобальных функциях, т.е. летчик принимает тактические решения.

В основе идеологии АЛА заложены принципы разделения функционального управления. Локальные задачи – ЛА (лет. аппарат), глобальные – летчику.

Для тех реализации дистанционного управления необходимо иметь:

I) внутренние системы управления функционирования.

II) контур внешнего управления.

I. 1) внутренняя система управления – для реализации алгоритма функционирования внутренних систем и устройств ЛА для достижения цели задания. Они реализуют локальные функции управления. Эта система вырабатывает решение на выполнение каких либо действий на основе анализов результатов событий и от уровня ЛА.

2) обеспечивает круговой обзор в акустическом, инфракрасном, радиочастотном диапазоне.

3) система обеспечивает управление в любых метео условиях

4) реализует автоматический возврат на аэродром базирования.

5) управляет использованием тех возможностей бортовых устройств и систем при любом состоянии.

6) контролирует использование ресурсов бортовой системы и распределением энергоресурсов между потребителями.

7)использует принцип выбора целей по степени важности и обеспечивает самосохранение.

Это авионика. Функциональная схема

СУ бортовым комплектом

Система оценки тех сост-я

Система упр-я движ

Система анализа событий и принятия решений

Каждая из этих систем работает самостоятельно, независимо друг от друга и имеет свои параметры. Эти параметры в комплексе обеспечивают работу ИИ ЛА. Также ЛА имеет набор разнообразных сенсорных систем, обеспечивающих круговой обзор ЛА (физический и информационный). Т.е. является многофункционально робототехнической мехатронной системой, имеющей группы мехатронных роботов агентов. Такие агенты могут работать в различных рабочих средах. Граница рабочей зоны ЛА определяется летно-тех характеристиками. Каждый дистанционно-управляемый ЛА выполняет в рамках глоб задачи свою задачу. Считают, что любую реальную глобальную задачу можно описать переменными во времени и пространстве рабочей среды. Они представляют собой нечеткое множество взаимосвязанных случайных локальных задач, требующих своего решения для достижения поставленной глобальной цели.

Когда ставится глобальная цель достижения превосходства в воздухе, летчи, находясь в дистанционно управляемом ЛА будет выглядеть в виде интеллектуального робота агента. ЛА превращается в робота. Современные дист упр ЛА совершают кооперацию (носящей вероятностный характер) для выполнения сверхзадач. Исходя из этого, задача автономного ИИ дистанционного управления ЛА в рабочей среде с переменной информацией, физическим содержанием не может быть сведена только к задачам планирования и формирования оптимального закона управления движением, т.е. многофакторные и многовариантные с высокой степенью неопределенности задачи требуют от современной авиации нового подхода к структурам управления ЛА. Для этого необходима система внешнего управления дист ЛА.

II) Предназначен для единичного или групповых ЛА при выполнении боевого задания или их совокупности в рамках единой боевой задачи. Реализуется путем эпизодической дискр обращения к отдельным ЛА с указанием локальной задачи (цель, координаты).

Исходя из уровня интеллекте ЛА, который определяется из уровня распределения по поколениям. Критерий – возможность и способ кооперации группы при выполнении глобальной задачи. Т.е. к I поколению ЛА относятся неспособные к кооперации и выполняют только свои задачи под постоянным контролем оператора боевого контроля. Ко II поколению – способные к кооперированию с однотипными ЛА по команде оператора боевого управления группой. К III поколению (перспектива) ЛА должны быть способны к операции разнотипных ЛА, самостоятельно определять лидера в группе, т.е. производится кооперация на основе объединения частных задач в рамках единой глобальной задачи.

Классификационные признаки:

Беспилотное авиационное средство – совокупность беспилотного ЛА и людей управляющих им, обеспечивающих его функциональность. При определении перспектив развития как вида оружия используют в качестве основного признака уровень функц самостоятельности ЛА. Целесообразность применения этого признака в том, что он учитывает не только уровень тех совершенства, но и уровень развития современных логических систем. Уровень функциональной самостоятельности определяется степенью вмешательства в управление поведением ЛА.

Выделяют 4 группы беспилотников:

1) дистанционно пилотируемые ЛА. Это ЛА непрерывное управление которого осуществляется тем или иным способом с подвижного или неподвижного пункта. Т.е. все функции управления поведением отданы оператору.

2) беспилотные автом ЛА. ЛА реализует свое функциональное назначение в автоматическом режиме в соответствии с заложенным в СУ алгоритма функционирования, т.е. все функции управления определены программным комплексом и базой данных.

3) с дистанционным управлением ЛА. ЛА сочетает в себе достоинства 1 и 2 группы так, чтобы у оператора появилась возможность влиять на результат функционирования ЛА, не отвлекаясь от выполнения задач непосредственного пилотирования.

4) с дистанционно управляемой авиационной системой. ЛА автономно реализуют свое функциональное предназначение путем формирования и выполнения своих внутренних динамических алгоритмов поведения при эпизодическом вмешательстве оператора для перенацеливания или постановки новой задачи. Функция оператора сводится к управлению групп.

18. Мехатроника в бронетанковом вооружении

Современные средства поражения — это наиболее эффективные и массовые противотанковые средства (ПТС). Решена проблема создания автоматического комплекса защиты танков от ПТС.

Комплекс активной защиты (КАЗ) "Дрозд" до настоящего времени— единственный комплекс в мире, принятый на вооружение и выпускаемый серийно – это оснащение танков комплексами активной защиты (КАЗ), который автоматически обнаруживает подлетающие к танку ПТУР, боеприпасы РПГ, осколочно.-фугасные снаряды и поражает их специальными боеприпасами.

