Існує точка зору, що мехатронні технології включають в себе технології нових матеріалів і композитів, мікроелектроніку, фотоніку, мікробіоніку, лазерні та ін. Технології.
Однак, при цьому відбувається підміна понять і, замість мехатронних технологій, які реалізуються на основі використання мехатронних об'єктів, в цих роботах йдеться про технологію виготовлення і збірки таких об'єктів.
Більшість науковців в даний час вважають, що мехатронні технології всього лише формують і реалізують необхідні закони виконавчих рухів механізмів з комп'ютерним управлінням, а також агрегатів на їх основі, або здійснюють аналіз цих рухів для вирішення діагностичних і прогностичних завдань.
У механічній обробці ці технології спрямовані на забезпечення точності і продуктивності, які неможливо досягти без використання мехатронних об'єктів, прообразами яких є металорізальні верстати з відкритими системами ЧПУ. Зокрема такі технології дозволяють компенсувати похибки, які виникають внаслідок коливання інструменту щодо заготовки.
Однак, попередньо слід зазначити, що мехатронні технології включають в себе наступні етапи:
Технологічна постановка завдання;
Створення моделі процесу з метою отримання закону виконавчого руху;
Розробка програмного та інформаційного забезпечення для реалізації;
Доповнення інформаційної керуючої і конструкторської бази типового мехатронного об'єкта, що реалізує запропоновану технологію, якщо в цьому є необхідність.
Адаптивний спосіб підвищення вібростійкості токарного верстата.
В умовах використання різноманітного різального інструменту, оброблювані деталі складної форми і широкої номенклатури як оброблюваних, так і інструментальних матеріалів різко зростає ймовірність виникнення автоколивань і втрата виброустойчивости технологічної системи верстата.
Це тягне за собою зниження, інтенсивності обробки або додаткові капітальні вкладення в технологічний процес. Перспективним способом зниження рівня автоколебаний є зміна швидкості різання в процесі обробки.
Такий спосіб досить просто реалізується технічно і надає ефективну дію на процес різання. Раніше цей спосіб реалізувався як апріорне регулювання на основі попередніх розрахунків, що обмежує його застосування, так як не дозволяє враховувати різноманіття причин і мінливість умов виникнення вібрацій.
Значно більш ефективні адаптивні системи регулювання швидкості різання з оперативним контролем сили різання і її динамічної складової.
Механізм зчитування рівня автоколебаний при обробці із змінною швидкістю різання можна представити таким чином.
Нехай при обробці деталі зі швидкістю різання V 1 технологічна система знаходиться в умовах автоколебаний. При цьому частота і фаза коливань на обробленої поверхні збігаються з частотою і фазою коливань сили різання і самого різця (ці коливання виражаються у вигляді дроблення, хвилястості і шорсткості).
При переході до швидкості V 2 коливання на обробленої поверхні деталі щодо різця при подальшому обігу (при обробці «по сліду») відбувається з іншою частотою і синхронності коливань, тобто їх фазовий збіг порушується. Завдяки цьому, в умовах обробки «по сліду» інтенсивність автоколебаний знижується, а в їх спектрі з'являються високочастотні гармоніки.
З плином часу в спектрі починають переважати власні резонансні частоти і процес автоколебаний знову інтенсифікується, що вимагає повторного зміни швидкості різання.
Зі сказаного випливає, що основними параметрами описаного методу є величина зміни швидкості різання V, а також знак і частота цієї зміни. Ефективність впливу зміни швидкості різання на показники обробки слід оцінювати по тривалості періоду відновлення автоколебаний. Чим він більший, тим довше зберігається знижений рівень автоколебаний.
Розробка методу адаптивного управління швидкістю різання передбачає імітаційне моделювання цього процесу на основі математичної моделі автоколивань, яка повинна:
Враховувати динаміку процесу різання;
Брати до уваги обробку «по сліду»;
Адекватно описувати процес різання в умовах автоколебаний.
Мехатронні модулі знаходять все більш широке застосування в різних транспортних системах.
Сучасний автомобіль в цілому є мехатронної системою, що включає в себе механіку, електроніку, різні датчики, бортовий комп'ютер, який відстежує і регулює діяльність всіх систем автомобіля, інформує користувача і доводить управління від користувача до всіх систем. Автомобілебудування на сучасному етапі свого розвитку є однією з найперспективніших областей впровадження мехатронних систем в силу підвищеного попиту і зростання автомобілізації населення, а також завдяки наявності конкурентної боротьби між окремими виробниками.
Якщо класифікувати сучасний автомобіль за принципом управління, він відноситься до антропоморфних пристроїв, тому що його рух контролюється людиною. Вже зараз можна сказати, що в доступному для огляду майбутньому автомобілебудування потрібно очікувати появу автомобілів з можливістю автономного управління, тобто з інтелектуальною системою управління рухом.
Жорстка конкуренція на автомобільному ринку змушує фахівців в цій області до пошуку нових передових технологій. На сьогоднішній день, однією з головних проблем для розробників полягає в створенні «розумних» електронних пристроїв, здатних скоротити число дорожньо-транспортних пригод (ДТП). Підсумком роботи в цій галузі стало створення системи комплексної безпеки автомобіля (СКБА), яка здатна автоматично підтримувати задану дистанцію, зупиняти машину при червоному сигналі світлофора, попереджати водія про те, що він долає поворот на швидкості, більш високою, ніж це допустимо законами фізики. Були розроблені навіть датчики удару з радіосігналізатором, який при наїзді автомобіля на перешкоду або зіткненні викликає машину швидкої допомоги.
Всі ці електронні пристрої запобігання ДТП діляться на дві категорії. Перша включає прилади в автомобілі, що діють незалежно від будь-яких сигналів зовнішніх джерел інформації (інших автомобілів, інфраструктури). Вони обробляють інформацію, що надходить від бортового радіолокатора (радара). Друга категорія - системи, дія яких заснована на даних, отриманих від джерел інформації, розташованих поблизу дороги, зокрема від маяків, які збирають відомості про дорожню обстановку і передають їх за допомогою інфрачервоних променів в проїжджаючі автомобілі.
СКБА об'єднала нове покоління перерахованих вище пристроїв. Вона приймає як сигнали радара, так і інфрачервоні промені «думаючих» маяків, а на додаток до основних функцій забезпечує невпинне і спокійне для водія рух на нерегульованих перехрестях доріг і вулиць, обмежує швидкість руху на поворотах і в житлових районах межами встановлених швидкісних лімітів. Як все автономні системи, СКБА вимагає, щоб автомобіль був обладнаний антиблокувальною системою гальм (АБС) і автоматичною коробкою передач.
СКБА включає лазерний далекомір, постійно вимірює відстань між автомобілем та будь-якою перешкодою по ходу - рухомим або нерухомим. Якщо наїзд імовірний, а водій не уповільнює швидкість, мікропроцесор дає команду скинути тиск на педаль акселератора, включити гальма. Невеликий екран на панелі приладів спалахує попередженням про небезпеку. За бажанням водія бортовий комп'ютер може встановлювати безпечну дистанцію в залежності від дорожнього покриття - вологого або сухого.
СКБА (ріс.5.22) здатна керувати автомобілем, орієнтуючись на білі лінії розмітки дорожнього покриття. Але для цього необхідно, щоб вони були чіткими, оскільки постійно «зчитуються» знаходиться на борту відеокамерою. Обробка зображення потім визначає положення машини щодо ліній, а електронна система відповідно до цього впливає на рульове керування.
Бортові приймачі інфрачервоних променів СКБА діють при наявності передавачів, розміщених через певні інтервали уздовж проїжджої дороги. Промені поширюються прямолінійно і на невелику відстань (приблизно до 120 м), а дані, що передаються закодованими сигналами, неможливо ні заглушити, ні спотворити.
Мал. 5.22. Система комплексної безпеки автомобіля: 1 - приймач інфрачервоних променів; 2 - датчик погоди (дощ, вологість); 3 - привід дросельної заслінки системи харчування; 4 - комп'ютер; 5 - допоміжний електроклапан в приводі гальм; 6 - АБС; 7 - далекомір; 8 - автоматична коробка передач; 9 - датчик швидкості автомобіля; 10 - допоміжним електроклапан рульового управління; 11 - датчик акселератора; 12 - датчик рульового управління; 13 - стіл-сигнал; 14 - комп'ютер електронного бачення; 15 - телевізійна камера; 16 - екран.
На рис. 5.23 представлений датчик погоди фірми «Boch». Залежно від моделі всередину поміщають інфрачервоний світлодіод і один - три фотоприймача. Світлодіод випускає невидимий промінь під гострим кутом до поверхні вітрового скла. Якщо на вулиці сухо, весь світ відбивається назад і потрапляє на фотоприймач (так розрахована оптична система). Оскільки промінь модулирован імпульсами, то на стороннє світло датчик не зреагує. Але якщо на склі є краплі або шар води, умови заломлення змінюються, і частина світла йде в простір. Це фіксується сенсором, і контролер розраховує відповідний режим роботи склоочисника. Попутно даний прилад може закрити електролюк в даху, підняти скла. Датчик має ще 2 фотоприймача, які інтегровані в загальний корпус з датчиком погоди. Перший призначений для автоматичного включення фар, коли сутеніє або автомобіль в'їжджає в тунель. Другий, перемикає «дальній» і «ближній» світло. Задіяні ці функції, залежить, від конкретної моделі автомобіля.
