Алгоритм проектирования мехатронного модуля

    Общий алгоритм проектирования мехатронного модуля (рис. 1) предусматривает три основных этапа проектирования - это последовательно выполняемые функциональный, структурный и конструктивный анализ и синтез мехатронных модулей. Применяя процедуры функционально-структурного и структурно-конструктивного анализа, разработчик оценивает принимаемые решения, стремясь добиться высокого уровня сннергетической интеграции элементов. Для использования методов автоматизированного проектирования формируют взаимосвязанные функциональную (F-модель), структурную (S-модель) и конструктивную (С-модель) модели мехатронного модуля.

    Задача проектирования мехатронного модуля включает в себя три основных этапа:

• выбор  вариантов  структурных  решений  модуля  по  его  заданной функции и их функционально-структурный анализ. Входной информацией для этого  этапа проектирования является F-модель,  а на выходе формируется S-модель мехатронного модуля;
• структурно-конструктивный   анализ   конструкторских   решений   и построение С-моделm мехатронного модуля;
• конструкторская реализация выбранного варианта модуля с разработкой конструкторской документации.

    Таким образом, задача проектирования мехатронного модуля заключается в нахождении наилучшего соответствия между заданной функцией и конструктивным исполнением.

    Ключевой методологической идеей данного подхода является приоритет функции модуля над ее структурной организацией и конструктивным решением. В мехатронном модуле заданные функциональные преобразования могут быть реализованы несколькими наборами структурных блоков, а эти блоки, в свою очередь, могут иметь различное конструкторское исполнение. Таким образом, при проектировании модуля его структура и конструктивное решение являются подчиненными по отношению к заданной функции.

Рис.1 Общий алгоритм проектирования мехатронного модуля

    На рис. 1 функционально-структурный подход объединен со структурно-конструктивным анализом в общую методику разработки мехатронных модулей и систем.

    Таким образом, существуют два основных этапа построения моделей сложных технических систем.

    Первый этап заключается в функциональном определении рассматриваемой системы через ее поведение по отношению к внешним объектам и внешней среде. Функция - основа проектирования и конструирования. Цель проектирования - наиболее полное решение поставленной функциональной задачи. Поэтому всегда нужно начинать с классификации функций и соответствующих им структур и конструктивных решений, а не наоборот.

    Приступать к разработке проекта можно, только поняв функцию будущего изделия и представив в пространстве возможное решение или его путь. Здесь идет речь не только о геометрическом пространстве, но и о многомерном - время, тенденции развития, материалы, технологии.     Поэтому необходимо развивать в себе способность многомерного понимания искусственного мира.

    Для успешного решения функциональной задачи одинаково важны конструкция, материалы и технология. Все три составляющие мехатронных систем - МС (механическая, информационно-измерительная и компьютерно-управляющая) всегда равноценны, хотя вторая и третья в настоящее время развиваются более интенсивно.

    Необходимо соблюдать принцип функциональной целесообразности -соответствие выбранного решения поставленной задаче. Иными словами, задача должна быть решена без превышения необходимых затрат. 

    В отношении механизмов и машин функциональная целесообразность предусматривает в частности:

• обеспечение минимальной допустимой для заданной функции проч­ности,  минимальной  жесткости  и  других характеристик,  если  их повышение сопряжено с увеличением массы, удорожанием изготов­ления и эксплуатации устройства;
• выполнение защитных конструкций тонкостенными (в виде кожухов) в отличие от несущих конструкций;
• обеспечение   высокой   точности   н   центрирования  деталей  только в случаях, когда это влияет на работоспособность устройства: исключение лишних опор для деталей, которые могут самоустанав­ливаться;
• обеспечение высокого качества только трущихся, посадочных, а также открытых для обозрения и контакта поверхностей.

    Второй этап определяет структурное описание состава системы и связей между ее элементами. Исследование и оптимизация взаимосвязи между функцией и структурой системы лежит в основе функционально-структурного подхода, который соответствует первым двум этапам проектирования мехатронных систем и модулей (см. рис. 1).

Выше было сказано, что на первом этапе проводят функциональный анализ мехатронной системы или мехатронного модуля, результатом которого является построение функциональной модели.

Функциональное представление МС и ММ с определенными входными и выходными переменными (модель типа «черный ящик») показано на рис. 2.

Рис. 2. Мехатронный модуль в виде «черного ящика»

    Таким образом, основная функциональная задача мехатронной системы или мехатронного модуля заключается в преобразовании информации о программе движения в целенаправленное управляемое движение выходного звена.

    Программа движения может быть задана управляющим компьютером как набор команд высокого уровня пли. в случае дистанционного управления, человеком-оператором с помощью человеко-машинного интерфейса. Управля­емое движение осуществляется механической подсистемой ММ. и его конечное звено взаимодействует с объектами внешней среды. Внешние воздействия, например силы резания при шлифовальных и фрезерных операциях, контактные силы и моменты при роботизированной сборке, должны эффективно    отражаться    мехатронным    модулем    в    процессе    движения.

    Информационная обратная связь необходима для оценки текущего состояния ММ как объекта управления и внешней среды в режиме реального времени.

    Обозначенная основная функция не является единственной для мехатронных систем. Некоторые дополнительные функции, такие, как реконфигурация системы, обмен сигналами и информацией с другим технологическим оборудованием, самодиагностика, также должны быть реализованы для эффективной и надежной работы МС. Но именно выполнение функционального движения является основной мехатронноп функцией, так как механическая подсистема взаимодействует с объектами работ и таким образом определяет поведение МС во внешней среде.

    Рассмотренное представление мехатронного модуля в форме «черного ящика» (см. рис. 2) имеет два информационных входа (программа движения и информационная обратная связь), энергетический вход (реакция внешней среды) и механический выход (целенаправленное управляемое движение). Следовательно, в общем случае функциональная модель мехатронного модуля может быть определена как информационно-механический преобразователь.

    Для физической реализации мехатронного информационно-механического преобразования необходим внешний энергетический источник. На современной стадии развития мехатронпкп для этой цели в основном используют электрические источники энергии. Введя соответствующие электроэнергетические преобразования, получаем следующую функцио­нальную модель (F-модель) мехатронного модуля (рис. 3):

Рис. 3. Функциональная модель мехатронного модуля

    Полученная F-модель ММ в общем случае содержит семь базовых функциональных преобразователей, связанных энергетическими и информационными потоками.

    На третьем этапе следует конструкторская реализация выбранного варианта модуля и разработка конструкторской документации (не рассматривается в данной дисциплине).