Лекция 5 по дисциплине «Основы мехатроники и робототехники» тема: «Особенности проектирования мехатронных систем» Мамонова Татьяна Егоровна гр. 14Б10

Мехатронные системы – типичный пример технических систем, требующих системного подхода и не допускающих их проектирования на основе декомпозиции. Главным обоснованием мехатроники как самостоятельного научно-технического направления, является наличие именно таких объектов нового типа, которые требуют системного подхода и критериев, охватывающих образующие ее науки – механику, возникшую в недрах электротехники, электронику, микропроцессорную и вычислительную технику. 1

В этой связи, в соответствии с общей тенденцией развития техники, одним из основных направлений развития мехатроники станет микротехника на основе освоения микроэлектроникой трехмерных (3D) структур с подвижными частями. Именно в микротехнике электромеханика превратилась в микроэлектромеханику, т.е., по существу, в мехатронику. 2

Объекты мехатроники некоторые типы гироскопов, акселерометры и других микромеханических сенсорных систем, микроэлектромашины, микротурбины и т.п. существуют также близкие к мехатронным по физической природе и принципу действия устройства, которые, однако, допускают декомпозицию при проектировании и, поэтому, не являются мехатронными в указанном ранее смысле, их создавать могут только специалисты по мехатроники. 3

Таким образом, с точки зрения предмета мехатроники можно говорить о ее объектах в указанном выше узком и в широком смысле. 4

Важными методическими следствиями системного подхода к проектированию мехатронных систем являются следующие принципы их создания: 5

Децентрализация управления вплоть до конструктивного встраивания устройств управления отдельными частями механической системы в эти части. Это позволяет удешевить всю систему в целом, повысить ее надежность и быстродействие за счет сокращения связей, распараллеливания и иерархического построения информационных процессов и процессов управления. Для таких систем разработаны различные варианты структур с сильными и со слабыми связями (распределенные системы), а также методы их проектирования. 6 Принцип 1

Обеспечение значительно большей надежности управления, чем обычно считается приемлемым для других типов объектов. Это вызвано тем, что в этих системах отказ управления, как правило, ведет к аварии всей системы. Разработаны и совершенствуются соответствующие программные методы решения этой задачи. Принцип 2 7

Широкое применение компьютерного моделирования без чего такие сложные системы, как правило, не могут быть созданы на современном научно-техническом уровне. Принцип 3 К сведению: наряду с мехатроникой аналогичный системный подход к проектированию требуют многие технические системы. К ним, прежде всего, относятся автоматические системы, процесс проектирования которых нельзя разделить на проектирование вначале объекта управления, а затем устройства управления для него. 8

К таким системам, относятся системы автоматического управления статически и динамически неустойчивыми системами, т.е. неработоспособными без системы управления объектами, такими как: - ракеты и некоторые другие летательные аппараты, - электрические машины, и включающие их энергетические системы, работающие в режиме так называемой искусственной устойчивости, - некоторые установки химической промышленности. Системный подход принципиально позволяет получить более высокое качество проектируемой любой технической системы чем при проектировании по частям на основе декомпозиции. 9

Особенности проектирования робототехнических систем Предмет робототехники включает собственно средства робототехники и основанные на них робототехнические системы 10

Особенности средств робототехники как объекта проектирования. При разработке технических требований к роботам и последующем анализе путей их реализации необходимо: - системно исследовать взаимодействие робота с другим работающим совместно технологическим оборудованием и объектами манипулирования - с целью выявления возможностей за счет достаточно несущественных изменений последних облегчить требования к роботу и тем самым получить общую технико- экономическую выгоду для всей системы совместно работающих машин. 11

Наибольший технико-экономический эффект при этом может быть достигнут, когда все это оборудование проектируется одновременно с роботом. Одновременно с той же целью необходимо исследовать возможности создания так называемой околороботной оснастки и других средств упорядочения и упрощения внешней среды робота (устройство подачи и позиционирования объектов манипулирования, удобная для робота их маркировка и т.п.). 12

Пример Рассмотрим качественную зависимость стоимости собственно робота и стоимости его вместе с такими средствами в функции от степени упорядочения внешней среды. Рис Стоимость робота и околороботной оснастки. 13

Только после такого системного рассмотрения взаимодействия робота с внешней средой и оптимизации технических требований к роботу и объектам этой среды следует переходить к проектированию собственно робота. Основной принцип здесь – декомпозиция, т.е. распараллеливание всей задачи проектирования на несколько более простых подзадач. 14

Робот, как и другие средства робототехники, состоит из двух основных функциональных частей: 1) исполнительных систем (манипуляторы и системы передвижения), 2) устройства управления исполнительными системами. Устройства управления разделяются на6 1) аппаратную часть, 2) программную часть. 15

В соответствии с этим на первом этапе проектирования после составления функциональной схемы робота должно быть проведено его разбиение на три указанные части: 1) механическую систему, 2) аппаратуру управления, 3) программное обеспечение, проектирование которых требует специалистов разного профиля. 16

Для этого необходимо разделение функций робота и технических требований к нему между этими тремя взаимосвязанными частями. Эта задача неоднозначна и наиболее ответственна при проектировании робота, так как её решение в значительной степени предопределяет результат всей дальнейшей работы по созданию робота. При распределении функций робота между перечисленными тремя его частями прежде всего выделяют функции, которые полностью или в основном определяются одной из этих частей и соответственно приписываются им. 17

