Мехатронные модули находят все более широкое применение в различных транспортных системах.
Жесткая конкуренция на автомобильном рынке вынуждает специалистов в этой области к поиску новых передовых технологий. На сегодняшний день, одной из главных проблем для разработчиков заключается в создании «умных» электронных устройств, способных сократить число дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Итогом работы в этой области стало создание системы комплексной безопасности автомобиля (СКБА), которая способна автоматически поддерживать заданную дистанцию, останавливать машину при красном сигнале светофора, предупреждать водителя о том, что он преодолевает поворот на скорости, более высокой, чем это допустимо законами физики. Были разработаны даже датчики удара с радиосигнализатором, который при наезде автомобиля на препятствие или столкновении вызывает машину скорой помощи.
Все эти электронные устройства предотвращения ДТП делятся на две категории. Первая включает приборы в автомобиле, действующие независимо от каких-либо сигналов внешних источников информации (других автомобилей, инфраструктуры). Они обрабатывают информацию, поступающую от бортового радиолокатора (радара). Вторая категория системы, действие которых основано на данных, полученных от источников информации, расположенных вблизи дороги, в частности от маяков, которые собирают сведения о дорожной обстановке и передают их посредством инфракрасных лучей в проезжающие автомобили.
СКБА объединила новое поколение перечисленных выше устройств. Она принимает как сигналы радара, так и инфракрасные лучи «думающих» маяков, а в дополнение к основным функциям обеспечивает безостановочное и спокойное для водителя движение на нерегулируемых пересечениях дорог и улиц, ограничивает скорость движения на поворотах и в жилых районах пределами установленных скоростных лимитов. Как все автономные системы, СКБА требует, чтобы автомобиль был оборудован антиблокировочной системой тормозов (АБС) и автоматической коробкой передач.
СКБА включает лазерный дальномер, постоянно измеряющий расстояние между автомобилем и любым препятствием по ходу движущимся или неподвижным. Если наезд вероятен, а водитель не замедляет скорость, микропроцессор дает команду сбросить давление на педаль акселератора, включить тормоза. Небольшой экран на панели приборов вспыхивает предупреждением об опасности. По желанию водителя бортовой компьютер может устанавливать безопасную дистанцию в зависимости от дорожного покрытия влажного или сухого.
СКБА способна управлять автомобилем, ориентируясь на белые линии разметки дорожного покрытия. Но для этого необходимо, чтобы они были четкими, поскольку постоянно «считываются» находящейся на борту видеокамерой. Обработка изображения затем определяет положение машины относительно линий, а электронная система в соответствии с этим воздействует на рулевое управление.
Бортовые приемники инфракрасных лучей СКБА действуют при наличии передатчиков, размещенных через определенные интервалы вдоль проезжей дороги. Лучи распространяются прямолинейно и на небольшое расстояние (примерно до 120 м), а данные, передаваемые закодированными сигналами, невозможно ни заглушить, ни исказить.
Рис. 3.1 Система комплексной безопасности автомобиля: 1 приемник инфракрасных лучей; 2 датчик погоды (дождь, влажность); 3 привод дроссельной заслонки системы питания; 4 компьютер; 5 вспомогательный электроклапан в приводе тормозов; 6 АБС; 7 дальномер; 8 автоматическая коробка передач; 9 датчик скорости автомобиля; 10 вспомогательным электроклапан рулевого управления; 11 датчик акселератора; 12 датчик рулевого управления; 13 стол-сигнал; 14 компьютер электронного видения; 15 телевизионная камера; 16 экран.
На рис. 3.2 представлен датчик погоды фирмы « Boch ». В зависимости от модели внутрь помещают инфракрасный светодиод и один - три фотоприемника. Светодиод испускает невидимый луч под острым углом к поверхности ветрового стекла. Если на улице сухо, весь свет отражается обратно и попадает на фотоприемник (так рассчитана оптическая система). Поскольку луч модулирован импульсами, то на посторонний свет датчик не среагирует. Но если на стекле есть капли или слой воды, условия преломления изменяются, и часть света уходит в пространство. Это фиксируется сенсором, и контроллер рассчитывает подходящий режим работы стеклоочистителя. Попутно данный прибор может закрыть электролюк в крыше, поднять стекла. Датчик имеет еще 2 фотоприемника, которые интегрированы в общий корпус с датчиком погоды. Первый предназначен для автоматического включения фар, когда смеркается или автомобиль въезжает в тоннель. Второй, переключает «дальний» и «ближний» свет. Задействованы ли эти функции, зависит, от конкретной модели автомобиля.
Рис.3.2 Принцип работы датчика погоды
Антиблокировочные тормозные системы (АБС), ее необходимые компоненты датчики скорости колеса, электронный процессор (блок управления), сервоклапаны, гидравлический насос с электрическим приводом и аккумулятор давления. Некоторые ранние АБС были “трехканальные”, т.е. управляли передними тормозными механизмами индивидуально, но растормаживали полностью все задние тормозные механизмы при начале блокирования любого из задних колес. Это экономило некоторое количество стоимости и усложнения конструкции, но дало более низкую эффективность по сравнению с полной четырехканальной системой, в которой каждый тормозной механизм управляется индивидуально.
АБС имеет много общего с противобуксовочной системой (ПБС), чье действие могло бы рассматриваться как “АБС наоборот”, так как ПБС работает по принципу обнаружения момента начала быстрого вращения одного из колес по сравнению с другим (момента начала пробуксовывания) и подачи сигнала на притормаживание этого колеса. Датчики скорости колеса могут быть общими, и поэтому наиболее эффективный способ предотвращать пробуксовку ведущего колеса уменьшением его скорости состоит в том, чтобы применить мгновенное (и если необходимо, повторное) действие тормоза, тормозные импульсы могут быть получены от блока клапанов АБС. В действительности, если присутствует АБС, это все, что требуется, чтобы обеспечить и ПБС плюс некоторое дополнительное программное обеспечение и дополнительный блок управления, чтобы уменьшить при необходимости крутящий момент двигателя или сократить количество подводимого топлива, или осуществить прямое вмешательство в систему управления педалью газа.
На рис. 3.3 представлена схема электронной системы питания автомобиля: 1 - реле зажигания; 2 - центральный переключатель; 3 - аккумуляторная батарея; 4 - нейтрализатор отработавших газов; 5 - датчик кислорода; 6 - воздушный фильтр; 7 - датчик массового расхода воздуха; 8 - колодка диагностики; 9 - регулятор холостого хода; 10 - датчик положения дроссельной заслонки; 11 - дроссельный патрубок; 12 - модуль зажигания; 13 - датчик фаз; 14 - форсунка; 15 - регулятор давления топлива; 16 - датчик температуры ОЖ; 17 - свеча; 18 - датчик положения коленвала; 19 - датчик детонации; 20 - топливный фильтр; 21 - контроллер; 22 - датчик скорости; 23 - топливный насос; 24 - реле включения топливного насоса; 25 - бензобак.
Рис. 3.3 Упрощенная схема системы впрыска
Одной из составных частей СКБА является подушка безопасности (airbag ) (см. рис. 3.4), элементы которой размещены в разных частях автомобиля. Инерционные датчики, находящиеся в бампере, у моторного щита, в стойках или в районе подлокотника (в зависимости от модели автомобиля), в случае аварии посылают сигнал на электронный блок управления. В большинстве современных СКБА фронтальные датчики рассчитаны на силу удара на скорости от 50 км/ч. Боковые срабатывают при более слабых ударах. От электронного блока управления сигнал следует на основной модуль, который состоит из компактно уложенной подушки, соединенной с газогенератором. Последний представляет собой таблетку диаметром около 10 см и толщиной около 1 см с кристаллическим азотгенерирующим веществом. Электрический импульс поджигает в «таблетке» пиропатрон или плавит проволоку, и кристаллы со скоростью взрыва превращаются в газ. Весь описанный процесс происходит очень быстро. «Средняя» подушка наполняется за 25 мс. Поверхность подушки европейского стандарта мчится навстречу грудной клетке и лицу со скоростью около 200 км/ч, а американского около 300. Поэтому в машинах, оборудованных подушкой безопасности, производители настоятельно советуют пристегиваться и не сидеть вплотную к рулю или торпедо. В наиболее «продвинутых» системах есть устройства, идентифицирующие наличие пассажира или детского кресла и, соответственно, либо отключающие, либо корректирующие степень надувания.
Рис. 3.4. Автомобильная подушка безопасности:
1 - натяжное устройство ремня безопасности; 2 - надувная подушка безопасности; 3 - надувная подушка безопасности; для водителя; 4 блок управления и центральный датчик; 5 исполнительный модуль; 6 инерционные датчики
Помимо обычных автомобилей большое внимание уделяется созданию легких транспортных средств (ЛТС) с электроприводом (иногда их называют нетрадиционными). К этой группе транспортных средств относятся электровелосипеды, роллеры, инвалидные коляски, электромобили с автономными источниками питания. Разработку таких мехатронных систем ведет Научно-инженерный центр "Мехатроника" в кооперации с рядом организаций.
