Príkladmi mechatronických systémov sú robotické autá. Mechatronické systémy pre cestnú dopravu
Mechatronika vznikla ako komplexná veda zlúčením jednotlivých častí mechaniky a mikroelektroniky. Dá sa definovať ako veda, ktorá sa zaoberá analýzou a syntézou zložitých systémov, ktoré rovnomerne využívajú mechanické a elektronické riadiace zariadenia.
Všetky mechatronické systémy automobilov sú rozdelené do troch hlavných skupín podľa ich funkčného účelu:
- - riadiace systémy motora;
- - systémy riadenia prevodovky a podvozku;
- - riadiace systémy vybavenia kabíny.
Systém riadenia motora je rozdelený na benzínové a benzínové riadiace systémy. naftový motor. Podľa účelu môžu byť monofunkčné alebo komplexné.
V monofunkčných systémoch počítač vysiela signály iba do vstrekovacieho systému. Injekciu je možné vykonávať kontinuálne alebo pulzne. Pri konštantnom prívode paliva sa jeho množstvo mení v dôsledku zmien tlaku v palivovom potrubí a pri impulznom prívode - v dôsledku trvania impulzu a jeho frekvencie. Dnes je jednou z najsľubnejších oblastí aplikácie mechatronických systémov automobily. Ak vezmeme do úvahy automobilový priemysel, zavedenie takýchto systémov nám umožní dosiahnuť dostatočnú flexibilitu vo výrobe, lepšie zachytiť módne trendy, rýchlo implementovať pokrokový vývoj vedcov a dizajnérov, a tým získať novú kvalitu pre kupujúcich automobilov. Najmä auto samotné moderné auto, je z konštrukčného hľadiska predmetom dôkladnej úvahy. Moderné využitie automobilu si vyžaduje zvýšené požiadavky na bezpečnosť jazdy, vzhľadom na stále silnejúcu motorizáciu krajín a sprísňujúce sa ekologické normy. To platí najmä pre megamestá. Dizajn mobilných sledovacích systémov, ktoré monitorujú a korigujú prevádzkové charakteristiky komponentov a zostáv, sú navrhnuté tak, aby reagovali na dnešné výzvy urbanizmu, dosahovali optimálne ukazovatele šetrnosti k životnému prostrediu, bezpečnosti a prevádzkového komfortu vozidla. Existuje naliehavá potreba vybaviť motory automobilov zložitejšími a drahšími palivové systémy je z veľkej časti dôsledkom zavádzania čoraz prísnejších požiadaviek na obsah škodlivé látky vo výfukových plynoch, ktorý sa, žiaľ, len začína rozvíjať.
V zložitých systémoch riadi jedna elektronická jednotka niekoľko podsystémov: vstrekovanie paliva, zapaľovanie, časovanie ventilov, autodiagnostiku atď. Systém elektronické ovládanie dieselový motor riadi množstvo vstrekovaného paliva, okamih štartu vstreku, prúd zapaľovacej sviečky atď. V systéme elektronického riadenia prevodovky je objektom riadenia hlavne automatická prevodovka. Na základe signálov zo snímačov uhla otvorenia škrtiaca klapka a rýchlosti vozidla, ECU vyberá optimálny prevodový pomer, čím sa zlepšuje spotreba paliva a ovládateľnosť. Ovládanie podvozku zahŕňa riadenie procesov pohybu, zmenu trajektórie a brzdenie vozidla. Ovplyvňujú odpruženie, riadenie a brzdový systém zabezpečujú dodržanie špecifikovanej rýchlosti. Ovládanie vnútorného vybavenia je navrhnuté tak, aby zvýšilo komfort a spotrebiteľskú hodnotu auta. Na tento účel slúži klimatizácia, elektronický prístrojový panel, multifunkčný informačný systém, kompas, svetlomety, stierač predného skla. prerušovaný režim prevádzky, indikátor vypálenej lampy, zariadenie na detekciu prekážok pri pohybe naopak, zariadenia proti krádeži, komunikačné zariadenia, centrálne zamykanie dverí, elektrické ovládanie okien, variabilné polohovanie sedadiel, bezpečnostný režim atď.
Mechatronické moduly sa čoraz viac využívajú v rôznych dopravných systémoch.
Moderné auto ako celok je mechatronický systém vrátane mechaniky, elektroniky, rôznych senzorov, palubného počítača, ktorý monitoruje a reguluje činnosť všetkých systémov vozidla, informuje užívateľa a prenáša riadenie z užívateľa na všetky systémy. Automobilový priemysel je v súčasnej fáze svojho rozvoja jednou z najperspektívnejších oblastí pre implementáciu mechatronických systémov z dôvodu zvýšeného dopytu a zvyšujúcej sa motorizácie obyvateľstva, ako aj z dôvodu existencie konkurencie medzi jednotlivými výrobcami.
Ak moderné auto zaradíme podľa princípu ovládania, patrí medzi antropomorfné zariadenia, pretože jeho pohyb riadi človek. Už teraz môžeme povedať, že v dohľadnej dobe automobilového priemyslu by sme sa mali dočkať objavenia sa áut so schopnosťou autonómnej jazdy, t.j. s inteligentným systémom riadenia pohybu.
Tvrdá konkurencia automobilový trh núti špecialistov v tejto oblasti hľadať nové pokročilé technológie. Dnes je jedným z hlavných problémov vývojárov vytvorenie „inteligentných“ elektronických zariadení, ktoré dokážu znížiť počet dopravných nehôd (RTA). Výsledkom práce v tejto oblasti bolo vytvorenie integrovaného bezpečnostného systému vozidla (SCBA), ktorý je schopný automaticky udržiavať danú vzdialenosť, zastaviť auto na červenú na semafore a upozorniť vodiča, že predbieha odbočku na rýchlosť vyššiu, ako dovoľujú fyzikálne zákony. Boli vyvinuté dokonca aj otrasové senzory s rádiovým alarmom, ktoré keď auto narazí na prekážku alebo kolíziu, zavolá sanitku.
Všetky tieto elektronické zariadenia Prevencia nehôd spadá do dvoch kategórií. Prvá zahŕňa zariadenia v aute, ktoré fungujú nezávisle od akýchkoľvek signálov z externých informačných zdrojov (iné autá, infraštruktúra). Spracúvajú informácie prichádzajúce z palubného radaru (radaru). Druhou kategóriou sú systémy, ktorých činnosť je založená na údajoch získaných z informačných zdrojov umiestnených v blízkosti cesty, najmä z majákov, ktoré zbierajú informácie o situácii na ceste a prostredníctvom infračervených lúčov ich prenášajú na prechádzajúce autá.
SKBA skombinovala novú generáciu vyššie uvedených zariadení. Prijíma radarové signály aj infračervené lúče „mysliacich“ majákov a okrem hlavných funkcií zabezpečuje nepretržitý a pokojný pohyb vodiča na neregulovaných križovatkách ciest a ulíc, obmedzuje rýchlosť v zákrutách a v obytných zónach. v rámci stanovených rýchlostných limitov. Ako všetky autonómne systémy, aj SCBA vyžaduje, aby bolo vozidlo vybavené protiblokovacími brzdami (ABS) a automatickou prevodovkou.
Súčasťou SKBA je laserový diaľkomer, ktorý neustále meria vzdialenosť medzi autom a akoukoľvek prekážkou na ceste – pohybujúcou sa alebo stojacou. Ak je kolízia pravdepodobná a vodič nespomalí, mikroprocesor vydá príkaz na uvoľnenie tlaku na plynový pedál a použitie bŕzd. Na malej obrazovke na prístrojovej doske bliká výstraha pred nebezpečenstvom. Na želanie vodiča dokáže palubný počítač nastaviť bezpečnú vzdialenosť v závislosti od povrchu vozovky – mokrej alebo suchej.
SKBA (obr. 5.22) je schopná riadiť auto so zameraním na biele čiary značenia povrchu vozovky. Na to je však potrebné, aby boli jasné, pretože ich neustále „číta“ videokamera na palube. Spracovanie obrazu potom určí polohu vozidla vzhľadom na čiary a elektronický systém podľa toho riadi riadenie.
Palubné prijímače infračervených lúčov SKBA fungujú v prítomnosti vysielačov umiestnených v určitých intervaloch pozdĺž vozovky. Lúče sa pohybujú priamo a na krátku vzdialenosť (približne do 120 m) a dáta prenášané kódovanými signálmi nemôžu byť rušené alebo skreslené.
