Структура мехатронных и робототехнических устройств.

Типовая структурная схема мехатронного устройства приведена на рис. 1.3.1.[7]

Рис.1.3.1.Типовая структурная схема мехатронного устройства

    На рисунке типовой структуры использованы следующие обозначения.

А. Устройства числового программного управления (УЧПУ, контроллеры, цифровые ЭВМ и т. п.).

Б. Средства предоставления информации человеку-оператору.

В. Сенсоры внешнего мира — датчики состояния внешнего, по отношению к проектируемому изделию, мира.

Г. Преобразователи (устройства подготовки сигналов). Внепроцессорные сигналы часто нуждаются в подготовке для улучшения их качества. Качество сигнала определяется уровнем его напряжения, наличием помех, их уровнем (отношение «сигнал/шум») и типом, искажением формы сигнала и т. п.

К часто встречающимся видам подготовки относятся: усиление напряжения и/или мощности, фильтрация, исправление формы импульса, ограничение уровня, модуляция и демодуляция сигнала, средства обработки цифровых кодов и т. п.

Д. Устройства ввода данных от человека-оператора.

Е. Интерфейсы цифровые служат для обмена данными между цифровыми устройствами. Интерфейсы различаются, прежде всего, способом обмена в параллельных или последовательных кодах.

Интерфейсы параллельного обмена, или порты параллельного цифрового ввода или вывода (параллельные порты, Parallel port), — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к системной шине процессора внешнее устройство путем обмена в параллельных кодах. Параллельные порты позволяют согласовывать низкую скорость работы внешнего устройства и высокую скорость работы системной шины микропроцессора. По отношению к внешнему устройству порт представляет собой обычный источник или приемник информации со стандартными цифровыми логическими уровнями (обычно ТТЛ), а по отношению к процессору — это ячейка памяти, в которую можно записывать данные. Интерфейсы последовательного обмена, или порты последовательного цифрового ввода или вывода (последовательные порты, Serial port), — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к системной шине процессора внешнее устройство путем обмена в последовательных кодах, бит за битом. Последовательные порты обладают существенно меньшей скоростью обмена, чем параллельные, но возможность удаленного обмена у последовательных портов намного выше.

Ж. Адаптеры — устройства логического и аппаратного согласования одних устройств с другими.

З. Драйверы аппаратные служат для аппаратного и логического согласования входа управляемого источника питания (УИП) с цифровым выходом устройства числового программного управления (УЧПУ).

И. Датчики(сенсоры) состояний мехатронных устройств предназначены для сбора необходимой в рамках данного проекта информации о состоянии мехатронного устройства и/или его частей. Различают датчики измерители физической величины и датчики наблюдатели физической величины, рассчитывающие ее значения по другим измеренным величинам.

К. Выходное механическое звено (ВМЗ) — это одноподвижный или многоподвижный механизм (последовательной или параллельной структуры), обеспечивающий перемещение одного или нескольких рабочих органов мехатронной машины или других механизмов (звеньев). Различают манипулирующие (перемещающие) и нагрузочные (воспроизводящие требуемую зависимость между внешними силами или реакциями опор и управляемыми усилиями входных звеньев) механизмы.

Л. К механизмам обеспечения движения (МОД) можно отнести: муфты; механизмы преобразования движения (передаточные механизмы; механизмы фиксации положения выходного звена, ограничители движения (фиксаторы, упоры, стопоры) выходного звена, тормозные устройства (управляемые ограничители). Механизмы обеспечения движения в мехатронном узле существуют всегда, но их сложность может меняться в широких пределах: от простейшего устройства сопряжения валов до сложнейших и дорогостоящих механизмов.

М. К наиболее известным двигателям, применяемым в мехатронных объектах, относятся электромеханические преобразователи электромагнитного типа (электромагнитные двигатели, коллекторные двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, двигатели на базе синхронных машин (вентильные, моментные, шаговые, вентильно-индукторные, магнитострикционные)); электромеханические преобразователи на базе пьезоэлектрического эффекта; электрогидро_ и электропневмоприводы. В последние годы вырос интерес к автомобильной мехатронике и появились двигатели внутреннего сгорания с микропроцессорным управлением. Резко возрос интерес к поиску новых преобразователей электрической и других типов энергии в механическую, к созданию микро и наноразмерных двигателей.

