Основные направления развития мехатронных систем (интеграция, интеллектуализация, миниатюризация)

07.01.2015 14:53

    Направления развития (становления) мехатронных систем можно проследить с разных позиций. Например, одним из таких признаков является уровень интеграции (синергетического объединения) элементов, к числу которых относятся элементы механических, электромеханических, электронных и компьютерных (информационных) модулей (рис. 1). 

    Синергия - это совместное действие, направленное на достижение единой цели.

    Модуль - это унифицированная функциональная часть машины, конструктивно оформленная как само­стоятельное изделие

    Мехатронные модули – это базовые функциональные компоненты мехатронных систем и машин с компьютерным управлением, предназначенные для выполнения движений, как правило, по одной управляемой координате.

    Такие модули могут объединять в одном корпусе несколько компонентов, например, двигатель, редуктор и датчики.

Рисунок 1 – Составные части мехатроники

    Качественно новые свойства мехатронных модулей по сравнению с традиционными приводами достигаются синергетической интеграцией составляющих элементов.

    Синергетическое объединение предполагает не простое соединение частей посредством интерфейсных блоков, но их конструктивное встраивание в мехатронные модули. Синергетическая интеграция элементов при проектировании мехатронных модулей основана на трех базовых принципах (функционально-структурный подход к проектированию МС):

  • реализация заданных функциональных преобразований минимально возможным числом структурных и конструктивных блоков путем объединения двух и более элементов в единые многофункциональные модули;
  • выбор интерфейсов в качестве локальных точек интеграции и исключение избыточных структурных блоков и интерфейсов как сепаратных элементов;
  • перераспределение функциональной нагрузки в мехатронной системе от аппаратных блоков к интеллектуальным (электронным и компьютерным) компонентам.

    В соответствии с признаком синергетического объединения можно исторически разделить мехатронные модули по уровням (определяющим ведущую тенденцию в современном машиностроении «от механики к мехатронике»).

    Мехатронные модули первого уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить «мотор-редуктор», где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент. Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомо­гательных манипуляторов).

    Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привело к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: механических, электро­технических и электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы управляемые энергетические машины (турбины и генераторы), станки и промышленные роботы с числовым программным управлением.

    Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появ­лением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров на их базе и направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь - процесса управления функцио­нальными движениями машин и агрегатов.

    Одновременно идет разработка новых принципов и технологий изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных, бескол­лекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых прецизионных, информационных и измерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и производства интеллектуальных мехатрон-ных модулей и систем.

    В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких комплексов - добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции на рынках XXI века.

    Наряду с синергетическим объединением (интеграцией) элементов мехатронных систем другими квалификационными признаками развития мехатронных систем, по-видимому, следует признать их интеллектуализацию и миниатюризацию.

    В настоящее время в мехатронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну. При этом доля компьютерной части возросла за последнее 10-летие вдвое, и есть все основания прогнозировать сохранение этой тенденции в технике будущего.

    Принципиально важно подчеркнуть, что тенденция перехода от механических к мехатронным технологиям в современном машиностроении не «закрывает» механику. Наоборот, это стимулирует ее развитие к интеграции с интеллектуальными компонентами в рамках единой мехатронной системы.

    Системный подход диктует новые требования к встроенным механическим и гибридным компонентам, что в свою очередь ведет к развитию новых техно­логий и конструкторских решений в области механики.

Рис. 2 Динамика изменения составляющих "Механика - электроника - информатика"

    На рис. 2 представлен характерный график (по данным журнала, выпу­щенного специально к Всемирной выставке «Промышленность, автоматизация и инновации» 2000 г.), который отражает динамику этого процесса в производ­ственных машинах за 30 лет, начиная с 70-х годов. Анализ показывает, что еще в начале 90-х годов подавляющее большинство функций машины (более 70 %) реализовывалось механическим путем. В последующие десятилетия происхо­дило постепенное вытеснение механических узлов - сначала электронными, а затем и компьютерными блоками. В настоящее время в мехатронных системах объем функций распределен между механическими, электронными и компьютерными компонентами практически поровну. При этом доля компьютерной части возросла за последнее 10-летие вдвое, и есть все основания прогнозировать сохранение этой тенденции в технике будущего.

