11042

Мехатроника. Основные термины и определения

Лекция

Физика

Введение. Основные термины и определения. Мехатроника это новое направление современной науки и техники которое стремительно развивается в последнее десятилетие во всем мире. Если наступивший век считается веком информатизации то для всех машин в самых различных сф

Русский

2013-04-03

1.26 MB

156 чел.

Введение. Основные термины и определения.

Мехатроника - это новое направление современной науки и техники, которое стремительно развивается в последнее десятилетие во всем мире. Если наступивший век считается веком информатизации, то для всех машин в самых различных сферах использования - это век мехатронизации.

Становление мехатроники как новой области науки и техники базируется на фундаментальных основах механики и ее неоспоримых прикладных достижениях. "От Механики к Мехатронике"такой предельно краткой формулой может быть сформулирована ведущая тенденция в современном машиностроении, которая появилась в 80-х годах 20 века и сегодня является общепризнанным положением. Именно от «Механики» взяла «Мехатроника» первую половину своего имени и это отнюдь не случайно.

Обратимся к одному из определений мехатроники, которое утверждено в Государственном образовательном стандарте РФ по направлению "Мехатроника и робототехника" : "Мехатроника - это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, систем и машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями".

В данном определении особо подчеркнута триединая сущность мехатронных систем, в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга (см. рисунок 1.1), помещенные во внешнюю оболочку «Производство - Менеджмент - Требования рынка».

Задача мехатроники как науки состоит в интеграции знаний из таких ранее обособленных областей, как механика и компьютерное управление, информационные технологии и микроэлектроника.

Рисунок 1.1. – Графический символ мехатроники

На стыках этих наук и возникают новые идеи мехатроники. Научно-техническое решение можно считать "истинно мехатронным", если компоненты не просто взаимодействуют друг с другом, но при этом образованная система обладает новыми свойствами, которые не были присущи составляющим ее частям. Мехатроника стремится решать поставленные задачи путем внедрения цифровых электронных блоков и управляющих компьютеров непосредственно в механические узлы и системы. Эффективная реализация данного подхода стала возможна в последние годы благодаря появлению новейших информационных и производственных технологий.

Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новую задачу и при этом являются относительно дешевыми. Так функциональный анализ производственных машин показывает, что доля механической части сократилась с 70% в начале 90-х годов до 25-30% в настоящее  время.

На рис.1.2 представлен характерный график, который отражает динамику этого процесса в производственных машинах за 30 лет, начиная с 70-х годов. Анализ показывает, что еще в начале 90-х годов подавляющее большинство функций машины (более 70%) реализовывалось механическим путем. В последующие десятилетия происходило постепенное вытеснение механических узлов - сначала электронными, а затем и компьютерными блоками. В настоящее время в мехатронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну. При этом доля компьютерной части возросла за последнее 10-летие вдвое и есть все основания прогнозировать сохранение этой тенденции в технике будущего.

Рисунок 1.2 . – Изменение функциональной нагрузки компонентов мехатронных систем

На рис. 1.3 приведены схемы металлорежущих станков традиционной структуры (а) и мехатронной структуры (б) с ограниченным количеством функций, выполняемых механической компонентой.

                                                     а)

                                                       б)

Рисунок 1.3.- Конструктивные схемы металлорежущих станков

До сих пор мехатроника является в значительной степени уделом специалистов-практиков. Ее бурный прогресс в первую очередь обусловлен их технологическими знаниями и умениями, подкрепленными инженерной интуицией. Но потребность в теоретическом обобщении, которое позволяет вести целенаправленный поиск новых мехатронных решений, сегодня весьма велика.

Приведем некоторые определения основных понятий и терминов мехатроники.

Предметом мехатроники являются процессы проектирования и производства модулей, машин и систем для реализации заданных функциональных движений.

Функциональное движение мехатронной системы предусматривает ее целенаправленное механическое перемещение, которое координируется с параллельно управляемыми технологическими и информационными процессами. Требования к показателям качества исполнения функциональных движений (по точности, скорости и т.д.) определяются служебным назначением машины.

Метод мехатроники основан на системном сочетании таких ранее обособленных естественно-научных и инженерных направлений, как точная механика, микроэлектроника, электротехника, компьютерное управление и информатика. Основой метода мехатроники является синергетическая интеграция структурных элементов, технологий, энергетических и информационных процессов на всех этапах жизненного цикла изделия, начиная со стадии его концептуального проектирования и заканчивая производством и эксплуатацией.

Синергия (греч.) - это совместное действие, направленное на достижение общей цели. Например, на футбольном поле игроки объединяются в команду во имя общей цели - забить максимальное количество голов и победить соперника. В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели - выполнить программное движение с заданными показателями качества.