Н. Управляемые источники питания (УИП) (усилители и преобразователи энергии питания) проектируются и создаются для целенаправленного изменения энергии в нагрузке (например, в двигателе мехатронной машины).Управление механической мощностью двигателя реализуется через управление расходом энергии в цепях его питания, путем подачи на вход УИП электрических сигналов. В мехатронных машинах могут встретиться задачи управления и немеханической мощностью, например, управление мощностью электрического нагревателя. Основные функции УИП — это управление мощностью, поступающей в нагрузку УИП; реверсирование потока энергии в нагрузке; динамическое торможение двигателей; рекуперация энергии; отключение нагрузки от источника.

О. Источники питания вторичные (проектируемые вместе с изделием).

П. Преобразователи энергии питания служебного назначения.

В учебном пособии [6] предложены следующие принципы построения мехатронных модулей, устройств и объектов.

1. Наличие интеграции следующих функциональных элементов:

- выходного механического звена (ВМЗ), выполняющего внешние функции мехатронного устройства;

- двигателей выходного механического звена;

- управляемого источника питания (УИП) (усилителя/преобразователя энергии питания двигателя);

- устройства числового программного управления (УЧПУ);

- информационной системы, контролирующей состояние внешнего мира и внутренних параметров мехатронного устройства, которая может включать в себя: датчики состояния мехатронного устройства, датчики состояния внешнего мира (сенсоры очувствления), устройства ввода и вывода данных для человека - оператора, преобразователи сигналов и драйверы аппаратные, обеспечивающие логическое и аппаратное согласование сигналов, интерфейсы для ввода и вывода данных в УЧПУ.

2. Минимум преобразований информации и энергии (например, прямое цифровое управление безредукторным приводом) — принцип минимума преобразований.

3. Использование одного и того же элемента мехатронного устройства для реализации нескольких функций (например, параметры двигателя (ток, противо-ЭДС) используются для измерения его момента и скорости) — принцип совмещения функций.

4. Проектирование функций различных элементов мехатронного устройства должно осуществляться таким образом, чтобы цели служебного назначения изделия достигались совместным выполнением этих функций без их дублирования и с максимальным эффектом (принцип синергетики).

5. Объединение корпусов узлов мехатронного устройства — принцип совмещения корпусов.

6. Применение сверхплотного монтажа элементов.

 Примерами современных мехатронных объектов и устройств являются агрегаты станков, роботы различного назначения, дисководы и принтеры в компьютерах, техника военного назначения, бытовая техника и т. п. В последнее время резко возрос интерес к микро и наномехатронике. Появились термины микромехатроника и наномехатроника. Микромехатроника — это область разработки и производства изделий, содержащих сборочные единицы с размерами, лежащими в пределах 10^-3...10^-6 м, обеспечивающих линейные (или угловые, приведенные к линейным) перемещения в пределах 10^-3...10^-6 м, либо использующих микротехнологии изготовления деталей. Наномехатронике соответствует область размеров 10^-6...10^-9 м.

Микро и нанотехнологии при проектировании мехатронных устройств могут использоваться для решения различных задач:

создание микро и наноразмерных приводов (например, системы микро и наноперемещений на основе пьезоэлектрических и электростатических преобразователей энергии);

микро и наноразмерных преобразователей сигналов; микро и наноконтроллеров (например, квантовых компьютеров);

микромодулей энергопитания; разработки способов и средств обеспечения управляемых перемещений в микро- и нанодиапазонах (например, с применением двигателей микро и наноперемещений;

особо точных механизмов обеспечения движения; датчиков с высокой разрешающей способностью; контроллеров с разрядностью до 128 байт;

параллельных вычислений, в том числе на искусственных нейросетях, с использованием квантовых алгоритмов;

двигателей с большим диапазоном устойчивых скоростей, в том числе в микро и нанодиапазонах;

механизмов со сверхнизкими потерями на трение; подвижных опор с зазорами менее 1 мкм и т. п.);

внедрение микро и нанотехнологий изготовления узлов и деталей, например, создание напыляемых однослойных и многослойных пленок толщиной от 10^-3 до 10^-9 м из материалов, определяющих физико-химические свойства покрытия (защитные и оптические покрытия, пассивирующие и выравнивающие слои, сенсорные покрытия, изолирующие пленки, неорганические мембраны, пленки для электрооптики и нелинейной оптики, электрохромирование, полупроводниковые и антистатические покрытия, сверхпроводящие пленки, упрочняющие пленки и сегнетоэлектрики и др.); удаление привнесенных микрочастиц с размерами от 10^-3 до 10^-9 м; очистка поверхностей потоками микрочастиц с размерами от 10^-3 до 10-9 м; изготовление деталей с допусками в пределах от 10^-3 до 10-6 м.

