Для рассмотрения гибридных технологий проанализируем техноло­гический процесс изготовления мехатронной машины; его основные фа­зы показаны на рис. 1.31. Все компоненты мехатронных модулей укрупненно разделены на две большие группы:

1)  исполнительные элементы, к которым отнесены механические и электротехнические элементы (двигатели, преобразователи движения, тормоза и т.д.);

2)  интеллектуальные элементы, куда входят силовые электронные блоки, информационные (сенсорные) и управляющие вычислительные элементы.

На схеме технологического процесса выделены два технологических передела, где возможна технологическая интеграция элементов первой и второй групп – это этапы изготовления элементов (II) и сборки меха­тронных модулей и машин (III). Таким образом, различают операции из­готовления гибридных элементов и гибридной сборки. Выбор фазы тех­нологической интеграции определяет в конечном счете глубину объеди­нения компонентов в мехатронном модуле.

Гибридная сборка соответствует конструкторской идее объединения разноприродных элементов в едином корпусе. В этом случае компоненты указанных групп хотя и являются составными частями общего конструктор­ского замысла, но их изготовляют независимо и параллельно на различных технологических линиях либо приобретают у различных производителей.

Пример интеграции исполнительных элементов через гибридную сборку – мехатронный модуль фирмы Dunkermotoren, представленный на Ганноверской выставке в 2004 г., показан на рис. 1.32.

В состав модуля входят асинхронный двигатель, редуктор и тормоз­ное устройство.

На рис. 1.33 представлены модули фирмы Siemens, в которых меха­нические и электротехнические изделия собраны уже с интеллектуаль­ными компонентами.

Модули содержат следующие сборочные единицы: вентильный дви­гатель с возбуждением от постоянных магнитов, планетарный или чер­вячный редуктор, тормозное устройство, фотоимпульсный датчик (инкодер), силовой преобразователь (конструктивно закрепляется на крышке двигателя), управляющее устройство, интерфейс для подключения к ши­не "Profibus".

Пирамидальная форма и состав технологической пирамиды меха­троники полностью соответствуют ее структурному базису.

Безусловно, фундаментом технологического базиса мехатроники яв­ляются новые технологии в ее базисных направлениях. К ним относятся прецизионные и модульные технологии механики, микроэлектроника и новые информационные технологии. Однако особый интерес для разви­тия мехатроники представляют комбинированные технологии, принадле­жащие граням технологической пирамиды, к которым можно отнести:

1. Гибридные технологии электромеханики и мехатроники.

2. Цифровые технологии управления движением.

3.Технологии автоматизированного проектирования управляемых машин и CALS-технологии.

Выпуск мехатронных изделий требует стандартизации и унифика­ции всех используемых элементов и процессов при их автоматизирован­ном проектировании, производстве и сервисном обслуживании на основе CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) технологий. Одним из первых в России вопрос о создании комплексных систем поддержки жизненного цикла изделий поставил и развил в своих работах чл.-кор. РАН Ю.М. Соломенцев [38].

CALS – принятая в промышленно развитых странах концепция ин­формационной поддержки ЖЦ продукции, основанная на использовании интегрированной информационной среды, обеспечивающая единообраз­ные способы информационного взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков и производителей продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала. Концепция и стандарты CALS определяют набор правил и регламентов, в соответствии с которыми организуется инфор­мационное взаимодействие субъектов в процессах проектирования, про­изводства, испытаний, эксплуатации и сервиса.

Для мехатроники особо следует выделить серьезную проблему раз­личия информационных платформ, которыми владеют специалисты раз­личных отраслей инженерных знаний. Так, машиностроители в своей конструкторской деятельности широко применяют программные системы автоматизированного проектирования механических систем (напри­мер, программные пакеты AutoCAD, ProEngineer, TFLEX-CAD). Эти пакеты обычно не знакомы специалистам в области электроники и ком­пьютерного управления, которые в свою очередь пользуются при моде­лировании и проектировании программными системами MATLAB/ Simulink, MAPLE, LabView, P-CAD и т.п.

Для успешного решения задач мехатроники необходимо разработать междисциплинарные программные среды, способные эффективно под­держивать высокопроизводительный обмен документами, данными и объектами (в том числе графическими файлами) в ходе выполнения про-ектно-исследовательских и опытно-конструкторских работ группой спе­циалистов.

