Мехатронных системах.

Группа вконтакте http://vk.com/arhtrip - всегда актуальная информация об экскурсиях различных продолжительностей и тематик.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И МЕХАТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

Опорный конспект

(конспект лекций)

 

 

ИНСТИТУТ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА, АВТОМАТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ

 

Специальность: 220301.65 - Автоматизация технологических процессов и

производств (в машиностроении)

Авторы

____________________И.А.Башарин

__________________Е.А.Кожевников

Зав. Кафедрой АПП

______________________А.А.Сарвин

Библиотека

_____________________

Методический отдел

_____________________

Редакционно-издательский отдел

_____________________

Учебно-методическое управление

______________________

 

 

Санкт – Петербург

Издательство СЗТУ

 

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 62-83: (075.8)

 

Башарин, И.А.Электромеханические и мехатронные системы: Опорный конспект (конспект лекций) / И.А.Башарин, Е.А.Кожевников.- СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007.- с.

Методический сборник соответствует требованиям государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования.

Конспект охватывает вопросы механики электропривода, расчета и построения статических и динамических механических характеристик различных систем электроприводов постоянного и переменного тока, методы расчета и выбора двигателей и преобразователей для различных приводов, расчета потерь в электроприводах. Предложена новая синергетическая концепция в теории управления, опирающаяся на фундаментальное свойство самоорганизации природных диссипативных систем. Особое внимание уделяется построению структурных схем электроприводов различных производственных механизмов, решающих схожие производственные задачи, но имеющие различные требования, предъявляемые к системам управления и регуляторам для их реализации.

Рассмотрено на заседании кафедры автоматизации производственных про­цессов 01.07 г., одобрено методической комиссией машиностроитель­ного фа­культета.01.07 г.

Рецензенты: кафедра автоматизации производственных процессов СЗТУ (зав.кафедрой А.А.Сарвин, д-р техн. наук, проф.), В.Я.Соколов, канд. техн. наук, доцент каф. ЭТ,ВТиА ПИМаш.

Составители: Башарин И.А., канд. техн. наук, доц., Кожевников Е.А., канд. техн. наук, доц.

 

 

Введение. Мехатроника как область техники. Основные сведения о

мехатронных системах.

Мехатроника – новая область науки и техники посвященная созданию и эксплуатации машин, систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях механики, электроники, микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.

Таким определением особо подчеркнута единая сущность мехатронной системы (МС), в основу построения которой заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов – три пересекающихся круга, заключенных в одну оболочку.

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

 

Место мехатроники в системе научных дисциплин

 

 

Взаимосвязь мехатроники с научными дисциплинами учебного плана показана на рисунке.

Мехатроника определяется двумя словосочетаниями, а именно, исполнительного двигателя и компьютерного управления. Таким образом мехатроника (1) базируется на функциональных научных дисциплинах: механика управляемых машин (3), теория управления (4), электротехника и микропроцессорная техника (5), информационное обеспечение мехатронных машин (6), электропривлд мехатронных модулей (7),компьютерная система управления (8),проектирование станков с компьютерным управлением (9) и проектирование мехатронных модулей, идентификация и управление технологическими процессами(10), электромеханика и электромеханические системы (11), мехатронные станочные системы и их эксплуатация (12), САПР (13), диагностика МС (14). Все дисциплины объединены единой целью – технология автоматизированного производства (2).

Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения МС

Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и коммутирующими компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, машин, систем и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональным движением.

Что же такое МЕХАТРОНИКА в общем виде?.

1) Мех-ка изучает особый методологический подход построения машин с качественно

новыми характеристиками. Этот подход является универсальным и может быть применен в машинных системах различного направления.

2) В определении подчеркивается синергетический характер интеграции, составляющих мехатронного объекта.

Синергия – это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом важно, что составные части не просто дополняют друг друга, а объединяются таким образом, что вновь образованные системы обладают новыми свойствами.

3) Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машин, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машин.

В этом отличие мехатронных машин от традиционных, когда пользователь зачастую был вынужден самостоятельно объединять в систему разрозненные механические, электронные, информационные и управляющие устройстваразличных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность.

