Проектирование и конструирование аппаратных средств

Для того, чтобы создать более совершенные приборы, мехатронные и робототехнические аппараты и системы или усовершенствовать их отдельные узлы, а также улучшить технологии, методики использования оборудования, необходимо изучить аналоги (или прототипы по назначению) объекта разработки. По результатам изучения следует составить список (таблицу) существующего оборудования и провести его анализ. Для этого из источников информации необходимо выбрать схемы, чертежи, альбомы, проекты, технические описания, паспорта, прайс-листы и другую документацию. Анализ оборудования и методики его использования следует начинать с изучения принципа работы всего аппарата или системы, а затем конкретного узла (узлов), которые предполагается заменить разрабатываемыми.

В таблице (или списке) изделий должны быть указаны
5–10 наиболее известных, эффективных объектов разработки (аппаратов, устройств и др.). При этом должна быть указана следующая информация: название объекта, страна изготовитель, фирма, основные технические характеристики объекта (или узла), цена. В этом разделе для обоснования задач разработки могут быть использованы данные расчетов и математического моделирования.

Результатом анализа является описание достоинств и недостатков средств, указанных в таблице (списке). Именно на основе этих данных автор должен обосновать новые задачи проектирования и выработать предложения по созданию новых средств или усовершенствованию уже существующих, дать полный перечень вопросов, решаемых в специальной части проекта (работы). Необходимо учитывать технические требования к объекту проектирования, согласованные с его целевой функцией. Помимо требований обычно рассматриваются и следующие сведения: наименование и область применения изделия, цель и назначение разработки.

Рассмотрев обоснование и предложения дипломника, в ходе консультаций, руководитель проекта может конкретизировать задание, уточнить технические требования.

В специальной части дипломного проекта студент должен выполнить расчетные и проектные разработки, связанные с решением сформулированных задач. Макеты аппаратов, устройств, программ и др. элементов должны проектироваться с учетом тенденций развития мехатроники и робототехники, развития наукоемких аппаратно-программных комплексов и систем, а также достижений электронных и компьютерных технологий, математического и имитационного моделирования. Одновременно целесообразно опираться на данные экспериментов, описанных в литературе, на опыт отечественной и зарубежной промышленности по практическим разработкам мехатронных и робототехнических устройств, программного обеспечения.

В соответствии с техническим заданием и сформулированными в нем требованиями к аппаратным средствам, а также на основе обоснованных предложений и результатов моделирования следует начинать разработку устройства[11] (аппарата, прибора или узла) с выбора структуры объекта (структурный синтез). Вслед за этим необходимо перейти к решению задачи определения значений всех его параметров и характеристик (параметрический синтез), а затем представить результаты в установленной форме. Результаты (проектная документация) могут быть выражены в виде чертежей, схем, печатных плат, пояснительных записок. Чертежи, схемы, печатные платы могут быть воплощены в созданном макете.

На этапе синтеза целесообразно решить задачу распределения функций объекта разработки между его аппаратными и программными средствами. Структурный синтез использует соответствующие результаты. На этапе параметрического синтеза должно быть определено минимальное количество параметров, которое позволяет судить о функциональном состоянии объекта, его характеристик. При этом необходимо выявить физические процессы, которые влияют на формирование требуемых эксплуатационных характеристик объекта.

Если, например, необходимо спроектировать информационно-измерительную систему (ИИС) робототехнического комплекса то, исходя из единства информационной среды, определяют компоненты и параметры измерительного тракта, оптимизируют процесс разделения задач обработки информации между аппаратными и программными средствами. После того как определены пути и средства обработки информации, приступают к детальной проработке этапов синтеза средств. В качестве аппаратных средств могут выступать отдельные приборы, их элементы. В случае, когда готовые (из существующих) средства отсутствуют, их проектируют, основываясь на современной практике создания робототехнических и мехатронных устройств и (или) опыта проектирования аналогичных средств из смежных областей техники [3]. Поскольку спектр её элементов очень широк как в плане элементной базы, так и в плане функциональных особенностей, то конкретные нормативы по разрабатываемому виду техники следует применять с учетом условий её сопряжения с другими приборами (аппаратами или их элементами) объекта.

В каждом конкретном случае проектирование аппаратных средств может иметь некоторую специфику. Например, проектирование устройств сопряжения средств микроэлектроники и вычислительной техники с механическими устройствами роботов или систем микроконтроллерного управления роботами будет отличаться от проектирования ИИС из-за различия требований к ним, из-за различия реализуемых функций, возможностей используемой элементной базы и многих других факторов. Например, в одних случаях реализуемые функции могут быть возложены на программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), в других — на схемы с жесткой логикой работы.

