Moderne Trends in der Entwicklung mechatronischer Systeme. Anwendung mechatronischer und robotischer Systeme im Transportwesen. Adaptive Methode zur Erhöhung der Vibrationsfestigkeit einer Drehmaschine

], ein Bereich der Wissenschaft und Technologie, der auf der synergetischen Kombination von Präzisionsmechanikeinheiten mit elektronischen, elektrischen und Computerkomponenten basiert und die Entwicklung und Produktion qualitativ neuer Module, Systeme und Maschinen mit intelligenter Steuerung ihrer Funktionsbewegungen gewährleistet. Der Begriff „Mechatronik“ (englisch „Mechatronics“, deutsch „Mechatronik“) wurde von der japanischen Firma Yaskawa Electric Corp. eingeführt. » im Jahr 1969 und registriert als Warenzeichen im Jahr 1972. Beachten Sie, dass dies in der inländischen Fachliteratur bereits in den 1950er Jahren der Fall war. Es wurde ein ähnlich abgeleiteter Begriff verwendet – „Mechanotrons“ (Elektronenröhren mit beweglichen Elektroden, die als Vibrationssensoren usw. verwendet wurden). Mechatronische Technologien umfassen Design-, Produktions-, Informations-, Organisations- und Wirtschaftsprozesse, die den gesamten Lebenszyklus mechatronischer Produkte abdecken.

Gegenstand und Methode der Mechatronik

Die Hauptaufgabe der Mechatronik als Richtung moderne Wissenschaft und Technologie besteht darin, wettbewerbsfähige Bewegungssteuerungssysteme für verschiedene mechanische Objekte und intelligente Maschinen zu schaffen, die qualitativ neue Funktionen und Eigenschaften haben. Die mechatronische Methode besteht (beim Aufbau mechatronischer Systeme) in der Systemintegration und der Nutzung von Erkenntnissen aus bisher getrennten Wissenschafts- und Ingenieursgebieten. Dazu gehören Feinmechanik, Elektrotechnik, Hydraulik, Pneumatik, Informatik, Mikroelektronik und Computersteuerung. Mechatronische Systeme entstehen durch die synergetische Integration von Strukturmodulen, Technologien, Energie- und Informationsprozessen, von der Entwurfsphase bis zur Produktion und zum Betrieb.

In den 1970er–80er Jahren. drei Grundrichtungen - die Achsen der Mechatronik (Feinmechanik, Elektronik und Informatik) wurden paarweise integriert und bildeten drei Hybridrichtungen (in Abb. 1 durch die Seitenflächen der Pyramide dargestellt). Dabei handelt es sich um Elektromechanik (Kombination mechanischer Komponenten mit elektrischen Produkten und elektronischen Einheiten), Computersteuerungssysteme (Hardware- und Software-Integration von Elektronik- und Steuergeräten) sowie Computer-Aided-Design-Systeme (CAD). mechanische Systeme. Dann entsteht – bereits an der Schnittstelle hybrider Trends – die Mechatronik, deren Entstehung als neue wissenschaftlich-technische Richtung in den 1990er Jahren beginnt.

Die Elemente mechatronischer Module und Maschinen haben eine unterschiedliche physikalische Natur (mechanische Bewegungswandler, Motoren, Informations- und Elektronikeinheiten, Steuergeräte), die die interdisziplinären wissenschaftlichen und technischen Probleme der Mechatronik bestimmt. Interdisziplinäre Aufgaben bestimmen auch die Inhalte von Bildungsprogrammen zur Aus- und Weiterbildung von Fachkräften, die sich auf die Systemintegration von Geräten und Prozessen in mechatronische Systeme konzentrieren.

Konstruktionsprinzipien und Entwicklungstrends

Die Entwicklung der Mechatronik ist weltweit eine vorrangige Richtung der modernen Wissenschaft und Technologie. In unserem Land zählen mechatronische Technologien als Grundlage für den Bau von Robotern der neuen Generation zu den kritischen Technologien der Russischen Föderation.

Zu den aktuellen Anforderungen an mechatronische Module und Systeme der neuen Generation gehören: Erfüllung qualitativ neuer Service- und Funktionsaufgaben; intelligentes Verhalten in sich verändernden und unsicheren äußeren Umgebungen basierend auf neuen Methoden zur Verwaltung komplexer Systeme; ultrahohe Geschwindigkeiten, um ein neues Leistungsniveau technologischer Komplexe zu erreichen; hochpräzise Bewegungen zur Umsetzung neuer Präzisionstechnologien bis hin zu Mikro- und Nanotechnologien; Kompaktheit und Miniaturisierung von Strukturen durch den Einsatz von Mikromaschinen; Steigerung der Effizienz mehrachsiger mechatronischer Systeme auf Basis neuer kinematischer Strukturen und Strukturlayouts.

Der Aufbau mechatronischer Module und Systeme basiert auf den Prinzipien des parallelen Designs (englisch: Concurrent Engineering), dem Ausschluss mehrstufiger Energie- und Informationsumwandlungen, der konstruktiven Kombination mechanischer Komponenten mit digitalen elektronischen Einheiten und Steuerungen zu einzelnen Modulen .

Ein zentrales Designprinzip ist der Übergang von komplexen mechanischen Geräten zu kombinierten Lösungen, die auf der engen Interaktion einfacher mechanischer Elemente mit elektronischen, Computer-, Informations- und intelligenten Komponenten und Technologien basieren. Computer und intelligente Geräte verleihen dem mechatronischen System Flexibilität, da sie leicht für eine neue Aufgabe umprogrammiert werden können und in der Lage sind, die Eigenschaften des Systems unter sich ändernden und unsicheren Faktoren aus der äußeren Umgebung zu optimieren. Es ist wichtig zu beachten, dass der Preis solcher Geräte in den letzten Jahren kontinuierlich gesunken ist, während ihre Funktionalität erweitert wurde.

Trends in der Entwicklung der Mechatronik sind mit der Entstehung neuer grundlegender Ansätze und Ingenieurmethoden zur Lösung von Problemen der technischen und technologischen Integration von Geräten unterschiedlicher physikalischer Natur verbunden. Der Aufbau einer neuen Generation komplexer mechatronischer Systeme wird aus intelligenten Modulen („Mechatronikwürfeln“) gebildet, die exekutive und intelligente Elemente in einem Gehäuse vereinen. Die Bewegung von Systemen wird mithilfe von Informationsumgebungen gesteuert, um Lösungen für mechatronische Probleme und spezieller Software zu unterstützen, die Computer- und intelligente Steuerungsmethoden implementiert.

Die Klassifizierung mechatronischer Module nach strukturellen Merkmalen ist in Abb. dargestellt. 2.

Das Bewegungsmodul ist eine strukturell und funktionell eigenständige elektromechanische Einheit, die mechanische und elektrische (elektrische) Teile umfasst und als separate Einheit oder in verschiedenen Kombinationen mit anderen Modulen verwendet werden kann. Der Hauptunterschied zwischen dem Bewegungsmodul und einem allgemeinen industriellen Elektroantrieb besteht in der Verwendung der Motorwelle als eines der Elemente des mechanischen Bewegungswandlers. Beispiele für Bewegungsmodule sind ein Getriebemotor, ein Radmotor, ein Trommelmotor und eine elektrische Maschinenspindel.

Getriebemotoren sind historisch gesehen die ersten mechatronischen Module, die auf ihrem Konstruktionsprinzip basieren, mit der Massenproduktion begonnen haben und noch immer weit verbreitet in Antrieben eingesetzt werden verschiedene Maschinen und Mechanismen. Bei einem Getriebemotor ist die Welle strukturell ein einziges Element für den Motor und den Bewegungswandler, wodurch die herkömmliche Kupplung entfällt und so eine Kompaktheit erreicht wird; Gleichzeitig werden die Anzahl der Verbindungsteile sowie die Kosten für Installation, Debugging und Inbetriebnahme deutlich reduziert. Bei Getriebemotoren werden am häufigsten Elektromotoren eingesetzt Asynchronmotoren mit Käfigläufer und einstellbarem Wellendrehzahlwandler, Einphasenmotoren und Motoren Gleichstrom. Als Bewegungswandler kommen Zylinder- und Kegelräder, Schnecken-, Planeten-, Wellen- und Schraubengetriebe zum Einsatz. Zum Schutz vor plötzlichen Überlastungen sind Drehmomentbegrenzer eingebaut.

Das mechatronische Bewegungsmodul ist ein strukturell und funktionell eigenständiges Produkt, das einen gesteuerten Motor, mechanische und Informationsgeräte umfasst (Abb. 2). Wie sich aus dieser Definition ergibt, ist im mechatronischen Bewegungsmodul im Vergleich zum Bewegungsmodul zusätzlich eine Informationseinrichtung eingebaut. Das Informationsgerät umfasst Rückmeldungssignalsensoren sowie elektronische Einheiten zur Signalverarbeitung. Beispiele für solche Sensoren sind Photoimpulssensoren (Encoder), optische Lineale, rotierende Transformatoren, Kraft- und Drehmomentsensoren usw.

Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung mechatronischer Bewegungsmodule war die Entwicklung von Modulen vom Typ „Motorarbeitselement“. Solche Strukturmodule sind von besonderer Bedeutung für technologische mechatronische Systeme, deren Bewegungszweck darin besteht, den gezielten Aufprall des Arbeitskörpers auf das Arbeitsobjekt umzusetzen. Mechatronische Bewegungsmodule vom Typ „Motor-Arbeitselement“ werden häufig in Werkzeugmaschinen, sogenannten Motorspindeln, eingesetzt.

Ein intelligentes mechatronisches Modul (IMM) ist ein strukturell und funktionell unabhängiges Produkt, das durch die synergetische Integration von Motor-, Mechanik-, Informations-, Elektronik- und Steuerungsteilen entsteht.

Im Vergleich zu mechatronischen Bewegungsmodulen sind daher zusätzlich Steuerungs- und Leistungselektronikgeräte in das IMM-Design integriert, was diesen Modulen intelligente Eigenschaften verleiht (Abb. 2). Die Gruppe solcher Geräte umfasst digitale Rechengeräte (Mikroprozessoren, Signalprozessoren usw.), elektronische Leistungswandler, Schnittstellen- und Kommunikationsgeräte.

Der Einsatz intelligenter mechatronischer Module bietet mechatronischen Systemen und Komplexen eine Reihe grundlegender Vorteile: die Fähigkeit des IMM, komplexe Bewegungen selbstständig und ohne Rückgriff auf die obere Steuerungsebene auszuführen, was die Autonomie der Module, die Flexibilität und die Überlebensfähigkeit der Mechatronik erhöht Systeme, die unter wechselnden und unsicheren Umgebungsbedingungen betrieben werden; Vereinfachung der Kommunikation zwischen Modulen und dem zentralen Steuergerät (bis hin zum Übergang zur drahtlosen Kommunikation), wodurch eine erhöhte Störfestigkeit des mechatronischen Systems und seine Fähigkeit zur schnellen Neukonfiguration erreicht werden können; Erhöhung der Zuverlässigkeit und Sicherheit mechatronischer Systeme durch computergestützte Fehlerdiagnose und automatischen Schutz im Notfall und bei anormalen Betriebszuständen; Erstellung, basierend auf IMM, verteilter Steuerungssysteme unter Verwendung von Netzwerkmethoden, Hardware- und Softwareplattformen basierend auf Personalcomputern und entsprechender Software; der Einsatz moderner Methoden der Kontrolltheorie (adaptiv, intelligent, optimal) direkt auf der Führungsebene, was die Qualität von Kontrollprozessen in konkreten Umsetzungen deutlich verbessert; Intellektualisierung der im IMM enthaltenen Leistungswandler zur direkten Implementierung intelligenter Funktionen für die Bewegungssteuerung und den Modulschutz im mechatronischen Modul Notfallmodi und Fehlerdiagnose; Die Intellektualisierung von Sensoren für mechatronische Module ermöglicht eine höhere Messgenauigkeit durch Software, die Rauschfilterung, Kalibrierung, Linearisierung der Eingangs-/Ausgangseigenschaften, Kompensation von Querverbindungen, Hysterese und Nullpunktdrift im Sensormodul selbst bereitstellt.

Mechatronische Systeme

Mechatronische Systeme und Module haben sowohl im Berufsleben Einzug gehalten als auch Alltag moderner Mann. Heutzutage werden sie in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt: Automobilindustrie (Automatikgetriebe, Antiblockiersysteme, Motorradantriebsmodule, automatisches Parken); Industrie- und Servicerobotik (mobile, medizinische, Heim- und andere Roboter); Computerperipheriegeräte und Bürogeräte: Drucker, Scanner, CD-Laufwerke, Kopier- und Faxgeräte; Produktions-, Technologie- und Messgeräte; Haushaltsgeräte: Waschmaschinen, Nähmaschinen, Geschirrspüler und autonome Staubsauger; medizinische Systeme (zum Beispiel Geräte für robotergestützte Chirurgie, Rollstühle und Prothesen für Behinderte) und Sportgeräte; Luftfahrt, Raumfahrt und militärische Ausrüstung; Mikrosysteme für Medizin und Biotechnologie; Aufzugs- und Lagerausrüstung, automatische Türen in Hotels, Flughäfen, U-Bahnen und Eisenbahnwaggons; Transportgeräte (Elektroautos, Elektrofahrräder, Rollstühle); Foto- und Videogeräte (Video-Disc-Player, Fokussiergeräte für Videokameras); bewegliche Geräte für die Showindustrie.

Die Wahl der kinematischen Struktur ist die wichtigste Aufgabe bei der Konzeptionierung von Maschinen der neuen Generation. Die Wirksamkeit seiner Lösung bestimmt weitgehend das Wesentliche technische Spezifikationen System, seine Dynamik-, Geschwindigkeits- und Genauigkeitsparameter.

Es war die Mechatronik, die neue Ideen und Methoden zur Gestaltung bewegter Systeme mit qualitativ neuen Eigenschaften lieferte. Ein wirkungsvolles Beispiel für eine solche Lösung war die Schaffung von Maschinen mit Parallelkinematik (MPK) (Abb. 3).

Ihr Design basiert üblicherweise auf der Hugh-Stewart-Plattform (eine Art Parallelmanipulator mit 6 Freiheitsgraden; es wird eine oktaedrische Zahnstangenanordnung verwendet). Die Maschine besteht aus einer festen Basis und einer beweglichen Plattform, die durch mehrere Stangen mit kontrollierter Länge miteinander verbunden sind. Die Stangen sind über kinematische Paare mit zwei bzw. drei Beweglichkeitsgraden mit der Basis und der Plattform verbunden. Auf einer beweglichen Plattform wird ein Arbeitselement (z. B. ein Werkzeug oder ein Messkopf) installiert. Durch die programmgesteuerte Anpassung der Stangenlängen mithilfe linearer Bewegungsantriebe ist es möglich, die Bewegungen und Ausrichtung der beweglichen Plattform und des Arbeitskörpers im Raum zu steuern. Für Universalmaschinen Wenn die Bewegung des Arbeitskörpers als starrer Körper über sechs Freiheitsgrade erforderlich ist, sind sechs Stäbe erforderlich. In der Weltliteratur werden solche Maschinen „Hexapoden“ (von griechisch ἔ ξ – sechs) genannt.

Die Hauptvorteile von Maschinen mit Parallelkinematik sind: hohe Bewegungsgenauigkeit; hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Arbeitskörpers; Fehlen traditioneller Führungen und Rahmen (Antriebsmechanismen werden als tragende Strukturelemente verwendet), daher verbesserte Gewichts- und Größenparameter und geringer Materialverbrauch; Hoher Grad der Vereinheitlichung mechatronischer Komponenten, wodurch Herstellbarkeit und Montage der Maschine sowie Designflexibilität gewährleistet werden.

Die erhöhte Genauigkeit des MPC ist auf folgende Schlüsselfaktoren zurückzuführen:

Bei Hexapoden kommt es im Gegensatz zu kinematischen Schemata mit einer sequentiellen Kette von Gliedern nicht zu einer Überlagerung (Überlappung) von Fehlern bei der Positionierung der Glieder beim Übergang von der Basis zum Arbeitselement;

Stangenmechanismen weisen eine hohe Steifigkeit auf, da die Stangen keinen Biegemomenten ausgesetzt sind und nur unter Zug und Druck arbeiten;

Es kommen Präzisionssensoren zum Einsatz Rückmeldung Es kommen auch Messsysteme (z. B. Laser) und Computermethoden zur Korrektur der Bewegungen des Arbeitskörpers zum Einsatz.

Dank ihrer erhöhten Genauigkeit können MPCs nicht nur als Bearbeitungsgeräte, sondern auch als Messgeräte eingesetzt werden. Die hohe Steifigkeit von MPCs ermöglicht den Einsatz in energietechnischen Betrieben. Also, in Abb. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel eines Hexapods, der Biegevorgänge als Teil des HexaBend-Technologiekomplexes zur Herstellung komplexer Profile und Rohre durchführt.

Computer und intelligente Steuerung in der Mechatronik

Der Einsatz von Computern und Mikrocontrollern, die eine computergesteuerte Steuerung der Bewegung verschiedener Objekte realisieren, ist ein charakteristisches Merkmal mechatronischer Geräte und Systeme. In den Steuerrechner gelangen Signale verschiedener Sensoren, die Informationen über den Zustand der Komponenten des mechatronischen Systems und die auf dieses System ausgeübten Einflüsse enthalten. Der Computer verarbeitet Informationen gemäß den darin eingebetteten digitalen Steueralgorithmen und generiert Steueraktionen für die ausführenden Elemente des Systems.

