Использование мехатронных устройств

В последнее время возникла и бурно развивается во всем мире новая отрасль науки и техники - мехатроника, которая базируется на знаниях механики, электроники, современных методов компьютерного управления и обработки информации. Специфика мехатронных систем заключается в соединении, как правило, трех начал - энергетического, информационного и управляющего, что создает хорошие предпосылки для получения принципиально новых конструкторских решений. Широкое применение мехатронных устройств в конструкциях машин дает ряд существенных преимуществ, к которым относятся:

Мехатроника - это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.

Синергетический характер интеграции составляющих элементов в мехатронных системах проявляется в совместном действии, направленном на достижение общей цели. При этом принципиально важно, что составляющие части не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами. Взаимосвязь компонентов мехатронной системы (механических, электрических, информационных) выражена в их прямом взаимодействии, которое определяет поведение системы в целом. В практическом плане при проектировании мехатронных систем это означает, что для достижения наилучших показателей системы в целом проводится согласованный выбор наиболее важных параметров электромеханической системы.

Рассмотрим такую взаимосвязь на примере привода подачи станка с ЧПУ. В современных станках с ЧПУ применяются преимущественно следящие приводы, позволяющие точно регулировать угловое положение и угловую скорость вала двигателя в зависимости от заданного воздействия. Такой привод состоит из следующих основных систем (рис. 2.82): регулирования 1, приводной 2 и измерительной 3. Угол φ поворота вала двигателя М преобразуется в координату х исполнительного органа ИО (например, стола), которая измеряется датчиком обратной связи ДОС. Соответствующий сигнал поступает в систему регулирования, где формируется сигнал рассогласования Δх =х3-х (где х3 - заданная координата). В зависимости от сигнала рассогласования с целью оптимизации динамического поведения привода в регуляторе Рг вырабатыьается регулирующее воздействие, благодаря чему привод работает так, чтобы рассогласование уменьшалось (угловая скорость двигателя пропорциональна рассогласованию, при Δх = 0 стол занимает заданное положение). Непрерывное устранение рассогласования является характерной особенностью следящего привода.

Приводная система состоит из усилителя мощности, двигателя, элементов механической системы (в нее входят муфты, зубчатые колеса, тяговые устройства, например, шариковинтовые передачи и др.). Измерительная система замыкает контур системы регулирования через обратную связь по перемещению.

Очевидно, что истинное положение стола станка определяется не только характером управляющего воздействия (изменением сигнала во времени), но и параметрами механической системы (жесткостью и зазорами в передачах, моментами инерции вращающихся деталей, собственной частотой механической части привода, трением в направляющих и др.). Поэтому значения параметров элементов такой системы должны быть согласованы. Например, для повышения жесткости механической цепи диаметр винта передачи необходимо увеличивать (жесткость пропорциональна диаметру в квадрате). Однако момент инерции винта при этом растет еще больше (пропорционально диаметру в четвертой степени), что ухудшает динамические характеристики привода в целом. Выбор компромиссного значения диаметра винта обеспечивает оптимальное функционирование привода.

Использование мехатронных устройств

Минимальные погрешности привода и его устойчивое функционирование возможны только при определенном соотношении собственных частот fм и fэ механической и электрической частей привода (частота fM определяется жесткостью и массой привода, а частота fэ зависит от быстродействия и структуры системы регулирования):fм/fэ ≥ 2. Наконец, точность обработки заготовки зависит от быстродействия привода, от согласования параметров (например, коэффициентов усиления) приводов по разным осям и от других факторов, т.е. определяется электрической составляющей почти в той же мере, что и механической. Таким образом, привод подачи необходимо рассматривать как единую электромеханическую (мехатронную) систему, математическое описание работы которой содержит как параметры двигателя, так и параметры элементов механической системы.