В то же время во всех случаях процесс проектирования имеет общую методологическую основу, использует схожие технологии САПР и является итерационным. На каждой итерации корректируется и конкретизируется проектная документация. Соответственно конкретизируется и корректируется компоновка элементов аппаратуры, уточняются параметры их входных и выходных сигналов, а также функции программного обеспечения. После заключительной итерации в проектной документации должны быть представлены следующие результаты: структура объекта, все элементы структуры, их функции, параметры и характеристики, чертежи, схемы, печатные платы, спецификация, другие пояснительные текстовые документы.

Главные особенности проектирования аппаратных средств должны учитываться в используемых моделях и методах схемотехнического, функционально-логического и конструкторского проектирования. Они должны быть отображены уже в техническом задании, где в частности будет задан список требований, которым должно удовлетворять разрабатываемое устройство. Если, например речь идет о создании робота, то перед разработчиком встает множество вопросов, на которые потребуется ответить. Примерный список вопросов, возникающих в процессе анализа аппаратных требований, приводит в своей книге Майк Предко [4]:

Какую аппаратную платформу следует использовать?

Каковы должны быть размеры и вес устройства?

Какая необходима скорость передвижения?

Какие двигатели будут использоваться?

Что послужит источником питания?

Какие меры безопасности надо предусмотреть?

Какие контроллеры будут использованы?

Какие датчики будут снабжать робота информацией об окружающей обстановке?

Какие будут применены исполнительные (выходные) устройства?

Какие методы ручного управления необходимы?

Каким должен быть интерфейс пользователя?

Какова будет стоимость всего проекта?

Проектирование и конструирование современных мехатронных систем и, в том числе, манипуляторов роботов, как отмечалось ранее, основано на модульных принципах и технологиях. Модули могут содержать элементы различной физической природы:

— механические (например, преобразователи движения, трансмиссии, платформы);

— электротехнические (например, электродвигатели, тормоза, муфты);

— электронные (например, микропроцессоры, программируемые логические матрицы, другие радиоэлектронные узлы);

— информационные (например, датчики информации, устройства ее отображения).

Конструирование сложных многокомпонентных систем, каковым является робот, требует унификации и стандартизации элементов и интерфейсов, а также интеграции с последующей технологической подготовкой их производства. Исходные требования должны определять особенности конструкторской реализации, которая далее должна быть воплощена в соответствующей документации. В итоге изготовленная система должна удовлетворять регламентированным в задании показателям качества.

Пример концепции проектирования электроприводов и систем автоматизации, основанной на использовании компьютерных технологий, дан в [3]. В рамках выбранной концепции проектирования мехатронной системы конструирование должно опираться на математические модели мехатронных модулей и систем, отражающих их интеграционную специфику, использовать многопользовательские программные среды для поддержки процесса конструирования. При этом следует планировать возможность быстрой реконфигурации конструкции мехатронной системы, например, в специализированного робота под конкретную технологическую задачу без функциональной избыточности.

Обязательным условием реализации концепции проектирования и конструирования является учет данных технического задания ВКР, его технических требований, а также требований ГОСТ на соответствующее изделие. На этапе разработки технического предложения по ГОСТ 2.118-73 предварительно конструируются основные части (модули, элементы или узлы) мехатронной системы (например, робота). Затем разрабатываются варианты эскизной компоновки модулей в мехатронной системе. Далее обосновываются принятые решения, на основе чего изготавливаются чертежи текущего варианта эскизной компоновки. При этом может потребоваться оптимизация компоновки. По ее результатам осуществляется изготовление чертежа (-й) окончательной компоновки. Разработка эскизного проекта должна соответствовать ГОСТ 2.119-73. Непосредственно на этапе разработки технического проекта по ГОСТ 2.120-73 создается конструкторская документация. Она должна удовлетворять требованиям ГОСТ 2.102-68.

В том случае, если проект по заданию на дипломное проектирование должен завершиться макетом изделия, то по согласованию с руководителем проекта, допускается отклонение от требований ГОСТ. Но и в этом случае состав и содержание разработанной студентом рабочей документации должны детально описывать технологию изготовления макета.