Der Computer spielt eine führende Rolle im mechatronischen System, da die Computersteuerung es ermöglicht, eine hohe Genauigkeit und Produktivität zu erreichen, komplexe und zu implementieren effiziente Algorithmen Steuerungen, die die nichtlinearen Eigenschaften von Steuerungsobjekten, Änderungen ihrer Parameter und den Einfluss externer Faktoren berücksichtigen. Dadurch erhalten mechatronische Systeme neue Qualitäten, während gleichzeitig die Haltbarkeit erhöht und die Größe, das Gewicht und die Kosten solcher Systeme reduziert werden. Das Erreichen eines neuen, höheren Niveaus der Systemqualität aufgrund der Möglichkeit, hocheffiziente und komplexe Computersteuerungsgesetze umzusetzen, ermöglicht es uns, von der Mechatronik als einem aufstrebenden Computerparadigma für die moderne Entwicklung der technischen Kybernetik zu sprechen.

Ein typisches Beispiel für ein computergesteuertes mechatronisches System ist ein Präzisionsservoantrieb auf Basis einer berührungslosen mehrphasigen elektrischen Maschine Wechselstrom mit Vektorsteuerung. Das Vorhandensein einer Gruppe von Sensoren, darunter ein hochpräziser Motorwellenpositionssensor, digitale Methoden der Informationsverarbeitung, computergestützte Umsetzung von Steuergesetzen, Transformationen basierend auf der Verwendung eines mathematischen Modells einer elektrischen Maschine und ein Hochgeschwindigkeitsregler ermöglicht den Bau eines präzisen Hochgeschwindigkeitsantriebs mit einer Lebensdauer von bis zu 30–50.000 Stunden oder mehr.

Computersteuerung erweist sich als sehr effektiv beim Aufbau mehrkoordinierter nichtlinearer mechatronischer Systeme. In diesem Fall analysiert der Computer Daten über den Zustand aller Komponenten und äußere Einflüsse, führt Berechnungen durch und generiert unter Berücksichtigung der Merkmale seines mathematischen Modells Steueraktionen für die ausführenden Komponenten des Systems. Dadurch wird eine qualitativ hochwertige Steuerung koordinierter mehrachsiger Bewegungen erreicht, beispielsweise des Arbeitskörpers einer mechatronischen Technologiemaschine oder eines mobilen Roboters.

Eine besondere Rolle in der Mechatronik spielt die intelligente Steuerung, die einen höheren Entwicklungsstand der Computersteuerung darstellt und verschiedene Technologien der künstlichen Intelligenz implementiert. Sie ermöglichen es dem mechatronischen System, die intellektuellen Fähigkeiten eines Menschen in gewissem Maße zu reproduzieren und auf dieser Grundlage Entscheidungen über rationale Handlungen zur Erreichung des Kontrollziels zu treffen. Die effektivsten Technologien zur intelligenten Steuerung in der Mechatronik sind Fuzzy-Logic-Technologien, künstliche neuronale Netze und Expertensysteme.

Der Einsatz einer intelligenten Steuerung ermöglicht es, eine hohe Funktionseffizienz mechatronischer Systeme sicherzustellen, auch wenn kein detailliertes mathematisches Modell des Steuerungsobjekts vorhanden ist, unter dem Einfluss verschiedener Unsicherheitsfaktoren und bei der Gefahr unvorhergesehener Situationen im Betrieb des Systems.

Der Vorteil der intelligenten Steuerung mechatronischer Systeme besteht darin, dass für den Aufbau solcher Systeme oft kein detailliertes mathematisches Modell und keine Kenntnis der Änderungsgesetze der auf sie einwirkenden äußeren Einflüsse erforderlich sind und die Steuerung auf der Erfahrung hochqualifizierter Fachspezialisten basiert.

Anwendungsgebiete mechatronischer Systeme. Zu den Hauptvorteilen mechatronischer Geräte im Vergleich zu herkömmlichen Automatisierungsmitteln gehören: relativ niedrige Kosten aufgrund des hohen Integrationsgrads, der Vereinheitlichung und Standardisierung aller Elemente und Schnittstellen; hohe Qualität der Umsetzung komplexer und präziser Bewegungen durch den Einsatz intelligenter Steuerungsmethoden; hohe Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Störfestigkeit; Baukompaktheit von Modulen bis hin zur Miniaturisierung und verbesserten Mikromaschinen...

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Vorlesung 4. Anwendungsgebiete mechatronischer Systeme.

Zu den Hauptvorteilen mechatronischer Geräte im Vergleich zu herkömmlichen Automatisierungsmitteln gehören:

Relativ niedrige Kosten aufgrund eines hohen Grades an Integration, Vereinheitlichung und Standardisierung aller Elemente und Schnittstellen;

Hohe Qualität der Umsetzung komplexer und präziser Bewegungen durch den Einsatz intelligenter Steuerungsmethoden;

Hohe Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Störfestigkeit;

Strukturelle Kompaktheit von Modulen (bis hin zur Miniaturisierung und Mikromaschinen),

Verbessertes Gewicht und Größe dynamische Eigenschaften Maschinen durch Vereinfachung kinematischer Ketten;

Die Fähigkeit, Funktionsmodule in komplexe mechatronische Systeme und Komplexe für spezifische Kundenaufgaben zu integrieren.

Das Volumen der weltweiten Produktion mechatronischer Geräte nimmt jedes Jahr zu und deckt immer mehr neue Bereiche ab. Mechatronische Module und Systeme werden heute häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:

Werkzeugmaschinenbau und Anlagen zur Prozessautomatisierung
Prozesse;

Robotik (Industrie und Spezial);

Luft-, Raumfahrt- und Militärausrüstung;

Automobil (z. B. Antiblockiersysteme,
Fahrzeugbewegungsstabilisierung und automatische Parksysteme);

nicht traditionell Fahrzeuge(Elektrofahrräder, Lasten
Trolleys, Elektroroller, Rollstühle);

Bürogeräte (z. B. Fotokopierer und Faxgeräte);

Elemente der Computertechnik (zum Beispiel Drucker, Plotter,
Festplattenlaufwerke);

medizinische Geräte (Rehabilitation, Klinik, Service);

Haushaltsgeräte (Waschmaschinen, Nähmaschinen, Geschirrspüler und andere)
Autos);

Mikromaschinen (für Medizin, Biotechnologie, Kommunikation und
Telekommunikation);

Kontroll- und Messgeräte und Maschinen;

Foto- und Videoausrüstung;

Simulatoren zur Ausbildung von Piloten und Bedienern;

Showindustrie (Ton- und Lichtanlagen).

Natürlich lässt sich diese Liste erweitern.

Die rasante Entwicklung der Mechatronik in den 90er Jahren als neue wissenschaftliche und technische Richtung ist auf drei Hauptfaktoren zurückzuführen:

Neue Trends in der Welt Industrielle Entwicklung;

Entwicklung grundlegender Prinzipien und Methoden der Mechatronik (Grundlagen).
wissenschaftliche Ideen, grundlegend neue technische und technologische
Entscheidungen);

Tätigkeit von Spezialisten in Forschung und Bildung
Kugeln.

Der aktuelle Entwicklungsstand des automatisierten Maschinenbaus in unserem Land findet in neuen wirtschaftlichen Realitäten statt, wenn es um die technologische Lebensfähigkeit des Landes und die Wettbewerbsfähigkeit der hergestellten Produkte geht.

Folgende Tendenzen der Veränderung der zentralen Anforderungen des Weltmarktes im betrachteten Bereich lassen sich erkennen:

die Notwendigkeit, Geräte gemäß herzustellen und zu warten
internationales System von Qualitätsstandards formuliert in
Standard ISO 9000;

Internationalisierung des Marktes für wissenschaftliche und technische Produkte und wie
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer aktiven Umsetzung von Formen und Methoden in die Praxis
internationaler Ingenieur- und Technologietransfer;

Stärkung der Rolle kleiner und mittlerer Fertigungsunternehmen in
Wirtschaftlichkeit aufgrund ihrer Fähigkeit, schnell und flexibel zu reagieren
auf sich ändernde Marktanforderungen;

Die rasante Entwicklung von Computersystemen und -technologien, Telekommunikation (in den EWG-Ländern im Jahr 2000, 60 % des Gesamtwachstums
Das Sozialprodukt entstand genau dank dieser Industrien);
Eine direkte Folge dieses allgemeinen Trends ist die Intellektualisierung
mechanische Bewegungs- und technologische Steuerungssysteme
Funktionen moderner Maschinen.

Es erscheint angemessen, den Grad der Integration der Bestandteile als Hauptklassifizierungskriterium in der Mechatronik anzunehmen.Nach diesem Kriterium können mechatronische Systeme in Ebenen oder Generationen eingeteilt werden, wenn man ihr Auftreten auf dem Markt für High-Tech-Produkte betrachtet. Historisch gesehen stellen mechatronische Module der ersten Ebene eine Kombination aus nur zwei Ausgangselementen dar. Ein typisches Beispiel für ein Modul der ersten Generation ist ein „Motor-Getriebe“, bei dem das mechanische Getriebe und der gesteuerte Motor als ein einziges Funktionselement hergestellt werden. Auf diesen Modulen basierende mechatronische Systeme haben breite Anwendung bei der Schaffung verschiedener Mittel zur komplexen Produktionsautomatisierung (Förderer, Förderer, Drehtische, Hilfsmanipulatoren) gefunden.

