Основные определения мехатроники

1. Лекция 1

по дисциплине
«Основы мехатроники»
тема: «Основные определения
мехатроники»
http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/s/STEPTE

2.

К началу 80-х годов термин "Мехатроника"
утверждается в мировой технической
литературе как название целого класса
машин с компьютерным управлением
движения.
Согласно «Oxford Illustrated Encyclopedia»:
Мехатроника – японский термин для
описания технологий, возникших на стыке
электротехники, машиностроения и
программного обеспечения.
1

3.

Включает в себя:
- проектирование машин,
- производство машин.
Изучает:
- функционирование машин с «разумным»
поведением,
- их связи с другими материалами
(искусственный интеллект, измерительное
оборудование, систем управления).
Машины с разумным поведением – машины,
действующие по заданной программе,
2

4.

Первое общее определение мехатроники в
широком понимании дано в Государственном
образовательном стандарте РФ
междисциплинарной специальности 07.18
"Мехатроника" (1995 г.).
"Мехатроника" – это новая область науки и
техники, посвященная созданию и эксплуатации
машин и систем с компьютерным управлением
движением, которая базируется на знаниях в
области механики, электроники и
микропроцессорной техники, информатики и
компьютерного управления движением машин и
агрегатов".
3

5.

Действующее определение мехатроники дано в
ГОС-2 по направлению подготовки
дипломированного специалиста 652000 –
Мехатроника и робототехника, квалификация –
инженер, принятом в 2000 г.
Мехатроника – это область науки и техники,
основанная на синергетическом объединении
узлов точной механики с электронными,
электротехническими и компьютерными
компонентами, обеспечивающими
проектирование и производство качественно
новых модулей, систем, машин и систем с
интеллектуальным управлением их
функциональными движениями.
4

6.

Определение, данное в ФГОС-3.
Мехатроника – область науки и техники,
основанная на системном объединении узлов
точной механики, датчиков состояния внешней
среды и самого объекта, источников энергии,
исполнительных механизмов, усилителей,
вычислительных устройств (ЭВМ и
микропроцессоры).
Мехатронная система (МС) – единый комплекс
электромеханических, электрогидравлических,
электронных элементов и средств
вычислительной техники, между которыми
осуществляется постоянный динамически
меняющийся обмен энергией и информацией,
объединенный общей системой автоматического
управления, обладающей элементами
искусственного интеллекта.
5

7.

Триединая сущность мехатронных
систем (МС), в основу построения которой
заложена идея глубокой взаимосвязи
механических, электронных и
компьютерных элементов.
Наиболее распространенным
графическим символом мехатроники
стали три пересекающихся круга,
помещенные во внешнюю оболочку
«Производство» – «Менеджмент» –
«Требования рынка».
6

8.

7

9.

Таким образом, системная интеграция трех
видов элементов (механика, электроника и
вычислительная техника) является
необходимым условием построения
мехатронной системы.
В отраслевом определении мехатроники
подчеркивается основной критерий соединения
указанных составных частей – единство,
рождающее новое качество, что является
ответом на определенную критику
8

10.

Недостатки рассматриваемого определения.
Во-первых, в определении не отражена такая
составляющая мехатроники, как анализ
исполнительных движений мехатронного объекта
(МО), что является основой для синтеза и
производства этих объектов, а также анализ
функционального взаимодействия механических,
энергетических и информационных процессов между
собой и с внешней средой.
Во-вторых, в определении не отражен жизненный
цикл мехатронного объекта в рамках концепции
CАLS (Continuous Acquisition and Life cycle Support непрерывная поддержка жизненного цикла изделия
или продукта).
В-третьих, в определении искажена иерархическая
структура МО.
10

11.

Модернизированная трактовка понятия
«Мехатроника», предлагаемая
Е.В. Шалобаев.
Мехатроника – область науки, посвященная
анализу исполнительных состояний
мехатронных объектов и функционального
взаимодействия механических,
энергетических и информационных
процессов между ними и с внешней средой,
а также синтезу мехатронных объектов. С
другой стороны, мехатроника – область
техники, обеспечивающая полный жизненный
цикл мехатронного объекта.
11

12.

