Реферат на тему транспортные мехатронные системы

Обновлено: 05.07.2024

Рис. 1. Функционал мехатроники
Внешней средой для мехатронных устройств является технологическое окружение, с которым будет происходить взаимодействие. Когда мехатронная система выполняет свои функции, то это происходит благодаря рабочим органам. Следует отметить, что данное научное направление является довольно молодым, в нём много неточностей и расплывчатых формулировок даже в научной литературе, поэтому со временем некоторые теоретические принципы могут поменяться.

Рис. 2. Компоненты мехатроной системы
Мехатронные системы формируются из трех компонентов, которые связаны между собой информационными и энергетическими потоками [1]:
1. Электромеханическый. Сюда относят механические звенья, передачи, электродвигатели, сенсоры, рабочий орган, дополнительные электротехнические элементы, сенсоры. Все составляющие применяются для того, чтобы обеспечить необходимые движения. Особую важность для корректного выполнения поставленных задач имеют сенсоры. Они собирают данные про состояние объекта работ и внешней среды, непосредственно мехатронного устройства и его составляющих.
2. Электронный. Сюда относят микроэлектронные устройства, силовые преобразователи и измерительные цепи.
3. Компьютерный. Сюда относятся микроконтроллеры и электронно-вычислительные машины высшего уровня.
На данный момент времени выделяют четыре функции мехатронных систем [2]:
1. Управление процессом механического движения в режиме реального времени с одновременной обработкой информации, что поступают с их сенсоров.
2. Соорганизация своих действий с внешними источниками влияния.
3. Взаимодействие с человеком посредством специального интерфейса в автономном режиме или в реальном времени.
4. Организация обмена данными между сенсорами, периферийными устройствами и другими составляющими элементами системы.
Теперь хотелось бы рассмотреть преимущества мехатронных систем. Сравнение будет проводиться с традиционными средствами автоматизации [1]:
1. Относительно низкая стоимость систем, что достигается благодаря значительной интеграции, стандартизации и унификации всех составляющих интерфейсов и элементов.
2. Возможность реализации точных и сложных движений благодаря методам интеллектуального управления

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

2 Мехатронные системы в компьютерах
2.1 Стиральные машины
В начале 1990-х годов дорогостоящие стиральные машины содержали в себе микроконтроллеры для процесса синхронизации стирки. Они оказались надежными и экономичными рабочими элементами, поэтому многие более дешевые машины теперь также включают в себя микроконтроллеры, а не электромеханические таймеры. С 2010 года на большинстве стиральных машин есть сенсорные панели, полноцветные или цветные дисплеи, а также сенсорные панели управления, которые регулируются микроконтроллерами, призванными служить в качестве мехатронной системы [9].

Рис. 3. Пример микроконтроллера стиральной машины Indesit
Микроконтроллеры используются для управления как IGBT транзистора для моторного привода, так и системы управления стиральной машинкой. Микроконтроллеры для стиральных машин нуждаются в возможности эффективно контролировать крутящий момент и количество воды, подходящее для количества белья. Компания Toshiba решила модернизировать микроконтроллеры с помощью системы Vector Engine для эффективного и плавного управления несколькими функциями сразу, например, отгрузка порошка и залив воды.
В новейших стиральных машинах используется инверторное управление для стирки и сушки с использованием микроконтроллеров нового поколения. Управление инвертором помогает уменьшить шум и вибрацию стирки/вращения и позволяет стиральной машине регулировать количество воды и крутящего момента двигателя в соответствии с промывочной нагрузкой. IGBT транзисторы используются для двигателя и микроконтроллеров в качестве элемента общего контроля за процессом стирки. Кроме того, интеллектуальный силовой модуль (англ. IPD) используется для управления циркуляционным насосом для воды в сушилке. Коррекция коэффициента мощности (англ. PFC) IC или IGBT транзистора используется в цепи источника питания для поддержания гармоник во входном токе ниже предела IEC [9].
2.2 ABS – антиблокировочная тормозная система
Антиблокировочная тормозная система (англ. ABS) - это противоугонная тормозная система безопасности, используемая на самолетах и наземных транспортных средствах, таких как автомобили, мотоциклы, грузовики и автобусы. ABS функционирует, предотвращая блокировку колес во время торможения, тем самым поддерживая тяговый контакт с дорожной поверхностью [3].

