Декартовый базис соответствует естественному восприятию карти­ны мира человеческим сознанием, ведь подавляющее большинство объ­ектов технологической среды имеет линейные формы. Прямоугольная система координат является доминирующей в начертательной геометрии и инженерной графике, в том числе и в современных системах автомати­зированного проектирования (САПР). Поэтому декартовый базис удобен и нагляден и для инженеров-конструкторов, и для рабочих – операторов станков.

Как было подчеркнуто выше, выбор кинематической структуры при проектировании машины может рассматриваться как достаточно само­стоятельная задача. Будем понимать под базисом исполнительных дви­жений (ВИД) систему независимых обобщенных координат, однозначно связанных с перемещениями кинематических пар, которые выполняются соответствующими приводами. Направление осей БИД определяется ки­нематической схемой и конструктивной компоновкой мехатронной сис­темы. Текущая конфигурация машины в процессе ее движения однознач­но описывается вектором обобщенных координат в выбранном БИД.

В конструкциях металлообрабатывающих станков традиционно применялся декартовый БИД, который конструктивно реализуется вза­имно-перпендикулярными направляющими.

Очевидны преимущества такого выбора БИД:

а)         соответствие декартовой формы БПД и БИД, что удобно для проектирования стандартными средствами, и не требует высокого образовательного уровня персонала, обслуживающего станок на производстве;

б)         линейные свойства БПД и БИД, позволяющие, использовать относительно простые и, следовательно, дешевые системы управления

станком.

Линейность БИД в декартовой системе координат позволяет реали­зовать перемещение инструмента вдоль каждой оси с помощью только одной степени подвижности.

Например, для станка с тремя координатами (рис. 1.11) имеем сле­дующие приращения для декартовых и обобщенных координат станка:

где ai = const (i = 1, 2, 3).

Выбор кинематической структуры является важнейшей задачей при концептуальном проектировании машин нового поколения. Эффектив­ность ее решения во многом определяет главные технические характери­стики системы, ее динамические, скоростные и точностные параметры. И именно мехатроника дала новые идеи и методы для проектирования движущихся систем с качественно новыми свойствами.

Проблематика структурного синтеза управляемых машин заключа­ется в неоднозначности выбора координатных базисов программирова­ния и исполнения движений, а также в использовании различных крите­риев их оценки. Рассмотрим суть этих понятий.

Согласно терминологии проф. Г.В. Коренева [28], программой дви­жения называются одно или несколько уравнений, связывающих коор­динаты движущегося объекта, которые определяют цель движения. Ко­ординатный базис, в котором задается программа движения управляемой машины, будем называть базисом программирования движений (БПД).

В общем случае выбор базиса программирования в мехатронике оп­ределяется технологической постановкой задачи движения. Следует на­чать с анализа желаемых движений непосредственно рабочего органа, который условно отсечен от других звеньев машины. Такой подход обу­словлен тем, что рабочий орган является конечным звеном мехатронной системы и именно он в процессе движения оказывает технологическое воздействие на объект работ. Совокупность остальных механических звеньев необходима для исполнения заданного движения. Поэтому выбор кинематической структуры и состава этой цепи является подчиненной, хотя и взаимосвязанной, задачей. Пример программирования движения для промышленного робота с контурным силовым управлением приведен в гл. 5.

Практика проектирования показывает, что для программирования движений в подавляющем большинстве приложений предпочтительной является прямоугольная декартовая система координат. При этом встре­чаются следующие разновидности декартового базиса программирования движений (рис. 1.10):

-  базовая (мировая) система координат Х0, Y0, Z0, единая для данной технологической системы;

-  система координат Х\, Y\,Z\, связанная с рабочим органом (инст­рументом);

-  система координат Х2, Y2, Z2, связанная с объектом работ (обраба­тываемой деталью);

- система координат Х^, У3, Z3, связанная с информационно-из­мерительной системой (например, системой технического зрения).

