Материал: mekhatronika_UrGUPS

Введение

Внастоящее время мехатроника наряду с информатикой, биоинженерией и нанотехнологиями оказывает существенное влияние на развитие производственной и бытовой техносфер в направлении все более широкого внедрения систем мехатронной ав-

томатизации и роботизации в различные физико-технические процессы во всех сферах деятельности общества.

Целью мехатроники является создание интеллектуальных физикотехнических изделий, систем и процессов, обладающих качественно новыми функциями, свойствами и возможностями. Частным случаем таких физико-технических изделий являются роботы и робототехнические системы различного назначения и размерностей.

Современная мехатроника и робототехника охватывает все размерные масштабы технических систем от «макро» до «микро» (размеры от 1 мк до 1 мм) с последующим переходом от микросистем к наносистемам (порядка ста нанометров – 10–7 м): переход «макро-микро- нано-мехатроника и -робототехника».

Все вышесказанное о мехатронике и робототехнике нашло отражение в определениях, данных в Федеральном государственном стандарте высшего профессионального образования по направлению подготовки 221000 – «Мехатроника и робототехника» (Утверждено приказом Министерства образования и науки РФ от 9 ноября 2009 г., № 545) – квалификация «бакалавр».

Мехатроника – область науки и техники, основанная на системном объединении узлов точной механики, датчиков состояния внешней среды и самого объекта, источников энергии, исполнительных механизмов, усилителей, вычислительных устройств (ЭВМ и микропроцессоры). Мехатронная система – единый комплекс электромеханических, электрогидравлических, электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется постоянный динамически меняющийся обмен энергией и информацией, объединенный общей системой автоматического управления, обладающей элементами искусственного интеллекта.

6

Робототехника – область науки и техники, ориентированная на создание роботов и робототехнических систем, построенных на базе мехатронных модулей (информационно-сенсорных, исполнительных и управляющих). Роботы и робототехнические системы предназначены для выполнения рабочих операций от микродо макро размерностей, в том числе с заменой человека на тяжелых, утомительных

иопасных работах.

Вдальнейшем будут рассмотрены и другие определения мехатроники и робототехники [1]. В этих определениях особо подчеркивается интеграционная сущность мехатронных систем, в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электротехнических, электронных, компьютерных и информационно-из- мерительных компонентов, объединенных общей интеллектуальной системой управления. Все вышесказанное относится и к современной робототехнике. Поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга, помещенные во внешнюю оболочку «производство» – «менеджмент» – «требования рынка» (рис. 1).

¨ÉÇÁÀ»Ç½ÊË»Ç

Рис. 1. Определение мехатронных систем

В лекции 1 даны общие понятия о мехатронике и робототехнике, показаны назначение и области применения мехатронных и робототехнических систем.

7

Влекции 2 представлены основные направления развития мехатроники и робототехники: интеграция, интеллектуализация и миниатюризация сложных технических систем.

Влекции 3 описаны основные технологические процессы, применяемые при разработке мехатронных и робототехнических систем.

Влекции 4 сформулированы базовые требования к мехатронным

иробототехнических модулям и системам, продемонстрированы способы удовлетворения этим требованиям и проиллюстрированы примеры реализации современных больших мехатронных систем.

8

Лекция 1 Общие понятия о мехатронике и робототехнике

Термин «мехатроника» (Mechatronics) введен в 1969 г. японским инженером Тецуро Мори (фирма Yaskawa Electric) применительно к механическим системам с электронным управлением. Возникнув в результате второй электронной революции, меха-

троника явилась ответом на запросы практики: появление и резкий подъем производства микропроцессоров и больших интегральных схем существенно расширило возможности электронных устройств управления и позволило при малых габаритах и высокой надежности придать им такие новые свойства, как функциональная гибкость

иперестраиваемость в соответствии с требованиями к управляемому механическому процессу.

За время своего непродолжительного существования мехатроника проникла во все сферы человеческой деятельности, оформилась

вприоритетное направление развития науки и техники, вошла в перечень «критических технологий», определяющих уровень производства, конкурентоспособность продукции, качество жизни, обороноспособность и безопасность государства. При этом наибольшее применение мехатронные системы находят в таких отраслях машино-

иприборостроения, как станко- и автомобилестроение, робототехника и вычислительная техника, а также железнодорожная, авиакосмическая, медицинская, офисная, военная и бытовая техника [2].

Впоследние годы была предложена физическая трактовка мехатроники как «средство принятия решения по управлению функционированием физических систем» или как «компьютерное управление передачей физической энергии в управляемых технических системах» (здесь энергия выступает в качестве количественной меры движения и взаимодействия всех видов материи – механической, тепловой, электромагнитной, ядерной, плазменной, гравитационной

9

и др.) [2]. Эти определения предполагают тесную связь мехатроники с информатикой и компьютерной техникой для обработки информации и управления: информатика составляет ее теоретическую, а компьютерная техника – техническую составляющую.

Следуя [1], дадим ответы на три ключевых вопроса, определяющих цель, предмет и методы мехатроники:

Что является предметом мехатроники и робототехники? Почему эти направления столь быстро развиваются?

Как происходит создание мехатронных и робототехнических систем?

1.1. Назначение и область применения мехатроники

Ответы на три поставленных выше вопроса сформулируем исходя из расширенной физической трактовки мехатронных систем.

Цель мехатроники состоит в создании интеллектуальных машин

ифизико-технических систем и процессов различного назначения, обладающих качественно новыми функциями и свойствами.

Предметом мехатроники являются методы и процессы проектирования и производства качественно новых модулей и машин, а на их основе – интеллектуальных исследовательских и промышленных самоорганизующихся и самоуправляемых технических систем.

Метод мехатроники основан на системном сочетании (синергетическом объединении) таких ранее обособленных естественнонаучных

иинженерных направлений, как точная механика, микроэлектроника, электротехника, компьютерное управление и информатика на всех этапах жизненного цикла изделий, начиная с маркетинга и проектирования и продолжая на этапах реализации (производства), эксплуатации и утилизации. Основой метода мехатроники является синергетическая интеграция (объединение) структурных элементов, технологий, энергетических и информационных потоков для достижения единой цели.

Синергетическая интеграция элементов при проектировании мехатронных изделий основана на трех базовых принципах:

–реализация создаваемых изделий минимально возможным числом структурных и конструктивных блоков за счет объединения двух и более элементов в единые многофункциональные модули (блоки);

10