Рис. 4. ABS на мотоцикле BMW
ABS - это автоматизированная система, которая использует принципы порогового торможения, которые когда-то применялись водителями с более устаревшими тормозными системами, отличными от ABS. ABS работает намного быстрее и эффективнее, чем может среагировать большинство водителей. Хотя ABS обычно предлагает улучшенное управление транспортным средством и уменьшает расстояния остановки на сухих и скользких поверхностях, на рыхлых гравийных или заснеженных поверхностях, ABS может значительно увеличить тормозной путь, при этом улучшая управление рулем в критичных ситуациях. Поскольку ABS был введен в производство транспортных средств, такие системы становятся все более изощренными и эффективными. Современные версии мехатронных систем в составе ABS могут не только препятствовать торможению колес, но также изменять параметр смещения переднего тормоза. Эта функция, в зависимости от ее конкретных возможностей и реализации, известна по-разному, как электронное распределение тормозных усилий, система контроля тяги, помощь при экстренном торможении или электронный контроль устойчивости (англ. ESC) [3].
2.3 Лифты
Лифт – это тип вертикальной транспортировки, который перемещает людей или грузы между этажами или уровнями здания, судна или другого сооружения. Лифты, как правило, питаются от электродвигателей, которые либо приводят тяговые кабели, и противовесные системы, такие как подъемник, или с помощью гидравлической жидкости в насосе для подъема цилиндрического поршня, такого как домкрат [7].

Рис. 6. Робот-пылесос iRobot Roomba
2.5 Робототехнический комплекс
Роботехнический комплекс - это робот, способный передвигаться. Мобильная робототехника обычно считается подполем робототехники и информатики. Компоненты мобильного робототехнического комплекса - это контроллер, программное обеспечение для управления, датчики и исполнительные механизмы. Контроллер обычно представляет собой микропроцессор, встроенный микроконтроллер или персональный компьютер (ПК) [2].

Рис. 7. Роботизированный комплекс МРК
Программное обеспечение для мобильного управления может быть либо языком уровня сборки, либо языками высокого уровня, такими как C, C ++, Pascal, Fortran или специальным программным обеспечением реального времени

Мехатроника как комплексная наука от слияния отдельных частей механики и микроэлектроники. Синтез сложных систем, в которых используются механические и электронные управляющие устройства. Системы управления двигателем, трансмиссией и ходовой частью.

Рубрика	Транспорт
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	03.05.2016
Размер файла	24,7 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство Высшего и Среднего Специального Образования Республики Узбекистан

Бухарский инженерно-технологический институт

Мехатронные системы автомобильного транспорта

1. Цель и постановка задачи

2. Законы управления (программы) переключения передач

3. Современный автомобиль

4. Достоинства новинки

Мехатроника возникла как комплексная наука от слияния отдельных частей механики и микроэлектроники. Её можно определить как науку, занимающуюся анализом и синтезом сложных систем, в которых в одинаковой степени используются механические и электронные управляющие устройства.

Все мехатронные системы автомобилей по функциональному назначению делят на три основные группы :

- системы управления двигателем;

- системы управления трансмиссией и ходовой частью;

- системы управления оборудованием салона.

Система управления двигателем подразделяется на системы управления бензиновым и дизельным двигателем. По назначению они бывают монофункциональные и комплексные.

В монофункциональных системах ЭБУ подает сигналы только системе впрыска. Впрыск может осуществляться постоянно и импульсами. При постоянной подаче топлива его количество меняется за счет изменения давления в топливопроводе, а при импульсном - за счет продолжительности импульса и его частоты. На сегодня одним из наиболее перспективных направлений приложения систем мехатроники являются автомобили. Если рассматривать автомобилестроение, то внедрение подобных систем позволит прийти к достаточной гибкости производства, лучше улавливать веяния моды, быстрее внедрять передовые наработки ученых, конструкторов, и тем самым получать новое качество для покупателей машин. Сам автомобиль, тем более, современный автомобиль, является объектом пристального рассмотрения с конструкторской точки зрения. Современное использование автомобиля требует от него повышенных требований к безопасности управления, в силу все увеличивающейся автомобилизации стран и ужесточения нормативов по экологической чистоте. Особо это актуально для мегаполисов. Ответом на сегодняшние вызовы урбанизма и призваны конструкции мобильных следящих систем, контролирующих и корректирующих характеристики работы узлов и агрегатов, достигая оптимальных показателей по экологичности, безопасности, эксплуатационной комфортности автомобиля. Насущная необходимость комплектовать двигатели автомобилей более сложными и дорогими топливными системами во многом объясняется введением все более жестких требований по содержанию вредных веществ в отработавших газах, что, к сожалению, только начинает отрабатываться.