КАЗ обнаруживает подлетающий снаряд или ракету, выбрасывает средства помех, создавая противникам условия неуправления своими выпущенными снарядами;

Эффективность системы – низкой вероятностью поражения, 2 из 10, да и то с благодаря наличию на танке так называемого комплекса активной защиты (КАЗ) типа "Арена". Это пластины со взрывчатым веществом на броне танка, который при попадании снаряда, автоматически подрывается и отбрасывает снаряд далеко в сторону, сохраняя экипаж.

Вся система работает автоматически, без оператора, а контролируется через радиолокационную станцию, которая обнаруживает атакующие запущенные и с земли, и с воздуха снаряды на радиусе 50м. Она может выбирать наиболее опасную цель. Далее определяется траектория ее движения вне зависимости от того, управляемый это снаряд или нет. Если цель представляет угрозу для танка, в расчетный момент времени отстреливается защитный элемент, затем следует команда на его подрыв. На обнаружение и уничтожения цели тратится 70 миллисекунд. Через 0,4 секунды комплекс, работающий в автоматическом режиме, готов к отражению следующей атаки. На пульте командира танка отображается информация о срабатывании КАЗ и количестве оставшихся защитных элементов. На перезаряжание комплекса экипажу требуется около 15 минут.

Танк имеет мощное вооружение в виде гладкоствольной пушки с осколочно-фугасными и кумулятивными снарядами, а также управляемые ракеты.

Улучшена пушка, которая может вести огонь прямой наводкой дальностью до 5 км и более.

Боевой модуль "Кливер" – башня с 4-мя ПТУР типа "Корнет", а также 30-миллиметровая пушка и пулемёт с лучевым лазерным наведением, при этом оператор недоступен для пуль и осколков.

"Кливер" может быть легко установлен на любом подходящем по грузоподъёмности шасси.

19. Мехатронные системы управления движением гусеничных машин

См 18+

Таким образом, главная идея использования принципов мехатроники при создании СУД ВГМ состоит в реализации качественно новых свойств, достигаемых при интеграции базовой структуры СУД и алгоритмической надстройки при их информационном и конструктивном объединении. Методы синтеза характеризуются взаимопроникновением таких ранее обособленных областей как механика движения ТГМ, бортовая электроника, гидромеханика энергоемких аксиально-плунжерных гидромашин и схемотехника систем управления, в том числе гидравлического привода с компьютерным управлением.

СУ движения танков – мехатронный эрганат (МЭ). МЭ представляет собой задачу синтеза системы управления движением (СУД) военных гусеничных машин (ВГМ), в механизмах поворота которых используются гидрообъемные передачи (ГОП), составленные из аксиально-плунжерных гидромашин при мощности регулируемого потока гидравлической энергии до 400 кВт.

Основной проблемой МЭ является создание алгоритмов СУД с учетом условий гарантированно управляемого криволинейного движения ВГМ на высоких скоростях.

Движение ВГМ в данной работе считается гарантированно управляемым, если водитель, воздействуя на органы управления, реализует требуемую траекторию движения с необходимой для безопасного движения точностью. Реализация гарантированно управляемого движения ВГМ при любых действиях водителя, в первую очередь неопытного, является задачей СУД.

Основные СУ: система шасси, система гусеничного движителя, источники энергии, гидромеханические элементы, трансмиссии, согласующие бортовые редукторы, планетарные коробки передач, фрикционные элементы в прямых и параллельных ветвях трансмиссии, управляемые бортовые тормозы и дифференциальные суммирующие передачи механизма поворота.

Водитель непрерывно оценивает качество движения и сравнивает действительные реакции с желаемыми.

В СУ все функции реализуются на основе применения электрических, гидравлических, электрогидравлических устройств. Для управления поведением применяются мехатронные модули движения.

Живучесть системы реализуется только механическими устройствами, но у такой системы минимальная автоматизация, сейчас используются интегрированные функции управления движением. Функции управления человеком уменьшаются, т.к. система оценивает режимы работы объекта. Трансмиссии имеют датчики обратной связи для оценки работы гусеничных механизмов движения, измеряют угловые скорости колес, ускорения шасси, угловую скорость шасси, давление гидродвигателя и т.д.

Алгоритмы управления систем улучшают качество этих систем. Бортовая ЭВМ танка корректирует действия неопытного водителя (робото-технологическая система). Разрабатываются танки без водителей. Они могут двигаться в зависимости от боевой задачи.

20. Мехатронные модули перемещений металлорежущих станков

На основании прогноза и анализа развития станкостроения можно выявить следующие направления:

1. качественное изменение конструкции станков: применение конструкций «бокс ин бокс»

2. существенное повышение производительности станков за счет реализации технологической скорости обработки

3. широкая унификация станков за счет реализации агрегатных модульных станков.

Для решения этих задач наряду с совершенствованием технологии, созданием нового инструмента, разрабатываются максимально новые МУ приводов и автоматики на базе интеграции средств прецизионной механики, электроники и электротехники. Конструктивное объединение исполнительного и приводного элемента механизмов линейных и вращательных перемещений станков, реализующих концепцию привода прямого действия (директдрайв), позволяет исключить промежуточные преобразователи и передачи, повышая точность, быстродействие и снижая потери. Наличие встроенных СУ и датчиков контроля ТП делает МУ интеллектуальными автономными модулями. Перспективность и эффективность использования ММ в конструкциях станков подтверждена результатами прогностического анализа применения различных видов приводов в конструкциях металлорежущего оборудования:

1) приводы главного движения: ↑ производительность – мотор-шпиндель (100%), ср. пр-сть – мотор-шпиндель (50%), мотор-муфта (50%), ↓ пр-сть – мотор-шпиндель (30%), мотор-муфта (50%), коробка скоростей (20%).

