Мехатронные модули движения. Степень интеграции ММД.

    Мехатронные модули движения являются теми функциональными «кубиками», из которых затем можно компоновать сложные многокоординатные мехатронные системы.

    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.

    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.

Рис.1. Схема энергетических и информационных потоков в электромеханическом мехатронном модуле.

    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.

    Проанализируем физический характер преобразований и традиционную структуру электро-механического модуля с компьютерным управлением с этой же точки зрения.

    Устройство контроля и управления (УКУ) на основании входной информации, поступающей с верхнего уровня управления и по цепям обратной связи от сенсоров, выдает во времени на исполняющие приводы управляющие электрические сигналы. В силовых преобразователях происходит усиление по мощности данных сигналов и их модуляция, затем исполнительные приводы прикладывают соответствующие усилия к звеньям механического устройства, что в результате вызывает целенаправленное движение конечного звена модуля с рабочим органом.

     Для соединения элементов в систему традиционно вводят специальные интерфейсные устройства, обозначенные И1-И7.

Рис.2. Традиционная структура электро-механического модуля движения с компьютерным управлением.

    Интерфейс И1 представляет собой комплекс аппаратно-программных средств для сопряжения УКУ модуля с верхним уровнем системы управления. Функции верхнего уровня управления выполняет высокопроизводительный компьютер либо человек-оператор.

    Интерфейс И2 обычно состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и усилительно-преобразующего устройства и служит для формирования управляющих электрических напряжений для исполнительных приводов.

    Интерфейсы И3 – это, как правило, механические передачи, связывающие исполнительные двигатели со звеньями механического устройства. Конструктивно такие трансмиссии обычно включают редукторы, муфты, гибкие связи, тормоза и т.п.

    Интерфейс И4 на входе УКУ в случае применения в электромеханическом мехатронном модуле сенсоров с аналоговым выходным сигналом строится на основе аналоговых цифровых преобразователей (АЦП).

    Интерфейсы сенсоров И5, И6, И7, в зависимости от физического характера наблюдаемых переменных можно разделить на электрические и механические. К механическим интерфейсам относятся присоединительные устройства для датчиков обратной связи приводов (фотоимпульсных, кодовых, тахогенераторных и т.п.), силомоментных и тактильных датчиков, а так же других средств очувствления и информации о движении звеньев механической цепи, двигателей и внешних объектов. Преобразование и передача сигналов о переменных состояниях системы, которые имеют электрическую природу осуществляется электрическими интерфейсами. В их состав помимо усилительно-преобразующих плат входят также соединительные кабели и коммутационная аппаратура.

    Сравнивая представленные блок-схемы можно прийти к выводу о том, что число преобразующих и интерфейсных блоков в традиционной структуре привода с компьютерным управлением избыточно по отношению к минимально необходимому числу функциональных преобразований.

    Этот вывод даёт основание для поиска новых решений построения привода, базирующегося на синергетической интеграции элементов.

    Различие мехатронного и традиционного подхода к проектированию и изготовлению модулей и машин с компьютерным управлением состоит в концепции построения и реализации функциональных преобразователей. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой отдельные самостоятельные устройства и узлы. Обычно это сепаратные блоки, которые выпускаются специализированными фирмами но зачастую отдельные элементы приходится изготавливать самим пользователям. Мехатронный подход нацеливает разработчика на интеграцию элементов привода в единые блоки, минимизацию промежуточных преобразований и устранения интерфейсов как сепаратных блоков.    

    На рисунке 3 показаны примеры однокоординатных модулей движения в развитии:

Рис. 3. Примеры однокоординатных модулей движения в развитии.

    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. Интеллектуальные мехатронные модули (ИММ) движения будут рассмотрены отдельно в данном курсе лекций.

    Построение диагностического прогноза в развитии машиностроения и выбор основных тенденций и стратегий его развития концентрируется на:

    - интеграции технологий и знаний;

    - интеллектуализации производственных технологий;

    - внедрении мехатронных технологий в машинах и роботах;

    - построение "сквозных" информационных систем.

    Принципиально важно подчеркнуть, что мехатронный подход в проектировании предполагает не расширение, а именно замещение функций традиционно выполняемые механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.

    Структура исследуемой системы включает в себя как управляющую подсистему, так и электромеханическую часть: эл. двигатель и фотоимпульсные датчики обратной связи (рис. 4).