Mechatronische Module der zweiten Ebene erschienen in den 80er Jahren im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer elektronischer Technologien, die die Entwicklung von Miniatursensoren und elektronischen Einheiten zur Verarbeitung ihrer Signale ermöglichten. Die Kombination von Antriebsmodulen mit den angegebenen Elementen führte zur Entstehung mechatronischer Bewegungsmodule, deren Zusammensetzung vollständig der oben eingeführten Definition entspricht, wenn die Integration von drei Geräten unterschiedlicher physikalischer Natur erreicht wird: mechanisch, elektrisch und elektronisch. Auf Basis mechatronischer Module dieser Klasse wurden gesteuerte Energiemaschinen (Turbinen und Generatoren), Werkzeugmaschinen und Industrieroboter mit numerischer Steuerung erstellt.

Die Entwicklung der dritten Generation mechatronischer Systeme ist auf das Erscheinen relativ kostengünstiger Mikroprozessoren und darauf basierender Steuerungen auf dem Markt zurückzuführen und zielt auf die Intellektualisierung aller im mechatronischen System ablaufenden Prozesse ab, vor allem auf den Prozess der Steuerung der Funktionsbewegungen von Maschinen und Aggregate. Gleichzeitig werden neue Prinzipien und Technologien für die Herstellung hochpräziser und kompakter mechanischer Komponenten sowie neuer Arten von Elektromotoren (hauptsächlich bürstenlose und lineare Motoren mit hohem Drehmoment), Feedback- und Informationssensoren entwickelt. Die Synthese neuer präzisions-, informations- und messwissenschaftsintensiver Technologien bildet die Grundlage für den Entwurf und die Produktion intelligenter mechatronischer Module und Systeme.

Zukünftig werden mechatronische Maschinen und Systeme kombiniert und mechatronische Komplexe auf gemeinsamen Integrationsplattformen basieren. Das Ziel bei der Schaffung solcher Komplexe besteht darin, eine Kombination aus hoher Produktivität und gleichzeitiger Flexibilität des technischen und technologischen Umfelds aufgrund der Möglichkeit seiner Neukonfiguration zu erreichen, was Wettbewerbsfähigkeit und hohe Qualität der Produkte gewährleistet.

Moderne Unternehmen, die sich mit der Entwicklung und Produktion mechatronischer Produkte befassen, müssen dabei folgende Hauptaufgaben lösen:

Strukturelle Integration der mechanischen, elektronischen und Informationsabteilungen (die in der Regel autonom und getrennt arbeiteten) in einzelne Design- und Produktionsteams;

Ausbildung von „mechatronisch orientierten“ Ingenieuren und Führungskräften, die zur Systemintegration und zur Leitung der Arbeit hochspezialisierter Fachkräfte unterschiedlicher Qualifikation befähigt sind;

Integration von Informationstechnologien aus verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Bereichen (Mechanik, Elektronik, Computersteuerung) in ein einziges Toolkit zur Computerunterstützung mechatronischer Aufgaben;

Standardisierung und Vereinheitlichung aller Elemente und Prozesse, die bei der Entwicklung und Produktion von MS verwendet werden.

Die Lösung der aufgeführten Probleme erfordert oft die Überwindung der im Unternehmen gewachsenen Führungstraditionen und der Ambitionen mittlerer Führungskräfte, die es gewohnt sind, nur ihre engstirnigen Aufgaben zu lösen. Deshalb sind mittlere und kleine Unternehmen, die ihre Struktur einfach und flexibel variieren können, besser auf den Übergang zur Produktion mechatronischer Produkte vorbereitet.

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Zu den Hauptvorteilen mechatronischer Geräte im Vergleich zu herkömmlichen Automatisierungsmitteln gehören:

Relativ niedrige Kosten aufgrund eines hohen Grades an Integration, Vereinheitlichung und Standardisierung aller Elemente und Schnittstellen;

Hohe Qualität der Umsetzung komplexer und präziser Bewegungen durch den Einsatz intelligenter Steuerungsmethoden;

Hohe Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Störfestigkeit;

Strukturelle Kompaktheit von Modulen (bis hin zur Miniaturisierung und Mikromaschinen),

Verbessertes Gewicht, größere Größe und dynamische Eigenschaften von Maschinen durch Vereinfachung kinematischer Ketten;

Die Fähigkeit, Funktionsmodule in komplexe mechatronische Systeme und Komplexe für spezifische Kundenaufgaben zu integrieren.

Das Volumen der weltweiten Produktion mechatronischer Geräte nimmt jedes Jahr zu und deckt immer mehr neue Bereiche ab. Mechatronische Module und Systeme werden heute häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:

Werkzeugmaschinenbau und Automatisierungsausrüstung technologische Prozesse;

Robotik (Industrie und Spezial);

Luft-, Raumfahrt- und Militärtechnik;

Automobilindustrie (zum Beispiel Antiblockiersysteme, Fahrzeugstabilitätskontrolle und automatische Parksysteme);

Nicht-traditionelle Fahrzeuge (Elektrofahrräder, Lastenwagen, Elektroroller, Rollstühle);

Bürogeräte (z. B. Fotokopierer und Faxgeräte);

Elemente der Computertechnik (z. B. Drucker, Plotter, Diskettenlaufwerke);

Medizinische Geräte (Reha, Klinik, Service);

Haushaltsgeräte (Wasch-, Näh-, Geschirrspüler und andere Maschinen);

Mikromaschinen (für Medizin, Biotechnologie, Kommunikation und Telekommunikation);

Kontroll- und Messgeräte und Maschinen;

Foto- und Videoausrüstung;

Simulatoren zur Ausbildung von Piloten und Bedienern;

Showindustrie (Ton- und Lichtanlagen).

Natürlich lässt sich diese Liste erweitern.

Die rasante Entwicklung der Mechatronik in den 90er Jahren als neue wissenschaftliche und technische Richtung ist auf drei Hauptfaktoren zurückzuführen:

Neue Trends in der globalen industriellen Entwicklung;

Entwicklung grundlegender Prinzipien und Methoden der Mechatronik (grundlegende wissenschaftliche Ideen, grundlegend neue technische und technologische Lösungen);

Die Tätigkeit von Spezialisten im Forschungs- und Bildungsbereich.

Der aktuelle Entwicklungsstand des automatisierten Maschinenbaus in unserem Land findet in neuen wirtschaftlichen Realitäten statt, wenn es um die technologische Lebensfähigkeit des Landes und die Wettbewerbsfähigkeit der hergestellten Produkte geht.

Folgende Tendenzen der Veränderung der zentralen Anforderungen des Weltmarktes im betrachteten Bereich lassen sich erkennen:

Die Notwendigkeit, Geräte gemäß dem in den Normen formulierten internationalen System von Qualitätsstandards herzustellen und zu warten ISO Serie 9000 ;

Internationalisierung des Marktes für wissenschaftliche und technische Produkte und damit einhergehend die Notwendigkeit einer aktiven Umsetzung von Formen und Methoden in die Praxis
internationaler Ingenieur- und Technologietransfer;

Stärkung der Rolle kleiner und mittlerer produzierender Unternehmen in der Wirtschaft aufgrund ihrer Fähigkeit, schnell und flexibel auf sich ändernde Marktanforderungen zu reagieren;

Die rasante Entwicklung von Computersystemen und -technologien sowie der Telekommunikation (in den EWG-Ländern waren im Jahr 2000 60 % des Wachstums des gesamten Sozialprodukts auf diese Industrien zurückzuführen); Eine direkte Folge dieses allgemeinen Trends ist die Intellektualisierung von Steuerungssystemen für mechanische Bewegungen und technologische Funktionen moderner Maschinen.

Es erscheint angemessen, den Grad der Integration der Bestandteile als Hauptklassifizierungskriterium in der Mechatronik anzunehmen. Nach diesem Kriterium können mechatronische Systeme in Ebenen oder Generationen eingeteilt werden, wenn man ihr Auftreten auf dem Markt für High-Tech-Produkte betrachtet. Historisch gesehen stellen mechatronische Module der ersten Ebene eine Kombination aus nur zwei Ausgangselementen dar. Ein typisches Beispiel für ein Modul der ersten Generation ist ein „Motor-Getriebe“, bei dem das mechanische Getriebe und der gesteuerte Motor als ein einziges Funktionselement hergestellt werden. Auf diesen Modulen basierende mechatronische Systeme haben breite Anwendung bei der Schaffung verschiedener Mittel zur komplexen Produktionsautomatisierung (Förderer, Förderer, Drehtische, Hilfsmanipulatoren) gefunden.

Mechatronische Module der zweiten Ebene erschienen in den 80er Jahren im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer elektronischer Technologien, die die Entwicklung von Miniatursensoren und elektronischen Einheiten zur Verarbeitung ihrer Signale ermöglichten. Die Kombination von Antriebsmodulen mit den angegebenen Elementen führte zur Entstehung mechatronischer Bewegungsmodule, deren Zusammensetzung vollständig der oben eingeführten Definition entspricht, als die Integration von drei Geräten unterschiedlicher physikalischer Natur erreicht wurde: 1) mechanisch, 2) elektrisch und 3) elektronisch. Basierend auf mechatronischen Modulen dieser Klasse wurden 1) gesteuerte Energiemaschinen (Turbinen und Generatoren), 2) Werkzeugmaschinen und Industrieroboter mit numerischer Steuerung erstellt.