2) приводы подач линейных перемещений: ↑ пр-сть – линейный двигатель (80%), классический привод подач (20%), ср. пр-сть – линейный двигатель (30%), мотор-муфта (30%), классический привод подач (40%), ↓ пр-сть – линейный двигатель (10%), мотор-муфта (30%), классический привод подач (20%), механическая коробка подач (20%).

3) приводы круговых перемещений: ↑ пр-ть – поворотный стол (100%), ср. пр-ть – поворотный стол (50%), мотор-муфта (50%), ↓ пр-сть – поворотный стол (20%), мотор-муфта (60%), классический привод подач (20%).

При разработке и создании ММ необходимо решить следующие задачи:

1. выявить области эффективного использования ММ лин. и вр. движения

2. разработать методы проектирования и структурного построения ММ для станков в т.ч. интеллектуальные модули движения

3. разработать методы оптимальной настройки и управления ММ, которые обеспечивают наилучшие эксплуатационные показатели станков

4. проанализировать влияние использования ММ в станках на их производительность, качество и точность обработки

5. на базе исследований создать и внедрить конкретные модели ММ линейных и вращательных перемещений и обеспечить их эффективное использование в металлорежущих станках.

ММ обладают следующими особенностями:

1. используют однотипные унифицированные узлы в различных вариантах компоновок станков, что обеспечивает агрегатно-модульное построение

2. снижают время ремонта оборудования за счет поузловой замены

3. наращивают и расширяют функции станков

4. создают разветвленные системы диагностики

5. упрощают сервисное обслуживание

Мехатронное устройство – исполнительные узлы и система управления (СУ).

Исполнительные узлы: привод главного движении (ПГД), привода подач (ПП).

ПГД: Мотор-шпиндель - шпиндельный станочный узел, на валу которого монтируется ротор приводного двигателя (В), электрошпиндель — электродвигатель, непосредственно к валу которого крепится режущий инструмент (В), мотор-редуктор - электродвигатель со встроенным планетарным механизмом, обеспечивающим две и более ступеней механической редукции (В). ПП: мотор-редуктор со встроенной планетарной или волновой передачей (В), модули лин. движения на базе плоских и пазовых лин. двигателей (Л), механизмы подачи, предст-е собой законченный станочный узел, координатные и координатно-силовые столы с позиционированием по 1 и 2 осям со встроенным двигателем (Л), поворотные столы, на валу которых располагается ротор двигателя (В), плансуппорты для внутренней расточки и объемной обработки со встроенным двигателем (В, Л), эл.мех. инструментальные и револьверные головки (В), шарнирный узел со встроенным двигателем (В).

СУ: регулируемый привод: автономная с-ма→замкнутая с-ма по положению→с-ма с программируемой памятью→с-ма на базе МП.

Технические характеристики ММ можно разделить на 3 группы:

1) основные Эл.мех. х-ки – определяются в номинальном режиме, максимальном режиме и в режиме повторов для модулей вращательного движения (В) – мощность, момент, частота max и min, дискретность угловых перемещений, для модулей линейного движения (Л) - мощность, усилие, скорость, дискретность линейных перемещений.

2) основные тех. хар-ки – геометрические и конструктивные элементы для В – конус шпинделя, для Л - диаметр поворотного стола.

3) доп. тех. х-ки – наличие устройства подачи СОЖ в зону резания, устройства зажима/разжима инструмента, устройств встроенного принудительного охлаждения, устройств контроля геометрии и качества обработанной поверхности.

Принципиальной особенностью проектирования ММ является то, что их следует рассматривать как станочный узел, а также как автоматизированный электропривод.

При проектировании ММ в виде станочного узла решают следующие задачи:

1. задача стат., дин. и температурных деформаций и их влияние на точность

2. упругость механических звеньев, люфты, зазоры

3. технологическая ориентированность станочного узла

4. особенность узла для станков различных технологических групп

При проектировании ММ в виде авт-го привода решают следующие задачи:

1. задача расчета силовых параметров: мощность, кр. момент, развиваемое усилие, перегрузка

2. скоростные параметры: линейная скорость, частота вращения

3. определение координатных параметров: угловые и линейные положения

4. определение статических и динамических характеристик

5. определение энергетических характеристик: мощность, КПД.

21. Мехатронные модули вращательных движений металлорежущих станков

Механизмы главного движения

Мотор-шпиндель - шпиндельный станочный узел, на валу которого монтируется ротор приводного двигателя.

Электрошпиндель — электродвигатель, непосредственно к валу которого крепится режущий инструмент.

Мотор-редуктор - электродвигатель со встроенным планетарным механизмом, обеспечивающим две и более ступеней механической редукции.

Принципы электромеханического преобразования мехатронных модулей вращательного движения достаточно близки к принципам электромагнитного преобразования электродвигателей вращательного движения.

На динамические характеристики привода также влияет допустимая перегрузочная способность привода в динамических режимах (кратность пусковых и тормозных моментов). У большинства мехатронных модулей этот параметр значительно выше, чем у традиционных электроприводов.