Положение выходного механического звена мехатронного устройства определяется в системе координат, жестко связанной с корпусом устройства, то есть может иметь одну или несколько степеней свободы относительно корпуса. Такие устройства называют однокоординатными, двух, трех или многокоординатными.

Упрощенно можно выделить следующие поколения роботов:

К первому относятся антропоморфные манипуляторы (управляются человеком).

Ко второму поколению относятся роботы с цикловым управлением, т.е. это одношаговое релейное управление без обратных связей. Остановка привода осуществляется с помощью механического упора с концевым выключателем и демпфера на подвижной части привода С помощью таких роботов можно многократно повторять операции, которые определяются некоторым установленным алгоритмом, находящимся в памяти.

    К третьему поколению относятся роботы с модифицируемой программой. Для работы можно выбирать довольно большое число алгоритмов.

В промышленных роботах основными составными частями являются манипулятор и устройство управления. Каждая из этих частей включает ряд блоков (рис.1.3.2) [2,7].

 

Внешняя среда

ИС

Внутренняя диагностика

Чувствительные устройства

Устройства контроля и блокировок

СПУ

Вычислительное устройство

Запоминающее устройство

Пульт управления

Блок управления приводами

Оператор

Технологическое оборудование

Технологический процесс

М

РО

Р

УПП

Рис.1.3.2. Cтруктура промышленного робота.

Исполнительный механизм робота с приводом и захватным устройством называют рукой манипулятора (Р). Для перемещения манипулятора (М) относительно технологического оборудования (ТО) используются устройства передвижения.

Все манипуляционные устройства характеризуются маневренностью и коэффициентом сервиса (КС), под которым понимают возможность подхода рабочего органа (РО) к заданной точке с разных направлений. КС дает представление о двигательных возможностях манипулятора, т.е о его маневренности. Маневренность манипулятора – это число степеней подвижности при фиксированном положении РО, которая определяет возможность обхода манипулятором препятствий в рабочем объеме и способность к выполнению сложных операций.

Движения М подразделяются на группы. Так, например, движения М, снабженного наиболее распространенным в роботах РО в виде устройства захвата (УЗ) бывают следующих видов:

– ориентирующие перемещения УЗ, соизмеримые с его размерами;

– транспортирующие перемещения, определяемые размерами звеньев руки и соизмеримые с размерами рабочего объема;

– координатные перемещения на расстояния, превышающие размеры ПР и размеры рабочего объема.

В состав информационной системы (ИС) входят чувствительные (сенсорные) устройства внешней среды, система внутренней диагностики и устройства контроля и блокировок. ИС обеспечивает сбор, первичную обработку и перевод в систему программного управления (СПУ) данных о функционировании механизмов робота и о состоянии внешней среды.

СПУпредназначена для формирования и выдачи управляющих воздействий исполнительным механизмам в соответствии с управляющей программой.

Под перепрограммируемыми устройствами СПУ понимают такие, которые обеспечивают изменение последовательности и (или) значений перемещений по степеням подвижности и управляющих функций на пульте управления. Это изменение управляющей программы может быть выполнено автоматически или при помощи оператора. СПУ содержит: пульт управления (ПУ), с помощью которого оператор осуществляет ввод и контроль задания; запоминающее устройство (ЗУ), в котором хранится вся необходимая информация, включая программы работ; вычислительное устройство (ВУ), реализующее алгоритм управления манипулятором; блок управления приводами (БУП) механизмов манипулятора.

Робот и технологическое оборудование включены в единый цикл работы и содержат общий пульт управления всем технологическим процессом.

Классификация роботов

В целом роботы по использованию в различных сферах деятельности делят на три группы[7,9,10]:

1) человекоподобные (бытовые);

2) информационные (исследовательские), предназначенные для сбора информации в средах, опасных или не доступных для человека;

3) промышленные, предназначенные для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.

ПР классифицируются по ряду признаков:

1. По характеру выполняемых операций: технологические (производственные); вспомогательные (подъемно-транспортные); универсальные.

2. По степени специализации:

- универсальные (многоцелевые);

- специализированные;

- специальные (целевые).

3. По способу управления:

- с «жесткой» программой (I поколение);

- адаптивные (II поколение);

- интегральные (III поколение).    