Die Entwicklung der dritten Generation mechatronischer Systeme ist auf das Erscheinen relativ kostengünstiger Mikroprozessoren und darauf basierender Steuerungen auf dem Markt zurückzuführen und zielt auf die Intellektualisierung aller im mechatronischen System ablaufenden Prozesse ab, vor allem auf den Prozess der Steuerung der Funktionsbewegungen von Maschinen und Aggregate. Gleichzeitig werden neue Prinzipien und Technologien für die Herstellung hochpräziser und kompakter mechanischer Komponenten sowie neuer Arten von Elektromotoren (hauptsächlich bürstenlose und lineare Motoren mit hohem Drehmoment), Feedback- und Informationssensoren entwickelt. Die Synthese neuer 1) Präzisions-, 2) Informations- und 3) wissenschaftsintensiver Messtechnologien bildet die Grundlage für den Entwurf und die Produktion intelligenter mechatronischer Module und Systeme.

Zukünftig werden mechatronische Maschinen und Systeme auf Basis gemeinsamer Integrationsplattformen zu mechatronischen Komplexen zusammengefasst. Das Ziel bei der Schaffung solcher Komplexe besteht darin, eine Kombination aus hoher Produktivität und gleichzeitiger Flexibilität des technischen und technologischen Umfelds aufgrund der Möglichkeit seiner Neukonfiguration zu erreichen, was Wettbewerbsfähigkeit und hohe Qualität der Produkte gewährleistet.

Moderne Unternehmen, die sich mit der Entwicklung und Produktion mechatronischer Produkte befassen, müssen dabei folgende Hauptaufgaben lösen:

Strukturelle Integration der mechanischen, elektronischen und Informationsabteilungen (die in der Regel autonom und getrennt arbeiteten) in einzelne Design- und Produktionsteams;

Ausbildung von „mechatronisch orientierten“ Ingenieuren und Führungskräften, die zur Systemintegration und zur Leitung der Arbeit hochspezialisierter Fachkräfte unterschiedlicher Qualifikation befähigt sind;

Integration von Informationstechnologien aus verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Bereichen (Mechanik, Elektronik, Computersteuerung) in ein einziges Toolkit zur Computerunterstützung mechatronischer Aufgaben;

Standardisierung und Vereinheitlichung aller Elemente und Prozesse, die bei der Entwicklung und Produktion von MS verwendet werden.

Die Lösung der aufgeführten Probleme erfordert oft die Überwindung der im Unternehmen gewachsenen Führungstraditionen und der Ambitionen mittlerer Führungskräfte, die es gewohnt sind, nur ihre engstirnigen Aufgaben zu lösen. Deshalb sind mittlere und kleine Unternehmen, die ihre Struktur einfach und flexibel variieren können, besser auf den Übergang zur Produktion mechatronischer Produkte vorbereitet.

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Mechatronische Module werden zunehmend in verschiedenen Bereichen eingesetzt Transportsysteme.

Harter Wettbewerb weiter Automobilmarkt Dies zwingt Spezialisten auf diesem Gebiet dazu, nach neuen fortschrittlichen Technologien zu suchen. Eines der Hauptprobleme für Entwickler besteht heute darin, „intelligente“ elektronische Geräte zu entwickeln, die die Zahl der Verkehrsunfälle (RTA) reduzieren können. Das Ergebnis der Arbeiten in diesem Bereich war die Schaffung eines integrierten Fahrzeugsicherheitssystems (SCBA), das in der Lage ist, automatisch einen bestimmten Abstand einzuhalten, das Auto an einer roten Ampel anzuhalten und den Fahrer zu warnen, dass er in eine Abbiegung fährt eine Geschwindigkeit, die höher ist, als es die Gesetze der Physik erlauben. Es wurden sogar Stoßsensoren mit Funkalarm entwickelt, die einen Krankenwagen rufen, wenn ein Auto auf ein Hindernis oder eine Kollision stößt.

Alle diese elektronischen Unfallverhütungsgeräte lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Die erste umfasst Geräte im Auto, die unabhängig von Signalen externer Informationsquellen (andere Autos, Infrastruktur) funktionieren. Sie verarbeiten Informationen vom Bordradar (Radar). Die zweite Kategorie sind Systeme, deren Betrieb auf Daten basiert, die von Informationsquellen in der Nähe der Straße empfangen werden, insbesondere von Beacons, die Informationen über die Straßensituation sammeln und diese über Infrarotstrahlen an vorbeifahrende Autos übermitteln.

SKBA hat eine neue Generation der oben aufgeführten Geräte zusammengefasst. Es empfängt sowohl Radarsignale als auch Infrarotstrahlen „denkender“ Baken und sorgt zusätzlich zu den Hauptfunktionen für eine ununterbrochene und ruhige Bewegung des Fahrers an ungeregelten Straßenkreuzungen und begrenzt die Geschwindigkeit in Kurven und in Wohngebieten innerhalb der festgelegten Geschwindigkeitsbegrenzungen. Wie alle autonomen Systeme erfordert SCBA, dass das Fahrzeug ausgerüstet ist Antiblockiersystem Bremsen (ABS) und Automatikgetriebe.

Der SKBA verfügt über einen Laser-Entfernungsmesser, der ständig den Abstand zwischen dem Auto und allen Hindernissen auf dem Weg misst – sei es in Bewegung oder stationär. Wenn eine Kollision wahrscheinlich ist und der Fahrer nicht langsamer wird, gibt der Mikroprozessor den Befehl, den Druck auf das Gaspedal zu lösen und die Bremsen zu betätigen. Ein kleiner Bildschirm auf der Instrumententafel zeigt blinkend eine Gefahrenwarnung an. Auf Wunsch des Fahrers Bordcomputer kann je nach Fahrbahnoberfläche – nass oder trocken – einen Sicherheitsabstand einstellen.

SKBA ist in der Lage, ein Auto anhand der weißen Linien der Straßenoberfläche zu steuern. Dafür ist es jedoch notwendig, dass sie klar sind, da sie ständig von der Videokamera an Bord „gelesen“ werden. Die Bildverarbeitung ermittelt dann die Position des Fahrzeugs relativ zu den Linien und die Elektronik steuert die Lenkung entsprechend.

Bordeigene Empfänger von Infrarotstrahlen der SKBA funktionieren in Anwesenheit von Sendern, die in bestimmten Abständen entlang der Fahrbahn angebracht sind. Die Strahlen verlaufen geradlinig und über eine kurze Distanz (bis zu ca. 120 m), und die durch codierte Signale übertragenen Daten können nicht gestört oder verfälscht werden.

Reis. 3.1 Integriertes Fahrzeugsicherheitssystem: 1 Infrarotstrahlenempfänger; 2 Wettersensor (Regen, Luftfeuchtigkeit); 3 Drosselklappenantriebssystem; 4 Computer; 5 elektrisches Hilfsventil im Bremsantrieb; 6 ABS; 7 Entfernungsmesser; 8 Automatikgetriebe; 9 Fahrzeuggeschwindigkeitssensor; 10 zusätzliches elektrisches Lenkventil; 11 Beschleunigungssensor; 12 Lenksensor; 13 Tischsignal; 14 elektronischer Bildverarbeitungscomputer; 15 Fernsehkamera; 16 Bildschirm.

In Abb. 3.2 zeigt den Wettersensor der Firma „ Boch " Je nach Modell sind im Inneren eine Infrarot-LED und ein bis drei Fotodetektoren untergebracht. Die LED sendet einen unsichtbaren Strahl in einem spitzen Winkel zur Oberfläche der Windschutzscheibe aus. Wenn es draußen trocken ist, wird das gesamte Licht zurückreflektiert und trifft auf den Fotodetektor (so ist das optische System aufgebaut). Da der Strahl durch Impulse moduliert wird, reagiert der Sensor nicht auf Fremdlicht. Befinden sich jedoch Tropfen oder eine Wasserschicht auf dem Glas, ändern sich die Brechungsverhältnisse und ein Teil des Lichts gelangt in den Weltraum. Dies wird vom Sensor erkannt und die Steuerung berechnet den passenden Betriebsmodus für den Scheibenwischer. Gleichzeitig kann dieses Gerät das elektrische Schiebedach schließen und die Fenster anheben. Der Sensor verfügt über 2 weitere Fotodetektoren, die mit dem Wettersensor in ein gemeinsames Gehäuse integriert sind. Der erste ist für automatisches Einschalten Scheinwerfer, wenn es dunkel wird oder ein Auto in einen Tunnel fährt. Der zweite schaltet zwischen „Fernlicht“ und „Abblendlicht“ um. Ob diese Funktionen aktiviert sind, hängt vom jeweiligen Fahrzeugmodell ab.