Важнейшее направление, разработанное отечественной научно-инженерной школой технологии машиностроения, состоит в конструк­тивно-технологическом формировании изделий. Оно осуществляется путем совместной работы конструктора и технолога на всех стадиях проектирования, производства и эксплуатации машины [5,46, 63].

Применение конструктивно-технологического подхода к задачам мехатроники означает понимание самого мехатронного объекта как цело­стной системы и понимание всех фаз его жизненного цикла как систем­ных по применяемым технологиям. Поэтому начнем рассмотрение со взаимосвязей между структурным и технологическим базисами мехатро­ники.

Согласно определению в мехатронных системах укрупненно приня­то выделять три главные части – механическую, электронную и инфор­мационную, совокупность которых и образует систему в целом. Указан­ные части составляют структурный базис мехатроники, который можно наглядно представить в форме пирамиды (рис. 1.29).

В историческом развитии структур производственных машин от "однополярной" механики к современной "многокоординатной" мехатро-нике можно выделить ряд стадий. Первоначально три базисных направ­ления (точная механика, электроника и информатика) интегрировались попарно, образуя три гибридные направления, которые показаны боко­выми гранями пирамиды. Это электромеханика (объединение механиче­ских узлов с электротехническими изделиями и электронными блоками), компьютерные системы управления (аппаратно-программное объедине­ние электронных и компьютерных устройств), а также системы автомати­зированного проектирования механических систем (САПР). Затем – уже на стыке гибридных направлений – возникает мехатроника.

Реальное воплощение мехатронных идей на практике связано с по­явлением новых технологий на всех этапах жизненного цикла изделий машиностроения. Технологический базис мехатроники представлен на рис. 1.30.

Графики построены для следующих исходных данных: длина второ­го звена L2 = 1 м, диапазон для первого угла 0 < q1 < 90°, диапазон для второго угла: 0 < q2 < 180°. Построение рабочей зоны удобно выполнять методом решения прямой задачи о положении для заданных диапазонов изменения обобщенных координат. Решение этой задачи для манипуля­тора типа "SCARA" дано в Приложении.

Параметры рабочих зон производственных машин с параллельной кинематикой приведены в гл. 4.

Погрешность позиционирования – отклонение положения рабочего органа от желаемого положения, заданного программой движения.

Важно подчеркнуть, что фактическое положение рабочего органа при отработке управляющей программы является случайной величиной.

Это означает, что полюс P рабочего органа в каждой конкретной реализации может оказаться в произвольной точке определенной сферы. Центр этой сферы – это координаты целевой точки в управляющей про­грамме, а ее радиус равен паспортной величине погрешности позициони­рования машины (рис. 1.27).

Погрешность отработки траектории – отклонение фактической траектории рабочего органа от траектории, заданной программой дви­жения.

Этот показатель, по сути, аналогичен погрешности позиционирова­ния, однако вводится для задач контурного движения (рис. 1.28). С тех­нологической точки зрения он является доминирующим для оценки точности машин на операциях дуговой сварки, окраски и лазерного раскроя материалов.

Рабочий орган машины в процессе движения находится внутри про­странственной трубки, осью которой является программная траектория. Радиус этой трубки равен паспортной погрешности отработки траектории мехатронной машины.

Универсальные механизмы позволяют обеспечить в декартовом пространстве перемещение рабочего органа как твердого тела по шести степеням свободы (см. рис. 1.10). Примерами могут служить гексапод (машина с параллельной кинематикой – см. рис. 1.15) и робот "PUMA-560", имеющий последовательную кинематическую цепь (см. рис. 1.13).

Специализированные устройства по сравнению с универсальными машинами имеют ограниченные кинематические возможности и проек­тируются под конкретную задачу движения. Из рассмотренных выше примеров к этой группе можно отнести трипод (см. рис. 1.16) и двух-звенный манипулятор (см. рис. 1.14).

Избыточные механизмы, конечно, самые сложные и дорогостоящие изделия. Их целесообразно применять в средах с препятствиями либо в реконфигурируемых системах, когда требуется оптимизировать конфи­гурацию цепи (например, в комплексах механообработки сложных дета­лей, см. рис. 1.19).

Воспользуемся также рядом терминов, принятых для промышлен­ных роботов (ГОСТ 25686-85), распространив их на мехатронные машины.

