ROBOTICS

Per aspera ad astra!

Сквозь тернии к звездам!

 Мехатронные системы
Этапы развития мехатроники. 25.10.2016

Этапы развития мехатроники.

Классификация мехатронных объектов. Мехатроника является молодой областью науки и техники, которая выделилась в самостоятельное направление совсем недавно. Об этом можно судить, например, по возрасту специальных периодических изданий: так, первый выпуск международного журнала "IEEE/ASME Transactions on Mechatronics" вышел в свет в марте 1996 г., а российский журнал "Мехатроника" стал выходить с января 2000 г. Отметим, что развитие машин от механики к современной мехатронике проходит последовательно ряд стадий. Первый этап - это разработка электромеханических систем путем объединения в приводе электрического двигателя и механического преобразовате¬ля движения (как правило, редуктора) с электронными блоками. В структурном базисе ме¬хатроники  электромеханика пока¬зана как одна из граней "Пирамиды Мехатрони¬ки".
Структурная пирамида мехатроники Исторически мехатроника развилась из электромеханики и, опираясь на ее дости¬жения, идет дальше, пу¬тем системного объеди¬нения электромехани¬ческих систем с компь¬ютерными устройствами управления, встроенными датчиками и интерфейсами. Поступательное развитие от механики к электромеханике и да¬лее к мехатронике обусловлено в первую очередь появлением но¬вых микроэлектронных и информационных технологий. Важнейшим технологическим фактором, который послужил толчком к возникновению мехатроники и дал ей вторую часть име¬ни (от термина "электроника"), стало в 80-х годах бурное развитие электронных технологий, и в первую очередь микроэлектроники.
Современные технологии микроэлектроники легли в основу новой элементной базы важнейших компонент для мехатронных систем (МС) - силовых преобразователей, управляющих и диагностических электронных блоков, датчиков обратной связи и сенсоров. Электронные технологии ста¬ли основой для создания технологий микроэлектромеханики, кото¬рые в настоящее время достигли новой ступени в своем развитии - технологий микромехатроники. Решающий рывок в развитии мехатроники в мире, начиная с 90-годов, обусловлен бурным прогрессом в области информацион¬ных технологий (ИТ). Создание современных МС сегодня немыс¬лимо без новых ИТ автоматизированного проектирования, компь¬ютерного моделирования и управления сложными динамическими системами. Особую роль в развитии мехатроники играют интеллек¬туальные технологии и их приложения к задачам управления функ¬циональными движениями. Основной отличительной чертой ин-теллектуальных технологий является возможность системной обра¬ботки знаний. Построение компьютерного управления мехатронными системами на основе интеллектуальных технологий по¬зволяет с высоким качеством выполнять сложные движения в усло¬виях интенсивного изменения управляющих и возмущающих воз¬действий и неполной информации о внешней среде и объектах ра¬бот. Одна из причин пристального внимания к мехатронике в настоящее время - постоянное повышение требований к автоматизации производства и связанная с этим необходимость создания производственных машин и комплексов из них - МС с принципиально новыми свой¬ствами. Первой стадией в истории автоматизации производства и труда в целом считается стадия механизации: создаются механизмы и машины, с помощью которых человек выполняет физическую работу, заменяющую работу многих людей. Механизация имеет естественный предел, ограни-ченный физиологическими возможностями человека (с точки зрения управления). Кроме того, суще¬ствует предел развиваемых физических усилий, скорости реакций и дви¬жений, количества и скорости восприятия информации от внешних ис¬точников, ограниченное количество одновременно выполняемых движе¬ний. Следующая (2) стадия автоматизации - применение автоматов, по¬зволяющих исключить участие человека в непосредственном выполнении работы, а также в операциях регулирования рабочих процессов: получа¬ют широкое распространение станки-автоматы, автоматические линии, торговые автоматы, промышленные, горные и транспортные роботы и пр. Человек выполняет функции создания, наладки и обслуживания автома-тов, то есть работу более высокого уровня квалификации. По мере раз¬вития знаний о различных производственных процессах, процессах в машинах и совершенствования управления машинами автоматизация все более прогрессирует. Создаваемые на этой (3) стадии станки и роботы с микропроцессорными системами числового программного управления относятся уже к классу МС. Такое управление, становясь неотъемлемой частью всего объекта, влияет существенным образом на подход к по-строению других подсистем, например, кинематической структуры, ком¬поновки, назначению и возможностям информационно-измерительной подсистемы и др. Нужно отметить, что на этой стадии машина способна выполнять те функции, которые полностью изучены, определен и алгоритмизирован порядок выполнения действий, известны все возможные ситуации, в ко¬торых может находиться машина, имеющая строго