Масса двигателя 4.7 кг,
Аккумуляторная батарея 36В, 6 А*ч,
Основой для создания ЛТС являются мехатронные модули типа "мотор-колесо" на базе, как правило, высокомоментных электродвигателей. В табл.3.1 приведены технические характеристики мехатронных модулей движения для легких транспортных средств. Мировой рынок ЛТС имеет тенденцию к расширению и по прогнозам его емкость к 2000 году составляла 20 млн. единиц или в стоимостном выражении 10 млрд. долларов.
Таблица 3 .1
|
ЛТС с электроприводом |
Технические показатели |
||||||
|
Максимальная скорость, км / ч |
Рабочее напряжение, В |
Мощность, кВт |
Номинальный момент, Нм |
Номинальный ток, |
Масса, кг |
||
|
Кресла коляски |
0,15 |
||||||
|
Электро- велосипеды |
|||||||
|
Роллеры |
|||||||
|
Миниэлектро- мобили |
|||||||
Морской транспорт. МС находят все более широкое применение для интенсификации труда экипажей морских и речных судов, связанных с автоматизацией и механизацией основных технических средств, к которым относятся главная энергетическая установка с обслуживающими системами и вспомогательными механизмами, электроэнергетическая система, общесудовые системы, рулевые устройства и двигатели.
Комплексные автоматические системы удержания судна на заданной траектории (СУЗТ) или судна, предназначенного для исследования Мирового океана, на заданной линии профиля (СУЗП) относятся к системам, обеспечивающим третий уровень автоматизации управления. Применение таких систем позволяет:
Повысить экономическую эффективность морских транспортных перевозок за счет реализации наилучшей траектории, движения судна с учетом навигационных и гидрометеорологических условий плавания;
Повысить экономическую эффективность океанографических, гидрографических и морских геологоразведочных работ за счет увеличения точности удержания судна на заданной линии профиля, расширения диапазона ветроволновых возмущений, при которых обеспечивается требуемое качество управления, и увеличения рабочей скорости судна;
Решать задачи реализации оптимальной траектории движения судна при расхождении с опасными объектами; повысить безопасность мореплавания вблизи навигационных опасностей за счет более точного управления движением судна.
Комплексные автоматические системы управления движением по заданной программе геофизических исследований (АСУД) предназначены для автоматического выведения судна на заданную линию профиля, автоматического удержания геолого-геофизического судна на исследуемой линии профиля, маневрирования при переходах с одной линии профиля на другую. Рассматриваемая система позволяет повысить эффективность и качество морских геофизических исследований.
В морских условиях невозможно применение обычных методов предварительной разведки (поисковая партия или детальная аэрофотосъемка), поэтому наиболее широкое распространение получил сейсмический метод геофизических исследований (рис. 3.5). Геофизическое судно 1 буксирует на кабель-тросе 2 пневматическую пушку 3, являющуюся источником сейсмических колебаний, сейсмографную косу 4, на которой размещены приемники отраженных сейсмических колебаний, и концевой буй 5. Профили дна определяют посредством регистрации интенсивности сейсмических колебаний, отраженных от пограничных слоев 6 различных-пород.
Рис. 3.5. Схема проведения геофизических исследований.
Для получения достоверной геофизической информации судно должно удерживаться на заданном положении относительно дна (линии профиля) с высокой точностью, несмотря на малую скорость движения (35 уз) и наличие буксируемых устройств значительной длины (до 3 км) с ограниченной механической прочностью.
Фирмой «Анжутц» разработана комплексированная МС, обеспечивающая удержание судна на заданной траектории. На рис. 3.6 представлена структурная схема этой системы, в которую входят: гирокомпас 1; лаг 2; приборы навигационных комплексов, определяющих положение судна (два и более) 3; авторулевой 4; мини-ЭВМ 5 (5 а интерфейс, 5 б центральное запоминающее устройство, 5 в центральный процессорный блок); считыватель перфоленты 6; графопостроитель 7; дисплей 8; клавиатура 9; рулевая машина 10.
С помощью рассматриваемой системы можно автоматически вывести судно на запрограммированную траекторию, которая задается оператором с помощью клавиатуры, определяющей географические координаты точек поворота. В этой системе независимо от информации, поступающей от какой-либо одной группы приборов традиционного радионавигационного комплекса или устройств спутниковой связи, определяющей положение судна, вычисляются координаты вероятного положения судна по данным, выдаваемым гирокомпасом и лагом.
Рис. 3.6. Структурная схема комплексированной МС удержания судна на заданной траектории
Управление курсом с помощью рассматриваемой системы осуществляется авторулевым, на вход которого поступает информация о величине заданного курса ψ зад , формируемая мини-ЭВМ с учетом ошибки по положению судна. Система собрана в пульте управления. В верхней его части размещен дисплей с органами настройки оптимального изображения. Ниже, на наклонном поле пульта, расположен авторулевой с рукоятками управления. На горизонтальном поле пульта находится клавиатура, при помощи которой осуществляется ввод программ в мини-ЭВМ. Здесь же размещен переключатель, с помощью которого производится выбор режима управления. В цокольной части пульта расположены мини-ЭВМ и интерфейс. Вся периферийная аппаратура размещается на специальных подставках или других пультах. Рассматриваемая система может работать в трех режимах: «Курс», «Монитор» и «Программа». В режиме «Курс» осуществляется удержание заданного курса с помощью авторулевого по показаниям гирокомпаса. Режим «Монитор» выбирается тогда, когда готовится переход на режим «Программа», когда этот режим прерывается или когда переход по данному режиму закончен. На режим «Курс» переходят, когда обнаруживаются неисправности мини-ЭВМ, источников питания или радионавигационного комплекса. В этом режиме авторулевой работает независимо от мини-ЭВМ. В режиме «Программа» происходит управление курсом по данным радионавигационных приборов (датчиков положения) или гирокомпаса.
Обслуживание системы удержания судна на ЗТ осуществляется оператором с пульта. Выбор группы датчиков для определения положения судна производится оператором по рекомендациям, представленным на экране дисплея. В нижней части экрана приводится список всех разрешенных для данного режима команд, которые могут вводиться с помощью клавиатуры. Случайное нажатие какой-либо запрещенной клавиши блокируется ЭВМ.
Авиационная техника. Успехи, достигнутые в развитии авиационной и космической техники с одной стороны и необходимость снижения стоимости целевых операций с другой, стимулировали разработки нового вида техники дистанционно пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА).
На рис. 3.6 представлена структурная схема системы дистанционного управления полетом ДПЛА - HIMAT . Основной компонентой системы дистанционного пилотирования HIMAT является наземный пункт дистанционного управления. Параметры полета ДПЛА поступают в наземный пункт по линии радиосвязи от летательного аппарата, принимаются и декодируются станцией обработки телеметрии и передаются в наземную часть вычислительной системы, а также на приборы индикации информации в наземном пункте управления. Кроме этого, с борта ДПЛА поступает отображаемая с помощью телевизионной камеры картина внешнего обзора. Телевизионное изображение, высвечиваемое на экране наземного рабочего места человека-оператора, используется для управления летательным аппаратом при воздушных маневрах, заходе на посадку и при самой посадке. Кабина наземного пункта дистанционного управления (рабочее место оператора) оборудована приборами, обеспечивающими индикацию информации о полете и состоянии аппаратуры комплекса ДПЛА, а также средствами для управления летательным аппаратом. В частности, в распоряжении человека-оператора имеются ручки и педали управления летательным аппаратом по крену и тангажу, а также ручка управления двигателем. При выходе из строя основной системы управления подача команд системы управления происходит посредством специального пульта дискретных команд оператора ДПЛА.
Рис. 3.6 Система дистанционного пилоторования ДПЛА HIMAT :
- носитель В-52; 2 резервная система управления на самолете TF -104 G ; 3 линия телеметрической связи с землей; 4 - ДПЛА HIMAT ; 5 линии телеметрической связи с ДПЛА; 5 наземный пункт дистационного пилотирования
В качестве автономной навигационной системы, обеспечивающей счисление пути, используются доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса (ДПСС). Такая навигационная система используется совместно с курсовой системой, измеряющей курс датчиком вертикали, формирующим сигналы крена и тангажа, и бортовой ЭВМ, реализующей алгоритм счисления пути. В совокупности эти устройства образуют доплеровскую навигационную систему (см. рис. 3.7). Что бы повысить надежность и точность измерения текущих координат летательного аппарата, ДИСС может объединяться с измерителями скорости.