На основании изложенного можно сделать вывод, что мехатронные модули обеспечивают более высокие динамические характеристики. Эту особенность следует учитывать при анализе отработки приводом возмущающего воздействия. Обеспечение мехатронным модулем станка режимов врезания инструмента в заготовку, режимов резания с переменной нагрузкой (несимметричная обработка и т.п.) зависит от выбора структуры регуляторов и качества настройки системы управления модулем. Если в простых станках основной функцией привода является стабилизация скорости при изменении нагрузки, что накладывает ограничения только на динамические характеристики по возмущающему воздействию, то в автоматизированных станках,- особенно в. многооперационных станках, требуется высокое качество динамических характеристик как по управляющему, так и по возмущающему воздействиям. Особое значение приобретает анализ динамических характеристик электромеханизмов станков, в которых требуется точное согласование движений механизмов главного движения и подачи. К таким станкам относятся: зубообрабатывающие, резьбонарезные и стенки, в которых реализуется режим ориентации шпинделя. Комплексный подход к анализу переходных процессов в приводе мехатронных модулей станков в целях обеспечения оптимальной производительности делает

22. Анализ особенностей электромеханического преобразования мехатронных модулей

В конструкциях мехатронных модулей (ММ) применяется принцип прямого действия. Принципы электромеханического (ЭМ) преобразования в ММ близки принципам в электродвигателях (ЭД). С точки зрения ЭМ преобразования линейными ЭД (ЛЭД) их можно разделить на: плоские линейные ЭД (синхронные и асинхронные); П-образные (пазовые) ЛЭД; цилиндрические ЛЭД.

Плоские ЛЭД:

Синхронные – состоят из двух основных элементов: силовая подвижная часть и неподвижная вторичная часть. Неподвижная вторичная часть включает в себя постоянные магниты, распределенные под углом к оси двигателя, что обеспечивает уменьшение колебаний системы.

Металлическая конструкция подвижной части содержит обмотку для повышения интенсивности электромагнитного поля. Первичная часть содержит трехфазную обмотку. Этот модуль имеет фиксированные размеры, зависящие от типа исполнения двигателя, он встречается в движущихся частях станка. Вторичная часть двигателя состоит из одного или нескольких модулей с постоянными магнитами. Длинна вторичной части зависит от максимальной длинны перемещений. В синхронных машинах не требуется охлаждение вторичной части двигателя.

· малые габариты

· высокие удельные показатели и повышенная перегрузочная способность

· возможность обеспечения перемещений до 6метров

· необходимость обеспечения высокой точности воздушного зазора

· трудоемкость установки

· металлическая конструкция первичной части

· малая теплопроводность

· неэффективное использование магнитного поля

Асинхронные ЛЭД имеют подобный принцип действия: в подвижной части находится трехфазная обмотка, а неподвижная представляет собой короткозамкнутую обмотку типа «беличья клетка».

· развивает большое усилие

· возможность перемещения на дальние расстояния

· простота сборки

· отсутствие магнитного поля

· сложный алгоритм управления

· низкий КПД

· повышение рабочей температуры

· не удерживает подвижный элемент при отключенном питании

Пазовые П-образные ЛЭД. Название данного типа двигателей связано с П-образной формой сечения. Постоянные магниты расположены в неподвижной П-образной части двигателя.

· высокая плавность перемещения, что имеет особую важность в высокоточных механизмах, например в станках для лазерной резки

· возможность обеспечения перемещения на большие расстояния

· отсутствие силы притяжения.

· тепловые ограничения, ток как первичная подвижная часть двигателя с трех сторон закрыта вторичной частью, что ухудшает условия ее охлаждения

· частая необходимость охлаждения водой или воздухом

· неэффективное использование магнитногополя

· низкая механическая жесткость

Цилиндрические ЛЭД.

Неподвижная часть – стержень цилиндрической формы, который содержит постоянные магниты. Обмотка на подвижной части.

· оптимальное использование магнитного поля

· низкие силы притяжения и отталкивания

· хорошие условия для теплоотдачи

· больший воздушный зазор м/у подвижной и неподвижной частями

· ограничение максимальной величины рабочего хода до двух метров

· конструкция имеет большие габариты по сравнению с другими ЛЭД

23. Мехатронные технологии обработки материалов резанием

Однако, при этом происходит подмена понятий и, вместо мехатронных технологий, которые реализуются на основе использования мехатронных объектов, в этих работах идет речь о технологии изготовления и сборки таких объектов.

Однако, предварительно следует отметить, что мехатронные технологии включают в себя следующие этапы:

5. Технологическая постановка задачи;

6. Создание модели процесса с целью получения закона исполнительного движения;

7. Разработка программного и информационного обеспечения для реализации исполнительных движений;

8. Дополнение информационной управляющей и конструкторской базы типового мехатронного объекта, реализующего предлагаемую технологию, если в этом есть необходимость.

24. Применение самообучающихся мехатронных электроприводов подач для повышения точности серийных деталей

Идея использования принципов самообучения в приводах подачи базируется на том, что в большинстве случаев на станке обрабатывают не уникальное изделие, а серию одинаковых деталей. Это позволяет рассматривать цикл обработки предыдущей детали как основу для совершенствования закона управления при обработке следующей.

В случае применения обычных приводов подачи, не способных к самообучению, задачу воспроизведения формы детали решают за счет перемещения режущего инструмента и заготовки по жестко заданной программе. Контроль и коррекция ошибок взаимного расположения инструмента и детали осуществляют при этом на основе информации, полученной либо непосредственно в текущий момент (пропорциональное управление), либо за небольшой предыдущий отрезок времени (интегральное управление). В закон управления можно вводить также небольшое упреждение (дифференциальное управление).

Самообучающиеся приводы подачи, наряду с использованием тех же законов оперативного управления, реализуют дополнительные возможности: они самостоятельно осуществляют коррекцию заданной им программы обработки после завершения каждого цикла, связанного с изготовлением очередной детали. Коррекцию программы обработки следующей детали выполняют на основе информации об ошибках формообразования, которые наблюдают и фиксируют во всех точках заданной формы в процессе обработки предыдущей детали.

