Що роблять мехатроніки

Що таке мехатроніка

Слово «мехатроніка» утворено з двох слів – «механіка» і «електроніка». Цей термін в 1969 році запропонував старший розробник фірми Yaskawa Electric, японець на ім’я Тецуро Морі.

У 20 столітті компанія Yaskawa Electric спеціалізувалася на розробці та вдосконаленні електроприводів і електродвигунів постійного струму, в зв’язку з чим досягла великих успіхів на даному напрямку, наприклад перший двигун постійного струму з дисковим якорем був розроблений саме там.

Далі були розробки, що стосуються перших апаратних систем ЧПУ. А в 1972 році тут же був зареєстрований бренд «Мехатроніка». Незабаром компанія сильно досягла успіху в розвитку техніки електроприводу. Пізніше від слова «Мехатроніка», як від торгової марки, в компанії вирішили відмовитися, оскільки термін отримав дуже широке поширення як в Японії, так і по всьому світу.

У будь-якому випадку, саме Японія є батьківщиною найбільш активного становлення такого підходу в техніці, коли для реалізації високоточного управління електроприводом стало необхідним об’єднати механічні елементи, електричні машини, силову електроніку, мікропроцесори і ПО.

Мета мехатроніки – створення якісно нових модулів руху, мехтронних модулів руху, інтелектуальних мехатронних модулів, а на їх основі – рухомих інтелектуальних машин і систем.

Історично мехатроніка розвинулася з електромеханіки і, спираючись на її досягнення, йде далі шляхом системного об’єднання електромеханічних систем з комп’ютерними пристроями управління, вбудованими датчиками і інтерфейсами.

Електронні, цифрові, механічні, електротехнічні, гідравлічні, пневматичні та інформаційні елементи – можуть входити до складу мехатронної системи, як спочатку елементи різної фізичної природи, проте зібрані разом для отримання від системи якісно нового результату, якого неможливо було б досягти від кожного елемента як від окремого виконавця.

Окремий шпиндельний двигун не зможе сам висунути лоток DVD-плеєра, але під управлінням схеми з ПО на мікроконтролері, та будучи правильно з’єднаним із гвинтовою передачею – все легко вийде, і виглядати буде так, немов це – проста монолітна система. Проте, не дивлячись на зовнішню простоту, одна Мехатронні система по визначенню включає в себе кілька мехатронних вузлів і модулів, пов’язаних один з одним, і спільно взаємодіючих для виконання конкретних функціональних дій, для вирішення якоїсь певної задачі.

Один Мехатронні модуль – це самостійний виріб (конструктивно і функціонально), призначене для здійснення рухів з взаємопроникненням і одночасної цілеспрямованої апаратно-програмної інтеграцією його складових.

Типова Мехатронні система являє собою об’єднані один з одним електромеханічні компоненти і компоненти силової електроніки, які в свою чергу керуються ПК або микроконтроллерами.

При проектуванні і побудові такої мехатронної системи, намагаються уникнути зайвих вузлів і інтерфейсів, прагнуть зробити все лаконічно і як можна більш цілісно, ​​не тільки для того щоб поліпшити масо-габаритні характеристики пристрою, але і для підвищення надійності системи в цілому.

Іноді інженерам доводиться непросто, вони змушені знаходити дуже незвичайні рішення саме в силу того, що різні вузли знаходяться в різних робочих умовах, роблять абсолютно різний. Наприклад, подекуди звичайний підшипник не підійде, і його замінюють на електромагнітний підвіс (так зроблено, зокрема, в турбінах, які качають газ по трубах, оскільки звичайний підшипник швидко вийшов би тут з ладу через проникнення в його мастило газу).

Так чи інакше, сьогодні мехатроніка проникла усюди, починаючи від побутової техніки, закінчуючи будівельної робототехнікою, зброєю і космічної авіацією. Всі верстати з ЧПУ, жорсткі диски, електричні замки, система АБС в вашому автомобілі і т. Д. – скрізь мехатроніка виявляється не просто корисною, а необхідною. Уже рідко де можна зустріти ручне управління, все йде до того, що натиснув на кнопку без фіксації або просто доторкнувся до сенсора – отримав результат – ось, мабуть, самий примітивний приклад того, що сьогодні являє собою мехатроніка.