Рис. 3.7 Схема доплеровской навигационной системы
5. Транспортные мехатронные средства
Мехатронные модули находят все более широкое применение в различных транспортных системах. В данном пособии ограничимся кратким анализом только легких транспортных средств (ЛТС) с электроприводом (иногда их называют нетрадиционными). К этой новой для отечественной промышленности группе транспортных средств относятся электровелосипеды, роллеры, инвалидные коляски, электромобили с автономными источниками питания.
ЛТС являются альтернативой транспорту с двигателями внутреннего сгорания и используются в настоящее время в экологически чистых зонах (лечебно-оздоровительных, туристических, выставочных, парковых комплексах), а также в торговых и складских помещениях. Рассмотрим технические характеристики опытного образца электровелосипеда:
Максимальная скорость 20 км/час,
Номинальная мощность привода 160 Вт,
Номинальная частота вращения 160 об/мин,
Максимальный крутящий момент 18 Нм,
Масса двигателя 4.7 кг,
Аккумуляторная батарея 36В, 6 А«ч,
Движение в автономном режиме 20 км.
Основой для создания ЛТС являются мехатронные модули типа "мотор-колесо" на базе, как правило, высокомоментных электродвигателей. В табл.3 приведены технические характеристики мехатронных модулей движения для легких транспортных средств.
|
ЛТС с электроприводом |
Технические показатели |
|||||
|
Максим алъная скорость,км/ч |
Рабочее напряж ение, В |
Мощност ь, Квт |
Номиналь ный Момент, Нм |
Номинальный ток, А |
Масса, кг |
|
|
Кресла-коляски |
0.15 |
|||||
|
Электро -велосипеды |
||||||
|
Роллеры |
||||||
|
Миниэлектромобили |
ПО |
|||||
Мировой рынок ЛТС имеет тенденцию к расширению и по прогнозам его емкость к 2000 году составит 20 млн. единиц или в стоимостном выражении 10 млрд. долларов.
Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:
станкостроение и оборудование для автоматизации технологических
процессов;
робототехника(промышленная и специальная);
авиационная, космическая и военная техника;
автомобилестроение(например, антиблокировочные системы тормозов,
системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);
нетрадиционные транспортные средства(электровелосипеды, грузовые
тележки, электророллеры, инвалидные коляски);
офисная техника(например, копировальные и факсимильные аппараты);
элементы вычислительной техники(например, принтеры, плоттеры,
дисководы);
медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);
бытовая техника(стиральные, швейные, посудомоечные и другие машины);
микромашины(для медицины, биотехнологии, средств
телекоммуникации);
контрольно-измерительные устройства и машины;
‑
фото- и видеотехника;
тренажеры для подготовки пилотов и операторов;
шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).
Одной из основных тенденций развития современного машиностроения является внедрение в технологический процесс производства мехатронных технологических машин и роботов. Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным компонентам, которые легко перепрограммируются в новую задачу и при этом являются относительно дешевыми.
Мехатронный подход к проектированию предполагает не расширение, а именно замещение функций, традиционно выполняемых механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.
Понимание принципов построения интеллектуальных элементов мехатронных систем, методов разработки алгоритмов управления и их программной реализации является необходимым условием для создания и внедрения мехатронных технологических машин.
Предлагаемое методическое руководство относится к учебному процессу по специальности «Применение мехатронных систем», предназначены для изучения принципов разработки и реализации алгоритмов управления мехатроннымх систем на базе электронных и компьютерных блоков и содержат информацию по проведению трех лабораторных работ. Все лабораторные работы объединены в единый комплекс, целью которого является создание и реализация алгоритма управления мехатронной технологической машины.
Вначале каждой лабораторной работы обозначена конкретная цель, затем следует ее теоретическая и практическая части. Все работы проводятся на специализированном лабораторном комплексе.
Основной тенденцией в развитии современной промышленности являются интеллектуализация производственных технологий на базе использования мехатронных технологических машин и роботов. Во многих областях промышленности мехатронные системы (МС) приходят на смену традиционным механическим машинам, которые уже не соответствуют современным качественным требованиям.
Мехатронный подход в построении машин нового поколения заключаются в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным компонентам, которые легко перепрограммируются под новую задачу и при этом являются относительно дешевыми. Мехатронный подход к проектированию технологических машин предполагает замещение функций, традиционно выполняемых механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки. Еще в начале 90-х годов прошлого века подавляющее большинство функций машины реализовывалось механическим путем, в последующие десятилетие происходило постепенное вытеснение механических узлов электронными и компьютерными блоками.
В настоящее время в мехатронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну. К современным технологическим машинам предъявляются качественно новые требования:
сверхвысокие скорости движения рабочих органов;
сверхвысокая точность движений, необходимую для реализации нанотехнологий;
максимальную компактность конструкции;
интеллектуальное поведение машины, функционирующей в изменяющихся и неопределенных средах;
реализацию перемещений рабочих органов по сложным контурам и поверхностям;
способность системы к реконфигурации в зависимости от выполняемой конкретной задачи или операции;
высокую надежность и безопасность функционирования.
Все эти требования, возможно, выполнить только с использованием мехатронных систем. Мехатронные технологии включены в число критических технологий Российской Федерации.
В последние годы создание технологических машин четвертого и пятого поколений с мехатронными модулями и интеллектуальными системами управления получило развитие и в нашей стране.
К таким проектам следует отнести мехатронный обрабатывающий центр МС-630, обрабатывающие центры МЦ-2, Гексамех-1, робот-станок РОСТ-300.
Дальнейшее развитие получили мобильные технические роботы, которые могут самостоятельно передвигаться в пространстве и обладают способностью выполнять технологические операции. Примером таких роботов могут служить роботы для применения в подземных коммуникациях: РТК-100, РТК-200, РТК «Рокот-3».
К главным преимуществам мехатронных систем относятся:
исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и, следовательно, высокая точность и улучшенные динамические характеристики машин и модулей;
конструктивная компактность модулей;
возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы, допускающие быструю реконфигурацию;
относительно низкая стоимость установки, настройки и обслуживания системы благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных платформ;
способность выполнять сложные движения за счет применения методов адаптивного и интеллектуального управления.
Примером такой системы может служить система регулирования силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, управление технологическими воздействиями (тепловыми, электрическими, электрохимическими) по объекту работ при комбинированных методах обработки; управление вспомогательным оборудованием (конвейерами, загрузочными устройствами).
В процессе движения механического устройства рабочий орган системы непосредственно воздействует на объект работ и обеспечивает качественные показатели выполняемой автоматизированной операции. Таким образом, механическая часть является в МС объектом управления. В процессе выполнения МС функционального движения внешняя среда оказывает возмущающее воздействие на рабочий орган, который является конечным звеном механической части. Примерами таких воздействий могут служить силы резания в операциях механообработки, контактные силы и моменты сил при формообразовании и сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.
Кроме рабочего органа в состав МС входит блок приводов, устройств компьютерного управления, верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть; сенсоры, предназначенные для передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии блоков машины и движении МС.
Устройство компьютерного управления выполняет следующие основные функции:
организация управления функциональными движениями МС;
управление процессом механического движения мехатронного модуля в реальном времени с обработкой сенсорной информации;
взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс;
организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.
