Применение мехатронных систем в автомобильной промышленности. Мехатронные системы автомобильного транспорта Адаптивный способ повышения виброустойчивости токарного станка

Т ермин «мехатроника » введён Tetsuro Moria (Тецуро Мори) инженером японской компании Yaskawa Electric (Яскава электрик) в 1969. Термин состоит из двух частей - «меха», от слова механика, и «троника», от слова электроника. В России до возникновения термина «мехатроника» применялись приборы с названием «механотроны».

Мехатроника – это прогрессивное направление развития науки и техники, ориентированное на создание и эксплуатацию автоматических и автоматизированных машин и систем с компьютерным (микропроцессорным) управлением их движением. Основной задачей мехатроники является разработка и создание высокоточных, высоконадёжных и многофункциональных систем управления сложными динамическими объектами. Простейшими примерами мехатроники являются тормозная система автомобиля с АБС (антиблокировочной системой) и промышленные станки с ЧПУ.

Крупнейшим в мировой подшипниковой отрасли разработчиком и изготовителем мехатронных устройств является компания SNR . Компания известна как пионер в области “сенсорных” подшипников, c оздавшая “ноу-хау” технологию c использованием многополюсных магнитных колец и измерительных компонентов интегрированные в механические детали. Именно SNR впервые предложила использовать колесные подшипники с интегрированным датчиком скорости вращения на основе уникальной магнитной технологии – ASB ® (Active Sensor Bearing ), которые в настоящее время являются стандартом, признанным и используемым почти всеми крупнейшими автопроизводителями в Европе и Японии. Уже произведено более 82 миллионов подобных устройств, а к 2010 году почти 50% всех колесных подшипников в Мире выпускаемых различными производителями будут использовать технологию ASB ® . Такое массовое применение ASB ® лишний раз доказывает надежность этих решений, обеспечивающих высокую точность измерения и передачи цифровой информации в самых агрессивных окружающих условиях (вибрации, грязь, большие перепады температур и т.п.).

Иллюстрация : SNR

Структура подшипника ASB ®

Основными преимуществами технологий ASB ® , применяемых в автомобилестроении, являются:

это компактное и экономичное решение, может использоваться и на транспортных средствах низшего ценового диапазона, а не только на дорогих автомобилях в отличие от многих других конкурентных технологий,

это прогрессивная технология в исследовании автомобильного комфорта и безопасности,

это главный элемент в концепции “полного контроля за шасси”,

это открытый стандарт, обеспечивающий минимальные затраты при лицензировании производства изготовителями подшипников и электронных компонентов.

Технология ASB ® в 1997 году на выставке EquipAuto в Париже получила Первый Grand Prix в номинации "Новые технологии для оригинального (конвейерного) производства".

В 2005 году на EquipAuto SNR предложила к обозрению дальнейшее развитие ASB ® – специальную систему с датчиком угла поворота ASB ® Steering System , предназначенная для измерения угла поворота рулевого колеса, что позволит оптимизировать работу электронных систем автомобиля и увеличить уровень безопасности и комфорта. Разработка данной системы началась в 2003 году, усилиями CONTINENTAL TEVES и SNR Roulements . В 2004 году первые опытные образцы были готовы. Полевое испытание ASB ® Steering System прошли в марте 2005 года в Швеции на автомобилях Mercedes C -класса и показали великолепные результаты. В серийное производство ASB ® Steering System должна войти в 2008 году.

Иллюстрация : SNR

ASB ® Steering System

Основными преимуществами ASB ® Steering System станут:

более простая конструкция,

обеспечение малого уровня шума,

меньшая себестоимость,

оптимизация размеров …

Имея более чем 15 летний опыт разработки и изготовления мехатронных устройств, компания предлагает для клиентов не только из сферы автомобилестроения, но и промышленности и аэрокосмонавтики - “мехатронных” подшипники Sensor Line . Эти подшипники унаследовали непревзойденную надёжность ASB ® , полную интеграцию и соответствие международным стандартам ISO .

Расположенный в самом центре движения, датчик Sensor Line передаёт информацию об угловом смещении и скорости вращения в течение более 32 периодов за один оборот. Таким образом, объединяются функции подшипника и измерительного устройства, что положительно сказывается на компактности подшипника и оборудования в целом, обеспечивая при этом конкурентно способную цену по отношению к стандартным решениям (на базе оптических сенсоров).