В комплексных системах один электронный блок управляет несколькими подсистемами: впрыска топлива, зажигания, фазами газораспределения, самодиагностики и др. Система электронного управления дизельным двигателем контролирует количество впрыскиваемого топлива, момент начала впрыска, ток факельной свечи и т.п. В электронной системе управления трансмиссией объектом регулирования является главным образом автоматическая трансмиссия. На основании сигналов датчиков угла открытия дроссельной заслонки и скорости автомобиля ЭБУ выбирает оптимальное передаточное число трансмиссии, что повышает топливную экономичность и управляемость. Управление ходовой частью включает в себя управление процессами движения, изменения траектории и торможения автомобиля. Они воздействуют на подвеску, рулевое управление и тормозную систему, обеспечивают поддержание заданной скорости движения. Управление оборудованием салона призвано повысить комфортабельность и потребительскую ценность автомобиля. С этой целью используются кондиционер воздуха, электронная панель приборов, мультифункцио-нальная информационная система, компас, фары, стеклоочиститель с прерывистым режимом работы, индикатор перегоревших ламп, устройство обнаружения препятствий при движении задним ходом, противоугонные устройства, аппаратура связи, центральная блокировка замков дверей, стекло- подъёмники, сиденья с изменяемым положением, режим безопасности и т. д.

1. Цель и постановка задачи

То определяющее значение, которое принадлежит электронной системе в автомобиле, заставляет уделять повышенное внимание проблемам, связанным с их обслуживанием. Решение этих проблем заключается во включении функций самодиагностики в электронную систему. Реализация этих функций основана на возможностях электронных систем, уже использующихся на автомобиле для непрерывного контроля и определения неисправностей в целях хранения этой информации и диагностики. Самодиагностика мехатронных систем автомобилей. Развитие электронных систем управления двигателем и трансмиссией привело к улучшению эксплуатационных свойств автомобиля.

На основании сигналов датчиков ЭБУ вырабатывает команды на включение и выключение сцепления. Эти команды подаются на электромагнитный клапан, который осуществляет включение и выключение привода сцепления. Для переключения передач используются два электромагнитных клапана. Сочетанием состояний "открыт-закрыт" этих двух клапанов гидравлическая система задает четыре положения передач (1, 2, 3 и повышающая передача). При переключении передач сцепление выключается, исключая тем самым последствия изменения момента, связанного с переключением передач.

2. Законы управления (программы) переключения передач

Законы управления (программы) переключения передач в автоматической трансмиссии обеспечивают оптимальную передачу энергии двигателя колесам автомобиля с учетом требуемых тягово-скоростных свойств и экономии топлива. При этом программы достижения оптимальных тягово-скоростных свойств и минимального расхода топлива отличаются друг от друга, так как одновременное достижение этих целей не всегда возможно. Поэтому в зависимости от условий движения и желания водителя можно выбрать с помощью специального переключателя программу "экономия" для уменьшения расхода топлива, программу "мощность". Каковы были параметры вашего настольного компьютера пяти- семи летней давности? Сегодня системные блоки конца XX столетия кажутся атавизмом и претендуют разве что на роль печатной машинки. Аналогичное положение дел с автомобильной электроникой.