Уровень интеграции составляющих элементов - основной классификационный признак в мехатронике. В соответствии с ним можно разделить мехатрон- ные системы по уровням и по поколениям. Мехатронные модули первого уровня реализуют движение какого-либо органа без широкой взаимосвязи этого движения с другими (например, «мотор-шпиндель» станков). Мехатронные системы второго уровня объединяют, как правило, несколько меха ронных устройств в единую систему, реализующую сложные законы движения и выполняющую различные функции. Примером мехатронных систем второго уровня могут служить станки и промышленные роботы с ЧПУ. Развитие третьего поколения мехатронных систем направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе. К третьему поколению можно отнести мехатронные системы, состоящие преимущественно из мехатронных модулей. Примером могут служить станки типа «гексапод», а также станки, выполненные из мехатронных модулей вращения.

Характерные особенности мехатронных систем. Технической базой управления мехатронными системами являются микропроцессоры. Развитие микропроцессорной техники позволяет создавать весьма эффективные локальные децентрализованные системы управления, малогабаритные и достаточно дешевые. При этом устраняются многие трудности, характерные для крупных централизованных систем управления: необходимость организации разветвленных каналов связи, наличие ограничений по быстродействию и др. Следует отметить, что электронная аппаратура, используемая в мехатронных. системах, должна соответствовать достаточно жестким условиям работы (запыленности, вибрации и др.). Работоспособность мехатронных систем обеспечивается только при определенном уровне ее надежности. В широком плане надежной системой можно считать такую, которая продолжает функционировать при отказе отдельных элементов (свойство живучести). Это особенно важно для мехатронных систем, которые должны сохранять ограниченную работоспособность даже при налпчии дефектов или при воздействиях, не предусмотренных условиями эксплуатации. Появление отказа допускается, но он не должен приводить к выходу всей системы из строя.

Рассматривая мехатронную систему как единое целое, необходимо обратить особое внимание на надежность ее компонентов. Повышение надежности механических устройств часто основано на принципе избыточности, который предполагает большой запас прочности, износостойкости, жесткости и виброустойчивости всех элементов. Однако достаточная надежность механической части меха- тронной системы может быть обеспечена только при соответствующей надежности программных и аппаратных средств информационной и управляющей частей. Кроме общеизвестных мер повышения надежности для мехатронных систем характерно использование диагностирования При этом с помощью датчиков собирается текущая информация о состоянии системы и ее важнейших узлов и деталей. Полученные данные служат для корректировки условий эксплуатации.

Для повышения надежности сложных (в первую очередь электронных) систем используют принцип резервирования, когда при выходе элемента из строя его функции выполняет дублер. Рассмотрим систему, состоящую из трех параллельно соединенных элементов (рис. 2.83), имеющих вероятность безотказной работы Р1, P2 и Р3. Отказ системы возможен только при одновременном отказе всех элементов, и его вероятность Р0 намного меньше, чем для каждого из элементов.

В общем случае Pq, = (1 - Р1) (1 - Р2) (1 - Рз), если P1 = Р2 = Рз = Р, то Р =  1 - (1 - Р)3. Например, если для каждого элемента Р = 0,9, то для системы в целом вероятность безотказной работы Р = 1 - (1 - 0,9)3 = 0,999, а вероятность отказа Р0 = 0,001, и она ниже на два порядка, чем без резервирования.

Одной из ключевых проблем в области мехатронных систем является управление движением исполнительного органа с помощью ЭВМ При этом необходимо обеспечить восприятие сигнала от датчика обратной связи, преобразование его в форму, пригодную для дальнейшего использования, подачу сигнала на источник движения и реализацию движения. Здесь должны решаться задачи, связанные с датчиками, приводами, управлением движением (программное и аппаратное обеспечение), контролем перемещений и др.

Использование мехатронных устройств

Основные признаки механической составляющей мехатронной системы. К ним относятся следующие.