Abb.3.2 Funktionsprinzip des Wettersensors

Antiblockiersystem Bremssysteme(ABS),Seine notwendigen Komponenten sind Raddrehzahlsensoren, ein elektronischer Prozessor (Steuergerät), Servoventile, eine elektrisch angetriebene Hydraulikpumpe und ein Druckspeicher. Einige frühe ABS waren „dreikanalig“, d. h. steuerte die vorderen Bremsmechanismen einzeln, löste jedoch alle hinteren Bremsmechanismen vollständig, als eines der Hinterräder zu blockieren begann. Dies sparte einige Kosten und Komplexität, führte jedoch zu einer geringeren Effizienz als ein vollständiges Vierkanalsystem, bei dem jeder Bremsmechanismus einzeln gesteuert wird.

ABS hat viele Gemeinsamkeiten mit dem Traktionskontrollsystem (ABS), dessen Wirkung man als „ABS im Rückwärtsgang“ bezeichnen könnte, da das ABS auf dem Prinzip der Erkennung des Moments basiert, in dem eines der Räder im Vergleich zum anderen schnell zu rotieren beginnt ( dem Moment, in dem das Durchrutschen beginnt) und Senden eines Signals zum Bremsen dieses Rades. Radgeschwindigkeitssensoren können gemeinsam genutzt werden. Daher besteht die wirksamste Möglichkeit, das Durchdrehen des Antriebsrads durch Reduzierung seiner Geschwindigkeit zu verhindern, darin, eine sofortige (und gegebenenfalls wiederholte) Bremswirkung auszuüben. Die Bremsimpulse können vom ABS-Ventilblock empfangen werden. Wenn ABS vorhanden ist, ist das in Wirklichkeit alles, was für die Bereitstellung von ABS erforderlich ist, plus einige zusätzliche Software und ein zusätzliches Steuergerät, um bei Bedarf das Motordrehmoment oder die zugeführte Kraftstoffmenge zu reduzieren oder direkt in die Gaspedalsteuerung einzugreifen.

In Abb. 3.3 zeigt das Diagramm elektronisches System Kfz-Stromversorgung: 1 - Zündrelais; 2 - zentraler Schalter; 3 - Batterie; 4 - Abgasneutralisator; 5 - Sauerstoffsensor; 6 - Luftfilter; 7 - Luftmassenmesser; 8 - Diagnoseblock; 9 - Regler Leerlaufdrehzahl; 10 - Drosselklappenstellungssensor; 11 - Drosselrohr; 12 - Zündmodul; 13 - Phasensensor; 14 - Düse; 15 - Kraftstoffdruckregler; 16 - Kühlmitteltemperatursensor; 17 - Kerze; 18 - Kurbelwellenpositionssensor; 19 - Klopfsensor; 20 - Kraftstofffilter; 21 - Controller; 22 - Geschwindigkeitssensor; 23 - Kraftstoffpumpe; 24 - Schaltrelais Kraftstoffpumpe; 25 - Benzintank.

Reis. 3.3 Vereinfachtes Diagramm des Einspritzsystems

Einer von Komponenten SCBA ist ein Airbag ( Airbag ) (siehe Abb. 3.4), deren Elemente sich in verschiedenen Teilen des Autos befinden. Trägheitssensoren, die sich im Stoßfänger, in der Nähe des Motorschutzes, in den Säulen oder im Armlehnenbereich (je nach Fahrzeugmodell) befinden, senden im Falle eines Unfalls ein Signal an das elektronische Steuergerät. Die meisten modernen SKBA-Frontsensoren sind für Aufprallkräfte bei Geschwindigkeiten von 50 km/h ausgelegt. Die seitlichen werden durch schwächere Stöße ausgelöst. Von der elektronischen Steuereinheit geht das Signal an das Hauptmodul, das aus einem kompakt verlegten Kissen besteht, das an einen Gasgenerator angeschlossen ist. Bei letzterem handelt es sich um eine Tablette mit einem Durchmesser von etwa 10 cm und einer Dicke von etwa 1 cm mit einer kristallinen stickstofferzeugenden Substanz. Ein elektrischer Impuls zündet die Zündpille in der „Tablette“ oder schmilzt den Draht, und die Kristalle verwandeln sich mit Explosionsgeschwindigkeit in Gas. Der gesamte beschriebene Vorgang erfolgt sehr schnell. Das „durchschnittliche“ Kissen füllt sich in 25 ms. Die Oberfläche des Airbags nach europäischem Standard rast mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 km/h in Richtung Brust und Gesicht, nach amerikanischem Standard etwa 300. Daher raten die Hersteller bei Fahrzeugen, die mit einem Airbag ausgestattet sind, dringend dazu, sich anzuschnallen und nicht zu sitzen in der Nähe des Lenkrads oder Armaturenbretts. Die „fortschrittlichsten“ Systeme verfügen über Geräte, die die Anwesenheit eines Beifahrers oder Kindersitzes erkennen und dementsprechend den Füllgrad entweder ausschalten oder anpassen.

Reis. 3.4. Autoairbag:

1 - Gurtstraffer; 2 - Airbag; 3 - Airbag; für den Fahrer; 4 Steuergerät und Zentralsensor; 5 Executive-Modul; 6 Trägheitssensoren

Neben konventionellen Autos wird der Entwicklung von Light Vehicles (LVs) mit Elektroantrieb (manchmal auch als nichtkonventionelle Fahrzeuge bezeichnet) große Aufmerksamkeit gewidmet. Zu dieser Fahrzeuggruppe gehören Elektrofahrräder, Roller, Rollstühle und Elektrofahrzeuge mit autonomer Energieversorgung. Die Entwicklung solcher mechatronischer Systeme erfolgt durch das Mechatronics Research and Engineering Center in Zusammenarbeit mit einer Reihe von Organisationen.

Motorgewicht 4,7 kg,

Batterie 36V, 6 A*h,

Grundlage für die Erstellung von LTS sind mechatronische Module vom Typ „Motorrad“, die in der Regel auf drehmomentstarken Elektromotoren basieren. Tabelle 3.1 zeigt die technischen Eigenschaften mechatronischer Bewegungsmodule für leichte Fahrzeuge. Der weltweite LTS-Markt weist eine Expansionstendenz auf und Prognosen zufolge betrug seine Kapazität im Jahr 2000 20 Millionen Einheiten oder wertmäßig 10 Milliarden Dollar.

Tabelle 3.1

LTS mit Elektroantrieb	Technische Indikatoren
		Maximal Geschwindigkeit, km/h	Betriebsspannung, V	Leistung, kW		Nenndrehmoment Nm	Nennstrom	Gewicht, kg
Sessel Kinderwagen			0,15
Elektro- Fahrräder
Rollerbälle
Minielektro- Handys

Seetransport.MS werden zunehmend zur Intensivierung der Arbeit von Besatzungen von See- und Flussschiffen im Zusammenhang mit der Automatisierung und Mechanisierung grundlegender technischer Mittel eingesetzt, zu denen das Hauptkraftwerk mit Servicesystemen und Hilfsmechanismen, das Stromversorgungssystem, allgemeine Schiffssysteme und Ruderanlagen gehören und Motoren.

Komplex automatische Systeme Das Halten eines Schiffes auf einer bestimmten Flugbahn (SUZT) oder eines Schiffes, das den Weltozean auf einer bestimmten Profillinie erkunden soll (SUZP), sind Systeme, die die dritte Ebene der Steuerungsautomatisierung bieten. Der Einsatz solcher Systeme ermöglicht:

Steigerung der wirtschaftlichen Effizienz des Seetransports durch Implementierung der besten Flugbahn und Schiffsbewegung unter Berücksichtigung der Navigationsbedingungen und hydrometeorologischen Navigationsbedingungen;

Steigerung der Wirtschaftlichkeit ozeanografischer, hydrografischer und meeresgeologischer Erkundungsarbeiten durch Erhöhung der Genauigkeit, mit der das Schiff auf einer bestimmten Profillinie gehalten wird, Erweiterung des Bereichs von Wind- und Wellenstörungen, die die erforderliche Kontrollqualität gewährleisten, und Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit von das Schiff;

Lösen Sie Implementierungsprobleme optimale Flugbahn Bewegung des Schiffes beim Abweichen von gefährlichen Objekten; Verbesserung der Sicherheit der Navigation in der Nähe von Navigationsgefahren durch Erhöhung präzise Steuerung Bewegung des Schiffes.
Integrierte automatische Verkehrssteuerungssysteme gemäß einem bestimmten geophysikalischen Forschungsprogramm (ASUD) sind so konzipiert, dass sie ein Schiff automatisch zu einer bestimmten Profillinie bewegen, ein geologisches und geophysikalisches Schiff automatisch auf einer zu untersuchenden Profillinie halten und bei Übergängen von einer Profillinie manövrieren zu einem anderen. Das betrachtete System ermöglicht es, die Effizienz und Qualität der marinen geophysikalischen Forschung zu steigern.

