Моторы- редукторы являются, по-видимому, исторически первыми по принципу своего построения мехатронными модулями, которые стали серийно выпускаться и нашли очень широкое применение в приводах различных машин и механизмов. Мотор-редуктор представляет собой компактный конструктивный модуль, объединяющий электродвигатель и редуктор. По сравнению с традиционным соединением двигателя и редуктора через муфту моторы- редукторы обладают целым рядом существенных преимуществ:

-сокращение габаритных размеров ,

-снижение стоимости за счет сокращения количества присоединительных деталей, уменьшения затрат на установку, наладку и запуск изделия,

-улучшенные эксплуатационные свойства (пыле- и влагозащищённость, минимальный уровень вибраций, безопасность и надежность работы в неблагоприятных производственных условиях).

Конструктивное исполнение модуля определяется типами используемых редуктора и электродвигателя. В зависимости от технических требований задачи применяются цилиндрические, насадные, конические, червячные и другие виды редукторов. В качестве электродвигателей наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемыми преобразователями частоты вращения, однофазные двигатели и двигатели постоянного тока.

Общий вид одноступенчатого червячного мотора-редуктора (изготовитель АО “Завод Редуктор”, С-Петербург) показан на рис 3.2,а. Редуктор выпускается для общемашиностроительного применения. Особенность конструкции состоит в том, что в ступице червячного колеса встроена    предохранительная    муфта,    позволяющая ограничивать развиваемый крутящий момент.

Основные технические характеристики данного мотора-редуктора (типоразмер МРЧс-82):
мощность электродвигателя – 0,27 кВт,
номинальная скорость вращения выходного вала – 0,28 с^-1,
максимальный момент на выходном валу – 50 Нм,
передаточное число редуктора – 86,

габаритные размеры модуля – 500 х 255 х 245 мм,
масса модуля – 35 кг.

На рис 3.2,б показан насадной мотор-редуктор фирмы “Бауэр”, который насаживается непосредственно на вал ведомого механического устройства и полому является быстросъемным модулем. Блочно-модульный принцип конструирования позволяет комбинировать в модуле двигатели и редукторы различных типов и мощностей, обеспечивая таким образом широкий спектр механических характеристик модуля по частоте вращения от 0.2 до 160 об/мин, по мощности от 0.015 до 75 кВт.

Стоимостной анализ, проведенный фирмой “Бауэр”, показал, что применение моторов-редукторов рентабельно в машинах с низкой скоростью перемещения рабочею органа (особенно при частотах вращения ниже 500 1/мин).

Таким образом, потребитель приобретает и эксплуатирует мотор-редуктор как единый модуль, догадываясь о наличии в его составе зубчатых передач только из названия и при смене масла.

Рассмотрим основные виды однокоординатных модулей движения, разработанных для решения задач автоматизированного машиностроения. Мехатронные модули движения (ММД) являются функциональными “кубиками”, из которых затем можно компоновать сложные мехатронные системы, примеры которых рассматриваются в гл.4.

Общая схема, поясняющая эволюцию развития мехатронных модулей движения от моторов-редукторов до перспективных интеллектуальных модулей, приведена на рис.3.1. Предлагаемая схема, несмотря на ее очевидную условность, разработана с целью систем агитации известных ММД по составу и степени интеграции элементов.

Рассмотрим обобщенную структуру машин с компьютерным управлением, ориентированных на задачи автоматизированного машиностроения, которая представлена на рис.2 2. В основу построения данной схемы положена структура автоматических роботов, введенная академиком Е.П. Поповым.

Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда, которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения объекты работ оказывают возмущающие воздействия на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.

Внешние среды укрупнение можно разделить на два основных класса: детерминированные и недетерминированные. К детерминированным относятся среды, для которых параметры возмущающих воздействий и характеристики объектов работ могут быть заранее определены с необходимой для проектирования МС степенью адекватности. Некоторые среды являются недетерминированными по своей природе (например, экстремальные среды: подводные, подземные и т.п.). Характеристики технологических сред как правило могут быть определены с помощью аналитико-экспериментальных исследований и методов компьютерного моделирования. Например, для оценки сил резания при механообработке проводят серии экспериментов на специальных исследовательских установках, параметры вибрационных воздействий измеряют на вибростендах с последующим формированием математических и компьютерных моделей возмущающих воздействий на основе экспериментальных данных.