К рабочей документации проекта на механические конструкции относят графические документы (чертежи деталей и сборочные чертежи) и текстовые (спецификации на сборочные единицы). Кроме того, используются габаритный, монтажный и другие чертежи, ведомости спецификаций, ссылочных документов. При этом сборочный чертеж должен быть выполнен с необходимым количеством изображений (видов, разрезов, сечений и выносных элементов), дающих полное представление о его габаритах, конструкции, назначении, связи составных частей и их взаимодействии в процессе работы; сборке, разборке и контроле сборочных единиц; методах смазки, технических данных изделия. В сборочном чертеже на механические конструкции узлов изделия должны содержаться:

— изображение сборочной единицы;

— размеры с указанием предельных отклонений, которые проверяют при сборке;

— сопряженные размеры с обозначением посадок;

— основные размеры, характеризующие изделие и его основные составные части (например, межосевые расстояния с допускаемыми отклонениями);

— номера позиций составных частей, входящих в изделие;

— основные технические характеристики изделия;

— габаритные, установочные и присоединительные размеры, а также необходимые справочные размеры;

— технические требования к готовому изделию.

К рабочей документации проекта на электротехнические (электронные) изделия и их элементы относят:

— чертежи электроизделий (общего вида и сборочный);

— схемы электрические структурные;

— схемы электрические функциональные;

— схемы электрические принципиальные и спецификации к ним;

— схемы соединений и подключения;

— схема электрическая общая;

— текстовые документы в составе конструкторских документов.

Если функции электротехнического изделия определяются как аппаратными, так и программными средствами, то к рабочей документации проекта относят также проектную программную документацию. Виды и содержание программных документов описаны в разделе 3.5.

Рабочую документацию проекта обычно сопровождает патентный формуляр (ГОСТ 2.110-68).

В общем случае пояснительная записка к техническому проекту должна состоять из следующих разделов: содержание, введение, характеристика изделия, основные решения, технико-экономическое обоснование и сметная стоимость капитальных затрат, материально-технические средства, обеспечение энергоресурсами и выполнение требований, связанных с автоматизацией и механизацией, научно-исследовательские, опытно-конструк­торские и экспериментальные работы, указания по подготовке и реализации проекта, приложения.

В параграфе специального раздела ВКР, в котором студент приводит документацию на разработанные им аппаратные средства, студент должен дать общую характеристику спроектированных аппаратных средств объекта (изделия) проектирования. В состав документов проекта должны быть включены и представлены чертежи изделия (чертеж общего вида, сборочный чертеж), схемы электроизделий (структурные и функциональные), их общая электрическая схема и схемы электрические принципиальные устройств всех конкретных электроизделий, а также схемы соединений и подключения.

В состав конструкторских документов должны войти также текстовые документы, включая спецификацию для всех сборочных единиц и изделия в целом. Спецификация для сборочных единиц должна быть выполнена в соответствии с ГОСТ 2.108-68, а форма, разделы и основная надпись спецификации —
ГОСТ 21.110-82.

3.3 Математическое моделирование и вычислительные
эксперименты в дипломном проектировании

В настоящее время в индустриально развитых странах без проведения модельных экспериментов не рассматривается ни один крупномасштабный технологический, экологический или социально-экономический проект [5, 6].

Напомним, что существующие математические модели роботов, робототехнических и мехатронных систем можно отнести к одному из следующих типов [7]:

1 Геометрические модели — это модели формы роботов, дающие исчерпывающее наглядное представление о них. Эти модели используются для визуализации движения роботов, для расчета основных характеристик прочности, для технологической подготовки производства роботов и т. д.

2 Модели прочности — это модели, позволяющие рассчитывать основные характеристики прочности роботов (напряжения, упругие и пластические деформации и т. д.).

3 Модели кинематики — это модели, которые учитывают  особенности движения роботов без учета взаимного силового влияния звеньев. Эти модели адекватно описывают сравнительно медленное перемещение роботов.

4 Модели динамики — это модели, которые описывают сравнительно быстрое движение роботов, когда необходимо учитывать силовое взаимодействие звеньев в процессе перемещения.

5 Модели динамики исполнительной системы — это модели, которые учитывают динамические характеристики исполнительной подсистемы, состоящей из подсистемы передачи движения (двигатели и механические элементы, предназначенные для перемещения звеньев манипулятора) и управляющего устройства, предназначенного для реализации алгоритмов управления.

6 Модели управляемого движения — это модели целенаправленного управляемого перемещения роботов.

Ниже рассматриваются особенности использования программных систем для решения задач исследования и моделирования перечисленных классов математических моделей.

Геометрические модели. При создании геометрических моделей роботов, робототехнических систем (РТС) и мехатронных устройств используются, как правило, трехмерные модели. При этом можно использовать такие отечественные программные системы как «Компас», tflex и др. Из зарубежных систем можно отметить AutoCAD, SolidWorks и т. д. Весьма популярной является система 3D StudioMax, которая может быть использована не только при создании геометрических моделей, но и для решения задач анимации.