4. По области применения (по виду производства):

- механообработка;

- кузнечно-прессовое производство;

- литейное производство;

- сборка;

- сварка;

- транспортно-складские и т. д.

5. По грузоподъемности (главный параметр ПР).

Под номинальной производительностью ПР понимается наибольшее значение массы предметов производства или технологической оснастки, при котором гарантируется их захватывание, удержание и обеспечиваются установленные значения эксплуатационных характеристик ПР.

Если ПР имеет несколько рук, то оценивается грузоподъемностькаждой руки.

По грузоподъемности (ГОСТ 25204-82) промышленные роботы подразделяются на:

1) сверхлегкие – до 1 кг;

2) легкие от 1 кг до 10 кг;

3) средние от 10 до 200 кг;

4) тяжелые от 200 до 1000 кг;

5) сверхтяжелые – свыше 1000 кг.

6. По числу степеней подвижности:

- с одной степенью подвижности;

- двумя степенями подвижности;

- с n степенями подвижности.

7. По мобильности (по возможности перемещения):

- стационарные;

- подвижные (установленные на транспортное средство).

8. По конструктивному исполнению (по способу установки):

- напольные;

- подвесные (портальные, тельферные);

- встроенные (пристаночные).

9. По виду основных координатных перемещений ПР разделяются на группы роботов, манипуляторы которых работают:

а) в прямоугольной системе координат;

б) в цилиндрической системе координат;

в) в сферической системе координат;

г) в угловой системе координат;

д) в комбинированной системе координат.

10. По типу силового привода:

- пневматические; гидравлические; электромеханические;

- комбинированные.

11. По характеру программирования скоростей и перемещений (по виду управления):

- жестко программируемые;

- гибко программируемые.

При жестком программировании исполнительное устройство управляется по неизменной заранее введенной программе.

При гибком программировании – программа может изменяться на основе поставленной цели и информации об объектах управления и производственной среде.

При жестком программировании выделяют:

1) цикловое управление, при котором движение рабочего органа происходит в упорядоченной последовательности с помощью путевых выключателей или времязадающих элементов (число точек обычно – две, три);

2) позиционное управление, при котором движение РО происходит по заданным точкам позиционирования без контроля траектории движения между ними (цикловое управление является частным случаем позиционного).

3) контурное управление, при котором движение РО происходит по заданной траектории с установленным распределением по времени значений скорости.

4) комбинированное управление.

12. По способу программирования:

- программируемые обучением (наиболее распространенный способ);

- программируемые аналитически;

- самообучение.

В первом случае управляющая программа формируется в режиме диалога СПУ с оператором. Оператор с помощью пульта управляет роботом, последовательно отрабатывая требуемые операции. При этом информация о движениях ПР заносится в запоминающее устройство СПУ робота.

При втором методе программа составляется на основе предварительных расчетов.

В третьем способе: программа формируется на основе информации о состоянии внешней среды.

Управляющая программа – это последовательность инструкций на некотором формальном языке. В общем виде для функционирования робота необходима следующая информация:

1) о последовательности выполнения шагов программы;

2) о пространственном положении отдельных степеней подвижности;

3) о времени выполнения отдельных шагов программы и отдельных управляющих команд.

Материальным носителем программы могут быть:

1) механические устройства (упоры, кулачки, копиры и т.д.);

2) коммутаторы (штекерные панели, барабаны, коммутаторные поля и т. д.);

3) быстросменные программоносители;

13. По быстродействию и точности движений.

Эти два параметра взаимосвязаны и характеризуют динамические свойства роботов. Между быстродействием и точностью позиционирования имеется определенное противоречие.

Быстродействие определяется скоростью передвижения по отдельным степеням подвижности:

- малое быстродействие – до 0,5 м/с (до 90 град/с);

- среднее (60–65 % ПР) – от 0,5 до 1 м/с (от 90 до 270 град/с);

- высокое (20 % ПР) – более 1м/с (более 270 град/с).

Точность манипулятора характеризируется результирующей погрешностью позиционирования (при дискретном движении) или отработкой заданной траектории (при непрерывном движении).

Чаще всего точность характеризуется абсолютной погрешностью.

1. Малая – при линейной погрешности > 1 мм;

2. Средняя – от 0,1 до 1 мм. (60...65 %);

3. Высокая – менее 0,1 мм (около 15 %).