4) Методологической основой разработки МС служат методы параметрического проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводится разработка механической, электронной, сенсорной и коммутационной частей системы, а затем выбор информационных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.

5) Базовыми объектами изучения мехатроники являются мехатронные модули, которые выполняют движение только по одной координате. Из таких модулей, как из функциональных кубиков, компануются сложные системы модульной архитектуры.

6) МС предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем – проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задачи автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (например, на станке), при этом необходимо координированное управление пространством перемещения МС с управлением различными внешними процессами. Примером таких процессов могут служить регулирование силового вращающегося рабочего органа.

7) Объектом работ при механической обработке, контроль и диагностика текущего состояния и элементов мехатронной системы, управление дополнительными технологическими воздействиями на объект, работ при комбинации методов обработки управления вспомогательным оборудованием, выдача и прием сигнала от электроавтоматики. Такие сложные координированные движения называются функциональными движениями. В современных МС для обеспечения высоких качества и точности движения применяются методы интеллектуального управления. Данная группа методов опирается на новые идеи, теории управления современными аппаратными и программными средствами вычислительной техники, перспективным подходом к синтезу управляемого движения МС.

 

Основные задачи и разделы мехатроники

 

Содержание и взаимосвязь задач, возникающих при проектировании мехатронных объектов приведены на схеме, приведенной ниже.

Упрощенно таких задач три: 1) задача анализа, 2) задача синтеза и 3) эксплуатация мехатронных объектов. В основе проектирования лежит технологическая задача, которая должна быть предельно формализована, чтобы на основе ее могли быть созданы модели функционирования мехатронного объекта и его проектирование.

На базе функционирования модели разработанного алгоритма управления модели, проектирование различного концептуального уровня включает в себя модели привода и конфигурацию системы управления, т.е. связаны между собой через структуру интерфейса, которую также нужно определить, а также модели используемо механизма и информации измерительной системы. Все системы находятся между собой в сложной взаимосвязи так, как это показано на рисунке, причем характер связи определяет содержание и структуру оценочной модели, создание МО, оценка их совместимости, а также разработкой алгоритма управления завершается программа анализа и осуществляется синтез объекта. Синтез предусматривает разработку САПР и АСТППЭ. Синтез включает в себя несколько подсистем, предусматривающих автоматизацию проектирования привода, исполнительного механизма (ИМ), информационно-измерительной системы (ИИС), системы управления (СУ), а также систему автоматизированной подготовеи управляющих программ. Кроме того, программой САПР является решение задачи структурного синтеза МО из отдельных составляющих на основе обеспечения функциональных требований и требований надежности. Именно в блоке структурного синтеза окончательно решаются семантическая, лингвистическая и прочие задачи совместимости языков программирования, используемых в различных подсистемах. Информация о программах управления и проектирования поступает в АСТППЭ, где создается тех документация для изготовления и последующей эксплуатации МО.

 

Уровни развития МС

 

Мехатронные модули (ММ) 1-го уровня представляют собой объединение только двух исследуемых элементов, например, «мотор-редуктор», где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент. МС на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейер, транспортер).

ММ второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с с указанными элементами привело к появлению ММ движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция 3-х устройств разной физической основы: механических, электротехнических и электронных. На базе ММ данных классов созданы управляемые электрические машины (турбины, генераторы), станки и пром. роботы с числовым программным управлением (с ЧПУ).

Развитие 3-го поколения МС обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и программируемых контроллеров на их базе и направлена на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в МС. В первую очередь процесса управления двигателями машин 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 производства интеллектуальных ММ и систем. В дальнейшем мехатронные машины будут объединяться в мехатронные комплексы (МК) на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких комплексов добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технологической среды за счет возможностей ее реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентноспособность и высокое качество выпускаемой продукции.