Фото : SNR

включает:

Запатентованное многодорожечное и многополюсное магнитное кольцо, генерирующее магнитное поле определённой формы;

Специальный электронный компонент MPS 32 XF преобразует информацию об изменении магнитного поля в цифровой сигнал.

Фото: Torrington

Компонента MPS 32 XF

Sensor Line Encoder может достигать разрешения 4096 импульсов за один оборот с радиусом чтения всего 15 мм, обеспечивая точность позиционирования более, чем 0,1° ! Таким образом, Sensor Line Encoder во многих случаях может заменить стандартное оптическое кодирующее устройство, при этом придавая дополнительные функции.

Устройство Sensor Line Encoder может обеспечить получение следующих данных с высокой точностью и надёжностью:

угловое положение,

Скорость,

направление вращения,

Количество оборотов,

Температуру.

Уникальные свойства нового устройства SNR были признаны в мире электроники ещё на стадии опытных образцов. Специальный сенсор MPS 32 XF выиграл главный приз Gold Award на выставке Sensor Expo 2001 в г.Чикаго (США).

В настоящее время Sensor Line Encoder находит свое применение:

в механических трансмиссиях;

в конвейерах;

в робототехнике;

в транспортных средствах;

в грузоподъёмниках;

в системах контроля, измерения и позиционирования.

Фото: SNR

Одним из дальнейших проектов, который должен финишировать в 2010-11 годах, является ASB ® 3 – подшипник с интегрированным датчиком моментов основанный на применении туннельного магнитосопротивления. Использование технологии туннельного магнитосопротивления позволяет обеспечить:

высокую чувствительность датчика,

низкие энергозатраты,

лучший сигнал по отношению к уровню шума,

более широкий температурный диапазон.

ASB ® 4 , выход которого запланирован на 2012-15 г.г., завершит открытие эры информационных технологий для подшипникостроения. Впервые будет интегрирована система самодиагностики, что позволит, например, по температуре смазки подшипника или его вибрации узнать состояние подшипника.

Существует точка зрения, что мехатронные технологии включают в себя технологии новых материалов и композитов, микроэлектронику, фотонику, микробионику, лазерные и др. технологии.

Однако, при этом происходит подмена понятий и, вместо мехатронных технологий, которые реализуются на основе использования мехатронных объектов, в этих работах идет речь о технологии изготовления и сборки таких объектов.

Большинство научных работников в настоящее время считают, что мехатронные технологии всего лишь формируют и реализуют необходимые законы исполнительных движений механизмов с компьютерным управлением, а также агрегатов на их основе, или осуществляют анализ этих движений для решения диагностических и прогностических задач.

В механической обработке эти технологии направлены на обеспечение точности и производительности, которые невозможно достигнуть без использования мехатронных объектов, прообразами которых являются металлорежущие станки с открытыми системами ЧПУ. В частности такие технологии позволяют компенсировать погрешности, которые возникают вследствие колебания инструмента относительно заготовки.

Однако, предварительно следует отметить, что мехатронные технологии включают в себя следующие этапы:

Технологическая постановка задачи;

Создание модели процесса с целью получения закона исполнительного движения;

Разработка программного и информационного обеспечения для реализации;

Дополнение информационной управляющей и конструкторской базы типового мехатронного объекта, реализующего предлагаемую технологию, если в этом есть необходимость.

Адаптивный способ повышения виброустойчивости токарного станка.

В условиях использования разнообразного режущего инструмента, обрабатываемые детали сложной формы и широкой номенклатуры как обрабатываемых, так и инструментальных материалов резко возрастает вероятность возникновения автоколебаний и потеря виброустойчивости технологической системы станка.

Это влечет за собой снижение, интенсивности обработки или дополнительные капитальные вложения в технологический процесс. Перспективным способом снижения уровня автоколебаний является изменение скорости резания в процессе обработки.

Такой способ достаточно просто реализуется технически и оказывает эффективное воздействие на процесс резания. Ранее этот способ реализовался как априорное регулирование на основе предварительных расчетов, что ограничивает его применение, так как не позволяет учитывать многообразие причин и изменчивость условий возникновения вибраций.

Значительно более эффективны адаптивные системы регулирования скорости резания с оперативным контролем силы резания и ее динамической составляющей.