Рабочий орган мехатронной машины – это составная часть механи­ческого устройства для непосредственного выполнения технологических операций и/или вспомогательных переходов.

Примеры рабочих органов в робототехнике: механические схваты, вакуумные и электромагнитные захватные устройства, сварочные клещи (для точечной сварки), инструментальные головки для механообработки и лазерных операций, окрасочный пистолет. Таким образом, рабочий ор­ган – это управляемый модуль, который в свою очередь может иметь не­сколько степеней подвижности и состоять из нескольких элементов. По­этому при его разработке также могут использоваться мехатронные принципы интеграции. Примером может служить мотор-шпиндель (см. рис. 1.5), где инструмент и ротор электродвигателя представляют собой единый объект.

Рабочая зона мехатронной машины – совокупность всех точек де­картового пространства, которые могут быть достигнуты рабочим орга­ном машины.

Очевидно, что форма и размеры рабочей зоны зависят от кинема­тической структуры машины, конструктивных параметров и ограничений

на перемещения в ее степенях подвижности. Для машин с нелинейным базисом исполнения движений рабочая зона описывается сложными кривыми. Например, на рис. 1.26 показаны формы рабочей зоны для двухзвенного манипулятора типа "SCARA" при различных сочетаниях длин звеньев L1 и L2 (см. рис. 1.14).

Информационное устройство предназначено для сбора и передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии внешней среды и движущейся мехатронной машины.

Согласно представленной блок-схеме в информационном устройст­ве можно выделить три группы сенсоров:

1) датчики информации о состоянии внешней среды и объектов работ (системы технического зрения, локационные датчики и дальномеры, т.д.);

2) датчики информации о движении механической части (датчики перемещений, скоростей, ускорений, сил и моментов);

3) датчики обратной связи блока приводов (дают информацию о те­кущих значениях электрических токов и напряжений в силовых преобра­зователях).

Механическое устройство мехатронной машины представляет со­бой многозвенный механизм, кинематическую цепь которого образуют движущиеся звенья, составляющие кинематические пары. Конечным зве­ном кинематической цепи является рабочий орган.

Число степеней подвижности механического устройства определя­ется количеством подвижных звеньев и классами кинематических пар, составляющих механизм.

По числу степеней подвижности («) механические устройства мож­но классифицировать на три группы:

1) специализированные устройства (я < 6);

2) универсальные устройства (п = 6);

3) избыточные устройства (и > 6).

Внешней средой для машин рассматриваемого класса является тех­нологическая среда, которая содержит различное основное и вспомога­тельное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ. Внешние среды укрупненно 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 точностью. Некоторые среды являются недерминированными по своей природе, например, экстремальные подводные и подземные среды.

Характеристики технологических сред, как правило, могут быть оп­ределены с помощью аналитико-экспериментальных исследований и ме­тодов компьютерного моделирования. 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 при сборке, реакция струи жидкости для гидравличе­ской резки.

В состав мехатронной машины входят четыре основные части (см. рис. 1.25):

механическое устройство, конечным звеном которого является ра­бочий орган;

блок приводов, включающий в себя силовые преобразователи и ис­полнительные двигатели;

устройство компьютерного управления, на вход которого поступают команды человека-оператора либо ЭВМ верхнего уровня управления;

информационное устройство, предназначенное для получения и пе­редачи в устройство компьютерного управления данных о реальном дви­жении машины и о фактическом состоянии ее подсистем.

Механическое устройство и двигатели объединены в группу испол­нительных устройств. В состав группы интеллектуальных устройств включены электронная, управляющая и информационная части машины.

Устройством компьютерного управления будем называть комплекс аппаратных и программных средств, вырабатывающий сигналы управле­ния для блока приводов машины. В состав этого комплекса обычно вхо­дят задающие устройства (например, джойстики и рукоятки), пульт управления оператора, вычислительные и преобразующие устройства, периферийные устройства ввода-вывода информации.

Устройство компьютерного управления выполняет следующие ос­новные функции:

1.  Управление функциональными движениями мехатронной маши­ны в реальном масштабе времени.

2.  Координация управления механическим движением с сопутст­вующими внешними процессами.

3.  Взаимодействие с человеком-оператором через человеко-ма­шинный интерфейс в режимах программирования (режим off-line) и не­посредственно в процессе движения (режим on-line).

4.  Обмен данными с внешними устройствами (информационным устройством, блоком приводов, компьютером верхнего уровня, перифе­рийными устройствами).