Перший рівень інтеграції утворюють мехатронні пристрої та їх елементи. Другий рівень інтеграції утворюють інтегровані мехатронні модулі. Третій рівень інтеграції утворюють інтеграційні мехатронні машини. Четвертий рівень інтеграції утворюють комплекси мехатронних машин. П’ятий рівень інтеграції утворюють на єдиної інтеграційної платформі комплекси мехатронних машин і роботи, які передбачають формування реконфігурованих гнучких виробничих систем.

Сьогодні мехатронні модулі та системи знаходять широке застосування в наступних областях:

  • верстатобудування і обладнання для автоматизації, технологічних процесів в машинобудуванні;
  • промислова і спеціальна робототехніка;
  • авіаційна і космічна техніка;
  • військова техніка, машини для поліції та спецслужб;
  • електронне машинобудування і обладнання для швидкого прототипування;
  • автомобілебудування (приводні модулі «мотор-колесо», антиблокувальні пристрої гальм, автоматичні коробки передач, системи автоматичного паркування);
  • нетрадиційні транспортні засоби (електромобілі, електровелосипеди, інвалідні коляски);
  • офісна техніка (наприклад, копіювальні та факсимільні апарати);
  • периферійні пристрої комп’ютерів (наприклад, принтери, плоттери, дисководи CD-ROM);
  • медичне та спортивне обладнання (біоелектричні і екзоскелетние протези для інвалідів, тонусні тренажери, керовані діагностичні капсули, масажери і т. д.);
  • побутова техніка (пральні, швейні, посудомийні машини, автономні пилососи);
  • мікромашини (для медицини, біотехнології, засобів зв’язку і телекомунікації);
  • контрольно-вимірювальні пристрої та машини;
  • ліфтове й складське устаткування, автоматичні двері в готелях і аеропортах; фото- і відеотехніка (програвачі відеодисків, пристрої фокусування відеокамер);
  • тренажери для підготовки операторів складних технічних систем і пілотів;
  • залізничний транспорт (системи контролю та стабілізації руху поїздів);
  • інтелектуальні машини для харчової та м’ясомолочної промисловості;
  • поліграфічні машини;
  • інтелектуальні пристрої для шоу-індустрії, атракціони.
  • Відповідно зростає потреба в кадрах, які володіють Мехатронні технологіями.

Що таке мехатроніка

Завданням приводної частини (електроприводу) є перетворення електричної енергії на механічну та приведення до руху робочих органів машини. Електромеханічна приводна частина складається з електричного двигуна та електронного силового перетворювача, який перетворює електроенергію, спожиту з джерела (системи електропостачання) до вигляду, придатного для живлення обмоток двигуна. Саме через цей перетворювач і здійснюється керування швидкістю, зусиллями та положенням валу двигуна та, зрештою, робочого органу.

Останнім часом у побудові машин нового покоління спостерігається тенденція передачі все більшої кількості функцій від механічних вузлів до інтелектуальних (електронних, комп’ютерних, інформаційних), із яких складається система керування машиною. Інтелектуальні вузли легко перепрограмовуються під нове завдання, що розширює функціональні можливості машини. Водночас із розвитком техніки вузли машини різної фізичної природи (механічні, електричні, електромеханічні, електронні, інформаційні) поступово об’єднувалися в єдине конструктивне ціле. Саме такі інтелектуальні машини та вузли називають мехатронними. Мехатроніка (Mechatronics) – галузь науки та техніки, присвячена створенню та експлуатації машин із комп’ютерним керуванням рухом, яка базується на знаннях у царині електромеханіки, електроніки, мікропроцесорної техніки, автоматики та ІТ-технологій.