Важным преимуществом мехатронных модулей и систем по сравне­нию с традиционными решениями является компактность конструкции. Требования к массогабаритным характеристикам изделия зачастую ста­новятся решающими при проектировании модулей движения. Так проф. В.Г. Каган – автор целого ряда пионерских идей в области мехатроники ­рассказывает в своей новой книге о именно такой постановке задачи [24]: "Дело в том, что все пространство в башне танка уже занято всякими приборами, и разместить даже относительно небольшой двигатель с ре­дуктором, тахогенератором и датчиком положения было просто негде. … Тогда родился первый наш электромеханизм – двигатель, внутри ко­торого располагается винт, а гайка соединена с вращающимся ротором".

В настоящее время мехатроника предлагает разработчикам три ос­новных подхода к проектированию компактных модулей.

1.  Замена электромеханических устройств на мехатронные модули движения, что позволяет исключить многоступенчатые кинематические цепи от двигателя до конечного звена, сократив избыточные габаритные элементы. Примером этого подхода могут служить мехатронные модули на основе линейных двигателей, рассмотренные в предыдущем пара­графе.

2.  Конструктивное объединение в едином корпусе всех основных приводных элементов. Пример такого решения – ротационный модуль фирмы Махоп – показан на рис. 1.9. В состав модуля входят коллектор­ный электродвигатель с постоянными магнитами, планетарный редуктор и фотоимпульсный датчик обратной связи (инкодер).

3. Синергетическая интеграция элементов – это наиболее перспек­тивный метод, который позволяет целиком исключить блоки и интерфей­сы, получая, таким образом, ультракомпактные конструкции. В гл. 2 да­ны общая методика и примеры реализации этого подхода в мехатронике.

В последние годы ярко выражена тенденция к созданию миниатюр­ных движителей и мехатронных модулей. Примером может служить ми­ниатюрный мехатронный модуль фирмы Махоп "Motor AG".

Этот модуль мощностью 0,5 Вт имеет диаметр 8 мм, длину 16 мм и весит около 4 г. Керамический вал двигателя имеет диаметр 0,8 мм – как кончик отточенного карандаша. Мехатронные модули такого типа при­меняются в управляемых машинах самого различного назначения: это лазерные устройства, инсулиновые помпы, миниатюрные роботы. Меха­тронные технологии производства и сборки модуля позволяют обеспе­чить линейные регулировочные характеристики, малую инерцию ротора, высокие скорость и ускорение.

Необходимые энергетические, силовые и точностные параметры привода обеспечиваются применением высокоэрцитивных магнитов, управляющих и измерительных устройств, другими словами, достигают­ся мехатронными средствами. Между ротором и статором есть воздуш­ный зазор; статор крепится к станине или колонне станка, ротор – к рабо­чему органу (конечному звену).

Ротор состоит из ряда прямоугольных постоянных магнитов, изго­товленных из редкоземельных материалов. Закреплены магниты на тон­кой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент тем­пературного расширения которой в 2 раза меньше, чем у гранита. Ис­пользование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температур­ными факторами, наличием сильных магнитных полей, жесткостью кон­струкции и т.п. В качестве датчика обычно применяется измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм).

К основным преимуществам мехатронных модулей на базе ЛД мож­но отнести:

-  высокие динамические характеристики: максимальные скорости до 200 м/мин, максимальные ускорения до 5g, устойчивость к силовым

- перегрузкам, плавность хода;

- микронную точность движений при практически неограниченной длине перемещений;

-  отсутствие трущихся частей, отсюда высокая долговечность и на­дежность привода;

- модульность и ремонтопригодность конструкции;

- простоту компоновки многокоординатных систем на базе линей­ных модулей, так как рабочие органы машин можно устанавливать непо­средственно на подвижную часть линейных двигателей.

Таким образом, линейные двигатели являются перспективной базой для создания прецизионных мехатронных модулей. Широкое внедрение линейных модулей в настоящее время сдерживается их достаточно высо­кой стоимостью (наиболее дорогостоящими компонентами являются редкоземельные магниты), а также потребностью в дополнительных системах охлаждения и теплоизоляции.

