Признаки и состав мехатронных систем

    Мехатронные устройства – это выделившийся в последние десятилетия класс машин, или узлов этих машин, базирующийся на использовании в них точной механики, электропривода, электроники, компьютерного управления.

    Мехатронная система – множество механических, процессорных, электронных и электротехнических компонентов, находящихся в связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

    Мехатронный объект – предмет (изделие), представляющий собой машину с компьютерным управлением как мехатронную систему устройств, самостоятельно функционирующую в соответствии с целевым назначением.

    Мехатронный модуль – мехатронный узел (устройство), состоящее из интегрированного сочетания нескольких элементов, оформленный конструктивно как самостоятельное изделие и выполняющий определенную функцию в различных мехатронных объектах.

    Исполнительный орган – функциональная часть мехатронного устройства, предназначенная для выполнения действий по сигналам от системы управления.

    Рабочий орган – устройство, предназначенное для реализации технологического назначения объекта.

    Мехатронный комплекс – совокупность связанных между собой мехатронных объектов, предназначенная для осуществления действий, определяемых общим целевым назначением.

    Рассмотрим пример перехода от ручного к автоматическому регулированию, т.е. замещения работы человека-оператора автоматизированной системой управления.

    На рисунке 1 представлен технологический объект — сушильный шкаф, в котором должна поддерживаться постоянная температура , которая измеряется измерительным прибором ИП в комплекте с электронным термометром (путем изменения сопротивления Rт). 

Рис. 1. Система ручного регулирования температуры.

    Сушильный шкаф имеет электрический нагревательный элемент Н, питающийся от автотрансформатора AT. При отклонении температуры от заданного значения, например при увеличении (падении) напряжения Uс в питающей сети, человек-оператор перемещает движок автотрансформатора в направлении изменения напряжения U, соответствующем восстановлению заданного значения температуры.

    Входом системы по регулирующему каналу является воздействие человека-оператора на движок автотрансформатора AT.

    Выходом системы является значение  температуры в сушильном шкафу.

    Выход системы ручного регулирования по воздействию связан с ее входом через оператора (пунктир).

    Так осуществляется ручное (регулирование объектом — температуры сушильного шкафа.

    В автоматической системе регулирования (рис. 2) функции управления вместо человека-оператора осуществляет регулирующее устройство РУ, состоящее из   измерительного   моста ИМ, электронного усилителя ЭУ и электродвигателя М. 

Рис.2. Принципиальная и блок-схема автоматической системы регулирования (температуры).

    Температура в сушильном шкафу измеряется термометром сопротивления Rт, включенным в одно из плеч измерительного моста ИМ. При заданном значении температуры измерительный мост уравновешен, на вход электронного усилителя ЭУ напряжение не подается. При отклонении температуры от заданного значения соответственно изменяется сопротивление Rт , что вызывает разбаланс измерительного моста ИМ. На   электронный усилитель ЭУ подается   напряжение разбаланса, и электродвигатель М начинает вращаться, перемещая движок автотрансформатора AT в сторону ликвидации отклонения температуры шкафа от заданного значения. При достижении заданного значения температуры измерительный мост ИМ балансируется, двигатель М останавливается и система приходит в равновесное состояние. Заданное значение температуры устанавливается путем перемещения оператором движка потенциометра Rз. Потенциометр R служит для коррекции равновесия ИМ при значении температуры в сушильном шкафу, равном заданному.

    Комплекс технических средств (устройств), присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по заданному закону, называют автоматическим регулятором.

    Таким образом, основными компонентами мехатронной системы являются ме­ханизм и автоматическая система управления, содержащая, как пра­вило, микроЭВМ или комплекс микропроцессоров, а также сенсор­ные устройства (средства очувствления), причем механизм системы движется по определенной программе с помощью управляемых при­водов (рис. 3).

Рис. 3. Схема промышленной мехатронной системы

    В последнее время все чаще возникает потребность в создании технических систем и устройств, обладающих наряду с высокими техническими характеристиками способностью к «интеллектуализа­ции» своей функциональной деятельности. Развитие современных средств микроэлектроники позволило сократить размеры и массу электронных элементов, способных выполнять сложные логические и усилительные операции. Интегральное их исполнение повышает на­дежность функционирования оборудования в условиях эксплуатации.

    Мехатронное устройство обладает следующими характерными признаками:

1. Наличие: выходного механического звена (ВМЗ), выполняющего внешние функции мехатронного устройства; силового электромеханического привода выходного звена; устройства программного управления приводом; информационной системы, контролирующей состояние окружающей среды и состояние самого мехатронного устройства.
2. Минимум преобразований информации и энергии (например, использование высокомоментных или линейных двигателей без редукторов) – принцип минимума преобразований.
3. Использование одного и того же элемента мехатронного устройства для реализации нескольких функций – принцип совмещения функций.
4. Объединение корпусов мехатронного устройства – принцип совмещения корпусов.
5. Применение сверхплотного монтажа элементов.

    Примерами современных мехатронных устройств являются модули станков и промышленных роботов, устройства внешней памяти компьютеров, принтеры, бытовая техника и т. п. Мехатронное устройство может быть либо машиной,  либо узлом (функциональный элемент, модуль) машины.

    Мехатронный узел включает в себя:

–  механизм, состоящий из корпуса, привода и выходного механического звена. Последнее может включать силовой элемент, механическую передачу движения, рабочий орган или другой оконечный элемент ВМЗ;

– усилитель мощности силового элемента;

– устройство управления усилителем мощности;

–  внутреннюю информационную систему (датчики состояния самого мехатронного узла, средства обработки информации с датчиков);

– внешнюю информационную систему (сенсоры информации о внешней среде мехатронного узла, средства обработки этой информации);

–  устройство управления мехатронным узлом.

    Важно, что с момента своего появления, идеи мехатроники оказывают значительное влияние на само производство. Первые промышленные мехатронные системы работали по так называемой жесткой программе. По мере развития в мехатронике начинают применяться различные встроенные микропроцессорные устройства. В результате создаются перепрограммируемые промышленные мехатронные системы и системы с обратной связью. В механообрабатывающих отраслях появляются станки с числовым программным управлением (ЧПУ), работающие по программам, предварительно полученным с помощью ЭВМ. Вслед за станками ЧПУ создаются первые крупные гибкие производственные системы (ГПС), способные в короткие сроки перестраиваться с выпуска продукции одного вида на выпуск продукции другого вида. Современные мехатронные системы работают по гибкой программе и способны автономно выполнять большое количество операций, причем выбор необходимой рабочей программы осуществляется автоматически с помощью встроенных микропроцессоров.