Модели прочности. Этот класс моделей необходим в ситуациях, когда приходится учитывать явления деформации составляющих компонент механической системы роботов, РТС и мехатронных устройств, которые могут возникать в твердых телах под действием внешних нагрузок, например, нормальных сил, крутящих и изгибающих моментов (перенос тяжелых грузов, операции запрессовки типа вал-втулка и т. д.). Для статических задач могут быть использованы методы расчета базовых характеристик прочности (напряжений в критических точках звеньев) классические методы сопротивления материалов. В более сложных случаях приходится использовать методы теории упругости.

Следует отметить, что в сравнительно простых ситуациях (движение двухзвенных манипуляционных роботов и мехатронных систем) можно воспользоваться рассмотренным в [8] приближенным методом расчета нормальных сил и изгибающих моментов, реализованным в программной среде «Механика роботов» (кафедра «Проблемы управления» МИРЭА). Более универсальной является система ANSYS, которая предназначена для расчета напряжений в механических конструкциях сложной формы с использования метода конечных элементов.

Модели кинематики и динамики. Кинематическая схема (структура) робота наиболее часто может быть задана с помощью параметров Денавита-Хартенберга, а массогабаритные характеристики звеньев определяются матрицами инерции звеньев [9].

В этом случае модели кинематики задаются совокупностью однородных матриц размера 4 × 4, элементы которых зависят от параметров Денавита-Хартенберга и обобщенных координат [9]. Наиболее часто при изучении кинематических свойств роботов рассматриваются прямые задачи кинематики (ПЗК) и обратные задачи кинематики (ОЗК) по положению, скорости и ускорению [10]. Как известно, при решении ПЗК и ОЗК (за исключением ОЗК по положению) могут быть использованы алгоритмы и программные средства символических вычислений.

Математические модели (уравнения движения) механических систем, состоящих из большого числа тел, являются настолько громоздкими, что их во многих случаях практически невозможно получить «вручную», то есть с помощью карандаша и бумаги. Для решения проблемы, связанной с выводом уравнений движения проектируемых систем, можно использовать программные комплексы, позволяющие существенным образом снизить затраты при выводе и дальнейшем преобразовании полученных моделей.

Существует два принципиально различных подхода к выводу уравнений. Первый можно назвать численным, а второй — символьным. При первом подходе, целесообразно использовать, например, систему ADAMS, где элементы уравнений движения выводятся в численной форме на каждом шаге процесса их численного решения (интегрирования), то есть процессы вывода уравнений и их решения совмещены в одном модуле. При втором подходе эти две операции производятся по отдельности. Сначала выводятся уравнения движения в полной символьной форме, то есть специальный программный модуль в качестве основного результата формирует файлы, содержащие уравнения движения, в которых зависимость элементов уравнений движения от параметров задачи (масс и моментов инерции тел, геометрических размеров и так далее), а также координат указана в виде символьных выражений. Обычно файлы уравнений содержат готовые для трансляции процедуры, написанные на одном из языков программирования, например FORTRAN, С++ или Pascal. Затем другой модуль программы компилирует эти уравнения и формирует исполняемую программу анализа уравнений, в том числе и интегрирования.

Вывод уравнений движения в символьной форме имеет ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, уравнения можно преобразовывать (например, линеаризовать), анализировать с использованием мощных программных средств компьютерной алгебры (MAPLE, МАТНЕМАТ I СА). Во-вторых, уравнения в символьной форме, как правило, требуют значительно меньшего числа арифметических операции при вычислении элементов уравнений движения.

В [11] описаны зарубежные программные комплексы для вывода уравнений динамики сложных механических систем. Из отечественных разработок можно отметить программный комплекс «Универсальный механизм» [11], с помощью которого можно решать задачи вывода уравнений динамики математических моделей роботов, робототехнических и мехатронных систем и последующего моделирования их движения. В учебном пособии [7] описан альтернативный подход к выводу уравнений кинематики и динамики роботов, робототехнических и мехатронных систем, основанный на использовании гибридных систем аналитических вычислений.

Модели динамики исполнительной системы. Все программные средства для моделирования динамических систем могут быть разбиты на две группы: специализированные и универсальные. Специализированные программные комплексы позволяют моделировать либо ограниченный класс систем управления, либо решать ограниченный класс вычислительных задач. К специализированным можно отнести разработанный на кафедре «Проблемы управления» МИРЭА программный комплекс ТАР, предназначенный для моделирования и исследования процессов в одноконтурных системах управления

Среди универсальных комплексов достойны упоминания такие зарубежные коммерческие программные комплексы как MATLAB-SIMULINK [12]. Из отечественных разработок следует отметить комплексы «Экспресс-Радиус» [13], «МВТУ» [14] и др.