Мехатронный объект синтезируется
на синергетическом объединении узлов
точной механики с электронными,
электротехническими и компьютерными
компонентами, обеспечивающими
проектирование и производство
качественно новых модулей, систем,
машин с интеллектуальным управлением
их функциональными состояниями
(в т.ч. движениями).
12

13.

Специальная формулировка предмета
мехатроники
"Мехатроника изучает синергетическое
объединение узлов точной механики с
электронными, электротехническими и
компьютерными компонентами с целью
проектирования и производства
качественно новых модулей, систем,
машин и комплексов машин с
интеллектуальным управлением их
функциональных движений".
13

14.

-
-
-
Комментарий № 1 к определению
Мехатроника изучает особый
методологический (концептуальный)
подход в построении машин с качественно
новыми характеристиками.
Данный подход является весьма
универсальным и может быть применен в
машинах и системах различного
назначения.
Однако, обеспечить высокое качество
управления мехатронной системой можно
только с учетом специфики конкретного
управляемого объекта.
14

15.

Следствие № 1.
Изучение мехатроники целесообразно
осуществлять по специальностям,
предметом которых являются
конкретные классы производственных
машин и процессов.
15

16.

-
Комментарий № 2 к определению
В определении подчеркивается синергетический
характер интеграции составляющих элементов
в мехатронных объектах.
Синергия (греч.) – это совместное действие,
направленное на достижение единой цели.
При этом принципиально важно,
что составляющие части не просто дополняют
друг друга, но объединяются таким образом, что
образованная система обладает качественно
новыми свойствами.
«Синергетическое» объединение – это
самоорганизующееся, адаптивное по отношению
к внешней среде и воздействиям,
взаимопроникающее, органическое объединение
компонентов
16

17.

Следствие № 2. Компоненты мехатронной системы:
Электронная,
электротехническая часть
Механическая часть
Интерфейсы
Компьютерная часть
В мехатронике все энергетические и информационные
потоки направлены на достижение единой цели –
реализации заданного управляемого движения.
17

18.

-
-
Комментарий № 3 к определению
Интегрированные мехатронные элементы
выбираются разработчиком уже на стадии
проектирования машины, а затем обеспечивается
необходимая инженерная и технологическая
поддержка при производстве и эксплуатации
машины.
В этом радикальное отличие мехатронных машин от
традиционных, когда зачастую пользователь был
вынужден самостоятельно объединять в систему
разнородные механические, электронные и
информационно-управляющие устройства различных
изготовителей.
18

19.

Следствие № 3.
Именно поэтому многие сложные
комплексы (например, некоторые гибкие
производственные системы в
отечественном машиностроении) показали
на практике низкую надежность и
невысокую технико-экономическую
эффективность.
19

20.

-
-
-
Комментарий № 4 к определению.
Методологической основой разработки
мехатронных систем служат методы
параллельного проектирования (concurrent
engineering methods).
При традиционном проектировании машин с
компьютерным управлением последовательно
проводится разработка механической,
электронной, сенсорной и компьютерной частей
системы, а затем выбор интерфейсных блоков.
Парадигма параллельного проектирования
заключается в одновременном и
взаимосвязанном синтезе всех
компонентов системы.
20

21.

-
-
Комментарий № 5 к определению.
Базовыми объектами изучения
мехатроники являются мехатронные
модули, которые выполняют
движения, как правило, по одной
управляемой координате.
Из таких модулей, как из функциональных
кубиков, компонуются сложные системы
модульной архитектуры.
21

22.

-
-
-
-
Комментарий № 6 к определению.
Мехатронные системы предназначены, как
следует из определения, для реализации заданного
движения.
Критерии качества выполнения движения МС
являются проблемно-ориентированными, т.е.
определяются постановкой конкретной прикладной
задачи.
Специфика задач автоматизированного
машиностроения состоит в реализации
перемещения выходного звена – рабочего
органа технологической машины (например,
инструмента для механообработки).
При этом необходимо координировать управление
пространственным перемещением МС с
управлением различными внешними процессами.
22

23.

Примеры таких координируемых процессов
(функциональных движений):
- регулирование силового взаимодействия рабочего
органа с объектом работ при механообработке,
- контроль и диагностика текущего состояния критических
элементов МС (инструмента, силового
преобразователя),
- управление дополнительными технологическими
воздействиями (тепловыми, электрическими,
электрохимическими) на объект работ при
комбинированных методах обработки,
- управление вспомогательным оборудованием
комплекса (конвейерами, загрузочными устройствами
и т.п.),
- выдача и прием сигналов от устройств
электроавтоматики (клапанов, реле, переключателей).
23

24.