Пример грузоподъемность и геометрия рабочей зоны определяются механической системой, параметры энергопитания и диапазон температуры внешней среды существенны в основном для аппаратуры управления, язык программирования относится к программному обеспечению. Остальные функции необходимо по возможности оптимально распределить между частями робота на основании определенных критериев. 18

При этом следует учитывать еще наличие взаимовлияний o ТЗ на конструкцию манипулятора, o ТЗ на конструкцию системы передвижения, o ТЗ на приводы, ТЗ на рабочие органы, o ТЗ на аппаратуру управления, o ТЗ на сенсорную аппаратуру, ТЗ на специальное ПО, o ТЗ на системное ПО, o ТЗ на робот, o ТЗ на околороботную оснастку, изменение смежного оборудования и объектов манипулирования, o ТЗ на систему управления, o ТЗ на программное обеспечение (ПО), o ТЗ на аппаратуру управления, o ТЗ на механическую систему. 19

Общая последовательность этапов проектирования робота применительно к промышленным роботам (ПР) 1. Формулировка заказчиком исходных данных для разработки ПР, включающих: - назначение ПР, - параметры объекта манипулирования (масса, размеры, форма, физико-химические свойства), - технические требования к перемещениям, скоростям, точности, к конструкции, комплектующим, - условия эксплуатации (температура, состав атмосферы), 20

- механические и другие воздействия, - требования к надежности, ремонтопригодности, наладке и регулировке, квалификации обслуживающего персонала, - требования по технике безопасности, экономической эффективности, требования к околороботной оснастке и совместно работающему оборудованию. 2. Разработка ТЗ. 3. Выбор прототипов. 4. Разработка календарного графика работы на проектом, например, в виде сетевого графика. 5. Разработка технического предложения. 21

Разработка технического предложения В результате выполнения данного этапа должны быть определены следующие параметры робота: - грузоподъемность (в соответствии со стандартизированным рядом при некотором (примерно на 10%) превышении заданной массы объекта манипулирования); - размеры рабочей зоны (в соответствии с рабочим местом робота, совместно работающим оборудованием, оснасткой); - число степеней подвижности (исходя из требуемых траекторий рабочего органа с учетом препятствий, требуемой точности и быстродействия); - система координат (в том числе с учетом необходимости минимизации числа степеней подвижности); 22

- кинематическая схема манипулятора (на основании предыдущих пунктов и выбранной геометрии звеньев манипулятора); - скорость перемещения рабочего органа (исходя из требуемой производительности); - погрешность позицирования рабочего органа манипулятора (в соответствии с требуемой точностью выполнения манипуляционных операций с учетом точности устройств, подающих объекты манипулирования, и другой оснастки); - режимы работы приводов (исходя из массы объектов манипулирования, времени работы, типовых траекторий. 23

По перечисленным данным далее должен быть осуществлен: - выбор серийных приводов и их размещение или формулировка технических требований к подлежащим разработке новым приводам; - выбор серийного устройства управления или формулировка технических требований к новому устройству управления; - выбор или проектирование рабочих органов (захватных устройств или рабочего инструмента); - составление полной кинематической схемы манипулятора (как результат выполнения предыдущих пунктов); - статический расчет этой схемы (методами кинетостатики определяются передаточные отношения для механизмов передачи движений, выбираются механизмы уравновешивания); 24

- расчет погрешностей; - динамический расчет (усилий и деформаций); - синтез алгоритмов управления манипулятором; - заключение о выполнении ТЗ и сравнении с прототипами. 6. Разработка эскизного проекта. 7. Разработка технического и рабочего проектов. В последних двух этапах повторяются пункты, перечисленные выше, но с последовательным их углублением и уточнением, в том числе с помощью математического и физического моделирования. Продолжение этапов проектирования робота 25

Мехатронное техническое оборудование Согласно материалу, взятому из статьи «МЕХАТРОННЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ», автор Виктор Жавнер, д.т.н., профессор, СПбГПУ Дальнейшее развитие мехатроники позволяет утверждать, что современное технологическое оборудование может считаться мехатронным тогда, когда оно обладает полностью или частично следующими свойствами или особенностями: 1) цифровым заданием параметров и режимов работы оборудования, обеспечивающим отсутствие ручных настроек в процессе эксплуатации; 2) мониторингом технологического процесса и архивированием его результатов; 26

3) диагностикой основных узлов и элементов, определяющей работоспособность оборудования и позволяющей избежать убытков от незапланированных простоев при внезапных отказах; 4) модульным принципом построения, позволяющим в наименьший промежуток времени обеспечить замену модулей; 5) современным человеко-машинным интерфейсом; 6) телеметрической связью со службами сервиса; 7) интерфейсом с системами управления высшего уровня; 8) более широким использованием сервоприводов; 9) статистическим управлением, обеспечивающим стабильность процессов и режимов работы; 27

10) автоматическим согласованием режимов работы с предыдущим и последующим оборудованием в автоматизированных поточных линиях; 11) лучшими массогабаритными характеристиками и меньшим энергопотреблением по сравнению с аналогичным оборудованием равной производительности; 12) учетом выпускаемой продукции и времени работы оборудования при сдаче его в аренду; 13) объединением всех элементов оборудования в одном конструктивном блоке. 14) уменьшением негативного влияния человеческого фактора на работу оборудования; 15) уменьшением удельной стоимости изделия на единицу продукции; 16) гибкостью, связанной с расширением и оперативным изменением ассортимента продукции. 28

К явным достоинствам мехатронного технологического оборудования следует отнести: - встраиваемость в автоматизированные технологические линии; - более высокую фактическую производительность. 29

Спасибо за внимание