7. Развитие мехатроники и ее значение
Развитие технических наук ведет не только к совершенствованию отдельных отраслей техники, но и к органическому соединению между собой ряда обособленных направлений. Так, в частности, хорошо известно объединение в прошлом механических и электрических концепций в единое направление - электромеханика. Такое объединение существенно обогатило разнообразные механически системы и позволило появиться новым образованиям - электромеханическим системам, в которых взаимосвязаны механические и электромагнитные процессы и которые широко применяются в настоящее время во многих областях техники: в системах автоматического регулирования и телеуправления, электроакустических устройствах, электроизмерительных приборах. Примерами таких систем являются электродвигатели и генераторы, контактно-коммутационные и электромагнитные реле и исполнительные устройства, электромеханические муфты, тормоза и подвесы, а также управляемые электромеханические системы приводов производственных механических устройств. Последние системы, как совокупность электропривода и рабочей машины, а также следящие системы, осуществляющие механические перемещения объектов в соответствии с задаваемой извне информацией, представляют наибольший интерес для технологических машин.
В последнее десятилетие все чаще возникает потребность в создании технических систем и устройств, обладающих наряду с высокими техническими характеристиками способностью к "интеллектуализации" своей функциональной деятельности /1/.
Этому способствуют последние достижения науки и техники.
Основные идеи мехатроники начали формироваться по мере того, как в состав обычных машин, состоящих из разнообразных механизмов, стали входить электронные устройства. Эти устройства преобразили облик машин, расширили их функции и положили начало новому этапу в машиностроении. К числу средств электроники, работающих совместно с механическими системами машин, наиболее часто относят интегральные схемы (ИС), большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), а также другие микроминиатюрные электронные приборы. Наука о проектировании, разработке и применении этих приборов называется микроэлектроникой.
Оказалось, что микроэлектронные устройства, которые обладают высокой надежностью, сравнительно небольшой стоимостью и миниатюрными размерами, достаточно легко приспособить к условиям работы конкретных механизмов и выполняемых ими функций. Поэтому проникновение электроники в машиностроение скоро превратилось поистине в триумфальное шествие. Зарождение микроэлектроники относят лишь к середине 40-х годов нашего столетия, а так как мехатроника возникла на фундаменте практических достижении микроэлектроники, ее история еще короче.
Развитие современных средств микроэлектроники позволило резко сократить размеры и массу электронных элементов, способных выполнять сложные логические и усилительные операции. Интегральное их исполнение повышает надежность функционирования оборудования в условиях эксплуатации. Таким образом, происходит объединение механики и электроники на новом качественном уровне - уровне микроэлектроники. Так же как изобретение электродвигателя привело к замене механических устройств более прогрессивными электромеханическими, так создание современных средств микроэлектроники привело к применению устройств и систем, отличительной чертой которых является глубокое, сращивание в ограниченном объеме информационных, управляющих, силовых и исполнительных элементов. Терминологически, такие системы в мире получили название мехатронные, хотя, если следовать рождению термина «электромеханика», их следовало бы назвать «электрономеханикой». Этот термин впервые появился в Японии в 1984г, где инженеры «приклеили» его к указанным выше системам, а потом сами же удивлялись довольно быстрому признанию во всем мире /2/. Его появление тесно связано с возникшей возможностью встраивания средств вычислительной техники (компьютеров) в состав технических систем.
Термин "мехатроника" (англ. mechatronics) объединяет понятия "механизм" и "элекТРОНИКА". Под первой частью термина подразумевают механику. Что касается второй части, то в ней, в первую очередь, учитываются достижения микроэлектроники и информатики, которые воплотились в создание микрокомпьютеров. Таким образом, имеет место объединение механики и электроники. Механика - это наука о движении. Электроника является основой, базой компьютерной индустрии. Поэтому можно сказать, что мехатроника - это компьютерное управление движением.
В более широком представлении под мехатроникой следует понимать не только компьютерное управление механических устройств, но научно-техническое направление по созданию и эксплуатации таких управляемых технических систем, в которых должно быть осуществлено неразделимое единство механических и микроэлектронных элементов, между которыми происходит непрерывный обмен энергии и информации. Следовательно, мехатронику следует рассматривать как двуединство науки и техники.
С одной стороны, это область науки, которая посвящена анализу и выбору законов исполнительных движений машинных агрегатов с компьютерным управлением, а также синтезу таких агрегатов и машин на их основе.
С другой стороны, это область техники, связанная с проектированием, изготовлением и эксплуатацией мехатронных объектов, а если рассматривать все жизненные циклы, то и с их утилизацией. Общее определение мехатроники в широком понимании дано в Государственном образовательном стандарте РФ междисциплинарной специальности 07.18 "Мехатроника" (1995 г.): "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 компьютерных элементов.
Мехатроника, как продукт, создается по требованию производства, которое, в свою очередь, определяется потребностью рынка. Интернациональные рынки требуют сегодня всё больше и больше продуктов, имеющих большие функциональные способности, для того, чтобы они могли в значительной степени удовлетворять поставленным требованиям, надёжно работать при различных условиях эксплуатации заданное время, быть удобными для пользователя а также обладать невысокой стоимостью. Примеры таких продуктов: сверхточные машины, способные самостоятельно приспосабливаться к различным условиям окружающей среды, автомобили с высокой степенью безопасности, низким потреблением топлива и высоким комфортом, принтеры с высоким качеством печати, автоматические фотокамеры.
Поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга (рис. 1), помещенные во внешнюю оболочку "Производство" - "Менеджмент" - "Требования рынка".
Рис.1 Определение мехатронных систем
Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы.
Развитие мехатроники заставляет решать новые научные проблемы и приводит к возникновению новых научно-технических направлений. В частности, важное значение приобретает изучение физических и химических принципов построения датчиков информации о среде - сенсоров, аналогичных органам чувств человека, а также исследование и создание других биотехнических систем. Совершенно по-новому встает проблема организации управления совокупностью разнородных механических, электрических, электронных, биотехнических устройств и систем, которые сложным образом взаимодействуют между собой. Изучением перечисленных проблем занимается наука кибернетика, дающая основной вклад в развитие теоретических основ мехатроники.
Естественно, что основным мотивом, заставляющим человека осваивать и развивать новые сферы науки и техники, является не что иное, как присущее ему с незапамятных времен стремление расширять свои возможности в споре с природой и улучшать свою жизнь. На рис. 1.1 отражена взаимосвязь различных научно-технических направлений, составляющих мехатронику. Нижняя часть рисунка иллюстрирует влияние мехатроники на структуру современных промышленных предприятии.
Мехатроника включает в себя автоматизацию планирования и управления предприятием, промышленную автоматику и робототехнику, а также автоматизацию диспетчерских и транспортных) служб предприятия. В настоящее время обсуждают перспективы распространения ее и в другие сферы современного производства. Элементы мехатроники прочно закрепились в таких хорошо известных товарах массового спроса, как часы, фотоаппараты и видеокамеры, швейные машины, кондиционеры и холодильники. Например, в часах электронные устройства повсеместно вытеснили механические, изменив до неузнаваемости всю их конструкцию. Снижение стоимости при одновременном повышении качества, а также другие преимущества, достигнутые за счет введения электроники, значительно увеличили эффективность производства и обеспечили рост прибыли. Полагают, что к подобным результатам будет приводить привнесение элементов электроники и в другие изделия. Такое положение дел носит характер одной из закономерностей мехатроники, но самым важным оказывается то, что с момента своего появления идеи мехатроники оказывают огромное влияние на само производство.