определенное назна¬чение. Иначе говоря, автомат реализует некоторый алгоритм переходов из одного своего известного состояния в другое, взаимодействуя при этом с внешней средой и объектом действий через известные физические процессы. Если этот алгоритм в какой-то части неправилен или встрети¬лась ситуация, не предусмотренная алгоритмом, то поведение автомата не будет соответствовать его задачам, а это означает возникновение аварийной ситуации. Предел данной стадии автоматизации - в неформа¬лизуемости ряда процессов, происходящих в условиях эксплуатации, и непредвиденности некоторых внешних условий и ситуаций. Поиск путей и способов решения, возникающих при этом про¬блем, привел к следующей (4) стадии автоматизации, которая получила на¬звание «кибернетизация». При этом технологические, транспортные , вспомогательные машины с компьютерным управлением, создаваемые не этой стадии, стали производственными мехатронными объектами или системами следующего, более высокого уровня. Основная идея, реали¬зуемая на этой стадии автоматизации, состоит в том, чтобы в тех случа¬ях, когда формальная алгоритмизация невозможна, применить интеллек¬туальное управление, соответствующее той человеческой способности, которая проявляется в возможности ориентироваться в изменяющихся условиях, находить решение слабо формализованных задач и реализовывать их. Создаваемые на этой стадии машинные системы способны самостоятельно формировать алгоритмы своего поведения и адаптации в недетерминированных ситуациях, а также оценивать результат своих действий и обладать возможностью самообучения. Упомянутые возможности машинных систем есть отражение не¬которых интеллектуальных свойств человека на технические объекты. При этом основная тяжесть этого отображения проецируется на управ¬ляющую и информационную подсистемы. Структурные представления многих технических объектов этого класса содержат совмещенное поня¬тие «информационно-управляющая» система, так как большей частью все действия по вводу сигналов с датчиков, их обработке и формирова¬нию управляющих воздействий выполняется одной микроЭВМ. Однако дальнейшее развитие и совершенствование технических систем этапа кибернетизации - мехатронных систем - невозможно как без усложнения и расширения функций, связанных с получением, обработкой и анализом информации, для чего требуется самостоятельная микропроцессорная система, так и без перехода на новый уровень системы управления в целом. Значимые для формирования мехатроники этапы развития про¬мышленности можно отметить следующими вехами. В 1960-1970 гг. за-вершилось техническое перевооружение промышленных предприятий, ориентированных на крупносерийное производство. В 1975-80 гг. успеш¬но решалась задача развития техники, которая была бы эффективна в условиях многономенклатурных мелкосерийных производств. Для этого необходимо было создать производственное оборудование, способное длительное время функционировать без непосредственного участия опе¬ратора. Развитие и успехи микроэлектроники создали для этого техниче¬ский базис. В это время стали появляться новые направления развития технических систем производственной сферы, такие как САПР, РТК, ГПС, ГАП, общее целевое назначение которых - высвобождение человека из сферы производства с передачей его функций машинам и автоматам. Однако многие возможности человека - пока недостижимые образцы для технических систем. Из теории и практики хорошо известно, что при постоянном уве¬личении количества функций, которые должны выполняться технической системой, необходимо введение в нее новых элементов и связей, реали¬зующих недостающие функции. Рациональным направлением разработки перспективных технических систем является создание /генерация/ многофункциональных элементов, структура которых должна в определен¬ной степени повторять иерархическую структуру идеализированного прототипа, чаще всего - биологического с возможностью реа¬лизации внутри себя некоторых процессов, свойственных прототипу. В настоящее время именно мехатроника наиболее близка к реализации данной идеологии построения технических систем. С развитием микроэлектроники, микропроцессорной техники и информационных технологий произошли значительные качественные изменения, существенно расширились функциональные возможности электронных устройств управления. Стало возможным встраивать циф¬ровые блоки, регуляторы, контроллеры непосредственно в управляемый объект, упрощать кинематические цепи и механические связи благодаря системе управления и информационной системе. В частности, это позво¬лило уменьшить массу (металлоемкость) станков, повысить точность, увеличить технологическую надежность, расширить функциональные возможности за счет использования следящих регулируемых приводов и микроэлектронных, процессорных систем управления. Существенное уменьшение стоимости электроники, ее размеров позволило создать компактные системы цифрового управления с большими возможностями, чем те, которые имелись ранее. Однако не только микроминиатюризация