3. Современный автомобиль

Современный автомобиль теперь невозможно представить без компактных управляющих блоков и исполнительных механизмов - актюаторов. Несмотря на некоторый скепсис, их внедрение идет семимильными шагами: нас уже не удивишь электронным впрыском топлива, сервоприводами зеркал, люков и стекол, электроусилителем руля и мультимедийными развлекательными системами. А как не вспомнить, что внедрение в автомобиль электроники, по существу было начато с самого наиответственного органа - тормозов. Сейчас уже в далеком 1970 году совместная разработка "Бош" и "Мерседес-Бенц" под скромной аббревиатурой АБС произвела переворот в обеспечении активной безопасности. Антиблокировочная система не только обеспечила управляемость машины с нажатой "в пол" педалью, но и подтолкнула к созданию нескольких смежных устройств - например, систему тягового контроля (TCS). Эта идея была впервые реализована еще в 1987 году одним из лидирующих разработчиков бортовой электроники - компанией "Бош". В существе, тяговый контроль - антипод АБС: последняя не дает колесам скользить при торможении, a TCS - при разгоне. Блок электроники отслеживает тягу на колесах посредством нескольких датчиков скорости. Стоит водителю сильнее обычного "топнуть" по педали акселератора, создав угрозу проскальзывания колеса, устройство попросту "придушит" двигатель. Конструкторский "аппетит" рос из года в год. Всего через несколько лет была создана ESP - программа курсовой устойчивости (Electronic Stability Program). Снабдив автомашину датчиками угла поворота, скорости вращения колес и поперечного ускорения, тормоза стали помогать водителю в возникающих наиболее сложных ситуациях. Подтормаживая то или иное колесо, электроника сводит к минимальному опасность сноса машины при скоростном прохождении сложных поворотов. Следующий этап: бортовой компьютер научили подтормаживать. одновременно 3 колеса. При некоторых обстоятельствах на дороге только так можно застабилизировать автомобиль, который центробежные силы движения будут пытаться увести с безопасной траектории. Но пока электронике доверяли лишь "надзорную" функцию. Давление в гидравлическом приводе шофёр по-прежнему создавал педалью. Традицию нарушила электро-гидравлическая SBC (Sensotronic Brake Control), с 2006 года серийно устанавливаемая на некоторые модели "Мерседес-Бенц". Гидравлическая часть системы представлена аккумулятором давления, главным тормозным цилиндром и магистралями. Электрическая - насосомнасосом, создающим давление 140-160 атм., датчиками давления, скорости вращения колес и хода педали тормоза. Нажимая последнюю, водитель не перемещает привычный шток вакуумного усилителя, а нажимает ногой на "кнопку", подавая сигнал компьютеру, - как будто управляет неким бытовым прибором. Этот же компьютер рассчитывает оптимальное давление для каждого контура, а насос посредством управляющих клапанов подает жидкость к рабочим цилиндрам.

4. Достоинства новинки

Достоинства новинки - быстродействие, совмещение функций АБС и системы стабилизации в одном устройстве. Есть и другие преимущества. Например, если резко сбросить ногу с педали газа, тормозные цилиндры подведут колодки к диску, приготавливаясь к экстренному торможению. Система связана даже со. стеклоочистителями. По интенсивности работы "дворников" компьютер делает вывод о движении в дождь. Реакция - короткие и незаметные для водителя касания колодок о диски для просушки. Ну а если "повезло" встать в пробку на подъеме, не стоит волноваться: машина не откатится назад, пока водитель будет переносить ногу с тормоза на газ. Наконец, при скорости менее 15 км/ч можно активировать функцию так называемого плавного замедления: при сбросе газа автомобиль будет останавливаться так мягко, что водитель даже не ощутит финального "клевка". мехатроника микроэлектроника двигатель трансмиссия

А если электроника выйдет из строя? Ничего страшного: специальные клапаны полностью откроются, и система будет работать подобно традиционной, правда, без вакуумного усилителя. Пока ещё конструкторы не решаются полностью отказаться от гидравлических устройств тормозов, хотя именитые фирмы уже вовсю разрабатывают "безжидкостные" системы. Например, "Делфай" объявила о решении большинства технических проблем, еще недавно казавшихся тупиковыми: мощные электромоторы - заменители тормозных цилиндров разработаны, а электрические исполнительные механизмы удалось сделать даже более компактными чем гидравлические.

Список литературы

1. Бутылин В.Г., Иванов В.Г., Лепешко И.И. и др. Анализ и перспективы развития мехатронных систем управления торможением колеса // Мехатроника. Механика. Автоматика. Электроника. Информатика. - 2000. - №2. - С. 33 - 38.

2. Данов Б.А., Титов Е.И. Электронное оборудование иностранных автомобилей: Системы управления трансмиссией, подвеской и тормозной системой. - М.: Транспорт, 1998. - 78 с.

3. Данов Б. А. Электронные системы управления иностранных автомобилей. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 224 с.

4. Сига Х., Мидзутани С. Введение в автомобильную электронику: Пер. с японск. - М.: Мир, 1989. - 232 с.

Подобные документы

Знакомство с особенностями диагностирования и обслуживания современных электронных и микропроцессорных систем автомобиля. Анализ основных критериев классификации электронных компонентов автомобиля. Общая характеристика систем управления двигателем.