Погрешность манипулирования ПР, предназначенных для выполнения наиболее грубых, например, транспортных движений, превышает 1 мм.

Наряду с классификационными параметрами ПР характеризуются параметрами, обусловливающими их технический уровень.

Технические требования и параметры ПР.

Номинальная грузоподъемность m_н (кг) представляет собой наибольшую массу объекта манипулирования вместе со схватом, которая гарантирует захватывание и удержание объекта и обеспечивает установленные эксплуатационные характеристики робота. Кроме того, для ПР, работающих в угловой системе координат необходимо указывать номинальный момент нагрузки Т_i для соответствующей степени подвижности относительно оси ее перемещения. Это связано с тем, что для рассчитанной грузоподъемности длина схвата потребителем может быть увеличена, что без дополнительных ограничений может привести к выходу из строя соответствующего привода.

В некоторых случаях в технической характеристике указывают кроме номинальной грузоподъемности и момента нагрузки максимальные их значения при уменьшенных динамических параметрах (ускорении, скорости). Это связано с тем, что при одном и том же моменте привода, уменьшая ускорения, и следовательно, инерционную нагрузку, можно перемещать большую массу. В этом случае указывают максимальную грузоподъемность для скорости, равной половине максимальной.

Число степеней подвижности робота n, под которым подразумевается число степеней свободы рабочего органа относительно звена, принятого за неподвижное, без учета движения губок схвата.

Диапазоны перемещений по степеням подвижности: S_i (мм), φ_i (рад).

Скорости перемещения по степеням подвижности: максимальные скорости V_max (м/с), ω_max (1/с). Средняя (цикловая) скорость характеризует производительность робота и равна значению перемещения, деленному на время движения между позициями.

Максимальное ускорение по степеням подвижности: a_max (м/с²), ε_max (град/с²).

Погрешность позиционирования рабочего органа Δ (мм) – отклонение фактического положения схвата от заданного программой. Различают роботы с малой точностью позиционирования (Δ › ± 1 мм), способные выполнять транспортные и некоторые основные технологические операции (окраску), не требующие высокой точности; роботы со средней точностью позиционирования (0,1≤Δ≤1 мм), которые находят самое широкое применение; роботы с высокой точностью позиционирования (Δ≤0,1 мм), применяемые для прецизионной сборки.

Кинематическая структура манипулятора определяет число звеньев и тип кинематических пар их соединения.

Рабочая зона робота – пространство, в котором может находиться его рабочий орган.

Объем рабочей зоны V_рз (м³) – объем, заключенный внутри границ рабочей зоны.

Тип системы координат определяется сочетанием кинематических пар.

Тип системы программного управления (СПУ)определяется способом позиционирования (цикловой, позиционный, контурный) и типом применяемых аппаратных средств.

Объем памяти СПУ представляет собой число кадров программы. Под кадром понимают минимальный элемент программы, состоящий из определенной группы команд и адресов, по которым выполняются команды и обеспечивается проверка их выполнения. В цикловой СПУ в состав кадра входят команды на перемещение степеней подвижности робота, управления технологическим оборудованием и вспомогательные команды. В позиционную систему СПУ дополнительно входят данные о положении и скорости перемещений степеней подвижности манипулятора, точности позиционирования объекта манипулирования. Цикловые СПУ характеризуются малым объемом памяти (до 100 кадров). Средним объемом памяти (от 1200 до 800 кадров) характеризуются позиционные СПУ и большим (свыше 800 кадров) – контурные СПУ.

Габаритные размеры L, B, H (м).

Масса робота, манипулятора, СПУ соответственно m_p, m_м, m_СПУ (кг).

Средняя наработка на отказ t (час) – показатель ремонтопригодности, равный среднему значению времени, затраченному на отыскание и устранение одного устойчивого отказа при работе робота. В перспективе следует закладывать конструктивные решения, обеспечивающие среднее время восстановления не более 4,0 ч при средних наработках на отказ t ≥ 1000 ч и 8,0 ч при средних наработках на отказ t ≥ 3000 ч.

Средний срок сохраняемости t_сохр (ч) – показатель, равный среднему значению календарной продолжительности хранения робота.

Средний ресурс t_р (ч) – показатель долговечности; рассчитывается как среднее значение времени использования до принятого предельного состояния (капитального ремонта, списания). Чаще всего значение среднего ресурса устанавливается до капитального ремонта. Ресурс большинства отечественных роботов составляет 8000…9000 ч, иногда 10000 ч.

