Современная робототехника развивается стремительно: ее первые шаги по созданию «механических людей» увенчались сегодня сложными высокотехнологичными устройствами с интеллектуальной составляющей. Появилась новая область науки и техники — мехатpоника — о создании и эксплуатации машин и систем с компьютеpным упpавлением движением, котоpая базиpуется на знаниях механики, электpоники, микpопpоцессоpной техники и инфоpматики.

Сегодняшние процессы управления стали настолько сложны, что превысили возможность человека выбирать наивыгоднейшие варианты организации взаимосвязей в сложных технических системах и своевременно их контролировать. Трудно стало в таких условиях «вручную», на основе личных способностей и опыта, создавать производство с бесперебойным ходом его многочисленных внешних и внутренних механизмов и увязывать все этапы планирования. Возникла совершенно новая (по сравнению с механизацией и малой автоматизацией технологических процессов) проблема — автоматизация умственной деятельности, основанной на достижениях теории управления, кибернетики и на базе широкого использования электронной вычислительной и измерительной техники. Применение последней сделало возможным выполнение таких работ и получение таких результатов, которые раньше были совершенно немыслимы.
Три звена одной цепи
В основу построения мехатронных систем (МС) заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов, объединенных энергетическими и информационными потоками. Мехатронные элементы выбираются на стадии проектирования изделия, а затем при его производстве и эксплуатации обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка. В этом радикальное отличие МС от обычных систем, в которых зачастую объединяют разнородные механические, электронные и информационно-управляющие устройства различных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы, например некоторые гибкие производственные системы в машиностроении, показали на практике низкую эффективность.
Основа мехатронных систем базируется на методах параллельного проектирования. Последовательно проводится разработка ее механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей, а затем осуществляется выбор интерфейсных блоков. Из таких модулей, как из функциональных кубиков, компонуются сложные системы модульной архитектуры. Электромеханическая часть включает механические звенья и передачи, рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнительные элементы. В электронную составляющую входят микроэлектронные устройства, силовые преобразователи и электроника измерительных цепей. Сенсоры обеспечивают сбор данных со всех участков процесса с последующей первичной их обработкой и передачу этой информации на компьютер.
преимущества МС
Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления, в целенаправленное механическое движение. Аппаратное объединение элементов в единые конструктивные модули обязательно сопровождается разработкой интегрированного программного обеспечения, позволяющего непосредственно перейти от замысла системы через ее математическое моделирование к управлению функциональным движением в реальном времени. Применение мехатронного подхода при создании машин с компьютерным управлением определяет их основные преимущества по сравнению с традиционными средствами автоматизации: относительно низкую стоимость; высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления; надежность, долговечность и помехозащищенность; конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах) и т.д.
поколения МС
Если рассматривать появление МС на рынке наукоемкой продукции в историческом контексте, то в зависимости от интеграции составляющих элементов их можно разделять по уровням. На первом мехатронные модули объединяют только два исходных элемента, к примеру «мотор-редуктор», когда механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент. Такие системы активно применяются при создании различных средств комплексной автоматизации производства — конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов и др.
МС второго поколения появились в 80-х гг. в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили разработать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Их объединение с приводными элементми привело к появлению мехатронных модулей движения, по составу представляющих собой интеграцию трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных. Это управляемые энергетические машины — турбины и генераторы, станки и промышленные роботы с числовым программным управлением.
Третий уровень МС — сочетание новых прецизионных, информационных и измерительных наукоемких технологий, направленных на проектирование и изготовление интеллектуальных мехатронных модулей. Управление функ¬циональными движениями машин и агрегатов осуществляется с помощью микропроцессоров и контроллеров, созданных на их базе. Одновременно идет разработка новых принципов и технологий изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей — высокомоментных, бесколлекторных, линейных, датчиков обратной связи и информации. Развитие мехатронных систем сопровождается объединением их в комплексы на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких конгломератов — добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации.
мехатронные системы в действии
На большинстве современных предприятий производственные участки, где выполняются различные фазы технологического процесса, соединены между собой сетью передачи данных. Таким образом, компьютеризованные установки во всех подразделениях обмениваются информацией, и осуществляемые ими функции полностью взаимосвязаны. Предположим, в проектном отделе разрабатывается новое изделие. После того как специалист подготовит соответствующий чертеж, он передает программу, описывающую процесс его изготовления, на компьютеризованный станок, расположенный в заводском цехе. Данная информация распространяется по сети связи, которая соединяет между собой все подразделения завода. В результате станок обрабатывает заготовку в соответствии с командами, заложенными в машинной программе. Финансовые подразделения и склад-ской персонал поддерживают контакты с производством через другие вычислительные системы. Это позволяет администрации постоянно быть в курсе всего, что происходит на каждом участке предприятия. Затем готовое изделие отправляют на автоматизированный склад. Современная транспортно-складская система по технической структуре, характеру и режиму технологического процесса представляет собой типичную мехатронную систему. Она отличается исключительно четким рабочим режимом, который обеспечивается применением автоматизированных систем управления. Погрузочно-разгрузочные, складские и другие технологические операции планируются и выполняются в определенной последовательности. Кроме того, складской комплекс — это пункт переработки мощных внешних и внутренних информационных потоков. Они формируются как в виде документооборота, так и в форме сообщений, передаваемых по каналам связи. В подобной ситуации традиционные методы управления не обеспечивают синхронизацию материальных и информационных процессов, что задерживает обслуживание транспортных средств, оперативный учет многих тысяч наименований грузов и своевременное, в реальном масштабе получение достоверных сведений о состоянии дел. Оптимально руководить сложной транспортно-складской системой можно только с помощью МС.
наука будущего
Развитие мехатроники сопровождается рядом новых организационно-экономических проблем, требующих разрешения. Современные предприятия, приступающие к разработке и выпуску мехатронных изделий, в силу их технико-технологической сложности должны решить как минимум следующие задачи:
• интегрировать подразделения механического, электронного и иинформационного профилей в единые производственные коллективы;
• подготовить «мехатронно ориентирован-ный» персонал;
• связать информационные технологии из различных научно-технических областей в единую сеть для компьютерной поддержки мехатронных задач;
• стандартизировать и унифицировать все используемые элементы и процессы при проектировании и производстве МС.
Следует отметить, что хотя мехатроника, как новая область науки и техники, находится в стадии своего становления, объемы мирового производства устройств на ее основе ежегодно увеличиваются, охватывая все новые и новые сферы. Сегодня это станко- и автомобилестроение, робото-, авиационная, космическая и военная техника, нетрадиционные транспортные средства, офисная и вычислительная аппаратура, медицинское оборудование, бытовая техника. Уместно предположить, что эта конкурентоспособная и высококачественная продукция займет доминирующие позиции на рынках XXI века.