Однако для организации и проведения подобных исследований зачастую требуются слишком сложные и дорогостоящие, аппаратура и измерительные технологии. Так для предварительной оценки силовых воздействий на рабочий орган при операции роботизированного удаления слоя с литых изделий необходимо измерять фактические форму. и размеры каждой заготовки. В таких случаях целесообразно применять методы адаптивного управления, которые позволяют автоматически корректировать закон движения МС непосредственно в ходе выполнения операции.

Комментарии к определению:

1. Мехатроника изучает новый методологический подход (в некоторых работах даже используются более укрупненные понятия – “философия”, “парадигма”) в построении машин с качественно новыми характеристиками.

Важно подчеркнуть, что этот подход является весьма универсальным и может быть применен в машинах и системах различного назначения. Именно поэтому специальность 07.18 “Мехатроника” по действующему классификатору отнесена к группе междисциплинарных естественно-технических  специальностей. Но  при этом следует  отмстить, что обеспечить высокое качество управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта. Поэтому учебные курсы по мехатронике целесообразно включать в программы подготовки по специальностям, предметом которых являются конкретные классы производственных машин и процессов (например, “Автоматизация технологических процессов и производств”, “Металлорежущие стайки”, “Машины для обработки металлов давлением”, “Роботы и робототехнические системы”).

2. В определении подчеркивается синергетический характер интеграции составляющих элементов в мехатронных объектах. Синергия (греч.) – это совместное действие, направленное на достижение обшей цели. При этом принципиально важно, что составляющие части не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами.

В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели – реализации заданного управляемого движения. В некоторых определениях вместо термина “синергетическое” используются понятия “органическое”, “системное” и даже “интимное” (буквальный перевод англ. intimate) соединение частей в мехатронную систему.

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

4. Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. 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 компонент системы.

5. 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.

6.  Мехатронные системы предназначены, как следует из определения, для реализации заданного движения. Критерии качества выполнения движения МС являются проблемно-ориентированными, те 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. Примерами таких процессов могут служить 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). Такие сложные координированные движения мехатронных систем будем в дальнейшем называть функциональными движениями.

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

Следует отметить, что мехатроника как новая область науки и техники, находится в стадии своего становления, ее терминология, границы и классификационные признаки еще строго не определены. Поэтому в сегодняшней ситуации уместно следовать классическому изречению В. Шекспира из “Ромео и Джульетты”:

”Что в имени? То, что зовем мы розой, -

И под другим названием сохраняло б

Свой сладкий запах! Так когда Ромео

Не звался бы Ромео, он хранил бы

Все милые достоинства свои…”

Думается, что на нынешнем этапе первостепенное значение имеет выявление сущности новых принципов построения и тенденций развития машин с компьютерным управлением движением, а соответствующие семантические понятия и определения безусловно со временем устоятся.

Современный термин “Мехатроника” (”Mechatronics”) , согласно японским источникам, был введен фирмой Yaskawa Electric в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Это название получено комбинацией слов “МЕХАника” и “элекТРОНИКА”.

Любопытно заметить, что в отечественной литературе еще в начале 50-х годов использовался подобным же образом образованный термин – “механотроны”. Так назывались электронные лампы с подвижными электродами, которые применялись в качестве датчиков малых перемещений, ускорений, вибраций и т.п.. Начиная с 80-х годов термин “Мехатроника” все чаще применяется в мировой технической литературе как название целого класса машин с компьютерным управлением движением.

Мехатроника находится только в стадии становления, поэтому на сегодняшний день её определение и базовая терминология еще полностью не сформирована. Поэтому в настоящем пособии представляется целесообразным рассмотреть определения, выражающих суть предмета мехатроники как в широком, так и в узком (специальном) смысле.

Общее определение мехатроники в широком понимании дано в 1995 году в Государственном образовательном стандарте РФ специальности 07.18 “Мехатроника”:

Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерный управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.

В данном определении особо подчеркнута триединая сущность мехатронных систем (МС), а основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Наверное поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга (рис 2.1), помешенные во внешнюю оболочку “Производство” – “Менеджмент” – “Требования рынка”.

Рис. 2.1. Определение мехатронных систем

Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы.

Известно несколько определений, опубликованных в периодических изданиях, трудах международных конференции и симпозиумов, где понятие о мехатронике конкретизируется и специализируется. На основе рассмотренных выше определений предлагаем следующую специальную формулировку 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 функциональными движениями.

Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров на их базе и направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь процесса управления функциональными движениями машин и агрегатов. Одновременно идет разработка новых принципов и технологий изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных, бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых производственных, информационных и измерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и производства интеллектуальных мехатронных модулей и систем.

В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких комплексов – добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции на рынках XXI века.