Ryža. 5.22. Integrovaný systém zabezpečenia vozidla: 1 - prijímač infračervených lúčov; 2 - snímač počasia (dážď, vlhkosť); 3 - pohon škrtiacej klapky energetického systému; 4 - počítač; 5 - pomocný elektrický ventil v brzdovom pohone; 6 - ABS; 7 - diaľkomer; 8 - automatická prevodovka; 9 - snímač rýchlosti vozidla; 10 - pomocný elektrický ventil riadenia; 11 - snímač akcelerátora; 12 - snímač riadenia; 13 - signálna tabuľka; 14 - Počítač s elektronickým videním; 15 - televízna kamera; 16 - obrazovka.
Na obr. 5.23 ukazuje snímač počasia Boch. V závislosti od modelu je vo vnútri umiestnená infračervená LED a jeden až tri fotodetektory. LED dióda vyžaruje neviditeľný lúč v ostrom uhle k povrchu čelného skla. Ak je vonku sucho, všetko svetlo sa odráža späť a dopadá na fotodetektor (takto je navrhnutý optický systém). Keďže lúč je modulovaný impulzmi, snímač nebude reagovať na vonkajšie svetlo. Ak sú však na skle kvapky alebo vrstva vody, podmienky lomu sa zmenia a časť svetla sa dostane do vesmíru. Snímač to zistí a ovládač vypočíta vhodný prevádzkový režim pre stierač. Toto zariadenie zároveň dokáže zavrieť elektrické strešné okno a zdvihnúť okná. Senzor má ďalšie 2 fotodetektory, ktoré sú integrované do spoločného krytu so senzorom počasia. Prvý je pre automatické zapínanie svetlomety, keď sa zotmie alebo auto vojde do tunela. Druhý prepína medzi „diaľkovými“ a „stretacími“ svetlami. Či sú tieto funkcie povolené, závisí od konkrétneho modelu vozidla.
Obr.5.23. Princíp činnosti senzora počasia
Protiblokovacie brzdové systémy (ABS), ich potrebné komponenty - snímače otáčok kolies, elektronický procesor (riadiaca jednotka), servoventily, hydraulické čerpadlo s elektrickým pohonom a tlakovým akumulátorom. Niektoré skoré ABS boli „trojkanálové“, t.j. ovládal predné brzdové mechanizmy jednotlivo, ale úplne uvoľnil všetky zadné brzdové mechanizmy, keď sa niektoré zo zadných kolies začalo blokovať. To ušetrilo určité náklady a zložitosť dizajnu, ale malo za následok nižšiu efektivitu v porovnaní s úplným štvorkanálovým systémom, v ktorom je každý z nich brzdový mechanizmus riadené individuálne.
ABS má veľa spoločného systém kontroly trakcie(ABS), ktorého činnosť by sa dala považovať za „ABS v spätnom chode“, keďže ABS funguje na princípe detekcie momentu rýchlej rotácie jedného z kolies v porovnaní s druhým (moment preklzu) a odoslania signálu brzdiť toto koleso. Snímače rýchlosti kolies môžu byť všeobecné a teda väčšina efektívna metóda Aby sa predišlo preklzávaniu hnacieho kolesa znížením jeho rýchlosti, je potrebné okamžite (a v prípade potreby aj opakovane) brzdiť, brzdové impulzy je možné prijímať z ventilového bloku ABS. V skutočnosti, ak je prítomný ABS, je to všetko, čo je potrebné na zabezpečenie ABS - plus nejaký ďalší softvér a dodatočná riadiaca jednotka na zníženie krútiaceho momentu motora v prípade potreby alebo zníženie množstva dodávaného paliva alebo priamo zasahujú do ovládania plynového pedálu systém .
Na obr. 5.24 ukazuje diagram elektronický systém napájanie auta: 1 - relé zapaľovania; 2 - centrálny spínač; 3 - batéria; 4 - neutralizátor výfukových plynov; 5 - kyslíkový senzor; 6 - vzduchový filter; 7 - snímač hmotnostného prietoku vzduchu; 8 - diagnostický blok; 9 - regulátor nečinný pohyb; 10 - snímač polohy škrtiacej klapky; 11 - potrubie škrtiacej klapky; 12 - modul zapaľovania; 13 - fázový snímač; 14 - tryska; 15 - regulátor tlaku paliva; 16 - snímač teploty chladiacej kvapaliny; 17 - sviečka; 18 - snímač polohy kľukového hriadeľa; 19 - snímač klepania; 20 - palivový filter; 21 - ovládač; 22 - snímač rýchlosti; 23 - palivové čerpadlo; 24 - spínacie relé palivové čerpadlo; 25 - plynová nádrž.
Ryža. 5.24. Zjednodušená schéma vstrekovacieho systému
Jednou zo súčastí airbagu je airbag (pozri obr. 5.25), ktorého prvky sú umiestnené v rôznych častiach auta. Inerciálne senzory umiestnené v nárazníku, v blízkosti štítu motora, v stĺpikoch alebo v oblasti lakťovej opierky (v závislosti od modelu auta), v prípade nehody vyšlú signál do elektronickej riadiacej jednotky. Vo väčšine moderných predných snímačov SKBA sú navrhnuté pre nárazové sily pri rýchlostiach 50 km/h. Tie bočné spúšťajú slabšie nárazy. Z elektronickej riadiacej jednotky ide signál do hlavného modulu, ktorý pozostáva z kompaktne položeného vankúša pripojeného k generátoru plynu. Posledne menovaný je tableta s priemerom asi 10 cm a hrúbkou asi 1 cm s kryštalickou látkou generujúcou dusík. Elektrický impulz zapáli rozprašovač v „tablete“ alebo roztaví drôt a kryštály sa rýchlosťou explózie premenia na plyn. Celý opísaný proces prebieha veľmi rýchlo. „Priemerný“ vankúš sa naplní za 25 ms. Povrch európskeho štandardného airbagu sa rúti smerom k hrudníku a tvári rýchlosťou asi 200 km/h a americký štandard - asi 300. Preto v automobiloch vybavených airbagom výrobcovia dôrazne odporúčajú, aby ste sa pripútali a nesedeli v blízkosti volantu alebo palubnej dosky. Najpokročilejšie systémy majú zariadenia, ktoré identifikujú prítomnosť spolujazdca alebo detskej sedačky a podľa toho buď vypnú, alebo upravia stupeň nafukovania.
Obr.5.25 Airbag auta:
1 - napínač bezpečnostného pásu; 2 - airbag; 3 - airbag; pre vodiča; 4 – riadiaca jednotka a centrálny snímač; 5 – výkonný modul; 6 – inerciálne snímače
Viac podrobností o moderných automobilových MS nájdete v príručke.
Okrem konvenčných automobilov sa veľká pozornosť venuje vytváraniu ľahkých vozidiel (LV) s elektrickým pohonom (niekedy nazývaných aj nekonvenčné vozidlá). Do tejto skupiny vozidiel patria elektrické bicykle, kolobežky, invalidné vozíky a elektrické vozidlá s autonómnymi zdrojmi energie. Vývojom takýchto mechatronických systémov sa zaoberá Výskumné a inžinierske centrum mechatroniky v spolupráci s množstvom organizácií. LTS sú alternatívou k vozidlám s motorom vnútorné spaľovanie a v súčasnosti sa využívajú v oblastiach šetrných k životnému prostrediu (liečebné a rekreačné, turistické, výstavné, parkové komplexy), ako aj v maloobchodných a skladových priestoroch. Technické vlastnosti prototypu elektrického bicykla:
Maximálna rýchlosť 20 km/h,
Menovitý výkon pohonu 160 W,
Menovité otáčky 160 ot./min.,
Maximálny krútiaci moment 18 Nm,
Hmotnosť motora 4,7 kg,
Dobíjacia batéria 36V, 6Ah,
Autonómny pohyb 20 km.
Základom pre vytvorenie LTS sú mechatronické moduly typu „motorové koleso“ založené spravidla na elektromotoroch s vysokým krútiacim momentom.
Námorná doprava.ČŠ sa čoraz viac využívajú na zintenzívnenie práce námorných a námorných posádok. riečne člny, súvisiace s automatizáciou a mechanizáciou základných technických prostriedkov, medzi ktoré patrí hlavná elektráreň s obslužnými systémami a pomocnými mechanizmami, systém elektrickej energie, všeobecné lodné systémy, kormidlové zariadenia a motory.
Komplexné automatické systémy udržanie plavidla na danej trajektórii (SUZT) alebo plavidla určeného na prieskum Svetového oceánu na danej profilovej línii (SUZP) sú systémy, ktoré poskytujú tretiu úroveň automatizácie riadenia. Použitie takýchto systémov umožňuje:
Zvýšiť ekonomickú efektívnosť námornej dopravy dopravná doprava zavedením najlepšej trajektórie a pohybu plavidla s prihliadnutím na navigačné a hydrometeorologické plavebné podmienky;
Zvýšiť ekonomickú efektívnosť oceánografických, hydrografických a morských geologických prieskumných prác zvýšením presnosti udržiavania plavidla na danej profilovej línii, rozšírením rozsahu veterných a vlnových porúch, ktoré poskytujú požadovanú kvalitu riadenia, a zvýšením prevádzkovej rýchlosti plavidlo;
Riešiť problémy implementácie optimálnej trajektórie plavidla pri odklone od nebezpečných predmetov; zvýšiť bezpečnosť plavby v blízkosti navigačných nebezpečenstiev prostredníctvom presnejšieho riadenia pohybu plavidla.
