Классификация мехатронных модулей

Классификация мехатронных модулей

Многоцелевые станки с ЧПУ (обрабатывающие центры) с середины 70-х годов стали выпускаться в СССР и за рубежом во все возрастающих количествах. Они позволяют при применении спутников автоматизировать выпуск широкой номенклатуры корпусных деталей и являются одним из основных видов оборудования ГАП, Уже работают ГПС, обеспечивающие изготовление 100—300 деталей различных наименований. Обрабатывающие центры снабжены суппортами, шпинделями, подача которых контролируется встроенными датчиками, поворотными столами также со встроенными датчиками, что обеспечивает возможность программируемого поворота на большое число различных углов; револьверными головками или магазинами с числом инструментов, составляющим десятки и сотни штук; датчиками касания для проверки правильности и базирования спутников или деталей, контроля закрепления детали, распределения припусков и точности. Датчики касания могут быть использованы и как средства диагностирования. Установка на нуль датчиков станка может быть проверена с помощью датчиков касания (нулевых головок) и специальных базовых поверхностей на станине станка. Таким же образом могут быть измерены тепловые деформации шпинделя. Ряд станков оснащен средствами автоматизации загрузки: устройствами автоматической смены поддонов-спутников и средствами распознавания маркировки поддонов. Предусматривается возможность загрузки и разгрузки поддонов с помощью автоматических транспортных тележек и промышленных роботов, применяются средства счета обработанных деталей и планирование смены инструмента по времени его работы. Решаются вопросы диагностирования состояния инструмента. Для этого применяется ряд методов: контроль по величине усилий резания (тензометрирование на резцедержке); контроль усилий, действующих на переднюю опору шпинделя (тензометрирование наружного кольца подшипника) и другие.

На основании прогноза и анализа развития станкостроения можно выделить следующие основные направления:

- качественное изменение конструкций металлорежущих станков (конструкции станков с параллельной кинематикой, гексаподные конструкции).

- существенное повышение производительности станков, реализация технологий скоростной обработки;

- широкая унификация станков, реализация принципов агрегатномодульного конструирования.

Для решения перечисленных задач наряду с совершенствованием техноло­гии обработки, появлением новых режущих материалов, инструментов создаются принципиально новые мехатронные станочные узлы привода и автоматизации на базе интеграции средств прецизионной механики, электроники, электротехники.

В настоящее время ещё нет общей теории диагностирования мехатронных систем, нет общепринятой классификации уровней мехатронных модулей.

В работах [1 - 4] были предприняты попытки сформировать иерархию мехатронной техники следующим образом. Термин «мехатронный объект» - это обобщающее понятие (что косвенно следует из работы [5]), которое включает в себя мехатронные систему, агрегат, модуль или узел [6].

К первому уровню относятся мехатронный узел или мехатронный модуль (ММ). ММ - унифицированный мехатронный объект (МО), имеющий автономную документацию и предназначенный, как правило, для реализации движений по одной координате. Примерами ММ служат части станков - шпиндельная бабка, поворотный стол. В качестве модулей могут выступать двигатели, редукторы и т.п. Более сложные модули - автономные приводы - мотор-редуктор, мотор-колесо, мотор-шпиндель, мотор-барабан, поворотный стол [7]. Мехатронный узел принципиально отличается от ММ тем, что он не унифицирован [6].

Второй уровень - агрегат (машина), включающий в себя несколько модулей, предназначенных для реализации заданных законов движения в условиях взаимодействия с внешней средой. Примерами агрегатов служат промышленные роботы, станки с ЧПУ и т.д.

Третий уровень - мехатронная система (МС), состоящая из нескольких агрегатов или агрегата и ряда отдельных модулей, т.е. из объектов одинаковых или разных низших уровней. Система – совокупность компонентов, каким-либо образом связанных между собой: подчиненных определенному отношению, зависимости или закономерности, действующих как одно целое. МС полностью отвечает этому определению как совокупность механических, электронных и управляющих компонентов, образующих синергетическое единство, действующее как одно целое [6].

МС - целевое упорядоченное множество агрегатов с упорядоченными связями, динамически функционирующее во времени и пространстве и взаимодействующее со средой как единое целое. Примерами могут служить гибкие производственные системы или современные автомобили (например, Мерседес Бенц SW220 представляет собой МС, включающую до 40 управляющих агрегатов).

