Глава 2. Концепция построения мехатронных систем 2.1. Определения и терминология мехатроники

Современный термин "Мехатроника" ("Меспа(гошс8") , согласно японским источникам [52], был введен фирмой Уазкаша Е1ес1пс в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Это название получено комбинацией слов "МЕХАника" и "элекТРОНИКА".

Любопытно заметить, что в отечественной литературе еще в начале 50-х годов использовался подобным же образом образованный термин -"механотроны" [8]. Так назывались электронные лампы с подвижными электродами, которые применялись в качестве датчиков малыхперемещений, ускорений ,вибраций и т.п.. Начиная с 80-х годов термин "Мехатроника" все чаще применяется в мировой технической литературе как название целого класса машин с компьютерным управлением движением.

Мехатроника находится только в стадии становления, поэтому на сегодняшний день ее определение и базовая терминология еще полностью не сформирована. Поэтому в настоящем пособии представляетсяцелесообразным рассмотреть определения, выражающих суть предмета мехатроники как в широком, так и в узком (специальном) смысле.

Общее определение мехатроники в широком понимании дано в 1995 году в Государственном образовательном стандарте РФ специальности 07.18 "Мехатроника":

Мехатроника - это 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.

В данном определении особо подчеркнута триединая сущность мехатронных систем (МС), в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерныхэлементов. Наверное поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга (рис.2.1),помещенные во внешнюю оболочку "Производство" - "Менеджмент" -"Требования рынка" [58].

92

13

Пульт изготовлен с учетом эргономических требований и выполняет функции интерфейса "человек - машина" в режимах обучения и управления движением. Пульт имеет 8-дюймовый дисплей (разрешение УСА 640x480), пленочную клавиатуру, мышь 6В для управления по шести координатам, кнопки аварийного отключения, включения/выключения приводов, переключатель режимов работы и выключатели разрешения. С помощью стандартного штекера к пульту можно дополнительно подключитьклавиатуру персонального компьютера. Микроконтроллер отправляет клавиатурные данные по стандартной шине в персональный компьютер, дисплейная информация передается через высокоскоростной последовательный интерфейс.

Метод "самообучения" предполагает предварительное

прохождение инструментом детали-эталона, когда координаты точек траектории автоматически вводятся в память компьютера. Запись точки производится при касании инструмента, который выполняет роль щупа базовой поверхности детали. По сути робот работает в этом варианте как координатно-измерительная машина. Компьютер обрабатывает массив полученных точек и формирует необходимое и достаточное количество опорных точек траектории. Координаты опорных точек передаются по специальному интерфейсу из компьютера в систему управления робота.

При автоматизированном программировании пространственных траекторий одним из часто используемых графических форматов является формат, в котором содержится описание последовательности и декартовых координат опорных точек, но при этом нет описания графическихпримитивов (линия, окружность, сплайн). Основным недостатком данного подхода является использование линейной интерполяции для выполнения движения между точками, что неприемлемо для мехатронных систем при высоких требованиях к точности движения. Для систем этого классаследует использовать формат, содержащий графические примитивы и осуществлять интеллектуальную сегментацию траектории, заданной простым текстовым форматом. Для проведения интеллектуальнойсегментации траектории движения с целью интерполяции ее графическими примитивами используется нечеткий интерполяционный фильтр.Основным геометрическим примитивом для проводимой интерполяции является кубический сплайн, а частными его случаями является прямая линия и окружность.

Нечеткий интерполяционный фильтр осуществляет чтение простого текстового формата с последующей параметризацией траектории поиндексу 1° - порядковым номером / = 1,2,..., т, где т - общее число точек траектории. После параметризации фильтр осуществляет итерационный анализ трех точек траектории и определяет кривизну К траектории для средней точки, затем принимает решение о рациональном виде

обеспечить высокое качество управления мехатронной системой можно только с учетом специфики конкретного управляемого объекта. Поэтому учебные курсы по мехатронике целесообразно включать в программы подготовки по специальностям, предметом которых являются конкретные классы производственных машин и процессов (например, "Автоматизация технологических процессов и производств", "Металлорежущие станки", "Машины для обработки металлов давлением", "Роботы и робототехнические системы").

2.В определении подчеркивается синергетический характеринтеграции составляющих элементов в мехатронных объектах. Синергия (греч.) - это совместное действие, направленное на достижение общейцели. При этом принципиально важно, что составляющие части не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами.

В мехатронике все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели - реализации заданного управляемого движения. В некоторых определениях вместо термина "синергетическое" используются понятия "органическое", "системное" и даже "интимное" (буквальный перевод англ. шшшйе) соединение частей в мехатронную систему.

3.Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машины, а затемобеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машины. В этом радикальное отличие мехатронных машин от традиционных, когда зачастую пользователь был вынужден самостоятельно объединять в систему разнородныемеханические, электронные и информационно-управляющие устройства различных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы (например, некоторые гибкие производственные системы в отечественном машиностроении) показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность.

4. Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы . параллельного проектирования. При традиционномпроектировании машин с компьютерным управлением последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной икомпьютерной частей системы, а затем выбор интерфейсных блоков. Парадигма параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонент системы.

5. Базовыми объектами изучения мехатроники являются мехатронные модули, которые выполняют движения, как правило, по одной управляемой координате. Из таких модулей, как из функциональныхкубиков, компонуются сложные системы модульной архитектуры.

90

15

Программная траектория (Ь) рабочего органа определяется геометрическими характеристиками обрабатываемой поверхности и задается как параметрическая функция:

и Ярг=Я(Х) (ОйЛйАпп) (5.13),

где Хм - вектор-столбец, определяющий программное положение и

ориентацию рабочего органа в базовой системе координат (см. (5.1));

Я - путь, пройденный рабочим органом вдоль траектории (скалярный параметр, который в дифференциальной геометрии называется лонгальным).

Важно подчеркнуть, что аргументом векторной функции в уравнении (5.13) является не время 1 , как в традиционных системах автоматического управления, а геометрическая переменная - путь.

Желаемое значение контурной скорости определяется по выражением:

Лрг=*(^ррг-^р) (⁵¹⁴)>

где Ррг -желаемое значение управляемой составляющей силы резания (тангенциальной или нормальной к траектории инструмента); Р -текущее значение, измеряемое датчиком силы; I* - оператор (в общем случае нелинейный), определяющий алгоритм управления контурной скоростью робота.

В частном случае для ряда операций механообработки целесообразно стабилизировать мощность резания. Тогда выражение (5.14) приводится к виду:

^х_»-"/я^ ^(ЗД5)_'

где N - заданное значение мощности резания.

Таким образом, особенность параметрического подхода состоит в независимом задании траектории рабочего органа в пространстве и в адаптивном управлении его контурной скоростью во времени. Раздельное формирование законов управления движением мехатронной системы в пространстве и во времени позволяет использовать различные критерии при их оптимизации, что соответствует постановке задач управления мехатронными системами, рассмотренной в п.5.1.

При этом движение рабочего органа как конечного управляемого звена обеспечивается согласованными перемещениями всех исполнительных приводов и звеньев манипулятора.

Предлагаемый параметрический подход позволяет также учесть влияние рабочего процесса на движение ₍робота при выполнении