Преимущества мехатронных систем и устройств (МСиУ) К основным преимуществам МСиУ по сравнению с традиционными средствами автоматизации можно отнести следующее. 1. Относительно низкая стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов. 2. Высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления. 1
3. Высокая надёжность, долговечность, помехозащищённость. 4. Конструктивная компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах). 5. Улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей; 6. Возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика. 2
Применение мехатронных модулей (ММ) и мехатронных систем (МС) Сегодня ММ и МС находят применение в следующих областях. Станкостроение и оборудование для автоматизации производственных процессов. Робототехника (промышленная и специальная). Авиационная, космическая и военная техника. Автомобилестроение (например, системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки). Не традиционные транспортные средства (Эл. велосипеды, грузовые тележки, инвалидные коляски и т.д.). 3
Офисная техника (например, копировальные аппараты). Вычислительная техника (например, принтеры, винчестеры). Медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное). Бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные машины и т.д.). Микромашины (для медицины, биотехнологий, для средств связи и телекоммуникаций). Контрольно – измерительные устройства и машины; Фото и видео техника. Тренажёры для подготовки пилотов и операторов. Шоу – индустрия. 4
Развитие мехатроники Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах и в настоящее время, как нового научно-технического направления, обусловлено 3-мя основными факторами. 1) Новые тенденции мирового индустриального развития. 2) Развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиально новые технические и технологические решения); 3) Активность специалистов в научно- исследовательской и образовательной сферах. 6
Основные требования мирового рынка в области мехатронных систем Необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с международной системой стандартов качества, сформулированных в стандарте ISO9000. Интернационализация рынка научно- технической продукции и, как следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов международного инжениринга и трансфера технологий. 8
Повышение роли малых и средних производственных предприятий в экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию на изменяющиеся требования рынка, Бурное развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникаций (в странах ЕЭС до 60% роста совокупного национального продукта обеспечивается именно за счёт этих отраслей). Прямым следствием этой тенденции является интеллектуализация систем управления механическим движением и технологическими функциями современных машин. 9
Современные предприятия, приступающие к разработке мехатронных изделий, должны решить следующие основные задачи. 1. Структурная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей в единые проектные и производственные коллективы. 2. Подготовка мехатронно-ориентированных инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификации. 3. Интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей – механики, электроники, компьютерного управления, в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач. 11
В качестве основного классификационного признака в мехатронике принят уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделить МС по уровням или поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоёмкой продукции хронологически. 12
Поколения ММ 1 поколение Базовый элемент электродвигатель Модуль - мотор Высокомоментн ый двигатель Модуль двигатель- рабочий орган Второе поколение Мехатронные модули движения (вращательные и линейные) Третье поколение интеллектуальные мехатронные модули Дополнительный элемент Силовой преобразователь Механическое устройство Рабочий орган Датчики обратной связи Датчики информации Микрокомпьютер (контроллер) Схема развития мехатронных модулей движения 13
ММ 1-го уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. В 1927 г. фирмой «Бауэр» (Германия) была разработана принципиально новая конструкция, объединяющая электродвигатель и редуктор, получившая в дальнейшем широкое распространение и названная мотор – редуктором. Т.О., мотор – редуктор, это компактный конструктивный модуль, в котором объединены электродвигатель и преобразователь движения –редуктор. 14
ММ 2-го поколения появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привело к появлению ММ движения, на базе которых были созданы управляемые энергетические машины, в частности, ПР и станки с ЧПУ. 15
Модуль движения – функционально и конструктивно самостоятельное изделие, включающее в себя механическую и электротехническую части, которые можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями. Мехатронный модуль движения – модуль движения, дополнительно включающий в себя информационную часть, включающую в себя датчики различного назначения. 16
Главным признаком, отличающим модуль движения от общепромышленного привода, является использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразователя. Примерами модулей движения являются мотор-редуктор, мотор-колесо, мотор- барабан, электрошпиндель и т.д. 17
ММ 3-его поколения. Их развитие обусловлено появлением на рынке сравнительно не дорогих микропроцессоров и контроллеров на их основе. В результате, стала возможной интеллектуализация процессов, протекающих в МС, в первую очередь, процессов управления функциональными движениями машин и агрегатов. Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) – это мехатронный модуль движения, дополнительно включающий в себя микропроцессорное вычислительное устройство и силовой преобразователь. 18
Мехатронные устройства 4-го поколения – это информационно-измерительные и управляющие мехатронные микросистемы и микророботы (например, проникающие по сосудам внутрь организма для борьбы с раком, атеросклерозом, оперирования повреждённых органов и тканей). Это роботы для обнаружения и ремонта дефектов внутри трубопроводов, ядерных реакторов, космических летательных аппаратов и т.п. 19
В мехатронных устройствах 5-го поколения произойдёт замещение традиционных компьютерных и программных средств числового программного управления на нейрочипы и нейрокомпьютеры, основанные на принципах работы мозга и способных к целесообразной деятельности в изменяющейся внешней среде. 20
], область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, систем и машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. Термин «Мехатроника» (англ. «Mechatronics», нем. «Mechatronik») был введён японской фирмой « Yaskawa Electric Corp. » в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Отметим, что в отечественной технической литературе ещё в 1950-х гг. использовался подобным же образом образованный термин – «механотроны» (электронные лампы с подвижными электродами, которые применялись в качестве датчиков вибраций и т. п.). Мехатронные технологии включают проектно-конструкторские, производственные, информационные и организационно-экономические процессы, которые обеспечивают полный жизненный цикл мехатронных изделий.
Предмет и метод мехатроники
Главная задача мехатроники как направления современной науки и техники состоит в создании конкурентоспособных систем управления движением разнообразных механических объектов и интеллектуальных машин, которые обладают качественно новыми функциями и свойствами. Метод мехатроники заключается (при построении мехатронных систем) в системной интеграции и использовании знаний из ранее обособленных научных и инженерных областей. К их числу относятся прецизионная механика, электротехника, гидравлика, пневматика, информатика, микроэлектроника и компьютерное управление. Мехатронные системы строятся путём синергетической интеграции конструктивных модулей, технологий, энергетических и информационных процессов, начиная со стадии их проектирования и заканчивая производством и эксплуатацией.
В 1970–80-х гг. три базисных направления – оси мехатроники (точная механика, электроника и информатика) интегрировались попарно, образовав три гибридных направления (на рис. 1 показаны боковыми гранями пирамиды). Это электромеханика (объединение механических узлов с электротехническими изделиями и электронными блоками), компьютерные системы управления (аппаратно–программное объединение электронных и управляющих устройств), а также системы автоматизированного проектирования (САПР) механических систем. Затем – уже на стыке гибридных направлений – возникает мехатроника, становление которой как нового научно-технического направления начинается с 1990-х гг.
Элементы мехатронных модулей и машин имеют различную физическую природу (механические преобразователи движений, двигатели, информационные и электронные блоки, управляющие устройства), что определяет междисциплинарную научно-техническую проблематику мехатроники. Междисциплинарные задачи определяют и содержание образовательных программ по подготовке и повышению квалификации специалистов, которые ориентированы на системную интеграцию устройств и процессов в мехатронных системах.
Принципы построения и тенденции развития
Развитие мехатроники является приоритетным направлением современной науки и техники во всём мире. В нашей стране мехатронные технологии как основа построения роботов нового поколения включены в число критических технологий РФ.
К числу актуальных требований к мехатронным модулям и системам нового поколения следует отнести: выполнение качественно новых служебных и функциональных задач; интеллектуальное поведение в изменяющихся и неопределённых внешних средах на основе новых методов управления сложными системами; сверхвысокие скорости для достижения нового уровня производительности технологических комплексов; высокоточные движения с целью реализации новых прецизионных технологий, вплоть до микро- и нанотехнологий; компактность и миниатюризация конструкций на основе применения микромашин; повышение эффективности многокоординатных мехатронных систем на базе новых кинематических структур и конструктивных компоновок.
Построение мехатронных модулей и систем основывается на принципах параллельного проектирования (англ. – concurrent engineering), исключения многоступенчатых преобразований энергии и информации, конструктивного объединения механических узлов с цифровыми электронными блоками и управляющими контроллерами в единые модули.
Ключевым принципом проектирования является переход от сложных механических устройств к комбинированным решениям, основанным на тесном взаимодействии более простых механических элементов с электронными, компьютерными, информационными и интеллектуальными компонентами и технологиями. Компьютерные и интеллектуальные устройства придают мехатронной системе гибкость, поскольку их легко перепрограммировать под новую задачу, и они способны оптимизировать свойства системы при изменяющихся и неопределённых факторах, действующих со стороны внешней среды. Важно отметить, что за последние годы цена таких устройств постоянно снижается при одновременном расширении их функциональных возможностей.
Тенденции развития мехатроники связаны с появлением новых фундаментальных подходов и инженерных методов решения задач технической и технологической интеграции устройств различной физической природы. Компоновка нового поколения сложных мехатронных систем формируется из интеллектуальных модулей («кубиков мехатроники»), объединяющих в одном корпусе исполнительные и интеллектуальные элементы. Управление движением систем осуществляется с помощью информационных сред для поддержки решений мехатронных задач и специального программного обеспечения, реализующего методы компьютерного и интеллектуального управления.
Классификация мехатронных модулей по структурным признакам представлена на рис. 2.
Модуль движения – конструктивно и функционально самостоятельный электромеханический узел, включающий в себя механическую и электрическую (электротехническую) части, который можно использовать как сепаратный блок, так и в различных комбинациях с другими модулями. Главным отличием модуля движения от общепромышленного электропривода является использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразователя движения. Примерами модулей движения являются мотор-редуктор, мотор-колесо , мотор-барабан, электрошпиндель станка.
Мотор-редукторы являются исторически первыми по принципу своего построения мехатронными модулями, которые стали серийно выпускать, и до настоящего времени находят широкое применение в приводах различных машин и механизмов. В мотор-редукторе вал является конструктивно единым элементом для двигателя и преобразователя движения, что позволяет исключить традиционную соединительную муфту, добиваясь таким образом компактности; при этом существенно уменьшается количество присоединительных деталей, а также затраты на установку, отладку и запуск. В мотор-редукторах в качестве электродвигателей наиболее часто используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемым преобразователем частоты вращения вала, однофазные двигатели и двигатели постоянного тока. В качестве преобразователей движения применяются зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные, волновые и винтовые передачи. Для защиты от действия внезапных перегрузок устанавливают ограничители вращающего момента.
