Ознаки та склад мехатронних систем
Мехатронні пристрої - це виділився в останні десятиліття клас машин, або вузлів цих машин, що базується на використанні в них точної механіки, електроприводу, електроніки, комп'ютерного управління.
Мехатронні система - безліч механічних, процесорних, електронних і електротехнічних компонентів, що знаходяться в зв'язках один з одним, утворюють певну цілісність, єдність.
Мехатронні об'єкт - предмет (виріб), що представляє собою машину з комп'ютерним управлінням як мехатронних систем пристроїв, самостійно функціонує у відповідності з цільовим призначенням.
Мехатронні модуль - Мехатронні вузол (пристрій), що складається з інтегрованого поєднання декількох елементів, оформлений конструктивно як самостійний виріб і виконує певну функцію в різних мехатронних об'єктах.
Виконавчий орган - функціональна частина мехатронного пристрої, призначена для виконання дій за сигналами від системи управління.
Робочий орган - пристрій, призначений для реалізації технологічного призначення об'єкта.
Мехатронні комплекс - сукупність пов'язаних між собою мехатронних об'єктів, призначена для здійснення дій, що визначаються загальним цільовим призначенням.
Розглянемо приклад переходу від ручного до автоматичного регулювання. тобто заміщення роботи людини-оператора автоматизованою системою управління.
На малюнку 1 представлений технологічний об'єкт - сушильну шафу, в якому повинна підтримуватися постійна температура. яка вимірюється вимірювальним приладом ВП у комплекті з електронним термометром (шляхом зміни опору Rт).
Мал. 1. Система ручного регулювання температури.
Сушильну шафу має електричний нагрівальний елемент Н, який живиться від автотрансформатора AT. При відхиленні температури від заданого значення, наприклад при збільшенні (падінні) напруги Uс в мережі живлення, людина-оператор переміщує движок автотрансформатора в напрямку зміни напруги U, відповідному відновленню заданого значення температури.
Входом системи по регулюючому каналу є вплив людини-оператора на движок автотрансформатора AT.
Виходом системи є значення температури в сушильній шафі.
Вихід системи ручного регулювання по впливу пов'язаний з її входом через оператора (пунктир).
Так здійснюється ручне (регулювання об'єктом - температури сушильного шафи.
В автоматичній системі регулювання (рис. 2) функції управління замість людини-оператора здійснює регулюючий пристрій РУ, що складається з вимірювального моста ІМ, електронного підсилювача ЕУ і електродвигуна М.
Рис.2. Принципова і блок-схема автоматичної системи регулювання (температури).
Температура в сушильній шафі вимірюється термометром опору Rт, включеним в одне з плечей вимірювального моста ІМ. При заданому значенні температури вимірювальний міст урівноважений, на вхід електронного підсилювача ЕУ напруга не подається. При відхиленні температури від заданого значення відповідно змінюється опір Rт. що викликає розбаланс вимірювального моста ІМ. На електронний підсилювач ЕУ подається напруга розбалансу, і електродвигун М починає обертатися, переміщаючи движок автотрансформатора AT в сторону ліквідації відхилення температури шафи від заданого значення. При досягненні заданого значення температури вимірювальний міст ІМ балансується, двигун М зупиняється і система приходить в рівноважний стан. Задане значення температури встановлюється шляхом переміщення оператором движка потенціометра R з. Потенціометр R служить для корекції рівноваги ІМ при значенні температури в сушильній шафі, рівному заданому.
Комплекс технічних засобів (пристроїв), що приєднуються до регульованого об'єкту і забезпечують автоматичну підтримку заданого значення його регульованої величини або автоматичну зміну її по заданому закону, називають автоматичним регулятором.
Таким чином, основними компонентами мехатронної системи є механізм і автоматична система управління, яка містить, як пра-вило, мікроЕОМ або комплекс мікропроцесорів, а також сенсор-ні пристрої (засоби очувствленія), причому механізм системи рухається по певній програмі за допомогою керованих при -Вода (рис. 3).
Мал. 3. Схема промислової мехатронної системи
Останнім часом все частіше виникає потреба в створенні технічних систем і пристроїв, що володіють поряд з високими технічними характеристиками здатністю до «інтеллектуаліза-ції» своєї функціональної діяльності. Розвиток сучасних засобів мікроелектроніки дозволило скоротити розміри і масу електронних елементів, здатних виконувати складні логічні і підсилювальні операції. Інтегральне їх виконання підвищує на-надійності функціонування обладнання в умовах експлуатації.
Мехатронне пристрій володіє наступними характерними ознаками:
- Наявність: вихідного механічного ланки (ВМЗ), що виконує зовнішні функції мехатронного пристрої; силового електромеханічного приводу вихідної ланки; пристрою програмного керування приводом; інформаційної системи, яка контролює стан навколишнього середовища та стан самого мехатронного пристрої.
- Мінімум перетворень інформації і енергії (наприклад, використання високомоментних або лінійних двигунів без редукторів) - принцип мінімуму перетворень.
- Використання одного і того ж елемента мехатронного пристрої для реалізації декількох функцій - принцип поєднання функцій.
- Об'єднання корпусів мехатронного пристрої - принцип поєднання корпусів.
- Застосування надщільного монтажу елементів.
Прикладами сучасних мехатронних пристроїв є модулі верстатів і промислових роботів, пристрої зовнішньої пам'яті комп'ютерів, принтери, побутова техніка і т. П. Мехатронні пристрій може бути або машиною, або вузлом (функціональний елемент, модуль) машини.
Мехатронні вузол включає в себе:
- механізм, що складається з корпусу, приводу і вихідного механічного ланки. Останнє може включати силовий елемент, механічну передачу руху, робочий орган або інший кінцевий елемент ВМЗ;
- підсилювач потужності силового елемента;
- пристрій управління підсилювачем потужності;
- внутрішню інформаційну систему (датчики стану самого мехатронного вузла, засоби обробки інформації з датчиків);
- зовнішню інформаційну систему (сенсори інформації про зовнішнє середовище мехатронного вузла, засоби обробки цієї інформації);
- пристрій управління мехатронним вузлом.
Важливо, що з моменту своєї появи, ідеї мехатроніки роблять значний вплив на саме виробництво. Перші промислові мехатронні системи працювали по так званій жорсткій програмі. У міру розвитку в мехатроніки починають застосовуватися різні вбудовані мікропроцесорні пристрої. В результаті створюються перепрограмувальні промислові мехатронні системи і системи зі зворотним зв'язком. У механообробних галузях з'являються верстати з числовим програмним управлінням (ЧПУ), що працюють за програмами, попередньо отриманим за допомогою ЕОМ. Слідом за верстатами ЧПУ створюються перші великі гнучкі виробничі системи (ГВС), здатні в короткі терміни перебудовуватися з випуску продукції одного виду на випуск продукції іншого виду. Сучасні мехатронні системи працюють за гнучкою програмою і здатні автономно виконувати велику кількість операцій, причому вибір необхідної робочої програми здійснюється автоматично за допомогою вбудованих мікропроцесорів.