  1. Миниатюризация и компактность. Во многих случаях только компактная механическая система позволяет реализовать принципы мехатроники. При этом обеспечивается уменьшение массы узлов (что способствует улучшению динамических характеристик), более эффективно используется рабочее пространство, появляется возможность совмещения функций и т.п. Механизм можно считать компактным, если при том же габарите, что у прототипа, он характеризуется большими жесткостью и мощностью либо при одинаковых силовых параметрах имеет меньшие размеры.

Известны различные методы повышения компактности механизмов: совмещение нескольких механизмов в одном (например, совмещенный привод главного движения и круговой подачи токарных и токарно-карусельных станков); использование рациональной силовой схемы (в общем случае - прямая передача сил короткой частью детали при равномерном распределении нагрузки по ее сечению; параллельная передача сил (по нескольким потокам, как, например, в планетарных передачах); использование многоконтактных механизмов (винтовых, волновых передач и др.); реализация одинаковых или подобных функций посредством одного элемента (например, подвижного колеса в коробке передач, которое может использоваться как зубчатое колесо и как муфта); использование принципа «матрешки» (телескопические устройства; установка одного вала внутри другого в коробках скоростей и подач); совмещение функций одним и тем же элементом и т.д.

      2. Повышение износостойкости и долговечности элементов конструкции (закалка поверхностей, применение высоколегированных материалов и др.).

      3. Существенное упрощение кинематических цепей при одновременном повышении сложности механизмов; усложнение конструкции наиболее важных деталей и узлов при сокращении их числа (направляющие с закаленными планками; тяговые устройства в виде ШВП или зубчато-ременные передачи вместо сложных редукторов и т.п.).

      4. Выборка зазоров в элементах конструкции. Зазоры оказывают отрицательное влияние на работу привода, системы управления и мехатронной системы в целом; поэтому их стараются устранить различными геометрическими или силовыми методами. Зазоры выбирают в соединениях валов, в зубчатых и винтовых передачах, направляющих и подшипниках. Особенно опасны зазоры в элементах тяговых устройств и в соединениях с датчиками обратной связи. Для выборки зазоров служат различные способы: использование упругих свойств элементов конструкции, их относительное перемещение, применение клиновых и конических соединений, гидростатическое смазывание, а также трение и другие физические эффекты.

       5. Улучшение показателей, связанных с динамической стабильностью конструкции: повышение жесткости элементов, уменьшение массы и моментов инерции подвижных узлов, в том числе путем подбора материалов (среди них отметим керамику, углепластик, волокнистые композиционные материалы и др.); повышение демпфирования (например, благодаря применению бесконтактных механизмов); балансировка и самобалансировка вращающихся элементов.

       6. Применение механизмов с пониженным трением (трение качения, жидкостное трение).

       7. Использование прецизионной механики, что характерно для многих меха- тронных узлов, реализация функций которых возможна лишь при высокой точности элементов (шпиндели на электромагнитных опорах, мотор-шпиндели и др.).

Основные функции мехатронных систем. Среди многочисленных функций мехатронных устройств это следующие:

Дополнительными функциями являются: реализация малых и точных перемещений (магнитострикционные, электромагнитные приводы, пьезоприводы); контроль заготовок и качества обработанных деталей (идентификация заготовок, измерение диаметров, межцентровых расстояний, длин, погрешностей расположения); контроль наличия инструмента в шпинделе станка или гнезде магазина.

Реализация главного замысла машины. В отдельных случаях удачное объединение (синтез) электроники и механики позволяет создавать станки, основанные на совершенно иных концептуальных принципах. В основу таких станков (гексаподов) положен мехатронный механизм поступательного перемещения. Он включает: прецизионную ШВП, электродвигатель (иногда совмещенный с ШВП), встроенные датчики скорости и положения и электромагнитные тормоза.