Методы научного познания аппарата мехатроники

Для того, чтобы мехатроника стала самостоятельным объектом знаний необходимо не простое механическое объединение механики, компьютерного управления и электроники, а создание методов формально логического анализа, особенно для механических объектов, чтобы можно было описать их на формализованных языках. В конечном счете, заключительном разделе мехатроники является междисциплинарный синтез, реализованный в САПРе. Основная сложность при этом заключается в создании методики схематического анализа процесса механики, позволяющего довести их до уровня единичных объектов из предметной области рассмотренных моделей. В этой связи основными методами познания мехатроники являются:

1) Системный подход, в основе которого лежит исследование объектов как систем. Методологическая специфика системного подхода заключается в том, что он ориентирует исследования на раскрытие целостности объекта и обеспечивающих его механизмов на выявление многообразия типов связей сложного объекта и сведение их в единую теоретическую картину. Системой называется дискретная совокупность взаимосвязанных частей, и ее свойств обусловлены их взаимодействием. При этом окружающий мир делится на две части: систему и внешнюю среду, в которой могут быть и свои системы, взаимодействующие с исследуемыми. Из внешней среды на систему воздействует управляющий сигнал и возмущение. Каждый элемент системы характеризуется входным и выходным сигналами, причем отношение второго к первому называется характеристикой элемента. Кроме того, каждая система характеризуется определенным строением конфигурации и поведением. Следует еще раз подчеркнуть, что системный подход в мехатронике м.б. реализован в полной мере лишь при совместимости математического аппарата и языков синтеза механических исполнительных механизмов, привода, системы управления и программного обеспечения.

2) Синергетический подход. Поскольку мехатронный объект представляет собой синергетический модуль, то такой подход выявляет общие закономерности процессов самоорганизации в сложных структурах, какими являются мехатронные объекты, приводящие к распознаванию в них новых свойств. Так например, модуль движения включает в себя привод, исполнительный механизм, и может существенно отличаться по своим свойствам и возможностям от устройств, где составляющие модуль компоненты МО выполнены как единый агрегат.

3) Редукционизм, т.е. сведение сложного к более простому с целью формализации. При этом необходимо учитывать специфику целого по сравнению с частью системы, иными словами сохранить связи, входы выходы. Нельзя, например, рассматривать привод как автономный объект, не учитывая с одной стороны взаимовлияние процессов, возникающих при движении исполнительных механизмов и процессов движения, а, с другой стороны, интерфейсная связь между приводом и системой управления. Примером рдукционизма является аппарат теории дискретных автоматов, который позволяет синтезировать сложные пневматические, гидравлические и электрические схемы управления в следующей последовательности: логические элементы (и, или, не) – элементы среднего уровня (мультивибраторы) – электронные платы.

4) Моделирование. Применительно к мехатронике оно всегда является предметом, т.е.представляет собой воспроизведение определенных геометрических, физических, динамических либо функциональных характеристик.

Частными случаями моделирования могут быть аналоговые и знаковые (чертежи, схемы, технологические карты). В мехатронике с помощью моделирования решаются две основные задачи:

а) модель функционирует в мехатронных объектах, служит основой для создания алгоритма, а затем и программы управления;

б) концептуальные модели – они необходимы для создания программного обеспечения для САПР соответствующих объектов.

 

Технологическая постановка задачи проектирования МО

 

Создание МО всегда вызвано технологическими требованиями. Например, создание струйных и лазерных принтеров вызвано недостаточным качеством работы печатающих устройств ЭВМ, а изменяемая геометрия крыла самолета – технологическими требованиями сокращения пути пробега при посадке. Поскольку уже оговорено, что данный курс ориентирован на автоматизацию технологических процессов в машиностроении, то проследим технологическую постановку задачи применительно к обработке материала резанием. Технологическая постановка задачи проектирования сводилась к следующему:

1) обеспечить точность периферийного контурного фрезерования в пределах 0.06мм;

2) обеспечить инвариантность точности такого вида обработки к величине снимаемого припуска;

3) обеспечить минимум изменений в конструкции станка;

4) создать схему управления устройством, совместимую с системой ЧПУ и встраиваемую в него;

5) разработать программное обеспечение для управления устройством, т.о. технологическая постановка задачи проектирования сводится к формулировке конкретных требований, что и в каких пределах должно обеспечить мехатронное устройство и наиболее общие требования определенные технологическими задачами к его конфигурации.

Основным исполнительным устройством в современных системах является автоматизированный электропривод с цифровым управлением. Следующая глава посвящена расчету параметров и оценке регулировочных свойств электромеханических устройств мехатронных систем.