Primjeri mehatroničkih sustava su robotska vozila. Mehatronički sustavi za cestovni promet

Mehatronika je nastala kao složena znanost spajanjem odvojenih dijelova mehanike i mikroelektronike. Može se definirati kao znanost koja se bavi analizom i sintezom složenih sustava koji u istoj mjeri koriste mehaničke i elektroničke upravljačke uređaje.

Svi mehatronički sustavi automobila podijeljeni su u tri glavne skupine prema funkcionalnoj namjeni:

• - sustavi upravljanja motorom;
• - sustavi upravljanja prijenosom i šasijom;
• - sustavi upravljanja kabinskom opremom.

Sustav upravljanja motorom podijeljen je na sustave upravljanja benzinskim i dizelskim motorima. Dizajn su monofunkcionalni i složeni.

U monofunkcionalnim sustavima, ECU šalje samo signale sustavu za ubrizgavanje. Injektiranje se može provoditi kontinuirano i impulsno. Uz stalnu opskrbu gorivom, njegova se količina mijenja zbog promjene tlaka u cjevovodu goriva, a s impulsom - zbog trajanja impulsa i njegove učestalosti. Danas su automobili jedno od najperspektivnijih područja primjene mehatroničkih sustava. Ako uzmemo u obzir automobilsku industriju, uvođenje takvih sustava omogućit će nam postizanje dovoljne fleksibilnosti proizvodnje, bolje hvatanje modnih trendova, brzo uvođenje naprednog razvoja znanstvenika, dizajnera i time stjecanje nove kvalitete za kupce automobila. Sam automobil, osobito moderan automobil, predmet je pomne provjere sa stajališta dizajna. Suvremena uporaba automobila zahtijeva od nje povećane zahtjeve za sigurnost vožnje, zbog sve veće motorizacije zemalja i pooštravanja standarda ekološke prihvatljivosti. To se posebno odnosi na megagradove. Odgovor na današnje izazove urbanizma je dizajn mobilnih sustava za praćenje koji prate i ispravljaju performanse komponenti i sklopova, postižući optimalne performanse u smislu ekološke prihvatljivosti, sigurnosti i radne udobnosti vozila. Hitna potreba opremanja automobilskih motora složenijim i skupljim sustavima goriva uvelike je posljedica uvođenja sve strožih zahtjeva za sadržaj štetnih tvari u ispušnim plinovima, što se, nažalost, tek počinje razrađivati.

U složenim sustavima jedna elektronička jedinica kontrolira nekoliko podsustava: ubrizgavanje goriva, paljenje, mjerenje vremena ventila, samodijagnostika itd. Elektronički sustav upravljanja dizelskim motorom kontrolira količinu ubrizganog goriva, trenutak početka ubrizgavanja, struju utikača gorionika. itd. U elektroničkom sustavu upravljanja mjenjačem predmet regulacije je uglavnom automatski mjenjač. Na temelju signala senzora kuta gasa i brzine vozila, ECU odabire optimalni prijenosni omjer, što poboljšava učinkovitost goriva i upravljivost. Upravljanje šasijom uključuje kontrolu procesa kretanja, promjena putanje i kočenja vozila. Djeluju na ovjes, upravljač i kočioni sustav i održavaju zadanu brzinu. Upravljanje unutarnjom opremom osmišljeno je kako bi povećalo udobnost i potrošačku vrijednost vozila. U tu svrhu, klima uređaj, elektronička ploča s instrumentima, višenamjenski informacijski sustav, kompas, prednja svjetla, isprekidani brisač, indikator izgorjelih svjetiljki, uređaj za otkrivanje prepreka pri vožnji unatrag, uređaji za zaštitu od krađe, komunikacijska oprema, centralno koriste se brave na vratima, podizači stakla, sjedala promjenjivog položaja, sigurnosni način rada itd.

Mehatronički moduli sve se više koriste u raznim transportnim sustavima.

Suvremeni automobil u cjelini mehatronički je sustav koji uključuje mehaniku, elektroniku, različite senzore, ugrađeno računalo koje nadzire i regulira aktivnosti svih sustava vozila, informira korisnika i donosi kontrolu od korisnika do svih sustava. Automobilska industrija u sadašnjoj fazi svog razvoja jedno je od najperspektivnijih područja za uvođenje mehatroničkih sustava zbog povećane potražnje i sve veće motorizacije stanovništva, kao i zbog prisutnosti konkurencije između pojedinih proizvođača.

Ako suvremeni automobil klasificiramo prema principu upravljanja, on pripada antropomorfnim uređajima, jer njegovo kretanje kontrolira osoba. Već sada možemo reći da bi u dogledno vrijeme automobilska industrija trebala očekivati ​​pojavu automobila s mogućnošću autonomnog upravljanja, t.j. s inteligentnim sustavom upravljanja kretanjem.

Žestoka konkurencija na automobilskom tržištu tjera stručnjake u ovom području da traže nove napredne tehnologije. Danas je jedan od glavnih izazova za programere stvaranje "pametnih" elektroničkih uređaja koji mogu smanjiti broj prometnih nesreća na cestama (RTA). Rezultat rada na ovom području bilo je stvaranje integriranog sigurnosnog sustava za vozila (SCBA), koji je u stanju automatski održavati zadanu udaljenost, zaustaviti automobil na crvenom semaforu, upozoriti vozača da skreće na brzina veća od one dopuštene zakonima fizike. Razvijeni su čak i senzori šoka s radio signalom, koji, kada automobil naiđe na prepreku ili sudar, pozovu hitnu pomoć.

Svi ovi elektronički uređaji za sprječavanje nesreća spadaju u dvije kategorije. Prvi uključuje uređaje u automobilu koji rade neovisno o bilo kakvim signalima iz vanjskih izvora informacija (drugi automobili, infrastruktura). Oni obrađuju informacije s radara u zraku (radar). Druga kategorija su sustavi čiji se rad temelji na podacima primljenim iz izvora informacija koji se nalaze u blizini ceste, osobito sa svjetionika, koji prikupljaju informacije o stanju u prometu i prenose ih infracrvenim zrakama do automobila u prolazu.

SKBA je ujedinila novu generaciju gore navedenih uređaja. Prima i radarske signale i infracrvene zrake "mislećih" svjetionika, a osim osnovnih funkcija pruža neprekidan i miran promet za vozača na neuređenim raskrižjima cesta i ulica, ograničava brzinu kretanja na zavojima i u stambenim područjima izvan utvrđenih ograničenja brzine. Kao i svi autonomni sustavi, SKBA zahtijeva da vozilo bude opremljeno sustavom protiv blokiranja kočnica (ABS) i automatskim mjenjačem.

SKBA uključuje laserski daljinomjer koji stalno mjeri udaljenost između vozila i bilo koje prepreke na putu - u pokretu ili u mirovanju. Ako je sudar vjerojatan, a vozač ne usporava, mikroprocesor daje naredbu za ublažavanje pritiska na papučicu gasa i aktiviranje kočnice. Mali zaslon na nadzornoj ploči treperi s upozorenjem o opasnosti. Na zahtjev vozača, putno računalo može postaviti sigurnu udaljenost ovisno o površini ceste - mokro ili suho.

SKBA (slika 5.22) može upravljati automobilom, fokusirajući se na bijele crte oznake ceste. No za to je potrebno da budu jasni, budući da ih videokamera na vozilu stalno "čita". Obrada slike tada određuje položaj stroja u odnosu na linije, a elektronički sustav djeluje na upravljač u skladu s tim.

Ugrađeni infracrveni prijemnici SKBA rade u prisutnosti odašiljača postavljenih u pravilnim razmacima duž kolnika. Snopovi se šire pravolinijski i na kratkoj udaljenosti (do oko 120 m), a podaci preneseni kodiranim signalima ne mogu se utopiti niti izobličiti.

Riža. 5.22. Integrirani sigurnosni sustav vozila: 1 - infracrveni prijemnik; 2 - vremenski senzor (kiša, vlaga); 3 - pogon prigušnog ventila sustava napajanja; 4 - računalo; 5 - pomoćni elektromagnetni ventil u kočionom pogonu; 6 - ABS; 7 - daljinomer; 8 - automatski mjenjač; 9 - osjetnik brzine vozila; 10 - pomoćni elektromagnetni ventil za upravljanje; 11 - osjetnik gasa; 12 - senzor upravljača; 13 - tablica signala; 14 - računalo za elektronički vid; 15 - televizijska kamera; 16 - zaslon.