В качестве основного классификационного признака предлагается принять уровень интеграции составляющих элементов [8], в соответствии с которым построена таблица 1.1 [9].

Таблица 1.1 – Уровни развития мехатронных объектов

Уровни	Мехатронные объекты
1-й уровень	Мехатронизированные модули
2-й уровень	Мехатронные модули
3-й уровень	Интеллектуальные МО
Перспективный уровень	Мехатронные комплексы

ММ 1-го уровня - мотор-редукторы, где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент (например, спироидные и червячные мотор-редукторы). Мехатронные агрегаты на основе этих модулей нашли широкое применение при создании средств комплексной автоматизации производств (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов). Необходимо сделать примечание: здесь приведены объекты, имеющие лишь две компоненты - механическую и электрическую, а поэтому, согласно определению, к мехатронным не относящиеся. Указанные ММ следует, по мнению автора, отнести к мехатронизированным объектам [6].

ММ 2-го уровня появились в 1980-х гг. в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными компонентами привело к появлению ММ движения, состав которых полностью соответствует определению мехатроники, где присутствует интеграция механических, электротехнических и электронных элементов [6].

ММ 3-го уровня обусловлены процессом интеллектуализации МО, в первую очередь, процесса управления функциональными движениями. Одновременно идет разработка новых принципов и технологий высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных, бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Этот уровень указывает на наличие неинтеллектуализированных МО, а системы с интеллектуальным управлением завершают действующее определение мехатроники [6].

В работе [9] мехатронные модули по составу объединяемых устройств и элементов делятся на три группы:

– модули движения (двигатель+ механическое устройство);

- мехатронные модули движения (модули движения+информационное устройство);

- интеллектуальные мехатронные модули (мехатронные модули движения+управляющие и электронные устройства).

Основную номенклатуру мехатронных модулей движения (ММД), на основе которых в настоящее время создаются производственные машины и транспортные средства нового поколения, можно подразделить на четыре группы.

А) Высокооборотные модули с максимальной частотой вращения от 9 000 до 250 000 мин"' и мощностью от 0,1 до 30 кВт для металлорежущих станков, деревообрабатывающих машин, станков для сверления печатных плат, компрессоров и т.д.

В этих модулях используются воздушные и электромагнитные подшипники. Основные преимущества выпускаемых электрошпинделей на магнитных подшипниках:

- отсутствие механических контактов и, как следствие, износа;

- возможность использования более высоких (по сравнению с традиционными конструкциями) скоростей;

- небольшая вибрация, отсутствие трения и снижение тепловых потерь;

- возможность изменения жесткости и демпфирующих характеристик системы;

- возможность работы в вакууме и вредных средах;

- экологическая чистота.

Б) Низкооборотные модули с максимальной частотой вращения от 4 до 300 мин-1, моментом от 10 до 2500 Н*м и точностью позиционирования до 3% для поворотных столов станков, измерительных машин, оборудования для электронного машиностроения, узлов роботов и многоцелевых инструментальных головок.

Группой "Мехатроника" в Санкт-Петербурге освоено производство мехатронных поворотных столов серии ПМС диаметром 200-1250 мм, с точностью позиционирования до 3 мин, максимальной частотой вращения до 12 мин, максимальным моментом до 2500 Нм.

В) Модули линейного движения с усилием от 10 до 5000 Н и скоростью до 32 м/с для приводов металлорежущих станков, промышленных роботов и измерительных машин, а также для запирающих устройств газонефтепроводов.

Г) Цифровые электроприводы с бесколлекторными синхронным и асинхронным двигателями мощностью до 10 кВт с моментом от 1 до 40 Н-м и высоким отношением момента к массе для приводов подачи высокопроизводительных станков и роботов, текстильных и деревообрабатывающих машин, приводов вентиляторов, насосов и т.д. Блок управления такими приводами создается на базе силовых интеллектуальных схем и встраивается в корпус или клеммную коробку электродвигателя.

Применение ММД в обрабатывающих центрах традиционной компоновки позволило повысить производительность фрезерования почти в 3 раза. Относительно высокая стоимость таких машин не останавливает ведущие авиационные концерны в мире от их закупок уже в настоящее время.