Ріс.5.23. Принцип роботи датчика погоди
Антиблокувальні гальмівні системи (АБС), її необхідні компоненти - датчики швидкості колеса, електронний процесор (блок керування), сервоклапани, гідравлічний насос з електричним приводом і акумулятор тиску. Деякі ранні АБС були "триканальні", тобто управляли передніми гальмівними механізмами індивідуально, але розгальмовує повністю все задні гальмівні механізми при початку блокування будь-якого із задніх коліс. Це заощаджувало кілька вартості і ускладнення конструкції, але дало більш низьку ефективність у порівнянні з повною чотирьохканальної системою, в якій кожен гальмівний механізм управляється індивідуально.
АБС має багато спільного з протівобуксовочной системою (ПБС), дія якого могло б розглядатися як "АБС навпаки", так як ПБС працює за принципом виявлення моменту початку швидкого обертання одного з коліс в порівнянні з іншим (моменту початку пробуксовування) і подачі сигналу на пригальмовування цього колеса. Датчики швидкості колеса можуть бути загальними, і тому найбільш ефективний спосіб запобігати пробуксовку ведучого колеса зменшенням його швидкості полягає в тому, щоб застосувати миттєве (і якщо необхідно, повторне) дію гальма, гальмівні імпульси можуть бути отримані від блоку клапанів АБС. Насправді, якщо присутній АБС, це все, що потрібно, щоб забезпечити і ПБС - плюс деякий додаткове програмне забезпечення і додатковий блок управління, щоб зменшити при необхідності крутний момент двигуна або скоротити кількість підводиться палива, або здійснити пряме втручання в систему управління педаллю газу .
На рис. 5.24 представлена \u200b\u200bсхема електронної системи харчування автомобіля: 1 - реле запалювання; 2 - центральний перемикач; 3 - акумуляторна батарея; 4 - нейтралізатор відпрацьованих газів; 5 - датчик кисню; 6 - повітряний фільтр; 7 - датчик масової витрати повітря; 8 - колодка діагностики; 9 - регулятор холостого ходу; 10 - датчик положення дросельної заслінки; 11 - дросельний патрубок; 12 - модуль запалювання; 13 - датчик фаз; 14 - форсунка; 15 - регулятор тиску палива; 16 - датчик температури ОЖ; 17 - свічка; 18 - датчик положення коленвала; 19 - датчик детонації; 20 - паливний фільтр; 21 - контролер; 22 - датчик швидкості; 23 - паливний насос; 24 - реле включення паливного насоса; 25 - бензобак.
Мал. 5.24. Спрощена схема системи упорскування
Однією із складових частин СКБА є подушка безпеки (див. Ріс.5.25.), Елементи якої розміщені в різних частинах автомобіля. Інерційні датчики, що знаходяться в бампері, у моторного щита, в стійках або в районі підлокітника (в залежності від моделі автомобіля), в разі аварії посилають сигнал на електронний блок управління. У більшості сучасних СКБА фронтальні датчики розраховані на силу удару на швидкості від 50 км / год. Бічні спрацьовують при більш слабких ударах. Від електронного блоку управління сигнал слід на основний модуль, який складається з компактно покладеної подушки, з'єднаної з газогенератором. Останній являє собою таблетку діаметром близько 10 см і товщиною близько 1 см з кристалічним азотгенерірующім речовиною. Електричний імпульс підпалює в «таблетці» пиропатрон або плавить дріт, і кристали зі швидкістю вибуху перетворюються в газ. Весь описаний процес відбувається дуже швидко. «Середня» подушка наповнюється за 25 мс. Поверхня подушки європейського стандарту мчить назустріч грудній клітці і віч зі швидкістю близько 200 км / ч, а американського - близько 300. Тому в машинах, обладнаних подушкою безпеки, виробники настійно радять пристібатися і не сидіти впритул до керма або торпедо. У найбільш «просунутих» системах є пристрої, що ідентифікують наявність пасажира або дитячого крісла і, відповідно, або відключають, або коригувальні ступінь надування.
Ріс.5.25 Автомобільна подушка безпеки:
1 - натягач ременя безпеки; 2 - надувна подушка безпеки; 3 - надувна подушка безпеки; для водія; 4 - блок управління і центральний датчик; 5 - виконавчий модуль; 6 - інерційні датчики
Більш детально з сучасної автомобільної МС можна ознайомитися в посібнику.
Крім звичайних автомобілів велика увага приділяється створенню легких транспортних засобів (ЛТС) з електроприводом (іноді їх називають нетрадиційними). До цієї групи транспортних засобів відносяться електровелосипеди, ролери, інвалідні коляски, електромобілі з автономними джерелами живлення. Розробку таких мехатронних систем веде Науково-інженерний центр "Мехатроніка" в кооперації з рядом організацій. ЛТС є альтернативою транспорту з двигунами внутрішнього згоряння і використовуються в даний час в екологічно чистих зонах (лікувально-оздоровчих, туристичних, виставкових, паркових комплексах), а також в торгових і складських приміщеннях. Технічна характеристика дослідного зразка електровелосипеда:
Максимальна швидкість 20 км / год,
Номінальна потужність приводу 160 Вт,
Номінальна частота обертання 160 об / хв,
Максимальний крутний момент 18 Нм,
Маса двигуна 4.7 кг,
Акумуляторна батарея 36В, 6 А * год,
Рух в автономному режимі 20 км.
Основою для створення ЛТС є мехатронні модулі типу "мотор-колесо" на базі, як правило, високомоментних електродвигунів.
Морський транспорт. МС знаходять все більш широке застосування для інтенсифікації праці екіпажів морських і річкових суден, пов'язаних з автоматизацією і механізацією основних технічних засобів, до яких відносяться головна енергетична установка з обслуговуючими системами і допоміжними механізмами, електроенергетична система, загальносуднових системи, кермові пристрої та двигуни.
Комплексні автоматичні системи утримання судна на заданій траєкторії (СУЗТ) або судна, призначеного для дослідження Світового океану, на заданій лінії профілю (СУЗП) відносяться до систем, які забезпечують третій рівень автоматизації управління. Застосування таких систем дозволяє:
Підвищити економічну ефективність морських транспортних перевезень за рахунок реалізації найкращої траєкторії, руху судна з урахуванням навігаційних і гідрометеорологічних умов плавання;
Підвищити економічну ефективність океанографічних, гідрографічних і морських геологорозвідувальних робіт за рахунок збільшення точності утримання судна на заданій лінії профілю, розширення діапазону ветроволнових збурень, при яких забезпечується необхідну якість управління, і збільшення робочої швидкості судна;
Вирішувати завдання реалізації оптимальної траєкторії руху судна при розбіжності з небезпечними об'єктами; підвищити безпеку мореплавання поблизу навігаційних небезпек за рахунок більш точного управління рухом судна.
Комплексні автоматичні системи управління рухом за заданою програмою геофізичних досліджень (АСУД) призначені для автоматичного виведення судна на задану лінію профілю, автоматичного утримання геолого-геофізичного судна на досліджуваній лінії профілю, маневрування при переходах з однієї лінії профілю на іншу. Вже згадана система дозволяє підвищити ефективність і якість морських геофізичних досліджень.
У морських умовах неможливе застосування звичайних методів попередньої розвідки (пошукова партія або детальна аерофотозйомка), тому найбільш широке поширення отримав сейсмічний метод геофізичних досліджень (рис. 5.26). Геофізичне судно 1 буксирує на кабель-тросі 2 пневматичну гармату 3, що є джерелом сейсмічних коливань, сейсмографную косу 4, на якій розміщені приймачі відображених сейсмічних коливань, і кінцевий буй 5. Профілі дна визначають за допомогою реєстрації інтенсивності сейсмічних коливань, відбитих від прикордонних шарів 6 різних порід.
Ріс.5.26. Схема проведення геофізичних досліджень.
Для отримання достовірної геофізичної інформації судно повинно добре змащувати заданому положенні відносно дна (лінії профілю) з високою точністю, незважаючи на малу швидкість руху (3-5 уз) і наявність буксируваних пристроїв значної довжини (до 3 км) з обмеженою механічною міцністю.
Фірмою «Анжутц» розроблена комплексірованние МС, що забезпечує утримання судна на заданій траєкторії. На рис. 5.27 представлена \u200b\u200bструктурна схема цієї системи, в яку входять: гірокомпас 1; лаг 2; прилади навігаційних комплексів, що визначають положення судна (два і більше) 3; Авторульовий 4; міні-ЕОМ 5 (5а - інтерфейс, 5б - центральне пристрій, 5в - центральний процесорний блок); зчитувач перфострічки 6; графічний пристрій 7; дисплей 8; клавіатура 9; рульова машина 10.
