Конспект лекций по КММ

Егоров О.Д.

Конспект лекций по дисциплине " Конструирование мехатронных модулей"

Глава 1. ОСНОВЫ СТАНОВЛЕНИЯ МЕХАТРОННЫХ УСТРОЙСТВ. 8

7

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время мехатроника является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей науки и техники. Еѐ достижения широко применяют в различных сферах деятельности человека: робототехнике, технологических производственных процессах, медицине, космосе, под водой, в военном деле и т.д.

Важную роль в развитии мехатроники в мире сыграл бурный прогресс в области информационных, электронных и интеллектуальных технологий и их приложения к задачам управления функциональными движениями. Одновременно разрабатывались новые принципы и технологии изготовления высококачественных и компактных механических устройств, электронных блоков, двигателей углового и линейного движения, что послужило основой современных мехатронных модулей. Внимание учѐных, конструкторов, инженеров сосредоточено на создании мехатронных модулей, отвечающих самым современным требованиям качества, надѐжности и безопасности.

В учебном пособии даны общие понятия о мехатронике, широко представлены различные виды мехатронных модулей и их классификация по видам и уровням интеграции, приведена их структура и представлен структурный анализ и синтез, разработаны критерии интеграции и изложены основы конструирования мехатронных модулей

иотдельных элементов, их составляющих: преобразователей движения, люфтовыбирающих механизмов, направляющих, тормозных и информационных устройств, а также приведена методика расчета точности работы как отдельных конструктивных компонентов, так и всего мехатронного модуля в целом.

Учебное пособие предназначено для студентов, магистров и аспирантов, обучающихся по направлению “Мехатроника и робототехника”, а также может быть полезна студентам и специалистам других технических направлений, занимающихся проектированием модулей

имашин для автоматизированного машиностроения.

Авторы выражают благодарность рецензентам за труд по рецензированию рукописи и критические замечания, а также коллективу кафедры “Робототехника и мехатроника” Московского государственного технологического университета “Станкин” за помощь при подготовке учебного пособия и полезные советы.

Замечания и пожелания по улучшению содержания учебного пособия прошу направлять по адресу: 101472, Москва, Вадковский пер., д. 1, ИЦ МГТУ “Станкин”.

Авторы

8

Глава 1 ОСНОВЫ СТАНОВЛЕНИЯ МЕХАТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. От механики к мехатронике

Термин “мехатроника” был введен японской фирмой Yaskawa Electric в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Это название получено от комбинации слов “МЕХАника” и “элекТРОНИКА”.

Вотечественной 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 в мировой технической литературе начинают применять термин “мехатроника” как название класса машин с компьютерным управлением движения.

Первоначально мехатронными устройствами считали только регулируемые электроприводы. Затем сюда стали относить автоматические двери, торговые автоматы, мобильные устройства и фотокамеры

савтофокусировкой. В 80-х годах класс мехатронных устройств пополнился станками с числовым программным управлением, промышленными роботами и новыми видами бытовых машин (посудомоечных, стиральных и т.п.). В последнее десятилетие очень большое внимание уделяют созданию мехатронных устройств для современных автомобилей, нового поколения технологического оборудования (станков с параллельной структурой, роботов с интеллектуальным управлением), микромашин, новейшей компьютерной и офисной техники.

Вмире активно издают научную и учебную литературу в области мехатроники. Первая монография на русском языке японских специалистов Т. Исии, И. Симояма, Х. Иноуэ “Мехатроника” была издана в 1998 году.

За последние годы ученые США, Европы и Азии выпустили в свет несколько книг с аналогичным названием. Многие из этих книг выдержали уже несколько изданий, что говорит о большом интересе читателей к мехатронике.

Так что же такое мехатроника? Ответ можно найти в Государственном образовательном стандарте РФ по направлению “Мехатроника и робототехника” [16].

Мехатроника – область науки и техники, основанная на синергетическом объединении механических, электротехнических, элек-

тронных и компьютерных компонентов, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых устройств с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.

В данном определении особо подчеркнута триединая сущность мехатронных устройств, в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга (рис. 1.1), помещенные во внешнюю оболочку Производство – Менеджмент – Требования рынка [30].

Рис. 1.1

Предметом мехатроники являются методы проектирования и компьютерного управления мехатронных устройств, а также новые технологические и информационные процессы, которые обеспечивают все этапы их жизненного цикла, начиная со стадии маркетинга и концептуального проектирования и заканчивая производством, экс-

терной поддержки всех этапов жизненного цикла мехатронных устройств можно применить принципы CALS – технологий, идеологии интегрированного производства, развития и совершенствования системы автоматизированного проектирования мехатронных изделий, производств, технологий и систем управления.

Во многих областях техники мехатронные системы приходят на смену “механическим” машинам, которые уже не соответствуют качественным требованиям к современному оборудованию. Поэтому при проектировании современных высокоскоростных и высокоточных устройств необходимо применять мехатронный подход, заключающийся в переносе функциональной нагрузки от механических компонентов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным).

“От механики к электронике” – такова ведущая тенденция развития современного машиностроения. Чем же обусловлено такое направление в создании современного оборудования? В первую очередь

– резко возросшими требованиями рынка к потребительским свойствам и качеству продукции машиностроения и приводной техники. К ним относят:

высокие скорости движения рабочих органов машины;

сверхвысокую точность движения и обработки;

максимальную компактность конструкции

минимизацию массогабаритных показателей устройств;

способность системы к реконфигурации.

Именно эти ключевые требования определяют современные тенденции мирового индустриального развития и стимулируют науч- но-технический прогресс в области мехатроники.

Анализ показывает, что еще в начале 90-х годов прошлого века подавляющее большинство функций машин реализовывалось механическим путем. В последующие десятилетия происходило постепенное вытеснение механических компонентов сначало электронными, а затем и компьютерными блоками. В настоящее время в мехатронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну.

Важно подчеркнуть, что тенденция перехода от механики к мехатронике не “закрывает” механику. Наоборот, это стимулирует ее развитие к интеграции с интеллектуальными компонентами в рамках единой мехатронной системы. Такой подход диктует новые требования к встроенным механическим и гибридным компонентам, что в свою очередь ведет к развитию новых технологий и конструкторских решений в области механики.

В мехатронных устройствах укрупненно выделяют три главные части – механическую, электронную и информационную, совокупность которых и образует систему в целом. Указанные части составляют структурный базис мехатроники, который можно наглядно представить в форме пирамиды (рис. 1.3).

Исторически переход от механики к мехатронике осуществлялся постепенно, проходя ряд стадий. Первоначально три указанных базисных направлений (точная механика, электроника и информатика) интегрировались попарно, образуя три гибридные направления, которые показаны боковыми гранями пирамиды. Это электромеханика (объединение механических компонентов с электротехническими изделиями и электронными блоками), компьютерные системы управления (аппаратно-программное объединение электронных и компьютерных устройств), а также системы автоматизированного проектирования механических систем (САПР). Затем уже на стыке гибридных

ми. Затем в результате системного объединения электромеханических компонентов с

компьютерными устройствами управления, встроенными датчиками информации и интерфейсами были созданы мехатронные устройства.

Такой путь развития машин обусловлен появлением новых информационных технологий, отличительной чертой которых является возможность системной обработки знаний, а также современных технологий микроэлектроники, которые легли в основу новой элементной базы важнейших компонентов мехатронных устройств – силовых преобразователей, управляющих и диагностических электронных блоков, датчиков обратной связи и сенсоров. Электронные техноло-