Лекция 2 по дисциплине «Основы мехатроники и робототехники» тема: «Основные определения мехатроники» Мамонова Татьяна Егоровна гр. 14Б10

К началу 80-х годов термин "Мехатроника" утверждается в мировой технической литературе как название целого класса машин с компьютерным управлением движения. Согласно «Oxford Illustrated Encyclopedia»: Мехатроника – японский термин для описания технологий, возникших на стыке электротехники, машиностроения и программного обеспечения. 1

Включает в себя: - проектирование машин, - производство машин. Изучает: - функционирование машин с «разумным» поведением, - их связи с другими материалами (искусственный интеллект, измерительное оборудование, систем управления). Машины с разумным поведением – машины, действующие по заданной программе, 2

Первое общее определение мехатроники в широком понимании дано в Государственном образовательном стандарте РФ междисциплинарной специальности "Мехатроника" (1995 г.). "Мехатроника" – это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов". 3

Действующее определение мехатроники дано в ГОС-2 по направлению подготовки дипломированного специалиста – Мехатроника и робототехника, квалификация – инженер, принятом в 2000 г. Мехатроника – это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. 4

Определение, данное в ФГОС-3. Мехатроника – область науки и техники, основанная на системном объединении узлов точной механики, датчиков состояния внешней среды и самого объекта, источников энергии, исполнительных механизмов, усилителей, вычислительных устройств (ЭВМ и микропроцессоры). Мехатронная система (МС) – единый комплекс электромеханических, электрогидравлических, электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется постоянный динамически меняющийся обмен энергией и информацией, объединенный общей системой автоматического управления, обладающей элементами искусственного интеллекта. 5

Триединая сущность мехатронных систем (МС), в основу построения которой заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга, помещенные во внешнюю оболочку «Производство» – «Менеджмент» – «Требования рынка». 6

7

Таким образом, системная интеграция трех видов элементов (механика, электроника и вычислительная техника) является необходимым условием построения мехатронной системы. В отраслевом определении мехатроники подчеркивается основной критерий соединения указанных составных частей – единство, рождающее новое качество, что является ответом на определенную критику 8

Недостатки рассматриваемого определения. Во-первых, в определении не отражена такая составляющая мехатроники, как анализ исполнительных движений мехатронного объекта (МО), что является основой для синтеза и производства этих объектов, а также анализ функционального взаимодействия механических, энергетических и информационных процессов между собой и с внешней средой. Во-вторых, в определении не отражен жизненный цикл мехатронного объекта в рамках концепции CАLS (Continuous Acquisition and Life cycle Support - непрерывная поддержка жизненного цикла изделия или продукта). В-третьих, в определении искажена иерархическая структура МО. 10

Модернизированная трактовка понятия «Мехатроника», предлагаемая Е.В. Шалобаев. Мехатроника – область науки, посвященная анализу исполнительных состояний мехатронных объектов и функционального взаимодействия механических, энергетических и информационных процессов между ними и с внешней средой, а также синтезу мехатронных объектов. С другой стороны, мехатроника – область техники, обеспечивающая полный жизненный цикл мехатронного объекта. 11

Мехатронный объект синтезируется на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин с интеллектуальным управлением их функциональными состояниями (в т.ч. движениями). 12

Специальная формулировка предмета мехатроники "Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональных движений". 13

Комментарий 1 к определению - Мехатроника изучает особый методологический (концептуальный) подход в построении машин с качественно новыми характеристиками. - Данный подход является весьма универсальным и может быть применен в машинах и системах различного назначения. - Однако, обеспечить высокое качество управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта. 14

Следствие 1. Изучение мехатроники целесообразно осуществлять по специальностям, предметом которых являются конкретные классы производственных машин и процессов. 15

Комментарий 2 к определению - В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов в мехатронных объектах. Синергия (греч.) – это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом принципиально важно, что составляющие части не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами. «Синергетическое» объединение – это самоорганизующееся, адаптивное по отношению к внешней среде и воздействиям, взаимопроникающее, органическое объединение компонентов 16

Следствие 2. Компоненты мехатронной системы: В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели – реализации заданного управляемого движения. Механиче- ская часть Электронная, электротехническая часть Компьютер- ная часть Интер- фейсы 17

Комментарий 3 к определению - Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машины, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машины. - В этом радикальное отличие мехатронных машин от традиционных, когда зачастую пользователь был вынужден самостоятельно объединять в систему разнородные механические, электронные и информационно-управляющие устройства различных изготовителей. 18

Следствие 3. Именно поэтому многие сложные комплексы (например, некоторые гибкие производственные системы в отечественном машиностроении) показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность. 19

Комментарий 4 к определению. - Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования (concurrent engineering methods). - При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. - Парадигма параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы. 20

Комментарий 5 к определению. - Базовыми объектами изучения мехатроники являются мехатронные модули, которые выполняют движения, как правило, по одной управляемой координате. - Из таких модулей, как из функциональных кубиков, компонуются сложные системы модульной архитектуры. 21

Комментарий 6 к определению. - Мехатронные системы предназначены, как следует из определения, для реализации заданного движения. - Критерии качества выполнения движения МС являются проблемно-ориентированными, т.е. определяются постановкой конкретной прикладной задачи. - Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещения выходного звена – рабочего органа технологической машины (например, инструмента для механообработки). - При этом необходимо координировать управление пространственным перемещением МС с управлением различными внешними процессами. 22

Примеры таких координируемых процессов (функциональных движений): - регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, - контроль и диагностика текущего состояния критических элементов МС (инструмента, силового преобразователя), - управление дополнительными технологическими воздействиями (тепловыми, электрическими, электрохимическими) на объект работ при комбинированных методах обработки, - управление вспомогательным оборудованием комплекса (конвейерами, загрузочными устройствами и т.п.), - выдача и прием сигналов от устройств электроавтоматики (клапанов, реле, переключателей). 23

Комментарий 7 к определению. - В современных МС для обеспечения высокого качества реализации сложных и точных движений применяются методы интеллектуального управления (advanced intelligent control). - Данная группа методов опирается на новые идеи в теории управления, современные аппаратные и программные средства вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемых движений МС. 24

Заключение Мехатроника как новая область науки и техники находится в стадии своего становления, ее терминология, границы и классификационные признаки еще строго не определены. На нынешнем этапе первостепенное значение имеет выявление сущности новых принципов построения и тенденций развития машин с компьютерным управлением движением. 25

Спасибо за внимание