Мехатронный модуль движения – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя управляемый двигатель, механическое и информационное устройства (рис. 2). Как следует из данного определения, по сравнению с модулем движения, в состав мехатронного модуля движения дополнительно встроено информационное устройство. Информационное устройство включает датчики сигналов обратных связей, а также электронные блоки для обработки сигналов. Примерами таких датчиков могут служить фотоимпульсные датчики (энкодеры), оптические линейки, вращающиеся трансформаторы, датчики сил и моментов и т. д.
Важным этапом развития мехатронных модулей движения стали разработки модулей типа «двигатель-рабочий орган». Такие конструктивные модули имеют особое значение для технологических мехатронных систем, целью движения которых является реализация целенаправленного воздействия рабочего органа на объект работ. Мехатронные модули движения типа «двигатель-рабочий орган» широко применяют в станках под названием мотор-шпиндели.
Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, построенное путём синергетической интеграции двигательной, механической, информационной, электронной и управляющей частей.
Таким образом, по сравнению с мехатронными модулями движения, в конструкцию ИММ дополнительно встраиваются управляющие и силовые электронные устройства, что придаёт этим модулям интеллектуальные свойства (рис. 2). К группе таких устройств можно отнести цифровые вычислительные устройства (микропроцессоры, сигнальные процессоры и т. п.), электронные силовые преобразователи, устройства сопряжения и связи.
Применение интеллектуальных мехатронных модулей даёт мехатронным системам и комплексам ряд принципиальных преимуществ: способность ИММ выполнять сложные движения самостоятельно, без обращения к верхнему уровню управления, что повышает автономность модулей, гибкость и живучесть мехатронных систем, работающих в изменяющихся и неопределённых условиях внешней среды; упрощение коммуникаций между модулями и центральным устройством управления (вплоть до перехода к беспроводным коммуникациям), что позволяет добиваться повышенной помехозащищённости мехатронной системы и ее способности к быстрой реконфигурации; повышение надёжности и безопасности мехатронных систем благодаря компьютерной диагностике неисправностей и автоматической защите в аварийных и нештатных режимах работы; создание на основе ИММ распределённых систем управления с применением сетевых методов, аппаратно-программных платформ на базе персональных компьютеров и соответствующего программного обеспечения; использование современных методов теории управления (адаптивных, интеллектуальных, оптимальных) непосредственно на исполнительном уровне, что существенно повышает качество процессов управления в конкретных реализациях; интеллектуализация силовых преобразователей, входящих в состав ИММ, для реализации непосредственно в мехатронном модуле интеллектуальных функций по управлению движением, защите модуля в аварийных режимах и диагностики неисправностей; интеллектуализация сенсоров для мехатронных модулей позволяет добиться более высокой точности измерения, программным путём обеспечив в самом сенсорном модуле фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характеристик вход/выход, компенсацию перекрёстных связей, гистерезиса и дрейфа нуля.
Мехатронные системы
Мехатронные системы и модули вошли как в профессиональную деятельность, так и в повседневную жизнь современного человека. Сегодня они находят широкое применение в самых различных областях: автомобилестроение (автоматические коробки передач, антиблокировочные устройства тормозов, приводные модули «мотор-колесо», системы автоматической парковки); промышленная и сервисная робототехника (мобильные, медицинские, домашние и другие роботы); периферийные устройства компьютеров и офисная техника: принтеры, сканеры, CD-дисководы, копировальные и факсимильные аппараты; производственное, технологическое и измерительное оборудование; домашняя бытовая техника: стиральные, швейные, посудомоечные машины и автономные пылесосы; медицинские системы (например, оборудование для робото-ассистированной хирургии, коляски и протезы для инвалидов) и спортивные тренажёры; авиационная, космическая и военная техника; микросистемы для медицины и биотехнологии; лифтовое и складское оборудование, автоматические двери в отелях аэропортах, вагонах метро и поездов; транспортные устройства (электромобили, электровелосипеды, инвалидные коляски); фото- и видеотехника (проигрыватели видеодисков, устройства фокусировки видеокамер); движущиеся устройства для шоу-индустрии.
Выбор кинематической структуры является важнейшей задачей при концептуальном проектировании машин нового поколения. Эффективность её решения во многом определяет главные технические характеристики системы, её динамические, скоростные и точностные параметры.
Именно мехатроника дала новые идеи и методы для проектирования движущихся систем с качественно новыми свойствами. Эффективным примером такого решения стало создание машин с параллельной кинематикой (МПК) (рис. 3).
В основе их конструктивной схемы лежит обычно платформа Гью-Стюарта (разновидность параллельного манипулятора, имеющая 6 степеней свободы; используется октаэдральная компоновка стоек). Машина состоит из неподвижного основания и подвижной платформы, которые соединены между собой несколькими стержнями с управляемой длиной. Стержни соединены с основанием и платформой кинематическими парами, которые имеют соответственно две и три степени подвижности. На подвижной платформе устанавливается рабочий орган (например, инструментальная или измерительная головка). Программно регулируя длины стержней с помощью приводов линейного перемещения, можно управлять перемещениями и ориентацией подвижной платформы и рабочего органа в пространстве. Для универсальных машин, где требуется перемещение рабочего органа как твёрдого тела по шести степеням свободы, необходимо иметь шесть стержней. В мировой литературе такие машины называются «гексаподы» (от греч. ἔ ξ – шесть).
Основными преимуществами машин с параллельной кинематикой являются: высокая точность исполнения движений; высокие скорости и ускорения рабочего органа; отсутствие традиционных направляющих и станины (в качестве несущих элементов конструкции используются приводные механизмы), отсюда и улучшенные массогабаритные параметры, и низкая материалоёмкость; высокая степень унификации мехатронных узлов, обеспечивающая технологичность изготовления и сборки машины и конструктивную гибкость.
Повышенные точностные показатели МПК обусловлены следующими ключевыми факторами:
в гексаподах, в отличие от кинематических схем с последовательной цепью звеньев, не происходит суперпозиции (наложения) погрешностей позиционирования звеньев при переходе от базы к рабочему органу;
стержневые механизмы обладают высокой жесткостью, так как стержни не подвержены изгибающим моментам и работают только на растяжение-сжатие;
применяются прецизионные датчики обратной связи и измерительные системы (например, лазерные), а также используются компьютерные методы коррекции перемещений рабочего органа.
Благодаря повышенной точности МПК могут применяться не только как обрабатывающее оборудование, но и в качестве измерительных машин. Высокая жёсткость МПК позволяет применять их на силовых технологических операциях. Так, на рис. 4 показан пример гексапода, выполняющего гибочные операции в составе технологического комплекса «HexaBend» для производства сложных профилей и труб.
Компьютерное и интеллектуальное управление в мехатронике
Применение ЭВМ и микроконтроллеров, реализующих компьютерное управление движением разнообразных объектов, является характерной особенностью мехатронных устройств и систем. Сигналы от разнообразных датчиков, несущие информацию о состоянии компонентов мехатронной системы и приложенных к этой системе воздействий, поступают в управляющую ЭВМ. Компьютер перерабатывает информацию в соответствии с заложенными в него алгоритмами цифрового управления и формирует управляющие воздействия на исполнительные элементы системы.
Компьютеру отводится ведущая роль в мехатронной системе, поскольку компьютерное управление даёт возможность достичь высокой точности и производительности, реализовать сложные и эффективные алгоритмы управления, учитывающие нелинейные характеристики объектов управления, изменения их параметров и влияние внешних факторов. Благодаря этому мехатронные системы приобретают новые качества при увеличении долговечности и снижении размеров, массы и стоимости таких систем. Достижение нового, более высокого уровня качества систем благодаря возможности реализации высокоэффективных и сложных законов компьютерного управления позволяет говорить о мехатронике как о возникающей компьютерной парадигме современного развития технической кибернетики.
Характерным примером мехатронной системы с компьютерным управлением является прецизионный следящий привод на основе бесконтактной многофазной электрической машины переменного тока с векторным управлением. Наличие группы датчиков, в том числе высокоточного датчика положения вала двигателя, цифровых методов обработки информации, компьютерной реализации законов управления, преобразований, основанных на использовании математической модели электрической машины, и быстродействующего контроллера позволяет построить прецизионный быстродействующий привод, обладающий сроком службы до 30–50 тысяч часов и более.
