В.2. Структура и принципы интеграции мехатронных систем

Объектом исследования в мехатронике как науке является мехатронная система, в состав которой входят:

- механическое устройство с преобразователями движения и рабочим органом;

- блок привода (исполнительный электро- либо гидропривод);

- интеллектуальное устройство управления с локальной системой регулирования исполнительным приводом и системой комплексной автоматизации.

На рис. В.3 приведена обобщенная структура мехатронной системы. Задачей мехатронной системы является преобразование информации о цели управления, поступающей с верхнего уровня от человека-оператора либо промышленного компьютера, в целенаправленное функциональное движение.

Сигнал задания обрабатывается локальной системой автоматического регулирования, усиливается и преобразуется в силовом электронном преобразователе и воздействует на исполнительный двигатель. Исполнительный двигатель совместно с преобразователем движения и рабочим органом совершает заданное движение и выполняет при этом необходимую полезную работу.

Рис. В.3. Обобщенная структура мехатронной системы

В процессе движения объект оказывает возмущающее воздействие на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы сопротивления металла при его прокатке, силы резания для операций механообработки, сила тяжести при подъеме груза и т.п. Поэтому с целью обеспечения заданного качества движения необходимо иметь информацию о фактическом состоянии внешней среды, механического устройства, исполнительных двигателей и силовых преобразователей. Для получения этой информации в мехатронную систему вводятся специальные датчики и информационные устройства.

В определение мехатроники под понятием синергетического объединения узлов механики, электротехники, электроники и интеллектуального управления заложено не простое соединение частей посредством механических сочленений и интерфейсных блоков (как это показано на рис. В.3), а их конструктивное встраивание в мехатронные модули. Здесь под модулем понимается функциональная часть системы, конструктивно выполненная как самостоятельное изделие.

Объединение двух элементов системы позволяет получить мехатронный модуль 1-го поколения. Типичным примером таких модулей является мотор-редутор, где механический редуктор и электродвигатель выпускаются как единый функциональный элемент. При этом сочленение двигателя и редуктора осуществляется без соединительной муфты путем закрепления вала двигателя в полом вале редуктора посредством шпонки. Примером мехатронного модуля 1-го поколения также является и современный преобразователь для питания электродвигателя, в котором одновременно с силовой схемой встроена система автоматического регулирования координатами электропривода и технологическими координатами.

Мехатронные модули 2-го поколения появились в 80-х годах в связи с развитием электронных технологий, позволивших создать миниатюрные датчики координат электропривода. Объединение двигателей с информационными датчиками привело к созданию так называемых мехатронных модулей движения, в которых достигнута интеграция уже трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных.

Главной особенностью современного – 3-го этапа развития мехатроники стало создание интеллектуальных мехатронных модулей, являющимися конструктивно и функционально самостоятельными изделиями с интеграцией механической, электротехнической, электронной и интеллектуальной частей. По сравнению с мехатронными модулями движения (2-го поколения) в конструкцию интеллектуальных модулей движения встраивается микропроцессорные устройства, что придает им интеллектуальные свойства.

Первые образцы интеллектуальных мехатронных модулей появились в середине 90-х годов ХХ века. Сегодня они выпускаются рядом фирм уже серийно, и в последние годы их доля на рынке быстро увеличивается. В современных интеллектуальных мехатронных модулях используются различные типы электродвигателей: вращательного и линейного движения, переменного и постоянного тока, вентильные, шаговые и др. В качестве преобразователей движения применяют зубчатые, винтовые и прочие передачи. Силовые электронные преобразователи реализуются как на основе тиристоров, так и на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором. В состав модулей входят датчики положения, скорости, тока и др. координат, дающих достаточную информацию о фактическом состоянии подсистем модуля и объекта в целом. Встроенные управляющие контроллеры позволяют получать надежно функционирующие изделия, обладающие интеллектуальными свойствами, а также позволяют строить на их основе многокоординатные мехатронные системы с децентрализованным управлением.

 

В.3. Задачи и структура учебного плана подготовки инженеров по специальности 220401 - Мехатроника

Подготовка инженеров по специальности 220401 – Мехатроника ведется в соответствии с Государственным образовательным стандартом, устанавливающим совокупность требований к структуре образовательной программы, ее объему, условиям реализации и результатам освоения.

В соответствии с требованиями стандарта подготовка инженеров по очной форме ведется на протяжении 5 лет с объемом занятий теоретического обучения 8262 часа или 260 недель. Обучение структурировано на периоды – курсы, семестры и экзаменационные сессии, между которыми предусмотрены каникулы, продолжительностью не менее 7 недель в год. Максимальный объем учебной нагрузки студента – 54 академических часа в неделю, в том числе 27 часов аудиторных занятий и 27 часов самостоятельной подготовки (1 академический час равен 45 минутам астрономического часа). За весь период обучения предусмотрено прохождение трех практик – учебная 4 недели, производственная 6 недель и преддипломная 4 недели. По завершению теоретического обучения выпускник сдает Государственный экзамен по специальности. Итоговой Государственной аттестацией, на основании которой выдается диплом инженера, является защита выпускной квалификационной работы, на подготовку которой отводится до 17 недель.

Образовательная программа подготовки инженера-мехатро­ника предусматривает изучение студентом следующих циклов дис­циплин (см. рис. В.4): гуманитарных, социальных и экономических, математических и естественнонаучных; об­щепрофессиональных и специальных.

На первых курсах обучение акцентируется на изучении гуманитарных (отечественная история, политология, социология, культурология, философия и др.) и естественнонаучных дисциплин (математика, физика, информатика, химия и др.). Далее к изучению предлагаются общепрофессиональные дисциплины – механика, электротехника и электроника, теория автоматического управления. И уже на старших курсах изучаются дисциплины специальности – мехатроника (основы электро-, гидро- и пневмоприводов, основы мехатроники, конструирование мехатронных модулей, проектирование мехатронных систем, микропроцессорная техника и др.), а также дисциплины экономической направленности.

Выпускник, успешно освоивший такую образовательную про­грамму, способен компетентно и ответственно принимать решения и осуществлять такие виды профессиональной дея­тельности как: научно-исследовательская, проектно-конструктор­ская, эксплуатационная и организационно-управленческая.

Кроме того, студентам ГОУ ВПО “МГТУ им. Г.И. Носова” предоставляется возможность одновременно с освоением основной образовательной программы получить более глубокие знания по иностранному языку и пройти обучение по программе дополнительного профессионального образования – Переводчик в сфере профессиональной коммуникации. Продолжительность обучения составляет 2,5 года. Выпускники получают соответствующий диплом государственного образца.

 

Контрольные вопросы

1. Какое понятие закладывается в термин “Мехатроника”? Происхождение этого термина. Три основные составляющие части мехатроники.

2. Перечислите основные блоки (структурные элементы) мехатронной системы.

3. В чем состоит отличие мехатронной системы от традиционных механических, гидравлических и электромеханических систем?

4. Дайте определение мехатронному модулю.

5. Поясните особенности каждого из этапов (поколения) развития мехатронных систем.