14. Дополнительно ПР характеризуется – видом системы координат, конструктивным исполнением и типоразмерными рядами по видам производства, где они используются.

Литература к главе 1

1. Макаров И.М., Топчиев Ю.И. Робототехника, история и перспективы. М.: Наука, МАИ, 2003. - С. 3-6.

2. Юревич Е.И. Основы робототехники. – 2-е изд. перераб и доп.. – СПб.:БХВ- Петербург, 2005. С 7-20.

3. Википедия. ежим доступа:Режим доступа: http://wikipedia.org/wiki//

4. Мехатроника. Пер. с япон../ИсииТ.,Симояма И.,Иноухэ Х. и др. – М.: Мир, 1988- 318 с.

5. Введение в мехатронику. А.К. Тугенгольд, И.В. Богуславский, Е.А. Лукьянов и др. Учебное пособие. – Ростов н/Д,Изд. центр ДГТУ, 2010. С 4-16.

6. Основы мехатроники. Подураев Ю.В. Учебное пособие.- М.:ГТУ «СТАНКИН», 2000, С 13.

7. Козырев. Промышленные роботы. Справочник. Москва. Машиностроение 1988

8. Лукинов А.П. Проектирование мехатронных и роботизированных устройств. Учебное пособие. – СПб., Изд-во «Лань», 2012 С 7-11.

              9.В. Г. Хомченко, В. Ю. Соломин. Мехатронные и робототехнические системы. Учебное пособие. Омск. Издательство ОмГТУ,2008, 160 с.

10.Д. Шмид, А. Бауман, Х. Кауфман и лр. Управляющие системы и автоматика       

  М.: «Техносфера»,2007, 582 с.

Показатели качества систем

Создание мехатронной или робототехнической системы, как и любой технической системы, можно обосновать ожидаемыми эффектами их применения: техническим, экономическим, социальным, оборонным и т.п. При этом значения различных показателей свойств технических объектов должны быть в каждом конкретном применении ровно такими, какие необходимы для получения заданного эффекта. Так, например, технологическая машина должна быть конкурентоспособной не вообще, а в рамках требований той или иной группы потребителей. Соответственно, МО и роботы, как и другие объекты, должны быть конкурентоспособны в соответствующих областях применения. Ориентироваться на производство МО, обеспечивающих наилучшие показатели для всех типов процессов по каждому из показателей технического уровня, без учета конкретных особенностей области применения, значит заведомо ориентироваться на неэффективное производство, так как для большинства потребителей наилучшие показатели не всегда целесообразны и экономичны.

Однако каждый МО, как и другие создаваемые машинные объекты, должен удовлетворять требованиям трех уровней:

*  соответствовать законам природы, то есть техническое решение должно быть физически осуществимым;

*  соответствовать ресурсам и научно-техническому потенциалу общества, то есть быть технически реализуемым;

*  быть экономически выгодным.

В формировании представлений о качестве как о совокупности показателей (свойств) системы, отвечающих определенным требованиям технических условий, обеспечивающих возможность реализации служебного назначения системы, прежде всего, необходимо выделить те свойства, от которых зависят результаты функционирования системы. Совокупность таких свойств в каждом конкретном случае может быть различная. Чем шире область применения МС и, следовательно, ее служебное назначение, тем полнее совокупность свойств.

2.1. Обобщенные показатели

Для систем, разрабатываемых под конкретные задачи, есть возможность не только установить совокупность их определяющих свойств, но и сформировать требования к количественным уровням показателей.

Качество функционирования систем оценивают с помощью таких показателей как эффективность, показатель эффективности или качества, критерий эффективности.

Эффективность определяется степенью соответствия системы своему назначению.

Показатель эффективности (качества) – это мера одного свойства или характеристики системы в численном выражении, в конечном итоге как результат измерения некоторого ее свойства.

Критерий эффективности может рассматриваться как мера эффективности системы в целом. Этот критерий выражается количественно и измеряет степень эффективности, обобщая все свойства системы в одной интегральной оценке – значении критерия. Для систем одного класса, создаваемых для одной цели, используется один и тот же критерий, общий для этого класса систем.

Показателями эффективности оценивается степень приспособленности системы к выполнению конкретной задачи в процесс ее функционирования. Этот процесс можно представить в виде вектора состояний системы или множеством отдельных состояний (процессов)

 i =1, …, n,

где Z_i(t) – процесс функционирования при i-ых условиях.

