Интеллектуальные мехатронные модули движения

08.03.2015 02:01

    Главной особенностью современного этапа развития мехатроники является создание принципиально нового поколения модулей - интеллектуальных мехатронных модулей (ИММ). Рассмотрим основные преимущества, которые дает применение интеллектуальных мехатронных модулей:

  • способность ИММ выполнять сложные движения самостоятельно, без обращения к верхнему уровню управления, что повышает автономность модулей, гибкость и живучесть мехатронных систем, работающих в изменяющихся и неопределенных условиях внешней среды;
  • упрощение коммуникаций между модулями и центральным устройством управления (вплоть до перехода к беспроводным комму­никациям), что позволяет добиваться повышенной помехозащищенности мехатронной системы и ее способности к быстрой реконфигурации;
  • повышение надежности и безопасности мехатронных систем благодаря компьютерной диагностике неисправностей и автоматической защите в аварийных и нештатных режимах работы;
  • создание на основе ИММ распределенных систем управления с применением сетевых методов, аппаратно-программных платформ на базе персональных компьютеров и соответствующего программного обеспечения;
  • использование современных методов теории управления (про­граммных, адаптивных, интеллектуальных, оптимальных) непосредственно на исполнительном уровне, что существенно повышает качество процессов управления в конкретных реализациях;
  • интеллектуализация силовых преобразователей, входящих в состав ИММ, для реализации непосредственно в мехатронном модуле интел­лектуальных функций по управлению движением, защите модуля в аварийных режимах и диагностики неисправностей;
  • интеллектуализация сенсоров для мехатронных модулей позволяет добиться более высокой точности измерения, программным путем обеспечив в самом сенсорном модуле фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характеристик вход/выход, компенсацию перекрестных связей, гистерезиса и дрейфа нуля.

Основным фактором, сдерживающим использование интеллектуальных мехатронных модулей в серийных изделиях, является их высокая цена, хотя в последние годы она постоянно снижалась. Это обусловлено рядом техно­логических факторов:

  • бурным развитием в последнее время аппаратных устройств и информационных технологий, ориентированных на задачи управления движением;
  • появлением полупроводниковых приборов нового поколения (силовых полевых транзисторов, биполярных транзисторов с изолированным затвором, тиристоров с полевым управлением);
  • переходом на новую элементную базу в системах управления движением - это цифровые сигнальные процессоры (DSP-процессоры) и блоки FPGA (Field Programmable Gate Arrays);
  • разработкой гибридных технологий мехатроники, позволяющих встраивать электронные и вычислительные устройства в механические узлы.

    Интеллектуальный мехатронный модуль состоит из следующих основных элементов:

  • электродвигателя (хотя возможно использование движителей и других типов, например, гидравлических);
  • механического преобразователя;
  • датчиков обратной связи и сенсорных устройств;
  • управляющего контроллера;
  • силового преобразователя;
  • устройств сопряжения и связи.

    В современных ИММ используют различные типы электродвигателей: углового и линейного движения, переменного и постоянного тока, коллек­торные и вентильные, непрерывного движения и шаговые.

    В качестве преобразователей движения применяют зубчатые, винтовые и другие передачи. В конструкциях некоторых ИММ, построенных на базе высокомоментных двигателей, преобразователи движения отсутствуют.

    В интеллектуальных мехатронных модулях используют различные датчики положения и скорости (фотоимпульсные, вращающиеся транс­форматоры, тахогенераторы) и сенсоры (датчики тока и момента, температуры и вибрации), которые передают информацию в устройство компьютерного управления о фактическом состоянии подсистем модуля.

    Встроенные управляющие контроллеры, реализованные на современной элементной базе, позволяют получить компактные и надежные мехатронные изделия, обладающие интеллектуальными функциями, и строить на их основе многокоординатные мехатронные системы с децентрализованным управ­лением. В сочетании с открытой архитектурой систем управления типа РС-NC это позволяет создать качественно новые системы управления, обладающие принципиально новыми характеристиками по быстродействию, точности и функциональной гибкости.

    Принципиально важно, чтобы все перечисленные элементы были конструктивно объединены разработчиком в едином корпусе. При этом устройства связи становятся внутренними блоками, недоступными для пользователя.

Как пример, можно привести широко используемые мехатронные модули производства фирм Animatics Corp. (США) и SIEMENS (Германия), предназначенных для реализации движений по одной управляемой координате с возможностью свободного программирования последовательности движений.

В целом можно выделить три направления интеллектуализации мехатронных модулей движения:

  • развитие интегрированных интерфейсов, связывающих управляющий контроллер с компьютером верхнего уровня в единый аппаратно-программный управляющий комплекс;
  • создание интеллектуальных силовых модулей управления путем интеграции управляющих контроллеров и силовых преобразователей;
  • разработка интеллектуальных сенсоров мехатронных модулей, которые дополнительно к обычным измерительным функциям осуществляют компьютерную обработку и преобразование сигналов по гибким программам.

    В последнее время прослеживается тенденция использования современ­ных методов интеллектуального управления мехатронных модулей движения (на уровне исполнительных систем).

    Германским институтом микромехатроники разработана концепция «интеллектуального вала двигателя». Идея данной концепции заключается во встраивании на валу двигателя дополнительных датчиков для измерения таких (традиционно считающихся второстепенными) параметров, как изгибающее усилие вала, напряжение кручения и воздействие вибраций. При этом обмен информацией и энергией осуществляется по радиоканалам.

    На рис. 1 показана кинематическая схема интеллектуального мехатронного модуля, предназначенного для осуществления вальцовочных соединений при сборке современных устройств электрооборудования автомобилей (электробензонасосов, форсунок впрыска, датчиков электронных систем, катушек зажигания, реле и т. д.)

    Выходным звеном модуля является шарико-винтовая передача 1. Модуль содержит две параллельные кинематические цепи: вращения гайки от электродвигателя м1 с цилиндрической прямозубой передачей 2-3 и вращения ходового винта от электродвигателя м2 через шпиндель 4, связанной с винтом жесткой кулачковой муфтой 5, и с прямозубой цилиндрической передачей 6-7. Шестерня 7 выполнена полой, а передача вращения от нее шпинделю осуществляется за счет подвижного шлицевого соединения 8. Корпус 9 имеет проушины 10 для закрепления модуля в технологическом оборудовании, например, сборочном центре. Для измерения частоты вращения валов приводных электродвигателей используются тахогенераторы br1 и br2. Определение осевого положения ходового винта и соответственно шпинделя относительно корпуса модуля производится блоком датчиков положения БДП, подвижный элемент которого 11 закрепляется на верхнем конце ходового винта.

    Модуль воспроизводит необходимые для сборки движения: поступа­тельное перемещение шпинделя с вальцовочной головкой до контакта с изделием, винтовое движение вальцевания, вращательное движение обкатки и поступательное перемещение шпинделя вверх в исходное положение. Следует отметить возможность реверсирования осевого перемещения шпинделя без реверсирования приводных двигателей, что является дополнительным преиму­ществом мехатронного модуля, поскольку быстродействующее реверсирование электродвигателей, как известно, сопровождается существенными потерями электроэнергии. Указанные движения формируются соотношениями частот вращения винта и гайки. Определение конкретных закономерностей изменения частот вращения на каждом этапе выполнения соединения является самостоятельной задачей алгоритмического обеспечения (АО) управления процессом.

Назад