Еще большие возможности применения ММД имеют машины нетрадиционной компоновки: обрабатывающие и измерительные машины на основе так называемой платформы Стюарта и мехатронных поворотных столов.

Мехатронные модули обладают следующими особенностями:

- использование однотипных унифицированных узлов в различных вариантах компоновки станков, обеспечивающих агрегатно-модульное построение;

- уменьшение времени ремонта за счет поузловой замены;

- расширение и наращивание функций станков за счет добавления мехатронных модулей и узлов;

- создание разветвленных систем диагностики;

- упрощение сервисного обслуживания за счет применения однородных конструкций.

Классификация мехатронных модулей приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Классификация мехатронных модулей

Модули подразделяются по виду станочного механизма и по виду системы управления. Станочные механизмы в свою очередь подразделяются на механизмы главного движения, механизмы подачи и вспомогательных перемещений.

Ниже приводятся основные виды конструкций мехатронных модулей (В -модули вращательного движения, Л - модули линейного движения).

Механизмы главного движения:

- мотор-шпиндель — шпиндельный станочный узел, на валу которого монтируется ротор приводного двигателя (В).

- электрошпиндель - электродвигатель, непосредственно к валу которого крепится режущий инструмент (В).

- мотор-редуктор - электродвигатель со встроенным планетарным меха­низмом, обеспечивающим две и более ступеней механической редукции (В).

- механизмы подачи и вспомогательных перемещений:

- мотор-редукторы со встроенной планетарной передачей (В).

- мотор-редукторы со встроенной волновой передачей (В).

Модули линейного движения на базе плоских и пазовых линейных двигателей (Л).

Рисунок 2

Рисунок 3

1 – винт; 2 – гайка шарико-винтового преобразователя движения; 3 – подшипник; 4 – корпус; 5 – статор; 6 – ротор электродвигателя; 7 – фазные обмотки; 8 – направляющие; 9 – индуктивный датчик положения.

Рисунок 4

1 – асинхронный электродвигатель; 8 – фотоимпульсный датчик; 2 – вал, полый внутри; 9 – корпус; 3 – винт шарико-винтового преобразователя движения; 5 – составная гайка; 6 – направляющая; 7 – электромагнитный тормоз.

Рисунок 5

1 – гидроусилитель 7 – канал для подвода рабочей жидкости

2 – статор двигателя 8 – корпус (он же шпиндельная бабка)

3 – ротор 9 – датчик скорости

4 – шпиндель 10 – датчик положения

5 – фланец 11 – датчик положения ротора двигателя и точного останова

6 – инструмент

Рисунок 6

1 – основание; 6 – планшайба; 2 – поворотный стол; 7 – датчика положения; 3 – упорные подшипники; 8 – датчик скорости; 4 – встроенный электродвигатель; 9 – гидротормоз; 5 – ротор электродвигателя

Как отмечено в работе [9] интеллектуальные мехатронные модули выполняют функции силового преобразователя в канале управления движением, защиты устройства в аварийных режимах и диагностики неисправностей. Перспективные электронные блоки в составе данных модулей должны быть многофункциональными и обладать широкими коммуникационными возможностями. Одной из функций является реализация алгоритмов адаптивного и интеллектуального управления. Данная функция не может быть реализована без информации о состоянии внешней среды и состояния самого модуля. Для эффективной и надежной работы мехатронной системы должна быть реализована дополнительная функция – диагностика.

Современные интеллектуальные мехатронные модули имеют функцию элементарной диагностики, например, «Simodrive Posmo» фирмы Siemens, – при неисправности модуля загорается светодиод.

В состав модуля «Simodrive Posmo» входят:

– вентильный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов;

– преобразователь движения и тормозное устройство;

– блок силовой электроники;

– встроенный фотоимпульсный датчик;

– вентилятор для принудительного охлаждения;

– управляющее устройство, включающее управляющий контроллер, блоки позиционирования и программирования, а также коммуникационный интерфейс.

Для исключения большой теоретической и экспериментальной работы по определению строгой функциональной зависимости каждого параметра сигнала от параметра состояния используют ассоциативный метод диагностики. При этом сравнивают не само состояние объекта, а соответствующие ему диагностические сигналы [10].

