Области применения и тенденции развития мехатронных систем

В 2004 году Высшая школа экономики по поручению правительства Российской Федирации и Минестерства образования и науки провела работу по пересмотру перечней приоритетных направлений и критических технологий (КТ). В этой работе, которую проводил Институт статистических исследований и экономики знаний ГУ-ВШЭ, участвовали более 130 ведущих представителей науки и бизнеса. Как сообщил замдиректора института Александр Соколов, уточнение приоритетов носило прикладной характер с учетом реальных потребностей. Выбор КТ производился исходя из перспектив их развития до 2015 года с выделением технологий, отличающихся наибольшей степенью готовности для практической реализации.

При отборе были использованы два основных критерия: обеспечение национальной безопасности России, в том числе снижение риска техногенных катастроф, а также ожидаемый вклад в ускорение роста ВВП и повышение конкурентоспособности экономики. Учитывались также и имеющиеся условия для практической реализации технологий.

Новый вариант включает следующие приоритетные направления развития науки, технологий и техники, такие как:

1. Информационно-телекоммуникационные системы;

2. Индустрия наносистем и материалов.

3. Живые системы.

4. Рациональное природопользование.

5. Энергетика и энергосбережение.

6. Безопасность и противодействие терроризму.

7. Перспективные вооружения, военная и специальная техника.

Вместе с перечнем приоритетных направлений существенным изменениям подвергся перечень критических технологий. По сравнению с действующим перечнем он был сокращен с 52 до 35 позиций, охватывающих следующие перспективные области (утверждены распоряжением правительства РФ от 25 августа 2008 г.):

1. Базовые и критические военные, специальные и промышленные технологии.

2. Биоинформационные технологии.

3. Биокаталитические, биосинтетические, биосенсорные технологии.

4. Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных.

5. Геномные и постгеномные технологии создания лекарственных средств.

6. Клеточные технологии.

7. Нанотехнологии и технологии создания наноматериалов.

8. Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработанным ядерным топливом.

9. Технологии биоинженерии.

10. Технологии водородной энергетики.

11. Технологии мехатроники и создания микросистемой техники.

12. Технологии мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы.

13. Технологии новых и возобновляемых источников энергии.

14. Технологии обеспечения защиты и жизнедеятельности населения и опасных объектов при угрозах террористических проявлений.

15. Технология обработки, хранения, передачи и защиты информации.

16. Технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния биосферы и литосферы.

17. Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов.

18. Технологии производства металлов и сплавов со специальными свойствами, используемых при производстве вооружений и военной техники.

19. Технологии производства программного обеспечения.

20. Технологии производства топлив и энергии из органического сырья.

21. Технологии распределенных вычислений и систем.

22. Технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф.

23. Технологии создания биосовместимых материалов.

24. Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления.

25. Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов.

26. Технологии создания и обработки кристаллических материалов.

27. Технологии создания и обработки полимеров и эластомеров.

28. Технологии создания новых видов транспортных систем и управления ими.

29. Технологии создания мембран и каталитических систем.

30. Технологии создания новых поколений ракетно-космической, авиационной и морской техники.

31. Технологии создания электронной компонентной базы.

32. Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии.

33. Технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем.

34. Технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания.

35. Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых.

Данные перечни обсуждались с министерствами и ведомствами, а также получили одобрение коллегии Минобрнауки. На их основе сформирована новая структура Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники"

Машинострое́ние - это отрасль тяжёлой промышленности, производящая всевозможные машины, орудия, приборы, а также предметы потребления и продукцию оборонного назначения.

Традиционно машиностроение делят на следующие группы отраслей: тяжелое машиностроение;

общее машиностроение;

среднее машиностроение;

точное машиностроение;

производство металлических изделий и заготовок;

ремонт машин и оборудования;

Выделяют следующие перспективные направления развития машиностроения:

Материаловедение:

- интеллектуальные материалы, которые реагируют и адаптируются к внешним условиям, обладают способностью к изменению своих функций, к самодиагностике и саморемонту;

технология соединения керамики и металлов - устойчивое к повторяющимся скачкам температуры свыше 500 °С и ее применение для механических компонентов: турбинных генераторов, двигателей, самолетов;

- производство новых материалов в условиях высокого вакуума и невесомости в космосе;

- разработка новых экономичных и эффективных методов получения титана и алюминия;