Станок-гексапод выполнен на базе шести ШВП 2 с соответствующими датчиками перемещения и высокомоментными двигателями (не показано), осуществляющими осевое перемещение винтов (рис. 2.84, а, б). Одним концом ШВП шарнирно соединены с основанием 1 (нижней платформой), а другим (также шарнирно) - с подвижной верхней платформой 4, на которой расположен исполнительный орган (ИО) - инструментальная головка 3 Инструментом могут служить фрезы, сверла, резцы, шлифовальные круги, измерительные наконечники (при использовании станка в качестве координатно-измерительной машины - КИМ). Перемещая винты на различную величину, можно управлять положением ИО (перемещать его в вертикальном и горизонтальном направлениях, поворачивать в трех плоскостях, схемы I-IV).

Использование мехатронных устройств

Основная сложность при создании таких станков - разработка программноматематического обеспечения, позволяющего рассчитывать траектории перемещений ШВП в реальном времени и выполняющего ряд других функций.

Одна из главных систем подобных станков - информационная: она позволяет получать сведения о положении ИО, о состоянии элементов привода (двигателей, ШВП) и связывать приводы с системой управления (на базе ЭВМ). Последняя должна осуществлять одновременное управление по всем координатам и компенсировать изменение ряда характеристик станка. Например, для уменьшения влияния тепловых деформаций ШВП на точность обработки в каждую из них может быть встроен лазерный интерферометр, постоянно измеряющий длину винтов и передающий информацию на ЭВМ. Это позволяет снизить погрешность перемещения до 10 мкм и менее по любой из координат и, следовательно, использовать станок в качестве КИМ.

Основные особенности подобных станков следующие:

  1. они значительно проще, легче, точнее и имеют большую жесткость, чем станки традиционной компоновки;
  2. имеют высокую жесткость, обусловленную работой ШВП на растяжение-сжатие и равномерным распределением сил по всей структуре;
  3. геометрическая симметрия, возможность контроля и компенсации деформаций благодаря информационной системе позволяют повысить точность обработки;
  4. малая масса подвижной платформы и ее высокая жесткость способствуют увеличению скорости перемещений в 3...5 раз (скорость быстрых ходов достигает 180 м/мин, рабочих - 50 м/мин);
  5. простая модульная конструкция, выполненная на единой базе (стандартные ШВП, приводы, датчики, платформы и др.), упрощает производство и обеспечивает гибкую и быструю реакцию на требования заказчика.

Другим примером станков новой концепции с использованием мехатронных систем являются станки на базе пространственных механизмов параллельной структуры, все точки звеньев которых описывают неплоские траектории. При этом выходное звено соединено со станиной несколькими параллельными кинематическими цепями. В результате образуется пространственная ферма, благодаря чему повышается жесткость конструкции. В станке для объемной профильной обработки резанием использованы два подобных пятизвенных механизма (рис. 2.85): для перемещения заготовки и инструмента. Система управления функционирует в реальном времени, обеспечивая компенсацию упругих деформаций и реализуя другие оптимизационные процедуры. Отсутствие прямолинейных направляющих, использование модульного принципа построения на базе небольшого набора элементов повышают точность и упрощают процесс создания станков.

На основе мехатронной системы построен станок для сверхточной обработки оптических изделий, отличающихся особо высокими требованиями к точности (погрешность формы изделия диаметром 1500 мм не должна превышать 15 нм, а шероховатость- 4,2 нм), что не позволяет применить традиционные методы конструирования. Решением стало разделение станка на несущую и метрологическую системы. Такой станок работает алмазным инструментом 3 (рис. 2.86), установленным в ползуне 4 бабки 5 и осуществляющим перемещение по оси z с дискретностью 2,5 нм. Заготовка 2 расположена на планшайбе 1, вращающейся на аэростатических опорах, и закреплена на ней с помощью жидкой резины, которая, застывая, образует жесткое соединение.

Использование мехатронных устройств Использование мехатронных устройств

При перемещении портала 6 по оси х и ползуна по оси z можно обрабатывать как плоские, так и сложные поверхности. Виброизоляция станка осуществляется с помощью виброопор и сложной системы термостабилизации. Для осуществления постоянного контроля относительного положения инструмента и заготовки и, при необходимости, коррекции этого положения служит автономная метрологическая рама 8, на которой установлены лазерные гелий-неоновые интерферометры Майкельсона.

