В1. Сущность понятия «мехатроника».

В1. Сущность понятия «мехатроника».

В нашей стране до возникновения термина «мехатроника» применялись приборы с названием «механотроны». Термин «мехатроника» введён японцем Тецуро Мори старшим инженером компании Яскава электрик в 1969. Это название получено комбинацией слов " МЕХАТРОНИКА" = " МЕХА ника" + " элек ТРОНИКА". Смысловое значение этих составляющих следующее: механика - наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами; электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном, для передачи, обработки и хранения информации.

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

Главное в определении - идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Поэтому эмблемой мехатроники ставят 3 пересекающихся круга, включенных в общую оболочку: производство, менеджмент, требования рынка.

В мехатронике используются такие современные технологии как: - технологии разработки, изготовления микросхем, БИС, СБИС, микропроцессоров, микроЭВМ и специализированных контроллеров в интегральном исполнении; - технологии информационных систем (получение информации, ее обработка, ввод в процессорные СУ, цифровая обработка и т.д.); - технологии моделирования, как метода создания, так и одного из аспектов функционирования мехатронной системы (МС).

Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях: - станкостроение и оборудование для автоматизации ТП в машиностроении; - робототехника; - авиационная, военная космическая техника; - автомобилестроение (антиблокировочные устройства тормозов, автоматические коробки передач, системы автоматической парковки); - нетрадиционные транспортные средства (электромобили, электровелосипеды, инвалидные коляски); - офисная техника (копировальные и факсимильные аппараты); - периферийные устройства компьютеров (принтеры, плоттеры, дисководы CD-ROM); - медицинское и спортивное оборудование (экзоскелетные протезы для инвалидов, тонусные тренажеры, управляемые диагностические капсулы, массажеры и т.д.); - бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные машины, автономные пылесосы); - микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и телекоммуникации); - контрольно-измерительные устройства и машины; - лифтовое и складское оборудование, автоматические двери в отелях и аэропортах; - фото- и видеотехника (проигрыватели видеодисков, устройства фокусировки видеокамер); - тренажеры для подготовки операторов сложных технических систем и пилотов; - железнодорожный транспорт (системы контроля и стабилизации движения поездов); - полиграфические машины; интеллектуальные устройства для шоу-индустрии, аттракционы.

В2. Основные концепции мехатроники.

Основные методы познания в мехатронике

1)Системный подход, в основе которого лежит исследование объектов как систем. Методическая специфика системного подхода закл. в том, что она ориентирует исследователя на раскрытие сущности объекта и обеспечивающих его механизмов, на выявления многообразия типов связей сложного объекта и сведение их в единую теоретическую картину. Системой наз-ся дискретная совокупность взаимосвязанных частей и свойства обусловлено их взаимодействием. При этом окружающий мир делится на 2 части: систему и внешнюю среду. Из внеш. среды на систему воздействуют управляющий сигнал и возмущение.

2)Синергетический подход выявляет общие закономерности процессов самоорганизации сложных структур, новыми являются мехатр. объекты., приводящие к распознованию в них новых свойств.

3) Редукционизм – т.е. сведение сложного к более простому с целью формализации. При этом нужно сохранять связи: входы, выходы и т.д.

4) Моделирование – применительно к мехатроники оно всегда является предметом, т.е. представляет собой воспроизведение определенных геометрических, физических, динамических, либо функциональн. характеристик объекта.

В3. Системный подход в представлении электронно-механической системы, как сложной системы

Наиболее общим подходом к проектированию является системный подход. Принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход вкл. в себя выявлении структуры системы, типизацию связей, определение свойств (атрибутов) системы, анализ выявления внешней среды.

Системный подход, в основе которго лежит исследование объектов как систем. Методическая специфика системного подхода закл. в том, что она ориентирует исследователя на раскрытие сущности объекта и обеспечивающих его механизмов, на выявления многообразия типов связей сложного объекта и сведение их в единую теоретическую картину. Системой наз-ся дискретная совокупность взаимосвязанных частей и свойства обусловлено их взаимодействием. При этом окружающий мир делится на 2 части: систему и внешнюю среду. Из внеш. среды на систему воздействуют управляющий сигнал и возмущение.

В4. Особенности электронно-механических систем

Мехатронные устройства - это выделившийся в последние десятилетия класс машин или узлов машин, базирующийся на использовании в них достижений точной механики, электропривода, электроники, компьютерного управления. Хотя все эти элементы можно встретить в громадном количестве традиционной техники, все же можно выделить ряд признаков (особенностей) мехатронного устройства к которым можно отнести следующие.

1.Наличие интеграции следующих функциональных элементов:

-выходного механического звена (ВМЗ), выполняющего внешние функции мехатронного устройства;

-двигателя выходного звена с механизмом передачи движения к ВМЗ, привода ВМЗ;

-усилителя-преобразователя энергии питания двигателя (УПЭП);

-устройства цифрового программного управления приводом;

- информационной системы, контролирующей состояние внешнего мира и внутренних параметров мехатронного устройства.

2. Минимум преобразований информации и энергии (например, прямое цифровое управление безредукторным приводом) - принцип минимума преобразований.

3. Использование одного и того же элемента мехатронного устройства для реализации нескольких функций (например, параметры двигателя (ток, противо-ЭДС) используются для измерения его момента и скорости) - принцип совмещения функций.

4. Проектирование функций различных элементов мехатронного устройства таким образом, чтобы цели служебного назначения изделия достигались совместным выполнением этих функций без их дублирования и с максимальным эффектом (принцип синергетики).