Термін «мехатроніка» з’явився наприкінці 60-х років минулого століття в Японії. Він є комбінацією слів «МЕХАніка» та «елекТРОНІКА». Місце мехатроніки серед суміжних галузей знань показане на рис. 1. Як видно, вона вбирає в себе досягнення не лише механіки та електроніки, а й сучасних цифрових систем керування та автоматизованого проектування (CAD). У зовнішньому колі показані основні сфери застосування мехатроніки.

Ключовим елементом мехатронних систем є мехатронний модуль руху. Одним із найперших таких модулів став свого часу мотор-редуктор (рис. 2), що поєднав у собі приводний електричний двигун та індустріальний механічний редуктор. Його використання значно спростило розробку та виготовлення машини, її надійність.

Подальша мініатюризація засобів силової та керуючої електроніки дала змогу конструктивно об’єднати з електромеханічними вузлами ще й електронні. З’явилися інтелектуальні мехатронні модулі (ІММ) у вигляді двигунів та мотор-редукторів з силовими перетворювачами (перетворювачами частоти) на борту (рис. 3). Подібні пристрої завдяки наявності в їх складі обчислювальних пристроїв здатні автономно виконувати переміщення робочих органів машин без постійного контролю з боку системи автоматизації верхнього рівня.

Для потреб машинобудування (насамперед для верстатів з числовим програмним керуванням та промислових роботів) розроблені мехатронні модулі, які поєднують у собі не лише електромеханічні вузли, а й сам робочий орган машини:

  • електрошпиндель (електродвигун + шпиндельний вузол для закріплення ріжучого інструменту, рис. 4,а);
  • поворотний стіл для закріплення оброблюваної деталі (рис. 4,б);
  • мотор-колесо (поєднання двигуна та колеса транспортного засобу, рис. 4,в) тощо.

Велика кількість механізмів має поступальний рух робочого органу (механізми подач верстатів, деякі промислові роботи тощо). Для них розроблені мехатронні модулі поступального руху. На рис. 5,а показаний розтин електроциліндра, що складається з електродвигуна 1, гвинта 2 (одночасно є ротором двигуна) та нерухомої гайки 3. Два останні утворюють кулько-гвинтову передачу, в якій обертання гвинта призводить до його поступального руху. На рис. 5,б показано електроциліндр у зборі.

Тієї ж самої мети можна досягти за допомогою т. зв. «лінійних осей». На рис. 6,а зображено комплектний модуль, до складу якого входить серводвигун 1 із перетворювачем частоти та електромагнітним гальмом, гвинт 2 та супорт із гайкою 3. Обертання валу двигуна та гвинта призводить до поступального переміщення супорту. На рис. 6,б можна бачити мехатронний лінійний модуль, що забезпечує рух уздовж трьох осей.

Значного спрощення механічної частини можна домогтися шляхом використання лінійних двигунів замість звичайних двигунів обертального руху (рис. 7). Лінійний двигун не має обертальних частин. Його рухома частина (1 на рис. 7) має обмотку, яка створює магнітне поле. Це поле відштовхується від нерухомої частини (2) з постійними магнітами, яка виконує роль напрямних, та забезпечує поступальне переміщення рухомої частини.

Основні переваги використання інтелектуальних мехатронних модулів:

  • здатність ІММ виконувати складні рухи самостійно, без звернення до контролера верхнього рівня керування, що підвищує автономність модулів, гнучкість та живучість мехатронних систем;
  • спрощення комунікації між модулями та центральним пристроєм керування (аж до переходу до бездротових комунікацій);
  • підвищення надійності та безпеки мехатронних систем завдяки комп’ютерному діагностуванню несправностей та автоматичному захисту в аварійних ситуаціях;
  • створення на основі ІММ розподілених систем автоматизації, для яких характерне делегування повноважень «зверху» до «низу» (тобто перехід від «монархії» до «демократії»), широке використання мережних технологій обміну інформацією;
  • використання інтелектуальних сенсорів в ІММ призводить до підвищення точності вимірювань завдяки первинній обробці інформації, фільтрації шумів тощо.

