Мехатроника

[Mozo]

МЕХАТРОНИКА – ПОСТИЖЕНИЯ, ПЕРСПЕКТИВИ
Проф.д-р инж. Димчо Чакърски
1. Общи положения
Мехатрониката е сравнително нова наука, която започна да се преподава от преди няколко години (около 15 години) първоначално като отделна учебна дисциплина, след това се обособи като научно направление (специализация), а впоследствие се установи като отделна широкопрофилна специалност.
Мехатрониката е интердисциплинарна, като включва следните компоненти:
• Механични системи (възли, сглобени единици, механизми, устройства, уреди, машини и съоръжения)
• Електронни системи (микроелектроника, силова електроника, сензорика, акторика и др.)
• Информационни системи (компютърна техника, софтуер, моделиране, 3D проектиране, инженерен анализ, симулиране, CAD/CAM системи, интернет технологии и др.)
При мехатронните системи (МС) решаването на задачите става както по механичен, така и по цифрово-електронен път. Тук съществена роля имат взаимовръзките в конструкцията. Докато при конвенционалните системи проектирането, пространственото разположение на механизмите и електронните компоненти стават поотделно, МС се отличават с това, че процесът и електронната система се разглеждат от самото начало като пространствено и функционално интегриранr, т.е. като единна цялостна система. В този случай създаването на процеса се повлиява от електронната система още на етапа на проектирането му, което се нарича “симултанно проектиране” (simultaneous engineering).
По-доброто управление позволява в много случаи целевите стойности да се доближат до граничните с помощта на по-добри въздействия или експлоатация, а това позволява по-висока степен на автоматизация.
Мехатронно създадените системи често дават възможност за гъвкаво адаптиране към гранични условия. Част от изпълняваните функции и от тяхната прецизност стават програмируеми и оттук - могат да бъдат по-бързо променяни. Предварителната симулация намалява необходимостта от експериментални проверки с голям брой вариации на параметрите и ограничава броя на прототипите.
Когато основните механични и електронни системи се създават успоредно, а функционалната интеграция се извършва предимно по програмен път, се създава възможността за ускорено излизане на пазара.
Изходна база за създаване на МС са класически структурираните механично-електронни системи с комбинирани сглобени елементи. Различават се две форми на интеграция: интеграция на компоненти и интеграция чрез изпълняваните функции.
Интеграция на компонентите (хардуерна интеграция) се осъществява чрез “органично” вграждане на сензори, актори и микрокомпютри в механичния
процес. Тази частична и структурна интеграция може да бъде ограничена до процес и сензор или до процес и актор.
Интеграцията чрез функции се основава най-вече на съвременните методи на автоматизиращата, измервателната и регулиращата техника. Наред с основната взаимосвързаност може да съществуват и допълнителни влияния на базата на знания за процеса и съответна обработка на информацията от по-високи нива. Решенията на съответните проблеми са под формата на алгоритми в реално време, които трябва да бъдат адаптирани към характеристиките на механичния процес и наличния базисен софтуер. По този начин се постига функционална интеграция на всички компоненти чрез софтуера.
При мехатронните системи съществува важна особеност, изразяваща се в това, че частичните системи (компоненти), които се интегрират, принадлежат към съвсем различни области. От голямо значение за функционалността на цялостната система е взаимодействието между механичните и цифрово-електронните компоненти. Докато при конвенционалните системи конструирането и изработката на механичните и електронни компоненти се отличават с максимална независимост на едните от другите, то мехатронните система се характеризират с това, че още на фаза концепция се цели създаването на пространствено и функционално цялостна интегрирана система.
След интеграцията МС позволяват множество усъвършенствания, като при необходимост могат да се въвеждат и нови функции.
Проектирането на мехатронни системи започва често с извършването на системни проучвания. Това е необходимо поради факта, че често съществуват множество възможни алтернативни решения, които трябва да бъдат оценени и сравнени.
Към момента нивото на развитие в посока цялостна интеграция е изразено в различна степен. Напълно интегрирани системи съществуват вече при много от изделията на фината механика, докато при машинните възли и единици едва сега се наблюдават признаци за такова развитие. При машините мехатронното проектиране досега беше ограничено само до някои отделни компоненти. Създаването на МС е голямо предизвикателство към електро- и машинните инженери, както и че мехатронното развитие е принципно важно за всяка технологична високоразвита страна.