В целом именно новые типы двигателей становятся основой при создании мехатронных модулей нового поколения. К их числу можно в первую очередь отнести управляемые асинхронные электродвигатели, вентильные, пьезоэлектрические и шаговые двигатели. Ряд примеров построения таких модулей приведен в гл. 3. При этом технико-экономическая эффективность модульного проектирования определяется следующими основными факторами:

1)  сокращение сроков и трудоемкости проектирования многокоор­динатных машин, экономичность благодаря высокому уровню унифика­ции и стандартизации элементов и интерфейсов;

2)  возможность быстрой реконфигурации системы в специализиро­ванную машину под конкретную технологическую задачу без функцио­нальной избыточности;

3)  требование к обеспечению повышенной надежности и ремонто­пригодности сложных комплексов при эксплуатации.

Научно-техническая проблема реализации прецизионных движений, весьма актуальная для станков как технологических макросистем, встает еще более остро при создании мехатронных миниатюрных машин и мик­росистем. Например, в Институте станков и прессов IWU (Кемниц, Гер­мания) был разработан микроманипулятор, предназначенный для выпол­нения высокоточных сборочных операций с компонентами оптоэлектроники для оптоволоконных кабелей (размеры объекта работ 15 х 15 х 1,9 мм3; масса объекта работ 5 г; точность позиционирования 1 нм). Манипулятор оснащен двумя микросхватами с движителями на базе сплавов с памятью формы.

Данное решение имеет ряд серьезных недостатков:

-  многоступенчатое преобразование движений от двигателя до ко­нечного звена, большое число избыточных промежуточных элементов;

-  большая инерционность (особенно в крупногабаритных машинах) из-за последовательного соединения нескольких механических звеньев;

-  люфт, температурные и упругие деформации валов и винтов – эти факторы ведут к невысокой точности перемещений и возникновению прерывистых подач, особенно при реверсе;

-  трение в сопрягаемых деталях, которое ведет к неизбежному изна­шиванию в процессе эксплуатации; необходимость смазывания трущихся деталей;

-  датчик обратной связи обычно устанавливается на валу двигателя, что не позволяет контролировать фактическое перемещение рабочего органа.

Мехатронный модуль на основе линейного двигателя включает в се­бя электромагнитный статор, плоский ротор и датчик линейных переме­щений (рис. 1.8).

Важнейшим требованием, которое предъявляется к современным мехатронным модулям и системам, является прецизионность или сверх­высокая точность перемещений их конечного звена – рабочего органа.

Современные технологические машины для микро – и нанотехнологий должны отвечать следующим требованиям:

-допускаемая погрешность формы 0,01…0,1 мкм;

-  шероховатость обрабатываемой поверхности Ra = 0,002.. .0,01 мкм;

-  дискретность перемещения до 5 нм;

-  малое сечение стружки (порядка 20 мкм2);

-  исключение тепловых деформаций и виброизоляция узлов.

В качестве характерного примера можно привести электроэрозион­ные станки фирмы Sodick, которые применяются для обработки деталей в микрооптике и микроэлектронике, для медицинских микроприборов и микродвигателей. В группу современных электроэрозионных технологий входят координатно-прошивочная обработка, проволочная вырезка, свер­ление тонких отверстий в твердых металлах и ряд других операций.

Столь выдающиеся точностные параметры достигаются благодаря использованию мехатронных модулей на базе линейных двигателей (ЛД). Мехатронные модули движения на основе линейных двигателей находят все большее применение в современном технологическом оборудовании. Причем сфера их применения не ограничивается единичным или мелко­серийным производством, например, в авиакосмической промышленно­сти. Линейные двигатели все шире используются в многоцелевых станках для обработки крупных серий на операциях высокоскоростного фре­зерования, шлифования, при обработке длинномерных деталей и для ла­зерного раскроя материалов (рис. 1.6).