В настоящее время успешно разрешены следующие проблемы создания самообучающихся приводов поперечной подачи:

1. Первой проблемой создания самообучающихся приводов подачи является необходимость быстрой обработки очень больших объемов информации. Если в робототехнике, где впервые применяли принципы самообучения, типичным процессом является воспроизведение дискретной системой траектории движения с циклом повторения порядка нескольких секунд и небольшим числом контрольных точек траектории (5... 100), то для обточки деталей характерны циклы, измеряемые минутами и значительно большим числом контрольных точек формы изделия. Так, для обточки автомобильного поршня, имеющего овально-бочкообразную форму, самообучающийся привод должен анализировать ошибки в нескольких сотнях тысяч контрольных точек поверхности изделия. Самообучающуюся систему в этих условиях реализуют не как дискретную, а как непрерывную или квази-непрерывную систему управления. Эту проблему решают при использовании современных микропроцессорных управляющих средств, работающих с большими объемами памяти.

2. Второй проблемой является решение задачи обеспечения практической устойчивости системы управления с самообучением. Решение этой проблемы связано с использованием так называемых Р-интеграторов во внешнем контуре системы регулирования, выработкой критерия устойчивости для непрерывной системы самообучения и с рациональной коррекцией динамических свойств ее внутренних подчиненных контуров.

3. Третьей проблемой создания эффективных самообучающихся приводов подачи является необходимость отработки высокочастотных воздействий с амплитудой до 1 мм. Например, обточка поршня на скорости шпинделя 2400 мин^-1 связана с необходимостью отрабатывать задающее воздействие, имеющее в своем спектре периодические составляющие с частотами 80...800 Гц. При этом воздействия на резец при прохождении кромок и отверстий, связанные с ударным приложением нагрузки, имеют в своем составе еще более высокочастотные составляющие. В то же время, допустимая погрешность воспроизведения формы при финишной обточке деталей составляет единицы микрометров. Эту проблему решают за счет использования быстродействующих электроприводов с электродинамическими и пьезоэлектрическими двигателями малых перемещений.

4.Четвертая проблема сводится к необходимости сохранения большого общего диапазона перемещения, традиционного для рабочей зоны токарных станков. Решение достигается за счет организации двухканального электропривода подачи с использованием традиционного привода в первом (грубом) канале, управляющем перемещением суппорта, и быстродействующего привода малых перемещений во втором (точном) канале, управляющем дополнительным по отношению к суппорту смещением резца. При этом взаимодействие каналов привода не должно создавать помех процессу самообучения.

5. Наконец, пятой проблемой является задача повышения точности базового токарного станка за счет рационального совмещения системы активного контроля и коррекции формы изделия с быстродействующим электроприводом подачи в рамках единого мехатронного модуля, обладающего свойствами самообучающейся системы, а также исследование эффективности такого технического решения для различных станков.

24.2. Самообучающаяся система активного контроля и коррекции

формы при токарной обработке

Принципы активного контроля и коррекции формы изделий в процессе их обработки на металлорежущих станках предложены и используются очень давно. В общем случае они сводятся к введению в станок измерительных узлов, констатирующих (в статике или в динамике) изменения взаимного расположения в пространстве заготовки и режущего инструмента, а также приводных устройств для коррекции этого расположения в целях повышения точности формы изделий. Известно много вариантов реализации устройств активного контроля при токарной обработке. Простейшие из них выполняют коррекцию положения инструмента в функции одного контрольного датчика смещений, деформаций или нагрузки. Сложные системы с большим числом датчиков и компьютерной обработкой их сигналов позволяют строить и предсказывать геометрический образ обтачиваемой детали. С точки зрения возможности использования активного контроля в самообучающейся системе конкретный вариант исполнения блока контроля взаимных смещений инструмента и детали не имеет принципиального значения.

Рассмотрим отличия, вносимые в базовую структуру самообучения при использовании системы активного контроля формы изделия. Во-первых, регулируемой координатой в такой системе выступает не перемещение резца Xp, а форма изделия Xф, определяемая суммой перемещения резца и дополнительных смещений Xдоп детали (заготовки) в координатах станка, вызванных биениями шпинделя. В свою очередь, эти дополнительные смещения складываются из случайной Xслуч и систематической Xсист составляющих:

Xдоп=Xслуч+Xсист. Соответственно, задающее воздействие в такой системе описывает не желаемое перемещение резца Xж, а желаемую форму изделия Xжф. Дополнительное смещение оси детали в точке резания Xдоп фиксируют датчики блока активного контроля. Указанные выше изменения структуры, учитывающие наличие системы активного контроля, представлены на рисунке.

Рис. Структура самообучения с активным контролем

Из анализа структурной схемы следует, что добавление аддитивной связи по возмущению Xдоп на вход и выход системы не изменяет условий устойчивости самообучения. Поэтому настройку Р-интегратора (выбор Wо и К на рис. 1) в рассматриваемом случае можно выполнять аналогично тому, как это было описано выше для станков без устройств активного контроля. За счет самообучения можно скомпенсировать все ошибки формы, связанные с погрешностями станка и имеющие систематическую природу Хсист (повторяющиеся от детали к детали). "Медленно" изменяющиеся случайные составляющие, например, связанные с нагревом элементов станка, также будут отработаны такой системой за счет ее астатизма. "Быстро" изменяющиеся случайные составляющие возмущения Хдоп будут отработаны с погрешностью, определяемой быстродействием используемого сервопривода подачи. Даже специальные приводы подачи резца, выполненные на базе нетрадиционных быстродействующих двигателей, такие как электродинамический привод станка для финишной обточки поршней (время регулирования положения резца 2,5 мс), не способны эффективно компенсировать случайные возмущения на типовых скоростях вращения шпинделя без использования принципов самообучения.