Мехатронный модуль движения (ММД) – конструктивно и функ­ционально самостоятельное изделие, включающее в себя управляемый двигатель, механическое и информационное устройства.

Как следует из данного определения, по сравнению с МД в состав мехатронного модуля движения входит встроенное информационное уст­ройство (см. рис. 1.24). Информационное устройство включает датчики обратной связи и информации, а также электронные блоки для обработки и преобразования сигналов. Примерами таких датчиков являются фото­импульсные датчики (инкодеры), дающие информацию о скорости дви­жения и угловом перемещении (см. рис. 1.9), оптические линейки (см. рис. 1.8), вращающиеся трансформаторы и т.д.

Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, построенное путем синергетической интеграции двигательной механической, информационной, элек­тронной и управляющей частей.

Таким образом, по сравнению с мехатронными модулями движения в конструкцию ИММ дополнительно встраиваются управляющие и элек­тронные устройства, что придает этим модулям интеллектуальные свой­ства. К этой группе можно отнести: цифровые вычислительные устройст­ва (микропроцессоры, сигнальные процессоры и т.п.), электронные сило­вые преобразователи, компьютерные устройства сопряжения и связи.

В полной мере определению мехатроники соответствуют только ин­теллектуальные мехатронные модули, которые содержат все три опреде­ляющие подсистемы. Вместе с тем включение в классификацию первых двух групп (модулей движения и мехатронных модулей движения) пред­ставляется методически и логически обоснованным. Действительно, эти виды объектов также построены на мехатронных принципах интеграции элементов, без их изучения нельзя понять эволюцию мехатроники. При этом в настоящее время именно МД и ММД являются объектами серий­ного производства, а интеллектуальные мехатронные модули появились на рынке наукоемкой продукции сравнительно недавно.

Мехатронные машины – это интеллектуальные многомерные систе­мы, построенные на мехатронных принципах и технологиях, которые способны эффективно выполнять программы функциональных движений в изменяющихся условиях внешней среды.

Мехатронные машины являются многомерными системами, которые компонуются на базе двух или более мехатронных модулей. Рассмотрим обобщенную структуру мехатронных машин для задач автоматизирован­ного машиностроения, которая представлена на рис. 1.25. В основу по­строения данной схемы положена структура автоматических роботов, введенная акад. Е.П. Поповым [54].

Мехатронные модули по составу объединяемых устройств и элемен­тов можно подразделить на три группы (рис. 1.24):

1) модули движения;

2) мехатронные модули движения;

3) интеллектуальные мехатронные модули.

Модуль движения (МД) – конструктивно и функционально само­стоятельное изделие, в котором конструктивно объединены управляемый двигатель и механическое устройство.

Главным отличающим признаком модуля движения от общепро­мышленного привода является использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразователя движения.

В современных мехатронных модулях наиболее часто используются электрические двигатели – асинхронные и синхронные электромашины, двигатели постоянного тока, шаговые и пьезоэлектрические двигатели и др. Однако для многих прикладных задач целесообразно применять ме­хатронные модули на основе электрогидравлических двигателей, с кото­рыми можно познакомиться по монографии проф. В.Ф. Казмиренко [25]. В состав механического устройства могут входить разнообразные редук­торы, преобразователи движения, вариаторы, ограничительные и предо­хранительные элементы.

Но известны виды роботов (например, специализированные мани­пуляторы и автооператоры для обслуживания станков, шарнирно-балансирные манипуляторы и т.п.), которые имеют существенное прикладное значение и изучаются робототехникой, однако не базируются на мехатронных идеях. С другой стороны, мехатронный подход может быть реа­лизован не только в робототехнических системах, но и при создании ма­шин других видов, например металлорежущих станков, мобильных и транспортных средств, офисной и бытовой техники.

Проектирование современных мехатронных систем основано на мо­дульных принципах и технологиях.

Общее понятие модуля дано в фундаментальном словаре [29]: "Мо­дуль – унифицированная функциональная часть машины, конструктивно оформленная как самостоятельное изделие".

Введем следующее понятие мехатронного модуля (ММ):

мехатронный модуль – это функционально и конструктивно само­стоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением

и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его устройств, имеющих различную физическую природу.

Как правило, мехатронные модули выполняют движения по одной координате (вращательной или поступательной), реже имеют две степени подвижности.