    Интеллектуальные системы управления - основа интеллектуального управления сложными динамическими объектами (мехатронными системами). Они априорно ориентированы на работу в условиях неполноты или нечеткости исходной информации, неопределенности внешних возмущений и среды функционирования, требуют привлечения нетрадиционных подходов к управ­лению с использованием специальных методов и технологий искусственного интеллекта совершенно нового класса. К числу таких технологий можно отнести информационные технологии на основе экспертных систем, нейросетевых структур, ассоциативной памяти, нечеткой логики.

Термин «искусственный интеллект - ИИ» (AI - artificial intelligence)., был предложен в 1956 г. на семинаре с аналогичным названием в Дартсмутском колледже (США). Семинар был посвящен разработке методов решения логистических, а не вычислительных задач. В английском языке данное словосочетание не имеет той слегка фантастической антропоморфной окраски, какую оно приобрело в довольно неудачном русском переводе. Слово intelligence означает умение рассуждать разумно, а вовсе не "интеллект", для которого есть термин intellect.

    С течением времени развитие таких разделов искусственного интеллекта как инженерия знаний, компьютерная логика и лингвистика, методы и модели обучения, методы поиска и принятия решений и др. заложило теоретическую основу для создания высокоэффективных систем по обработке и исполь­зованию знаний для решения целого ряда прикладных задач, включая разработку систем, моделирующих творческие возможности человека. Такие системы и стали называть интеллектуальными.

    Сегодня понятия интеллектуальная система и система, ориенти­рованная на обработку и использование знаний, а не системы искусственного интеллекта, являются синонимами. Поэтому по аналогии с физическими системами, кибернетическими системами и т. п. логичнее употреблять термин «интеллектуальные системы», а применительно к области управления - термин «интеллектуальные системы управления».

    В историческом аспекте, ранее при создании машин сначала выполняли базовое проектирование (с точки зрения физики и механики), а затем в качестве подсистемы разрабатывали системы управления. При этом обычные машины обладали свойством самоустойчивости и могли работать даже без инфор­мационных систем. Затем был разработан аппарат конфигурируемого управления - АКУ (CCV - control configured vehicle), согласно которому более эффективную машину можно спроектировать, если еще на этапе базового проектирования заложить основы системы управления (или хотя бы предпо­ложить существование такой системы). В отличие от обычной, спроектиро­ванная на основе использования концепции АКУ машина может реализовать свои функции только благодаря существованию системы управления. В случае АКУ существует механическая неустойчивость, которая часто оказывается необходимой для обеспечения соответствующих динамических характеристик.

     Устойчивость достигается благодаря наличию контуров управления. В насто­ящее время концепцию АКУ широко используют в самолетостроении.

    Для реализации концепции АКУ несомненно неизбежным является существование информационной системы и системы управления. В этом смысле концепцию АКУ можно отнести к основным руководящим принципам мехатроники и считать, что она относится к понятиям самого высокого ранга. Однако при этом необходимо иметь в виду, что концепция АКУ предъявляет повышенные требования к надежности информационных и управляющих систем. Так, повреждение в электрической цепи двигателя, имеющего электронную регулировку впрыска топлива, приводит к остановке двигателя. Выход же из строя ЭВМ летательного аппарата означает его катастрофу.

    Интерес к мехатронике, которая изначально понималась как некий симбиоз механики и электроники, в значительной степени связан с пере­смотром ее фундаментальных основ с учетом принципов интеллектуального управления. Эта современная трактовка предполагает, что основой мехатронных систем, машин и т. д. является интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) или, точнее, конечный набор таких модулей.

    ИММ должен включать в свой состав высокопроизводительный цифровой контроллер, ориентированный на решение задач обработки информации и управления в реальном времени на основе применения современных интеллектуальных технологий.

    Таким образом, принципиальным отличием ИММ от комплектных электроприводов служит наличие интеллектуальной системы управления, которая в сочетании с традиционной (или новой) механикой позволит создать мехатронные машины и комплексы, обладающие значительно более высокими техническими характеристиками по сравнению с существующими образцами. Подобную точку зрения разделяют ведущие отечественные и зарубежные специалисты, говоря о мехатронном модуле движения как об интеллектуальном конструктивном элементе.