За допомогою даної системи можна автоматично вивести судно на запрограмовану траєкторію, яка задається оператором за допомогою клавіатури, яка визначає географічні координати точок повороту. У цій системі незалежно від інформації, що надходить від якої-небудь однієї групи приладів традиційного радіонавігаційного комплексу або пристроїв супутникового зв'язку, що визначає положення судна, обчислюються координати ймовірного положення судна за даними, що видаються гірокомпасом і лагом.
Ріс.5.27. Структурна схема комплексірованние МС утримання судна на заданій траєкторії
Управління курсом за допомогою даної системи здійснюється авторульовим, на вхід якого надходить інформація про величину заданого курсу ψзад, формована міні-ЕОМ з урахуванням помилки по положенню судна. Система зібрана в пульті управління. У верхній його частині розміщений дисплей з органами настройки оптимального зображення. Нижче, на похилому полі пульта, розташований Авторульовий з рукоятками управління. На горизонтальному полі пульта знаходиться клавіатура, за допомогою якої здійснюється введення програм в міні-ЕОМ. Тут же розміщений перемикач, за допомогою якого проводиться вибір режиму управління. У цокольній частині пульта розташовані міні-ЕОМ і інтерфейс. Вся периферійна апаратура розміщується на спеціальних підставках або інших пультах. Вже згадана система може працювати в трьох режимах: «Курс», «Монітор» і «Програма». У режимі «Курс» здійснюється утримання заданого курсу за допомогою авторульового за показаннями гірокомпас. Режим «Монітор» вибирається тоді, коли готується перехід на режим «Програма», коли цей режим переривається або коли перехід з даного режиму закінчений. На режим «Курс» переходять, коли виявляються несправності міні-ЕОМ, джерел живлення або радіонавігаційного комплексу. В цьому режимі Авторульовий працює незалежно від міні-ЕОМ. У режимі «Програма» відбувається управління курсом за даними радіонавігаційних приладів (датчиків положення) або гірокомпас.
Обслуговування системи утримання судна на ЗТ здійснюється оператором з пульта. Вибір групи датчиків для визначення положення судна проводиться оператором за рекомендаціями, представленим на екрані дисплея. У нижній частині екрана наводиться список всіх дозволених для даного режиму команд, які можуть вводитися за допомогою клавіатури. Випадкове натискання будь-якої забороненої клавіші блокується ЕОМ.
Авіаційна техніка. Успіхи, досягнуті в розвитку авіаційної і космічної техніки з одного боку і необхідність зниження вартості цільових операцій з іншого, стимулювали розробки нового виду техніки - дистанційно пілотованих літальних апаратів (ДПЛА).
На рис. 5.28 представлена \u200b\u200bструктурна схема системи дистанційного керування польотом ДПЛА - HIMAT. Основним компонентом системи дистанційного пілотування HIMAT є наземний пункт дистанційного керування. Параметри польоту ДПЛА надходять в наземний пункт по лінії радіозв'язку від літального апарату, приймаються і декодуються станцією обробки телеметрії і передаються в наземну частину обчислювальної системи, а також на прилади індикації інформації в наземному пункті управління. Крім цього, з борта ДПЛА надходить відображається за допомогою телевізійної камери картина зовнішнього огляду. Телевізійне зображення, висвічується на екрані наземного робочого місця людини-оператора, використовується для керування літальним апаратом при повітряних маневрах, заході на посадку і при самій посадці. Кабіна наземного пункту дистанційного керування (робоче місце оператора) обладнана приладами, що забезпечують індикацію інформації про політ і стан апаратури комплексу ДПЛА, а також засобами для керування літальним апаратом. Зокрема, в розпорядженні людини-оператора є ручки і педалі керування літальним апаратом по крену і тангажу, а також ручка управління двигуном. При виході з ладу основної системи управління подача команд системи управління відбувається за допомогою спеціального пульта дискретних команд оператора ДПЛА.
Ріс.5.28. Система дистанційного пілотування ДПЛА HIMAT:
носій У-52; 2 - резервна система управління на літаку TF-104G; 3 - лінія телеметричної зв'язку з землею; 4 - ДПЛА HIMAT; 5 - лінії телеметричної зв'язку з ДПЛА; 5 - наземний пункт дістаціонного пілотування
В якості автономної навігаційної системи, що забезпечує числення шляху, використовуються доплеровские вимірювачі шляховий швидкості і кута зносу (ДПСС). Така навігаційна система використовується спільно з курсовою системою, що вимірює курс датчиком вертикалі, формує сигнали крену і тангажа, і бортовий ЕОМ, що реалізує алгоритм числення шляху. У сукупності ці пристрої утворюють доплерівську навігаційну систему (див. Ріс.5.29). Що б підвищити надійність і точність вимірювання поточних координат літального апарату, ДІСС може об'єднуватися з вимірювачами швидкості
Ріс.5.29. Схема доплеровской навігаційної системи
Мініатюризація електронних елементів, створення і серійний випуск спеціальних типів датчиків і індикаторних пристроїв, надійно працюють у важких умовах, а також різке здешевлення мікропроцесорів (в тому числі і спеціально призначених для автомобілів) створили умови для перетворення транспортних засобів в МС досить високого рівня.
Високошвидкісний наземний транспорт на магнітному підвісі є наочним прикладом сучасної мехатронної системи. Поки єдина в світі комерційна транспортна система такого роду введена в експлуатацію в Китаї у вересні 2002 р і з'єднує міжнародний аеропорт Пудонг з центром міста Шанхай. Система була розроблена, виготовлена \u200b\u200bі випробувана в Німеччині, після чого вагони поїзда були переправлені в Китай. Направляючий шлях, розташований на високій естакаді, виготовлявся на місці в Китаї. Поїзд розганяється до швидкості 430 км / год і пролітає шлях довжиною 34 км за 7 хвилин (максимальна швидкість може досягати 600 км / ч). Поїзд ширяє над напрямних шляхом, тертя об шлях відсутня, і основний опір руху надає повітря. Тому поїзду додана аеродинамічна форма, стики між вагонами закриті (ріс.5.30).
Щоб у разі аварійного відключення електроживлення поїзд не впав на направляючий шлях, в ньому передбачені потужні акумуляторні батареї, енергії яких досить для плавної зупинки поїзда.
За допомогою електромагнітів відстань між поїздом і напрямних шляхом (15 мм) під час руху витримується з точністю до 2 мм, що дозволяє повністю виключити вібрацію вагонів навіть на максимальній швидкості. Кількість і параметри підтримують магнітів є комерційною таємницею.
Мал. 5.30. Поїзд на магнітному підвісі
Транспортна система на магнітному підвісі повністю управляється комп'ютером, так як на такій високій швидкості людина не встигає реагувати на виникаючі ситуації. Комп'ютер керує і розгоном-гальмуванням поїзда, враховуючи також повороти шляху, тому пасажири не відчувають дискомфорту при виникають прискореннях.
Описана транспортна система відрізняється високою надійністю і небувалою чіткістю виконання розкладу руху. За три перші роки експлуатації було перевезено понад 8 мільйонів пасажирів.
На сьогоднішній день, лідерами в технології маглев (використовується на Заході скорочення від слів «магнітна левітація») є Японія і Німеччина. В Японії маглев поставив світовий рекорд швидкості рейкового транспорту - 581 км / ч. Але далі встановлення рекордів Японія поки не просунулася, поїзди курсують лише за експериментальними лініях в префектурі Яманасі, загальною протяжністю близько 19 км. У Німеччині розвитком технології маглев займається компанія Transrapid. Хоча в самій Німеччині комерційна версія маглева не прижилася, поїзди експлуатуються на випробувальному полігоні в Емсланд компанією Transrapid, яка вперше в світі успішно реалізувала комерційну версію маглев в Китаї.
Як приклад вже існуючих транспортних мехатронних систем (ТМС) з автономним управлінням можна привести машину-робота компанії VisLab і лабораторії машинного зору і інтелектуальних систем університету Парми.
Чотири машини-робота виконали безпрецедентний для автономних транспортних засобів шлях в 13 тисяч кілометрів від італійської Парми до Шанхая. Цей експеримент був покликаний стати жорстким тестом для інтелектуальної системи автономного водіння ТМС. Її випробування проходило і в міському трафіку, наприклад, в Москві.
Машини-роботи були побудовані на базі мікроавтобусів (ріс.5.31). Від звичайних машин вони відрізнялися не тільки автономним управлінням, а й чистої електротягою.
Мал. 5.31. Автомобіль з автономним управлінням компанії VisLab
На даху ТМС були розташовані сонячні батареї для живлення критично важливого обладнання: робототехнической системи, яка обертає кермо і тиснуть на педалі газу і гальма, так і комп'ютерних компонентів машини. Іншу енергію поставляли електричні розетки по ходу подорожі.
Кожен автомобіль-робот був оснащений чотирма лазерними сканерами спереду, двома парами стереокамер, що дивляться вперед і назад, трьома камерами, які охоплюють 180-градусний сектор огляду в передній «півсфері» і системою супутникової навігації, а також набором комп'ютерів і програм, що дозволяють машині приймати рішення в тих чи інших ситуаціях.