Компьютерное управление оказывается весьма эффективным при построении многокоординатных нелинейных мехатронных систем. В этом случае ЭВМ анализирует данные о состоянии всех компонентов и внешних воздействиях, производит вычисления и формирует управляющие воздействия на исполнительные компоненты системы с учётом особенностей её математической модели. В результате достигается высокое качество управления согласованным многокоординатным движением, например, рабочего органа мехатронной технологической машины или мобильного робота.
Особую роль в мехатронике играет интеллектуальное управление, которое является более высокой ступенью развития компьютерного управления и реализует различные технологии искусственного интеллекта. Они дают возможность мехатронной системе воспроизводить в той или иной мере интеллектуальные способности человека и на этой основе принимать решения о рациональных действиях для достижения цели управления. Наиболее эффективными технологиями интеллектуального управления в мехатронике являются технологии нечёткой логики, искусственных нейронных сетей и экспертных систем.
Применение интеллектуального управления даёт возможность обеспечить высокую эффективность функционирования мехатронных систем при отсутствии подробной математической модели объекта управления, при действии различных неопределённых факторов и при опасности возникновения непредвиденных ситуаций в работе системы.
Преимущество интеллектуального управления мехатронными системами состоит и в том, что часто для построения таких систем не требуются их подробная математическая модель и знание законов изменения действующих на них внешних воздействий, а управление строится на основе опыта действий высококвалифицированных специалистов-экспертов.
Автомобильный транспорт играет важную роль в обществе транспортной системе страны, хозяйстве. Автомобиль широко используется для подвоза грузов к железным дорогам, речным и морским причалам, обслуживания промышленных торговых предприятий, работников сельского хозяйства, обеспечивает перевозки пассажиров. На долю автомобильного транспорта приходится около половины пассажирских и грузоперевозок (рис. 12.1)
Рисунок 12.1 – Распределение транспортных перевозок
Прошло буквально сто с небольшим лет с момента появления первого автомобиля, а уже нет практически сферы деятельности, в которой бы он не использовался. Поэтому автомобильная промышленность в экономике развитых стран является сейчас ведущей отраслью машиностроения. На это есть причины:
Во-первых, людям с каждым днём требуется все больше и больше автомобилей для решения различных хозяйственных задач;
Во-вторых, эта промышленность является наукоемкой и высокотехнологичной. Она «тянет» за собой многие другие отрасли, предприятия которых выполняют ее многочисленные заказы. Инновации, внедряемые в автомобильной промышленности, неминуемо заставляют эти отрасли совершенствовать и свои производства. В силу того, что таких отраслей достаточно много, то в итоге наблюдается подъем всей промышленности, а, следовательно, и экономики в целом;
В-третьих, автомобильная промышленность во всех развитых странах относится к числу наиболее прибыльных отраслей народного хозяйства, так как она способствует повышению товарооборота и приносит в казну государства немалые доходы за счет продажи на внутреннем, так и на мировом рынке;
В-четвертых, автомобильная промышленность является стратегически важной отраслью. Развитие этой отрасли делает страну экономически сильной и потому более независимой. Широкое использование лучших образцов автомобильной техники в армии, бесспорно, повышает оборонную мощь страны.
Сейчас в автомобильной промышленности существует ряд тенденций, которые свидетельствуют о её важности и значении, а также смежных с ней отраслей в экономике промышленно развитых стран. Наблюдается совершенно новый подход к техническому развитию автомобиля, организации и технологии его производства. Научно-технические тенденции заключаются в уменьшении расхода топлива и снижении вредных выбросов, разработке сверхлегкого автомобиля, повышении безопасности, качества, надежности и долговечности, а также в развитии интеллектуальных автомобильно-дорожных систем.
Развитие мехатроники в автомобилях (рис. 12.2) и на производственных машинах имеет свои особенности. В автомобилях экспансия автоматики, а следовательно, и мехатроники, преимущественно началась в сфере устройств комфорта. Первым из мехатронных агрегатов, как это исторически повелось, там стал двигатель с системой топливоподачи и автоматикой её регулирования. Вторым – система силового управления навесным устройством (EHR), мировым лидером в производстве которой является фирма Bosch. Третьим – трансмиссия. Тут процесс начался с появления механических трансмиссий с переключением ступеней под нагрузкой. На них появились гидравлические, затем электрогидравлические устройства переключения, а затем и электронная автоматика управления переключениями. Западные фирмы (Германская ZF и другие) начали поставлять автомобильным заводам и производить на продажу трансмиссии в таком именно полном комплекте
Сила и выгода мехатронного исполнения агрегатов особенно ярко видна на примере трансмиссий, которые при наличии и отсутствии автоматики управления при одинаковых других компонентах комплекса являют разительный контраст в характеристиках как их самих, так и оборудованных ими автомобилей. В мехатронном виде они обеспечивают на порядок более выгодные характеристики практически по всем показателям работы машин: техническим, экономическим и эргономическим.
Сравнивая мехатронные комплексы с их не мехатронными прообразами по техническому совершенству легко увидеть, что первые значительно превосходят последних, не только по общим показателям, но и по уровню и качеству проектирования. Это не удивительно: синергический эффект проявляется не только в конечном продукте, но и в процессе проектирования вследствие и нового подхода к проектированию.
Рисунок 12.2 – Классификация мехатронных систем автомобиля
При управлении работой двигателя автомобиля применяют различные системы:
- AVCS (Active Valve Control System) - система регулировки фаз газораспределения на автомобилях Subaru изменяет высоту подъема клапанов в зависимости от мгновенной нагрузки двигателя. Common Rail (Nissan) - система впрыска, подающая топливо в цилиндры через общую магистраль под высоким давлением. Отличается рядом преимуществ, благодаря которым вождение приносит водителю больше удовольствия: для дизелей с Common Rail характерны одновременно отличная приемистость и низкий расход топлива, избавляющий от необходимости часто останавливаться на заправках.
- GDI - Gasoline Direct Injection, что можно перевести как "двигатель с непосредственным впрыском топлива", то есть, топливо на таком двигателе впрыскивается не во впускной коллектор, а прямо в цилиндры двигателя. M-Fire - система управления процессом сгорания - существенно снижается дымность отработавших газов и содержание в них окислов азота при одновременном увеличении мощности и снижении уровня шума.
- MIVEC (Mitsubishi) - оптимально управляет моментом открытия впускных клапанов в соответствии с условиями работы двигателя, что улучшает стабильность работы двигателя на холостом ходу, мощностные и моментные характеристики для всего рабочего диапазона.
- VTEC (Honda) - Система изменяемых фаз газораспределения. Применяются для улучшения характеристик крутящего момента в широком диапазоне оборотов, а также для улучшения экономичности и экологических характеристик двигателя. Также применяется на автомобилях Mazda.
- DPS - Dual Pump System - два маслянных насоса, соедиенные последовательно (т.е. друг за другом). При равной частоте вращения обоих масляных насосов имеет место "равномерная" циркуляция масла, т.е. отсутствуют области с повышенным и пониженным давлением (рис. 12.3).
Рисунок 12.3 – Dual Pump Sysytem
- Common rail (англ. общая магистраль ) - современная технология систем подачи топлива в дизельных двигателях с прямым впрыском. В системе common rail насос нагнетает топливо под высоким давлением (250 - 1800 бар, в зависимости от режима работы двигателя) в общую топливную магистраль. Управляемые электроникой форсунки с электромагнитными или пьезоэлектрическими клапанами впрыскивают топливо в цилиндры. В зависимости от конструкции, форсунки производят от 2 до 5 впрысков за 1 такт. Точный расчет угла начала впрыска и количества впрыскиваемого топлива позволяют дизельным двигателям выполнить возросшие экологические и экономические требования. Кроме того дизельные двигатели с системой common rail по своим мощностным и динамическим характеристикам вплотную приблизились, а в некоторых случаях превзошли бензиновые двигатели.
Выделяют различные типы мехатронного устройства трансмиссий:
- CVT - автоматическая трансмиссия с вариатором. Представляет собой механизм с диапазоном перемены передаточного числа большим, чем у 5-ступенчатой механической КПП.
- DAC - Downhill Assist Control - система контролирует поведение машины на крутых спусках. На колесах установлены датчики, которые замеряют скорость вращения колес и постоянно сопоставляют ее со скоростью автомобиля. Анализируя полученные данные, электроника вовремя подтормаживает передние колеса до скорости порядка 5 км/ч.
- DDS - Downhill Drive Support – система контроля движения в автомобилях марки Nissan на крутых спусках. DDS автоматически поддерживает скорость 7 км/ч при спуске, не позволяя колесам заблокироваться.
- Drive Select 4x4 - привод на все колеса можно включить и выключить на ходу на скорости до 100 км/ч.