Важно подчеркнуть, что толчком для становления мехатроники стали не общие теоретические идеи (как это было, например, в истории робототехники), а технические достижения инженеров-практиков в различных отраслях. Затем заинтересованные организации в конце 80-х годов стали объединяться в научно-технические сообщества. В России координацию научно-технических работ в настоящее время осуществляет Ассоциация инновационного машиностроения и мехатроники. Аналогичные организации были созданы и во многих странах Европы, где особенно следует выделить деятельность UK Mechatrorucs Forum (Великобритания), который возглавляет профессор Ф. Р. Mop (Prof.P.R Moore) из Де Монтфортского университета (г. Лейстер).

В эти же годы курсы по мехатронике стали включать в учебные планы технические университеты. В нашей стране специальность 07.18 “Мехатроника” была введена в классификатор Государственного комитета по высшему образованию в марте 1994 года. Первыми эту специальность открыли МГТУ «СТАНКИН», МГТУ им. Н.Э. Баумана и Балтийский ЛГУ (С Петербург). Сейчас по специальности “Мехатроника” готовят уже в 16 вузах различных регионов России. Координацию их работы осуществляет Научно-мелодический совет, сопредседателям которого являются проф.Кулешов В.С. (МГТУ «СТАНКИН») и проф. Лакога Н.А. (МГТУ им. Н.Э. Баумана). Активно ведется подготовка бакалавров, магистров и аспирантов по мехатронике в технических университетах многих стран Европы и мира. Например, в Великобритании в 1997 году 26 университетов включили курсы по мехатронике в свои учебные программы.

Со второй половины 90-х годов начинается активная разработка фундаментальных основ мехатроники как науки. В марте 1996 года выходит первый выпуск журнала IEEE/ASME Transactions on Mechatrorucs, который издается Институтом инженеров по электротехнике и электронике совместно с Американским обществом инженеров-механиков. В 1996-98 годах появляется целый ряд статей по мехатронике в отечественных журналах ( “Приводная техника”, СТИН и других), а также в научно-технических сборниках. Направление “Мехатронные технологии” выделено Министерством науки и технологий РФ на 1999-2000 годы как критическое в рамках Федеральной программы “Технологии, машины и производства будущего”. Ежегодно в мире проводится несколько специализированных научно-технических конференций в области мехатроники.

По мере расширения области применения мехатронных систем и расширенния международных научно-технических связей, становится все более значимым активный обмен новых производственными и информационными технологиями между их создателями и пользователями, между различными группами потребителей и разработчиков (научно-исследовательскими центрами, предприятиями различных форм собственности, университетами). Указанные формы кооперации реализуются в рамках международного трансфера технологий. В МГТУ «СТАНКИН» функционирует Центр Трансфера Технологий, который ведет ряд международных проектов в рамках Европейской научно-информационной сети AMETMAS-Noe и программы INCO-COPERNICUS с партнерами из Греции, Великобритании, Венгрии, Болгарии и других стран.

Развитие мехатроники как междисциплинарной научно-технической области помимо очевидных технико-технологических сложностей ставит и целый ряд новых организационно-экономических проблем. Современные предприятия, приступающие к разработке и выпуску мехатронных изделий, должны решить в этом плане следующие основные задачи:

- структурная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые, как правило функционировали автономно и разобщенно) в единые проектные и производственные коллективы,

- подготовка “мехатронно-ориентированных’” инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификация,

- интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей (механика, электроника, компьютерное управление) в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач,

- стандартизация и унификация всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве мехатронных систем.

Решение перечисленных проблем зачастую требует преодоления сложившихся на предприятии традиций в управлении и амбиций менеджеров среднего звена, привыкших решать только свои узкопрофильные задачи. Именно поэтому средние и малые предприятия, которые могут легко и гибко варьировать свою структуру, оказываются более подготовленными к переходу к производству мехатронной продукции.

Приведенный анализ современных тенденций объективно и убедительно свидетельствуют о быстро возрастающем интересе к мехатронике и высокой активности специалистов в научно-исследовательской, образовательной и производственной сферах, что определяет перспективу развития мехатроники в XXI веке как одного из ключевых направлений современной науки и техники.

Безусловно, этот список может быть расширен. В целом по данным ведущего периодического журнала по мехатронике в 1996 году мировой рынок мехатронных систем составил около 100 миллиардов долларов США, из которых примерно 1/10 приходится на долю робототехники.

Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах как нового научно-технического направления обусловлено тремя основными факторами:

-  новые тенденции мирового индустриального развития,

-  развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиально новые технические и технологические решения),

-  активность специалистов в научно-исследовательской и образовательной сферах.

