Конспект лекций по КММ

мехатронного модуля движения на рис. 4.2

Механико-информационное преобразование

Рис. 4.2

и интеллектуального мехатронного модуля на рис 4.3

электро-информационное преобразование

механико-информационное преобразование

Рис. 4.3

После составления функциональной модели конструктор принимает решение о том, какими аппаратными средствами можно эффективно реализовать полученную функциональную модель, т.е. про-

вести функционально-структурный анализ. Результатом работы на этом этапе является структурная модель мехатронного модуля. Эту модель графически так же как и функциональную модель изображают в виде прямоугольных блоков и стрелок. Только в этом случае структурные блоки изображают отдельные аппаратные части мехатронного модуля, т.е. устройства, входящие в его состав, а стрелки изображают межблочные связи. Для электромеханических мехатронных модулей блоками могут быть:

для мехатронного модуля движения на рис. 4.5

И1

И2

И3

ИУ

Рис. 4.5

для интеллектуального мехатронного модуля на рис. 4.6

Рис. 4.6

В зависимости от физической природы входных и выходных переменных интерфейсные блоки могут быть как механическими (например, муфты), так и электронными. Их проектирование, изготовление и наладка создают серьезные проблемы для разработчиков. Поэтому в мехатронных модулях стремятся к их сокращению и в идеале к полному уничтожению. Этого можно достичь при высокой степени интеграции элементов мехатронного модуля на стадии его проектирования.

Сравнивая функциональную и структурную модели мехатронного модуля видно, что суммарное количество основных и интерфейсных блоков в структуре модели значительно превышает число необходимых функциональных преобразований, т.е. существует структурная избыточность. Наличие избыточных блоков приводит к снижению надежности и точности работы мехатронного модуля, ухудшению его массогабаритных показателей. Поэтому необходимо стремиться к сокращению числа структурных блоков в структуре мехатронного модуля, реализации заданных функциональных преобразований минимальным числом структурных и конструктивных элементов, объединяя два и более элемента в единые многофункцио-

нальные модули, перераспределяя функциональную нагрузку от аппаратных блоков к интеллектуальным (электронным и компьютерным) компонентам. Однако однозначно выбрать структурную модель мехатронного модуля по его функциональной модели не всегда возможно. В реальном процессе проектирования перед конструктором стоит важная задача проработки нескольких возможных вариантов структурной реализации модели и выбора наилучшего решения.

После проведения функционально-структурного анализа и вы-

бора структурной модели мехатронного модуля проводят его струк-

турно-конструктивный анализ с целью создания конструктивной модели.

Структурно-конструктивный анализ заключается в выборе ти-

пов и числа основных и дополнительных, если необходимо, конструктивных элементов, вводимых в состав мехатронного модуля с целью обеспечения его высокой работоспособности, надѐжности, долговечности, точности и т.п. Основными конструктивными элементами мехатронного модуля могут быть: устройство компьютерного управления, цифро-аналоговый преобразователь, контроллер, силовой преобразователь, двигатель, механический преобразователь, датчики обратной связи, устройство обратной связи и т.д. Дополнительные конструктивные механические элементы, входящие в состав механического преобразователя мехатронного модуля: тормозные, предохранительные, люфтовыбирающие, демпфирующие устройства, направляющие и т.п. Они позволяют, например, остановить выходное звено в нужном месте, предохранить мехатронный модуль от перегрузок, выбрать люфт и т.д.

В результате получают конструктивную модель мехатронного модуля, которая даѐт полное представление о числе, типе, порядке расположения и взаимодействии основных и дополнительных конструктивных элементов в мехатронном модуле.

Примеры конструктивных моделей мехатронных модулей приведены на рисунках:

модуля движения (рис. 4.7)

Рис. 4.7

мехатронного модуля движения (рис. 4.8)

Фотоимпульсный датчик ЛИР – 219А

Аналого-цифровой преобразователь

AD7714

Фотоимпульсный датчик ЛИР – 219А

Рис. 4.9

4.2. Критерии интеграции мехатронных модулей

Рассмотрим некоторые критерии, по которым можно сравнивать различные модели мехатронных модулей и их конструктивные решения в зависимости от уровня функциональной, структурной и конструктивной интеграции.