При использовании для управления линейным двигателем алгоритма самообучения ошибка контура положения уменьшается от цикла к циклу. Несмотря на высокое быстродействие, линейный привод не может эффективно отработать высокочастотную составляющую компенсирующего сигнала при способе прямой компенсации ошибки. На скоростях обточки выше 2000 мин"¹ применение схемы активного контроля с используемым нами приводом вообще оказывается неэффективным и приводит не к снижению, а к возрастанию ошибок.

Если одно и то же компенсирующее воздействие повторяется в течение нескольких периодов адаптации, то форма обточенной детали может быть существенно улучшена при использовании самообучающейся системы управления. Проведенные эксперименты зафиксировали 5...10-кратное снижение среднеквадратического значения систематических ошибок формообразования за счет применения самообучающейся системы активного контроля и коррекции формы. Эффективность системы активного контроля с самообучением остается высокой вплоть до проверенных в экспериментах скоростей 4100 мин^-1

25. Электроприводы главного движения станков для высокоскоростной обработки.

В последнее время все больше расширяется область применения высокоскоростной обработки (ВСО) которая охватывает многие операции обработки резанием (в первую очередь фрезерование, а также точение, шлифование, сверление, растачивание, зенкерование, развертывание). ВСО могут подвергаться практически любые материалы — сталь, чугун, легкие и цветные металлы, труднообрабатываемые металлы и сплавы, пластмассы и др. Кроме существенного повышения производительности благодаря сокращению основного времени, при ВСО уменьшаются силы резания и нагрев обрабатываемой заготовки, снижается возможность возникновения вибраций (скорость резания смещается в закритическую зону), повышается качество изделия, сокращается объем отделочной обработки. Очевидна также экономическая целесообразность применения ВСО.

В то же время ВСО требует разработки новых технологических режимов, а также принципиально новых режущих материалов и инструментов на их базе. Применение технологий ВСО должно быть обеспечено как высокими частотами вращения привода главного движения станков, так и высокими динамическими характеристиками привода подачи.

Конструкция и составные элементы высокоскоростных электроприводов главного движения. Конструкция шпинделя оказывает существенное влияние на основное время обработки. Сочетая высокую частоту вращения с большой мощностью привода, достигают большой объемной производительности резания. Для сокращения времени разгона шпинделя возможно уменьшение его диаметра или повышение мощности привода.

Конструкции и элементы шпиндельных узлов (ШУ), предназначенных для ВСО, существенно отличаются от традиционных, При создании скоростных ШУ возникают жесткие требования к их статической и динамической устойчивости. Шпиндельные опоры конструируют на базе как подшипников качения, так и гидростатических, гидродинамических и электромагнитных подшипников.

В скоростных ШУ целесообразно использовать радиально-упорные подшипники качения, смазываемые специальными методами (импульсным, масляно-воздушным). Предварительный натяг контролируют в собранном узле. Перспективно применение комбинированных (со стальными кольцами и керамическими шариками) подшипников, подшипников со стальными кольцами, имеющими твердосплавное покрытие, а также с модифицированной конструкцией сепаратора. Другим вариантом являются бесконтактные гидравлические или воздушные опоры. Для ШУ, работающего в широком диапазоне изменения частоты вращения, целесообразно применение комбинированных гидростатодинамических опор. Комбинированные опоры повышают жесткость шпинделя, что способствует уменьшению биения, снижению уровня вибраций и увеличению срока службы опор. Однако вследствие больших потерь на трение в рабочей среде значение n_max для таких опор не выше, чем для опор качения.

Эта проблема может быть решена путем применения бесконтактных электромагнитных опор, которые обеспечивают более высокую частоту вращения и более длительный срок службы ШУ, а также предотвращают вибрации (так называемые активные электромагнитные опоры). К недостаткам электромагнитных опор относятся низкая перегрузочная способность и высокая стоимость.

В приводе главного движения высокоскоростных станков с n_max>10 000 об/мин практически невозможно использовать электродвигатель с механической редукцией. В связи с этим станки, предназначенные для ВСО, оснащают новыми агрегатно-модульными конструкциями шпинделей со специальными опорами (подшипниками) и со встроенными электродвигателями (мотор-шпиндели). В мотор-шпинделе ротор электродвигателя смонтирован непосредственно на валу шпинделя.

Из-за повышенного тепловыделения в электродвигателе и опорах мотор-шпиндели должны иметь систему эффективного охлаждения. Конструкция как самого мотор-шпинделя, так и системы охлаждения должна создавать осесимметричное температурное поле, обеспечивая таким образом требуемую точность узла. В настоящее время широко применяют системы принудительного воздушного и жидкостного охлаждения.

В конструкции мотор-шпинделей предусматривают различные устройства, обеспечивающие решение технологических задач: узел крепления инструмента, систему подачи СОЖ и др. Отметим, что для ВСО используют специальный отбалансированный инструмент, В мотор-шпинделях применяют в основном встроенные асинхронные двигатели с широким диапазоном регулирования частоты вращения - при постоянной мощности. В некоторых случаях используют специальные синхронные (вентильные) двигатели. Они дороже, чем асинхронные, однако благодаря меньшему тепловыделению, обеспечивают более высокую точность ШУ и большой крутящий момент при малых частотах вращения; Для регулирования частоты вращения мотор-шпинделя служат цифровые системы векторного управления с устройством ориентации вала.

26. Мехатронные роботы-игрушки

С древних времен человек понял, что уменьшенная копия человека интересует публику больше, чем живые актеры (марионетки – предшественники роботов).

Созданы роботы-игрушки – видеоигры. Сформирована концепция создания робототехнических игр (первая игра «космические пришельцы»). Любая робототехническая игра имеет элемент соперничества.