Для реалізації точних рухів мехатронний модуль комплектується давачем положення (енкодером, рис. 8). Електропривод, обладнаний таким давачем, називають сервоприводом. До складу систем керування рухом, що поєднують кілька сервоприводів (ІММ), входять контролери керування рухом (сервоконтролери, рис. 9). До основних функцій сервоконтролерів належать координація рухів окремих сервоприводів (мехатронних модулів) та формування для них завдань на переміщення з метою реалізації складних просторових траєкторій руху.

Яскравим прикладом мехатронної системи є роботи та маніпулятори (рис. 10). Вони все частіше використовуються для зварювальних та фарбувальних робіт, збиральних операцій, виготовлення електронних друкованих плат, металообробки, у космічних дослідженнях і навіть у побуті.

Деякі різновиди роботів (у тому числі показані на рис. 10) чимось подібні до людської руки як за конструкцією, так і за призначенням. Завданням інших є автоматичне переміщення вантажів цехом, тому вони виглядають, як візки (рис. 11).

Типовою мехатронною системою є верстат із числовим програмним керуванням (ЧПК), який використовують для механічної обробки виробів з металу, деревини, пластмас (рис. 12). Роботу модулів руху (осей) координує цифрова система ЧПК, до якої попередньо завантажено програму обробки.

Сьогодні мехатронні модулі й системи знаходять широке застосування також у наступних областях:

  • автомобілебудування (наприклад, антиблокувальні системи гальм, системи стабілізації руху автомобіля й автоматичного паркування, автопілоти);
  • 3D-принтери (рис. 13);
  • нетрадиційні транспортні засоби (електровелосипеди, сегвеї, інвалідні візки, дрони, рис. 14);
  • офісна техніка (наприклад, копіювальні й факсимільні апарати);
  • елементи обчислювальної техніки (наприклад, принтери, плотери, дисководи);
  • технологічні лінії та пакувальні машини харчової і обробної промисловості;
  • поліграфічні машини;
  • побутова техніка (пральні, швейні, посудомийні та інші машини);
  • фото- і відеотехніка;
  • медичне обладнання (реабілітаційне, клінічне, сервісне);
  • тренажери для підготовки пілотів й операторів та ін.

Цифрові системи керування мехатронними системами залежно від ступеню складності та традицій певної галузі можуть бути реалізованими у вигляді:

  • мікроконтролерів;
  • сервоконтролерів;
  • програмованих логічних контролерів (ПЛК);
  • систем ЧПК (для роботів та верстатів);
  • промислових комп’ютерів тощо.

Мехатронні системи, як і системи електроприводу, належать до електромеханічних систем. Проте до відмінностей мехатронних систем слід віднести:

  • відносно малу потужність (оскільки поєднання в одному конструктивному модулі механічних, електричних та електронних підсистем за великої їх потужності реалізувати неможливо);
  • виключно цифрову природу систем керування (в електропривод можливі і аналоговий принцип побудови);
  • переважно більшу точність та швидкодію.

Related Post

Трава тархун застосування в мясних стравахТрава тархун застосування в мясних стравах

Зміст:1 Естрагон (тархун-трава): корисні властивості та застосування1.1 Збір і заготівля трави1.2 Хімічний склад1.3 Корисні та лікувальні властивості естрагону (тархун-трави)1.4 Протипоказання1.5 Рецепти народної медицини на основі естрагону2 Эстрагон (тархун) трава: свойства

Як садити троянду плетистуЯк садити троянду плетисту

Зміст:1 ТОП-13 правил догляду за плетистими трояндами навесні1.1 Огляд та прибирання плетистої троянди1.2 Обрізання пошкоджень1.3 Помірна поросль1.4 Особливості старої троянди1.5 Мінімізувати бруньки1.6 Шукаємо бруньки1.7 Проріджування бруньок плетистої троянди1.8 Подвійні бруньки1.9