Современный этап развития автоматизированного машиностроения в нашей стране происходит в новых экономических реалиях, когда стоит вопрос о технологической состоятельности страны и конкуренто­способности выпускаемой продукции

Можно выделить следующие тенденции изменения и ключевые требования мирового рынка в рассматриваемой области:

- необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества, сформулированных в стандарте ISO 9000,

- интернационализация рынка научно-технической продукции и, как следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов международного инжиниринга и трансфера технологий,

- повышение рати малых и средних производственных предприятий в экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка,

- бурное развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникации (в странах ЕЭС к 2000 году до 60% роста Совокупного Национального Продукта ожидается именно за счет этих отраслей), прямым следствием этой общей тенденции является интеллектуализация систем управления механическим движением и технологическими функциями современных машин.

Анализ указанных тенденций показывает, что достигнуть качественно нового уровня основного технологического оборудования на основе традиционных подходов уже практически нереально. По данным по материалам европейских выставок и конференций, в ближайшие годы ожидается резкий рост отношения “Качество/Цена” для нетрадиционных производственных машин (ППМ), выполненных на основе новых механизмов параллельных соединений и гексаподов. Так, к 2005 году этот показатель для НИМ (на примере обрабатывающих центров) в 1.5-2 раза будет выше по сравнению с традиционным станочным оборудованием.

Историю мехатроники принято отсчитывать с 1969 года, когда японская фирма Yaskawa Electric ввела новый термин “Мехатроника” как комбинацию слов “Механика” и “Электроника”. В 1972 году фирма зарегистрировала этот термин как товарный знак. Первоначально мехатронными системами считались только регулируемые электроприводы. Затем сюда стали относить автоматические двери, торговые автоматы, мобильные средства и фотокамеры с автофокусировкой. В 80-х годах класс мехатронных систем пополнился станками с числовым программным управлением, промышленными роботами и новыми видами бытовых машин (посудомоечных, стиральных и т.п.). В последнее десятилетие очень большое внимание уделяется созданию мехатронных модулей для современных автомобилей, нового поколения технологического оборудования (станков с параллельной кинематикой,  роботов с интеллектуальным управлением), микромашин, новейшей компьютерной и офисной техники.

В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоемкой продукции исторически.

Мехатронные модули первого уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить “мотор-редуктор”, где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент. Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).

Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привела к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы управляемые энергетические машины (турбины и генераторы), станки и промышленные роботы с чистовым программным управлением.

В широком смысле мехатроника изучает технические системы, агрегаты, машины и комплексы машин различного назначения с компьютерным управлением движением. Главная методологическая идея мехатроники состоит в системном сочетании таких ранее обособленных научно-технических областей как точная механика, микроэлектроника, электротехника, компьютерное управление и информационные технологии.

В мехатронных системах укрупненно принято выделять три составные части – механическую, электронную и компьютерную, объединение которых и образует систему в целом (рис. 1.1). Суть мехатронного подхода заключается в тесной взаимосвязи указанных компонент на всех этапах жизненного цикла изделия, начиная со стадии его проектирования и маркетинга и заканчивая производством и эксплуатацией заказчиком.

К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению с традиционными средствами автоматизации следует отнести:

- относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов,

- высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления,

- высокую надежность, долговечность и помехе защищённость,

- конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах),

-улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей,

-  возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

В рамках Государственных научно-технических программ в нашей стране выполнен целый ряд фундаментальных научных исследований, успешных инженерных и производственных разработок по интеграции перечисленных направлений, которые заложили научно-технический потенциал для развития современных мехатронных систем. Созданы серии комплектных электромеханических приводов, встраиваемых в узлы машин. В автоматизированном машиностроении наиболее ярко эта тенденция проявилась в 70-80-х годах при создании промышленных и специальных роботов, станков с числовым программным управлением, обрабатывающих центров, гибких производственных модулей и систем.

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях :

-  станкостроение и оборудование для автоматизации технологических процессов,

-  робототехника (промышленная и специальная),

-  авиационная, космическая и военная техника,

- автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки),

- нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые тележки, электророллеры, инвалидные коляски),

- офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты),

- элементы вычислительной техники (например, принтеры, плоттеры, дисководы),

- медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное),

- бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины),

- микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и телекоммуникации),

- контрольно-измерительные устройства и машины,

- фото- и видеотехника,

- тренажеры для подготовки пилотов и операторов,

- шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).