Механизм считывания уровня автоколебаний при обработке с изменяемой скоростью резания можно представить следующим образом.

Пусть при обработке детали со скоростью резания V 1 технологическая система находится в условиях автоколебаний. При этом частота и фаза колебаний на обработанной поверхности совпадают с частотой и фазой колебаний силы резания и самого резца (эти колебания выражаются в виде дробления, волнистости и шероховатости).

При переходе к скорости V 2 колебания на обработанной поверхности детали относительно резца при последующем обороте (при обработке «по следу») происходит с другой частотой и синхронности колебаний, то есть их фазовое совпадение нарушается. Благодаря этому, в условиях обработки «по следу» интенсивность автоколебаний снижается, а в их спектре появляются высокочастотные гармоники.

С течением времени в спектре начинают преобладать собственные резонансные частоты и процесс автоколебаний вновь интенсифицируется, что требует повторного изменения скорости резания.

Из сказанного следует, что основными параметрами описанного метода является величина изменения скорости резания V, а также знак и частота этого изменения. Эффективность влияния изменения скорости резания на показатели обработки следует оценивать по длительности периода восстановления автоколебаний. Чем он больше, тем дольше сохраняется пониженный уровень автоколебаний.

Разработка метода адаптивного управления скоростью резания предполагает имитационное моделирование этого процесса на основе математической модели автоколебаний, которая должна:

Учитывать динамику процесса резания;

Принимать во внимание обработку «по следу»;

Адекватно описывать процесс резания в условиях автоколебаний.

Сферы применения мехатронных систем. К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению традиционными средствами автоматизации следует отнести: относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов; высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления; высокую надежность долговечность и помехозащищенность; конструктивную компактность модулей вплоть до миниатюризации и микромашинах улучшенные...

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 4. Сферы применения мехатронных систем.

К основным преимуществам мехатронных устройств по сравнению традиционными средствами автоматизации следует отнести:

Относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

Высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;

Высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

Конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации и микромашинах),

Улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

Возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.

Объемы мирового производства мехатронных устройств ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы. Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:

Станкостроение и оборудование для автоматизации технологических
процессов;

Робототехника (промышленная и специальная);

авиационная, космическая и военная техника;

автомобилестроение (например, антиблокировочные системы тормозов,
системы стабилизации движения автомобиля и автоматической парковки);

нетрадиционные транспортные средства (электровелосипеды, грузовые
тележки, электророллеры, инвалидные коляски);

офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);

элементы вычислительной техники (например, принтеры, плоттеры,
дисководы);

медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное);

бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные и другие
машины);

микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и
телекоммуникации);

контрольно-измерительные устройства и машины;

фото- и видеотехника;

тренажеры для подготовки пилотов и операторов;

Шоу-индустрия (системы звукового и светового оформления).

Безусловно, этот список может быть расширен.

Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах как нового научно-технического направления обусловлено тремя основным факторами:

Новые тенденции мирового индустриального развития;

Развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые
научные идеи, принципиально новые технические и технологические
решения);

активность специалистов в научно-исследовательской и образовательной
сферах.

Современный этап развития автоматизированного машиностроения в нашей стране происходит в новых экономических реалиях, когда стоит вопрос о технологической состоятельности страны и конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Можно выделить следующие тенденции изменения в ключевых требованиях мирового рынка в рассматриваемой области:

необходимость выпуска и сервиса оборудования в соответствии с
международной системой стандартов качества, сформулированных в
стандарте ISO 9000 ;

интернационализация рынка научно-технической продукции и, как
следствие, необходимость активного внедрения в практику форм и методов
международного инжиниринга и трансфера технологий;

повышение роли малых и средних производственных предприятий в
экономике благодаря их способности к быстрому и гибкому реагированию
на изменяющиеся требования рынка;

Бурное развитие компьютерных систем и технологий, средств телекоммуникации (в странах ЕЭС в 2000 году 60% роста Совокупного
Национального Продукта произошло именно за счет этих отраслей);
прямым следствием этой общей тенденции является интеллектуализация
систем управления механическим движением и технологическими
функциями современных машин.

