Материал: mekhatronika_UrGUPS

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Мехатроника»

Б. М. Готлиб, А. А. Вакалюк

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ «МЕХАТРОНИКА

И РОБОТОТЕХНИКА»

Курс лекций для студентов специальности 221000 – «Мехатроника и робототехника»

Екатеринбург Издательство УрГУПС 2012

УДК 621.865.8

Готлиб, Б. М.

      Введение в специальность «Мехатроника и робототехника» : курс лекций / Б. М. Готлиб, А. А. Вакалюк. – Екатеринбург : УрГУПС, 2012. – 134 [2] с.

ISBN 978-5-94614-222-9

Курс лекций охватывает содержание дисциплины В.3.2 «Введение в специальность», которая читается студентам первого курса очного обучения специальности 221000 – «Мехатроника и робототехника» (квалификация бакалавр). Рассматриваются общие понятия, базовые определения, основные направления и технологическое обеспечение мехатронных и робототехнических систем. В лекциях также приводится описание современных мехатронных и робототехнических модулей и систем.

В курсе лекций отражены перспективные направления в развитии мехатроники и робототехники.

Курс лекций может быть полезен студентам специальности 220401.65 – «Мехатроника».

УДК 621.865.8

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета

Авторы: Б. М. Готлиб, заведующий кафедрой «Мехатроника», доктор технических наук, профессор, УрГУПС

А. А. Вакалюк, аспирант кафедры «Мехатроника», УрГУПС

Рецензенты: С. В. Смирнов, заместитель директора по научной работе Института машиноведения УрО РАН, доктор технических наук, профессор;

В. И. Гребенников, ведущий научный сотрудник института физики металлов УрО РАН, доктор физико-математических наук, профессор

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Лекция 1 Общие понятия о мехатронике и робототехнике . . . . . . . . . . . . 9

1.1.Назначение и область применения мехатроники. . . . . . . . . 10

1.2.Назначение и область применения робототехники. . . . . . . . 13

Лекция 2

Базовые определения и основные направления развития мехатроники и робототехники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.Основные понятия и определения. . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.Основные направления развития мехатронных и робототехнических систем. . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2.1. Интеграция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.2. Интеллектуализация. . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.3. Миниатюризация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Лекция 3 Технологическое обеспечение мехатронных

и робототехнических систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.1.Структурный и технологический базисы мехатроники. . . . . . 35

3.1.1.Гибридные технологии электромеханики и механики. . . . 37

3.1.2.Цифровые технологии управления движением. . . . . . . 39

3.1.3.Технологии автоматизированного проектирования. . . . . 48

Лекция 4 Современные мехатронные и робототехнические модули и системы. . . 55

4.1.Современные требования к мехатронным и робототехническим модулям и системам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.1.1.Новые служебные и функциональные задачи мехатронных и робототехнических систем. . . . . . . . . 57

4.1.2.Интегрированные приводы. . . . . . . . . . . . . . . 70

4.1.3.Микроэлектромеханические машины и системы. . . . . . 74

4.1.4.Кинематические структуры многокоординатных машин . . 84

4.1.5.Многофункциональные металлообрабатывающие центры. . 91

4.1.6.Интеллектуальные мехатронные

иробототехнические системы. . . . . . . . . . . . . . 94

4.1.7.Дистанционное управление мобильными мехатронными системами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.2.Примеры реализации больших современных мехатронных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.2.1.Управление движением автомобильного транспорта . . . . 117

4.2.2.Инновационные системы железнодорожной автоматики. . 122

4.2.3.Электроэнергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

3

Предисловие

В2011–2012 учебном году кафедра «Мехатроника» УрГУПС перешла на двухуровневую систему образования «бакалавр – магистр» по направлению подготовки 221000 – «Мехатрони-

ка и робототехника». Нормативный срок обучения на первом уровне образования «бакалавр» составляет 4 года, на втором уровне образования «магистр» – 2 года.

Данный курс лекций по дисциплине «Введение в специальность» предназначен в первую очередь бакалаврам по направлению подготовки 221000 – «Мехатроника и робототехника», но может быть полезен также студентам специальности 220401 – «Мехатроника» при изучении дисциплин «Основы мехатроники» и «Применение мехатронных систем».

Область профессиональной деятельности бакалавров по направлению подготовки 221000 – «Мехатроника и робототехника» включает в себя мехатронику и робототехнику. При этом мехатроника традиционно воспринимается как часть общего с робототехникой научнотехнического направления, которое официально зафиксировано в перечнях как научных, так и учебных направлениях. Однако все-таки точнее считать мехатронику и робототехнику относительно самостоятельными областями науки и техники, использующими общие принципы и методы проектирования мехатронных модулей и систем применительно к мехатронике и робототехнике.

Цель настоящего курса лекций – изложение современных принципов построения и применения мехатронных и робототехнических систем – магистрального направления развития науки и техники в различных областях машиностроения и других сферах деятельности.

Объектами профессиональной деятельности бакалавра по направлению подготовки 221000 – «Мехатроника и робототехника» являются:

–автоматические и автоматизированные системы;

–средства управления и контроля;

4

–математическое, алгоритмическое, программное и информационное обеспечение;

–способы и методы проектирования, производства, отладки

иэксплуатации мехатронных и робототехнических модулей

исистем различного назначения;

–научные исследования и производственные испытания в промышленности (в том числе оборонной) энергетике, транспорте, медицине и сельском хозяйстве.

На кафедре «Мехатроника» УрГУПС приняты следующие профили подготовки бакалавров:

1.Проектирование и конструирование мехатронных и робототехнических модулей и систем.

2.Мехатронные системы в автоматизированном производстве. Изложенное показывает, что в целом мехатроника и робототехни-

ка, несмотря на некоторые отличия, действительно образуют единое комплексное научно-техническое направление, развивающееся на основе общих тенденций развития современной техники.

Данный курс лекций является базовым в системе образования специалиста в области мехатроники и робототехники. К курсу лекций прилагается набор видеоматериалов на электронных носителях.

Авторы выражают благодарность рецензентам и всем коллегам за советы и рекомендации при обсуждении материала лекций.

5