Лекции по проектированию мехатронных систем

Подождите немного. Документ загружается.

111

В состав мехатронных модулей могут входить интеллектуальные силовые

преобразователи (ИСП). Их строят на базе полупроводниковых приборов

нового поколения. Типичными представителями этих приборов являются

силовые полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с

изолированным затвором (IGBT), запираемые тиристоры с полевым

управлением (MCT). Новое поколение приборов отличается высоким

быстродействием (например, для транзисторов MOSFET – 100 000 Гц),

высокими

значениями коммутируемых токов и напряжений (для IGBT

предельная сила коммутируемого тока – до 1200 А, предельное коммутируемое

напряжение – до 3 500 В). Особенность ИСП состоит в том, что они содержат

встроенные блоки микроэлектроники, предназначенные для выполнения

интеллектуальных функций – управление движением, защита в аварийных

режимах и диагностика неисправностей. Использование ИСП в составе

мехатронных модулей позволяет

существенно снизить массогабаритные

показатели силовых преобразователей, повысить их надежность при

эксплуатации, улучшить технико-экономические показатели.

Использование контроллеров движения с блоками FPGA (Field

Programmable Gate Arrays) позволяет исключить цифро-аналоговое преобра-

зование сигналов при компьютерном управлении двигателем. На выходе

блоков FPGA сразу формируется широтно-модулированный сигнал, который

имеет цифровое представление. При этом они обладают уникальным

сочетанием

очень высокой производительности (скорость вычислений

соизмерима с аппаратными компонентами) с возможностью программирования

как обычные микропроцессорные устройства.

Обощая рассмотренные примеры, интересно обратить внимание на то,

что точками для ФС-инитеграции являются структурные блоки, реализующие

функциональные преобразования только дуального типа (см. третий столбец

табл. 7.1). К этой группе относят информационно-электрический и электро-

механический

преобразователи, расположенные в прямой цепи функцио-

нальной модели мехатронного модуля (см. рис. 7.5) и электроинформационный

и механико-информационный преобразователи в цепи обратной связи.

Структурно-конструктивная интеграция (СК-интеграция) основана на

анализе структурной модели мехатронного модуля, которая сформирована на

этапе ФС-интеграции. Заданная структура модуля может быть реализована

различными конструктивными решениями. СК-

интеграция нацеливает

разработчика мехатронных модулей на выбор проектных решений, которые

обеспечивают исключение интерфейсов как сепаратных блоков путем

встраивания их в отдельный корпус. При автоматизированном проектировании

принятые решения представляют в виде конструктивной модели (см. рис. 7.3).

Методическим ключом при поиске вариантов СК-интеграции является

рассмотрение интерфейсных блоков 11–18 в качестве локальных точек, где

потенциально

возможна СК-интеграция. Можно рекомендовать при проекти-

ровании опираться сразу на несколько точек интеграции.

112

Таблица 7.2

СК-интеграция элементов в мехатронном модуле

№

п/п

Мехатронные

модули

Функциональные

преобразования

Встраиваемые элементы

Основные блоки Интерфейсы

1 Модуль движения Электромеханическое

и механическое

Двигатель,

механическое

устройство

2 Мехатронный

модуль движения

Электромеханическое,

механическое и

механико-

информационное

Двигатели,

механическое

устройство, датчик

обратной связи

14, 17, 18

3 Интеллектуальный

мехатронный

модуль

Информационное,

информационно-

электрическое,

электромеханическое

Управляющий

контроллер, силовой

преобразователь,

двигатель

11, 12, 13,

15, 16

Примеры мехатронных модулей, основанных на способе СК-интеграции

элементов, приведены в табл. 7.2. Представленные решения базируются на

анализе структурных моделей мехатронных модулей, разработанных на этапе

функционально-структурной интеграции (см. рис. 7.6).

Интеграция элементов в мехатронных модулях является ведущей

тенденцией при создании современных машин и систем, так как позволяет

добиться качественно нового уровня

по основным техническим показателям –

скорости и точности движения, компактности конструкции и способности

машины к быстрой реконфигурации. Практическое воплощение этой тенденции

в машинах сегодняшнего дня зависит от эффективности взаимодействия

конструктора, который выдвигает новые интеграционные идеи, и технолога,

реализующего предложенные проектные решения в автоматизированных

технологических процессах.

Специфика и сложность мехатронных модулей и

систем заключается еще

и в том, что их составляющие части (механическая, электронная и компью-

терная) имеют различную физическую природу, а основные структурные

элементы выпускаются зачастую предприятиями различных отраслей

промышленности.

Более подробно все этапы проектирования и конструирования различных

модулей мехатронных систем будут рассмотрены в соответствующих разделах

курса «Проектирование рабочих органов и механизмов

мехатронных машин и

систем», «Проектирование приводов», «Проектирование информационно-

измерительных систем», «Проектирование модулей управления мехатронных

устройств и систем».

Рассмотрим кратко принципы проектирования интеллектуальных систем

управления.

113

Фундаментальную основу концепции построения интеллектуальных

систем управления сложными динамическими объектами составляют три

ключевых положения:

– принцип ситуационного управления, когда каждому классу

возможных состояний ставится в соответствие определенный класс

допустимых решений;

– принцип иерархической организации интеллектуальной системы

управления, включающей в свой состав стратегический уровень

планирования поведения, тактический уровень планирования

действий, исполнительный (приводной

) уровень и комплекс

информационно-измерительных средств;

– принцип обоснованного выбора интеллектуальных технологий,

используемых для решения задач отдельных уровней иерархии

управления.

К этим трем положениям следует добавить четвертое, связанное с

использованием концепции модульного конструирования систем управления.

Детально проектирование интеллектуальных систем управления будет

рассмотрено в разделе «Проектирование модулей управления мехатронных

устройств и

систем» дисциплины «Проектирование мехатронных систем».

114

Заключение

Изложенный в курсе лекций материал позволяет оценить роль

информационного обеспечения при современном подходе к проектированию

любых сложных технических систем. Этап концептуального проектирования в

значительной степени определяет качество проекта. Он обычно доверяется

самым квалифицированным исполнителям.

Данный курс лекций является неотъемлемой частью полного курса

«Проектирование мехатронных систем», посвященного проектированию

модулей движения и

управления.

115

Литература

1. Теория механизмов и механика машин: Учеб. для втузов /

К. В. Фролов, С. А. Попов, А. К. Мусатов и др.; Под ред. К. В.

Фролова. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. школа, 2003. – 496 с.

2. Егоров О. Д., Подураев Ю. В. Мехатронные модули. Расчет и

конструирование: Учеб. пособие. – М.: МГТУ «СТАНКИН», 2004. –

360

с.

3. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). – СПб.: Питер, 2004. – 560 с.

4. Норенков И. П., Кузьмик П. К. Информационная поддержка наукоем-

ких изделий. CALS-технологии. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,

2002. – 320 с.

5. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб.

для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во

МГТУ

им. Н. Э. Баумана, 2002. – 336

Борис Михайлович Готлиб

Проектирование мехатронных систем

Часть 1. Информационная поддержка

процесса проектирования мехатронных систем

Курс лекций для студентов

специальности 220401.65 – Мехатроника

Редактор В. П. Вовчек

620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГУПС

Редакционно-издательский отдел

Бумага писчая № 1 Подписано в печать Усл. печ. л. 7,3

Тираж 70 экз. Формат 60х84 1/16 Заказ

____________________________________________________________________