В качестве основного классификационного признака в мехатронике представляется целесообразным принять уровень интеграции составляющих элементов. В соответствии с этим признаком можно разделять мехатронные системы по уровням или по поколениям, если рассматривать их появление на рынке наукоемкой продукции исторически мехатронные модули первого уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить "мотор-редуктор", где механический редуктор и управляемый двигатель выпускаются как единый функциональный элемент. Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).

Мехатронные модули второго уровня появились в 80-х годах в связи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов. Объединение приводных модулей с указанными элементами привела к появлению мехатронных модулей движения, состав которых полностью соответствует введенному выше определению, когда достигнута интеграция трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных. На базе мехатронных модулей данного класса созданы управляемые энергетические машины (турбины и генераторы), станки и промышленные роботы с числовым программным управлением.

Развитие третьего поколения мехатронных систем обусловлено появлением на рынке сравнительно недорогих микропроцессоров и контроллеров на их базе и направлено на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь процесса управления функциональными движениями машин и агрегатов. Одновременно идет разработка новых принципов и технологии изготовления высокоточных и компактных механических узлов, а также новых типов электродвигателей (в первую очередь высокомоментных бесколлекторных и линейных), датчиков обратной связи и информации. Синтез новых прецизионных, информационных и измерительных наукоемких технологий дает основу для проектирования и производства интеллектуальных мехатронных модулей и систем.

В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться и мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких комплексов - добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости технико-технологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить, конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции.

Современные предприятия, приступающие к разработке и выпуску мехатронных изделий, должны решить в этом плане следующие основные задачи:

Структурная интеграция подразделений механического, электронного и информационного профилей (которые, как правило функционировали автономно и разобщенно) в единые проектные и производственные коллективы;

Подготовка "мехатронно-ориентированных" инженеров и менеджеров, способных к системной интеграции и руководству работой узкопрофильных специалистов различной квалификации;

Интеграция информационных технологий из различных научно-технических областей (механика, электроника, компьютерное управление) в единый инструментарий для компьютерной поддержки мехатронных задач;

Стандартизация и унификация всех используемых элементов и процессов при проектировании и производстве МС.

Решение перечисленных проблем зачастую требует преодоления сложившихся на предприятии традиций в управлении и амбиций менеджеров среднего звена, привыкших решать только свои узкопрофильные задачи. Именно поэтому средние и малые предприятия которые могут легко и гибко варьировать свою структуру, оказываются более подготовленными к переходу на производство мехатронной продукции.

Мехатронные модули находят все более широкое применение в различных транспортных системах.

Жесткая конкуренция на автомобильном рынке вынуждает специалистов в этой области к поиску новых передовых технологий. На сегодняшний день, одной из главных проблем для разработчиков заключается в создании «умных» электронных устройств, способных сократить число дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Итогом работы в этой области стало создание системы комплексной безопасности автомобиля (СКБА), которая способна автоматически поддерживать заданную дистанцию, останавливать машину при красном сигнале светофора, предупреждать водителя о том, что он преодолевает поворот на скорости, более высокой, чем это допустимо законами физики. Были разработаны даже датчики удара с радиосигнализатором, который при наезде автомобиля на препятствие или столкновении вызывает машину скорой помощи.

Все эти электронные устройства предотвращения ДТП делятся на две категории. Первая включает приборы в автомобиле, действующие независимо от каких-либо сигналов внешних источников информации (других автомобилей, инфраструктуры). Они обрабатывают информацию, поступающую от бортового радиолокатора (радара). Вторая категория — системы, действие которых основано на данных, полученных от источников информации, расположенных вблизи дороги, в частности от маяков, которые собирают сведения о дорожной обстановке и передают их посредством инфракрасных лучей в проезжающие автомобили.

СКБА объединила новое поколение перечисленных выше устройств. Она принимает как сигналы радара, так и инфракрасные лучи «думающих» маяков, а в дополнение к основным функциям обеспечивает безостановочное и спокойное для водителя движение на нерегулируемых пересечениях дорог и улиц, ограничивает скорость движения на поворотах и в жилых районах пределами установленных скоростных лимитов. Как все автономные системы, СКБА требует, чтобы автомобиль был оборудован антиблокировочной системой тормозов (АБС) и автоматической коробкой передач.