Na sl. 5.23 prikazuje Bochov senzor vremena. Ovisno o modelu, unutra se nalazi infracrvena LED dioda i jedan do tri fotodetektora. LED emitira nevidljivi snop pod oštrim kutom prema površini vjetrobranskog stakla. Ako je vani suho, sva se svjetlost reflektira natrag i udara u fotodetektor (ovako je optički sustav dizajniran). Budući da je snop moduliran impulsima, senzor neće reagirati na vanjsko svjetlo. No ako na staklu postoje kapljice ili sloj vode, uvjeti loma se mijenjaju i dio svjetlosti odlazi u svemir. To otkriva senzor i kontroler izračunava odgovarajući način brisača. Usput ovaj uređaj može zatvoriti električni krovni prozor u krovu, podići staklo. Senzor ima još 2 fotodetektora, koji su integrirani u zajedničko kućište s vremenskim senzorom. Prvi je dizajniran za automatsko uključivanje farova kada padne mrak ili automobil uđe u tunel. Drugi, prebacuje "visoko" i "slabo" svjetlo. Omogućavanje ovih značajki ovisi o određenom modelu vozila.

Slika 5.23. Kako radi vremenski senzor

Sustavi protiv blokiranja kočnica (ABS), njegove potrebne komponente - osjetnici brzine kotača, elektronički procesor (upravljačka jedinica), servo ventili, hidraulična pumpa na električni pogon i akumulator tlaka. Neki rani ABS-i bili su "trokanalni", tj. pojedinačno kontrolirao prednje kočnice, ali je potpuno otpustio sve stražnje kočnice kad se neki od stražnjih kotača počeo blokirati. To je uštedjelo određenu količinu troškova i složenosti dizajna, ali je rezultiralo manjom učinkovitošću u usporedbi s punim četverokanalnim sustavom u kojem se svaka kočnica pojedinačno kontrolira.

ABS ima mnogo zajedničkog sa sustavom kontrole proklizavanja (PBS), čije bi se djelovanje moglo smatrati "obrnutim ABS -om", budući da PBS radi na principu otkrivanja trenutka kada se jedan od kotača počne brzo vrtjeti u usporedbi s drugim (u trenutku kada kotač počne kliziti) i daje signal za usporavanje ovog kotača. Senzori brzine kotača mogu se dijeliti, pa je stoga najučinkovitiji način sprječavanja okretanja pogonskog kotača smanjenjem njegove brzine primjenom trenutnog (i, ako je potrebno, ponovljenog) djelovanja kočnice, kočioni impulsi mogu se primati iz bloka ABS ventila. Zapravo, ako je prisutan ABS, to je sve što je potrebno da se osigura i PBS - plus neki dodatni softver i dodatna upravljačka jedinica za smanjenje okretnog momenta motora ili unosa goriva po potrebi, ili izravno interveniranje u sustav upravljanja papučicom gasa. ..

Na sl. 5.24 prikazuje dijagram elektroničkog sustava napajanja automobila: 1 - relej paljenja; 2 - središnji prekidač; 3 - akumulatorska baterija; 4 - neutralizator ispušnih plinova; 5 - senzor kisika; 6 - zračni filter; 7 - osjetnik protoka zraka; 8 - dijagnostički blok; 9 - regulator brzine u praznom hodu; 10 - osjetnik položaja leptira za gas; 11 - cijev leptira za gas; 12 - modul paljenja; 13 - fazni senzor; 14 - mlaznica; 15 - regulator tlaka goriva; 16 - osjetnik temperature rashladne tekućine; 17 - svijeća; 18 - osjetnik položaja radilice; 19 - osjetnik kucanja; 20 - filter za gorivo; 21 - kontroler; 22 - osjetnik brzine; 23 - pumpa za gorivo; 24 - relej za uključivanje pumpe za gorivo; 25 - spremnik za plin.

Riža. 5.24. Pojednostavljeni dijagram sustava ubrizgavanja

Jedna od komponenti SKBA -e je zračni jastuk (vidi sliku 5.25.), Čiji se elementi nalaze u različitim dijelovima automobila. Inercijski senzori koji se nalaze u braniku, na ploči motora, u stupovima ili u području naslona za ruke (ovisno o modelu automobila), u slučaju nesreće, šalju signal elektroničkoj upravljačkoj jedinici. Većina modernih SKBA prednjih senzora dizajnirana je za udarnu silu pri brzinama od 50 km / h. Bočni udarci pokreću se pri slabijim udarcima. Iz elektroničke upravljačke jedinice signal teče u glavni modul koji se sastoji od kompaktno položenog jastuka spojenog na generator plina. Potonji je tableta promjera oko 10 cm i debljine oko 1 cm s kristalnom tvari koja stvara dušik. Električni impuls pali upaljač u "tableti" ili rastopi žicu, a kristali se pretvaraju u plin brzinom eksplozije. Cijeli opisani proces je vrlo brz. "Prosječni" jastuk napuhan je za 25 ms. Površina zračnog jastuka europskog standarda juri prema prsima i licu brzinom od oko 200 km / h, a američkog - oko 300. Stoga u automobilima opremljenim zračnim jastucima proizvođači snažno savjetuju da se zakopčaju i ne sjede blizu na upravljač ili nadzornu ploču. U najnaprednijim sustavima postoje uređaji koji identificiraju prisutnost suvozačevog ili dječjeg sjedala te u skladu s tim ili isključuju ili ispravljaju stupanj napuhavanja.

Slika 5.25 Zračni jastuk vozila:

1 - zatezač pojasa; 2 - zračni jastuk; 3 - zračni jastuk; za vozača; 4 - upravljačka jedinica i središnji senzor; 5 - izvršni modul; 6 - inercijski senzori

Više pojedinosti o modernim automobilskim MS -ima možete pronaći u priručniku.

Osim konvencionalnih automobila, velika se pozornost posvećuje stvaranju lakih vozila (LTS) s električnim pogonom (ponekad se nazivaju i netradicionalnim). U ovu skupinu vozila spadaju električni bicikli, valjci, invalidska kolica, električna vozila s autonomnim izvorima energije. Razvoj takvih mehatroničkih sustava provodi Znanstveno -inženjerski centar "Mehatronika" u suradnji s nizom organizacija. LTS su alternativa prijevozu s motorima s unutarnjim izgaranjem i trenutno se koriste u ekološki čistim područjima (medicinski i rekreacijski, turistički, izložbeni, parkovski kompleksi), kao i u maloprodajnim i skladišnim prostorima. Tehničke karakteristike prototipa električnog bicikla:

Maksimalna brzina 20 km / h,

Nazivna snaga pogona 160 W,

Nazivna brzina 160 o / min,

Najveći okretni moment 18 Nm,

Težina motora 4,7 kg,

Punjiva baterija 36V, 6 A * h,

Autonomna vožnja 20 km.

Temelj za stvaranje LTS-a su mehatronički moduli tipa "motor-kotač" koji se u pravilu temelje na elektromotorima velikog zakretnog momenta.

Pomorski promet. MS se sve više koristi za intenziviranje rada posada morskih i riječnih plovila povezanih s automatizacijom i mehanizacijom glavnih tehničkih sredstava, koja uključuju glavnu elektranu sa servisnim sustavima i pomoćnim mehanizmima, elektroenergetski sustav, opće brodske sustave, upravljački uređaji i motori.

Integrirani automatski sustavi za držanje plovila na zadanoj putanji (CPSS) ili plovila namijenjenog istraživanju Svjetskog oceana na zadanoj profilnoj liniji (CPSS) sustavi su koji pružaju treću razinu automatizacije upravljanja. Korištenje takvih sustava omogućuje:

Povećati ekonomsku učinkovitost pomorskog prometa primjenom najbolje putanje, kretanja plovila, uzimajući u obzir navigacijske i hidrometeorološke uvjete plovidbe;

Kako bi se povećala ekonomska učinkovitost oceanografskih, hidrografskih i morskih geoloških istražnih radova povećanjem točnosti držanja plovila na zadanoj profilnoj liniji, proširenjem raspona smetnji vjetrova, pri kojima se osigurava potrebna kvaliteta kontrole, te povećanjem operativnih brzina plovila;

Riješiti zadatke provedbe optimalne putanje kretanja plovila pri odstupanju od opasnih objekata; poboljšati sigurnost plovidbe u blizini navigacijskih opasnosti zbog preciznije kontrole kretanja plovila.