Unter Meeresbedingungen ist es unmöglich, herkömmliche Vorerkundungsmethoden (Suchtrupp oder detaillierte Luftaufnahmen) anzuwenden, daher wird am häufigsten die seismische Methode der geophysikalischen Forschung verwendet (Abb. 3.5). Das geophysikalische Schiff 1 schleppt an einem Kabelseil 2 ein Luftgewehr 3, das die Quelle seismischer Schwingungen darstellt, einen seismografischen Streamer 4, an dem sich Empfänger reflektierter seismischer Schwingungen befinden, und eine Endboje 5. Bodenprofile werden durch Aufzeichnung ermittelt die Intensität seismischer Schwingungen, die von den Grenzschichten von 6 verschiedenen Rassen reflektiert werden

Reis. 3.5. Schema der geophysikalischen Forschung.

Um zuverlässige geophysikalische Informationen zu erhalten, muss das Schiff trotz der geringen Geschwindigkeit (3 x 5 Knoten) und des Vorhandenseins von gezogenen Geräten mit beträchtlicher Länge (bis zu 3 Knoten) mit hoher Genauigkeit in einer bestimmten Position relativ zum Boden (Profillinie) gehalten werden km) mit begrenzter mechanischer Festigkeit.

Das Unternehmen Anzhutz hat ein komplexes MS entwickelt, das dafür sorgt, dass das Schiff auf einer vorgegebenen Flugbahn bleibt. In Abb. Abbildung 3.6 zeigt ein Blockdiagramm dieses Systems, das Folgendes umfasst: Kreiselkompass 1; Verzögerung 2; Geräte Navigationssysteme, Bestimmung der Position des Schiffes (zwei oder mehr) 3; Autopilot 4; Minicomputer 5 (5 eine Schnittstelle, 5 b zentrales Speichergerät, 5 V Zentraleinheit); Lochstreifenleser 6; Plotter 7; Anzeige 8; Tastatur 9; Lenkgetriebe 10.

Mit dem betreffenden System ist es möglich, das Schiff automatisch auf einer programmierten Flugbahn zu bewegen, die vom Bediener über eine Tastatur eingestellt wird, die die geografischen Koordinaten der Wendepunkte bestimmt. In diesem System werden die Koordinaten der wahrscheinlichen Position des Schiffes auf der Grundlage der von bereitgestellten Daten berechnet, unabhängig von den Informationen, die von einer Gruppe von Geräten eines herkömmlichen Funknavigationskomplexes oder von Satellitenkommunikationsgeräten stammen, die die Position des Schiffs bestimmen der Kreiselkompass und das Logbuch.

Reis. 3.6. Blockdiagramm eines integrierten MS zum Halten eines Schiffes auf einer vorgegebenen Flugbahn

Die Kurssteuerung mit dem betrachteten System erfolgt durch den Autopiloten, dessen Eingabe Informationen über den Wert des gegebenen Kurses ψ erhält Arsch , generiert von einem Minicomputer unter Berücksichtigung des Positionsfehlers des Schiffes. Das System wird im Schaltschrank montiert. Im oberen Teil befindet sich ein Display mit Bedienelementen zur Einstellung des optimalen Bildes. Unten, auf dem geneigten Feld der Konsole, befindet sich ein Autopilot mit Steuergriffen. Auf dem horizontalen Feld der Fernbedienung befindet sich eine Tastatur, mit deren Hilfe Programme in den Minicomputer eingegeben werden. Es gibt auch einen Schalter zur Auswahl des Steuermodus. Im Basisteil der Konsole befinden sich ein Mini-Computer und eine Schnittstelle. Sämtliche Peripheriegeräte werden auf speziellen Ständern oder anderen Konsolen platziert. Das betrachtete System kann in drei Modi arbeiten: „Kurs“, „Monitor“ und „Programm“. Im Modus „Kurs“ wird der eingestellte Kurs mithilfe des Autopiloten entsprechend den Messwerten des Kreiselkompasses beibehalten. Der Modus „Monitor“ wird ausgewählt, wenn der Übergang in den Modus „Programm“ vorbereitet wird, wenn dieser Modus unterbrochen wird oder wenn der Übergang in diesen Modus abgeschlossen ist. Sie wechseln in den „Kurs“-Modus, wenn Fehlfunktionen des Minicomputers, der Netzteile oder des Radio-Navigationssystems festgestellt werden. In diesem Modus arbeitet der Autopilot unabhängig vom Minicomputer. Im Modus „Programm“ wird der Kurs anhand von Daten von Funknavigationsgeräten (Positionssensoren) oder einem Kreiselkompass gesteuert.

Die Wartung des Schiffshaltesystems am Boden erfolgt durch den Bediener von der Konsole aus. Die Auswahl einer Gruppe von Sensoren zur Bestimmung der Schiffsposition erfolgt durch den Bediener gemäß den auf dem Bildschirm angezeigten Empfehlungen. Am unteren Bildschirmrand befindet sich eine Liste aller für diesen Modus zulässigen Befehle, die über die Tastatur eingegeben werden können. Das versehentliche Drücken einer verbotenen Taste wird vom Computer blockiert.

Luftfahrttechnik.Die Erfolge bei der Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnik einerseits und die Notwendigkeit, die Kosten gezielter Operationen zu senken andererseits, haben die Entwicklung einer neuen Art von Technologie angeregt: der ferngesteuerten Flugzeug(RPLA).

In Abb. 3.6 zeigt das Blockdiagramm des Systems Fernbedienung UAV-Flug - HIMAT . Die Hauptkomponente des Fernpilotsystems HIMAT ist ein Bodenfernkontrollpunkt. Die Flugparameter des UAV werden an der Bodenstation über eine Funkverbindung vom Flugzeug empfangen, von der Telemetrieverarbeitungsstation empfangen und dekodiert und an den Bodenteil des Computersystems sowie an Informationsanzeigegeräte bei der Bodenkontrolle übermittelt Station. Darüber hinaus wird von der Drohne ein über eine Fernsehkamera angezeigtes Außenansichtsbild empfangen. Das auf dem Bildschirm des bodengestützten Arbeitsplatzes des menschlichen Bedieners angezeigte Fernsehbild dient zur Steuerung des Flugzeugs bei Flugmanövern, Anflug und Landung. Die Kabine der Bodenfernkontrollstation (Bedienerarbeitsplatz) ist mit Instrumenten ausgestattet, die Informationen über den Flug und den Zustand der Ausrüstung des RPV-Komplexes sowie Mittel zur Steuerung des Flugzeugs liefern. Insbesondere stehen dem menschlichen Bediener Griffe und Pedale zur Steuerung der Roll- und Nickbewegungen des Flugzeugs sowie ein Triebwerkssteuerknüppel zur Verfügung. Wenn das Hauptsteuerungssystem ausfällt, werden Befehle vom Steuerungssystem über ein spezielles diskretes Befehlsfeld für den UAV-Bediener ausgegeben.

Reis. 3.6 Fernsteuerungssystem für Drohnen HIMAT:

1. B-52-Träger; 2 Backup-Kontrollsystem im Flugzeug TF-104G ; 3 telemetrische Kommunikationsleitung mit dem Boden; 4 - RDB HIMAT ; 5 telemetrische Kommunikationsleitungen mit RPV; 5 Bodenstationen zur Fernsteuerung

Doppler-Bodengeschwindigkeits- und Driftwinkelmesser (DPSS) werden als autonomes Navigationssystem verwendet, das eine Koppelnavigation ermöglicht. Ein solches Navigationssystem wird in Verbindung mit einem Kurssystem verwendet, das den Kurs mit einem Vertikalsensor misst, der Roll- und Nicksignale erzeugt, und einem Bordcomputer, der einen Koppelnavigationsalgorithmus implementiert. Zusammen bilden diese Geräte ein Doppler-Navigationssystem (siehe Abb. 3.7). Um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messung der aktuellen Koordinaten des Flugzeugs zu erhöhen, kann DISS mit Geschwindigkeitsmessern kombiniert werden.

Reis. 3.7 Diagramm des Doppler-Navigationssystems

5. Mechatronische Transportmittel

Mechatronische Module werden zunehmend in verschiedenen Transportsystemen eingesetzt. In diesem Handbuch beschränken wir uns auf eine kurze Analyse von ausschließlich leichten Fahrzeugen (LVs) mit Elektroantrieb (manchmal werden sie auch als nicht-traditionell bezeichnet). Zu dieser neuen Fahrzeuggruppe für die heimische Industrie gehören Elektrofahrräder, Roller, Rollstühle und Elektrofahrzeuge mit autonomen Stromquellen.

LTS sind eine Alternative zu Fahrzeugen mit Motor interne Verbrennung und werden derzeit in umweltfreundlichen Bereichen (medizinische und Freizeit-, Tourismus-, Ausstellungs-, Parkanlagen) sowie in Einzelhandels- und Lagerräumen eingesetzt. Schauen wir uns die technischen Eigenschaften eines Prototyps eines Elektrofahrrads an:

Höchstgeschwindigkeit 20 km/h,

Nennantriebsleistung 160 W,

Nenndrehzahl 160 U/min,

Maximales Drehmoment 18 Nm,

Motorgewicht 4,7 kg,

Akku 36V, 6 Ah,

Autonome Bewegung 20 km.