Точность измерения горизонтального и вертикального положения инструмента, а также положения заготовки относительно метрологической рамы составляет 0,64 нм. Это достигается благодаря тому, что лазерные устройства работают в вакууме, создаваемом в гибких металлических сильфонах 7.

Решение столь сложной задачи стало возможным благодаря использованию мехатроники в широком смысле этого понятия, т.е. неразрывного единства информационной системы, обеспечивающей непрерывный контроль относительного положения узлов, и механической системы, обеспечивающей их точное перемещение. При этом обе системы дополняют друг друга, оказывают взаимное влияние и не могут функционировать автономно.

Мобильные роботы для инспекции и ремонта подземных трубопроводов (рис. 2.87). Применение мобильных роботов для телеинспекции и обслуживания магистралей (нефте-, газопроводов, канализационных сетей) позволяет предупредить техногенные и экологические аварии и катастрофы и внедрить бестраншейные методы ремонта. Герметичный робот имеет цветную поворотную телекамеру и может перемещаться в трубе с дистанционным управлением с поста управления размещенного в автомобиле. Телекамера оснащена устройством наведения (механизмы качания, ротации и подъема) для осмотра стенок трубы, блоками освещения, стеклоочистителем, а также имеет дистанционный привод фокусировки: приводы представляют собой мехатронные модули типа мотор-колесо.

Использование мехатронных устройств

Помимо системы технического зрения робот оснащен датчиком пути, датчиком углов крена и дифферента корпуса, датчиком углов ориентации телекамеры. Эти сенсоры необходимы не только для управления движением робота, но и для трассировки залегания трубопровода, дают информацию о профиле трубы и координатах дефектов (свища, трещины) или обнаруженного постороннего предмета. Для устранения дефектов робот комплектуется сменными рабочими органами - фрезерными и бандажными головками для выполнения операций внутри трубы.

Обеспечение функционирования основных узлов. Характерными представителями мехатронных систем являются высокоскоростные (с частотой до 200 000 мин-1) шпиндельные узлы на электромагнитных опорах (ЭМО), принцип работы которых аналогичен принципу действия активного магнитного подвеса ферромагнитного тела (рис. 2.88). Вес G ферромагнитного тела 1 уравновешивается электромагнитной силой

Использование мехатронных устройств

Использование мехатронных устройств

Таким образом,

Использование мехатронных устройств

При i = δ√G/K3 тело 1 находится в положении равновесия (F=G). При перемещении тела 1 на величину у и постоянстве силы тока i сила

Использование мехатронных устройств

т.е. равновесие нарушается.

Отсюда следует, что силу тока i необходимо регулировать так, чтобы она снижалась при уменьшении зазора δ, и наоборот. Для этого предусмотрена система управления, учитывающая фактическое положение тела 1, измеряемое датчиком 2. Сигнал датчика, пропорциональный перемещению (с полярностью, зависящей от направления перемещения), поступает в усилитель 3 и корректирующее звено 4, где вырабатывается сигнал, пропорциональный скорости перемещения, который суммируется с сигналом датчика перемещения. В корректирующем звене создается фазовое опережение в области собственных частот, необходимое для обеспечения жесткости опор. Полученный сигнал преобразуется в усилителе тока 5 и служит для изменения силы тока в электромагните б.

Схема шпиндельного узла на ЭМО показана на рис. 2.89. Для привода вращения служит асинхронный двигатель, частота вращения ротора 3 которого регулируется изменением частоты питающего напряжения на статоре 4. Шпиндель имеет две радиальные ЭМО 2 и 10 и две осевые 8 опоры. Для сохранения постоянного положения оси ротора при различных радиальных и осевых нагрузках отклонение ротора от среднего положения контролируется радиальными 1, 11, 5, 9 и осевыми б и 7 датчиками. Сигналы рассогласования преобразуются управляющей ЭВМ в ток возбуждения в обмотках, чем регулируется электромагнитная сила, которая при наличии отклонения ротора возвращает его в исходное положение за несколько миллисекунд.