-
-
Комментарий № 7 к определению.
В современных МС для обеспечения
высокого качества реализации
сложных и точных движений
применяются методы
интеллектуального управления
(advanced intelligent control).
Данная группа методов опирается на
новые идеи в теории управления,
современные аппаратные и программные
средства вычислительной техники,
перспективные подходы к синтезу
управляемых движений МС.
24

25. В состав мехатронной системы входят следующие основные компоненты:

- механическое устройство, конечным звеном
которого является рабочий орган;
- блок приводов, включающий силовые
преобразователи и исполнительные двигатели;
- устройство компьютерного управления, верхним
уровнем для которого является человек-оператор,
либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть;
- сенсоры, предназначенные для передачи в
устройство управления информации о фактическом
состоянии блоков машины и движении МС.

26.

Таким образом, наличие трех
обязательных частей - механической
(точнее электромеханической),
электронной и компьютерной,
связанных энергетическими и
информационными потоками, является
первичным признаком, отличающим
мехатронные системы.

27.

Электромеханическая часть включает
механические звенья и передачи, рабочий
орган, электродвигатели, сенсоры и
дополнительные электротехнические
элементы (например, тормоза, муфты).
Механическое устройство предназначено
для преобразования движений звеньев и
требуемое движение рабочего органа.

28.

Электронная часть состоит из
микроэлектронных устройств, силовых
преобразователей и электроники
измерительных цепей. Сенсоры
предназначены для сбора данных о
фактическом состоянии внешней среды и
объектов работ, механического устройства и
блока приводов с последующей первичной
обработкой и передачей этой информации в
устройство компьютерного управления (УКУ).
В состав УКУ мехатронной системы обычно
входят компьютер верхнего уровня и
контроллеры управления движением.

29. Устройство компьютерного управления выполняет следующие основные функции:

I. Управление процессом механического движения
мехатронного модули или многомерной системы в
реальном времени с обработкой сенсорной
информации.
II. Организация управления функциональными
движениями МС, которая предполагает координацию
управления механическим движением МС и
сопутствующими внешними процессами. Как
правило, для реализации функции управления
внешними процессами используются дискретные
входы/выходы устройства (на схемах они обычно
обозначаются I/O).

30.

III. Взаимодействие с человекомоператором через человеко-машинный
интерфейс в режимах программирования
и непосредственно в процессе движения
МС.
IV. Организация обмена данными с
периферийными устройствами, сенсорами
и другими устройствами системы.

31.

Задачей мехатронной системы является
преобразование информации о цели
управления, поступающей с верхнего
уровня, в целенаправленное
функциональное движение системы с
управлением на основе принципа
обратной связи.

32.

Примечание. Если работа силовой части
машины с энергетической точки зрения
основана на гидравлических,
пневматических или комбинированных
(например, электрогидравлических)
процессах, то очевидно необходимы
соответствующие преобразователи и
датчики в цепи обратной связи.

33.

Сущность мехатронного подхода состоит в
том, что он направлен на интеграцию
конкретного класса элементов
(механических, электронных,
компьютерных, электротехнических,
интерфейсных и др.), которые имеют
принципиально различную физическую
природу и предназначены для реализации
сложного функционального движения.

34.

Аппаратное объединение элементов в
единые конструктивные модули должно
обязательно сопровождаться разработкой
интегрированного программного
обеспечения. Программные средства МС
должны обеспечивать непосредственный
переход от замысла системы через ее
математическое моделирование к
управлению функциональным движением
в реальном времени.

35.

Проектирование МС предполагает
разработку комплекса аппаратнопрограммных средств, ориентированных
на конкретные прикладные задачи.

36. Заключение

Мехатроника как новая область науки и
техники находится в стадии своего
становления, ее терминология, границы и
классификационные признаки еще строго не
определены.
На нынешнем этапе первостепенное значение
имеет выявление сущности новых принципов
построения и тенденций развития машин с
компьютерным управлением движением.
25

37.

Спасибо за внимание