Одна из первых игр – «настольный теннис» - управление игрой с помощью устройства. Научить робота оценивать расстояние до шарика и ударять – это проблема.

Робототехнические игры развивались в виде таких игр, как: «Бои гладиаторов» (высота робота = росту человека, они сражались до смертельного исхода).

Микророботы вошли в систему образования (стационарные, движущиеся, большие, маленькие).

Известно, что знания лучше усваивать на основании практического опыта, особенно если учащийся имеет возможность "потрогать" изучаемый предмет. Самостоятельное программирование движений робота заставляет учащихся мыслить творчески, и это способствует процессу обучения. Детей, да и взрослых, привлекает то, что робот подобен зеркалу, в котором мы можем видеть себя.

Чтобы заставить робот выполнять определенные функции, необходимо сначала мысленно представить последовательность его действий, а затем составить их описание; далее нужно перевести составленное описание в законченную программу. Робот может выполнять непредусмотренные действия, необходимо заново составлять программу. Логорайтер – язык, созданный специально для детей.

Многое из того, чему обучают детей, особенно в области математики, имеет
абстрактный характер. Основная причина неудач при обучении элементарным основам математики и даже простому счету заключается в том, что дети плохо воспринимают понятия, которые не могут соотнести со своим личным опытом. Компьютер предоставляет им возможность получить реальные представления о вычислениях, а также о формульных и числовых абстракциях различного рода (используется в Великобритании для демонстрации абстрактных принципов конкретных объектов). Такие эффективные способы обучения продолжают традицию преподавания.

Поскольку управление роботами и их программирование начинают широко
внедряться в преподавание, возникает потребность в создании простого и недорогого робота для школ. Таким роботом является "черепаха". Он представляет собой подвижное устройство, подключенное к компьютеру с помощью гибкого провода, его можно программировать непосредственно с клавиатуры компьютера. Поскольку механические и электронные узлы "черепахи" просты, он (робот «Черепаха») зачастую продается в виде
набора деталей, к которому прилагаются руководства и инструкции по сборке, составленные фирмами-изготовителями. Процесс изготовления "черепахи"из конструкторского набора деталей уже сам по себе весьма полезен, так как расширяет представление учащихся о возможностях робота-черепахи, его системах управления и передвижения.

«Черепаха» обладает 2 основными особенностями:

1) хозяин робота должен иметь возможность следить за перемещениями (в него встраивается карандаш или ручка, которые при движении оставляют след);

2) для управления необходим простой язык программирования – «LogoWriter» (создатель языка Сеймур Перпейт).

Правила грамматики в этом языке более простые, чем в других языках. Основным элементом является слово, а в этом языке это примитив, т.е. набор слов, предназначенный для выполнения команд (+,-, умножение, деление), манипуляции со словами или со списком слов.

В высшей школе микроробот используется для обучения студентов
математической логике, алгебре, геометрии, дифференциальному и интегральному исчислению на значительно более высоком уровне. Программы обучения по курсу "Управление с помощью ЭВМ", разрабатываемые в настоящее время в Великобритании для студентов уровня "А", в частности созданные в университете графства Эссекс, в значительной мере ориентированы на использование микророботов для демонстрации гибкости математических методов. Такой подход с энтузиазмом поддержал британский открытый университет. Для него был специально разработан робот, рассчитанный на два новых курса робототехники. В первом курсе рассматриваются алгебраические. Программа второго курса, одобренная министерством промышленности, имеет более практическую направленность и ориентирована на инженеров-производственников, работающих на предприятиях. Курс направлен на решение проблем, возникающих при использовании роботов для выполнения повседневных производственных задач. В число пособий для этих курсов входят не только лекции, печатная документация и инструкции, записанные на звуковых и видеокассетах, но и настоящий робот. Он имеет шесть степеней свободы и оснащенный серводвигателем постоянного тока схват, который вытягивается на 50 см. Робот может поднимать груз массой 1 кг при точности позиционирования ±2 мм, он укомплектован экспериментальным набором инструментов, позволяющим моделировать различные производственные операции. Микроробот с такими техническими характеристиками может стать полезным помощником для своего большого промышленного собрата. Это прототип промышленного робота, у него гибкая конструкция. Он удобен для обучения по проектированию, управлению роботами, по организации рабочих мест, по обучению персонала по использованию роботов.

Впервые в мире создан сложный обучающий микроробот, обладающий
физической силой, достаточной для выполнения настоящей производственной операции.

В США к числу наиболее распространенных обучающих роботов относится "РайноХР". Он выпускается в открытом корпусе (благодаря чему студенты имеют возможность видеть его внутренние механизмы в действии) в комплекте с контроллером и выносным пультом.

27. Микророботы в системе образования

Известно,что знания лучше усваивать на основании практического опыта, особенно если учащийся имеет возможность "потрогать" изучаемый предмет. Самостоятельное программирование движений робота заставляет учащихся мыслить творчески, и это способствует процессу обучения. Детей, да и взрослых, привлекает то,что робот подобен зеркалу, в котором мы можем видеть себя.

Многое из того, чему обучают детей, особенно в области математики, имеет
абстрактный характер. Основная причина неудач при обучении элементарным основам математики и даже простому счету заключается в том, что дети плохо воспринимают понятия, которые не могут соотнести со своим личным опытом. Компьютер предоставляет им возможность получить реальные представления о вычислениях, а также о формульных и числовых абстракциях различного рода. Такие эффективные способы обучения продолжают традицию преподавания.