СКБА включает лазерный дальномер, постоянно измеряющий расстояние между автомобилем и любым препятствием по ходу — движущимся или неподвижным. Если наезд вероятен, а водитель не замедляет скорость, микропроцессор дает команду сбросить давление на педаль акселератора, включить тормоза. Небольшой экран на панели приборов вспыхивает предупреждением об опасности. По желанию водителя бортовой компьютер может устанавливать безопасную дистанцию в зависимости от дорожного покрытия — влажного или сухого.

СКБА способна управлять автомобилем, ориентируясь на белые линии разметки дорожного покрытия. Но для этого необходимо, чтобы они были четкими, поскольку постоянно «считываются» находящейся на борту видеокамерой. Обработка изображения затем определяет положение машины относительно линий, а электронная система в соответствии с этим воздействует на рулевое управление.

Бортовые приемники инфракрасных лучей СКБА действуют при наличии передатчиков, размещенных через определенные интервалы вдоль проезжей дороги. Лучи распространяются прямолинейно и на небольшое расстояние (примерно до 120 м), а данные, передаваемые закодированными сигналами, невозможно ни заглушить, ни исказить.

Рис. 3.1 Система комплексной безопасности автомобиля: 1 — приемник инфракрасных лучей; 2 — датчик погоды (дождь, влажность); 3 — привод дроссельной заслонки системы питания; 4 — компьютер; 5 — вспомогательный электроклапан в приводе тормозов; 6 — АБС; 7 — дальномер; 8 — автоматическая коробка передач; 9 — датчик скорости автомобиля; 10 — вспомогательным электроклапан рулевого управления; 11 — датчик акселератора; 12 — датчик рулевого управления; 13 — стол-сигнал; 14 — компьютер электронного видения; 15 — телевизионная камера; 16 — экран.

На рис. 3.2 представлен датчик погоды фирмы « Boch ». В зависимости от модели внутрь помещают инфракрасный светодиод и один - три фотоприемника. Светодиод испускает невидимый луч под острым углом к поверхности ветрового стекла. Если на улице сухо, весь свет отражается обратно и попадает на фотоприемник (так рассчитана оптическая система). Поскольку луч модулирован импульсами, то на посторонний свет датчик не среагирует. Но если на стекле есть капли или слой воды, условия преломления изменяются, и часть света уходит в пространство. Это фиксируется сенсором, и контроллер рассчитывает подходящий режим работы стеклоочистителя. Попутно данный прибор может закрыть электролюк в крыше, поднять стекла. Датчик имеет еще 2 фотоприемника, которые интегрированы в общий корпус с датчиком погоды. Первый предназначен для автоматического включения фар, когда смеркается или автомобиль въезжает в тоннель. Второй, переключает «дальний» и «ближний» свет. Задействованы ли эти функции, зависит, от конкретной модели автомобиля.

Рис.3.2 Принцип работы датчика погоды

Антиблокировочные тормозные системы (АБС), ее необходимые компоненты — датчики скорости колеса, электронный процессор (блок управления), сервоклапаны, гидравлический насос с электрическим приводом и аккумулятор давления. Некоторые ранние АБС были “трехканальные”, т.е. управляли передними тормозными механизмами индивидуально, но растормаживали полностью все задние тормозные механизмы при начале блокирования любого из задних колес. Это экономило некоторое количество стоимости и усложнения конструкции, но дало более низкую эффективность по сравнению с полной четырехканальной системой, в которой каждый тормозной механизм управляется индивидуально.

АБС имеет много общего с противобуксовочной системой (ПБС), чье действие могло бы рассматриваться как “АБС наоборот”, так как ПБС работает по принципу обнаружения момента начала быстрого вращения одного из колес по сравнению с другим (момента начала пробуксовывания) и подачи сигнала на притормаживание этого колеса. Датчики скорости колеса могут быть общими, и поэтому наиболее эффективный способ предотвращать пробуксовку ведущего колеса уменьшением его скорости состоит в том, чтобы применить мгновенное (и если необходимо, повторное) действие тормоза, тормозные импульсы могут быть получены от блока клапанов АБС. В действительности, если присутствует АБС, это все, что требуется, чтобы обеспечить и ПБС — плюс некоторое дополнительное программное обеспечение и дополнительный блок управления, чтобы уменьшить при необходимости крутящий момент двигателя или сократить количество подводимого топлива, или осуществить прямое вмешательство в систему управления педалью газа.