Integrované automatické systémy riadenia dopravy podľa daného geofyzikálneho výskumného programu (ASUD) sú navrhnuté tak, aby automaticky presunuli plavidlo na danú profilovú líniu, automaticky udržiavali geologické a geofyzikálne plavidlo na skúmanej profilovej línii a manévrovali pri prechode z jednej profilovej línie. inému. Uvažovaný systém umožňuje zvýšiť efektivitu a kvalitu morského geofyzikálneho výskumu.
V morských podmienkach nie je možné použiť konvenčné metódy predbežného prieskumu (pátracia partia alebo podrobné letecké snímkovanie), preto sa najviac využíva seizmická metóda geofyzikálneho výskumu (obr. 5.26). Geofyzikálna nádoba 1 vlečie na káblovom lane 2 vzduchovú pištoľ 3, ktorá je zdrojom seizmických vibrácií, seizmografický streamer 4, na ktorom sú umiestnené prijímače odrazených seizmických vibrácií a koncovú bóju 5. Profily dna sú určené záznamom. intenzita seizmických vibrácií odrazených od hraničných vrstiev 6 rôznych plemien
Obr.5.26. Schéma geofyzikálneho výskumu.
Na získanie spoľahlivých geofyzikálnych informácií musí byť plavidlo udržiavané v danej polohe vzhľadom na dno (línia profilu) s vysokou presnosťou, a to aj napriek nízkej rýchlosti (3-5 uzlov) a prítomnosti vlečných zariadení značnej dĺžky (až 3 km) s obmedzenou mechanickou pevnosťou.
Spoločnosť Anzhutz vyvinula komplexný MS, ktorý zabezpečuje udržanie plavidla na danej trajektórii. Na obr. Obrázok 5.27 zobrazuje blokovú schému tohto systému, ktorý obsahuje: gyrokompas 1; oneskorenie 2; prístroje navigačných systémov, ktoré určujú polohu plavidla (dva alebo viac) 3; autopilot 4; mini-počítač 5 (5a - rozhranie, 5b - centrálne pamäťové zariadenie, 5c - centrálna procesorová jednotka); čítačka diernej pásky 6; ploter 7; displej 8; klávesnica 9; prevodovka riadenia 10.
Pomocou predmetného systému je možné automaticky presunúť plavidlo na naprogramovanú trajektóriu, ktorú nastavuje operátor pomocou klávesnice, ktorá určuje geografické súradnice bodov obratu. V tomto systéme, bez ohľadu na informácie pochádzajúce z ktorejkoľvek skupiny zariadení tradičného rádionavigačného komplexu alebo satelitných komunikačných zariadení, ktoré určujú polohu plavidla, sú súradnice pravdepodobnej polohy plavidla vypočítané z údajov poskytnutých gyrokompas a log.
Obr.5.27. Bloková schéma integrovanej MS na držanie plavidla na danej trajektórii
Riadenie kurzu pomocou uvažovaného systému vykonáva autopilot, ktorého vstupom sú informácie o hodnote daného kurzu ψback, generované minipočítačom zohľadňujúcim chybu v polohe plavidla. Systém je zostavený v ovládacom paneli. V jeho hornej časti sa nachádza displej s ovládacími prvkami pre nastavenie optimálneho obrazu. Dole na naklonenom poli konzoly sa nachádza autopilot s ovládacími pákami. Na vodorovnom poli diaľkového ovládača je klávesnica, pomocou ktorej sa do minipočítača zadávajú programy. Nechýba ani prepínač slúžiaci na výber režimu ovládania. V základnej časti konzoly sa nachádza minipočítač a rozhranie. Všetky periférne zariadenia sú umiestnené na špeciálnych stojanoch alebo iných konzolách. Uvažovaný systém môže fungovať v troch režimoch: „Kurz“, „Monitor“ a „Program“. V režime „Course“ je nastavený kurz udržiavaný pomocou autopilota podľa údajov z gyrokompasu. Režim „Monitor“ sa zvolí, keď sa pripravuje prechod do režimu „Program“, keď je tento režim prerušený alebo keď je prechod do tohto režimu dokončený. Do režimu „kurz“ sa prepnú, keď sa zistia poruchy minipočítača, napájacích zdrojov alebo rádionavigačného systému. V tomto režime autopilot funguje nezávisle od minipočítača. V režime „Program“ sa kurz riadi podľa údajov z rádionavigačných zariadení (snímače polohy) alebo gyrokompasu.
Údržbu systému držania lode na zemi vykonáva operátor z konzoly. Výber skupiny snímačov na určenie polohy nádoby vykonáva operátor podľa odporúčaní prezentovaných na obrazovke. V spodnej časti obrazovky je zoznam všetkých príkazov povolených pre tento režim, ktoré je možné zadať pomocou klávesnice. Náhodné stlačenie akéhokoľvek zakázaného klávesu je blokované počítačom.
Letecká technika.Úspechy dosiahnuté vo vývoji leteckej a kozmickej techniky na jednej strane a potreba znižovania nákladov na cielené operácie na strane druhej podnietili vývoj nového typu technológie – diaľkovo riadených lietadiel (RPA).
Na obr. Obrázok 5.28 zobrazuje blokovú schému systému diaľkového ovládania UAV - HIMAT. Hlavnou súčasťou diaľkového pilotného systému HIMAT je pozemná riadiaca stanica. Letové parametre UAV sú prijímané na pozemnej stanici prostredníctvom rádiového spojenia z lietadla, prijímané a dekódované stanicou na spracovanie telemetrie a prenášané do pozemnej časti počítačového systému, ako aj do zariadení na zobrazovanie informácií na pozemnom riadení. stanica. Okrem toho sa z dronu prijíma obraz z vonkajšieho pohľadu zobrazený pomocou televíznej kamery. Televízny obraz zobrazovaný na obrazovke pozemnej pracovnej stanice ľudského operátora slúži na ovládanie lietadla pri vzdušných manévroch, približovaní a samotnom pristávaní. Kabína pozemnej stanice diaľkového ovládania ( pracovisko prevádzkovateľ) je vybavený prístrojmi, ktoré poskytujú informácie o lete a stave vybavenia komplexu UAV, ako aj prostriedkami na riadenie lietadla. Ľudský operátor má k dispozícii najmä rukoväte a pedále na ovládanie nakláňania a sklonu lietadla, ako aj riadiacu páku motora. Ak zlyhá hlavný riadiaci systém, príkazy z riadiaceho systému sú vydávané cez špeciálny diskrétny príkazový panel pre operátora UAV.
Obr.5.28. Diaľkový pilotný systém HIMAT UAV:
nosič B-52; 2 – záložný riadiaci systém na lietadle TF-104G; 3 – telemetrické komunikačné vedenie so zemou; 4 - HIMAT UAV; 5 – telemetrické komunikačné linky s RPV; 5 – pozemná stanica pre diaľkové pilotovanie
Ako samostatný navigačný systém, ktorý poskytuje mŕtve počítanie, používa Dopplerove metre pozemnej rýchlosti a uhla driftu (DPSS). Takýto navigačný systém sa používa v spojení so systémom smerovania, ktorý meria kurz s vertikálnym snímačom, ktorý generuje signály nakláňania a sklonu, a palubným počítačom, ktorý implementuje algoritmus mŕtveho počítania. Tieto zariadenia spolu tvoria Dopplerov navigačný systém (pozri obr. 5.29). Pre zvýšenie spoľahlivosti a presnosti merania aktuálnych súradníc lietadla je možné DISS kombinovať s rýchlomermi
Obr.5.29. Schéma Dopplerovho navigačného systému
Miniaturizácia elektronických prvkov, tvorba a sériová výroba špeciálne typy senzory a indikačné zariadenia, ktoré spoľahlivo fungujú v náročných podmienkach, ako aj prudké zníženie nákladov na mikroprocesory (vrátane tých špeciálne navrhnutých pre automobily) vytvorili podmienky na premenu vozidiel na MS na pomerne vysokej úrovni.