При разработке и внедрении автоматизированной системы диагностики решается комплекс сложнейших взаимосвязанных технических проблем [10]:

– изучение (исследование) объекта и процесса его функционирования;

– сбор данных об отказах аналогичных объектов и анализ их надежности;

– выбор метода диагностирования;

– построение математической модели объекта и ее анализ;

– выбор параметров диагностирования;

– разработка алгоритмов диагностирования;

– выбор и разработка средств диагностики;

– разработка структурной схемы системы диагностики;

– определение состава системы диагностики, стыковка всех ее частей и элементов;

– выбор и разработка устройств сопряжения системы диагностики с объектом (порты, шины, интерфейсы);

– испытание и отладка системы диагностики;

– технико-экономическое обоснование проектируемой системы диагностики.

Существует ярко выраженная тенденция построения многоцелевых станков, обрабатывающих центров на базе мехатронных модулей. Пример линейного мехатронного модуля движения показан на рис. 7. Пример мехатронного модуля вращательного движения показан на рис. 8.

Рисунок 7 – Мехатронный модуль

Технические характеристики

МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ 414 НИЛД

Мощность номинальная......................................90 кВт

КПД........................................................................92 %

Диапозон частот вращения........................0 -11000 мин-1

Максимальный крутящий момент.........................350 Нм

Питающее напряжение..........................................300 В

Сила тока максимальная........................................450 А

Масса.....................................................................32 кг

Габаритные размеры...............................280х280х280 мм

Вид охлаждения...........................................жидкостной

Рабочий диапазон температур............................-50...+55

Степень защиты.......................................................IP66

Мехатронный модуль 414 НИЛД – это сверх-компактный бесконтактный электродвигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением, интегрированный в единую конструкцию с коммутирующей и управляющей электроникой. Конструкция выполнена на основе электрической машины по патенту РФ № 2170487 от 10.06.2001. Управление и самодиагностика осуществляется встроенным процессором по специально разработанному алгоритму.

Предназначен для применения в качестве тягового на гибридных автомобилях и электромобилях, а также в качестве маршевого привода воздушного винта для летательных аппаратов.

Рисунок 8– МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ 414 НИЛД

1. Антонов, Б.И., Филимонов, Н.Б. Не «обо всем», а о мехатронике (о границах проблематики журнала) [Текст] // Мехатроника. – 2000. – № 6. – С. 43-47.

2. Лохин, В.М., Захаров, В.Н. Интеллектуальные системы управления: понятия, определения, принципы построения [Текст] // Мехатроника. – 2001. – №2. – С.27-35.

3. Филимонов, Н.Б. Гомеостатические системы и двух режимный автомат ограничений состояния управляемых динамических объектов [Текст] // Известия вузов. Приборостроение. – 1998. – №1-2. – С.17-34.

4. Шалобаев, Е.В. Современное состояние и ближайшие перспективы развития мехатроники [Текст] // Материалы 4-й Междунар. конф.: Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии. – Владимир: ВГУ, 2000. – С. 255-260.

5. Лопота, В.А., Юревич, Е.И. Мехатроника – основа интеллектуальной техники будущего [Текст] // Микросистемная техника. – 2003. – № 1. – С.36.

6. Бушуева, М.Е. Методы и алгоритмы обеспечения контролепригодности сложных технических систем при кратных дефектах [Текст]: дис. … канд. техн. наук 05.13.01 / – Н.Новгород, 1997. – 170 с.

7. Jozef, Tkac Methods analyses of diagnostic signal [Текст] // State-of-the-Art in Mechatronics. Simulation Research Press, Alphen aan den Rij, 2007. – P. 185-206.

8. Абрамов, И.В., Никитин, Ю.Р. Диагностика подшипниковых узлов и распознавание типов дефектов [Текст] // Доклады 11 Всесоюзной акустической конференции “Методы исследования и обработки акустических сигналов. Распознавание звуковых образов” (1991; Москва). – М., 1991. - С. 38-40.

9. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение: учеб. пособие для студентов вузов [Текст]. – М.: Машиностроение, 2006. – 256 с.

10. Схиртладзе А.Г. Надежность и диагностика технологических систем: учеб. [Текст] / А.Г.Схиртладзе, М.С.Уколов, А.В.Скворцов; под ред. А.Г.Схиртладзе. – М.: Новое знание, 2008. – 518 с.

Дата добавления: 2015-10-21