На рис. 3.3 представлена схема электронной системы питания автомобиля: 1 - реле зажигания; 2 - центральный переключатель; 3 - аккумуляторная батарея; 4 - нейтрализатор отработавших газов; 5 - датчик кислорода; 6 - воздушный фильтр; 7 - датчик массового расхода воздуха; 8 - колодка диагностики; 9 - регулятор холостого хода; 10 - датчик положения дроссельной заслонки; 11 - дроссельный патрубок; 12 - модуль зажигания; 13 - датчик фаз; 14 - форсунка; 15 - регулятор давления топлива; 16 - датчик температуры ОЖ; 17 - свеча; 18 - датчик положения коленвала; 19 - датчик детонации; 20 - топливный фильтр; 21 - контроллер; 22 - датчик скорости; 23 - топливный насос; 24 - реле включения топливного насоса; 25 - бензобак.

Рис. 3.3 Упрощенная схема системы впрыска

Одной из составных частей СКБА является подушка безопасности ( airbag ) (см. рис. 3.4), элементы которой размещены в разных частях автомобиля. Инерционные датчики, находящиеся в бампере, у моторного щита, в стойках или в районе подлокотника (в зависимости от модели автомобиля), в случае аварии посылают сигнал на электронный блок управления. В большинстве современных СКБА фронтальные датчики рассчитаны на силу удара на скорости от 50 км/ч. Боковые срабатывают при более слабых ударах. От электронного блока управления сигнал следует на основной модуль, который состоит из компактно уложенной подушки, соединенной с газогенератором. Последний представляет собой таблетку диаметром около 10 см и толщиной около 1 см с кристаллическим азотгенерирующим веществом. Электрический импульс поджигает в «таблетке» пиропатрон или плавит проволоку, и кристаллы со скоростью взрыва превращаются в газ. Весь описанный процесс происходит очень быстро. «Средняя» подушка наполняется за 25 мс. Поверхность подушки европейского стандарта мчится навстречу грудной клетке и лицу со скоростью около 200 км/ч, а американского — около 300. Поэтому в машинах, оборудованных подушкой безопасности, производители настоятельно советуют пристегиваться и не сидеть вплотную к рулю или торпедо. В наиболее «продвинутых» системах есть устройства, идентифицирующие наличие пассажира или детского кресла и, соответственно, либо отключающие, либо корректирующие степень надувания.

Рис. 3.4. Автомобильная подушка безопасности:

1 - натяжное устройство ремня безопасности; 2 - надувная подушка безопасности; 3 - надувная подушка безопасности; для водителя; 4 – блок управления и центральный датчик; 5 – исполнительный модуль; 6 – инерционные датчики

Помимо обычных автомобилей большое внимание уделяется созданию легких транспортных средств (ЛТС) с электроприводом (иногда их называют нетрадиционными). К этой группе транспортных средств относятся электровелосипеды, роллеры, инвалидные коляски, электромобили с автономными источниками питания. Разработку таких мехатронных систем ведет Научно-инженерный центр "Мехатроника" в кооперации с рядом организаций.

Масса двигателя 4.7 кг,

Аккумуляторная батарея 36В, 6 А*ч,

Основой для создания ЛТС являются мехатронные модули типа "мотор-колесо" на базе, как правило, высокомоментных электродвигателей. В табл.3.1 приведены технические характеристики мехатронных модулей движения для легких транспортных средств. Мировой рынок ЛТС имеет тенденцию к расширению и по прогнозам его емкость к 2000 году составляла 20 млн. единиц или в стоимостном выражении 10 млрд. долларов.

Таблица 3 .1

Морской транспорт. МС находят все более широкое применение для интенсификации труда экипажей морских и речных судов, связанных с автоматизацией и механизацией основных технических средств, к которым относятся главная энергетическая установка с обслуживающими системами и вспомогательными механизмами, электроэнергетическая система, общесудовые системы, рулевые устройства и двигатели.