- разработка технологий литья для получения новых сплавов с использованием технологии механического сплавления;

- использование процесса приложения силы магнитного поля в качестве метода литья цветных металлов;

- технология сталеварения с 50 %-ной экономией потребления ископаемого топлива;

- технология сортировки полезных металлов из металлосодержащих отходов до уровня чистоты свыше 99 %;

- метод соединения и наращивания металлов;

- применение твердых покрытий, образованных с помощью методов производства тонкой алмазной пленки сложной формы на рабочих поверхностях подшипников, специальных инструментов и т.д.;

- использование технологии компьютерного моделирования для выращивания тонких пленок;

- использование метода производства инструментов из кубического нитрида бора с применением покрытия осаждением из паровой фазы;

Машиноведение:

- технологические системы с адаптивным управлением качеством изготовляемых изделий;

- дистанционного ухода за оборудованием и автоматизация процессов на основе метода искусственного интеллекта;

- использование виртуальных производственных систем;

- разработка гибких рабочих органов, подобных человеческим мышцам;

- разработка микромашинных элементов для обнаружения и контроля физических процессов и величин;

- разработка развивающихся и самовоспроизводящихся структурных систем и саморемонтирующихся приспособлений;

- методы постоянного конструирования машин и производственных систем;

- интеллектуальные машины, Робототехника;

- использование технологии компьютерного моделирования для выращивания тонких пленок;

- разработка роботов-ремонтников с автоматическими системами управления, заменяющих людей в сферах ухода и ремонта во вредных и экстремальных условиях;

- гибкие рабочие органы, подобные человеческим мышцам, которые можно использовать для малых гибких роботов;

- создание интеллектуальных роторных машин.

Области применения мехатронных систем. Мехатронные технологии включают в себя маркетинговые, проектно-конструкторские, производственные, технологические и информационные процессы, которые обеспечивают полный жизненный цикл мехатронных изделий. Раскрытие связей и закономерностей, характерных для этих процессов, позволяет создавать мехатронные модули, машины и системы, которые способны наиболее эффективно выполнять заданные требования.(рис.2.1)

Рисунок 2.1 – Области применения мехатронных систем

Метод мехатроники и мехатронные технологии являются весьма универсальными. В этом смысле мехатронику можно поставить в один ряд с такими фундаментальными подходами к разработке сложных технических систем, как автоматизированное проектирование, кибернетический и бионический подходы к проектированию, модульный принцип построения машин и CALS-технологии.

Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в таких областях, как:

- станкостроение и оборудование для автоматизации, технологиче­ских процессов в машиностроении;

- промышленная и специальная робототехника;

- авиационная и космическая техника;

- военная техника, машины для полиции и спецслужб;

- электронное машиностроение и оборудование для быстрого прототипирования;

- автомобилестроение (приводные модули "мотор-колесо", антиблокировочные устройства тормозов, автоматические коробки передач, системы автоматической парковки);

- нетрадиционные транспортные средства (электромобили, электровелосипеды, инвалидные коляски);

- офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);

- периферийные устройства компьютеров (например, принтеры, плоттеры, дисководы CD-ROM);

- медицинское и спортивное оборудование (биоэлектрические и экзоскелетные протезы для инвалидов, тонусные тренажеры, управляемые диагностические капсулы, массажеры и вибраторы и т.д.);

- бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные машины, автономные пылесосы);

- микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и телекоммуникации);

- контрольно-измерительные устройства и машины;

- лифтовое и складское оборудование, автоматические двери в отелях и аэропортах;

- фото- и видеотехника (проигрыватели видеодисков, устройства фокусировки видеокамер);

- тренажеры для подготовки операторов сложных технических систем и пилотов;

- железнодорожный транспорт (системы контроля и стабилизации движения поездов);

- интеллектуальные машины для пищевой и мясомолочной промышленности;

- полиграфические машины;

- интеллектуальные устройства для шоу-индустрии, аттракционы.

Этот список может быть расширен. Рынок мехатронных модулей и систем динамично развивается и в индустриально развитых странах за последние пять лет имеет устойчивую тенденцию к росту. При этом на долю робототехники приходится примерно десятая часть объема продаж [21].

Стремительное развитие мехатроники в мире является закономерным процессом, который вызван принципиально новыми требованиями рынка к показателям качества технологических машин и движущихся систем.