Integrirani sustavi automatskog upravljanja kretanjem prema zadanim programima geofizičkih istraživanja (ASUD) dizajnirani su za automatsko dovođenje broda na zadanu liniju profila, automatsko držanje geološkog i geofizičkog plovila na istraživanoj liniji profila, manevriranje pri prijelazu s jedne linije profila na još. Sustav koji se razmatra omogućuje poboljšanje učinkovitosti i kvalitete geofizičkih istraživanja na moru.

U morskim uvjetima nemoguće je koristiti konvencionalne metode prethodnog istraživanja (istražna strana ili detaljno snimanje iz zraka), pa je seizmička metoda geofizičkih istraživanja postala najrasprostranjenija (slika 5.26). Geofizičko plovilo 1 vuče po užetu 2 pneumatski pištolj 3, koji je izvor seizmičkih vibracija, seizmografski niz 4, na kojem se nalaze prijemnici odbijenih seizmičkih vibracija, i krajnju bovu 5. Određuju se donji profili snimanjem intenziteta seizmičkih vibracija reflektiranih od graničnih slojeva 6 različitih stijena.

Slika 5.26. Shema provođenja geofizičkih istraživanja.

Da bi se dobili pouzdani geofizički podaci, plovilo se mora držati na zadanom položaju u odnosu na dno (profilna linija) s velikom točnošću, unatoč maloj brzini kretanja (3-5 čvorova) i prisutnosti vučenih uređaja znatne duljine (gore do 3 km) s ograničenom mehaničkom čvrstoćom.

Anjutz je razvio integriranu MS koja osigurava držanje plovila na zadanoj putanji. Na sl. 5.27 prikazuje blok dijagram ovog sustava, koji uključuje: žiroskop 1; zaostajanje 2; instrumenti navigacijskih sustava koji određuju položaj plovila (dva ili više) 3; autopilot 4; mini računalo 5 (5a - sučelje, 5b - središnji uređaj za pohranu, 5c - središnja procesorska jedinica); čitač bušene vrpce 6; ploter 7; zaslon 8; tipkovnica 9; upravljač 10.

Uz pomoć razmatranog sustava, moguće je automatski dovesti brod do programirane putanje, koju operator postavlja pomoću tipkovnice, koja određuje geografske koordinate zakretnih točaka. U ovom sustavu, bez obzira na informacije koje dolaze iz bilo koje skupine instrumenata tradicionalnog radijsko -navigacijskog kompleksa ili satelitskih komunikacijskih uređaja koji određuju položaj plovila, koordinate vjerojatnog položaja plovila izračunavaju se iz podataka koje je izdala žirokompas i balvan.

Slika 5.27. Blok dijagram integrirane MS za držanje broda na zadanoj putanji

Kontrolu kursa uz pomoć razmatranog sustava provodi autopilot, čijim unosom se primaju informacije o vrijednosti zadanog tečaja, unatrag, koje generira miniračunalo uzimajući u obzir pogrešku u položaju plovila . Sustav je sastavljen na upravljačkoj ploči. U gornjem dijelu nalazi se zaslon s kontrolama za podešavanje optimalne slike. Ispod, na nagnutom polju konzole, nalazi se autopilot s upravljačkim polugama. Na vodoravnom polju upravljačke ploče nalazi se tipkovnica pomoću koje se programi unose u mini računalo. Ovdje se nalazi i prekidač pomoću kojeg se bira način upravljanja. Mini računalo i sučelje nalaze se u podrumskom dijelu konzole. Sva periferna oprema postavlja se na posebne stalke ili druge konzole. Sustav koji se razmatra može raditi u tri načina: "Tečaj", "Monitor" i "Program". U načinu "Smjer" postavljeni tečaj se održava pomoću autopilota prema očitanjima žiroskopskog kompasa. Način rada "Monitor" odabire se kada se priprema prijelaz u način rada "Program", kada se ovaj način prekida ili kada je prijelaz u ovaj način dovršen. Prebacuju se u način rada "Tečaj" kada se otkriju kvarovi mini računala, napajanja ili radijsko-navigacijskog kompleksa. U ovom načinu rada autopilot radi neovisno o miniračunalu. U načinu rada "Program" tijek se kontrolira prema podacima radio -navigacijskih uređaja (senzori položaja) ili žiroskopskog kompasa.

Održavanje brodskog sustava za držanje na ZT -u provodi operater s konzole. Operater odabire skupinu senzora za određivanje položaja plovila prema preporukama prikazanim na zaslonu. Pri dnu zaslona nalazi se popis svih naredbi dopuštenih za ovaj način rada koje se mogu unijeti pomoću tipkovnice. Računalo blokira slučajni pritisak na bilo koju zabranjenu tipku.

Zrakoplovna tehnologija. Uspjesi postignuti u razvoju zrakoplovne i svemirske tehnologije, s jedne strane, te potreba smanjenja troškova ciljanih operacija, s druge strane, potaknuli su razvoj nove vrste tehnologije - zrakoplova s ​​daljinskim upravljanjem (RPV).

Na sl. 5.28 prikazuje blok dijagram sustava daljinskog upravljanja leta RPV - HIMAT. Glavna komponenta HIMAT sustava daljinskog upravljanja je zemaljska stanica za daljinsko upravljanje. Parametri leta RPV -a pristižu na zemaljsku točku putem radiokomunikacijske linije iz zrakoplova, primaju ih i dekodiraju od stanice za obradu telemetrije i prenose u zemaljski dio računalnog sustava, kao i na uređaje za prikaz informacija u zemaljskoj kontroli točka. Osim toga, slika vanjskog prikaza, prikazana uz pomoć televizijske kamere, prima se s ploče RPV. Televizijska slika prikazana na ekranu zemaljske radne stanice ljudskog operatera koristi se za upravljanje zrakoplovom tijekom zračnih manevara, prilaza i samog slijetanja. Kokpit zemaljske postaje za daljinsko upravljanje (radna stanica operatera) opremljen je instrumentima koji pružaju informacije o letu i stanju složene opreme RPV -a, kao i sredstvima za upravljanje zrakoplovom. Konkretno, ljudski operater ima upravljačke palice i pedale zrakoplova, kao i upravljačku palicu motora. Ako glavni upravljački sustav otkaže, naredbe upravljačkog sustava izdaju se pomoću posebne konzole diskretnih naredbi operatora RPV.

Slika 5.28. RPV daljinski upravljački sustav HIMAT:

nosač B-52; 2 - rezervni sustav upravljanja na zrakoplovu TF -104G; 3 - telemetrijska linija s tlom; 4 - RPV HIMAT; 5 - linije telemetrijske komunikacije s RPV -om; 5 - zemaljska stanica za daljinsko upravljanje

Doppler mjerači brzine tla i kuta zanošenja (DPSS) koriste se kao autonomni navigacijski sustav koji omogućuje mrtvo računanje. Takav navigacijski sustav koristi se zajedno sa sustavom smjera koji mjeri smjer s okomitim senzorom koji generira signale kotrljanja i nagiba, te računalom na vozilu koje implementira algoritam mrtvog računa. Ti uređaji zajedno tvore Doppler navigacijski sustav (vidi sliku 5.29). Kako bi se povećala pouzdanost i točnost mjerenja trenutnih koordinata zrakoplova, DISS se može kombinirati s mjeračima brzine

Slika 5.29. Dijagram Doppler navigacijskog sustava

Minijaturizacija elektroničkih elemenata, stvaranje i serijska proizvodnja posebnih vrsta senzora i indikatorskih uređaja koji pouzdano rade u teškim uvjetima, kao i naglo smanjenje troškova mikroprocesora (uključujući one posebno dizajnirane za automobile) stvorili su uvjete za transformaciju vozila u MS prilično visoke razine.

Brza vozila s magnetskom levitacijom vrhunski su primjer modernog mehatroničkog sustava. Do sada je jedini svjetski komercijalni transportni sustav ove vrste pušten u rad u Kini u rujnu 2002. godine i povezuje međunarodnu zračnu luku Pudong sa središtem Šangaja. Sustav je razvijen, proizveden i testiran u Njemačkoj, nakon čega su vagoni prevezeni u Kinu. Vodič, koji se nalazi na visokom nadvožnjaku, proizveden je lokalno u Kini. Vlak ubrzava do brzine od 430 km / h i prelazi 34 km za 7 minuta (maksimalna brzina može doseći 600 km / h). Vlak lebdi iznad kolosijeka, na pruzi nema trenja, a glavni otpor kretanju pruža zrak. Stoga vlak dobiva aerodinamički oblik, spojevi između vagona su zatvoreni (slika 5.30).