По удобству графического пользовательского интерфейса, количеству функциональных блоков, разнообразию средств регистрации и визуализации результатов моделирования, а также по их надежности и достоверности Simulink выгодно отличается от множества других программ подобного назначения.

В зависимости от назначения проводимых исследований с помощью SIMULINK можно проводить один из трех наиболее распространенных видов имитационных экспериментов:

— исследование относительного влияния различных факторов на выходные характеристики системы;

— нахождение аналитической зависимости между интересующими исследователя выходными характеристиками и варьируемыми факторами;

— отыскание оптимальных значений параметров системы. Совместно с Simulink можно использовать и другие пакеты расширения системы MATLAB. Например, Control System Toolbox, NCD Blockset, соответственно предназначенные для анализа и синтеза линейных непрерывных и дискретных, а также нелинейных систем. Для описания систем управления в этом пакете можно использовать три формы математических моделей. Две из них в виде передаточных функций и одна в виде системы дифференциальных уравнений САУ в пространстве состояний.

Особенностью системы MATLAB—SIMULINK является ее сложность и громоздкость — для ее освоения и эффективного использования нужно затратить достаточно много времени и усилий со стороны пользователя. В ряде публикаций приводятся данные, говорящие о некоторых изъянах в работе системы MATLAB—SIMULINK при исследовании отдельных классов динамических систем.

Поэтому перспективны специализированные программные комплексы для моделирования и исследования систем управления, которые, с одной стороны, были бы легки в освоении, а, с другой стороны, охватывали большинство приложений теории автоматического управления. Перечисленным выше требованиям отвечает программный комплекс «Анализ систем» (разработан на кафедре «Проблемы управления» МИРЭА).

В основу построения комплекса положен принцип структурного представления описания системы управления. Этот принцип хорошо зарекомендовал себя при математическом описании как сосредоточенных, так и распределенных объектов управления.

К возможностям программного комплекса «Анализ систем» можно отнести:

— создание произвольных структурных схем систем управления;

— построение переходных процессов и фазовых портретов;

— построение частотных характеристик;

— исследование устойчивости системы;

— упрощение структурной схемы контура;

— синтез структуры регулятора по заданному объекту управления с помощью метода обратных задач динамики;

— параметрическая оптимизация;

— генерация текстов программ на различных языках программирования.

Описываемый комплекс содержит справочную систему поддержки, состоящую более чем из 300 разделов.

В состав библиотеки системных блоков кроме стандартного набора элементарных звеньев, нелинейных и импульсных элементов входит ряд специальных блоков. Среди них:

— генератор сигнала пользователя;

— нелинейность пользователя;

— нечеткий регулятор (Fuzzy);

— нейронная сеть;

— блок пользователя;

— макровставка.

Модели управляемого движения. При решении задач моделирования управляемого движения можно использовать, например, программный комплекс “Универсальный механизм”, а также разработанный на кафедре «Проблемы управления» МИРЭА программный комплекс ROBSIM [15]. Второй из названных комплексов успешно используется в дипломном проектировании. 

Моделирование следует рассматривать как этап проектирования не только технических, но и программных средств. В любом случае следует придерживаться практической направленности моделирования для решения конкретных инженерных задач. В частности, это могут быть задачи исследования:

— процессов взаимодействия объекта, например робота, с внешней средой;

— кинематики и динамики мехатронных модулей или робота в целом;

— процессов функционального сопряжения технических и программных средств в объекте проектирования.

Могут решаться и другие задачи [5–7]. Особое внимание необходимо обратить на допущения, которые могут быть приняты при построении той или иной модели. Допущения обычно упрощают исследования. Но они применимы в тех условиях, в которых модель остается адекватной объекту. Адекватность предлагаемых моделей должна быть проверена по результатам моделирования и сопоставления этих результатов с известными расчетными или экспериментальными данными.

После реализации модели в той или иной программной среде обычно с моделью проводится вычислительный эксперимент. Для этого должен быть разработан план вычислительного эксперимента. Осуществление плана вычислительного эксперимента с моделью должно быть направлено на изучение характеристик объекта и их зависимость от функционально значимых параметров состояния, входа и выхода элементов. Целесообразно также проводить вычислительный эксперимент для обоснования ограничений или определения граничных, начальных и других условий.

Результаты моделирования должны быть использованы при разработке проектируемой аппаратуры, технологий ее применения, а также при создании и тестировании программных систем. Также результаты необходимо проверять на их соответствие поставленным задачам, а также известным из практики результатам.