Ще один приклад транспортної мехатронної системи з автономним управлінням - це роботизований електромобіль RoboCar MEV-C японського підприємства ZMP (ріс.5.32).
Ріс.5.32. Роботизований електромобіль RoboCar MEV-C
Виробник позиціонує дану ТМС як машину для подальших передових розробок. До складу пристрою автономного управління входять такі компоненти: стереокамера, 9-вісний бездротової датчик руху, GPS-модуль, сенсор температури і вологості, лазерний далекомір, чіпи Bluetooth, Wi-Fi і 3G, а також протокол CAN, який координує спільну роботу всіх компонентів . Розміри RoboCar MEV-C складають 2,3 x 1,0 x 1,6 м, він важить 310 кг.
Сучасним представником транспортної мехатронної системи є трансскутер, що відноситься до класу легких транспортних засобів з електроприводом.
Трансскутери - новий різновид трансформованих багатофункціональних наземних транспортних засобів індивідуального користування з електроприводом, переважно призначених для осіб з обмеженими фізичними можливостями (ріс.5.33). Основною відмінною рисою трансскутера від інших наземних транспортних засобів є можливість прохідності по сходових маршах і реалізації принципу багатофункціональності, а значить, і трансформований в широкому діапазоні.
Мал. 5.33. Зовнішній вигляд одного з зразків трансскутера сімейства «Кенгуру»
Рушій трансскутера виконаний на базі мехатронного модуля типу «мотор-колесо». Функції і, відповідно, зміни, що забезпечуються трансскутерамі сімейства «Кенгуру», такі (ріс.5.34):
- «Скутер» - рух з великою швидкістю на довгій базі;
- «Крісло» - маневрування на короткій базі;
- «Баланс» - рух стоячи в режимі гіростабілізаціі на двох колесах;
- «Компакт-вертикаль» - рух стоячи на трьох колесах в режимі гіростабілізаціі;
- «Поребрик» - подолання поребрика відразу стоячи або сидячи (окремі моделі мають додаткову функцію «Косий поребрик» - подолання поребрика під кутом до 8 градусів);
- «Сходи вгору» - підйом по східцях сходів переднім ходом, сидячи або стоячи;
- «Сходи вниз» - спуск по сходах сходів переднім ходом, сидячи;
- «За столом» - низька посадка, ноги на підлозі.
Мал. 5.34. Основні конфігурації трансскутера на прикладі одного з варіантів його виконання
У складі трансскутера в середньому 10 компактних високомоментних електроприводів з мікропроцесорним управлінням. Всі приводи однотипні - вентильні двигуни постійного струму, керовані за сигналами з датчиків Холла.
Для управління такими апаратами використовується багатофункціональна мікропроцесорна система управління (СУ) з бортовим комп'ютером. Архітектура системи управління трансскутером є дворівневою. Нижній рівень - обслуговування безпосередньо самого приводу, верхній рівень - злагоджена робота приводів за заданою програмою (алгоритмом), тестування і контроль роботи системи і датчиків; зовнішній інтерфейс - віддалений доступ. В якості контролера верхнього рівня (бортового комп'ютера) використовується PCM-3350 фірми Advantech, виконаний у форматі PC / 104. В якості контролера нижнього рівня - спеціалізований мікроконтролер TMS320F2406 фірми Texas Instruments для управління електродвигунами. Загальна кількість контролерів нижнього рівня, що відповідають за роботу окремих блоків, - 13: десять контролерів управління приводами; контролер рульової головки, що відповідає також за індикацію виведеної інформації на дисплей; контролер визначення залишкової ємності акумуляторної батареї; контролер заряду і розряду акумуляторної батареї. Обмін даними між бортовим комп'ютером трансскутера і периферійними контролерами підтримується по загальній шині з CAN-інтерфейсом, що дозволяє мінімізувати кількість провідників і досягти реальної швидкості передачі даних 1 Мбіт / с.
Завдання бортового комп'ютера: управління електроприводами, обслуговування команд від рульової головки; розрахунок і виведення на індикацію залишкового заряду акумуляторної батареї; рішення траєкторної завдання для пересування по сходах; можливість віддаленого доступу. За допомогою бортового комп'ютера реалізуються такі окремі програми:
Розгону і гальмування скутера з керованим прискоренням / уповільненням, яке персонально адаптується для користувача;
Програма, що реалізує алгоритм роботи задніх коліс при поворотах;
Поздовжньої і поперечної гіростабілізаціі;
Подолання поребрика вгору і вниз;
Рухи по сходах вгору і вниз,
Адаптації до розмірів сходинок;
Ідентифікації параметрів сходів;
Зміни колісної бази (від 450 до 850 мм);
Моніторингу датчиків скутера, блоків керування приводами, акумуляторної батареї;
Емуляції на основі показників датчиків роботи паркувального радара;
Віддаленого доступу до керуючих програм, зміни параметрів настройки через Інтернет.
Трансскутер має в своєму складі 54 датчика, що дозволяють йому пристосуватися до навколишнього середовища. Серед них: датчики Холла, вбудовані в вентильні електродвигуни; абсолютні датчики кута, що визначають положення складових частин трансскутера; резистивний датчик повороту керма; інфрачервоний датчик відстані для паркувального радара; інклінометр, що дозволяє визначати нахил скутера під час руху; акселерометр і датчик кутової швидкості, службовці для управління гіростабілізаціей; радіочастотний приймач для дистанційного керування; резистивний датчик лінійного переміщення для визначення положення крісла щодо рами; шунти для вимірювання струму двигунів і залишкової ємності акумулятора; потенциометрический задатчик швидкості руху; тензометричний датчик ваги для контролю розваговки апарату.
Загальна блок-схема СУ представлена \u200b\u200bна ріс.5.35.
Мал. 5.35. Блок-схема СУ трансскутером сімейства «Кенгуру»
Умовні позначення:
RMC - абсолютні датчики кута, ДХ - датчики Холла; БУ - блок управління; РКІ - рідкокристалічний індикатор; МКЛ - мотор-колесо ліве; МКП - мотор-колесо праве; BMS - система управління живленням; LAN - порт для зовнішнього підключення бортового комп'ютера з метою програмування, налаштування і т.п .; Т - гальмо електромагнітний.
До основних переваг мехатронних пристроїв в порівнянні традиційними засобами автоматизації слід віднести:
Відносно низьку вартість завдяки високому ступеню інтеграції, уніфікації та стандартизації всіх елементів і інтерфейсів;
Висока якість реалізації складних і точних рухів внаслідок застосування методів інтелектуального управління;
Високу надійність, довговічність і перешкодозахищеність;
Конструктивну компактність модулів (аж до мініатюризації і мікромашин),
Покращені масогабаритні і динамічні характеристики машин внаслідок спрощення кінематичних ланцюгів;
Можливість комплексування функціональних модулів в складні мехатронні системи і комплекси під конкретні завдання замовника.
Обсяги світового виробництва мехатронних пристроїв щорічно збільшуються, охоплюючи все нові сфери. Сьогодні мехатронні модулі та системи знаходять широке застосування в наступних областях:
Верстатобудування і обладнання для автоматизації технологічних процесів;
Робототехніка (промислова і спеціальна);
Авіаційна, космічна та військова техніка;
Автомобілебудування (наприклад, протиблокувальні гальмівні, системи стабілізації руху автомобіля і автоматичного паркування);
Нетрадиційні транспортні засоби (електровелосипеди, вантажні візки, електророллери, інвалідні коляски);
Офісна техніка (наприклад, копіювальні та факсимільні апарати);
Елементи обчислювальної техніки (наприклад, принтери, плоттери, дисководи);
Медичне обладнання (реабілітаційне, клінічне, сервісне);
Побутова техніка (пральні, швейні, посудомийні та інші машини);
Мікромашини (для медицини, біотехнології, засобів зв'язку і телекомунікації);
Контрольно-вимірювальні пристрої та машини;
Фото- і відеотехніка;
Тренажери для підготовки пілотів і операторів;
Шоу-індустрія (системи звукового та світлового оформлення).
Безумовно, цей список може бути розширений.
Стрімкий розвиток мехатроніки в 90-х роках як нового науково-технічного напрямку обумовлено трьома основними факторами:
Нові тенденції світового індустріального розвитку;
Розвиток фундаментальних основ і методології мехатроніки (базові наукові ідеї, принципово нові технічні та технологічні рішення);
Активність фахівців в науково-дослідній та освітній сферах.
Сучасний етап розвитку автоматизованого машинобудування в нашій країні відбувається в нових економічних реаліях, коли стоїть питання про технологічної спроможності країни та конкурентоспроможності продукції, що випускається.