электроники создала предпосылки становления мехатроники, но и ее надежность, поскольку условия работы электронных компонент в МС отличаются от условий, характерных, например, для офисных или персональных ЭВМ. Рабочий температурный диапазон (от -40 до +80°С), предельная влажность, высокий уровень внешних электромагнитных помех, удары и вибрации при требованиях наработки на отказ иногда более 50000 часов требуют технологических и конструкторских разработок, направленных на обеспечение предъявляемых к изделиям требований. Существует естественная взаимосвязь между развитием микроэлектроники и машиностроением. С одной стороны, для увеличения точности и производительности производственного оборудования конструкторы и разработчики пришли к необходимости широкого интегрирования (встраивания) в узлы и модули микроэлектронных компонент и организации систем управления ими от микропроцессоров. С другой стороны, повышение возможностей и надежности самих электронных систем идет в основном за счет все большего уплотнения активных элементов (транзисторов и др.) на кристалле микросхемы, для чего требуется новое, более точное оборудование, новый уровень автоматизации изготовления, контроля и сборки микроэлектронных устройств. Таким образом, микроэлектроника заинтересована в развитии высокоточных средств производства, а машиностроение - в прогрессирующем развитии микроэлектроники и ее технических приложений. Следует упомянуть еще об одной области применения МС, весьма специфической. Это создание сверхминиатюрных и высокоточных устройств на основе современных достижений микроэлектроники и использования новых физических принципов и явлений. К последним можно отнести акустические, оптические и пьезоэлектрические эффекты, электрохимические явления в жидкой среде, сверхпроводимость и пр. Эти устройства используются в так называемых нанотехнологиях. К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению с традиционными средствами автоматизации относятся [3]: -относительно низкая стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов; - высокое качество реализации сложных и точных движений; -высокая надежность, долговечность и помехозащищенность; -конструктивная компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах); -улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин; -возможность объединения функциональных модулей в сложные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика. Классификация мехатронных объектов Мехатронные системы могут быть представлены системами двух различных уровней. Первый - машины (или механические подсистемы), в которых микроэлектроника обеспечивает новые функциональные возможности за счет дополнительной, специальной обработки уже циркулирующей в системе информации с помощью вычислительных машин. Это позволяет увеличить количество выполняемых функций, повышения качественных характеристик систем, в том числе надежности, упрощения конструкции механических узлов, упрощения или устранения механических связей между различными движениями, при этом могут быть использованы новые конструктивные элементы. Управление МС первого уровня строго алгоритмизировано. Например, современный робот для выполнения некоторой сборочной операции может быть оснащен одним или несколькими регулируемыми исполнительными двигателями, а также несколькими датчиками. Опрос датчиков и управление этими двигателями осуществляется по программе, введенной оператором в систему управления робота. Такой робот способен выполнять элементарные действия в заданном рабочем пространстве. Второй уровень МС - машины, в которых микроэлектронная, процессорная техника используется для решения слабо формализованных задач в изменяющихся внешних условиях, технической реализации интеллектуальных возможностей человека. Это имеет огромное значение для расширения функциональных возможностей машин как мехатронных объектов. Так, робот, как МС второго уровня, может иметь информационно-управляющую систему с возможностями распознавания образов, речевых сообщений, наблюдения за изменяющейся обстановкой, планирования действий и их реализации с контролем достижимости цели. Именно МС второго уровня имеют наибольшие перспективы применена в самых различных областях: от космической техники до бытовой. Классификация, представленная на рис.2.1, основана на признаках, наиболее существенных для разработки МО. Следует остановиться на областях применения МО. В каждой из областей применения, представленных на рисунке, уже существует значительное разнообразие МО. Ниже приведен перечень лишь некоторых МО для областей, в которых их использование постоянно расширяется и имеет наиболее благоприятные перспективы развития. Мехатронные объекты промышленного применения: -технологические МО изготовления деталей, сборки, сварки, напыления и другие; - контрольно-измерительные МО в машиностроении и других отраслях; -транспортные системы для заготовок, деталей, инструмента; - промышленные роботы, в том числе микроманипуляционные системы в производстве радиоэлектронных компонентов и устройств; - компьютеризированные складские системы. Мехатронные объекты военного назначения: системы целеуказания и наведения, управления движением реактивных снарядов, ракет и других объектов; индивидуальные ранцевые летательные аппараты; аппараты, конфигурируемые управлением, в том числе самолеты с изменяемой стреловидностью крыла, изменяемым вектором тяги; Мехатронные объекты для исследований в космосе, океане и других средах: -стационарные и мобильные устройства взятия образцов, проб воды, грунта и т.