реферат [1,4 M], добавлен 10.09.2014

Понятия датчика и датчиковой аппаратуры. Диагностика электронной системы управления двигателем. Описание принципа работы датчика дроссельной заслонки двигателя внутреннего сгорания. Выбор и обоснование типа устройства, произведение патентный поиска.

курсовая работа [3,4 M], добавлен 13.10.2014

Архитектура микропроцессоров и микроконтроллеров автомобиля. Преобразователи аналоговых и дискретных устройств. Электронная система впрыскивания и зажигания. Электронная система подачи топлива. Информационное обеспечение систем управления двигателем.

контрольная работа [5,3 M], добавлен 17.04.2016

Изучение устройства квадрокоптера. Обзор вентильных двигателей и принципов работы электронных регуляторов хода. Описание основ управления двигателем. Расчет всех сил и моментов приложенных к квадрокоптеру. Формирование контура управления и стабилизации.

курсовая работа [692,2 K], добавлен 19.12.2015

Общее устройство автомобиля и назначение его основных частей. Рабочий цикл двигателя, параметры его работы и устройство механизмов и систем. Агрегаты силовой передачи, ходовой части и подвески, электрооборудования, рулевого управления, тормозной системы.

реферат [243,2 K], добавлен 17.11.2009

Появление новых видов транспорта. Позиции в транспортной системе мира и России. Технологии, логистика, координация в деятельности автомобильного транспорта. Инновационная стратегия США и России. Инвестиционная привлекательность автомобильного транспорта.

реферат [44,8 K], добавлен 26.04.2009

Анализ развития автомобильного транспорта как элемента транспортной системы, его место и роль в современном хозяйстве России. Технико-экономические особенности автотранспорта, характеристика основных факторов, определяющих пути его развития и размещения.

Лекции

Лабораторные

Справочники

Эссе

Вопросы

Стандарты

Программы

Дипломные

Курсовые

Помогалки

Графические

Доступные файлы (1):

1.docx

Министерство образования и науки Украины

Выполнил ст. гр. ЭМС-05-2

2 СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ 6

3 УРОВНИ ИНТЕГРАЦИИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ 12

4 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ 14

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК 16

Мехатроника является научно-технической дисциплиной, которая изучает построение электромеханических систем нового поколения, обладающих принципиально новыми качествами и, часто, рекордными параметрами.

Некоторые исследователи видят главную суть мехатроники в объединении, прежде всего, механики и электроники, в отличие от электромеханики, появившейся в свое время на стыке механики и электротехники.

Обычно мехатронная система является объединением собственно электромеханических компонентов с новейшей силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, ПК или других вычислительных устройств. При этом система в истинно мехатронном подходе, несмотря на использование стандартных компонентов, строится как можно более монолитно, конструкторы стараются объединить все части системы воедино без использования лишних интерфейсов между модулями. В частности, применяя встроенные непосредственно в микроконтроллеры АЦП, интеллектуальные силовые преобразователи и т. п. Это уменьшает массу и размеры системы, повышает ее надёжность и дает некоторые другие преимущества. Любая система, управляющая группой приводов может считаться мехатронной. В частности, если она управляет группой реактивных двигателей космического аппарата.

Иногда система содержит принципиально новые с конструкторской точки зрения узлы, такие как электромагнитные подвесы, заменяющие обычные

подшипниковые узлы. К сожалению, такие подвесы дороги и сложны в управлении и в нашей стране применяются редко (на 2005 г.). Одной из областей применения электромагнитных подвесов являются турбины, перекачивающие газ по трубопроводам. Обычные подшипники здесь плохи тем, что в смазку проникают газы — она теряет свои свойства.

Мехатронными модулями называют составляющие мехатронной системы. Такие модули могут объединять в одном корпусе несколько компонентов, например, двигатель, редуктор и датчики.

Рисунок 1 – Составные части мехатроники

Мехатроника изучает особые методологический подход построения машин с качественно новыми характеристиками. Этот подход является универсальным и может быть применен в машинных системах различного назначения. Однако, следует отметить, что обеспечить высокое качество управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта.

В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов мехатронных объектов. Синергия - это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом важно, что составляющие части непросто дополняют друг друга, а объединяются таким образом, что образованные системы обладают качественно новыми свойствами. В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели в реализации заданного управляемого движения.

Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машин, а затем обеспечиваются необходимые инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машин. В этом отличие мехатронных машин от традиционных, когда пользователь зачастую был вынужден самостоятельно объединять систему в разнородные механические , электронные и информационные управляющие устройства различных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность.

Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводятся разработка механической ,электронной , сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.

Базовыми объектами изучения мехатроники является мехатронный модуль, который выполняет движения по одной управляемой кординате. Из таких модулей как из функциональных кубиков компануются сложные системы модульной архитектуры.

Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем –

проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (инструмент на станке). При этом необходимо координировать управление пространством перемещения мехатронных систем с управлением различными внешними процессами.

Примерами таких процессов могут служить регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, контроль и диагностика текущего состояния критических элементов мехатронных систем, управление дополнительными технологическими воздействиями на объект работ при комбинированных методах обработки, управление вспомогательным оборудованием, выдача и прием сигналов от устройств электроавтоматики. Такие сложные координированные движения называют функциональными движениями.

В современных мехатронных системах для реализации высокого качества и точности движения применяются методы интеллектуального управления. Данная группа методов опирается на новые идеи теории управления современным аппаратным и программным средством вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемого движения мехатронных систем.

Мехатроника как новая область науки и техники находится в стадии своего становления, ее терминология, границы и классификационные признаки еще строго не очерчены.

2 СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

Мехатронные устройства - это выделившийся в последние десятилетия класс машин или узлов машин, базирующийся на использовании в них достижений точной механики, электропривода, электроники, компьютерного управления. Хотя все эти элементы можно встретить в громадном количестве традиционной техники, все же можно выделить ряд признаков мехатронного устройства к которым можно отнести следующие.

1.Наличие интеграции следующих функциональных элементов:

-выходного механического звена (ВМЗ), выполняющего внешние функции мехатронного устройства;

-двигателя выходного звена с механизмом передачи движения к ВМЗ, привода ВМЗ;

-усилителя-преобразователя энергии питания двигателя (УПЭП);

-устройства цифрового программного управления приводом;

- информационной системы, контролирующей состояние внешнего мира и внутренних параметров мехатронного устройства.

2. Минимум преобразований информации и энергии (например, прямое цифровое управление безредукторным приводом) - принцип минимума преобразований.

3. Использование одного и того же элемента мехатронного устройства для реализации нескольких функций (например, параметры двигателя (ток, противо-

ЭДС) используются для измерения его момента и скорости) - принцип совмещения функций.

4. Проектирование функций различных элементов мехатронного устройства таким образом, чтобы цели служебного назначения изделия достигались совместным выполнением этих функций без их дублирования и с максимальным эффектом (принцип синергетики).

5. Объединение корпусов узлов мехатронного устройства - принцип совмещения корпусов.

Рисунок 2 – Принцип построения мехатронной системы

Устройство компьютерного управления осуществляет следующие основные функции:

1. Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации.

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

3. Взаимодействие с человеком-оператором через машинный интерфейс в режимах автономного программирования (режим off-line) и непосредственно в процессе движения мехатронной системы (режим on-line).

4. Организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами 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.

^ 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, как правило, 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, а построение единого приводного модуля через конструктивное объединение и даже взаимопроникновение элементов, которые имеют, как правило, различную физическую природу.

Назначением мехатронных модулей является реализация заданного управляемого движения, как правило, по одной управляемой координате.

Сущность мехатронного подхода к проектированию состоит в объединении в единый приводной модуль составляющих элементов. Применение мехатронного подхода к проектированию модуля движения базируется на определении возможных точек интеграции элементов в структуре привода. Выявив также точки интеграции можно затем на основе технико-экономического и технологического анализа принимать конкретные инженерные решения на проектирование и изготовления модуля движения. Приведем схему энергетических и информационных потоков в электромеханическом мехатронном модуле.

На вход мехатронного модуля поступает информация о цели движения, которое формируется верхним уровнем системы управления, а выходом является целенаправленное мехатронное движение конечного звена, например, перемещение выходного вала модуля.

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- информационныи преобразователи в цепи обратной связи.

^ Мехатроные технологические машины в машиностроении.

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. 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.