Такими критериями являются: показатели функциональной, функционально-структурной, структурно-конструктивной интеграции, мехатронности и дополнительного качества, структурной избыточности, структурной связности и компактности, функциональной нагрузки, кинематической точности, надѐжности и др.

для интеллектуального мехатронного модуля (см. рис. 4.12, б)

JS 76 1,167.

Таким образом, при проектировании мехатронных модулей необходимо стремиться к увеличению показателя функциональноструктурной интеграции, что приводит к уменьшению числа структурных блоков и, соответственно, числа основных конструктивных элементов.

Показатель структурно-конструктивной интеграции – это отношение числа основных структурных блоков NS (числа базовых конструктивных элементов NБ) в мехатронном модуле к сумме чисел основных структурных блоков и дополнительных конструктивных элементов NД, вводимых для повышения качества его работы

[17]:

При отсутствии дополнительных конструктивных элементов JK=1. С увеличением числа вводимых в мехатронный модуль дополнительных конструктивных элементов показатель структурноконструктивной интеграции уменьшается, качество его работы улучшается, массогабаритные показатели и надежность ухудшаются.

Исходя из этих противоречий конструктор должен решить, какое количество дополнительных конструктивных элементов ему необходимо вводить в состав мехатронного модуля.

Например, для мехатронного модуля движения введение двух дополнительных конструктивных элементов тормоза и люфтовыбирающего устройства приводит к значительному уменьшению показателя структурно-конструктивной интеграции:

Показатель мехатронности связывает между собой показатели функциональной, функционально-структурной и структурноконструктивной интеграции [17]:

Если рассматривать мехатронные модули без дополнительных конструктивных элементов (NД=0) и с начальным уровнем функцио- нально-структурной интеграции, т.е. такие, в которых каждый структурный блок выполняет только одно функциональное преобразование, то получим максимальное значение показателя мехатронности:

для модуля движения Jmax = 0,29;

для мехатронного модуля движения Jmax = 0,43;

для интеллектуального мехатронного модуля Jmax = 1. Показатель мехатронности J больше единицы могут иметь ин-

теллектуальные мехатронные модули с более высоким уровнем функционально-структурной интеграции. Если число структурных блоков, а следовательно, и число базовых конструктивных элементов в мехатронном модуле меньше числа функциональных преобразований, то показатель мехатронности становится больше единицы. Например, при использовании регулироемого высокомоментного двигателя преобразователь движения можно исключить. Также вместо устройства компьютерного управления и цифро-аналогового преобразователя можно использовать контроллер. В этом случае число структурных блоков сократиться на два блока и, например, для интеллектуального мехатронного модуля (рис. 4.13), становится равным пяти.

УОС

ИУ

Рис. 4.13

Тогда показатель мехатронности будет равен:

Таким образом, показатель мехатронности показывает степень приближения мехатронного модуля к суперинтегрированному интеллектуальному мехатронному модулю (JСИИММ=7), осуществляющему семь функциональных преобразований одним конструктивным элементом.

При конструировании мехатронных модулей необходимо стремиться показатель мехатронности увеличивать.

Каждый мехатронный модуль обладает некоторым уровнем качества работы, который условно можно принять равным единице. Однако он не всегда достаточен для удовлетворения требований технического задания. Поэтому вводят показатель дополнительного качества, который показывает превышение качества работы мехатронного модуля при наличии дополнительных конструктивных элементов по отношению к ниму без них [17]:

Наличие дополнительных конструктивных элементов приводит к улучшению качественных показателей работы мехатронного модуля, но при этом увеличиваются его массогабаритные параметры, снижаются долговечность и надежность, возрастает стоимость.

На рис 4.14 изображены графики изменения показателя мехатронности J и показателя дополнительного качества Э в зависимости от изменения числа дополнительных конструктивных элементов NД для мехатронных модулей различных видов функциональной интеграции. При этом уровень функционально-структурной интеграции для всех мехатронных модулей одинаков и соответствует случаю, когда число применяемых структурных блоков равно числу выполняемых функциональных преобразований (NS=NF).

J, Э

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2