    Развитие концепции мехатронно-модульного построения сложных электромеханических систем различной конструкции и назначения предпо­лагает комплексное решение целого ряда важнейших проблем. К их числу в первую очередь следует отнести разработку быстродействующих алгоритмов управления, обеспечивающих инвариантность к различного рода возмущениям (что особенно важно для прецизионных систем), принципов динамической развязки быстродействующих приводов с учетом компенсации взаимного влияния отдельных степеней подвижности, алгоритмов управления движением, инвариантных к типу кинематической схемы многозвенного мехатронно-модульного механизма, а также универсальных средств программирования, обеспечивающих возможность постановки прикладных задач на уровне описаний конечных технологических целей.

    Пути решения данных проблем имеют по существу два направления:

  • разработка высокоскоростных аппаратных средств вычислительной техники;
  • разработка специальных алгоритмов на основе современных методов и технологий обработки знаний.

    Если первый путь является вполне естественным для японской электронной промышленности с ее высокоразвитой технологической базой, то для России второй представляется более предпочтительным в связи с перспективами использования современных интеллектуальных технологий, уникальные возможности которых достаточно изучены и могут служить эффективной основой как при создании машин нового поколения, так и при модернизации существующего парка оборудования. В соответствии со вторым направлением в России развернут ряд крупных проектов, в частности, по разработке мехатронных узлов обрабатывающих центров XXI в. для тяжелого машиностроения, аэрокосмической, автомобильной и других отраслей промышленности.

    В наши дни управление на основе анализа внешних ситуаций (событий) остается одной из ключевых идей интеллектуального управления техническими и организационными системами. Другой базовой идеей является использование средств современной информационной технологии обработки знаний при поиске управленческих решений и формировании соответствующих управ­ляющих воздействий.

    По мере совершенствования систем, ориентированных на хранение, пополнение, обработку и использование знаний, начали создаваться системы, в которых результаты принятия решений приближаются по качеству к решениям, принятым человеком-оператором, а по скорости получения решений существенно превышают время реакции человека (особенно в непредсказуемых и непредвиденных ситуациях).

    Возникла идея активизировать деятельность систем путем включения в их состав специальных дополнительных блоков формирования управляющих воздействий на основе принятых решений. Такие интеллектуальные системы, непосредственно подключенные к объекту, получили название «активные системы».

    Интеллектуальные системы в последнее время стали весьма распростра­ненным коммерческим продуктом, находящим широкий спрос пользователей-специалистов в самых разнообразных областях инженерно-технической и научно-технической сфер деятельности.

    Переходим к рассмотрению третьего квалификационного признака развития мехатронных систем - миниатюризации.

    Сегодня вопросы миниатюризации являются ключевыми во всех отраслях производства, важнейшее значение они имеют в микроэлектронике, нано-технологиях, генетике и других перспективных направлениях.

    Существенное различие уровней развития техники, соответствующих мехатронике и электромеханике, обусловлено, прежде всего, появлением микроэлектроники. Микроэлектроника обеспечила существенное развитие мехатроники.

    Современные микроэлектронные устройства обеспечивают принци­пиально новые возможности для объединения (интегрирования) механики и электроники, которые по своему уровню значительно превосходят существовавшую ранее электромеханику.

    Микроэлектроника играет ключевую роль в реализации машин нового поколения - мехатронных модулей и систем (в частности, микроэлектро­механических систем - МЭМС). Можно смело утверждать, что в настоящее время зародилось новое направление в мехатронике - микромехатроника.

    По габаритным размерам электромеханические системы (ЭМС) условно можно разделить на три класса:

  • миниатюрные имеют размеры в пределах от 10х10х10 мм до 50х50х50 мм;
  • микросистемы, размеры которых находятся в диапазоне от микрометра до нескольких миллиметров;
  • наносистемы имеют размеры порядка ста нанометров (1 нм = 10-9 м).

    Мехатронные системы микро-перемещений должны обладать достаточно высокой точностью: минимальный шаг обычно не превышает 1 % макси­мального хода. Для создания устройств с такими характеристиками актуальны принципы мехатроники, базирующейся на соединении в единую систему механических, электронных и электромеханических частей.

    Основные преимущества мехатронных систем микромеханики заключаются в компактности модулей и улучшении динамических харак­теристик вследствие упрощения кинематических цепей, а также высокой надежности и помехозащищенности.

Назад