Все состояния множества определяются параметрами системы. Составляющей Z_i(t) этого множества можно поставить в соответствие некоторое число r_i из множества действительных чисел R = {r_i}, которое является значением показателя эффективности R системы для ее состояния z_i(t). В таком случае множество состояний системы можно отразить в множестве действительных чисел на некотором интервале (r_min, r_max) и R будет функционалом вектора состояний – показателем эффективности, характеризующим качество ее функционирования при различных условиях.

Технические устройства предназначены для работы в единственной ситуации и описываются единственным функционалом эффективности. Множество возможных значений эффективности таких систем можно представить отрезком ОЭ (рис 2.8, а) в следующих координатах: е⁽¹⁾ – величина эффективности; е⁽²⁾ – вид функционала эффективности; е⁽³⁾ – вид ситуаций. Более сложные технические системы также предназначены для работы в одной ситуации, но могут иметь векторный показатель эффективности, каждая компонента которого описывается своим функционалом эффективности.

Множество значений эффективности такой системы можно представить дискретным конечным множеством отрезков О_iЭ, i=`1,…,` n (рис.2.8, б).

 

            а)                                     б)                               в)

 

Рис.2.1. Значения эффективности технических систем

Наиболее сложные технические системы предназначены для работы в ограниченном числе простых ситуаций (каждая ситуация определяется некоторым диапазоном изменения среды) и могут иметь векторный функционал эффективности. Множество значений эффективности такой системы описывается конечным дискретным множеством отрезков О_ijЭ, i = `1, …,` n; j = `1, …,` m (рис. 2.8, в).

С технической точки зрения качество – это совокупность свойств (показателей) системы, отвечающих определенным требованиям технических условий (r_min, r_max), благодаря чему система может быть использована по назначению. Полезные свойства системы многочисленны и разнообразны, поэтому многочисленны и разнообразны показатели, характеризующие эти свойства.

 

 

Для сложных технических систем, таких как МО, можно предложить следующую классификацию показателей качества (рис.2.9).

Показатели качества систем

Технические

Ресурсные

Надежностные

Структурно-функциональные

Удобство и безопасность

Быстродействие

Инерционность

Рабочие усилия

Ограничения по ускорению

Параметры среды

Точность пози­ционирования

КПД

Функциональная полнота

Динамическая гибкость

Капитальные затраты

Работо-способность

Универсаль-ность

Экологичность

Средние экс­плуатационные затраты

Объем или габариты

Объем помещений

Масса

Долговечность

Безотказность

Сохраняемость

Ремонто-пригодность

Преемствен-ность

Управляемость

Структурная гибкость

Технологич-ность

Перспектив-ность

Унификация

Эргономич-ность

Эргатичность

Эстетичность

Помехо-защищенность

Удобство использования

Уровень шума

Рис.2.2. Классификация показателей качества.

Все многообразие показателей, позволяющих оценить техническую систему, можно разделить на пять видов: технические, надежностные, ресурсные, структурно-функциональные и безопасности.

Технические характеристики – это основные рабочие показатели системы, включающие в себя силовые, кинематические и энергетические характеристики, чаще всего связанные с количественной оценкой функций, выполняемых системами. Примеры технических характеристик, в том числе динамических, для МС следующие: быстродействие, усилие на рабочем органе, ограничения по ускорению, инерционность, сопротивления на рабочем органе, режимы движения, точность позиционирования, путь в рабочем процессе, ограничения по мощности, параметры рабочей среды, КПД преобразования и передачи энергии, функциональная полнота, вид используемой энергии (физико-технические эффекты), динамическая гибкость как возможность обеспечения устойчивой работы с широким диапазоном динамических характеристик.

Для каждого вида систем характерно некоторое множество технических характеристик. При этом ряд характеристик для различных типов одного и того же вида могут быть одинаковы, хотя их численные значения могут изменяться от типа к типу.

Из всех технических характеристик всегда можно выделить одну, которая оказывает наибольшее влияние на эффективность системы. Между некоторыми характеристиками имеется связь. Выступая как требования к системе, эти характеристики могут оказаться противоречивыми.

К ресурсным характеристикам относятся приведенные капитальные затраты, прогнозируемые средние эксплуатационные затраты, объем и/или габариты элементов объекта, объем занимаемых помещений, масса. В ряде случаев на некоторые из них, например, габариты (объем) и массу, накладываются жесткие ограничения. Эти по