ЦП - центральный процессор

ДМ – демультиплексор

МП – микропроцессор

ИД – исполнительный двигатель

ФИД – фотоимпульсный датчик

ШИМ – широтно-импульсный модулятор

Рис.4. Традиционная (слева) и 3-й степени интеграции (справа) структурные схема системы управления в сравнении.

    Для структурной оценки мехатронных модулей и систем предлогается использовать новую количественную меру, названную показателем распределения функциональной нагрузки (РФН). Показатель РФН является численной мерой, позволяющей оценить объем функциональной нагрузки, которую несет каждый из структурных элементов или блоков в исследуемой системе. Чем выше значение данного показателя, тем больше влияние оказывает данный элемент на качество системы в целом, ее стоимость, надежность и др комплексные функциональные характеристики.

    В традиционной системе управления ЦП и демультиплексор являются наиболее нагруженными элементами. В то время как 6 МП несут нагрузку в несколько раз меньшую (РФН для них 2%). А в системе 3-й степени интеграции наибольший показатель РФН среди всех рассматриваемых компонентов имеет контроллер движения (14%). 

    Показатели РФН для группы элементов, содержащих электронные и компьютерные компоненты, ответственные за информационные, информационно-электрические и электро-информационные функциональные преобразования в мехатронной системе, складываются следующим образом в общее значение РФН. Так, традиционная структура имеет РФН = 7.6%, а структура 3-го уровня РФН = 21.3%.

    Одной из концепций современного станкостроения является создание оборудования с параллельной кинематической структурой, при этом элементной базой для станков с параллельной структурой являются мехатронные модули движения (рис. 4, справа). Мехатронный модуль можно рассматривать и как элемент электромеханического преобразования и как элемент динамической системы станка.

    Механическим модулем движения (ММД) называют исполнительное звено мехатронной системы, если в ее состав входит механический объект регулирования (ОР).

    Исполнительные блоки – это узлы, обеспечивающие определенную степень подвижности рабочим органам станка. Они подразделяются на блоки главного движения, подачи и вспомогательных перемещений. По типу движений они делятся на модули вращательного движения и модули линейного движения.

    Блоки главного движения выполняются в виде мотор-шпинделя и мотор-редуктора. Мотор-шпиндель представляет собой шпиндельный станочный узел, на валу которого смонтирован ротор приводного двигателя вращения. Типовым решением его является электрошпиндель, представляющий собой регулируемый электродвигатель, непосредственно к валу которого крепится режущий инструмент или деталь. Исполнительные блоки подачи и вспомогательных перемещений могут быть выполнены в виде мотор-редукторов, модулей линейного движения и законченных станочных узлов. Мотор-редуктор – электродвигатель со встроенным планетарным или волновым механизмом. Модули линейного движения выполняются на базе плоских и пазовых линейных двигателей.

    Станочные узлы выполняются в виде координатных и координатно-силовых столов со встроенным линейным двигателем, поворотных столов, на валу которых смонтирован ротор двигателя вращения, плансуппортов для внутренней расточки и объемной обработки со встроенными двигателями, электромеханических инструментальных и револьверных головок, шарнирных узлов со встроенными двигателям

    Модули подразделяются по типу исполнительного блока и по виду системы управления. Их классификация приведена наглядно на Рисунке 5.

Рис.5. Классификация мехатронных модулей движения.

    Технические характеристики мехатронных модулей подразделяют на следующие группы:

    1) основные электромеханические характеристики: мощность, момент, частота вращения, скорость линейного перемещения, дискретность углового и линейного перемещений, тяговая сила, скорость линейного перемещения;

    2) основные технологические характеристики: геометрические характеристики рабочего пространства и посадочные и габаритные размеры, длина рабочего хода линейного механизма, диаметр поворотного стола и др.;

    3) дополнительные технологические характеристики: наличие устройств подачи охлаждающей жидкости в зону резания, крепления детали (инструмента), встроенного принудительного охлаждения, контроля геометрии обрабатываемой детали и др.

    Принципиальной особенностью при разработке мехатронных модулей применительно к металлорежущему оборудованию является необходимость рассматривать их функционально и как станочный узел, и как автоматизированный электропривод, и как средство автоматики технологического процесса металлообработки. Исходя из этого, работоспособность модулей характеризуется совокупностью свойств, приведенных в табл. 1.