Можна виділити наступні тенденції зміни в ключових вимогах світового ринку в даній області:
Необхідність випуску і сервісу обладнання відповідно до міжнародної системи стандартів якості, сформульованих в стандартах ISOсерії 9000 ;
Інтернаціоналізація ринку науково-технічної продукції і, як наслідок, необхідність активного впровадження в практику форм і методів
міжнародного інжинірингу та трансферу технологій;
Підвищення ролі малих і середніх виробничих підприємств в економіці завдяки їх здатності до швидкого і гнучкого реагування на вимоги ринку;
Бурхливий розвиток комп'ютерних систем і технологій, засобів телекомунікації (в країнах ЄЕС 2000 року 60% зростання Сукупного Національного Продукту відбулося саме за рахунок цих галузей); прямим наслідком цієї загальної тенденції є інтелектуалізація систем управління механічним рухом і технологічними функціями сучасних машин.
В якості основного класифікаційної ознаки в мехатроніки за доцільне прийняти рівень інтеграції складових елементів. Відповідно до цієї ознаки можна розділяти мехатронні системи за рівнями або за їхніми, якщо розглядати їх поява на ринку наукомісткої продукції історично мехатронні модулі першого рівня являють собою об'єднання тільки двох вихідних елементів. Типовим прикладом модуля першого покоління може служити "мотор-редуктор", де редуктор і керований двигун випускаються як єдиний функціональний елемент. Мехатронні системи на основі цих модулів знайшли широке застосування при створенні різних засобів комплексної автоматизації виробництва (конвеєрів, транспортерів, поворотних столів, допоміжних маніпуляторів).
Мехатронні модулі другого рівня з'явилися в 80-х роках у зв'язку з розвитком нових електронних технологій, які дозволили створити мініатюрні датчики і електронні блоки для обробки їх сигналів. Об'єднання приводних модулів з зазначеними елементами привела до появи мехатронних модулів руху, склад яких повністю відповідає введеному вище визначенню, коли досягнута інтеграція трьох пристроїв різної фізичної природи: 1) механічних, 2) електротехнічних і 3) електронних. На базі мехатронних модулів даного класу створені 1) керовані енергетичні машини (турбіни і генератори), 2) верстати і промислові роботи з числовим програмним управлінням.
Розвиток третього покоління мехатронних систем обумовлено появою на ринку порівняно недорогих мікропроцесорів і контролерів на їх базі та направлено на інтелектуалізацію всіх процесів, що протікають в мехатронної системі, в першу чергу процесу управління функціональними рухами машин і агрегатів. Одночасно йде розробка нових принципів і технології виготовлення високоточних і компактних механічних вузлів, а також нових типів електродвигунів (в першу чергу високомоментних безколекторних і лінійних), датчиків зворотного зв'язку і інформації. Синтез нових 1) прецизійних, 2) інформаційних і 3) вимірювальних наукомістких технологій дає основу для проектування і виробництва інтелектуальних мехатронних модулів і систем.
Надалі мехатронні машини і системи будуть об'єднуватися в мехатронні комплекси на базі єдиних інтеграційних платформ. Мета створення таких комплексів - домогтися поєднання високої продуктивності і одночасно гнучкості техніко-технологічного середовища за рахунок можливості її реконфігурації, що дозволить забезпечити, конкурентоспроможність і високу якість продукції, що випускається.
Сучасні підприємства, що приступають до розробки і випуску мехатронних виробів, повинні вирішити в цьому плані такі основні завдання:
Структурна інтеграція підрозділів механічного, електронного та інформаційного профілів (які, як правило функціонували автономно і роз'єднано) в єдині проектні та виробничі колективи;
Підготовка "Мехатронні-орієнтованих" інженерів і менеджерів, здатних до системної інтеграції і керівництву роботою вузькопрофільних фахівців різної кваліфікації;
Інтеграція інформаційних технологій з різних науково-технічних областей (механіка, електроніка, комп'ютерне управління) в єдиний інструментарій для комп'ютерної підтримки мехатронних завдань;
Стандартизація та уніфікація всіх використовуваних елементів і процесів при проектуванні і виробництві МС.
Рішення перерахованих проблем часто вимагає подолання сформованих на підприємстві традицій в управлінні і амбіцій менеджерів середньої ланки, які звикли вирішувати тільки свої вузькопрофільні задачі. Саме тому середні і малі підприємства які можуть легко і гнучко варіювати свою структуру, виявляються більш підготовленими до переходу на виробництво мехатронної продукції.
Схожа інформація.
Обсяги світового виробництва мехатронних пристроїв щорічно збільшуються, охоплюючи все нові сфери. Сьогодні мехатронні модулі та системи знаходять широке застосування в наступних областях:
Верстатобудування і обладнання для автоматизації технологічних
процесів;
Робототехніка (промислова і спеціальна);
Авіаційна, космічна та військова техніка;
Автомобілебудування (наприклад, протиблокувальні гальмівні,
системи стабілізації руху автомобіля і автоматичного паркування);
Нетрадиційні транспортні засоби (електровелосипеди, вантажні
візки, електророллери, інвалідні коляски);
Офісна техніка (наприклад, копіювальні та факсимільні апарати);
Елементи обчислювальної техніки (наприклад, принтери, плоттери,
дисководи);
Медичне обладнання (реабілітаційне, клінічне, сервісне);
Побутова техніка (пральні, швейні, посудомийні та інші машини);
Мікромашини (для медицини, біотехнології, засобів
телекомунікації);
Контрольно-вимірювальні пристрої та машини;
Фото- і відеотехніка;
Тренажери для підготовки пілотів і операторів;
Шоу-індустрія (системи звукового та світлового оформлення).
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
1.
Ю. В. Подураев «Основи мехатроніки» Навчальний посібник. Москва.- 2000р. 104 с.
2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Мехатроника
3.
http://mau.ejournal.ru/
4.
http://mechatronica-journal.stankin.ru/
Аналіз структури мехатронних систем мехатронних модулів
Навчальний посібник
З дисципліни «Проектування мехатронних систем»
за фахом 220401.65
«Мехатроніка»
г.о. Тольятті 2010
Краснов С.В., Лисенко І.В. Проектування мехатронних систем. Частина 2. Проектування електромеханічних модулів мехатронних систем
Анотація. Навчальний посібник включає відомості про склад мехатронної системи, місці електромехатронних модулів в мехатронних системах, про структуру електромехатронних модулів, їх типах і особливостях, включає етапи і методи проектування мехатронних систем. критерії розрахунку навантажувальних характеристик модулів, критерії вибору приводів і т.д.
1 Аналіз структури мехатронних систем мехатронних модулів 5
1.1 Аналіз структури мехатронної системи 5
1.2 Аналіз обладнання приводів мехатронних модулів 12
1.3 Аналіз та класифікація електричних двигунів 15
1.4 Аналіз структури систем управління приводами 20
1.5 Технології формування керуючого сигналу. ШІМ модуляція і ПІД регулювання 28
1.6 Аналіз приводів і систем числового управління верстатів 33
1.7 Енергетичні та вихідні механічні перетворювачі приводів мехатронних модулів 39
1.8 Датчики зворотного зв'язку приводів мехатронних модулів 44
2 Основні поняття та методології проектування мехатронних систем (МС) 48
2.1 Основні принципи проектування мехатронних систем 48
2.2 Опис етапів проектування МС 60
2.3 Виготовлення (реалізація) МС 79
2.4 Тестування МС 79
2.5 Оцінка якості МС 83
2.6 Документація до МС 86
2.7 Економічна ефективність МС 87
2.8 Розробка заходів щодо забезпечення безпечних умов праці з електромеханічними модулями 88
3. Методи розрахунків параметрів і проектування мехатронних модулів 91
3.1 Функціональне моделювання процесу проектування мехатронного модуля 91
3.2 Етапи проектування мехатронного модуля 91
3.3 Аналіз критеріїв вибору двигунів мехатронних систем 91
3.4 Аналіз основного математичного апарату розрахунку приводів 98
3.5 Розрахунок необхідної потужності та вибір ЕД подач 101
3.6 Управління двигуном постійного струму по положенню 110
3.7 Опис сучасних апаратно-програмних рішень управління виконавчими елементами верстатів 121
Список джерел та літератури 135
Мехатроніка вивчає синергетичне об'єднання вузлів точної механіки з електронними, електротехнічними і комп'ютерними компонентами з метою проектування і виробництва якісно нових модулів, систем, машин і комплексу машин з інтелектуальним управліннями їх функціональними рухами.
Мехатронні система - сукупність мехатронних модулів (комп'ютерного ядра, інформаційних пристроїв-датчиків, електромеханічних (приводів двигунів), механічемскіх (виконавчі елементи - фрези, руки робота і т.д.), програмного забезпечення (спеціально - керуючі програми, системного - операційні системи та середовища, драйвери).
Мехатронні модуль - окремий блок мехатронної системи, сукупність апаратно-програмних засобів, що здійснюють рух одного або декількох виконавчих органів.
Інтегровані мехатронні елементи вибираються розробником на стадії проектування, а потім забезпечується необхідна інженерна та технологічна підтримка.
