Интеллектуальные мехатронные модули

Главной особенностью современного этапа развития мехатроники является создание принципиально нового поколения модулей - интеллектуальных мехатронных модулей.

Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие с синергетической интеграцией механической, электрической (электротехнической), информационной и компьютерной (электронной) частей, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Таким образом, по сравнению с мехатронными модулями движения (ММД), в конструкцию ИММ дополнительно встраивают микропроцессорные вычислительные устройства и силовые электронные преобразователи, что придает этим модулям интеллектуальные свойств и является их главным отличающим признаком от ММД.

На рис. 6.3 а и рис. 6.3,б изображены интеллектуальные мехатронные модули фирмы SIEMENS SIMODRIVE POSMO A и SIMO- DRIVE POSMO SI соответственно, включающие в себя электродвигатель 1, механический преобразователь 2 и силовой преобразователь 3.

а) б)

Рисунок 6.3 интеллектуальные мехатронные модули фирмы SIEMENS

Синергетическая интеграция указанных элементов составляет структурный базис мехатроники. Мехатронная идея синергетической интеграции элементов различной физической природы становится все более популярной среди разработчиков и потребителей наукоемкой продукции. Первые образцы интеллектуальных мехатронных модулей появились в середине 90-х годов XX века, и в последние годы их доля на рынке быстро увеличивается. Так, по данным журнала Packaging Digest (август 2002), в настоящее время встроенные контроллеры управления движением применяют в 35,1% мехатронных упаковочных машин. В течение ближайших 1,5…2 лет ожидается увеличение доли машин этого класса на 8...10%. Аналогичная тенденция наблюдается и в других областях применения мехатронных систем, в частности, в автоматизированном машиностроении.

Рассмотрим основные преимущества, которые дает применение интеллектуальных мехатронных модулей:

· способность ИММ выполнять сложные движения самостоятельно,

без обращения к верхнему уровню управления, что повышает автономность модулей, гибкость и живучесть мехатронных систем, работающих в изменяющихся и неопределенных условиях внешней среды;

· упрощение коммуникаций между модулями и центральным устройством управления (вплоть до перехода к беспроводным коммуникациям), что позволяет добиваться повышенной помехозащищенности мехатронной системы и ее способности к быстрой реконфигурации;

· повышение надежности и безопасности мехатронных систем благодаря компьютерной диагностике неисправностей и автоматической защите в аварийных и нештатных режимах работы;

· создание на основе ИММ распределенных систем управления с

применением сетевых методов, аппаратно-программных платформ на базе персональных компьютеров и соответствующего программного обеспечения;

· использование современных методов теории управления (программных, адаптивных, интеллектуальных, оптимальных) непосредственно на исполнительном уровне, что существенно повышает качество процессов управления в конкретных реализациях;

· интеллектуализация силовых преобразователей, входящих в состав ИММ, для реализации непосредственно в мехатронном модуле интеллектуальных функций по управлению движением, защите модуля в аварийных режимах и диагностики неисправностей;

· интеллектуализация сенсоров для мехатронных модулей позволяет

добиться более высокой точности измерения, программным путем обеспечив в самом сенсорном модуле фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характеристик вход/выход, компенсацию перекрестных связей, гистерезиса и дрейфа нуля.

Основным фактором, сдерживающим использование интеллектуальных мехатронных модулей в серийных изделиях, является их высокая цена, хотя в последние годы она постоянно снижалась. Это обусловлено рядом технологических факторов:

· бурным развитием в последнее время аппаратных устройств и информационных технологий, ориентированных на задачи управления движением;

· появлением полупроводниковых приборов нового поколения (силовых полевых транзисторов, биполярных транзисторов с изолированным затвором, тиристоров с полевым управлением);

· переходом на новую элементную базу в системах управления движением – это цифровые сигнальные процессоры (DSP - процессоры) и блоки FPGA (Field Programmable Gate Arrays);

· разработкой гибридных технологий мехатроники, позволяющих встраивать электронные и вычислительные устройства в механические узлы.

С точки зрения функционально-структурного анализа, интеллектуальные мехатронные модули реализуют все семь функциональных преобразований. В структуру ИММ входят электромеханическая и управляющая подсистемы, а также силовой преобразователь и соответствующие интерфейсы.

Интеллектуальный мехатронный модуль состоит из следующих основных элементов:

· электродвигателя (хотя возможно использование движителей и других типов, например, гидравлических);

· механического преобразователя;

· датчиков обратной связи и сенсорных устройств;

· управляющего контроллера;

· силового преобразователя;

· устройств сопряжения и связи.

В современных ИММ используют различные типы электродвигателей: углового и линейного движения, переменного и постоянного тока, коллекторные и вентильные, непрерывного движения и шаговые.

В качестве преобразователей движения применяют зубчатые, винтовые и др. передачи. В конструкциях некоторых ИММ, построенных на базе высокомоментных двигателей, преобразователи движения отсутствуют.

В интеллектуальных мехатронных модулях используют различные датчики положения и скорости (фотоимпульсные, вращающиеся трансформаторы, тахогенераторы) и сенсоры (датчики тока и момента, температуры и вибрации), которые передают информацию в устройство компьютерного управления о фактическом состоянии подсистем модуля.

Встроенные управляющие контроллеры, реализованные на современной элементной базе, позволяют получать компактные и надежные мехатронные изделия, обладающие интеллектуальными функциями, и строить на их основе многокоординатные мехатронные системы с децентрализованным управлением. В сочетании с открытой архитектурой систем управления типа PC-NC это позволяет создать качественно новые системы управления, обладающие принципиально новыми характеристиками по быстродействию, точности и функциональной гибкости.

Принципиально важно, чтобы все перечисленные элементы были конструктивно объединены разработчиком в едином корпусе. При этом устройства связи становятся внутренними блоками, недоступными для пользователя.

При разработке ИММ, следует последовательно выполнить этапы функционально-структурного и структурно-конструктивного анализа и затем приступить к конструкторской реализации выбранного варианта.

Следует отметить, что сущность интеллектуальных мехатронных модулей определяется не типом структурных элементов, использованных в данной конструкции, а в первую очередь их функциональным назначением.