п.; - устройства для поддержания стабильного положения и ориентации объектов и их элементов (например, спутников, солнечных батарей, подводных и надводных аппаратов) и др. Транспортные мехатронные объекты : -автомобили; -железнодорожные локомотивы; -речные и морские суда; -воздушный транспорт и др. Медицинские мехатронные объекты: оборудование, использующиеся для генной инженерии, синтеза новых клеток и т.п., то есть те области, где необходимы высокоточные, надежные системы контроля (мониторинга) и перемещений, выполнения рабочих движений в микрообъемах рабочей зоны (внутри живой клетки); МО из состава технического обеспечения проведения сложных хирургических операций, выполняющие контроль состояния пациента, управляющие совокупностью характеристик подаваемых ему дыхательной смеси и другими, а также работой искусственных органов; биотехнологические системы, например биопротезы, управляемые биотоками человека, искусственные органы, имплантированные человеку и др. По признаку сложности МО или уровню интеграции составляющих элементов в классификации выделены три группы: мехатронные модули, объекты и комплексы. Основываясь на определениях соответствующих терминов, приведенных выше, сделаем лишь некоторые пояснения. В общепринятом энциклопедическом толковании термин «модуль» можно рассматривать как: унифицированный функциональный узел, выполненный в виде самостоятельного изделия; узел, выполняющий самостоятельную функцию в техническом устройстве; отделяемая, относительно самостоятельная часть какой-нибудь системы. Иначе говоря, модуль - отделяемый, функциональный узел (часть) технического устройства, оформленный конструктивно как самостоятельное изделие. Для понятия «мехатронный модуль» можно предложить двоякое толкование: - модуль, представляющий собой мехатронную систему, состоящую из интегрированного сочетания механических, микропроцессорных и электротехнических компонентов, функционирующий самостоятельно или в совокупности с другими модулями или устройствами (мехатронными или немехатронными), составляющими мехатронный объект; -любой модуль мехатронного объекта. Примерами мехатронных модулей могут служить модули движения, состоящие из силового электропривода и компьютерного управления на базе встроенного контроллера движения РСI-FlexMotion-6C, мехатронный сенсорный модуль, включающий механические приводные элементы, кодировочные диски, фотоэлементы и микропроцессор - вращательный индекодер серии АR фирмы Раrkеr. Применение модульного принципа построения в горных машинах пока ограничено. Главное препятствие – ограниченные габариты. Примерами мехатронных комплексов могут служить такие совокупности машин и устройств, как гибкие производственные системы, в состав которых входят мехатронные станочные объекты. Мехатронные комплексы могут охватывать и более широкий круг объектов, таких, которые относятся к гибким автоматизированным цехам и заводам, включая, например, межцеховой транспорт, компьютерные системы (сети) планирования и диспетчирования производства и пр. При рассмотрении признака «степень интеллектуальности» нужно иметь в виду, что те объекты, системы управления которых не обладают свойствами искусственного интеллекта, образуют первую группу. В остальных группах формирование управляющих воздействий осуществляется с использованием механизмов приобретения, обработки и использования информации, понимаемой как «знание». Так, вторую группу составляют МО, имеющие систему управления с интеллектуальностью в малом. В них обработка знаний производится с целью поиска решения задачи управления рабочими органами. В группе с интеллектуальностью в большом к выполняемым интеллектуальным функциям прибавляются функции обучения, самоперестройки по результатам обучения, прогнозирования и адаптации к изменяющимся технологическим или внешним условиям. В группе МО с интеллектуальностью в целом система управления выполняет еще задачи оценки ситуаций и принятия стратегических решений. По признаку интерактивности управления МО бывают автоматическими и интерактивными. При автоматическом управлении выполнение всех рабочих функций производится без участия оператора. Интерактивное управление предполагает участие оператора, при котором за ним остается выполнение некоторых функций управления. При этом формы общения оператора с системой управления могут быть разнообразными, включая использование клавиатуры для ввода последовательных команд, подачу команд голосом и пр.



Возврат к списку