Vysokorýchlostná pozemná doprava s magnetickou levitáciou je jasným príkladom moderného mechatronického systému. Zatiaľ jediná komerčná na svete dopravný systém Tento typ služby bol uvedený do prevádzky v Číne v septembri 2002 a spája medzinárodné letisko Pudong s centrom Šanghaja. Systém bol vyvinutý, vyrobený a testovaný v Nemecku, následne boli vagóny prevezené do Číny. Vodiaca dráha umiestnená na vysokom nadjazde bola vyrobená lokálne v Číne. Vlak zrýchli na rýchlosť 430 km/h a vzdialenosť 34 km prekoná za 7 minút (maximálna rýchlosť môže dosiahnuť 600 km/h). Vlak sa vznáša nad vodiacou koľajou, na koľajisku nedochádza k treniu a hlavný odpor pohybu kladie vzduch. Preto vlak dostáva aerodynamický tvar, spoje medzi vagónmi sú uzavreté (obr. 5.30).
Aby vlak v prípade núdzového výpadku prúdu nespadol na vodiacu koľaj, je vybavený výkonnými batériami, ktorých energia postačuje na plynulé zastavenie vlaku.
Pomocou elektromagnetov je vzdialenosť medzi vlakom a vodiacou koľajou (15 mm) pri pohybe udržiavaná s presnosťou 2 mm, čo umožňuje úplne eliminovať vibrácie vozňov aj pri maximálna rýchlosť. Počet a parametre nosných magnetov sú obchodným tajomstvom.
Ryža. 5.30. Magnetický levitačný vlak
Magnetický levitačný transportný systém je kompletne riadený počítačom, keďže pri takej vysokej rýchlosti človek nestíha reagovať na vznikajúce situácie. Počítač tiež riadi zrýchlenie a spomalenie vlaku, pričom zohľadňuje aj zákruty trate, takže cestujúci nepociťujú nepohodlie pri nastávajúcich zrýchleniach.
Popísaný dopravný systém sa vyznačuje vysokou spoľahlivosťou a bezprecedentnou presnosťou pri plnení dopravného poriadku. Počas prvých troch rokov prevádzky bolo prepravených vyše 8 miliónov cestujúcich.
Dnes sú lídrami v technológii maglev (skratka pre „magnetickú levitáciu“ používanú na Západe) Japonsko a Nemecko. V Japonsku vytvoril maglev svetový rekord v rýchlosti železničnej dopravy – 581 km/h. Japonsko však ešte nepokročilo za hranice rekordov; vlaky jazdia len na experimentálnych tratiach v prefektúre Jamanaši s celkovou dĺžkou asi 19 km. V Nemecku spoločnosť Transrapid vyvíja technológiu maglev. Hoci sa komerčná verzia Maglevu v samotnom Nemecku neudomácnila, vlaky prevádzkuje na testovacom mieste v Emslande spoločnosť Transrapid, ktorá ako prvá na svete úspešne implementovala komerčnú verziu Maglevu v Číne.
Ako príklad už existujúcich dopravných mechatronických systémov (TMS) s autonómnym riadením možno uviesť robotické auto spoločnosti VisLab a laboratórium počítačového videnia a inteligentných systémov Univerzity v Parme.
Štyri robotické autá prešli z talianskej Parmy do Šanghaja bezprecedentnú vzdialenosť 13-tisíc kilometrov, čo je pre autonómne vozidlá nevídané. Tento experiment mal byť prísnym testom inteligentný systém autonómne riadenie TMS. V mestskej premávke bol testovaný napríklad aj v Moskve.
Robotické autá boli postavené na báze mikrobusov (obr. 5.31). Od bežných áut sa líšili nielen autonómnym riadením, ale aj čisto elektrickým pohonom.
Ryža. 5.31. VisLab samoriadiace auto
Solárne panely boli umiestnené na streche TMC na napájanie kritických zariadení: robotického systému, ktorý otáča volantom a stláča plynový a brzdový pedál, ako aj počítačové komponenty automobilu. Zvyšok energie bol dodaný elektrické zásuvky pozdĺž cesty.
Každé robotické auto bolo vybavené štyrmi laserovými skenermi vpredu, dvoma pármi stereo kamier s pohľadom dopredu a dozadu, tromi kamerami pokrývajúcimi 180-stupňové zorné pole v prednej pologuli a satelitným navigačným systémom, ako aj sadou počítačov. a programy, ktoré umožňujú autu rozhodovať sa v určitých situáciách.
Ďalším príkladom dopravného mechatronického systému s autonómnym riadením je robotické elektrické vozidlo RoboCar MEV-C od japonskej firmy ZMP (obr. 5.32).
Obr.5.32. Robotické elektrické vozidlo RoboCar MEV-C
Výrobca umiestňuje tento TMS ako stroj pre ďalší pokrokový vývoj. Autonómne riadiace zariadenie obsahuje nasledujúce komponenty: stereo kamera, 9-osový bezdrôtový snímač pohybu, GPS modul, snímač teploty a vlhkosti, laserový diaľkomer, Bluetooth, Wi-Fi a 3G čipy, ako aj protokol CAN, ktorý koordinuje spoločné fungovanie všetkých komponentov. RoboCar MEV-C meria 2,3 x 1,0 x 1,6 m a váži 310 kg.
Moderným predstaviteľom dopravného mechatronického systému je trans-skúter, ktorý patrí do triedy ľahkých vozidiel s elektrickým pohonom.
Kolobežky Trans sú novým typom transformovateľných multifunkčných pozemných vozidiel na osobné použitie s elektrickým pohonom, určeným najmä pre osoby so zdravotným postihnutím (obr. 5.33). Základné charakteristický znak trans-scooter z iných pozemných vozidiel je schopnosť prechádzať ramenami schodiska a implementovať princíp multifunkčnosti, a teda transformovateľnosti v širokom rozsahu.
Ryža. 5.33. Vzhľad jedna zo vzoriek trans-skútra rodiny Kangaroo
Pohonný systém trans-skútra je vyrobený na báze mechatronického modulu typu „motor-wheel“. Funkcie a podľa toho aj konfigurácie poskytované trans-skútrami z rodiny Kangaroo sú nasledovné (obr. 5.34):
- „Skúter“ – pohybuje sa vysokou rýchlosťou na dlhom rázvore;
- „kreslo“ – manévrovanie na krátkom rázvore;
- „Balance“ – pohyb v stoji v režime gyroskopickej stabilizácie na dvoch kolesách;
- „Compact-vertical“ – pohyb v stoji na troch kolesách v režime gyroskopickej stabilizácie;
- „Obrubník“ – prekonanie obrubníka priamo v stoji alebo v sede (niektoré modely majú doplnkovú funkciu „Šikmý obrubník“ – prekonanie obrubníka pod uhlom až 8 stupňov);
- „Schody hore“ – stúpanie po schodoch dopredu, v sede alebo v stoji;
- „Schody dole“ – zostupovanie po schodoch dopredu v sede;
- „Pri stole“ – nízke sedenie, nohy na podlahe.
Ryža. 5.34. Základné konfigurácie trans-skútra na príklade jedného z jeho variantov
Trans kolobežka obsahuje v priemere 10 kompaktných elektrických pohonov s vysokým krútiacim momentom s mikroprocesorovým riadením. Všetky pohony sú rovnakého typu - jednosmerné ventilové motory riadené signálmi z Hallových snímačov.
Na ovládanie takýchto zariadení sa používa multifunkčný mikroprocesorový riadiaci systém (CS) s palubným počítačom. Architektúra riadiaceho systému trans-skútra je dvojúrovňová. Nižšia úroveň je servis samotného pohonu, horná úroveň je koordinovaná prevádzka pohonov podľa daného programu (algoritmu), testovanie a monitorovanie činnosti systému a snímačov; externé rozhranie - vzdialený prístup. Ako ovládač najvyššej úrovne (palubný počítač) sa používa PCM-3350 od firmy Advantech, vyrobený vo formáte PC/104. Nízkoúrovňový ovládač je špecializovaný mikrokontrolér TMS320F2406 od Texas Instruments na ovládanie elektromotorov. Celkový počet ovládačov nižšej úrovne zodpovedných za chod jednotlivých blokov je 13: desať ovládačov riadenia pohonu; ovládač hlavy riadenia, ktorý je tiež zodpovedný za zobrazovanie informácií zobrazených na displeji; regulátor určovania zvyškovej kapacity batérie; regulátor nabíjania a vybíjania batérie. Výmena dát medzi palubným počítačom trans-skútra a periférnymi ovládačmi je podporovaná cez spoločnú zbernicu s rozhraním CAN, čo umožňuje minimalizovať počet vodičov a dosiahnuť skutočná rýchlosť dátový prenos 1 Mbit/s.