- TSA (Trailer Stability Assist) - система стабилизации автомобиля во время движения с прицепом. При потере устойчивости автомобиль, как правило, начинает болтать по дороге. В этом случае TSA подтормаживает колеса "по диагонали" (переднее левое - заднее правое или переднее правое - заднее левое) в противофазу колебаниям, одновременно снижая скорость машины путем уменьшения подачи топлива в двигатель. Используется на автомобилях марки Honda.
- Easy Select 4WD - система полного привода, широко применяемая в автомобилях Mitsubishi, позволяет менять 2WD на 4WD, и наоборот, во время движения машины.
- Grade Logic Control - система «умного» выбора передач, обеспечивает равномерную тягу, что особенно важно при подъеме в гору.
- Hypertronic CVТ-M6 (Nissan) - обеспечивают плавное, бесступенчатое ускорение без рывков, характерных для традиционных автоматов. К тому же они более экономичны, чем традиционные автоматические коробки передач. CVT -М6 предназначен для водителей, которые хотят совместить преимущества автоматической и механической коробок передач водной. Переведя рычаг переключения передач в дальнюю от водителя прорезь, Вы получаете возможность переключать шесть передач с фиксированными передаточными числами.
- INVECS-II - адаптивный автомат (Mitsubishi) - автоматическая трансмиссия со спортивным режимом и возможностью механического управления.
- EBA - электронная система управления давлением в гидравлической системе тормозов, которая в случае необходимости экстренного торможения и недостаточного при этом усилия на педали тормоза самостоятельно повышает давление в тормозной магистрали, делая это во много раз быстрее человека. А система EBD равномерно распределяет тормозные усилия и работает в комплекте с ABS - антиблокировочной системой.
- ESP+ - противозаносная система стабилизации ESP - наиболее сложная система с задействованием возможностей антиблокировочной, антипробуксовочной с контролем тяги и электронной систем управления дроссельной заслонкой. Контрольный блок получает информацию с датчиков углового ускорения автомобиля, угла поворота рулевого колеса, информацию о скорости автомобиля и вращении каждого из колес. Система анализирует эти данные и рассчитывает траекторию движения, а в случае, если в поворотах или маневрах реальная скорость не совпадает с расчетной и автомобиль "выносит" наружу или внутрь поворота, корректирует траекторию движения, подтормаживая колеса и снижая тягу двигателя.
- HAC - Hill-start Assist Control - система контролирует поведение машины на крутых подъемах. HAC не только предотвращает пробуксовку колес при начале движения вверх по скользкому склону, но и способна предотвратить скатывание назад, если скорость автомобиля слишком мала и он скользит вниз под тяжестью кузова.
- Нill Holder - с помощью этого устройства автомобиль удерживается на тормозах даже после того, как педаль тормоза отпущена, отключается Нill Holder только после того, как отпускается педаль сцепления. Предназначен для начала движения в горку.
- AIRMATIC Dual Control – активная воздушная подвеска с электронной регулировкой и адаптивной системой демпфирования ADS II работает полностью в автоматическом режиме (рис. 12.4). По сравнению с традиционной стальной подвеской она значительно улучшает комфорт и безопасность движения. AIRMATIC DC работает с воздушными подушками, которые электроника в зависимости от дорожной ситуации делает жестче или мягче. Если датчики, например, определили спортивный стиль движения, комфортная в нормальном режиме воздушная подвеска автоматически становится жестче. Подвеску и характер демпфирования можно настроить на спортивный или комфортный режим также и вручную с помощью переключателя.
Электроника работает с четырьмя разными режимами демпфирования (ADS II), которые адаптируются автоматически на каждом колесе под состояние дороги. Таким образом, автомобиль даже на плохой дороге катится мягко без ущерба для стабильности.
Рисунок 12.4 – AIRMATIC Dual Control
Система оснащена также функцией регулировки уровня автомобиля. Она обеспечивает даже на загруженном автомобиле почти постоянный дорожный просвет, что придает автомобилю стабильность. При движении на высокой скорости автомобиль может автоматически опускаться, чтобы уменьшить наклоны кузова. При скорости свыше 140 км/час автомобиль автоматически опускается на 15 мм, а при скорости ниже 70 км/час нормальный уровень снова восстанавливается. Кроме того, для плохой дороги имеется возможность вручную поднять автомобиль на 25 мм. При продолжительном движении со скоростью около 80 км/час или при превышении скорости 120 км/час автоматически снова восстанавливается нормальный уровень.
Также в автомобилях используются различные тормозные системы, используемые для значительного сокращения тормозного пути, грамотной интерпретации поведения водителя во время торможения, активации максимального тормозного усилия в случае распознавания экстренного торможения.
- Тормозной ассистент (BAS) , устанавливаемый серийно на всех легковых автомобилях Mercedes-Benz, интерпретирует поведение водителя во время торможения и в случае распознавания экстренного торможения создает максимальное тормозное усилие, если водитель сам недостаточно нажимает на педаль тормоза. Разработка тормозного ассистента основывается на данных, которые получил отдел Mercedes-Benz по изучению аварий: в критичной ситуации водители нажимают на педаль тормоза быстро, но недостаточно сильно. В этом случае тормозной ассистент сможет эффективно поддержать водителя.
Для лучшего понимания сделаем краткий обзор техники современных тормозных систем: тормозной усилитель, который усиливает давление создаваемое ногой водителя, состоит из двух камер, которые разделены между собой с помощью подвижной мембраны. Если торможение не производится, то в обеих камерах находится вакуум. Благодаря нажатию на педаль тормоза в тормозном усилителе открывается механический управляющий клапан, который перепускает воздух в заднюю камеру и изменяет соотношение давление в двух камерах. Максимум усилия создается, когда во второй камере царит атмосферное давление. В тормозном ассистенте (BAS)так называемый датчик движения мембраны определяет, является ли торможение экстремальным. Он определяет движение мембраны между камерами и передает значение в блок управления BAS. Сравнивая постоянно значения микрокомпьютер распознает момент, когда скорость нажатия на педаль тормоза (ровна скорости передвижения мембраны в тормозном усилителе) превышает стандартное значение - это и является экстренным торможением. В этом случае система активирует магнитный клапан, через который мгновенно наполняется воздухом задняя камера и создается максимальное тормозное усилие. Несмотря на такое автоматическое полное торможение колеса не блокируются, потому что известная антиблокировочная система ABS дозирует тормозное усилие, оптимально удерживая его на грани блокировки, сохраняя благодаря этому управляемость автомобиля. Если водитель убирает ногу с педали тормоза, то специальный датчик срабатывания закрывает магнитный клапан и автоматическое усиление тормоза отключается.
Рисунок 12.6 – Тормозной ассистент (BAS) Мерседес
- Антиблокировочная система (АБС) (нем. antiblockiersystem англ. Anti-lock Brake System (ABS)) - система, предотвращающая блокировку колёс транспортного средства при торможении. Основное предназначение системы состоит в том, чтобы уменьшить тормозной путь и обеспечить управляемость транспортного средства в процессе резкого торможения, и исключить вероятность его неконтролируемого скольжения.
АБС состоит из следующих основных компонентов:
Датчики скорости либо ускорения (замедления) установленные на ступицах колёс транспортного средства.
Управляющие клапаны, которые являются элементами модулятора давления, установленные в магистрали основной тормозной системы.
Блок управления, получающий сигналы от датчиков, и управляющий работой клапанов.
После начала торможения АБС начинает постоянное и достаточно точное определение скорости вращения каждого колеса. В том случае, если какое-то колесо начинает вращаться существенно медленнее остальных (что означает, что колесо близко к блокировке), клапан в тормозной магистрали ограничивает тормозное усилие на этом колесе. Как только колесо начинает вращаться быстрее остальных, тормозное усилие восстанавливается.
Этот процесс повторяется несколько раз (или несколько десятков раз) в секунду, и как правило приводит к заметной пульсации тормозной педали. Тормозное усилие может ограничиваться как во всей тормозной системе одновременно (одноканальная АБС), так и в тормозной системе борта (двухканальная АБС) или даже отдельного колеса (многоканальная АБС). Одноканальные системы обеспечивают довольно эффективное замедление, но только в том случае если условия сцепления всех колёс более или менее одинаковы. Многоканальные системы дороже и сложнее одноканальных, но имеют большую эффективность при торможении на неоднородных покрытиях, если, например, при торможении одно или несколько колёс попали на лёд, мокрый участок дороги, или обочину.
Широкое распространение в современных автомобилях получают системы управления и навигации.
- Ситема DISTRONIC – осуществялет электронное регулирование расстояние до впереди идущего автомобиля с помощью радара, простое управление с помощью рычажка TEMPOMAT, обеспечивает дополнительный комфорт на автобанах и аналогичных дорогах, поддерживается рабочее состояние водителя.