Важно подчеркнуть, что при синергетическом объединении достигается результат больший, чем арифметическая сумма вкладов отдельных частей системы. В спортивной команде функции спортсменов различаются (вратарь, защитник, нападающий). Элементы мехатронных модулей и машин также различаются по своей физической природе, что определяет междисциплинарную сущность предмета мехатроники и ее научно-техническую проблематику. При синергетической интеграции компоненты мехатронной системы должны быть слиты неразрывно и органически - именно так трактовалось это понятие в исторически первом определении мехатроники, в буквальном переводе с японского языка.

Мехатронные технологии включают в себя маркетинговые, проектно-конструкторские, производственные, технологические и информационные процессы, которые обеспечивают полный жизненный цикл мехатронных изделий. Раскрытие связей и закономерностей, характерных для этих процессов, позволяет создавать мехатронные модули, машины и системы, которые способны наиболее эффективно выполнять заданные требования.

Метод мехатроники и мехатронные технологии являются весьма универсальными. В этом смысле мехатронику можно поставить в один ряд с такими фундаментальными подходами к разработке сложных технических систем, как автоматизированное проектирование, кибернетический и бионический подходы к проектированию, модульный принцип построения машин и CALS-технологии.

Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

станкостроение и оборудование для автоматизации, технологических процессов в машиностроении;

промышленная и специальная робототехника;  

авиационная и космическая техника;

    - военная техника, машины для полиции и спецслужб;

    - электронное машиностроение и оборудование для быстрого прототипирования;

  - автомобилестроение (приводные модули "мотор-колесо", антиблокировочные устройства тормозов, автоматические коробки передач, системы автоматической парковки);

- нетрадиционные транспортные средства (электромобили, электровелосипеды, инвалидные коляски);

   - офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);

  - периферийные устройства компьютеров  (например,  принтеры, плоттеры, дисководы CD-ROM);

  - медицинское и спортивное оборудование (биоэлектрические и экзоскелетные протезы для инвалидов, тонусные тренажеры, управляемые диагностические капсулы, массажеры и т.д.); - бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные машины, автономные пылесосы);

микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и телекоммуникации) ;

контрольно-измерительные устройства и машины;

лифтовое и складское оборудование, автоматические двери в отелях и аэропортах;

фото- и видеотехника (проигрыватели видеодисков, устройства фокусировки видеокамер);

тренажеры для подготовки операторов сложных технических систем и пилотов;

железнодорожный транспорт (системы контроля и стабилизации
движения поездов);

интеллектуальные машины для пищевой и мясомолочной промышленности;

полиграфические машины;

интеллектуальные устройства для шоу-индустрии, аттракционы.

Современный термин "мехатроника" был введен японской фирмой Yaskawa Electric в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Это название получено комбинацией слов

"МЕХАТРОНИКА" = "МЕХА ника" + "элек ТРОНИКА".

Обе части термина "мехатроника" имеют греческие лингвистические корни (по-гречески: "mechane" - машина и "electron" - янтарь).

Смысловое значение этих составляющих следующее:

механика - наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами;

электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном, для передачи, обработки и хранения информации.

Любопытно отметить, что в технической литературе еще в 1950-х годах использовался подобным же образом образованный термин "механотроны". Так назывались электронные лампы с подвижными электродами, которые применялись в качестве датчиков малых перемещений, скоростей и вибраций. Начиная с 80-х годов термин "мехатроника" начинает применяться в мировой технической литературе как название класса машин с компьютерным управлением движением.

Ниже приведено несколько интерпретаций понятия "мехатроника", предложенных ведущими университетами и специалистами в данной области.

Мехатроника - это

• "... область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, систем и машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями"

"...междисциплинарная инженерная область, связанная с проектированием изделий, функции которых основаны на интеграции механических и электронных компонентов, координируемых системой управления" .

"... синергетическое сочетание точной механики, электронных систем управления и информационных технологий для проектирования, производства и эксплуатации интеллектуальных автоматических систем".

"... новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов"

"... область науки о механических, энергетических и информационных процессах и их системном взаимодействии в машинах с компьютерным управлением, обеспечивающим получение новых свойств самой машины и качества исполнительных движений".

"...область техники, обеспечивающая реализацию жизненного цикла   мехатронных объектов, вплоть до интеллектуальных машин" .

"... область науки, которая сочетает основы механических, электронных и компьютерных инженерных наук" .

"...область науки, посвященная анализу исполнительных состояний мехатронных объектов и функционального взаимодействия механических, энергетических и информационных процессов между ними и с внешней средой, а также синтезу мехатронных объектов" .

• "... технология, которая объединяет механику с электронными и информационными технологиями для получения, как функционального объединения, так и пространственной интеграции в компонентах, модулях, изделиях и системах".

"...философия проектирования, которая использует синергетическую интеграцию механики, электроники и компьютерных технологий для производства качественно новых изделий, процессов и систем".

"... метод принятия сложных решений для функционирования физических систем".

"... идеология пространственного и временного интегрирования функций в инженерных устройствах и технологических процессах" .

Обратим внимание на три последних определения, предложенных авторитетными специалистами в данной области. Они показывают, что концептуальная идея мехатроники сегодня уже выходит за рамки традиционных технических наук.

