Конспект лекций по КММ

152

Глава 7 ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

7.1. Общие положения конструирования.

Конструирование (проектирование) – логический мыслитель-

ный процесс, в котором соединены интуиция, творчество, искусство, умение целенаправленно творчески работать, увязывая достижения науки, накопленный опыт, прогнозирование перспектив, возможности производства; это одна из эмпирико-интуитивных форм творческой деятельности, плохо поддающаяся изучению, формализации и алгоритмизации; это длительный, трудоемкий, требующий больших материальных затрат процесс, который может быть осуществлен на высоком техническом уровне, если конструктор овладеет методикой проектирования, накопит большой и специфичный для данной отрасли опыт конструирования; это комплекс работ, направленный на изыскание, исследование, расчет и разработку конструкторской документации объекта проектирования.

В данном учебном пособии объектом конструирования является мехатронный модуль.

Целью конструирования является создание мехатронного модуля, отвечающего требованиям заказчика.

Суть конструирования – обеспечение высоких показателей функционирования мехатронного модуля.

Задача конструирования – разработать мехатронный модуль, обеспечивающий оптимальное выполнение функционального движения выходного звена.

Необходимость в конструировании возникает после описания некоторой совокупности потребительских свойств, которыми должен обладать объект проектирования. Эти свойства являются входом процесса проектирования, выходом является конструкторская документация, по которой можно изготовить объект, удовлетворяющий этим свойствам.

Конструирование включает в себя три основные стратегии: анализ, синтез и оценку, т.е. “расчленение задачи на части”, “соединение частей по-новому” и “изучение последствий от практического внедрения нового изделия”. Эти стадии при конструировании могут повторяться многократно, каждый следующий цикл отличается от предыдущего большей детализацией и меньшей общностью.

Одной из основных задач при проектировании мехатронных модулей является повышение эффективности процесса конструирования.

Конструирование современных модулей основано на переносе функциональной нагрузки от механических устройств к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным) компонентам. Такой подход в конструировании называют мехатронным. Он диктует новые требования к элементам различной физической природы, входящим в состав мехатронных модулей, что, в свою очередь, ведет к развитию новых технологий и конструкторских решений.

Добиться качественно новых характеристик мехатронных модулей позволяет концепция встроенного проектирования, которая предполагает синергетическую интеграцию различных элементов в едином корпусе на основе современных научно-технических знаний в области конструирования, технологий изготовления и управления модулями. При этом необходимо не просто объединить отдельные части в систему с помощью типовых соединений, а сделать конструктивные связи в мехатронном модуле неразрывными и взаимопроникающими, а также обеспечить преобразование информации о программе движения выходного звена модуля в целенаправленное его движение.

Интеграция элементов различной физической природы в мехатронных модулях позволяет перейти на более высокий качественный уровень выполнения им основных технических показателей

– скорости и точности движения выходного звена, а также обеспечить компактность конструкции и способность ее к быстрой реконфигурации.

Что же мешает в этом конструктору?

сила привычки (новые проблемы решают старыми методами);

узкопрактический подход (вместо всестороннего обдумывания конструктор сразу берѐтся за решение задачи);

отсутствие гибкости мышления (скрепку можно использовать по прямому назначению, а также как крючок и дырокол);

чрезмерная специализация (необходимо расширять свои знания в различных областях);

боязнь критики;

влияние мнения авторитетов.

СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕГРАЦИЯ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ 155

учет требований и критериев (показателей) качества, которые должны быть реализованы при создании конструкции, и переход к оптимальному проектированию;

иерархическое представление структуры мехатронного модуля, установление связей и выявление противоречий;

итерационный характер процесса конструирования;

изучение предшествующего опыта, учет последовательности развития объекта и результатов, полученных во время экспериментальной отработки и при эксплуатации;

определение перспектив развития.

7.3.Синергетическая интеграция при конструировании

Конструирование мехатронных модулей осуществляют с использованием принципа синергетической интеграции.

Синергетическая интеграция заключается в объединении в единый модуль элементов различной физической природы для достижения единой цели – качественного исполнения требуемого функционального преобразования. Достижение этой цели является сложной творческой и технической задачей. Ее решение основывается на современных научно-технических знаниях в области конструирования, технологий изготовления и управления машинами в сочетании с инженерной интуицией и изобретательством.