Регулятор расстояния DISTRONIC поддерживает необходимо расстояние до впереди идущего автомобиля. Если расстояние уменьшается, то активируется тормозная система. Если впереди не едет ни один автомобиль, то DISTRONIC поддерживает установленную водителем скорость. DISTRONIC предоставляет для движения по автобану и аналогичным дорогам дополнительный комфорт. Микрокомпьютер обрабатывает на скорости от 30 до 180 км/час сигналы радара, который установлен за решеткой радиатора. Импульсы радара отражаются от впереди идущего автомобиля, обрабатываются и на основании этой информации рассчитывается расстояние до переднего автомобиля и его скорость. Если автомобиль Mercedes-Benz с системой DISTRONIC приближается слишком сильно к переднему автомобилю, то DISTRONIC автоматически уменьшает газ и активирует тормоз, чтобы поддержать заданное расстояние. Если тормозить необходимо сильно, то водитель информируется об этом с помощью акустического сигнала и предостерегающей лампочки - это значит, что водитель должен нажать на педаль тормоза сам. Если расстояние увеличивается, то DISTRONIC снова обеспечивает необходимое расстояние и ускоряет автомобиль до заданной скорости. DISTRONIC является дальнейшим развитием серийной функции TEMPOMAT с переменным ограничением скорости движения SPEEDTRONIC
Рисунок 12.7 – Система управления и навигации
Компания Mercedes-Benz представила первую мехатронную пневматическую подвеску AIR-matic с системой регулирования амортизаторов ADS в стандартной комплектации седанов S-класса.
В системе AIR-matic стойка седана S-класса содержит в себе пневматический упругий элемент: роль привычных нам пружин здесь выполняет сжатый воздух, заключенный под резинокордной оболочкой. Еще в стойке имеется амортизатор с необычной «пристройкой» сбоку. Естественно, в автомобиле предусмотрена полноценная пневмосистема (компрессор, ресивер, магистрали, клапанные устройства). А еще – сеть датчиков и, конечно же, процессор. Как система работает. По команде процессора клапаны открывают доступ воздуха из пневмосистемы в упругие элементы (либо стравливают воздух оттуда). Таким образом меняется уровень пола кузова: в систему заложена его зависимость от скорости движения автомобиля. Водитель также может «проявить волю» – приподнять автомобиль, скажем, для переезда значительных неровностей.
ADS выполняет более «тонкую» работу – управляет амортизаторами. При ходе штока амортизатора часть жидкости перетекает не только через клапаны в поршне, но и через ту самую «пристройку», внутри которой исполнительное устройсво – система клапанов, обеспечивающая четыре возможных режима работы амортизатора. На основании поступающей от датчиков информации и в соответствии с выбранным водителем алгоритмом («спортивный» либо «комфортный») процессор выбирает для каждого амортизатора режим, наиболее соответствующий «текущему моменту», и посылает команды на исполнительные устройства.
Современные автомобили оснащаются системой климат-контроля . Данная система предназначена для создания и автоматического поддержания микроклимата в салоне автомобиля. Система обеспечивает совместную работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования за счет электронного управления.
Применение электроники позволило добиться зонального регулирования климата в салоне автомобиля. В зависимости от числа температурных зон различают следующие системы климат-контроля:
· однозонный климат-контроль;
· двухзонный климат-контроль;
· трехзонный климат-контроль;
· четырехзонный климат-контроль.
Система климат-контроля имеет следующее общее устройство :
· климатическая установка;
· система управления.
Климатическая установка включает конструктивные элементы систем отопления, вентиляции и кондиционирования, в том числе:
· радиатор отопителя;
· вентилятор приточного воздуха;
· кондиционер, состоящий из испарителя, компрессора, конденсатора и ресивера.
Основными элементами системы управления климатом являются:
· входные датчики;
· блок управления;
· исполнительные устройства.
Входные датчики измеряют соответствующие физические параметры и преобразуют их в электрические сигналы. К входным датчикам системы управления относятся:
· датчик температуры наружного воздуха;
· датчик уровня солнечного излучения (фотодиод);
· датчики выходной температуры;
· потенциометры заслонок;
· датчик температуры испарителя;
· датчик давления в системе кондиционирования.
Количество датчиков выходной температуры определяется конструкцией системы климат-контроля. К датчику выходной температуры может быть добавлен датчик выходной температуры в ножное пространство. В двухзонной системе климат-контроля число датчиков выходной температуры удваивается (датчики слева и справа), а в трехзонной – утраивается (слева, справа и сзади).
Потенциометры заслонок фиксируют текущее положение воздушных заслонок. Датчики температуры испарителя и давления обеспечивают работу системы кондиционирования. Электронный блок управления принимает сигналы от датчиков и в соответствии с заложенной программой формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства.
К исполнительным устройствам относятся приводы заслонок и электродвигатель вентилятора приточного воздуха, с помощью которых создается и поддерживается заданный температурный режим. Заслонки могут иметь механический или электрический привод. В конструкции климатической установки могут применяться следующие заслонки:
· заслонка приточного воздуха;
· центральная заслонка;
· заслонки температурного регулирования (в системах с 2-мя и более зонами регулирования);
· заслонка рециркуляции;
· заслонки для оттаивания стекол.
Система климат-контроля обеспечивает автоматическое регулирование температуры в салоне автомобиля в пределах 16-30 °С.
Желаемое значение температуры устанавливается с помощью регуляторов на панели приборов автомобиля. Сигнал от регулятора поступает в электронный блок управления, где активируется соответствующая программа. В соответствии с установленным алгоритмом блок управления обрабатывает сигналы входных датчиков и задействует необходимее исполнительные устройства. При необходимости включается кондиционер.
Современный автомобиль является источником повышенной опасности. Неуклонный рост мощности и скорости автомобиля, плотности движения автомобильных потоков значительно увеличивают вероятность аварийной ситуации.
Для защиты пассажиров при аварии активно разрабатываются и внедряются технические устройства безопасности. В конце 50-х годов прошлого века появились ремни безопасности , предназначенные для удержания пассажиров на своих местах при столкновении. В начале 80-х годов были применены подушки безопасности .
Совокупность конструктивных элементов, применяемых для защиты пассажиров от травм при аварии, составляет систему пассивной безопасности автомобиля. Система должна обеспечивать защиту не только пассажиров и конкретного автомобиля, но и других участников дорожного движения.
Важнейшими компонентами системы пассивной безопасности автомобиля являются:
· ремни безопасности;
· натяжители ремней безопасности;
· активные подголовники;
· подушки безопасности;
· кузов автомобиля, устойчивый к деформации;
· аварийный размыкатель аккумуляторной батареи;
· ряд других устройств (система защиты при опрокидывании на кабриолете; детские системы безопасности - крепления, кресла, ремни безопасности).
Современная система пассивной безопасности автомобиля имеет электронное управление, обеспечивающее эффективное взаимодействие большинства компонентов.
Система управления включает:
· входные датчики;
· блок управления;
· исполнительные устройства компонентов системы.
Входные датчики фиксируют параметры, при которых возникает аварийная ситуация, и преобразуют их в электрические сигналы. К входным датчикам оносятся:
· датчик удара;
· выключатель замка ремня безопасности;
· датчик занятости сидения переднего пассажира;
· датчик положения сидения водителя и переднего пассажира.
На каждую из сторон автомобиля устанавливается, как правило, по два датчика удара . Они обеспечивают работу соответствующих подушек безопасности. В задней части датчики удара применяются при оборудовании автомобиля активными подголовниками с электрическим приводом. Выключатель замка ремня безопасности фиксирует использование ремня безопасности.
Датчик занятости сидения переднего пассажира позволяет в случае аварийной ситуации и отсутствии на переднем сидении пассажира сохранить соответствующую подушку безопасности.
В зависимости от положениясидения водителя и переднего пассажира, которое фиксируется соответствующими датчиками, изменяется порядок и интенсивность применения компонентов системы.
На основании сравнения сигналов датчиков с контрольными параметрами блок управления распознает наступление аварийной ситуации и активизирует необходимые исполнительные устройства элементов системы.
Исполнительным устройствами элементов системы пассивной безопасности являются:
· пиропатрон подушки безопасности;
· пиропатрон натяжителя ремня безопасности;
· пиропатрон (реле) аварийного размыкателя аккумуляторной батареи;
· пиропатрон механизма привода активных подголовников (при использовании подголовников с электрическим приводом);
· контрольная лампа, сигнализирующая о непристегнутых ремнях безопасности.
Активизация исполнительных устройств производится в определенном сочетании в соответствии с заложенным программным обеспечением.
ISOFIX - Изофикс- cистема крепления детских кресел. Внешне детские кресла с этой системой отличаются двумя компактными замками, расположенными на задней части салазок. Замки захватывают шестимиллиметровый пруток, спрятанный за заглушками в основании спинки сиденья.