Интеграцията чрез обработка на информацията по отношение на високопроизводителни МС изисква системно и съгласувано проектиране на всички компоненти.
2. Развитие на мехатрониката и автоматизацията на производството
През ХХ век автоматизацията постепенно се оформя като самостоятелна интердисциплинарна наука.
През 1905год. Форд реализира идеята за монтажния конвейер. За целта той из-ползва специалисти от друго производство - хартиената промишленост, тъй като те имали опит в непрекъснатите процеси.
На базата на устройствата с твърдо програмиране през 20-30-те години е реализирана така наречената твърда автоматизация.
През 1923 год. е осъществен проект на автоматична линия от агрегатни машини, предназначени за обработка на блокове на ДВГ от английската фирма Морис. Основната машина включена в нея извършва 53 различни операции по обработването на цилиндри. Със своята 60 - метрова дължина и производителност 15 изделия на час тя е внушително съоръжение дори и за днешните мащаби. Управлението става изцяло с помощта на механични средства.
В края на 30 -те години в Русия под ръководството на конструктора Иночкин е създадена първата АЛ за производство на лагери. Неин наследник е първият за-вод- автомат, изграден край Москва и пуснат през 1950год., произвеждащ автомо-билни бутала.
През 50-те години полуавтоматичният завод на концерна “Дженерал Електрик” вече имал конвейер със заети 1400 работници. Концернът поставя за-дачата за гъвкаво производство.Важна предпоставка за решаването и е създаване-то на ЕИМ и използването и като управляващо устройство. Тя е изобретена от докторът по физика и професор в университета на Айова Джон Винсент Атанасов през 1937год. През 1939 год. Атанасов заедно с младия електроинженер Клифърд Бери започва работа върху прототипа на машината, в която неговите идеи нами-рат първата си техническа реализация.
В машиностроенето през 50 -те години се разработват типови технологични процеси, позволяващи лесно да се променя програмата на машината, а също се из следват пътищата, по които това може да се осъществи.
Развитието на компютрите и машините с ЦПУ са двете условия, които дават тласък за разработването на промишлените роботи.
През 1958 год. двама американски инженери - Джордж Девол и Джоузеф Енгелбергер, основават компанията “Юнимейшън”. Тя трябва да се заеме с реализацията на идеите, изложени от Девол в един патент, регистриран през 1954 год. Предмет на този патент е “програмируемото транспортиращо устройство”. Проектно - конструкторската работа се увенчава с успех през 1961 год. Тогава в един от заводите на “Дженерал мотърс” е инсталирано първото устройство, наречено с гръмкото име “робот”. Може определено да се каже, че от този период започва и развитието на мехатрониката.
Нилсон е въвел понятието интегрален робот, под което разбирал система на база изкуствен интелект, която активно взаимодейства с външната среда.
Активно се изучават и локалните роботи - работни органи на машини със затворени външни обратни връзки. Един от първите варианти е била ръката на
Ернст - система “око-ръка”, разработена в Масачузетския технологически инсти-тут (САЩ) под ръководството на Мински и Поперт.
Наличието на гъвкаво пренастройваеми машини и обслужващи ги роботи дава възможност за създаването на първата гъвкава автоматизирана производствена система (ГАПС). Първата реализация е на база концепцията на Уилямсон - директор на направлението за развитие и разработки на фирмата “Молинз” - Великобритания. Той пръв предлага в завършен вид гъвкава система за механична обработка на детайли. Тази система е получила наименованието “Систем 24”, тъй като е била предназначена за работа в течение на 24 часа и се управлявала от ЕИМ.
Следващата стъпка - създаване на напълно автоматизиран завод се извършва от японската фирма”Фуджицу Фанук” през осемдесетте години.
В Република България първият промишлен робот е създаден от катедра “АДП” през 1972 година. По същото време се създадоха и първите машини с ЦПУ и автоматични линии в ИММ-София. Първата гъвкава производствена система е създадена и внедрена в Завода за правотокови двигатели “Г. Костов”-София от български специалисти през 1982 година. През 1983 година е внедрена първата същинска гъвкава автоматизирана производствена система в Завод “Берое”-Стара Загора, разработена от японски специалисти.