При конструировании мехатронного модуля необходимо не просто связать различные элементы в систему с помощью типовых соединений, а сделать конструктивные связи в нем взаимопроникающими и неразрывными. При этом задача конструктора заключается в нахождении наилучшего соответствия между заданной функцией мехатронного модуля и его конструктивным исполнени-

ем [30].

Синергетическую интеграцию при конструировании мехатронных модулей осуществляют тремя способами: функциональной, функционально-структурной и структурно-конструктивной интеграцией.

Функциональная интеграция представляет собой создание функциональной модели мехатронного модуля добавлением в существующую функциональную модель дополнительных функциональных преобразований с целью улучшения качества работы мехатронного модуля.

Функционально-структурная интеграция заключается в нахождении структурной модели мехатронного модуля, реали-

156 Глава 7. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

зующей заданные функциональные преобразования минимальным числом структурных блоков. Она направлена на выбор проектных решений, обеспечивающих объединение некоторых структурных блоков, а следовательно и исключение смежных с ними интерфейсов.

Структурно-конструктивная интеграция заключается в выборе типов и минимального числа основных и дополнительных, если необходимо, конструктивных элементов, вводимых в мехатронный модуль с целью обеспечения заданных функциональных преобразований с максимальной эффективностью, т.е. высокой работоспособностью, надежностью, долговечностью, точностью и т.п.

Интеграция предполагает не только аппаратное объединение элементов, но и организацию интегрированных информационных процессов в интеллектуальных модулях.

Синергетическая интеграция при конструировании мехатронных модулей основана на трех базовых принципах:

реализации заданных функциональных преобразований минимальным числом структурных блоков и конструктивных элементов путем объединения компонентов в единые многофункциональные модули;

исключение избыточных структурных блоков и интерфей-

сов;

перераспределение функциональной нагрузки от аппаратных блоков к интеллектуальным (электронным и компьютерным) компонентам.

Практическая реализация принципов синергетической интеграции позволяет обеспечить преимущества мехатронных модулей по сравнению с традиционными приводами и добиться качественно новых показателей по компактности конструкции, скорости и точности движения выходного звена.

7.4. Этапы конструирования

Мехатронные модули представляют собой особый класс технических устройств, состоящих из нескольких компонентов различной физической природы, конструктивно объединѐнных в едином блоке. Данная разнородность отдельных элементов требует повышенной согласованности их создания. Поэтому современные концепции проектирования основаны на разделении процесса конструирования на параллельные потоки, каждый из которых соот-

ветствует синтезу какой-либо одной подсистемы (механической, электронной или электромеханической). При этом важно, чтобы эти потоки были взаимосвязаны между собой. В противном случае на заключительном этапе конструирования модуль, состоящий из полученных компонентов, может оказаться неработоспособным или не отвечать требованиям, оговоренным в техническом задании. На рис. 7.1 изображена блок-схема процесса “встроенного проектирования” мехатронного модуля. На ней показаны основные этапы синтеза мехатронного модуля. Первый этап подразумевает формирование исходных требований заказчиком. Однако эти требования могут быть неполными или не соответствовать реальным возможностям изготовителя. Поэтому окончательный вид технического задания утверждается после проведения технического анализа. На данном этапе конструирования конструктор, как правило, представляет себе общую концепцию будущего изделия, так как из содержания технического задания напрямую следует вид функциональной модели мехатронного модуля, а также множество возможных вариантов еѐ структурной реализации. Затем конструктор выбирает один из возможных вариантов структурной модели и процесс конструирования разбивается на три параллельных потока. Отдельно разрабатывают механическую, электромеханическую и электрическую части модуля.

Особую роль при конструировании играет графическая модель мехатронного модуля. С помощью нее можно проследить взаимовлияние различных компонентов друг на друга и оценить качество будущего модуля на предварительном этапе его создания. Поэтому главная цель использования графической модели - определение уровня соответствия характеристик конструируемого модуля требованиям, заложенным в техническом задании, без непосредственного изготовления опытных образцов. Если модуль удовлетворяет наложенным на него ограничениям по точности, быстродействию, массогабаритным характеристикам и т.д., то далее идет этап выпуска конструкторской документации и ее согласование со всеми внутренними службами предприятия-изготовителя, имеющими непосредственное отношение к производству мехатронного модуля. В противном случае конструктор должен внести необходимые изменения в структурную модель мехатронного модуля или использовать для ее реализации другие компоненты.