Традиционные приводы линейных перемещений включали ротаци­онный двигатель и механический преобразователь вращательного движе­ния в поступательное перемещение (шариковинтовую передачу, зубча­тую рейку) (рис. 1.7).

В представленной конструкции ротор электродвигателя и вал инст­румента представляют собой единый конструктивный элемент, где не­возможно отделить механическую часть модуля от его электротехниче­ской части без разрушения изделия. Таким образом, здесь эффективно реализуется принцип синергетической интеграции элементов, лежащий в основе мехатронного подхода.

Дальнейшее развитие сверхскоростного резания ставит новые зада­чи по достижению скоростей вращения шпинделей свыше 100 000 мин"1, что на порядок выше, чем в серийно выпускаемых узлах. Это позволит добиться принципиально нового уровня производительности технологи­ческого оборудования, особенно на операциях сложных деталей с боль­шим объемом удаляемого материала. При этом необходимо минимизиро­вать уровень вибраций и потери на тепловое излучение. Автоматический контроль состояния узла и параметров его движения (скорости, угла по­ворота и развиваемого момента) в процессе обработки обеспечивает за­данные технологические режимы, гарантируя высокое качество обра­ботки.

Применение шпинделей, построенных на мехатронных принципах, позволяет реализовывать на станках режимы сверхскоростного резания. Достигнуть столь высокой быстроходности в традиционных конструкци­ях узлов на базе механических подшипников практически невозможно. Предельные скорости вращения подшипников ограничиваются допусти­мой температурой нагрева, прочностью и усталостным разрушением се­параторов, колец и тел качения. Показателем быстроходности обычно служит произведение Р = dn, где d – диаметр под шейку переднего под­шипника; п – частота вращения.

Для шпинделей на подшипниках качения показатель быстроходно­сти обычно не превышает Р = 1• 106 (мм/мин), в то время как для под­шипников на электромагнитных опорах он в несколько раз выше и огра­ничен только механической прочностью материала шпинделя. Шпиндель с подшипниками на электромагнитных опорах является эффективным мехатронным решением, так как его новое качество – сверхвысокая скорость вращения – достигается благодаря неразрывной интеграции в едином мо­дуле механических, электротехнических и электронных элементов.

Аналогичная мехатронная идея конструктивного слияния двигателя и рабочего органа реализована в модулях для транспортных средств, ко­торые получили название "мотор-колесо". Здесь двигатель встраивается непосредственно в ведущее колесо без промежуточного механического преобразователя. Такие модули нашли широкое применение в электро­приводах различных транспортных средств (кресел-колясок, электромо­билей), а также в мобильных роботах и робокарах [17].

Достижение сверхвысоких скоростей движения рабочих органов со­временных станков позволяет решить три целевые задачи. Это повыше­ние производительности механообработки (в 3-10 раз), улучшение качества поверхности обработанных деталей и повышение точности обработки.

Примером достижения сверхвысоких скоростей движения на основе применения мехатронных принципов и технологий являются прецизион­ные электрошпиндельные узлы. На рис. 1.5 представлен ECS мотор-шпиндель 2SP120 фирмы Siemens, предназначенный для фрезерных станков и обрабатывающих центров.

Данный мотор-шпиндель – это компактный мехатронный модуль, в котором конструктивные опоры шпинделя, активные части двигателя и встроенные информационные устройства (фотоимпульсный датчик и сенсор состояния зажима инструмента) объединены в единый компакт­ный блок. Данная конструкция модульного исполнения обеспечивает высокую надежность и простоту эксплуатации благодаря удобным поль­зовательским интерфейсам. Электрошпиндель имеет систему охлажде­ния, подключения для которой расположены также на шпиндельной баб­ке. Серия шпинделей S1 позволяет реализовать крутящие моменты в диапазоне 40… 170 Н • м и частоты вращения инструмента 10 000… 18 000 мин-1.