Методологічна основа розробки МС служать методи паралельного проектування, тобто одночасного і взаємозв'язаного при синтезі всіх компонентів системи. Базовими об'єктами є мехатронні модулі, які виконують рух, як правило, по одній координаті. У мехатронних системах для забезпечення високої якості реалізації складних і точних рухів застосовуються методи інтелектуального управління (нові ідеї в теорії управління, сучасні апарати обчислювальної техніки).
До складу традиційної мехатронної машини входять наступні основні компоненти:
Механічні пристрої, кінцевою ланкою якого є робочий орган;
Блок приводів, що включає силові перетворювачі і силові двигуни;
Пристрої комп'ютерного управління, рівнем для якого є людина-оператор, або інша ЕОМ входить в комп'ютерну мережу;
Сенсорні пристрої, призначені для передачі пристрою управління інформації про фактичний стан блоків машини і руху мехатронної системи.
Таким чином, наявність трьох обов'язкових частин: електромеханічної, електронної, комп'ютерної, пов'язаних енергетичними та інформаційними потоками є первинною ознакою відрізняє мехатронних систем.
Таким чином, для фізичної реалізації мехатронної системи теоретично необхідні 4 основних функціональних блоку, які зображені на малюнку 1.1
Малюнок 1.1 - Блок-схема мехатронної системи
Якщо робота заснована на гідравлічних, пневматичних або комбінованих процесах, то необхідні відповідні перетворювачі і датчики зворотного зв'язку.
Мехатроніка є науково-технічної дисципліною, яка вивчає побудову електромеханічних систем нового покоління, що володіють принципово новими якостями і, часто, рекордними параметрами. Зазвичай Мехатронні система є об'єднанням власне електромеханічних компонентів з новітньої силовий електронікою, які управляються за допомогою різних мікроконтролерів, ПК або інших обчислювальних пристроїв. При цьому система в істинно мехатронних підході, незважаючи на використання стандартних компонентів, будується як можна більш монолітно, конструктори намагаються об'єднати всі частини системи воєдино без використання зайвих інтерфейсів між модулями. Зокрема, застосовуючи вбудовані безпосередньо в мікроконтролери АЦП, інтелектуальні силові перетворювачі і т. П. Це дає скорочення масогабаритних показників, підвищення надійності системи і інші переваги. Будь-яка система, що управляє групою приводів може вважатися мехатронної. Зокрема, якщо вона управляє групою реактивних двигунів космічного апарату.
Малюнок 1.2 - Склад мехатронної системи
Іноді система містить принципово нові з конструкторської точки зору вузли, такі як електромагнітні підвіси, які замінять звичайні підшипникові вузли.
Розглянемо узагальнену структуру машин з комп'ютерним управлінням, орієнтованих на завдання автоматизованого машинобудування.
Зовнішнім середовищем для машин даного класу є технологічне середовище, яка містить різну основне і допоміжне обладнання, технологічне оснащення та об'єкти робіт. При виконанні мехатронної системою заданого функціонального руху об'єкти робіт надають впливи на робочий орган. Прикладами таких впливів можуть служити сили різання для операцій механічної обробки, контактні сили і моменти сил при складанні, сила реакції струменя рідини при операції гідравлічної різання.
Зовнішні середовища укрупненно можна розділити на два основні класи: детерміновані і недетерміновані. До детермінованим відносяться середовища, для яких параметри збурюючих впливів і характеристики об'єктів робіт можуть бути заздалегідь визначені з необхідною для проектування МС ступенем точності. Деякі середовища є недермінірованним за своєю природою (наприклад, екстремальні середовища: підводні, підземні і т.п.). Характеристики технологічних середовищ як правило можуть бути визначені за допомогою аналітико-експериментальних досліджень і методів комп'ютерного моделювання. Наприклад, для оцінки сил різання при механічної обробки проводять серії експериментів на спеціальних дослідницьких установках, параметри вібраційних впливів вимірюють на вібростендах з подальшим формуванням математичних і комп'ютерних моделей впливів, що обурюють на основі експериментальних даних.
Однак для організації та проведення подібних досліджень часто потрібні занадто складні і дорогі апаратура і вимірювальні технології. Так для попередньої оцінки силових впливів на робочий орган при операції роботизованого видалення облоя з литих виробів необхідно вимірювати фактичні форму і розміри кожної заготовки.
Малюнок 1.3 - Узагальнена схема мехатронної системи з комп'ютерним управлінням рухом
У таких випадках доцільно застосовувати методи адаптивного управління, які дозволяють автоматично коректувати закон руху МС безпосередньо в ході виконання операції.
До складу традиційної машини входять наступні основні компоненти: механічний пристрій, кінцевою ланкою якого є робочий орган; блок приводів, що включає силові перетворювачі і виконавчі двигуни; пристрій комп'ютерного управління, верхнім рівнем для якого є людина-оператор, або інша ЕОМ, що входить в комп'ютерну мережу; сенсори, призначені для передачі в пристрій управління інформації про фактичний стан блоків машини і русі МС.
Таким чином, наявність трьох обов'язкових частин - механічної (точніше електромеханічної), електронної та комп'ютерної, пов'язаних енергетичними та інформаційними потоками, є первинною ознакою, який вирізняє мехатронні системи.
Електромеханічна частина включає механічні ланки і передачі, робочий орган, електродвигуни, сенсори і додаткові електротехнічні елементи (гальма, муфти). Механічне пристрій призначений для перетворення рухів ланок в необхідний рух робочого органу. Електронна частина складається з мікроелектронних пристроїв, силових перетворювачів і електроніки вимірювальних ланцюгів. Сенсори призначені для збору даних про фактичний стан зовнішнього середовища і об'єктів робіт, механічного пристрою і блоку приводів з подальшою первинною обробкою і передачею цієї інформації в пристрій комп'ютерного управління (УКУ). До складу УКУ мехатронної системи зазвичай входять комп'ютер верхнього рівня і контролери управління рухом.
Пристрій комп'ютерного управління виконує наступні основні функції:
Управління процесом механічного руху мехатронного модуля або багатовимірної системи в реальному часі з обробкою сенсорної інформації;
Організація управління функціональними рухами МС, яка передбачає координацію управління механічним рухом МС і супутніми зовнішніми процесами. Як правило, для реалізації функції управління зовнішніми процесами використовуються дискретні входи / виходи пристрою;
Взаємодія з людиною-оператором через людино-машинний інтерфейс в режимах автономного програмування (off-line) і безпосередньо в процесі руху МС (режим on-line);
Організація обміну даними з периферійними пристроями, сенсорами і іншими пристроями системи.
Завданням мехатронної системи є перетворення вхідної інформації, що надходить з верхнього рівня управління, в цілеспрямоване механічний рух з керуванням на основі принципу зворотного зв'язку. Характерно, що електрична енергія (рідше гідравлічна або пневматична) використовується в сучасних системах як проміжна енергетична форма.
Суть мехатронного підходу до проектування полягає в інтеграції в єдиний функціональний модуль двох або більше елементів можливо навіть різної фізичної природи. Іншими словами, на стадії проектування з традиційної структури машини виключається як сепаратне пристрій принаймні один інтерфейс при збереженні фізичної сутності перетворення, виконуваного даним модулем.
В ідеальному для користувача варіанті Мехатронні модуль, отримавши на вхід інформацію про мету управління, буде виконувати з бажаними показниками якості заданий функціональний рух. Апаратне об'єднання елементів в єдині конструктивні модулі повинно обов'язково супроводжуватися розробкою інтегрованого програмного забезпечення. Програмні засоби МС повинні забезпечувати безпосередній перехід від задуму системи через її математичне моделювання до управління функціональним рухом в реальному часі.
Застосування мехатронного підходу при створенні машин з комп'ютерним управлінням визначає їх основні переваги в порівнянні з традиційними засобами автоматизації:
Відносно низьку вартість завдяки високому ступеню інтеграції, уніфікації та стандартизації всіх елементів і інтерфейсів;
Висока якість реалізації складних і точних рухів внаслідок застосування методів інтелектуального управління;
Високу надійність, довговічність і перешкодозахищеність;
Конструктивну компактність модулів (аж до мініатюризації в мікромашин),
Покращені масогабаритні і динамічні характеристики машин внаслідок спрощення кінематичних ланцюгів;
Можливість комплексування функціональних модулів в складні системи і комплекси під конкретні завдання замовника.
Класифікація приводів виконавчих механізмів мехатронної системи показана на малюнку 1.4.
Малюнок 1.4 - Класифікація приводів мехатронної системи
На малюнку 1.5 показана схема електромехатронного вузла на базі приводу.