3. Постижения и новости в развитието на мехатрониката и автоматизацията на дискретното производство
През последните 35-40 години във всички високоразвити индустриални страни се проявява голямо внимание към машиностроителното производство и неговата автоматизация, с оглед оползотворяване на огромните резерви в него. Реализирани бяха или са в процес на реализация амбициозни програми, инвестирани бяха огромни средства. В кратки срокове беше изградена огромна индустрия за конструиране и производство на автоматични комплекси и всичко необходимо за тяхното изграждане – надеждни градивни единици, качествена елементна база, програмно осигуряване и др. На тази осова се осъществи ускорено обновление на производствения апарат в машинния парк на дискретното производство. Впечатляващи са успехите на автоматизацията на дискретните основни и спомагателни процеси и операции и в изграждането на интензивно автоматизирано дискретно производство в различните отрасли. Изключително високи са резултатите от осъществената автоматизация.
Автоматизацията на производството в машиностроенето е теоретико- приложно научно направление. То се е развило с развитието на науката и техниката. Повечето технологични, конструктивни, компоновъчни и експлоатационни параметри на автоматизиращата техника се избират на основата на теорията на производителността на машините, теорията на надеждността на машините, инженерната теория на икономическа ефективност, теория на
автоматичното управление и регулиране, теорията за структурното изграждане на автоматизираща техника, комплексно системния подход, математическото моделиране оптимизация и др.; чиято съвкупност представлява научно-теоретичните основи на автоматизацията.
Тези теоретично-научни основи на автоматизацията на производството непрекъснато се обогатяват и разширяват. Развитието на автоматизацията на производството на съвременния етап е свързано с разширяването на асортимента от автоматизираща техника и с повишаване на нейните възможности. Търсят се ефективни решения за автоматизация на основата на многовариантност, предварително моделиране и изследване на автоматизираните комплекси преди тяхното реализиране. Особено актуален за автоматизацията е проблемът за правилната обективна оценка и внедряването на най-новите методи и средства за автоматизация при съчетаване с традиционните. При усъвършенстването на съществуващата и при създаването на нова автоматизиращата техника все повече се използват съвременни математически методи, реализирани програмно и големите възможности на компютърната техника, която вече е обективна необходимост при инженерната дейност.
В индустриално развитите държави ежегодно се повишава степента на автоматизация. Понастоящем степента на автоматизация в САЩ е 39%, в Япония- 45%, в Европа-32%, в България-10 %. От Европейските страни най-много се инвестира в автоматизацията и роботизацията на производството в Германия през 2001 г. са инвестирани 23,3 милиарда долара, от които 6 милиарда долара – софтуер за управление на автоматизираща техника. Ръстът през 2001 г. е с 6 % спрямо 2000 г. Общият ръст на производството в Германия е 4 % . В Япония работи около 23 % от автоматизиращата техника в световен мащаб, в Германия – 10 %.
В края на 2005 г. в световен мащаб се намират в експлоатация над 1,1 млн. промишлени роботи (ПР). От тях над 450 000 бр. ПР работят в Япония, над 420 000 бр. в Европа, 110 000 бр. ПР – в САЩ и останалите в Азия и Африка. От Европейските страни най-много ПР има в Германия – 110 000 бр., Италия – 60 000 бр., Великобритания – 30 000 бр., Франция – 20 000 бр. и др.
В Република България понастоящем работят над 1050 бр. промишлени роботи, а степента на автоматизация е около 11 %.
Съществува тенденция за непрекъснатото увеличаване на ПР, работещи в индустрията и бита. Предвижда се през 2020 г. широко да се разпространяват персонални промишлени роботи, които да бъдат пръв помощник на човека в разнообразната му физическа и интелектуална дейност.
Катедра “Автоматизация на дискретното производство” в своето 35 годишно развитие има редица успехи както в образованието, така и в науката и практиката. Катедрата е разработила и внедрила над 110 научно-изследователски проекти, повечето от които са предадени на потребителите “под ключ”. Особено значими са успехите при автоматизацията на производството и монтажа на малки детайли и изделия. Създадена е гама от автоматизиращи устройства, за които са обособени типови редове. Това са вибрационни бункерни захранващи устройства (7 типоразмера); вибрационни линейни транспортьори (3 типоразмера);
пневматични транспортьори на въздушна възглавница (5 типоразмера); отсекателни устройства (5 типоразмера); гъвкава манипулационна система АДП 200 (3 вида модули – 10 типоразмера ); гъвкава манипулационна система АДП 1000 (3 вида модули – 10 типоразмера); гама модули за транслация и ротация с товароносимостот 1 да 10 кg (общо 50 типоразмера). Разработени са типови решения на разнообразни автоматични комплекси: автоматизирани технологични модули; роботизирани технологични модули; монтажни автомати; автоматични линии и др. Повечето от създадените образци са внедрени в производствената практика. Катедрата активно работи по приложението на компютърна техника във всички учебни дисциплини и в НИРД. Създадена е интегрирана CAD система за проектиране и изследване на автоматизирани комплекси за малки детайли, като е разработена графична библиотека от 3D модели на посочените по-горе автоматизиращи устройства. Тази система облекчава значително труда и позволява оптимизиране на създаваните решения за автоматизация.