Представленный робот-разведчик по своей структуре и выполняе­мым функциям относится к мехатронным системам с дистанционно-автоматическим управлением, принципы построения которых разработа­ны проф. B.C. Кулешовым [16, 31]. Радиоактивные зоны относятся к классу недетерминированных (неопределенных) сред, где невозможно заранее запрограммировать все функциональные движения робота. По­этому здесь целесообразно сочетать режимы дистанционного управле­ния, когда для принятия решений подключается интеллект человека-оператора, с автоматическим управлением при выполнении типовых опе­раций.

В XXI в. возникла новая угроза для человечества – терроризм. Для проведения антитеррористических операций необходимы мехатронные мобильные системы, обладающие расширенными интеллектуальными свойствами. На рис. 1.4 представлены мобильные роботы, предназначен­ные для инспекционных проверок и обезвреживания взрывных уст­ройств, разработанные в НИИ специального машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана [71].

В задачи этих специальных машин входит проведение аудио – и ви­деоразведки объектов и территорий, осмотр днищ, салонов и багажных отделений автотранспортных средств, а также поиск, обнаружение, ма­нипулирование и уничтожение взрывоопасных предметов.

Робот малого класса "Вездеход ТМ-3" способен действовать в по­мещениях, на открытых пространствах, двигаться по грунту, преодоле­вать препятствия высотой до 15 см. Оснащен двумя поворотными теле­камерами и манипулятором. Команды подаются по кабелю (на расстоя­нии до 100 м) и по радиосети (до 1 км), которая содержит 20 каналов передачи сигналов управления и телевизионного изображения.

Робот среднего класса "Варан" оснащен гусеничным шасси с двумя регулируемыми электроприводами, что позволяет ему передвигаться по пересеченной местности и снежному покрову, преодолевать небольшие водные преграды и лестничные пролеты. Грузоподъемность манипулято­ра составляет 20 кг, робот может также оснащаться дополнительным оборудованием.

Сегодня, наверное, уже нет необходимости доказывать, что альтер­нативы робототехническим системам при выполнении таких задач нет.

Однако в дни Чернобыльской катастрофы 1986 года при выборе способа расчистки кровли зданий от радиоактивных обломков столкнулись две идеологии: дистанционный метод очистки по "безлюдной" технологии и сбор радиоактивных отходов вручную силами военнослужащих и граж­данских лиц. Из воспоминаний лауреата Государственной премии СССР В.П. Иванова, участника этих событий: "Запомнились наши солдаты и "партизаны", которые вручную чистили крыши. Эта операция была страшно опасная, так как они подбегали к краю крыши, где отсутствова­ли какие-либо парапеты, и сбрасывали в развал реактора радиоактивные куски. А высота 65-70 метров. … Поистине остается восхищаться муже­ством наших людей, выполнявших эти работы" (Козлова Е.А. Воспоми­нания о Чернобыле (записи участников ликвидации последствий аварии на ЧАЭС).

Трагедия на Чернобыльской АЭС остро поставила задачу разработ­ки отечественных робототехнических систем, способных действовать в условиях высокой радиации. На рис. 1.3 представлен робот-разведчик Минатома России. Этот мобильный робот предназначен для проведения разведки радиационной обстановки в зараженной зоне, поиска источни­ков радиации, дезактивации помещений и оборудования, а также подав­ления радиоактивной пыли.

Манипулятор размещен на транспортном средстве, которое способ­но преодолевать лестничные пролеты, небольшие препятствия, траншеи, передвигаться по наклонным поверхностям. Манипулятор может быть оснащен различными схватами для переноса объектов либо рабочим ор­ганом для нанесения дезактивирующего полимера. Обнаружение источ­ников радиации ведется с помощью гамма-локатора, который имеет в своем составе ТВ-камеру, дальномер, гамма-детектор и фоновый дози­метр. Управление транспортным средством, манипулятором и гамма-локатором осуществляется оператором по радиоканалу с поста управления.