Малюнок 1.5 - Схема електромехатронного вузла
У різних областях техніки широко поширені приводи, що виконують силові функції в системах управління різноманітними об'єктами. Автоматизація технологічних процесів і виробництв, зокрема, в машинобудуванні неможлива без використання різних приводів, які включають в себе: виконавчі механізми, які визначаються технологічним процесом, двигуни і систему управління двигунами. У приводах систем управління МС (технологічних машин, машин - автоматів МА, ПР і т.д.) застосовують значно відрізняються за фізичними ефектів виконавчі двигуни. Реалізація таких фізичних ефектів як магнетизм (електродвигуни), гравітація в вигляді перетворення гідравлічних і повітряних потоків в механічний рух, розширення середовища (двигуни внутрішнього згоряння, реактивні, парові і ін.); електроліз (ємнісні двигуни) в сукупності з новітніми досягненнями в області мікропроцесорної техніки дозволяє створювати сучасні приводні системи (ПС) з поліпшеними технічними характеристиками. Зв'язок силових параметрів приводу (крутний момент, зусилля) з кінематичними параметрами (кутова швидкість вихідного вала, швидкість лінійного переміщення штока ІМ) визначається механічними характеристиками електро-, гідро-, пневмо- і інших приводів, в сукупності або окремо вирішують завдання руху (робочого, холостого ходу) механічної частини МС (технологічного обладнання). При цьому, якщо потрібно регулювання вихідних параметрів машини (силових, швидкісних, енергетичних), то механічні характеристики двигунів (приводів) повинні доцільно видозмінюватися в результаті управління пристроями регулювання, наприклад, рівня живлячої напруги, струму, тиску, витрати рідини або газу.
Простота формування механічних рухів безпосередньо з електричної енергії в приводних системах з електричним двигуном, тобто в електромеханічних системах ЕМС, зумовлює ряд переваг такого приводу перед гідравлічними і пневматичними приводами. В даний час електродвигуни постійного і змінного струму випускаються заводами-виробниками від десятих часток вата до десятків мегават, що дозволяє забезпечити попит на них (по необхідної потужності) як для застосування в промисловості, так і на багатьох видах транспорту, в побуті.
Гідравлічні приводи МС (технологічного обладнання і ПР) в порівнянні з електроприводами, вельми широко застосовуються в транспортних, гірських, будівельних, дорожніх, колійних, меліоративних і сільськогосподарських машинах, підйомно-транспортних механізмах, літальних і підводних апаратах. Вони володіють істотною перевагою перед електромеханічним приводом там, де потрібні значні робочі навантаження при невеликих габаритах, наприклад, в гальмівних системах або автоматичних коробках передач автомобілів, ракетній і космічній техніці. Широка застосовність гідроприводів обумовлена \u200b\u200bтим, що напруженість робочого середовища в них значно більше, ніж напруженість робочого середовища в електродвигунах і в промислових пневматичних приводах. У реальних гідравлічних приводах напруженість робочого середовища в напрямку передачі руху становить 6-100 МПа при гнучкому управлінні за рахунок регулювання потоку рідини гідравлічними пристроями, що мають різне управління, в тому числі і електронне. Компактність і мала інерційність гідроприводу забезпечують легке і швидке зміна напрямку руху ІМ, а застосування електронної апаратури управління забезпечує прийнятні перехідні процеси і задану стабілізацію вихідних параметрів.
Для автоматизації управління МС (різного технологічного устаткування, машин-автоматів і ПР) широко використовують також пневматичні приводи на базі Пневмодвигуни для реалізації як поступальних, так і обертальних рухів. Однак через істотне відмінності властивостей робочого середовища пневмо- і гідроприводів їх технічні характеристики відрізняються внаслідок значної стисливості газів в порівнянні з сжимаемостью крапельної рідини. При простоті конструкції, хороших економічних показниках і достатньої надійності, але низьких регулювальних властивості, пневмоприводи не можуть бути використані в позиційних і контурних режимах роботи, що трохи знижує привабливість їх застосування в МС (технічних системах ТЗ).
Визначити найбільш прийнятний вид енергії в приводі з можливо досяжною ефективністю використання його в процесі експлуатації технологічного або обладнання іншого призначення завдання досить складна і може мати кілька рішень. Перш за все, кожен привід повинен задовольняти своєму службовому призначенню, необхідним силовим і кинематическим характеристикам. Визначальними факторами при досягненні необхідних силових і кінематичних характеристик, ергономічних показників розробляється приводу можуть бути: швидкодію приводу, точність позиціонування і якість управління, обмеження по масі і габаритним розмірам, розташування приводу в загальній компонуванні обладнання. Остаточне рішення при порівнянності визначальних чинників приймається за результатами економічного порівняння різних варіантів обраного виду приводу за стартовими і експлуатаційних витрат на його проектування, виготовлення і експлуатацію.
Таблиця 1.1 - Класифікація електродвигунів
Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru/
Міністерство Вищої і Середнього Спеціального Освіти Республіки Узбекистан
Бухарський інженерно-технологічний інститут
Самостійна робота
Мехатронні системи автомобільного транспорту
план
Вступ
1. Мета і постановка задачі
2. Закони управління (програми) перемикання передач
3. Сучасний автомобіль
4. Переваги новинки
Список літератури
Вступ
Мехатроніка виникла як комплексна наука від злиття окремих частин механіки і мікроелектроніки. Її можна визначити як науку, що займається аналізом і синтезом складних систем, в яких в однаковій мірі використовуються механічні і електронні вузли знаходяться.
Все мехатронні системи автомобілів по функціональному призначенню ділять на три основні групи:
Системи управління двигуном;
Системи управління трансмісією і ходовою частиною;
Системи управління обладнанням салону.
Система управління двигуном підрозділяється на системи управління бензиновим і дизельним двигуном. За призначенням вони бувають монофункціональні і комплексні.
У монофункціональних системах ЕБУ подає сигнали тільки системі уприскування. Впорскування може здійснюватися постійно і імпульсами. При постійній подачі палива його кількість змінюється за рахунок зміни тиску в топливопроводе, а при імпульсному - за рахунок тривалості імпульсу і його частоти. На сьогодні одним з найбільш перспективних напрямків докладання систем мехатроніки є автомобілі. Якщо розглядати автомобілебудування, то впровадження подібних систем дозволить прийти до достатньої гнучкості виробництва, краще вловлювати віяння моди, швидше впроваджувати передові напрацювання вчених, конструкторів, і тим самим отримувати нову якість для покупців машин. Сам автомобіль, тим більше, сучасний автомобіль, є об'єктом пильної розгляду з конструкторської точки зору. Сучасне використання автомобіля вимагає від нього підвищених вимог до безпеки управління, в силу все збільшується автомобілізації країн і посилення нормативів по екологічній чистоті. Особливо це актуально для мегаполісів. Відповіддю на сьогоднішні виклики урбанізму і покликані конструкції мобільних стежать систем, контролюючих та коригуючих характеристики роботи вузлів і агрегатів, досягаючи оптимальних показників по екологічності, безпеки, експлуатаційної комфортності автомобіля. Нагальна потреба комплектувати двигуни автомобілів більш складними і дорогими паливними системами багато в чому пояснюється введенням все більш жорстких вимог щодо вмісту шкідливих речовин у відпрацьованих газах, що, на жаль, тільки починає відпрацьовуватися.
У комплексних системах один електронний блок управляє декількома підсистемами: уприскування палива, запалювання, фазами газорозподілу, самодіагностики і ін. Система електронного керування дизельним двигуном контролює кількість палива, що впорскується, момент початку впорскування, ток факельної свічки і т.п. В електронній системі управління трансмісією об'єктом регулювання є головним чином автоматична трансмісія. На підставі сигналів датчиків кута відкриття дросельної заслінки і швидкості автомобіля ЕБУ вибирає оптимальне передавальне число трансмісії, що підвищує паливну економічність і керованість. Управління ходовою частиною включає в себе управління процесами руху, зміни траєкторії і гальмування автомобіля. Вони впливають на підвіску, рульове управління і гальмівну систему, забезпечують підтримку заданої швидкості руху. Управління обладнанням салону покликане підвищити комфортабельність і споживчу цінність автомобіля. З цією метою використовуються кондиціонер повітря, електронна панель приладів, мультифункцией-нальная інформаційна система, компас, фари, склоочисник з переривчастим режимом роботи, індикатор перегорілих ламп, пристрій виявлення перешкод при русі заднім ходом, протиугінні пристрої, апаратура зв'язку, центральне блокування замків дверей, скло підйомники, сидіння із змінним положенням, режим безпеки і т. д.
1. Мета і постановка задачі
Те визначальне значення, яке належить електронній системі в автомобілі, змушує приділяти підвищену увагу проблемам, пов'язаним з їх обслуговуванням. Вирішення цих проблем полягає у включенні функцій самодіагностики в електронну систему. Реалізація цих функцій заснована на можливостях електронних систем, що вже використовуються на автомобілі для безперервного контролю та визначення несправностей з метою зберігання цієї інформації і діагностики. Самодіагностика мехатронних систем автомобілів. Розвиток електронних систем управління двигуном і трансмісією призвело до поліпшення експлуатаційних властивостей автомобіля.
На підставі сигналів датчиків ЕБУ виробляє команди на включення і виключення зчеплення. Ці команди подаються на електромагнітний клапан, який здійснює включення і виключення приводу зчеплення. Для перемикання передач використовуються два електромагнітних клапана. Поєднанням станів "відкритий-закритий" цих двох клапанів гідравлічна система задає чотири положення передач (1, 2, 3 і підвищує передача). При перемиканні передач зчеплення вимикається, виключаючи тим самим наслідки зміни моменту, пов'язаного з перемиканням передач.