Все повече ще се разширяват интелигентните производствени системи, които съчетават възможностите на автоматизиращата и компютърната техника.
Непрекъснато се повишава приложението на роботите в медицината при извършване на хирургически операции, рехабилитация на крайници, напасване на изкуствени стави и др.
С всяка измината година се наблюдава развитие на методите и средствата за автоматизация. С помощта на съвременните компютърни методи и софтуер се проектира нова автоматизираща техника с оптимални основни показатели и технически параметри. Паралелно с това се усъвършенстват съществуващите техники чрез предварително разкриване на техните места и неизползваемите резерви.
Могат да се различат следните по-характерни особености в развитието на мехатрониката и автоматизиращата техника през последните 5 години:
• Оптимизиране на конструкциите на автоматизираща техника и мехатронните системи чрез използване на съвременни CAD системи за 3D проектиране и прилагане на методите за инженерен анализ CAE (метод на крайните елементи, статичен и динамичен анализ, анимация, симулиране и др.);
• Подобряване на дизайна на автоматизиращите и мехатронни системи (АМС) и качеството на документирането чрез използване на компютърна техника;
• Усъвършенстване на задвижванията и управленията на АМС чрез използване на паралелна кинематика, линейни задвижвания и др.;
• Създаване на нови конструкции автоматични производствени машини и промишлени роботи;
• Създаване на нови високопроизводителни инструменти;
• Развитие на нови ефективни прогресивни технологии;
• Увеличаване бързодействието на автоматизиращата техника до 25 m/s – линейна скорост и до 720o – кръгова скорост; обороти на вретената до 25 000 об/min
• Разширение на областите на приложение на автоматизиращата техника, в т. ч. медицина, услуги, бита и др.;
• Организиране на индустрия за производство на автоматизираща техника;
• Разработване и внедряване на обекти за комплексни ефективни решения за автоматизация;
• Интеграция на дейностите “планиране-проучване-производство-монтаж-пласмент” чрез използване на CIM технологиите;
• Разработване и внедряване на интелигентни системи.
Във всеки период на развитие би следвало да се отчитат приоритетните отрасли. В следващите години все по-голямо внимание трябва да се обръща на автоматизиращата техника и автоматизацията на производството. Необходимо е да се закупуват или проектират такива образци, които осигуряват висока производителност, надежда работа, пренастройваемост, безопасност и екологична среда. В Република България има натрупан значителен опит при проектирането, експлоатацията и внедряването на автоматизиращата техника и съоръжения. Може да се използва собствен опит и опита на развитите страни като се търсят научнообосновани решения, удовлетворяващи посочените изисквания. В тази дейност все повече ще се разчита на учените от висшите училища.
По правило новите машини и съоръжения, които ще се внедряват трябва да бъдат с автоматизиран работен цикъл, с възможност за свързване в по-сложни линии и комплекси.
Трябва да са екипирани с подходящи автоматизиращи и други приферни устройства, които да имат необходимото бързодействие.
Трябва да се подбира оптимална степен на автоматизация на автоматизиращата техника, съобразена с конкретното производство и условията, които го обуславят.
Автоматизацията е била и ще бъде винаги мощно средство за постигане на високи технико-икономически показатели на производството, за получаване на достатъчно количество произвеждани изделия, за постигането на ръст на производствата, подобряване жизненото равнище на нацията, за конкурентност на изделията, за подобряване на околната среда чрез използването на безотпадни технологии и др.
Автоматизацията не трябва да се подценява във всеки период на развитие, защото чрез автоматизацията ще се подобрят производствените показатели и ще се оздрави производството на редица изделия. Инвестирането в автоматизацията ще доведе до бъдещи положителни резултати, които ще спомогнат за следващи инвестиции в името на бъдещето на нацията. Обликът на една държава се определя предимно от нивото на технологиите и техниката на производството на разнообразни изделия. Само чрез разумна техническа политика може да се изгради високоавтоматизирано производство, което да направи държавата ни модерна, гражданите по-богати и преуспяващи.