Kako bi spriječio pad vlaka na prugu u slučaju hitnog nestanka struje, ima snažne baterije za skladištenje, čija je energija dovoljna za glatko zaustavljanje vlaka.

Uz pomoć elektromagneta, razmak između vlaka i vodilice (15 mm) tijekom kretanja održava se s točnošću od 2 mm, što potpuno uklanja vibracije automobila čak i pri najvećoj brzini. Broj i parametri nosivih magneta poslovna su tajna.

Riža. 5.30. Magnetski ovjesni vlak

Transportni sustav na magnetskom ovjesu potpuno je računalno upravljan, jer pri tako velikoj brzini osoba nema vremena reagirati na novonastale situacije. Računalo također kontrolira ubrzanje i usporavanje vlaka, uzimajući u obzir i zavoje na pruzi, tako da putnici ne osjećaju nelagodu tijekom ubrzanja koje se dogodi.

Opisani transportni sustav odlikuje se visokom pouzdanošću i neviđenom preciznošću u izvršavanju rasporeda prometa. Tijekom prve tri godine rada prevezeno je više od 8 milijuna putnika.

Danas su lideri u tehnologiji maglev (kratica za magnetsku levitaciju koja se koristi na Zapadu) Japan i Njemačka. U Japanu je maglev postavio svjetski rekord u brzini željezničkog prijevoza - 581 km / h. No, Japan još nije napredovao od postavljanja rekorda, vlakovi voze samo pokusnim linijama u prefekturi Yamanashi, ukupne duljine oko 19 km. U Njemačkoj tehnologiju Maglev razvija Transrapid. Iako komercijalna verzija Magleva nije uhvatila korijen u samoj Njemačkoj, vlakovima upravlja Eramsko poligonsko društvo Transrapid, koji je prvi u svijetu uspješno implementirao komercijalnu verziju Magleva u Kini.

Kao primjer već postojećih transportnih mehatroničkih sustava (TMS) s autonomnim upravljanjem, možemo navesti robotski stroj iz VisLaba i laboratorij strojnog vida i inteligentne sustave Sveučilišta u Parmi.

Četiri robotska automobila prešla su put bez presedana za autonomna vozila od 13 tisuća kilometara od talijanske Parme do Šangaja. Ovaj je eksperiment trebao biti težak test za inteligentni sustav autonomne vožnje TMS. Testirano je i u gradskom prometu, na primjer, u Moskvi.

Robotski automobili izgrađeni su na temelju minibusa (slika 5.31). Oni su se razlikovali od običnih automobila ne samo po autonomnom upravljanju, već i po čistoj električnoj vuči.

Riža. 5.31. Autonomno vozilo VisLab

Na krovu TMC -a, solarni paneli bili su smješteni za napajanje kritične opreme: robotski sustav koji okreće upravljač i pritiska papučice gasa i kočnice te računalne komponente automobila. Ostatak energije dobivali smo iz električnih utičnica dok smo putovali.

Svaki automobil robota bio je opremljen s četiri laserska skenera sprijeda, dva para stereo kamera koje gledaju naprijed i natrag, tri kamere koje pokrivaju vidno polje od 180 stupnjeva na prednjoj "hemisferi" i satelitskim navigacijskim sustavom, kao i nizom računala i programa koji omogućuju stroju donošenje odluka u određenim situacijama.

Drugi primjer autonomno upravljanog mehatroničkog transportnog sustava je robotsko električno vozilo RoboCar MEV-C japanske tvrtke ZMP (slika 5.32).

Slika 5.32. RoboCar MEV-C robotsko električno vozilo

Proizvođač pozicionira ovaj TMC kao stroj za daljnji napredni razvoj. Autonomni upravljački uređaj uključuje sljedeće komponente: stereo kameru, 9-osni bežični senzor pokreta, GPS modul, senzor temperature i vlažnosti, laserski daljinomjer, Bluetooth, Wi-Fi i 3G čipove te CAN protokol koji koordinira zajednički rad svih komponenti ... RoboCar MEV-C ima dimenzije 2,3 x 1,0 x 1,6 m i teži 310 kg.

Suvremeni predstavnik mehatroničkog transportnog sustava je transkuter koji pripada klasi lakih vozila s električnim pogonom.

Trans-skuteri su nova vrsta transformabilnih višenamjenskih kopnenih vozila za individualnu uporabu s električnim pogonom, uglavnom namijenjenih osobama s invaliditetom (slika 5.33). Glavna karakteristika primopredajnika od drugih kopnenih vozila je mogućnost prolaska po stepenicama na stepenicama i provedba načela multifunkcionalnosti, a time i transformabilnost u širokom rasponu.

Riža. 5.33. Pojava jednog od uzoraka transkutera iz obitelji "Kengur"

Propeler transkutera izrađen je na temelju mehatroničkog modula tipa "motor-kotač". Funkcije i, u skladu s tim, konfiguracije koje pruža obitelj skutera "Kengur" su sljedeće (slika 5.34):

- "Skuter" - kretanje velikom brzinom na dugoj podlozi;

- "Stolica" - manevriranje na kratkoj podlozi;

- "Ravnoteža" - kretanje dok stojite u načinu žirostabilizacije na dva kotača;

- "Compact-vertical"- kretanje dok stojite na tri kotača u načinu žiro stabilizacije;

- "Rubnjak" - prevladavanje rubnjaka dok stojite ili sjedite (neki modeli imaju dodatnu funkciju "Kosi rubnik" - svladavanje rubnjaka pod kutom do 8 stupnjeva);

- "Ljestve gore" - penjanje stepenicama prema naprijed, sjedenje ili stajanje;

- "Ljestve dolje" - silazak uz stepenice stepenica naprijed, dok sjedite;

- "Za stolom" - niski položaj sjedenja, noge na podu.

Riža. 5.34. Osnovne konfiguracije transkutera na primjeru jedne od njegovih varijanti

Trans skuter uključuje, u prosjeku, 10 kompaktnih električnih pogona velikog okretnog momenta s upravljanjem mikroprocesorom. Svi pogoni su istog tipa - motori istosmjernih ventila koji se upravljaju signalima iz Hall senzora.

Za upravljanje takvim uređajima koristi se višenamjenski mikroprocesorski upravljački sustav (CS) s ugrađenim računalom. Arhitektura upravljačkog sustava transkutera je dvoslojna. Donja razina je servisiranje samog pogona, gornja razina je koordinirani rad pogona prema zadanom programu (algoritmu), ispitivanje i praćenje rada sustava i senzora; vanjsko sučelje - daljinski pristup. Kao kontroler najviše razine (ugrađeno računalo) koristi se PCM-3350 iz Advantecha, izrađen u formatu PC / 104. Regulator niže razine je specijalizirani mikrokontroler Texas Instruments TMS320F2406 za upravljanje elektromotorima. Ukupan broj regulatora niske razine odgovornih za rad pojedinih jedinica je 13: deset pogonskih regulatora; kontroler glave upravljača, koji je također odgovoran za označavanje informacija prikazanih na zaslonu; kontroler za određivanje preostalog kapaciteta akumulatora; regulator punjenja i pražnjenja baterije. Razmjena podataka između ugrađenog računala transkutera i perifernih kontrolera podržana je putem zajedničke sabirnice s CAN sučeljem, što omogućuje minimiziranje broja žica i postizanje stvarne brzine prijenosa podataka od 1 Mbit / s.

Zadaci putnog računala: upravljanje električnim pogonima, servis naredbi s glave upravljača; izračun i prikaz preostale napunjenosti baterije; rješavanje problema putanje za kretanje uz stepenice; mogućnost daljinskog pristupa. Sljedeći pojedinačni programi implementiraju se putem ugrađenog računala:

Ubrzanje i usporavanje skutera s kontroliranim ubrzanjem / usporavanjem, koje je osobno prilagođeno korisniku;

Program koji implementira algoritam za rad stražnjih kotača u zavojima;

Uzdužna i poprečna stabilizacija žiroskopa;

Prevladavanje rubnjaka gore -dolje;

Gore i dolje stepenicama

Prilagođavanje veličini koraka;

Identifikacija parametara stubišta;

Promjene međuosovinskog razmaka (od 450 do 850 mm);

Nadzor senzora skutera, upravljačkih jedinica pogona, baterije;

Emulacija na temelju očitanja senzora parkirnog radara;

Daljinski pristup programima za upravljanje, mijenjanje postavki putem Interneta.