Úlohy palubného počítača: ovládanie elektrických pohonov, servisné príkazy z hlavy riadenia; výpočet a zobrazenie zostávajúceho nabitia batérie; riešenie problému trajektórie pohybu po schodoch; možnosť vzdialeného prístupu. Prostredníctvom palubného počítača sa realizujú tieto jednotlivé programy:
Zrýchľovanie a brzdenie kolobežky s riadeným zrýchlením/spomalením, ktoré je osobne prispôsobené užívateľovi;
Program, ktorý implementuje operačný algoritmus zadné kolesá pri otáčaní;
Pozdĺžna a priečna gyrostabilizácia;
Prekonávanie obrubníka hore a dole;
Pohyb hore a dole po schodoch
Prispôsobenie veľkosti krokov;
Identifikácia parametrov schodiska;
Zmeny rázvoru (zo 450 na 850 mm);
Monitorovacie snímače skútrov, riadiace jednotky pohonu, batérie;
Emulácia založená na údajoch parkovacích radarových senzorov;
Vzdialený prístup k ovládaniu programov, zmena nastavení cez internet.
Trans skúter má 54 senzorov, ktoré mu umožňujú prispôsobiť sa životné prostredie. Medzi nimi: Hallove senzory zabudované do ventilových motorov; snímače absolútneho uhla, ktoré určujú polohu komponentov trans-skútra; odporový snímač riadenia; infračervený snímač vzdialenosti pre parkovací radar; sklonomer, ktorý umožňuje určiť sklon kolobežky pri pohybe; akcelerometer a snímač uhlovej rýchlosti používaný na riadenie gyroskopickej stabilizácie; Rádiofrekvenčný prijímač na diaľkové ovládanie; odporový lineárny snímač posunu na určenie polohy stoličky vzhľadom na rám; bočníky na meranie prúdu motora a zvyškovej kapacity batérie; potenciometrický regulátor rýchlosti; tenzometrický snímač hmotnosti na kontrolu rozloženia hmotnosti zariadenia.
Všeobecná bloková schéma riadiaceho systému je znázornená na obr. 5.35.
Ryža. 5.35. Bloková schéma riadiaceho systému pre trans-skúter rodiny „Kangaroo“.
RMC – snímače absolútneho uhla, DH – Hallove snímače; CU – riadiaca jednotka; LCD – indikátor tekutých kryštálov; MKL – motor ľavého kolesa; Manuálna prevodovka – motor pravého kolesa; BMS – systém riadenia spotreby energie; LAN – port pre externé pripojenie palubného počítača za účelom programovania, konfigurácie a pod.; T – elektromagnetická brzda.
Existuje názor, že medzi mechatronické technológie patria technológie nových materiálov a kompozitov, mikroelektronika, fotonika, mikrobionika, laser a iné technológie.
V tomto prípade však dochádza k zámene pojmov a namiesto mechatronických technológií, ktoré sú implementované na základe využitia mechatronických objektov, sa tieto práce zaoberajú technológiou výroby a montáže takýchto objektov.
Väčšina vedcov sa v súčasnosti domnieva, že mechatronické technológie iba formujú a implementujú nevyhnutné zákony výkonných pohybov počítačom riadených mechanizmov, ako aj jednotiek na nich založených, alebo analyzujú tieto pohyby na riešenie diagnostických a prognostických problémov.
Pri obrábaní sú tieto technológie zamerané na zabezpečenie presnosti a produktivity, ktoré nie je možné dosiahnuť bez použitia mechatronických objektov, ktorých prototypom sú kovoobrábacie stroje s otvorenými CNC systémami. Takéto technológie umožňujú najmä kompenzovať chyby, ktoré vznikajú v dôsledku vibrácií nástroja vzhľadom na obrobok.
Najprv je však potrebné poznamenať, že mechatronické technológie zahŕňajú nasledujúce fázy:
Technologické vyjadrenie problému;
Vytvorenie procesného modelu s cieľom získať zákon exekutívneho pohybu;
Vývoj softvéru a informačnej podpory na implementáciu;
V prípade potreby doplnenie informačnej a konštrukčnej základne štandardného mechatronického objektu, ktorý implementuje navrhovanú technológiu.
Adaptívny spôsob zvýšenia odolnosti sústruhu proti vibráciám.
V podmienkach použitia rôznych rezných nástrojov, opracovaných častí zložitých tvarov a širokej škály opracovaných aj nástrojových materiálov sa pravdepodobnosť samokmitania a straty odolnosti technologického systému stroja voči vibráciám prudko zvyšuje.
To znamená zníženie náročnosti spracovania alebo dodatočné kapitálové investície do technologického procesu. Sľubným spôsobom zníženia úrovne vlastných oscilácií je zmena reznej rýchlosti počas spracovania.
Táto metóda je technicky pomerne jednoduchá a má účinný vplyv na proces rezania. Predtým bola táto metóda implementovaná ako apriórny predpis na základe predbežných výpočtov, čo obmedzuje jej použitie, pretože neumožňuje brať do úvahy rôznorodosť príčin a variabilitu podmienok pre vznik vibrácií.
Oveľa efektívnejšie sú adaptívne systémy riadenia reznej rýchlosti s prevádzkovým riadením reznej sily a jej dynamickej zložky.
Mechanizmus čítania úrovne vlastných oscilácií počas spracovania s premenlivou rýchlosťou rezania môže byť znázornený nasledovne.
Predpokladajme, že pri spracovaní súčiastky s reznou rýchlosťou V 1 je technologický systém v podmienkach vlastnej oscilácie. V tomto prípade sa frekvencia a fáza vibrácií na obrobenom povrchu zhoduje s frekvenciou a fázou vibrácií reznej sily a samotnej frézy (tieto vibrácie sú vyjadrené vo forme drvenia, zvlnenia a drsnosti).
Pri prechode na rýchlosť V 2 dochádza počas nasledujúcej otáčky (pri spracovaní „po značke“) k osciláciám na obrobenom povrchu dielu vzhľadom na frézu s inou frekvenciou a synchronizáciou oscilácií, to znamená, že ich fázová zhoda je narušená. . V dôsledku toho sa v podmienkach spracovania „stop“ intenzita vlastných oscilácií znižuje a v ich spektre sa objavujú vysokofrekvenčné harmonické.
Postupom času začnú v spektre dominovať prirodzené rezonančné frekvencie a proces vlastných oscilácií sa opäť zintenzívni, čo si vyžaduje opakovanú zmenu reznej rýchlosti.
Z uvedeného vyplýva, že hlavnými parametrami opísanej metódy sú veľkosť zmeny reznej rýchlosti V, ako aj znamienko a frekvencia tejto zmeny. Účinnosť vplyvu zmien rýchlosti rezania na výkon spracovania by sa mala posudzovať podľa trvania obdobia zotavenia po vlastných osciláciách. Čím je väčšia, tým dlhšie pretrváva znížená úroveň vlastných oscilácií.
Vývoj metódy adaptívneho riadenia reznej rýchlosti zahŕňa simuláciu tohto procesu na základe matematického modelu vlastných oscilácií, ktorý by mal:
Zohľadnite dynamiku procesu rezania;
Zohľadnite spracovanie „na ceste“;
Adekvátne opíšte proces rezania v podmienkach samokmitania.
Medzi hlavné výhody mechatronických zariadení v porovnaní s tradičnými automatizačnými prostriedkami patria:
Relatívne nízke náklady vďaka vysokému stupňu integrácie, zjednotenia a štandardizácie všetkých prvkov a rozhraní;
Vysoká kvalita vykonávania zložitých a presných pohybov vďaka použitiu inteligentných metód riadenia;
Vysoká spoľahlivosť, odolnosť a odolnosť proti hluku;
Konštrukčná kompaktnosť modulov (až po miniaturizáciu a mikrostroje),
Vylepšená hmotnosť a veľkosť dynamické vlastnosti stroje kvôli zjednodušeniu kinematických reťazcov;
Schopnosť integrovať funkčné moduly do komplexných mechatronických systémov a komplexov pre špecifické úlohy zákazníka.
Objem celosvetovej výroby mechatronických zariadení sa každým rokom zvyšuje a pokrýva stále nové a nové oblasti. Dnes sú mechatronické moduly a systémy široko používané v nasledujúcich oblastiach:
Výroba obrábacích strojov a zariadení na automatizáciu technologických procesov;
Robotika (priemyselná a špeciálna);
Letectvo, vesmír a vojenskej techniky;
Automobilový priemysel (napr. protiblokovacie systémy brzdy, stabilizačné systémy vozidla a automatické parkovanie);
Netradičné vozidiel(elektrické bicykle, nákladné vozíky, elektrické skútre, invalidné vozíky);
Kancelárske zariadenia (napríklad kopírky a faxy);
Prvky výpočtovej techniky (napríklad tlačiarne, plotre, diskové jednotky);
Lekárske vybavenie (rehabilitačné, klinické, servisné);
Domáce spotrebiče (pranie, šitie, umývačky riadu a iné stroje);
Mikrostroje (pre medicínu, biotechnológiu, komunikáciu a telekomunikácie);
Kontrolné a meracie zariadenia a stroje;
Foto a video zariadenia;
Simulátory na výcvik pilotov a operátorov;
Zobraziť priemysel (ozvučenie a osvetľovacie systémy).