Использование мехатронных устройств

Такое решение практически снимает вопрос о потерях на трение в опорах (эти потери зависят от зазора, который в ЭМО достаточно велик (0,3...0,5 мм)) и о допустимой частоте вращения (она ограничена в рассмотренной конструкции не трением, а прочностью материала шпинделя;. Кроме того, становится возможным производить автоматическую балансировку шпинделя (при этом ось вращения совмещается с центром масс с помощью системы управления) и осуществлять угловое перемещение шпинделя по заданному закопу в пределах зазора в опорах, что позволяет при необходимости получать сложный (бочкообразный, эллипсообразный и т.п.) профиль обрабатываемой детали.

В этой конструкции взаимосвязь составных частей мехатронной системы так тесна, что ни одну из них нельзя рассматривать изолированно даже на самом предварительном этапе проектирования. Например, возможность отказов системы управления компенсируется введением аварийных механических опор. Вопросы отвода теплоты, выбора места установки двигателя решаются при анализе единой мехатронной системы.

Широкое использование в современных станках получили мехатронные модули мотор-шпиндель, отличительной особенностью которых является отсутствие отдельно расположенного двигателя, коробок скоростей и других промежуточных элементов, поскольку шпиндель используется как ротор электродвигателя, а статор непосредственно встроен в корпус шпиндельного узла. Этэ существенно упрощает конструкцию станков.

Все шире используются в станках также мехатронные модули движения на основе линейных двигателей, которые исключают применение тяговых устройств типа передача винт-гайка и повышают эксплуатационные характеристики в несколько раз (скорость до 200 м/мин, ускорение до 5g и др.).

Транспортные мехатронные средства. Среди легких транспортных средств (ЛТС) следует отметить электровелосипеды, роллеры, инвалидные коляски, электромобили с автономными источниками питания. Они являются альтернативой транспорту с двигателями внутреннего сгорания и используются в экологически чистых зонах (лечебно-оздоровительных, выставочных комплексах). Основой для создания ЛТС являются мехатронные модули типа мотор-колесо на базе, как правило, высокомоментных двигателей. В табл. 2.25 приведена техническая характеристика ЛТС.

Повышение точности станков. Эта функция мехатронных систем особенно важна для сверхточных и тяжелых станков, в которых традиционные методы повышения точности либо исчерпаны, либо связаны со значительными затратами. Большинство методов повышения точности с помощью мехатронных систем реализуется как компенсация упругих и тепловых деформаций, коррекция погрешностей позиционирования и перемещения узлов, а также адаптация станка к условиям обработки по одному из показателей точности.

Компенсация упругих деформаций. Геометрическая точность тяжелых станков из-за большой массы узлов обеспечивается традиционными, чисто механическими способами лишь при значительных затратах или не достигается вовсе. Новые решения, в которых используются принципы мехатроники, сочетают в себе, как правило, управляемую силовую механическую компенсацию веса узлов и дополнительную коррекцию, осуществляемую системой ЧПУ. На рис. 2.90, а показана схема разгрузки консольного станка от веса его узлов путем изменения натяжения троса 3 (механическая система) при подводе масла под давлением в гидроцилиндр 4. Давление устанавливается системой ЧПУ в зависимости от положения суппорта 1 на консоле 2 (информационная система).

Однако полностью компенсировать погрешность вертикального перемещения и перекоса суппорта, обусловленную перекосом в направляющих консоли, не удается. Подробно компенсация рассмотрена на рис. 2.34, в. Рассмотрение даже такой простой модели показывает, что механическим (силовым) способом нельзя одновременно компенсировать непараллельность Δz движения суппорта и погрешность Δх размера. Эту задачу можно решить с использованием системы ЧПУ. Например, на рис. 2.90, в при перемещении суппорта по координате х производится принудительное смещение ползуна 5 по координате z, т.е. его положение корректируется даже в случае обработки торца заготовки. Система ЧПУ автоматически реализует эту коррекцию без ее предварительного введения в управляющую программу. Величину коррекции назначают в зависимости от величины деформации (штриховые линии на рис. 2.90, а), измеренной при экспериментальном контроле станка.