Сложность и противоречивость требований, предъявляемых к мехатронным модулям, обусловливает целесообразность мехатронного подхода к их проектированию, что приводит к обеспечению желаемого уровня качества модуля за счет конструктивного и

158 Глава 7. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

функционального взаимопроникновения его компонентов, многие из которых являются специализированными и создаются в ходе параллельного системного проектирования с учетом их последующего эффективного объединения, а также за счет выполнения неко-

Исходные технические требования

Технический анализ

Техническое задание

Функциональный

анализ

Функциональная модель (F-модель)

Функционально – структурный анализ

М а т е м а т и ч е с к а я м о д е л ь ( М – м о д е л ь )

Графическое моделирование

Графическая модель (G-модель)

Конструкторская реализация мехатронного модуля

Конструкторская

документация

Рис. 7.1

торыми компонентами нескольких функций одновременно, что дает возможность исключить ряд интерфейсов, упростить и удешевить конструкцию.

Проектирование мехатронных модулей проводят с использованием описанных выше критериев интеграции. Так как их количество достаточно большое, то при синтезе мехатронных модулей желательно учитывать как можно большое количество критериев, т.е. осуществлять многокритериальное проектирование.

7.5. Основы методики конструирования мехатронных модулей

Под методикой конструирования будем понимать последовательность, взаимосвязь и взаимообусловленность этапов процесса конструирования мехатронного модуля [19, 28].

Мехатронный модуль, который надлежит сконструировать, определим как часть некоторой мехатронной подсистемы, которая в свою очередь является частью более крупной мехатронной системы. Такое деление может считаться достаточно типичным, так как уровень сложности современных мехатронных систем заставляет уже при проектировании разбивать их на более мелкие подсистемы. При этом проектирование разделяют на две стадии – внешнее и внутреннее. Основным содержанием первой стадии проектирования является формулировка задачи, определение “входов” и “выходов”, а также существенных связей данного мехатронного модуля с другими частями мехатронной системы и с внешним окружением. Содержанием второй стадии является разработка принципиальной схемы, выявление наиболее важных технических характеристик модуля, вытекающих из его схемы и назначения, и затем подробная проработка конструкции.

Разрабатываемый мехатронный модуль должен быть достаточно рациональным. Критериями рациональности конструкции будем называть те признаки (оценки), по которым можно судить о рациональности создаваемого мехатронного модуля в ходе конструирования. К таким критериям можно отнести технологичность конструкции, минимизацию массы, минимизацию габаритов (объема), надежность, экономичность и т. д.

Выбор критериев рациональности конструкции зависит от множества взаимосвязанных переменных и прежде всего от данных технического задания.

АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ МОДУЛЯ С ВНЕШНИМ ОКРУЖЕНИЕМ 161

чень исходных технических требований задания охватывает широкий круг вопросов. Прежде всего в нем приводятся “входные” и “выходные” характеристики мехатронного модуля и основные параметры принципиальной схемы. Затем дается описание тех наиболее характерных внешних воздействий на мехатронный модуль, которые могут иметь место при его эксплуатации, а также вызванные этими воздействиями допустимые отклонения от нормальных режимов работы. Наконец перечисляются меры, обеспечивающие удобство работы оператора, обслуживающего персонала, потребителя. Эти требования составляют лишь часть того материала, который должен учитываться конструктором при последующей реализации задания. Поэтому до начала собственно конструирования мехатронного модуля, конструктор должен дополнить исходные требования задания новыми требованиями, выявленными им на основе самостоятельного анализа взаимовоздействий мехатронного модуля с окружением, а также исходя из соображений производственного, технологического и экономического характера. Дополненный перечень технических требований должен давать конструктору всестороннее и достаточно четкое представление о процессе функционирования готового мехатронного модуля в реальных условиях.

Технологические возможности реализации технического задания. Изучение технологических возможностей заключается в возможности выполнения задания, а также реализации тех дополнительных требований, накопление и формирование которых происходит уже на данном этапе. Конструктор решает вопрос сравнительной сложности изготовления применительно не только ко всему мехатронному модулю в целом, но и к отдельным узлам и даже деталям. При этом рассматриваются возможности производственной базы, технологии изготовления деталей, сборки, регулировки, настройки и т.д., то есть конструктор должен наглядно представить себе прохождение мехатронного модуля через заводские цеха.

7.5.2. Анализ взаимосвязей мехатронного модуля с внешним окружением

Под внешним окружением будем понимать всю ту материальную среду, которая, находясь вне мехатронного модуля, оказывает на него какие-либо воздействия или испытывает их со стороны мехатронного модуля.