Grundlage für die Erstellung von LTS sind mechatronische Module vom Typ „Motorrad“, die in der Regel auf drehmomentstarken Elektromotoren basieren. Tabelle 3 zeigt die technischen Eigenschaften mechatronischer Bewegungsmodule für leichte Fahrzeuge.

LTS mit Elektroantrieb	Technische Indikatoren
		Höchstgeschwindigkeit, km/h	Betriebsspannung, V	Leistung, kW	Nenndrehmoment, Nm	Nennstrom, A	Gewicht, kg
Rollstühle			0.15
Elektrofahrräder
Rollerbälle
Mini-Elektroautos		VON

Der weltweite LTS-Markt weist eine Expansionstendenz auf und Prognosen zufolge wird seine Kapazität bis zum Jahr 2000 20 Millionen Einheiten oder wertmäßig 10 Milliarden Dollar betragen.

Vorteile mechatronischer Systeme und Geräte (MS&D) Zu den Hauptvorteilen von MS&D im Vergleich zu herkömmlichen Automatisierungsgeräten gehören die folgenden. 1. Relativ niedrige Kosten aufgrund eines hohen Grades an Integration, Vereinheitlichung und Standardisierung aller Elemente und Schnittstellen. 2. Hohe Qualität der Umsetzung komplexer und präziser Bewegungen durch den Einsatz intelligenter Steuerungsmethoden. 1

3. Hohe Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Störfestigkeit. 4. Strukturelle Kompaktheit von Modulen (bis hin zur Miniaturisierung in Mikromaschinen). 5. Verbessertes Gewicht, Größe und dynamische Eigenschaften von Maschinen durch Vereinfachung der kinematischen Ketten; 6. Die Fähigkeit, Funktionsmodule in komplexe mechatronische Systeme und Komplexe für spezifische Kundenaufgaben zu integrieren. 2

Anwendung mechatronischer Module (MM) und mechatronischer Systeme (MS) MM und MS werden heute in folgenden Bereichen eingesetzt. Werkzeugmaschinenbau und Automatisierungsausrüstung Produktionsprozesse. Robotik (Industrie und Spezial). Luft-, Raumfahrt- und Militärtechnik. Automobilindustrie (zum Beispiel Fahrzeugbewegungsstabilisierung und automatische Parksysteme). Nicht-traditionelle Fahrzeuge (E-Bikes, Lastenwagen, Rollstühle usw.). 3

Bürogeräte (z. B. Fotokopierer). Computerausrüstung (z. B. Drucker, Festplatten). Medizinische Geräte (Reha, Klinik, Service). Haushaltsgeräte (Waschmaschinen, Nähmaschinen, Geschirrspüler usw.). Mikromaschinen (für Medizin, Biotechnologie, Kommunikation und Telekommunikation). Kontroll- und Messgeräte und Maschinen; Foto- und Videoausrüstung. Simulatoren zur Ausbildung von Piloten und Bedienern. Show ist eine Branche. 4

Entwicklung der Mechatronik Die rasante Entwicklung der Mechatronik in den 90er Jahren und heute als neue wissenschaftliche und technische Richtung ist auf drei Hauptfaktoren zurückzuführen. 1) Neue Trends in der globalen industriellen Entwicklung. 2) Entwicklung grundlegender Prinzipien und Methoden der Mechatronik (grundlegende wissenschaftliche Ideen, grundlegend neue technische und technologische Lösungen); 3) Die Tätigkeit von Spezialisten im Forschungs- und Bildungsbereich. 6

Die wichtigsten Anforderungen des Weltmarktes im Bereich mechatronischer Systeme Die Notwendigkeit, Geräte gemäß dem in der ISO9000-Norm formulierten internationalen System von Qualitätsstandards herzustellen und zu warten. Internationalisierung des Marktes für wissenschaftliche und technische Produkte und damit die Notwendigkeit einer aktiven Umsetzung von Formen und Methoden des internationalen Ingenieur- und Technologietransfers in die Praxis. 8

Stärkung der Rolle kleiner und mittlerer Produktionsunternehmen in der Wirtschaft aufgrund ihrer Fähigkeit, schnell und flexibel auf sich ändernde Marktanforderungen zu reagieren, der schnellen Entwicklung von Computersystemen und -technologien sowie der Telekommunikation (in den EWG-Ländern bis zu 60 %). das Wachstum des gesamten Sozialprodukts wird gerade durch diese Industrien sichergestellt). Eine direkte Folge dieses Trends ist die Intellektualisierung von Steuerungssystemen für mechanische Bewegungen und technologische Funktionen moderner Maschinen. 9

Moderne Unternehmen, die sich mit der Entwicklung mechatronischer Produkte befassen, müssen die folgenden Hauptprobleme lösen. 1. Strukturelle Integration der mechanischen, elektronischen und Informationsabteilungen in einheitliche Design- und Produktionsteams. 2. Ausbildung von mechatronisch orientierten Ingenieuren und Führungskräften, die zur Systemintegration und zur Leitung der Arbeit hochspezialisierter Fachkräfte unterschiedlicher Qualifikation befähigt sind. 3. Integration von Informationstechnologien aus verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Bereichen – Mechanik, Elektronik, Computersteuerung – in ein einziges Toolkit zur Computerunterstützung mechatronischer Aufgaben. 11

Der Integrationsgrad der einzelnen Elemente gilt in der Mechatronik als wichtigstes Klassifizierungsmerkmal. Nach diesem Kriterium ist es möglich, MS in Stufen bzw. Generationen einzuteilen, wenn man ihr Auftreten auf dem Markt wissensintensiver Produkte chronologisch betrachtet. 12

Generationen MM 1. Generation Grundelement Elektromotor Modul - Motor Hochmomentmotor Modul Motor - funktioniert Orgel Mechatronische Bewegungsmodule der zweiten Generation (rotatorisch und linear) Intelligente mechatronische Module der dritten Generation Zusätzliches Element Leistungswandler Mechanisches Gerät Arbeitselement Rückkopplungssensoren Informationssensoren Mikrocomputer (Controller) Entwicklungsschema mechatronischer Bewegungsmodule 13

MMs der Stufe 1 sind eine Kombination aus nur zwei Originalelementen. Im Jahr 1927 entwickelte die Firma Bauer (Deutschland) ein grundlegend neues Design, das einen Elektromotor und ein Getriebe kombinierte, das später weit verbreitet war und als Motor-Getriebe bezeichnet wurde. Somit ist ein Motor-Getriebe ein kompaktes Baumodul, das einen Elektromotor und ein Bewegungswandler-Getriebe kombiniert. 14

MMs der 2. Generation erschienen in den 80er Jahren im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer elektronischer Technologien, die die Entwicklung von Miniatursensoren und elektronischen Einheiten zur Signalverarbeitung ermöglichten. Die Kombination von Antriebsmodulen mit den angegebenen Elementen führte zur Entstehung der MM-Bewegung, auf deren Grundlage gesteuerte Energiemaschinen, insbesondere PR- und CNC-Maschinen, entstanden. 15

Das Bewegungsmodul ist ein funktionell und strukturell eigenständiges Produkt, das mechanische und elektrische Teile umfasst, die einzeln und in verschiedenen Kombinationen mit anderen Modulen verwendet werden können. Das mechatronische Bewegungsmodul ist ein Bewegungsmodul, das zusätzlich einen Informationsteil enthält, der Sensoren für verschiedene Zwecke enthält. 16

Das Hauptmerkmal, das das Bewegungsmodul von einem allgemeinen Industrieantrieb unterscheidet, ist die Verwendung der Motorwelle als eines der Elemente des mechanischen Wandlers. Beispiele für Bewegungsmodule sind Getriebemotor, Radmotor, Trommelmotor, Elektrospindel usw. 17

MM 3. Generation. Ihre Entwicklung ist auf das Erscheinen relativ kostengünstiger Mikroprozessoren und darauf basierender Steuerungen auf dem Markt zurückzuführen. Dadurch wurde es möglich, die im MS ablaufenden Prozesse zu intellektualisieren, vor allem die Prozesse der Steuerung der Funktionsbewegungen von Maschinen und Einheiten. Ein intelligentes mechatronisches Modul (IMM) ist ein mechatronisches Bewegungsmodul, das zusätzlich ein Mikroprozessor-Rechnergerät und einen Leistungswandler umfasst. 18

Mechatronische Geräte der 4. Generation sind informationsmessende und steuernde mechatronische Mikrosysteme und Mikroroboter (die beispielsweise Blutgefäße in den Körper eindringen, um Krebs und Arteriosklerose zu bekämpfen und beschädigte Organe und Gewebe zu operieren). Dabei handelt es sich um Roboter zur Erkennung und Reparatur von Defekten in Pipelines, Kernreaktoren, Raumfahrzeugen usw. 19

In mechatronischen Geräten der 5. Generation werden herkömmliche Computer- und numerische Steuerungssoftware durch Neurochips und Neurocomputer ersetzt, die auf den Prinzipien der Gehirnfunktion basieren und in einer sich verändernden äußeren Umgebung zielgerichtete Aktivitäten durchführen können. 20

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