Использование мехатронных устройств

Использование мехатронных устройств

Применение адаптивных систем компенсации деформаций. В подобных случаях требуемый параметр контролируют с помощью какого-либо датчика, сигнал которого служит для дальнейшего управления. В последнее время активно развиваются адаптивные системы на основе лазерных измерительных устройств (см. рис. 2.38).

Некоторые дополнительные функции мехатронных систем. Диагностика станков и их узлов осуществляется на базе обширной информации о состоянии этих объектов. Здесь можно отметить два основных способа. Первый способ связан с получением большого числа сигналов, характеризующих работу отдельных узлов. На основании этих сигналов, обрабатываемых по специальной программе, формируется заключение о состоянии станка. Объекты диагностирования - это узлы, механизмы, УЧПУ, приводы и др. Контролируются, например, наличие зазора в элементах привода подачи посредством датчика, перекос поперечины портальных станков, износ гайки скольжения станка, наличие инструмента в шпинделе и т.п. Второй способ основан на использовании процедур, которые позволят оценить состояние станка по параметрам какого-либо динамического процесса, связанного с функционированием отдельного механизма и отражающего состояние станка. Такой процесс можно разложить на составляющие и получить необходимую информацию о работоспособности станка. При этом не требуется большого числа диагностических устройств; характерный прием - применение методов виброакустической диагностики.

Уровни использования мехатронных систем Практическое применение мехатронной концепции предполагает решение конкретных конструкторских проблем. В связи с этим целесообразно выделить различные уровни использования мехатронных систем на примере использования их в станках.

На первом (низшем) уровне мехатроника позволяет повысить точность станка (введение коррекции перемещений, компенсация упругих и тепловых деформаций и др.). Конструкция станка при этом мало изменяется.

На втором уровне станок сохраняет свои основные функции, конфигурацию (компоновку, узлы и т.п.), однако в нем реализуется целый комплекс новых свойств: возможность виброакустической диагностики состояния, повышение технологической надежности и функциональной устойчивости. Информационной базой для прогнозирования состояния станка и повышения качества обработки являются относительные колебания инструмента и заготовки. К этому же уровню использования мехатронных систем можно отнести управление параметрами процесса обработки, например в электрофизических и электрохимических станках.

На третьем уровне станок сохраняет свои основные функции и способ формообразования, но в результате использования мехатроники изменяется его внутренняя структура (см. рис. 2.84 и рис. 2.85).

На четвертом уровне реализуются элементы искусственного интеллекта - от распознавания образов деталей (выполнение функции зрения) до управления станками с помощью речевых входных сигналов. Здесь могут использоваться саморегулирующие адаптивные системы, интеллектуальные алгоритмы, генерирующие рекомендации для систем управления и т.п.

В зависимости от способа реагирования мехатронных систем на внешние воздействия их можно классифицировать как пассивные и активные. Закономерность поведения (реакция) пассивной мехатронной системы на возмущение устанавливается на фазе конструирования с помощью эффективных расчетных процедур, например, методом конечных элементов. Таким способом могут компенсироваться упругие деформации от веса (установкой соответствующей величины нагрузки), погрешность позиционирования узлов, когда величина коррекции определяется при экспериментальном исследовании и реализуется с помощью ЧПУ.

Поведение активной мехатронной системы зависит от характера возмущений, которые определяются условиями эксплуатации и контролируются соответствующими датчиками. К активной мехатронной системе можно отнести систему, используемую в станке для сверхточной обработки (см. рис. 2.86). В нем поведение системы зависит от точности относительного положения инструмента и заготовки, определяемого с помощью лазерных измерительных устройств.

Смотрите также