Обобщая приведенные определения  можно сказать:  Мехатроника - область науки о механических, энергетических и информационных процессах и их системном взаимодействии в машинах с компьютерным управлением, обеспечивающим получение новых свойств самой машины и качества исполнительных движений.

С другой стороны, мехатроника - область техники, обеспечивающая реализацию жизненного цикла (разработку, изготовление, эксплуатацию) мехатронных объектов, вплоть до интеллектуальных машин.

В мехатронике используются такие современные технологии как:

- технологии разработки, изготовления микросхем, БИС, СБИС, микропроцессоров,  микроЭВМ и специализированных контроллеров в интегральном исполнении;

- технологии информационных систем (получение информации, ее обработка, ввод в процессорные СУ, цифровая обработка и т.д.);

- технологии моделирования, как метода создания, так и одного из аспектов функционирования мехатронной системы (МС).

В целом мехатроника - системный комплекс средств и принципов механики, электроники и информатики, синтез передовых технологий и технических решений, эффективно используемых для достижения конкретных целей при создании современных машин.

Приведем формулировку некоторых специальных терминов, которые будут использоваться в дальнейшем.

Мехатронная система - множество механических, процессорных, электронных и электротехнических компонентов, находящихся в связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Мехатронный объект - предмет (изделие), представляющий собой машину с компьютерным управлением как мехатронную систему устройств, самостоятельно функционирующую в соответствии с целевым назначением.

Мехатронный модуль - мехатронный узел (устройство), состоящее из интегрированного сочетания нескольких элементов, оформленный конструктивно как самостоятельное изделие и выполняющий определенную функцию в различных мехатронных объектах.

Исполнительный орган - функциональная часть мехатронного устройства, предназначенная для выполнения действий по сигналам от системы управления.

Рабочий орган - устройство, предназначенное для реализации технологического назначения объекта.

Мехатронный комплекс - совокупность связанных между собой мехатронных объектов, предназначенная для осуществления действий, определяемых общим целевым назначением.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10309. Фридрих Шеллинг 11.72 KB
  Фридрих Шеллинг оказался своеобразным связывающим звеном между философией Канта идеями Фихте. В центре его философских размышлений оказывается задача построить единую систему познания истины в частных областях. Все это реализуется в его “натурфилософииâ€. Основн...
10310. Формування стратегії розвитку туристичної дестинації «Подільські Товтри» 2.55 MB
  Розкити сутність понять «дестинація», «екологічна дестинація», «стратегія»; Визначити теоретичні основи формування стратегії розвитку туристичної дестинації; Сформулювати систему оціночних показників для визначення привабливості дестинації; Здійснити комплексний аналіз туристичного потенціалу дестинації «Подільські Товтри»; Визначити передумови для створення стратегії розвитку дестинації «Подільські Товтри»...
10311. Эпоха эллинизма 12.39 KB
  Эллинизм охватывающий период от завоеваний Александра Македонского до падения западной Римской Империи характеризует собой последующую античную философию. Сохранив многое из античной классики Эллинизм по существу завершил ее. Исходные принципы заложенные великими ...
10312. Давид Юм - философ английского Просвещения 15.5 KB
  Давид Юм философ английского Просвещения критиковал религиозный и философский догматизм который заложился в сознании людей. Он был философомскептиком антирационалистом. Юм известен своей мыслью о том что не существует объективной причинной связи вещей.Когда мы на
10313. Язык и мышление, их взаимосвязь 42.75 KB
  Язык и мышление Язык главная из знаковых систем человека важнейшее средство человеческого общения способ осуществления мышления. Человек единственной существо моделирующее внешний мир при помощи знаковых систем. В любом человеческом сообществе люди реагиру...
10314. Функции культуры 26 KB
  Функции культуры Основная человекотворческая Человек живет не в природе а в культуре. В ней он сам себя познает. Здесь есть и моменты миропонимания формирования воспитания и социологизации человека. Иначе она еще называется преобразующей функцией поскольку освое
10315. Категории диалектики. Законы диалектики 30 KB
  Категории диалектики общие понятия отражающие наиболее существенные закономерные связи и отношения реальности. Можно сказать что философские категории воспроизводят свойства и отношения бытия в максимально общем виде. Регулируя реальный процесс мышлени они в ходе е
10316. Общество - это продукт совметной историчсекой деятельности дюдей 18.99 KB
  Общество это продукт совместной исторической деятельности людей совокупность общественных связей отношений и компонентов особый тип надындивидуальной и надприродной системной организации. Общество представляет собой специфическую систему включающую множество э...
10317. Предмет и функции философии, Философские дисциплины 27.54 KB
  Философия есть определенная способность думать о вечных вопросах, о человеческой жизни и смерти, о предназначении человека, и в таком своем качестве она возникла вместе с появлением человеческого рода, Философия имеет дело с предельными, вековечными вопросами.