5. Объединение корпусов узлов мехатронного устройства - принцип совмещения корпусов.

Задачей мехатронной (электронно-механической) системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно, что электрическая энергия (гидравлическая, пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

В5. Архитектура электронно-механических систем. Три уровня проектирования электронно-механических систем.

В6. Принципы построения архитектуры электронно-механических систем.

В9. Особенности агрегатно-модульного принципа построения электронно-механических систем.

В12. Примеры кинематического и статистического расчета конструктивных модулей.

Задачей кинематического исследования манипуляторов является аналитическое описание пространственного расположения манипулятора в зависимости от времени и, в частности, установление связи между значениями координат звеньев манипулятора и положения его рабочего органа в пространстве.

Определение положения схвата манипулятора как функции обобщенных координат и линейных размеров произведем на основе условной кинематической схемы, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2 – Кинематическая схема манипулятора.

На кинематической схеме во всех кинематических парах показываем:

- А, В и С – модули поворота, подъема и выдвижения руки манипулятора;

- q_1П, q_2П и q_3П – обобщенные координаты;

- S – неподвижная или инерциальная система координат;

- S₁, S₂ и S₃ – системы координат, жестко связанные с первым, вторым и третьем звеном;

- размеры мм и мм.

Найдем координаты т.Д схвата в неподвижной системе координат S при заданных обобщенных координатах q₁, q₂ и q₃, то есть решим прямую задачу кинематики. Составим матрицы преобразования систем координат в кинематических парах: – поворот вокруг O_z_; – подъем вдоль O_z; – перемещение вдоль O_y.

Составим матричное уравнение последовательности перехода от система S₃ к центральной системе S и произведем перемножение матриц:

Матричное уравнение произвольной точки захвата:

Таким образом, получаем уравнение в координатной форме

Найдем координаты т.Д схвата при , и : где уравнение координат x и y есть параметрические уравнения окружности.

Найдем перемещения, скорости и ускорения т.Д схвата, как функции от времени. Для этого нужно задать законы изменения обобщенных координат по времени и подставить их вместо q₁, q₂ и q₃.

Предположим, что в некоторый начальный момент времени все звенья манипулятора одновременно приходят в движение. Зададим синусоидальные законы движения для всех приводов звеньев манипулятора по формуле где t – время текущее, с; t_п – время перемещения исполнительного органа, с.

Подставим эти выражения в уравнение (9) и найдем координаты т.Д схвата в любой момент времени, то есть найдем траекторию движения т.Д схвата

Продифференцировав это уравнение по времени, надем проекции скоростей т.Д схвата на оси координат, а продифференцировав дважды – проекции ускорений. То есть и где V_x, V_y, V_z – проекции скоростей т.Д схвата на O_x, O_y, O_z; a_x, a_y, a_z – проекции ускорений.Д схвата на O_x, O_y, O_z.

Найдем изменение координат, проекций ускорений и скоростей т.Д схвата с шагом во времени с и построим графики соответствующих зависимостей , и где S_д – абсолютное перемещение т.Д схвата; V_д – абсолютная скорость т.Д схвата; а_д – абсолютное ускорение т.Д схвата.

В24. Пример расчета манипулятора работающего в цилиндрической системе координат.

Дано: манипулятор работающий в цилиндрич. системе координат; координаты т.Д в системе координат S3 жестко связанной со звеном 3: Х3=0, y3=q3, z3=0; вектор столбец характеризующий положение захвата в системе координат S3: .

Найдем: траекторию, скорость и ускорение движения захвата при известных законах движения приводов отдельных степеней свободы.

Тщательно выполним кинематич. схему манипулятора и во всех кинематич. парах показывают систему координат (схему выполнить с учетом повороты и переноса):

Далее составляем матрицы преобразования системы координат в модулях А, В и С.

Матрица поворота вокруг ОZ: . Матрица подъема вдоль оси ОZ: . Матрица переноса по OY: .

Уравнение зависимости r от r₃: .

Последовательно решаем данное уравнение: 1) . 2) .

Преобразуя получаем уравнение движения т.Д в координатной форме .

Получим уравнение траектории изображающей точки захвата или звена 3 в абсолютной системе координат. Подставим из дано х3, y3 и z3:

В общем виде обобщенная координат .

Основными законами движения приводов кинематич. пар или звеньев манипулятора являются: синусоидальный, косинусоидальный, экспоненциальный, равноускоренный, линейноубывающий и некоторые другие характерные для эл., эл/мех, шагового, пневматическогого и некоторых других приводов.

Рассмотрим основные простейшие движения т.Д захвата:

1) пусть q2 = q3 = const. В этом случае траекторией т.Д является окружность вокруг OZ и в плоскости перпендикулярной этой оси.

2) пусть q2 = q1 = const. В этом случае получаем горизонтальную прямую составляющие угол q1 с OУ.

3) Пусть q3 = q1 = const. В этом случае получаем вертикальную прямую параллельную OZ.

4) пусть q3 = const и q1=q(t) и q2=q(t) (т.е. изм. по времени). В этом случае получаем винтовую линию вокруг OZ на поверхности цилиндра с .

В25. Матрицы преобразования системы координат в кинематических парах.

Матрица поворота вокруг ОZ: .

Матрица подъема вдоль оси ОZ: .

Матрица переноса по OY: .

Уравнение зависимости r от r₃: .

В1. Сущность понятия «мехатроника».

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