4. Обучение в областта на мехатрониката
Специалността “Мехатроника” се изучава в машиностроителните факултети на Университетите в Европа (Германия – 8 университети, Белгия – 3 университети, Холандия – 2 университети, Финландия и Унгария – по два университети, Словения, Македония, Сърбия и Черна гора, България – по един
университет), САЩ (над 10 университети), Канада (5 университети), Япония (3 университети), Австралия (3 университети), Нова Зеландия (1 университет) и др.
Машиностроителният факултет на Техническия университет – София участва заедно с машиностроителните факултети на ТУ – Илменау, ТУ – Будапеща, Нишкия университет и Скопския университет в международен проект по “Мехатроника”, финансиран от DAAD – Германия през периода 2000 – 2005 год. Целта на проекта беше създаването на специалности по мехатроника в университетите, участници в проекта.
В ТУ – София Мехатроника беше разкрита най-напред за магистърския курс на специалността “Машиностроене и уредостроене” от учебната 2002/2003 учебна година, а от 2004 год. – за бакалавърската степен. За тази образователно-квалификационна степен има държавен прием от учебната 2005/2006 учебна година.
Специалността “Мехатроника” позволява на завършващите да получат задълбочена теоретична и практическа подготовка по координирани европейски планове в областите: машиностроене, уредостроене, електротехника, електроника, информационна и системна техника и др. с цел създаване, внедряване и експлоатация на мехатронни системи с разнообразно предназначение.
Специалността дава достатъчна общоспециална подготовка и солидни базисни знания, необходими при осъществяването на бъдеща инженерно-научна дейност и осигуряващи подходяща професионална гъвкавост. Тя дава знания за методологичния подход при проектирането и внедряването на мехатронни системи с разнообразно предназначение.
В бакалавърския курс на специалността “Мехатроника” са предвидени два основни модули: роботизираща техника, финно-механична техника. Във всеки от модулите са включени по шест специализиращи дисциплини, които конкретизират и задълбочават подготовката в съответното направление.
Водещи и отговорни катедри за обучението по специалността “Мехатроника” от Машиностроителния факултет на ТУ – София са катедра “Автоматизация на дискретното производство” и катедра “Прецизна техника и уредостроене”, като при обучението са ангажирани и редица други катедри и факултети от Техническия университет - София.
Учебният план за обучението на студенти в специалност “Мехатроника” е съобразен с изискванията на ТУ – София и до голяма степен е взаимстван от учебните планове на водещи университети от Европа и преди всичко от Германия. Това ще позволи осигуряването на мобилност на студентите и обмяна на кредитни единици при преминаване от едно висше училище в друго.
5. Примерни решения в областта на мехатрониката
Дадени са илюстрации на някои разработки, свързани с 3D проектиране на мехатронни системи. Това са предимно средства за автоматизация, които съдържат в себе си трите компоненти на мехатрониката.
Фиг.1 Меню за създаване на 3D модел на автоматично винтозавиващо устройство
Фиг.2 3D модел на автоматично винтозавиващо устройство
а)
б)
в)
г)
Фиг. 3 3D фотореалистични модели на АК “ADP” в средата на CAD системата SolidWorks:
а) АК за пробивни операциии; б) Роботизиран модул;
в) АК за резбонарязване;
г) АК за механообработка на детайл тип “клапан”.
6. Изводи
• Разгледани са специфичните особености на направлението мехатроника
• Направен е анализ на развитието на мехатрониката и автоматизацията на производството
• Разгледани са постиженията в развитието на мехатронните и автоматизиращите системи
• Направен е анализ на обучението по мехатроника
• Дадени са конкретни примери по 3D проектиране на мехатронни системи
Проф. д-р инж. Димчо Стоилков Чакърски – ръководител на катедра “Автоматизация на дискретното производство” при Машиностроителния факултет на Техническия университет – София.
Автор е на над 180 научни статии, 20 книги, учебници и учебни пособия. Експерт и консултант е по проблемите на: Автоматизация и роботизация на производството; Автоматизираща техника и автоматични комплекси; CAD/CAM системи; Мехатроника и мехатронни системи.
Тел./факс: 965-36-85 E mail: adp@tu-sofia.bg; dimost@tu-sofia.bg