Transcooter ima 54 senzora koji mu omogućuju prilagodbu okolišu. Među njima: Hall senzori ugrađeni u elektromotore ventila; davači apsolutnog kuta koji određuju položaj sastavnih dijelova transkutera; otpornički osjetnik upravljača; infracrveni senzor udaljenosti za parking radar; inklinometar, koji vam omogućuje da odredite nagib skutera tijekom vožnje; akcelerometar i osjetnik kutne brzine za kontrolu žiroskopske stabilizacije; radiofrekvencijski prijemnik za daljinsko upravljanje; otpornički senzor linearnog pomaka za određivanje položaja stolice u odnosu na okvir; šante za mjerenje struje motora i zaostalog kapaciteta baterije; potenciometrijski regulator brzine; senzor težine mjerača naprezanja za kontrolu težine uređaja.

Opći blok dijagram CS -a prikazan je na slici 5.35.

Riža. 5.35. Blok dijagram SU-a trans-skuterom iz obitelji "Kengur"

Legenda:

RMC - davači apsolutnog kuta, DX - Hall senzori; BU - upravljačka jedinica; ZhKI - indikator tekućih kristala; MKL - motor lijevog kotača; MCP - motor desnog kotača; BMS - Sustav upravljanja energijom; LAN - priključak za vanjsko povezivanje ugrađenog računala za programiranje, konfiguraciju itd .; T - elektromagnetska kočnica.

Postoji stajalište da mehatroničke tehnologije uključuju tehnologije novih materijala i kompozita, mikroelektroniku, fotoniku, mikrobioniku, laser i druge tehnologije.

Međutim, istodobno dolazi do zamjene pojmova i umjesto mehatroničkih tehnologija, koje se provode na temelju uporabe mehatroničkih objekata, ti se radovi bave tehnologijom izrade i montaže takvih objekata.

Većina znanstvenih radnika sada vjeruje da mehatroničke tehnologije samo oblikuju i provode potrebne zakone izvršnih kretnji računalno upravljanih mehanizama, kao i agregate temeljene na njima, ili analiziraju ta kretanja radi rješavanja dijagnostičkih i prognostičkih problema.

U strojnoj obradi ove su tehnologije usmjerene na osiguravanje točnosti i produktivnosti koja se ne može postići bez uporabe mehatroničkih objekata čiji su prototipi strojevi za rezanje metala s otvorenim CNC sustavima. Konkretno, takve tehnologije omogućuju kompenzaciju pogrešaka koje nastaju zbog oscilacija alata u odnosu na obradak.

Međutim, prethodno treba napomenuti da mehatroničke tehnologije uključuju sljedeće faze:

Izjava o tehnološkom problemu;

Stvaranje modela procesa radi dobivanja zakona izvršnog prijedloga;

Razvoj softvera i informacijska podrška za implementaciju;

Dopuna baze upravljanja informacijama i dizajna tipičnog mehatroničkog objekta koji implementira predloženu tehnologiju, ako je potrebno.

Prilagodljiva metoda za povećanje otpornosti na vibracije tokarilice.

U uvjetima korištenja različitih alata za rezanje, strojno obrađenih dijelova složenih oblika i širokog raspona strojno obrađenih i materijala alata, vjerojatnost samoosciliranja i gubitka otpornosti na vibracije tehnološkog sustava stroja naglo se povećava.

To podrazumijeva smanjenje intenziteta obrade ili dodatna kapitalna ulaganja u tehnološki proces. Obećavajući način za smanjenje razine samoosciliranja je promjena brzine rezanja tijekom obrade.

Ova metoda je tehnički prilično jednostavna za provedbu i ima učinkovit utjecaj na proces rezanja. Ranije je ova metoda implementirana kao apriorna regulacija temeljena na preliminarnim proračunima, što ograničava njezinu primjenu, budući da ne dopušta uzimanje u obzir raznolikosti uzroka i varijabilnosti uvjeta za pojavu vibracija.

Prilagodljivi sustavi za kontrolu brzine rezanja s mrežnom kontrolom sile rezanja i njene dinamičke komponente mnogo su učinkovitiji.

Mehanizam za očitavanje razine vlastitih oscilacija tijekom obrade s promjenjivom brzinom rezanja može se predstaviti na sljedeći način.

Pretpostavimo da je pri obradi dijela s brzinom rezanja V 1 tehnološki sustav u uvjetima samoosciliranja. U tom slučaju učestalost i faza oscilacija na obrađenoj površini poklapaju se s učestalošću i fazom oscilacija rezne sile i samog rezača (te se oscilacije izražavaju u obliku drobljenja, valovitosti i hrapavosti).

Pri prelasku na brzinu V 2 dolazi do oscilacija na obrađenoj površini dijela u odnosu na rezač tijekom sljedećeg okretaja (pri obradi "na kolosijeku") s različitom frekvencijom i sinkronizmom titranja, odnosno njihova je fazna podudarnost prekršen. Zbog toga se u uvjetima obrade "na tragu" smanjuje intenzitet samooscilacija, a u njihovom spektru pojavljuju se visokofrekventni harmonici.

S vremenom, frekvencije prirodne rezonancije počinju dominirati u spektru, a proces samooscilacija ponovno se pojačava, što zahtijeva ponovnu promjenu brzine rezanja.

Iz rečenog proizlazi da su glavni parametri opisane metode količina promjene brzine rezanja V, kao i znak i učestalost te promjene. Učinkovitost učinka promjene brzine rezanja na performanse obrade treba procjenjivati ​​prema trajanju razdoblja oporavka auto-oscilacija. Što je veća, duže ostaje smanjena razina samooscilacija.

Razvoj metode za adaptivno upravljanje brzinom rezanja uključuje simulaciju ovog procesa na temelju matematičkog modela samooscilacija, koji bi trebao:

Uzmite u obzir dinamiku procesa rezanja;

Razmotrite praćenje obrade;

Adekvatno opišite postupak rezanja u uvjetima samoosciliranja.

Glavne prednosti mehatroničkih uređaja u usporedbi s tradicionalnim alatima za automatizaciju uključuju:

Relativno niski troškovi zbog visokog stupnja integracije, unifikacije i standardizacije svih elemenata i sučelja;

Visoka kvaliteta provedbe složenih i preciznih pokreta zahvaljujući upotrebi inteligentnih metoda upravljanja;

Visoka pouzdanost, trajnost i otpornost na buku;

Konstruktivna kompaktnost modula (do minijaturizacije i mikro strojeva),

Poboljšana težina, veličina i dinamičke karakteristike strojeva zbog pojednostavljenja kinematičkih lanaca;

Sposobnost integriranja funkcionalnih modula u složene mehatroničke sustave i komplekse za posebne zadaće korisnika.

Količina svjetske proizvodnje mehatroničkih uređaja povećava se svake godine, pokrivajući sve više novih područja. Danas se mehatronički moduli i sustavi široko koriste u sljedećim područjima:

Izgradnja strojeva i oprema za automatizaciju tehnoloških procesa;

Robotika (industrijska i specijalna);

Zrakoplovstvo, svemirska i vojna oprema;

Automobilski (na primjer, sustavi protiv blokiranja kočnica, sustavi za stabilizaciju vozila i automatsko parkiranje);

Netradicionalna vozila (električni bicikli, teretna kolica, električni valjci, invalidska kolica);

Uredska oprema (na primjer, fotokopirni strojevi i faks uređaji);

Elementi računalne tehnologije (na primjer, pisači, ploteri, diskete);

Medicinska oprema (rehabilitacijska, klinička, uslužna);

Kućanski aparati (perilice, šivaće, perilice posuđa i drugi strojevi);

Mikromašine (za medicinu, biotehnologiju, komunikacije i telekomunikacije);

Upravljački i mjerni uređaji i strojevi;

Foto i video oprema;

Simulatori za obuku pilota i operatera;

Show industrija (zvučni i rasvjetni sustavi).

Naravno, ovaj popis se može proširiti.

Brz razvoj mehatronike 90 -ih kao novog znanstvenog i tehničkog smjera posljedica su tri glavna čimbenika:

Novi trendovi u svjetskom industrijskom razvoju;

Razvoj temeljnih temelja i metodologije mehatronike (temeljne znanstvene ideje, temeljno nova tehničko -tehnološka rješenja);

Djelatnost stručnjaka u istraživačkim i obrazovnim područjima.

Trenutna faza u razvoju automatiziranog strojarstva u našoj zemlji odvija se u novim ekonomskim stvarnostima, kada se postavlja pitanje tehnološke održivosti zemlje i konkurentnosti proizvoda.

Sljedeći trendovi mogu se identificirati u ključnim zahtjevima svjetskog tržišta u području koje se razmatra:

Potreba za proizvodnjom i servisiranjem opreme u skladu s međunarodnim sustavom standarda kvalitete formuliranim u standardima ISO niz 9000 ;

Internacionalizacija tržišta znanstveno -tehničkih proizvoda i, kao rezultat toga, potreba za aktivnom primjenom oblika i metoda u praksu
međunarodni inženjering i prijenos tehnologije;

Povećanje uloge malih i srednjih proizvodnih poduzeća u gospodarstvu zbog njihove sposobnosti da brzo i fleksibilno odgovore na promjenjive zahtjeve tržišta;

Brz razvoj računalnih sustava i tehnologija, telekomunikacija (u zemljama EEZ -a 2000. godine 60% rasta ukupnog nacionalnog proizvoda bilo je posljedica ovih industrija); izravna posljedica ovog općeg trenda je intelektualizacija mehaničkih sustava upravljanja kretanjem i tehnoloških funkcija suvremenih strojeva.

Čini se prikladnim uzeti razinu integracije sastavnih elemenata kao glavni kriterij klasifikacije u mehatroniki. U skladu s ovom značajkom, mehatronički sustavi mogu se podijeliti po razinama ili po generacijama, ako uzmemo u obzir njihovu pojavu na tržištu proizvoda visoke tehnologije, povijesno gledano, mehatronički moduli prve razine kombinacija su samo dva početna elementa. Tipičan primjer modula prve generacije je "motor sa zupčanikom", gdje se mehanički mjenjač i upravljani motor proizvode kao jedna funkcionalna jedinica. Mehatronički sustavi temeljeni na tim modulima našli su široku primjenu u stvaranju različitih sredstava složene automatizacije proizvodnje (transporteri, transporteri, okretni stolovi, pomoćni manipulatori).

Mehatronički moduli druge razine pojavili su se 80 -ih godina u vezi s razvojem novih elektroničkih tehnologija, što je omogućilo stvaranje minijaturnih senzora i elektroničkih jedinica za obradu njihovih signala. Kombinacija pogonskih modula s tim elementima dovela je do pojave mehatroničkih modula kretanja čiji sastav u potpunosti odgovara gore navedenoj definiciji, kada je postignuta integracija tri uređaja različite fizičke prirode: 1) mehaničke, 2) električne i 3) elektronički. Na temelju mehatroničkih modula ove klase stvoreni su 1) strojevi s kontroliranim pogonom (turbine i generatori), 2) alatni strojevi i industrijski roboti s numeričkim upravljanjem.

Razvoj treće generacije mehatroničkih sustava posljedica je pojave na tržištu relativno jeftinih mikroprocesora i kontrolera na njihovoj osnovi i usmjeren je na intelektualnu integraciju svih procesa koji se događaju u mehatroničkom sustavu, prvenstveno procesa kontrole funkcionalnih kretanja strojeva i sklopovi. Istodobno se razvijaju nova načela i tehnologije za proizvodnju visokopreciznih i kompaktnih mehaničkih sklopova, kao i nove vrste elektromotora (prvenstveno bez četkica i linearnih s velikim zakretnim momentom), senzora povratne informacije i informacija. Sinteza novih 1) preciznosti, 2) informacija i 3) mjerenja znanstveno intenzivnih tehnologija daje osnovu za projektiranje i proizvodnju inteligentnih mehatroničkih modula i sustava.

U budućnosti će se mehatronički strojevi i sustavi kombinirati u mehatroničke komplekse temeljene na zajedničkim integracijskim platformama. Svrha stvaranja takvih kompleksa je postići kombinaciju visoke produktivnosti i istodobno fleksibilnosti tehničko -tehnološkog okruženja zbog mogućnosti njegove rekonfiguracije, što će osigurati konkurentnost i visoku kvalitetu proizvoda.

Suvremena poduzeća koja se upuštaju u razvoj i proizvodnju mehatroničkih proizvoda moraju riješiti sljedeće glavne zadatke u tom pogledu:

Strukturna integracija odjela strojarskih, elektroničkih i informacijskih profila (koji su u pravilu djelovali samostalno i odvojeno) u jedinstvene dizajnerske i proizvodne timove;

Osposobljavanje "mehatronički orijentiranih" inženjera i menadžera sposobnih za integraciju sustava i upravljanje radom stručnjaka uskog profila različitih kvalifikacija;

Integracija informacijskih tehnologija iz različitih znanstvenih i tehničkih područja (mehanika, elektronika, računalno upravljanje) u jedinstveni set alata za računalnu podršku mehatroničkih zadataka;

Standardizacija i unifikacija svih elemenata i procesa koji se koriste u projektiranju i proizvodnji MS -a.

Rješavanje navedenih problema često zahtijeva nadilaženje tradicija upravljanja koje su se razvile u poduzeću i ambicija srednjih menadžera koji su navikli rješavati samo svoje uskoprofilne zadatke. Zato su srednja i mala poduzeća, koja mogu lako i fleksibilno mijenjati svoju strukturu, spremnija za prijelaz na proizvodnju mehatroničkih proizvoda.

Slične informacije.

Količina svjetske proizvodnje mehatroničkih uređaja povećava se svake godine, pokrivajući sve više novih područja. Danas se mehatronički moduli i sustavi široko koriste u sljedećim područjima:

Alatni strojevi i oprema za automatizaciju tehnoloških

procesi;

Robotika (industrijska i specijalna);

Zrakoplovstvo, svemirska i vojna oprema;

Automobilski (npr. Sustavi protiv blokiranja kočnica,

sustavi za stabilizaciju kretanja vozila i automatsko parkiranje);

Netradicionalna vozila (e-bicikli, teret

kolica, električni valjci, invalidska kolica);

Uredska oprema (na primjer, fotokopirni strojevi i faks uređaji);

Elementi računalne tehnologije (na primjer, pisači, ploteri,

diskete);

Medicinska oprema (rehabilitacijska, klinička, uslužna);

Kućanski aparati (perilice, šivaće, perilice posuđa i drugi strojevi);

Mikromašine (za medicinu, biotehnologiju,

telekomunikacija);

Upravljački i mjerni uređaji i strojevi;

Foto i video oprema;

Simulatori za obuku pilota i operatera;

Show industrija (zvučni i rasvjetni sustavi).

POPIS REFERENCE

1.
Yu. V. Poduraev "Osnove mehatronike" Udžbenik. Moskva - 2000. 104 s.

2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Mechatronics

3.
http://mau.ejournal.ru/

4.
http://mechatronica-journal.stankin.ru/

Analiza strukture mehatroničkih sustava mehatroničkih modula

Vodič

U disciplini "Projektiranje mehatroničkih sustava"

u specijalnosti 220401.65

"Mehatronika"

g. Togliatti 2010

Krasnov S.V., Lysenko I.V. Projektiranje mehatroničkih sustava. Dio 2. Projektiranje elektromehaničkih modula mehatroničkih sustava

Zabilješka. Udžbenik sadrži podatke o sastavu mehatroničkog sustava, mjestu elektromehatroničkih modula u mehatroničkim sustavima, strukturi elektromehatroničkih modula, njihovim vrstama i značajkama, uključuje faze i metode projektiranja mehatroničkih sustava. kriteriji za izračunavanje karakteristika opterećenja modula, kriteriji za odabir pogona itd.

1 Analiza strukture mehatroničkih sustava mehatroničkih modula 5

1.1 Analiza strukture mehatroničkog sustava 5

1.2 Analiza opreme pogona mehatroničkih modula 12

1.3 Analiza i klasifikacija elektromotora 15

1.4 Analiza strukture upravljačkih sustava pogona 20

1.5 Tehnologije formiranja upravljačkog signala. PWM modulacija i PID regulacija 28

1.6 Analiza pogona i sustava numeričkog upravljanja alatnim strojevima 33

1.7 Energetski i izlazni mehanički pretvarači pogona mehatroničkih modula 39

1.8 Senzori povratne sprege pogona mehatroničkih modula 44

2 Osnovni pojmovi i metodologije za projektiranje mehatroničkih sustava (MS) 48

2.1 Osnovna načela za projektiranje mehatroničkih sustava 48

2.2 Opis faza projektiranja MS 60

2.3 Proizvodnja (implementacija) MS -a 79

2.4 Testiranje MS -a 79

2.5 Procjena kvalitete MS 83

2.6 Dokumentacija za MS 86

2.7 Ekonomska učinkovitost MS 87

2.8 Razvoj mjera za osiguranje sigurnih uvjeta rada s elektromehaničkim modulima 88

3. Metode izračunavanja parametara i projektiranje mehatroničkih modula 91

3.1 Funkcionalno modeliranje procesa projektiranja mehatroničkog modula 91

3.2 Koraci za projektiranje mehatroničkog modula 91

3.3 Analiza kriterija odabira motora mehatroničkih sustava 91

3.4 Analiza osnovnog matematičkog aparata za izračunavanje pogona 98

3.5 Izračun potrebne snage i odabir ED izvora 101

3.6 Upravljanje istosmjernim motorom prema položaju 110

3.7 Opis suvremenih hardverskih i softverskih rješenja za upravljanje izvršnim elementima alatnih strojeva 121

Popis izvora i literature 135

Mehatronika proučava sinergijsku kombinaciju jedinica precizne mehanike s elektroničkim, električnim i računalnim komponentama kako bi projektirala i proizvela kvalitetno nove module, sustave, strojeve i kompleks strojeva s inteligentnom kontrolom njihovih funkcionalnih kretnji.

Mehatronički sustav - skup mehatroničkih modula (jezgra računala, informacijski uređaji -senzori, elektromehanički (motorni pogoni), mehanički (izvršni elementi - rezači, robotske ruke itd.)), Softver (posebno - upravljački programi, sustav - operacijski sustavi i okruženja , vozači).

Mehatronički modul - zasebna jedinica mehatroničkog sustava, skup hardvera i softvera koji pokreću jedno ili više izvršnih tijela.

Integrirane mehatroničke elemente odabire programer u fazi projektiranja, a zatim se pruža potrebna inženjerska i tehnološka podrška.

Metodološka osnova za razvoj MS -a su metode paralelnog projektiranja, odnosno istodobne i međusobno povezane u sintezi svih komponenti sustava. Osnovni objekti su mehatronički moduli koji se kreću, u pravilu, po jednoj koordinati. U mehatroničkim sustavima, kako bi se osigurala visoka kvaliteta provedbe složenih i preciznih kretnji, koriste se metode inteligentnog upravljanja (nove ideje u teoriji upravljanja, suvremena računala).

Glavne komponente tradicionalnog mehatroničkog stroja su:

Mehanički uređaji čija je posljednja karika radno tijelo;

Pogonska jedinica, uključujući pretvarače i motore;

Računalni upravljački uređaji, čija je razina ljudski operater, ili drugo računalo uključeno u računalnu mrežu;

Senzorski uređaji dizajnirani za prijenos informacija o stvarnom stanju blokova stroja i kretanju mehatroničkog sustava do upravljačkog uređaja.

Stoga je prisutnost tri obvezna dijela: elektromehaničkog, elektroničkog, računala, povezanog energetskim i informacijskim tokovima, primarna značajka koja razlikuje mehatronički sustav.

Dakle, za fizičku implementaciju mehatroničkog sustava teoretski su potrebna 4 glavna funkcionalna bloka koja su prikazana na slici 1.1.

Slika 1.1 - Blok dijagram mehatroničkog sustava

Ako se rad temelji na hidrauličkim, pneumatskim ili kombiniranim procesima, tada su potrebni odgovarajući pretvarači i senzori povratne sprege.

Mehatronika je znanstvena i tehnička disciplina koja proučava izgradnju nove generacije elektromehaničkih sustava s bitno novim kvalitetama i, često, rekordnim parametrima. Obično je mehatronički sustav kombinacija elektromehaničkih komponenti s najnovijom energetskom elektronikom, kojima upravljaju različiti mikrokontroleri, računala ili drugi računalni uređaji. Istodobno, sustav u doista mehatroničkom pristupu, unatoč korištenju standardnih komponenti, izgrađen je što je više moguće monolitno, dizajneri pokušavaju kombinirati sve dijelove sustava bez korištenja nepotrebnih sučelja između modula. Konkretno, pomoću ADC -a ugrađenih izravno u mikrokontrolere, inteligentnih pretvarača snage itd. To daje smanjenje težine i dimenzija, povećanje pouzdanosti sustava i druge prednosti. Svaki sustav koji kontrolira skupinu pogona može se smatrati mehatroničkim. Konkretno, ako upravlja skupinom mlaznih motora svemirskih letjelica.

Slika 1.2 - Sastav mehatroničkog sustava

Ponekad sustav sadrži jedinice koje su u osnovi nove s gledišta dizajna, poput elektromagnetskih ovjesa, koji zamjenjuju konvencionalne ležajne jedinice.

Razmotrimo općenitu strukturu računala s računalnim upravljanjem, usredotočenu na zadatke automatiziranog strojarstva.

Vanjsko okruženje za strojeve klase koja se razmatra je tehnološko okruženje koje sadrži različitu glavnu i pomoćnu opremu, tehnološku opremu i radne objekte. Kada mehatronički sustav izvodi zadano funkcionalno kretanje, predmeti rada imaju ometajući učinak na radno tijelo. Primjeri takvih radnji su sile rezanja za operacije strojne obrade, kontaktne sile i momenti sila tijekom montaže te reakcijska sila mlaza tekućine tijekom operacije hidrauličkog rezanja.

Vanjsko okruženje može se općenito podijeliti u dvije glavne klase: determinističko i nedeterminističko. Deterministička okruženja uključuju okruženja za koja se parametri ometajućih utjecaja i karakteristike radnih objekata mogu unaprijed odrediti sa stupnjem točnosti koji je potreban za projektiranje MS -a. Neka su okruženja po prirodi nedeterminističke (na primjer, ekstremna okruženja: podmorje, podzemlje itd.). Karakteristike tehnoloških okruženja obično se mogu odrediti pomoću analitičkih i eksperimentalnih studija i metoda računalnog modeliranja. Na primjer, za procjenu reznih sila tijekom obrade, provodi se niz eksperimenata na posebnim istraživačkim instalacijama, parametri učinka vibracija mjere se na vibracijskim stalcima, nakon čega slijedi formiranje matematičkih i računalnih modela uznemirujućih učinaka na temelju eksperimentalnih podataka .

Međutim, organizacija i provođenje takvih studija često zahtijeva previše složenu i skupu opremu i mjerne tehnologije. Dakle, za preliminarnu procjenu utjecaja sile na radno tijelo tijekom operacije uklanjanja robotskog bljeskalice iz lijevanih proizvoda, potrebno je izmjeriti stvarni oblik i dimenzije svakog obratka.

Slika 1.3 - Opći dijagram mehatroničkog sustava s računalnom kontrolom kretanja

U takvim slučajevima preporučljivo je primijeniti metode prilagodljivog upravljanja koje omogućuju automatsko ispravljanje zakona gibanja MS -a izravno tijekom operacije.

Struktura tradicionalnog stroja uključuje sljedeće glavne komponente: mehanički uređaj čija je posljednja karika radno tijelo; blokovi pogona, uključujući pretvarače snage i izvršne motore; računalni upravljački uređaj, čija je gornja razina ljudski operater, ili drugo računalo uključeno u računalnu mrežu; senzori dizajnirani za prijenos informacija o stvarnom stanju blokova stroja i kretanju MS -a do upravljačkog uređaja.

Dakle, prisutnost tri obvezna dijela - mehaničkog (točnije elektromehaničkog), elektroničkog i računala, povezanog energetskim i informacijskim tokovima, primarna je značajka koja razlikuje mehatroničke sustave.

Elektromehanički dio uključuje mehaničke karike i prijenosnike, radno tijelo, elektromotore, senzore i dodatne električne elemente (kočnice, spojke). Mehanički uređaj je dizajniran za pretvaranje kretnji karika u potrebno kretanje radnog tijela. Elektronički dio sastoji se od mikroelektroničkih uređaja, pretvarača snage i elektronike mjernih krugova. Senzori su dizajnirani za prikupljanje podataka o stvarnom stanju vanjskog okruženja i objektima rada, mehaničkom uređaju i pogonskoj jedinici, nakon čega slijedi primarna obrada i prijenos ovih informacija na upravljački uređaj računala (UCU). UCU mehatroničkog sustava obično uključuje računalo na visokoj razini i kontrolere kretanja.

Računalni upravljački uređaj obavlja sljedeće glavne funkcije:

Upravljanje procesom mehaničkog kretanja mehatroničkog modula ili višedimenzionalnog sustava u stvarnom vremenu s obradom osjetnih informacija;

Organizacija kontrole funkcionalnih kretnji MS -a, koja uključuje koordinaciju kontrole mehaničkog kretanja MS -a i popratnih vanjskih procesa. U pravilu se za provedbu funkcije upravljanja vanjskim procesima koriste diskretni ulazi / izlazi uređaja;

Interakcija s ljudskim operaterom putem sučelja čovjek-stroj u izvanmrežnim načinima programiranja (izvan mreže) i izravno tijekom kretanja MS-a (mrežni način rada);

Organizacija razmjene podataka s perifernim uređajima, senzorima i drugim uređajima sustava.

Zadatak mehatroničkog sustava je pretvaranje ulaznih informacija s gornje razine upravljanja u namjensko mehaničko kretanje s upravljanjem na principu povratne sprege. Karakteristično je da se električna energija (rjeđe hidraulična ili pneumatska) koristi u suvremenim sustavima kao posredni oblik energije.

Bit mehatroničkog pristupa projektiranju je integracija dva ili više elemenata, moguće čak i različite fizičke prirode, u jedan funkcionalni modul. Drugim riječima, u fazi projektiranja barem je jedno sučelje isključeno iz tradicionalne strukture stroja kao zaseban uređaj, zadržavajući pritom fizičku bit transformacije koju izvodi ovaj modul.

Idealno za korisnika, mehatronički modul, nakon što na ulazu primi informacije o upravljačkom cilju, izvest će navedeno funkcionalno kretanje sa željenim parametrima kvalitete. Hardverska integracija elemenata u pojedinačne strukturne module mora biti popraćena razvojem integriranog softvera. MS softver trebao bi omogućiti izravan prijelaz s dizajna sustava kroz njegovo matematičko modeliranje na kontrolu funkcionalnog kretanja u stvarnom vremenu.

Korištenje mehatroničkog pristupa u stvaranju strojeva upravljanih računalom određuje njihove glavne prednosti u odnosu na tradicionalne alate za automatizaciju:

Relativno niski troškovi zbog visokog stupnja integracije, unifikacije i standardizacije svih elemenata i sučelja;

Visoka kvaliteta provedbe složenih i preciznih pokreta zahvaljujući upotrebi inteligentnih metoda upravljanja;

Visoka pouzdanost, trajnost i otpornost na buku;

Konstruktivna kompaktnost modula (do minijaturizacije u mikro strojevima),

Poboljšana težina, veličina i dinamičke karakteristike strojeva zbog pojednostavljenja kinematičkih lanaca;

Sposobnost integriranja funkcionalnih modula u složene sustave i komplekse za specifične zadaće korisnika.

Razvrstavanje pokretača mehatroničkog sustava prikazano je na slici 1.4.

Slika 1.4 - Klasifikacija pogona mehatroničkog sustava

Na slici 1.5 prikazan je shematski dijagram elektromehatroničke jedinice temeljene na pogonu.

Slika 1.5 - Dijagram elektromehatroničke jedinice

U raznim područjima tehnologije naširoko se koriste pogoni koji obavljaju funkcije napajanja u upravljačkim sustavima za razne objekte. Automatizacija tehnoloških procesa i industrija, osobito u strojarstvu, nemoguća je bez uporabe različitih pogona, koji uključuju: aktuatore određene tehnološkim procesom, motore i sustav upravljanja motorom. U pogonima MC upravljačkih sustava (tehnološki strojevi, automati MA, PR, itd.) Koriste se izvršni motori koji se značajno razlikuju po fizičkim učincima. Ostvarenje takvih fizičkih učinaka kao što su magnetizam (elektromotori), gravitacija u obliku pretvaranja hidrauličkih i zračnih tokova u mehaničko kretanje, širenje medija (motori s unutarnjim izgaranjem, mlaz, para itd.); elektroliza (kapacitivni motori), zajedno s najnovijim dostignućima mikroprocesorske tehnologije, omogućuje stvaranje modernih pogonskih sustava (PS) s poboljšanim tehničkim karakteristikama. Odnos parametara snage pogona (okretni moment, napor) s kinematičkim parametrima (kutna brzina izlaznog vratila, brzina linearnog kretanja šipke IM) određen je mehaničkim karakteristikama električnih, hidrauličkih, pneumatskih i drugih pogoni, agregatno ili odvojeno, rješavaju probleme kretanja (radni, prazni) mehaničkog dijela MS (tehnološke opreme). U ovom slučaju, ako je potrebno regulirati izlazne parametre stroja (snagu, brzinu, energiju), tada bi se mehaničke karakteristike motora (pogona) trebale odgovarajuće promijeniti kao rezultat upravljanja upravljačkim uređajima, na primjer, razinu opskrbnog napona, struje, tlaka, protoka tekućine ili plina.

Lakoća generiranja mehaničkih kretanja izravno iz električne energije u pogonskim sustavima s elektromotorom, tj. u elektromehaničkim sustavima EMC, unaprijed određuje niz prednosti takvog pogona u odnosu na hidraulične i pneumatske. Trenutno elektromotore istosmjerne i izmjenične struje proizvode proizvođači od desetinki vata do desetaka megavata, što omogućuje podmirenje potražnje za njima (u smislu potrebne snage) kako za uporabu u industriji, tako i za mnoge vrste transporta , u svakodnevnom životu.

Hidraulični pogoni MS (tehnološka oprema i PR) u usporedbi s električnim pogonima, naširoko se koriste u transportu, rudarstvu, građevinarstvu, cestovnim, kolosiječnim, melioracijskim i poljoprivrednim strojevima, mehanizmima za podizanje i transport, zrakoplovima i podvodnim vozilima. Imaju značajnu prednost u odnosu na elektromehanički pogon gdje je potrebno značajno opterećenje s malim dimenzijama, na primjer, u kočnim sustavima ili automatskim mjenjačima automobila, raketnoj i svemirskoj tehnologiji. Široka primjena hidrauličkih pogona posljedica je činjenice da je napetost radnog okruženja u njima mnogo veća od napetosti radnog okruženja u elektromotorima i industrijskim pneumatskim pogonima. U stvarnim hidrauličkim pogonima napetost radnog medija u smjeru prijenosa gibanja iznosi 6-100 MPa s fleksibilnom kontrolom zbog regulacije protoka tekućine hidrauličkim uređajima koji imaju različite komande, uključujući i elektroničke. Kompaktnost i niska inercija hidrauličkog pogona osiguravaju laku i brzu promjenu smjera kretanja MI, a uporaba elektroničke upravljačke opreme omogućuje prihvatljive prijelazne procese i zadanu stabilizaciju izlaznih parametara.

Za automatiziranje upravljanja MS -om (razna tehnološka oprema, automatski strojevi i PR), pneumatski pogoni na temelju pneumatskih motora također se široko koriste za provedbu translacijskih i rotacijskih kretnji. Međutim, zbog značajne razlike u svojstvima radnog medija pneumatskih i hidrauličkih pogona, njihove se tehničke karakteristike razlikuju zbog značajne stišljivosti plinova u usporedbi sa stišljivošću tekućine koja kaplje. Jednostavnog dizajna, dobrih ekonomskih performansi i dovoljne pouzdanosti, ali niskih svojstava upravljanja, pneumatski pogoni ne mogu se koristiti u pozicijskim i konturnim načinima rada, što donekle smanjuje atraktivnost njihove uporabe u MS -u (tehničkim sustavima vozila).

Određivanje najprihvatljivije vrste energije u pogonu s mogućom postignutom učinkovitošću njegove uporabe tijekom rada tehnologije ili opreme za druge namjene prilično je složen zadatak i može imati nekoliko rješenja. Prije svega, svaki pogon mora zadovoljiti svoju svrhu usluge, potrebnu snagu i kinematičke karakteristike. Odlučujući čimbenici u postizanju potrebne snage i kinematičkih karakteristika, ergonomskih parametara razvijenog pogona mogu biti: brzina pogona, točnost pozicioniranja i kvaliteta upravljanja, ograničenja težine i ukupnih dimenzija, mjesto pogona u općem rasporedu opreme. Konačna odluka, s usporedivošću odlučujućih čimbenika, donosi se na temelju rezultata ekonomske usporedbe različitih opcija za odabranu vrstu pogona u smislu početnih i operativnih troškova za njegovo projektiranje, proizvodnju i rad.

Tablica 1.1 - Klasifikacija elektromotora