Поскольку управление роботами и их программирование начинают широко
внедряться в преподавание, возникает потребность в создании простого и недорогого робота для школ. Таким роботом является "черепаха". Она представляет собой подвижное устройство, подключенное к компьютеру с помощью гибкого провода, его можно программировать непосредственно с клавиатуры компьютера. Поскольку механические и электронные узлы "черепахи" просты, она зачастую продается в виде
набора деталей, к которому прилагаются руководства и инструкции по сборке, составленные фирмами-изготовителями. Процесс изготовления "черепахи"из конструкторского набора деталей уже сам по себе весьма полезен, так как расширяет представление учащихся о возможностях робота-черепахи, его системах управления и передвижения

В высшей школе микроробот используется для обучения студентов
математической логике, алгебре, геометрии, дифференциальному и интегральному исчислению на значительно более высоком уровне. Программы обучения по курсу"Управление с помощью ЭВМ", разрабатываемые в настоящее время в Великобритании для студентов уровня "А", в частности созданные в университете графства Эссекс, в значительной мере ориентированы на использование микророботов для демонстрации
гибкости математических методов. Такой подход с энтузиазмом поддержал британский открытый университет. Для него был специально разработан робот, рассчитанный на два новых курса робототехники. В первом курсе рассматриваются алгебраические. Программа второго курса, одобренная министерством промышленности, имеет более практическую направленность и ориентирована на инженеров-производственников, работающих на предприятиях. Курс направлен на решение проблем, возникающих при использовании роботов для выполнения повседневных производственных задач. В число пособий для этих курсов входят не только лекции, печатная документация и инструкции, записанные на звуковых и видеокассетах, но и настоящий робот. Он имеет шесть степеней свободы и оснащенный серводвигателем постоянного тока схват, который вытягивается на 50 см. Робот может поднимать груз массой 1 кг при точности позиционирования ±2 мм, он укомплектован экспериментальным набором инструментов, позволяющим моделировать различные производственные операции. Микроробот с такими техническими характеристиками может стать полезным помощником для своего большого промышленного собрата.

Впервые в мире создан сложный обучающий микроробот, обладающий физической силой, достаточной для выполнения настоящей производственной операции.

В США к числу наиболее распространенных обучающих роботов относится "Райно ХР" (рис.3). Он выпускается в открытом корпусе (благодаря чему студенты имеют возможность видеть его внутренние механизмы в действии) в комплекте с контроллером и выносным пультом.

Роботы для научных - исследовательских целей

Применения в лабораторных экспериментах. Приготовление и анализ проб фармацевтических, химических и пищевых продуктов часто представляют собой монотонный, утомительный процесс, которой обычно занимаются
квалифицированные и сравнительно высокооплачиваемые работники лабораторий. Н-р, в Англии в Государственной химической лаборатории (Лондон): роботы осуществляют химическое титрование
(перемешивание двух жидкостей до тех пор, пока не произойдет какая-либо реакция), взвешивают химикаты на чувствительных весах с точ. до 0,0001г.

28. Искусственный интеллект микромашин

Раньше основные разработки были направлены на обеспечение точности и безопасности. Сегодня – разработка средств чувств для роботов, сенсоров. Тактильное восприятие у робота можно реализовать несколькими способами. 1) Наиболее простой – переключатели, срабатывающие при касании. Действие переключателя можно запрограммировать различными действиями.

2) Датчики усилия, которые реагируют на механическое давление - установленные на концах пальцев схвата – чтобы определить, насколько крепко он держит предмет, чтоб не повредить. Сигналы обратной связи и информация об усилии позволяют компьютеру усиливать или ослаблять давление пальцев схвата.

Особенно необходима обратная связь для системы зрения. Одно из устройств зрения воспринимает лишь один участок изображения и сообщает компьютеру в виде слов черное/белое. Чтобы рассмотреть полностью робот сканирует все поле зрения. Такое изображение называется бинарным. Робот становится интеллектуальным с некими умственными способностями. В результате анализа робот способен использовать полученную информацию. Т.е. процедуры распознавания образов, составляют неотъемлемую часть такого программного интеллекта.

Для управления роботами используются языки высокого уровня, например Fort, Fortrun. Структура языка Fort идеально подходит для решения задач с помощью компьютера. Сегодня микророботы без датчиков способны обеспечивать восприятие картины внешнего мира, а также с помощью программ способны анализировать сформированные датчиками образы.

В течение 15 лет инженеры ожидают появления электронного робота не уступающего фантастике. Интеллектуальные возможности возрастут. Робот станет механическим созданием, наделенным компьютерной программой. Роботы окажут материальное, социально-экономическое воздействие.

Применение роботов в быту, способность готовить пищу на автоматической кухне. Миксеры, устройства для обработки продуктов питания и другие машины уже существуют, но тем не менее приготовление пищи представляет собой сложную задачу, поскольку меню желательно все время менять. Роботы будут применяться в домашнем быту. В ресторанах США роботы уже готовят и подают гамбургеры. Идея кухни без поваров уже продумана; вопрос лишь в том, когда по своей стоимости она станет доступной многим.

Микроробототехника разовьется в отдельную промышленность (нанотехнолигию). Появятся "разумные" роботы, обладающие необходимым мастерством + умением правильно разбираться в окружающей обстановке, для их дальнейшего прм в промышленности, при освоении космического пространства и т. д. а в ближайшее время большой спрос
найдут малогабаритные, безопасные и надежные роботы для обслуживания населения.

МХ

понедельник, 21 января 2013 г.

Фецак

2. Концепция проектирования и применения мехатронных систем

Современные требования рынка вызвали бурное развитие мехатроники.

Комментариев нет:

Отправить комментарий

понедельник, 21 января 2013 г.

Фецак

2. Концепция проектирования и применения мехатронных систем

Современные требования рынка вызвали бурное развитие мехатроники.

Комментариев нет:

Отправить комментарий

понедельник, 21 января 2013 г.