Принципиально важно, что тенденция перехода от чисто механических к мехатронным технологиям в современном машиностроении не закрывает

механику. Наоборот стимулирует ее развитие на фоне с интеллектуальными компонентами в рамках единой мехатронной системы. Системный подход диктует новые требования к встроенным механическим и гибридным компонентам, что в свою очередь ведет к развитию новых технологий и конструкторских решений в области механики

3 УРОВНИ ИНТЕГРАЦИИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоемкой продукции исторически. Мехатронные модули первого уровня представляют собой объединении только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить "мотор-редуктор", где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент.

Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).

Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привела к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы управляемые энергетические машины(турбины и генераторы), станки и промышленные роботы с числовым программным управлением. Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров на их базе и направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь - процесса управления

функциональными движениями машин и агрегатов. Одновременно идет разработка новых принципов и технологий изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных, бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых прецизионных, информационных и измерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и изготовления интеллектуальных мехатронных модулей и систем. В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ.

Цель создания таких комплексов - добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции на рынках XXI века.

4 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях :

Мехатронная система – это неразделимая совокупность механических, электромеханических и электронных узлов, в которых осуществляется преобразование и обмен энергии, информации. В современных мехатронных системах преобразование движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел осуществляется системой тел (деталей), называемых механизмов. Механизмы входят в состав машин – технических систем и предназначены для осуществления механических движений по преобразованию потоков энергии, силовых взаимодействий, необходимых для выполнения различных рабочих процессов. Часто силовой основой МС является электропривод постоянного и переменного тока, формирующих управляемую электромеханическую систему широкого назначения. Для ЭМС управления характерна тесная взаимосвязь электромеханической части с энергетическим каналом питания и каналом управления, что обуславливает ожидаемые характеристики проектируемого устройства часто в равной степени всеми функциональными звеньями.

Прикрепленные файлы: 1 файл

машины и оборудованиеСАГДИЕВ.doc

1. Мехатронные системы.

К главным преимуществам мехатронных систем относятся:

исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и, следовательно, высокая точность и улучшенные динамические характеристики машин и модулей;
конструктивная компактность модулей;
возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы, допускающие быструю реконфигурацию;
относительно низкая стоимость установки, настройки и обслуживания системы благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных платформ;
способность выполнять сложные движения за счет применения методов адаптивного и интеллектуального управления.

Мехатронные системы предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем — проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (инструмент на станке). При этом необходимо координировать управление пространством перемещения мехатронных систем с управлением различными внешними процессами.

Концептуальными проектами являются следующие:

1. Мехатронный обрабатывающий центр МС-630 на базе четырех модулей

ПМС-630 и высокоскоростного шпинделя iBAG завода им. Свердлова.

2. Обрабатывающие центры: МЦ-1, гексамех-1, МЦ-2.

3. Робот-станок РООТ-300 для шлифования турбинных лопаток.

4. Лазерный комплекс для послойного синтеза.

5. Мобильные технологические роботы для инспекции и ремонта трубопроводов.

Главными преимуществами данных мехатронных систем являются исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и следовательно высокая точность и улучшенные динамические характеристики, конструктивная компактность модулей и следовательно улучшенные массо-габаритные характеристики. Возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы, и комплексы, допускающие быструю реконфигурацию, относительно низкая стоимость установки, настройки и обслуживания системы, благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных средств, способность выполнять сложные движения, благодаря применению методов адаптивного и интеллектуального управления.

Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях :

• авиационная, космическая и военная техника;

• автомобилестроение( например, антиблокировочные системы тормозов,

системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

• нетрадиционные транспортные средства( электровелосипеды, грузовые

тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

• офисная техника( например, копировальные и факсимильные аппараты);

• элементы вычислительной техники( например, принтеры, плоттеры,

Одним из примеров параллельного механизма с 6-ю степенями свободы является гексапод (платформа Стюарта). Впервые кинематика гексапода был описана в работе Гауфа в 1956 г. На рисуноке 4 показана схема механизма, на рисуноке 5 практическая реализация схемы – многоцелевой фрезерный станок OKUMA PM-600.

Типичный гексапод выполнен на базе шести механизмов поступательного перемещения, представляющих собой, например, шариковые винтовые передачи ШВП. Для изменения их длины служат регулируемые электроприводы. Контроль за величиной перемещения осуществляется датчиками положения. Одним концом штанга шарнирно соединена с основанием, а другим (также шарнирно) - с подвижной платформой, на которой установлен рабочий орган, например, мотор-шпиндель. Управляя вылетом штанг по программе, можно управлять положением шпинделя по шести координатам: X,Y,Z и тремя углами поворота.