2.
Закони управління (програми) перемикання передач в автоматичної трансмісії забезпечують оптимальну передачу енергії двигуна колесам автомобіля з урахуванням необхідних тягово-швидкісних властивостей і економії палива. При цьому програми досягнення оптимальних тягово-швидкісних властивостей і мінімальної витрати палива відрізняються один від одного, так як одночасне досягнення цих цілей не завжди можливо. Тому в залежності від умов руху і бажання водія можна вибрати за допомогою спеціального перемикача програму "економія" для зменшення витрати палива, програму "потужність". Які були параметри вашого настільного комп'ютера п'яти- семи річної давності? Сьогодні системні блоки кінця XX століття здаються атавізмом і претендують хіба що на роль друкарської машинки. Аналогічне становище справ з автомобільною електронікою.
3. сучасний автомобіль
Сучасний автомобіль тепер неможливо уявити без компактних керуючих блоків і виконавчих механізмів - актюаторів. Незважаючи на деякий скепсис, їх впровадження йде семимильними кроками: нас уже не здивуєш електронним уприскуванням палива, сервоприводами дзеркал, люків і стекол, електропідсилювачем керма і мультимедійними розважальними системами. А як не згадати, що впровадження в автомобіль електроніки, по суті було розпочато з самого наіответственного органу - гальм. Зараз вже в далекому 1970 році спільна розробка "Бош" і "Мерседес-Бенц" під скромною абревіатурою АБС зробила переворот в забезпеченні активної безпеки. Антиблокувальна система не тільки забезпечила керованість машини з натиснутою "в підлогу" педаллю, а й підштовхнула до створення декількох суміжних пристроїв - наприклад, систему тягового контролю (TCS). Ця ідея була вперше реалізована ще в 1987 році одним з лідируючих розробників бортової електроніки - компанією "Бош". В істоті, тяговий контроль - антипод АБС: остання не дає колесам ковзати при гальмуванні, a TCS - при розгоні. Блок електроніки відстежує тягу на колесах за допомогою декількох датчиків швидкості. Варто водієві сильніше звичайного "тупнути" по педалі акселератора, створивши загрозу прослизання колеса, пристрій просто "придушить" двигун. Конструкторський "апетит" ріс з року в рік. Всього через кілька років була створена ESP - програма курсової стійкості (Electronic Stability Program). Забезпечивши автомашину датчиками кута повороту, швидкості обертання коліс і поперечного прискорення, гальма стали допомагати водієві в виникають найбільш складних ситуаціях. Пригальмовуючи те або інше колесо, електроніка зводить до мінімуму небезпеку знесення машини при швидкісному проходженні складних поворотів. Наступний етап: бортовий комп'ютер навчили пригальмовувати ... одночасно 3 колеса. При деяких обставинах на дорозі тільки так можна стабілізувати автомобіль, який відцентрові сили руху будуть намагатися відвести з безпечної траєкторії. Але поки електроніці довіряли лише "наглядову" функцію. Тиск в гідравлічному приводі шофер і раніше створював педаллю. Традицію порушила електро-гідравлічна SBC (Sensotronic Brake Control), з 2006 року серійно встановлювана на деякі моделі "Мерседес-Бенц". Гідравлічна частина системи представлена \u200b\u200bакумулятором тиску, головним гальмівним циліндром і магістралями. Електрична - насосомнасосом, що створює тиск 140-160 атм. , Датчиками тиску, швидкості обертання коліс і ходу педалі гальма. Натискаючи останню, водій не переміщує звичний шток вакуумного підсилювача, а натискає ногою на "кнопку", подаючи сигнал комп'ютеру, - як ніби керує якимось побутовим приладом. Цей же комп'ютер розраховує оптимальний тиск для кожного контуру, а насос за допомогою керуючих клапанів подає рідину до робочих циліндрах.
4. переваги новинки
переваги новинки - швидкодія, поєднання функцій АБС і системи стабілізації в одному пристрої. Є й інші переваги. Наприклад, якщо різко скинути ногу з педалі газу, гальмівні циліндри підведуть колодки до диска, готуючи до екстреного гальмування. Система пов'язана навіть з ... склоочисниками. За інтенсивністю роботи "двірників" комп'ютер робить висновок про рух в дощ. Реакція - короткі і непомітні для водія торкання колодок про диски для просушування. Ну а якщо "пощастило" стати в пробку на підйомі, не варто хвилюватися: машина не відкотиться назад, поки водій буде переносити ногу з гальма на газ. Нарешті, при швидкості менше 15 км / год можна активувати функцію так званого паливного уповільнення: при скиданні газу автомобіль буде зупинятися так м'яко, що водій навіть не відчує фінального "клювка". мехатроніка мікроелектроніка двигун трансмісія
А якщо електроніка вийде з ладу? Нічого страшного: спеціальні клапани повністю відкриються, і система буде працювати подібно традиційної, правда, без вакуумного підсилювача. Поки ще конструктори не наважуються повністю відмовитися від гідравлічних пристроїв гальм, хоча імениті фірми вже щосили розробляють "безжідкостние" системи. Наприклад, "Делфай" оголосила про рішення більшості технічних проблем, ще недавно здавалися тупиковими: потужні електромотори - замінники гальмівних циліндрів розроблені, а електричні виконавчі механізми вдалося зробити навіть більш компактними ніж гідравлічні.
список л ітератури
1. Бутиліна В.Г., Іванов В.Г., Лепешко І.І. та ін. Аналіз і перспективи розвитку мехатронних систем управління гальмуванням колеса // Мехатроніка. Механіка. Автоматика. Електроніка. Інформатика. - 2000. - №2. - С. 33 - 38.
2. Данов Б.А., Титов Є.І. Електронне обладнання іноземних автомобілів: Системи управління трансмісією, підвіскою і гальмівною системою. - М .: Транспорт, 1998. - 78 с.
3. Данов Б. А. Електронні системи управління іноземних автомобілів. - М .: Гаряча лінія - Телеком, 2002. - 224 с.
4. Сіга Х., Мідзутані С. Введення в автомобільну електроніку: Пер. з японск. - М .: Світ, 1989. - 232 с.
Розміщено на Allbest.ru
подібні документи
Знайомство з особливостями діагностування та обслуговування сучасних електронних і мікропроцесорних систем автомобіля. Аналіз основних критеріїв класифікації електронних компонентів автомобіля. Загальна характеристика систем управління двигуном.
реферат, доданий 10.09.2014
Поняття датчика і датчикової апаратури. Діагностика електронної системи управління двигуном. Опис принципу роботи датчика дросельної заслінки двигуна внутрішнього згоряння. Вибір і обгрунтування типу пристрою, твір патентний пошуку.
курсова робота, доданий 13.10.2014
Архітектура мікропроцесорів і мікроконтролерів автомобіля. Перетворювачі аналогових і дискретних пристроїв. Електронна система впорскування та запалювання. Електронна система подачі палива. Інформаційне забезпечення систем управління двигуном.
контрольна робота, доданий 17.04.2016
Вивчення будови квадрокоптера. Огляд вентильних двигунів і принципів роботи електронних регуляторів ходу. Опис основ управління двигуном. Розрахунок всіх сил і моментів прикладених до квадрокоптера. Формування контуру управління і стабілізації.
курсова робота, доданий 19.12.2015
Загальне пристрій автомобіля і призначення його основних частин. Робочий цикл двигуна, параметри його роботи і пристрій механізмів і систем. Агрегати силової передачі, ходової частини і підвіски, електрообладнання, рульового управління, гальмівної системи.
реферат, доданий 17.11.2009
Поява нових видів транспорту. Позиції в транспортній системі світу і Росії. Технології, логістика, координація в діяльності автомобільного транспорту. Інноваційна стратегія США і Росії. Інвестиційна привабливість автомобільного транспорту.
реферат, доданий 26.04.2009
Аналіз розвитку автомобільного транспорту як елемента транспортної системи, його місце і роль в сучасному господарстві Росії. Техніко-економічні особливості автотранспорту, характеристика основних факторів, що визначають шляхи його розвитку і розміщення.
контрольна робота, доданий 15.11.2010
Блок двигуна та кривошипно-шатунний механізм автомобіля НІССАН. Газорозподільний механізм, системи змащення, охолодження і живлення. Комплексна система управління двигуном. Підсистеми управління уприскуванням палива і кутом випередження запалювання.
контрольна робота, доданий 08.06.2009
Транспорт і його роль в соціально-економічному розвитку Російської Федерації. Характеристика транспортної системи області. Розробка програм і заходів щодо її регулювання. Принципи та напрямки стратегічного розвитку автомобільного транспорту.
дипломна робота, доданий 08.03.2014
Федеральний Закон "Про автомобільний транспорт в Російській Федерації". Федеральний Закон "Статут автомобільного транспорту Російської Федерації". Правові, організаційні та економічні умови функціонування автомобільного транспорту РФ.