Tento zoznam je samozrejme možné rozšíriť.
Rýchly rozvoj mechatroniky v 90. rokoch ako nového vedeckého a technického smeru je spôsobený tromi hlavnými faktormi:
Nové trendy v globálnom priemyselnom rozvoji;
Rozvoj základných princípov a metodológie mechatroniky (základné vedecké myšlienky, zásadne nové technické a technologické riešenia);
Činnosť odborníkov vo výskumnej a vzdelávacej oblasti.
Súčasná etapa rozvoja automatizovaného strojárstva u nás prebieha v nových ekonomických realitách, kedy je otázkou technologická životaschopnosť krajiny a konkurencieschopnosť vyrábaných produktov.
Možno identifikovať tieto trendy v zmenách kľúčových požiadaviek globálneho trhu v posudzovanej oblasti:
Potreba vyrábať a servisovať zariadenia v súlade s medzinárodným systémom noriem kvality formulovaných v normách ISO séria 9000 ;
Internacionalizácia trhu vedeckých a technických produktov a v dôsledku toho potreba aktívnej implementácie foriem a metód do praxe
medzinárodný transfer inžinierstva a technológií;
Zvýšenie úlohy malých a stredných výrobných podnikov v ekonomike vďaka ich schopnosti rýchlo a flexibilne reagovať na meniace sa požiadavky trhu;
Rýchly rozvoj počítačových systémov a technológií, telekomunikácií (v krajinách EHS v roku 2000 60 % rastu celkového národného produktu pripadlo na tieto odvetvia); Priamym dôsledkom tohto všeobecného trendu je intelektualizácia riadiacich systémov pre mechanický pohyb a technologické funkcie moderných strojov.
Zdá sa byť vhodné považovať úroveň integrácie základných prvkov za hlavný klasifikačný znak v mechatronike. V súlade s týmto kritériom možno mechatronické systémy rozdeliť do úrovní alebo generácií, ak vezmeme do úvahy ich výskyt na trhu high-tech produktov Historicky predstavujú mechatronické moduly prvej úrovne kombináciu iba dvoch počiatočných prvkov. Typickým príkladom modulu prvej generácie je „motor-prevodovka“, kde sa mechanická prevodovka a riadený motor vyrábajú ako jeden funkčný prvok. Mechatronické systémy založené na týchto moduloch našli široké uplatnenie pri tvorbe rôznych prostriedkov komplexnej automatizácie výroby (dopravníky, dopravníky, otočné stoly, pomocné manipulátory).
Mechatronické moduly druhej úrovne sa objavili v 80. rokoch v súvislosti s vývojom nových elektronických technológií, ktoré umožnili vytvárať miniatúrne snímače a elektronické komponenty na spracovanie ich signálov. Kombinácia pohonných modulov s naznačenými prvkami viedla k vzniku mechatronických pohybových modulov, ktorých zloženie plne zodpovedá definícii zavedenej vyššie, keď sa dosiahla integrácia troch zariadení rôzneho fyzikálneho charakteru: 1) mechanického, 2) elektrického. a 3) elektronické. Na základe mechatronických modulov tejto triedy vznikli 1) riadené energetické stroje (turbíny a generátory), 2) obrábacie stroje a priemyselné roboty s numerickým riadením.
Vývoj tretej generácie mechatronických systémov je spôsobený objavením sa relatívne lacných mikroprocesorov a regulátorov na nich založených a je zameraný na intelektualizáciu všetkých procesov prebiehajúcich v mechatronickom systéme, predovšetkým procesu riadenia funkčných pohybov. stroje a jednotky. Zároveň sa vyvíjajú nové princípy a technológie na výrobu vysoko presných a kompaktných mechanických komponentov, ako aj nové typy elektromotorov (predovšetkým bezkomutátorové a lineárne s vysokým krútiacim momentom), snímače. spätná väzba a informácie. Syntéza nových 1) presných, 2) informačných a 3) meracích vedecky náročných technológií poskytuje základ pre návrh a výrobu inteligentných mechatronických modulov a systémov.
V budúcnosti sa budú mechatronické stroje a systémy spájať do mechatronických komplexov založených na spoločných integračných platformách. Cieľom vytvárania takýchto komplexov je dosiahnuť kombináciu vysokej produktivity a zároveň flexibility technického a technologického prostredia vzhľadom na možnosť jeho rekonfigurácie, ktorá zabezpečí konkurencieschopnosť a vysokú kvalitu produktov.
Moderné podniky, ktoré sa púšťajú do vývoja a výroby mechatronických produktov, musia v tomto ohľade vyriešiť tieto hlavné úlohy:
Štrukturálna integrácia mechanických, elektronických a informačných oddelení (ktoré spravidla fungovali autonómne a oddelene) do jednotných konštrukčných a výrobných tímov;
Školenie „mechatronicky orientovaných“ inžinierov a manažérov schopných systémovej integrácie a riadenia práce vysoko špecializovaných odborníkov rôznej kvalifikácie;
Integrácia informačných technológií z rôznych vedeckých a technických oblastí (mechanika, elektronika, počítačové riadenie) do jedného súboru nástrojov pre počítačovú podporu mechatronických úloh;
Štandardizácia a zjednotenie všetkých prvkov a procesov používaných pri návrhu a výrobe čs.
Riešenie uvedených problémov si často vyžaduje prekonať manažérske tradície, ktoré sa v podniku vytvorili, a ambície stredných manažérov, ktorí sú zvyknutí riešiť len svoje úzkoprofilové problémy. Preto sú na prechod na výrobu mechatronických produktov lepšie pripravené stredné a malé podniky, ktoré môžu ľahko a flexibilne meniť svoju štruktúru.
Súvisiace informácie.
Objem celosvetovej výroby mechatronických zariadení sa každým rokom zvyšuje a pokrýva stále nové a nové oblasti. Dnes sú mechatronické moduly a systémy široko používané v nasledujúcich oblastiach:
Výroba obrábacích strojov a zariadení na automatizáciu procesov
procesy;
Robotika (priemyselná a špeciálna);
Letecká, vesmírna a vojenská technika;
Automobilový priemysel (napr. protiblokovacie brzdové systémy,
stabilizácia pohybu vozidla a automatické parkovacie systémy);
Netradičné vozidlá (elektrobicykle, náklad
vozíky, elektrické skútre, invalidné vozíky);
Kancelárske zariadenia (napríklad kopírky a faxy);
Prvky výpočtovej techniky (napríklad tlačiarne, plotre,
diskové jednotky);
Lekárske vybavenie (rehabilitačné, klinické, servisné);
Domáce spotrebiče (pranie, šitie, umývačky riadu a iné stroje);
Mikrostroje (pre medicínu, biotechnológiu,
telekomunikácie);
Kontrolné a meracie zariadenia a stroje;
Foto a video zariadenia;
Simulátory na výcvik pilotov a operátorov;
Zobraziť priemysel (ozvučenie a osvetľovacie systémy).
ZOZNAM ODKAZOV
1.
Yu. V. Poduraev Učebnica „Základy mechatroniky“. Moskva - 2000 104 s.
2.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Mechatronics
3.
http://mau.ejournal.ru/
4.
http://mechatronica-journal.stankin.ru/
Analýza štruktúry mechatronických systémov mechatronických modulov
Návod
V disciplíne „Projektovanie mechatronických systémov“
v odbornosti 220401,65
"mechatronika"
g.o. Tolyatti 2010
Krasnov S.V., Lysenko I.V. Návrh mechatronických systémov. Časť 2. Návrh elektromechanických modulov mechatronických systémov
Anotácia. Učebnica obsahuje informácie o zložení mechatronického systému, mieste elektromechatronických modulov v mechatronických systémoch, štruktúre elektromechatronických modulov, ich typoch a vlastnostiach, obsahuje etapy a spôsoby navrhovania mechatronických systémov. kritériá pre výpočet záťažových charakteristík modulov, kritériá pre výber pohonov atď.
1 Analýza štruktúry mechatronických systémov mechatronických modulov 5
1.1 Analýza štruktúry mechatronického systému 5
1.2 Analýza pohonného zariadenia mechatronických modulov 12
1.3 Analýza a klasifikácia elektromotorov 15
1.4 Analýza štruktúry riadiacich systémov pohonu 20
1.5 Technológie generovania riadiacich signálov. PWM modulácia a PID riadenie 28
1.6 Analýza pohonov a systémov číslicového riadenia obrábacích strojov 33
1.7 Energia a výstupné mechanické meniče pohonov mechatronických modulov 39
1.8 Senzory spätnej väzby pre pohony mechatronických modulov 44
2 Základné pojmy a metodiky navrhovania mechatronických systémov (MS) 48
2.1 Základné princípy navrhovania mechatronických systémov 48
2.2 Popis fáz návrhu MS 60
2.3 Výroba (predaj) MS 79
2.4 Testovanie MS 79
2.5 Hodnotenie kvality MS 83
2.6 Dokumentácia pre MS 86
2.7 Ekonomická efektívnosť MS 87
2.8 Vypracovanie opatrení na zabezpečenie bezpečných pracovných podmienok s elektromechanickými modulmi 88
3. Metódy výpočtu parametrov a navrhovania mechatronických modulov 91
3.1 Funkčné modelovanie procesu návrhu mechatronického modulu 91
3.2 Etapy navrhovania mechatronického modulu 91
3.3 Analýza kritérií pre výber motorov pre mechatronické systémy 91
3.4 Rozbor základného matematického aparátu na výpočet pohonov 98
3.5 Výpočet potrebného výkonu a výber ED posuvov 101
3.6 Ovládanie jednosmerného motora polohou 110
3.7 Popis moderných hardvérových a softvérových riešení riadenia výkonných prvkov obrábacích strojov 121
Zoznam prameňov a literatúry 135
Mechatronika študuje synergickú kombináciu jednotiek presnej mechaniky s elektronickými, elektrickými a počítačovými komponentmi za účelom navrhovania a výroby kvalitatívne nových modulov, systémov, strojov a komplexov strojov s inteligentným riadením ich funkčných pohybov.
Mechatronický systém je súbor mechatronických modulov (jadro počítača, informačné zariadenia-senzory, elektromechanické (motorové pohony), mechanické (ovládacie prvky - frézy, ramená robota atď.), softvérové (špeciálne - riadiace programy, systém - operačné systémy a prostredia , vodiči).
Mechatronický modul je samostatný blok mechatronického systému, súbor hardvéru a softvéru, ktorý vykonáva pohyb jedného alebo viacerých výkonných orgánov.
Integrované mechatronické prvky vyberá projektant už v štádiu návrhu a následne je zabezpečená potrebná inžinierska a technologická podpora.
Metodologickým základom vývoja MS sú metódy paralelného návrhu, teda simultánna a prepojená syntéza všetkých komponentov systému. Základnými objektmi sú mechatronické moduly, ktoré vykonávajú pohyb spravidla po jednej súradnici. V mechatronických systémoch sa na zabezpečenie vysokej kvality vykonávania zložitých a presných pohybov používajú inteligentné metódy riadenia (nové nápady v teórii riadenia, moderné počítačové vybavenie).
Tradičný mechatronický stroj obsahuje tieto hlavné komponenty:
Mechanické zariadenia, ktorých konečným článkom je pracovný prvok;
Pohonná jednotka vrátane výkonových meničov a výkonové motory;
Počítačové riadiace zariadenia, na úrovni ktorých je ľudský operátor alebo iný počítač zahrnutý v počítačovej sieti;
Senzorové zariadenia určené na prenos informácií do riadiaceho zariadenia o aktuálnom stave blokov stroja a pohybe mechatronického systému.
Prítomnosť troch povinných častí: elektromechanická, elektronická, počítačová, prepojená energetickými a informačnými tokmi je teda primárnym znakom, ktorý odlišuje mechatronický systém.
Pre fyzickú realizáciu mechatronického systému sú teda teoreticky potrebné 4 hlavné funkčné bloky, ktoré sú znázornené na obrázku 1.1
Obrázok 1.1 – Bloková schéma mechatronického systému
Ak je prevádzka založená na hydraulických, pneumatických alebo kombinovaných procesoch, potom sú potrebné vhodné meniče a snímače spätnej väzby.
Mechatronika je vedná a technická disciplína, ktorá študuje konštrukciu elektromechanických systémov novej generácie, ktoré majú zásadne nové kvality a často aj rekordné parametre. Mechatronický systém je zvyčajne kombináciou samotných elektromechanických komponentov s najnovšou výkonovou elektronikou, ktorá je riadená pomocou rôznych mikrokontrolérov, PC alebo iných výpočtových zariadení. Súčasne je systém v skutočne mechatronickom prístupe, napriek použitiu štandardných komponentov, postavený maximálne monoliticky, dizajnéri sa snažia kombinovať všetky časti systému dohromady bez použitia zbytočných rozhraní medzi modulmi. Najmä použitie ADC, inteligentných meničov výkonu atď. zabudovaných priamo do mikrokontrolérov To poskytuje zníženie hmotnosti a rozmerov, zvýšenie spoľahlivosti systému a ďalšie výhody. Každý systém, ktorý riadi skupinu pohonov, možno považovať za mechatronický. Najmä ak riadi skupinu prúdové motory kozmická loď.
Obrázok 1.2 – Zloženie mechatronického systému
Niekedy systém obsahuje komponenty, ktoré sú z konštrukčného hľadiska zásadne nové, ako napríklad elektromagnetické zavesenia, ktoré nahrádzajú konvenčné ložiskové jednotky.
Uvažujme o zovšeobecnenej štruktúre počítačom riadených strojov zameraných na automatizované inžinierske úlohy.
Vonkajšie prostredie pre stroje posudzovanej triedy je technologické prostredie, ktoré obsahuje rôzne hlavné a pomocné zariadenia, technologické zariadenia a pracovné predmety. Keď mechatronický systém vykonáva daný funkčný pohyb, predmety práce pôsobia na pracovný organizmus rušivo. Príklady takýchto vplyvov zahŕňajú rezné sily pre operácie obrábania, kontaktné sily a momenty sily počas montáže a reakčnú silu prúdu tekutiny počas operácie hydraulického rezania.
Vonkajšie prostredie možno rozdeliť do dvoch hlavných tried: deterministické a nedeterministické. K deterministickým prostrediam patria také, pre ktoré je možné vopred určiť parametre rušivých vplyvov a charakteristiky objektov práce s mierou presnosti potrebnou pre návrh MS. Niektoré prostredia majú nedeterministický charakter (napríklad extrémne prostredia: pod vodou, pod zemou atď.). Charakteristiky technologických prostredí sa zvyčajne dajú určiť pomocou analytických a experimentálnych štúdií a metód počítačového modelovania. Napríklad na vyhodnotenie rezných síl pri obrábaní sa vykonáva séria experimentov na špeciálnych výskumných zariadeniach, parametre účinkov vibrácií sa merajú na vibračných stojanoch, po ktorých sa na základe experimentálnych údajov vytvárajú matematické a počítačové modely rušivých účinkov.
Organizovanie a vykonávanie takýchto štúdií si však často vyžaduje príliš zložité a drahé vybavenie a meracie technológie. Takže pre predbežné posúdenie silových účinkov na pracovné telo počas prevádzky robotického odstraňovania výronov z odlievaných výrobkov je potrebné zmerať skutočný tvar a rozmery každého obrobku.
Obrázok 1.3 – Zovšeobecnená schéma mechatronického systému s počítačovým riadením pohybu
V takýchto prípadoch je vhodné použiť adaptívne metódy riadenia, ktoré umožňujú automaticky upravovať zákon pohybu MS priamo počas operácie.
Tradičný stroj obsahuje tieto hlavné komponenty: mechanické zariadenie, ktorého konečným článkom je pracovný prvok; pohonné jednotky, vrátane výkonových meničov a akčných motorov; počítačové riadiace zariadenie, ktorého najvyššou úrovňou je ľudský operátor, prípadne iný počítač zaradený do počítačovej siete; snímače určené na prenos informácií do riadiaceho zariadenia o aktuálnom stave blokov stroja a pohybe čs.
Prítomnosť troch povinných častí – mechanickej (presnejšie elektromechanickej), elektronickej a počítačovej, prepojených energetickými a informačnými tokmi, je teda primárnym znakom, ktorý mechatronické systémy odlišuje.
Elektromechanická časť obsahuje mechanické články a prevody, ovládací prvok, elektromotory, snímače a prídavné elektrické prvky (brzdy, spojky). Mechanické zariadenie je určené na premenu pohybov článkov na požadovaný pohyb pracovného prvku. Elektronickú časť tvoria mikroelektronické zariadenia, výkonové meniče a elektronika meracích obvodov. Senzory sú určené na zber údajov o aktuálnom stave vonkajšie prostredie a pracovných predmetov, mechanických zariadení a pohonných jednotiek, po ktorých nasleduje primárne spracovanie a prenos týchto informácií do počítačového riadiaceho zariadenia (CCD). Riadiaca jednotka mechatronického systému zvyčajne obsahuje počítač najvyššej úrovne a ovládače riadenia pohybu.
Počítačové riadiace zariadenie vykonáva tieto hlavné funkcie:
Riadenie procesu mechanického pohybu mechatronického modulu alebo viacrozmerného systému v reálnom čase so spracovaním senzorických informácií;
Organizácia riadenia funkčných pohybov MS, ktorá zahŕňa koordináciu riadenia mechanického pohybu MS a sprievodných vonkajších procesov. Na implementáciu funkcie riadenia externých procesov sa spravidla používajú diskrétne vstupy/výstupy zariadenia;
Interakcia s ľudským operátorom prostredníctvom rozhrania človek-stroj v režimoch autonómneho programovania (off-line) a priamo počas pohybu MS (režim on-line);
Organizácia výmeny dát s periférnymi zariadeniami, senzormi a inými systémovými zariadeniami.
Úlohou mechatronického systému je transformovať vstupné informácie prichádzajúce z hornej riadiacej úrovne na cielený mechanický pohyb riadený na princípe spätnej väzby. Je charakteristické, že elektrická energia (menej často hydraulická alebo pneumatická) sa v moderných systémoch používa ako prechodná forma energie.
Podstatou mechatronického prístupu k dizajnu je integrácia dvoch alebo viacerých prvkov, prípadne aj rôznych fyzikálnych charakterov, do jedného funkčného modulu. Inými slovami, v štádiu návrhu je aspoň jedno rozhranie vylúčené z tradičnej štruktúry stroja ako samostatného zariadenia, pričom je zachovaná fyzická podstata transformácie vykonávanej týmto modulom.
V ideálnej verzii pre užívateľa, mechatronický modul po prijatí informácie o cieli riadenia ako vstupu vykoná špecifikovaný funkčný pohyb s požadovanými indikátormi kvality. Hardvérové spojenie prvkov do jednotlivých konštrukčných modulov musí nevyhnutne sprevádzať vývoj integrovaného softvéru. Softvér MS musí zabezpečiť priamy prechod od návrhu systému cez jeho matematické modelovanie na ovládanie funkčného pohybu v reálnom čase.
Použitie mechatronického prístupu pri vytváraní počítačom riadených strojov určuje ich hlavné výhody v porovnaní s tradičnými automatizačnými nástrojmi:
Relatívne nízke náklady vďaka vysokému stupňu integrácie, zjednotenia a štandardizácie všetkých prvkov a rozhraní;
Vysoká kvalita vykonávania zložitých a presných pohybov vďaka použitiu inteligentných metód riadenia;
Vysoká spoľahlivosť, odolnosť a odolnosť proti hluku;
Konštrukčná kompaktnosť modulov (až po miniaturizáciu v mikrostrojoch),
Vylepšená hmotnosť, veľkosť a dynamické vlastnosti strojov vďaka zjednodušeniu kinematických reťazcov;
Schopnosť integrovať funkčné moduly do komplexných systémov a komplexov pre špecifické úlohy zákazníka.
Klasifikácia pohonov akčných členov mechatronického systému je znázornená na obrázku 1.4.
Obrázok 1.4 – Klasifikácia pohonov mechatronického systému
Obrázok 1.5 znázorňuje schému elektromechatronickej jednotky založenej na pohone.
Obrázok 1.5 – Schéma elektromechatronickej jednotky
V rôznych oblastiach techniky sú široko používané pohony, ktoré vykonávajú výkonové funkcie v riadiacich systémoch pre rôzne objekty. Automatizácia technologických procesov a výroby najmä v strojárstve nie je možná bez použitia rôznych pohonov, medzi ktoré patria: akčné členy určené technologickým procesom, motory a riadiaci systém motora. V pohonoch riadiacich systémov MS (technologické stroje, automaty MA, PR a pod.) sa používajú akčné motory, ktoré sa výrazne líšia fyzikálnymi účinkami. Realizácia takých fyzikálnych efektov, ako je magnetizmus (elektromotory), gravitácia vo forme premeny hydraulických a vzduchových prúdov na mechanický pohyb, expanzia prostredia (spaľovacie motory, prúdové motory, parné stroje atď.); elektrolýza (kapacitné motory) v kombinácii s najnovšími pokrokmi v oblasti mikroprocesorovej techniky umožňuje vytvárať moderné pohonné systémy (DS) so zlepšenými technickými vlastnosťami. Vzťah medzi parametrami výkonu pohonu (krútiaci moment, sila) a kinematickými parametrami ( uhlová rýchlosť výstupného hriadeľa, rýchlosť lineárneho pohybu tyče IM) je určená mechanickými charakteristikami elektrických, hydraulických, pneumatických a iných pohonov, spolu alebo samostatne riešiteľov problémov pohyb (prevádzka, voľnobeh) mechanickej časti MS (technologického zariadenia). Zároveň, ak je potrebná regulácia výstupných parametrov stroja (výkon, rýchlosť, energia), tak mechanické vlastnosti motory (pohony) by mali byť vhodne upravené v dôsledku ovládania ovládacích zariadení, napríklad úrovne napájacieho napätia, prúdu, tlaku, prietoku kvapaliny alebo plynu.
Ľahko formovateľné mechanické pohyby priamo od elektrická energia v pohonných systémoch s elektromotorom, t.j. v elektromechanických EMC systémoch určuje množstvo výhod takéhoto pohonu oproti hydraulickým a pneumatickým pohonom. V súčasnosti jednosmerné a striedavé elektromotory vyrábajú výrobcovia v rozsahu od desatín wattu až po desiatky megawattov, čo umožňuje uspokojiť dopyt po nich (podľa požadovaného výkonu) ako pre použitie v priemysle, tak aj v mnohých typoch v doprave a v každodennom živote.
Hydraulické pohony MS (procesné zariadenia a PR) sú v porovnaní s elektrickými pohonmi veľmi široko používané v dopravných, banských, stavebných, cestných, dráhových, melioračných a poľnohospodárskych strojoch, zdvíhacích a dopravných mechanizmoch, lietadlách a podvodných vozidlách. Majú významnú výhodu oproti elektromechanickým pohonom, kde je potrebné značné pracovné zaťaženie v malých rozmeroch, napríklad v brzdových systémoch alebo automatických prevodovkách automobilov, raketovej a kozmickej techniky. Široká použiteľnosť hydraulických pohonov je daná tým, že napätie pracovného prostredia v nich je oveľa väčšie ako napätie pracovného prostredia elektromotorov a priemyselných pneumatických pohonov. V skutočných hydraulických pohonoch je napätie pracovného média v smere prenosu pohybu 6-100 MPa s flexibilným riadením reguláciou prietoku kvapaliny hydraulickými zariadeniami, ktoré majú rôzne ovládanie, vrátane elektronického. Kompaktnosť a nízka zotrvačnosť hydraulického pohonu zaisťuje ľahkú a rýchlu zmenu smeru pohybu IM a použitie elektronických riadiacich zariadení zaisťuje prijateľné prechodné procesy a stanovenú stabilizáciu výstupných parametrov.
Pre automatizáciu riadenia MS (rôzne technologické zariadenia, automaty a PR) sa vo veľkej miere využívajú aj pneumatické pohony na báze pneumatických motorov na realizáciu translačných aj rotačných pohybov. Vzhľadom na značný rozdiel vo vlastnostiach pracovného média pneumatických a hydraulických pohonov sa však ich technické charakteristiky líšia v dôsledku výraznej stlačiteľnosti plynov v porovnaní so stlačiteľnosťou kvapôčkovej kvapaliny. S jednoduchou konštrukciou, dobrým ekonomickým výkonom a dostatočnou spoľahlivosťou, ale nízkymi regulačnými vlastnosťami nie je možné pneumatické pohony použiť v polohových a obrysových prevádzkových režimoch, čo trochu znižuje atraktivitu ich použitia v MS ( technické systémy TS).
Určenie najvhodnejšieho druhu energie v pohone s čo najdosiahnuteľnejšou účinnosťou jej využitia pri prevádzke technologického alebo iného zariadenia je pomerne zložitá úloha a môže mať viacero riešení. V prvom rade musí každý pohon spĺňať svoj servisný účel a potrebné výkonové a kinematické charakteristiky. Rozhodujúcimi faktormi pri dosahovaní požadovaných výkonových a kinematických charakteristík, ergonomických ukazovateľov vyvíjaného pohonu môžu byť: rýchlosť pohonu, presnosť polohovania a kvalita ovládania, obmedzenia hmotnosti a celkové rozmery, umiestnenie pohonu v celkovom usporiadaní zariadenia. Konečné rozhodnutie, ak sú určujúce faktory porovnateľné, sa robí na základe výsledkov ekonomického porovnania rôznych možností pre zvolený typ pohonu podľa štartovania a prevádzkové náklady na jeho konštrukciu, výrobu a prevádzku.
Tabuľka 1.1 - Klasifikácia elektromotorov