Актюаторы строятся на принципе обратного пьезоэффекта и поэтому предназначены для преобразования электрических величин (напряжения или заряда) в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела.

Актюаторы подразделяются на три основные группы: осевые (мода d33), поперечные (мода d31) и гибкие (мода d31). Осевые и поперечные актюаторы имеют еще общее название — многослойные пакетные, так как набираются из нескольких пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков) в пакет. Они могут развивать значительное усилие (блокирующую силу) до 10 кН при управляющем напряжении 1 кВ, но при очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон). Такие актюаторы также называют мощными.

Гибкие актюаторы относятся к группе маломощных. К этой же группе будут относиться и перспективные осевые актюаторы, представляющие собой моноблок, изготовленный по технологии многослойной пьезокерамики.

Пакетные актюаторы могут производиться предприятиями, не связанными с производством пьезокерамики. Гибкие же и осевые актюаторы из многослойной керамики сами по себе являются пьезокерамическими элементами. Их могут производить только предприятия, владеющие технологиями и оборудованием для производства пьезокерамических элементов.

Актюаторы. Как было сказано выше, актюаторы условно подразделяются на мощные (пакетные) актюаторы и маломощные, к которым относятся гибкие (биморфы и ленточные) и осевые актюаторы, изготовленные по технологии многослойной пьезокерамики.

Пакетные актюаторы (Stack Acuators) уже сейчас применяются в космической, лазерной технике и оптических инструментах для настройки антенн и зеркал с манометрической точностью. Считается, что они найдут более широкое использование там, где важно развить движущее усилие при минимальном угле перемещения.

Одним из перспективных направлений является их применение в точной настройке станков. Благодаря своей жесткой структуре пьезоприводы являются идеальным инструментом для быстрой и точной их настройки. Прилагая фиксированное напряжение к шаблону в фазе с вращением шпинделя, можно обеспечить высокую точность обработки детали рабочим телом станка.

В станкостроении планируется их использование и для подавления (компенсации) вибрации. Нежелательную вибрацию станков можно компенсировать с помощью многослойных актюаторов, работающих в противофазе с вибрационными колебаниями. Это, в свою очередь, будет способствовать повышению качества конечного изделия, а также позволит избежать чрезмерного износа инструмента и существенно снизит уровень шума станка. Компенсаторы вибрации могут найти применение не только в станкостроении, но и в других сферах.

Еще одним перспективным направлением использования пакетных актюаторов является управление гидравлическими клапанами. Примером этого могут служить последние разработки пьезокерамических высокоскоростных клапанов как для топливной аппаратуры дизельных двигателей легковых и грузовых автомобилей, так и для газораспределительных систем дизелей и двигателей внутреннего сгорания.

Гибкие актюаторы используются в пьезоэлектрических датчиках изгибающего момента, читающих по методу Брайля электронных системах для слепых, в качестве электронных переключателей. Создание ленточ- ных актюаторов существенно расширило их использование. Изначально ленточный актюатор был разработан по запросу текстильной промышленности для компьютерных систем подачи нитей в жаккардовых машинах. Благодаря высокой чувствительности, относительно большой блокирующей силе и величине отклонения новые пьезоэлементы позволяют использовать их в качестве сенсорных выключателей и контакторов, пьезоприводов, бесшумных успокоителей в электронном оборудовании, микрокомпрессоров, закрывающих и открывающих клапанов различного назначения, в том числе для программируемой дозированной подачи лекарств, вакуумных клапанов и т. п.

Весьма перспективным считается использование в микроэлектронике осевых актюаторов, разработанных на основе последних достижений в технологии многослойной композитной пьезокерамики.
Размеры актюаторов составляют от единиц миллиметров до десятых долей миллиметра.

Ярким примером комплексного использования пьезокерамических элементов, узлов и деталей на их основе могут послужить совместные разработки американской компании APC International, Ltd. c производителями комплектующих для автомобильной промышленности.

Современные, технически сложные автомобили постоянно требуют внедрения дополнительной электроники для повышения надежности, безопасности и комфорта.

В настоящее время американские производители автомобильной техники активно используют устройства и узлы на базе пьезоэлектрической керамики. Примерами таких устройств могут служить:

Читайте также: