Источник: TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT

Мехатронные системы

      Краткое изложение:

      Все возрастающая дигитально-электронная автоматизация машин и оборудования техники точных приборов способствует многообразию их фукционирования и приводит к интеграции механических и электронных компонентов. И как результат этого процесса осуществляется развитие и разработка мехатронных систем, что вызывает у разработчиков ряд принципиальных соображений по данному вопросу. В нижеприведенной статье дается краткое введение в область мехатроники.

      Введение

Во многих областях технических систем наблюдается сращивание таких явлений как процессы и электроника. Это особо визуально при осуществлении чисто мехнических процессов, но и также имеет место при наличии электрических, термических, и термодинамических процессов с механической составляющей. К этой группе принадлежат в особой степени узлы машин, сами машины, транспортные средства и техника точных приборов. Обработка инфомации возможна благодаря интеграции микровычислительных машин в сочетании с сенсорами, акторами и прочими органами управления, но возникает большой объем задач для разрешения в современной технике автоматизации. Все это позволяет получить многообразие новых и дополнительных функций, а также воздействовать на конструкционные особенности механизмов. В последующем изложении дается краткое описание такого рода разработок и предлагается разъяснение с приведением различных примеров в качестве доказательной базы. Это особо касается дефиниции понятия «мехатроника» и поэтому сразу же приступим к разъяснению данного понятия.

      Мехатронные системы

      В механико-электронных системах дополняется механический процесс задействованием электронной системы. Такого рода электронная система оказывает соответствующее воздействие на механический процесс посредством величин замера и извне поступающих задающих величин или входных параметров в плане управления и регулирования данным процессом. И при соблюдении условия слияния механической и электронной системы в единую неразрывную целостную систему, проиходит возникновение интегрированной механико-электронной системы. Такого рода интегрированная система в последующем будет именоваться как «мехатронная система». Мехатронные системы могут в дальнейшем быть подвержены сильному упрощению, характеризующимся потоком энергии и потоком информации.
      Мехатроника является мультидисплинарной областью, в коротой взаимодействуют следующие дисциплины:
      - Механические системы (машиностроение, техника точных приборов)
      - Электрические сисемы (микроэлектроника, электроника мощностей, сенсорика, акторика)
      - Информационная техника (теория систем, моделеобразование, техника автоматизации, техника математического обеспечения)
      В мехатронных системах осуществляется разрешение задач как механическим так и дигитально-электронным путем. При этом играет особую роль корреляция или взаимоотношения в самой ее конструкции. В условиях конвенциальной системы разделяется как проектирование так и пространственное размещение механических и электронных компонентов. А мехатронная система характеризуется тем, что и сам процесс и сама электронная система с самого начала рассматриваются в качестве пространственной и функционально интегрированной единой целостной системы. Именно поэтому происходит воздействие со стороны электронной системы на формирование процесса уже на стадии проектирования. Это обозначается термином «симултантное проектирование» (simultaneous engineering). И как результат ожидается наличие синергетического эффекта, который включает с себя большый смысл чем просто арифметическое сложение дисциплин.

      Строение мехатронных систем

      Мехатронные системы позволяют зачастую достигать более простой и легкой механической конструкции.
      Конструкции
      Механическая базовая конструкция имеет своей первоочередной задачей перенос механического потока энергии (сила, скорость) и производство процессов движения. В условиях все возрастающего усовершенствования электронных компонентов (миниатюризация, жесткость конструкции, мощность) все больший вес кладается на чашу весов электронники, а механическая конструкция рассматривается с самого начала в качестве механически-электронной единой целостной системы. При этом стремятся к достижению все большей автономии, к примеру, внедрение штекерных интегрированных компонентов или даже сознательное создание условий собственного электроснабжения либо бесконтактная передача сигналов для получения возможности мобильного и капсульного месторасположения зачастую без использования проводной связи.
      Распределение функций «Механика-Электроника»
      Существенную роль в мехатронных системах играет распределение функций в областях самого процесса и электроники. По сравнении с чисто механическим решением проблемы привело внедрение усилителей и акторов с электрической вспомогательной энергией к уже существенному упрощению конструкционного строения. Последующее упрощение механической конструкции осуществуляется путем внедрения микрокомпъюторов в сочетании с децентральными электрическими приводами.
      В плане так называемого «легкого строительства» возникают относительно эластичные системы, слабо демпфируемые используемым материалом, и поэтому данные системы склоны к колебаниям. В данном случае возможно осуществление электронного демпфирования или гашения посредством использования дополнительной обратной связи или рециркуляции соответствующей сенсорики, электроники и акторики и достижение еще большей степени регулирувания и их настройки. В качестве примера служат эластичные роботы, эластичные приводные ветви, гидравлические системы, подъемные платформы, краны большой выносной способности и конструкции в космосе.
      Путем вмонтирования систем регулирования, к примеру, для позиционирования, скорости или силы, возможно не только относительно точное соблюдение заданных задающих величин, но и создание приближено линейного суммарного режима поведения, несмотря на то обстоятельство, что нерегулируемая механическая система характеризуется нелинейными характеристиками. Из за исчезающего «принудительного давления» линеаризации механической детали возможно уменьшение затрат, связанных с конструционными особенностями и технологией изготовления. Примерами служат пневматические или электромагнитные акторы, вмонтированные просто механическим путем или пропускные вентили с их нелинейными параметрами.
      Последующим примером являются магнитные подшипники, у которых управление ротором (турбины, насосы) осуществляется не только посредством механических подшипников скольжения и подшипников качения, но и посредством регулируемых магнетических полей. И тем самым отпадает необходимость в системе циркуляции масел для осуществления смазки, а также нет места механическим потерям, обусловленных трением. Колебания и дисбаланс компенсируются путем задействования автоматики регулирования и поэтому достигаемо очень высокая скорость вращения ( к примеру, ультроцентрифуги и инструментальные ходовые винты - до 100000 оборотов в мин.).