Комплексные автоматические системы удержания судна на заданной траектории (СУЗТ) или судна, предназначенного для исследования Мирового океана, на заданной линии профиля (СУЗП) относятся к системам, обеспечивающим третий уровень автоматизации управления. Применение таких систем позволяет:

Повысить экономическую эффективность морских транспортных перевозок за счет реализации наилучшей траектории, движения судна с учетом навигационных и гидрометеорологических условий плавания;

Повысить экономическую эффективность океанографических, гидрографических и морских геологоразведочных работ за счет увеличения точности удержания судна на заданной линии профиля, расширения диапазона ветроволновых возмущений, при которых обеспечивается требуемое качество управления, и увеличения рабочей скорости судна;

Решать задачи реализации оптимальной траектории движения судна при расхождении с опасными объектами; повысить безопасность мореплавания вблизи навигационных опасностей за счет более точного управления движением судна.
Комплексные автоматические системы управления движением по заданной программе геофизических исследований (АСУД) предназначены для автоматического выведения судна на заданную линию профиля, автоматического удержания геолого-геофизического судна на исследуемой линии профиля, маневрирования при переходах с одной линии профиля на другую. Рассматриваемая система позволяет повысить эффективность и качество морских геофизических исследований.

В морских условиях невозможно применение обычных методов предварительной разведки (поисковая партия или детальная аэрофотосъемка), поэтому наиболее широкое распространение получил сейсмический метод геофизических исследований (рис. 3.5). Геофизическое судно 1 буксирует на кабель-тросе 2 пневматическую пушку 3, являющуюся источником сейсмических колебаний, сейсмографную косу 4, на которой размещены приемники отраженных сейсмических колебаний, и концевой буй 5. Профили дна определяют посредством регистрации интенсивности сейсмических колебаний, отраженных от пограничных слоев 6 различных-пород.

Рис. 3.5. Схема проведения геофизических исследований.

Для получения достоверной геофизической информации судно должно удерживаться на заданном положении относительно дна (линии профиля) с высокой точностью, несмотря на малую скорость движения (3—5 уз) и наличие буксируемых устройств значительной длины (до 3 км) с ограниченной механической прочностью.

Фирмой «Анжутц» разработана комплексированная МС, обеспечивающая удержание судна на заданной траектории. На рис. 3.6 представлена структурная схема этой системы, в которую входят: гирокомпас 1; лаг 2; приборы навигационных комплексов, определяющих положение судна (два и более) 3; авторулевой 4; мини-ЭВМ 5 (5 а — интерфейс, 5 б — центральное запоминающее устройство, 5 в — центральный процессорный блок); считыватель перфоленты 6; графопостроитель 7; дисплей 8; клавиатура 9; рулевая машина 10.

С помощью рассматриваемой системы можно автоматически вывести судно на запрограммированную траекторию, которая задается оператором с помощью клавиатуры, определяющей географические координаты точек поворота. В этой системе независимо от информации, поступающей от какой-либо одной группы приборов традиционного радионавигационного комплекса или устройств спутниковой связи, определяющей положение судна, вычисляются координаты вероятного положения судна по данным, выдаваемым гирокомпасом и лагом.

Рис. 3.6. Структурная схема комплексированной МС удержания судна на заданной траектории

Управление курсом с помощью рассматриваемой системы осуществляется авторулевым, на вход которого поступает информация о величине заданного курса ψ зад , формируемая мини-ЭВМ с учетом ошибки по положению судна. Система собрана в пульте управления. В верхней его части размещен дисплей с органами настройки оптимального изображения. Ниже, на наклонном поле пульта, расположен авторулевой с рукоятками управления. На горизонтальном поле пульта находится клавиатура, при помощи которой осуществляется ввод программ в мини-ЭВМ. Здесь же размещен переключатель, с помощью которого производится выбор режима управления. В цокольной части пульта расположены мини-ЭВМ и интерфейс. Вся периферийная аппаратура размещается на специальных подставках или других пультах. Рассматриваемая система может работать в трех режимах: «Курс», «Монитор» и «Программа». В режиме «Курс» осуществляется удержание заданного курса с помощью авторулевого по показаниям гирокомпаса. Режим «Монитор» выбирается тогда, когда готовится переход на режим «Программа», когда этот режим прерывается или когда переход по данному режиму закончен. На режим «Курс» переходят, когда обнаруживаются неисправности мини-ЭВМ, источников питания или радионавигационного комплекса. В этом режиме авторулевой работает независимо от мини-ЭВМ. В режиме «Программа» происходит управление курсом по данным радионавигационных приборов (датчиков положения) или гирокомпаса.

Обслуживание системы удержания судна на ЗТ осуществляется оператором с пульта. Выбор группы датчиков для определения положения судна производится оператором по рекомендациям, представленным на экране дисплея. В нижней части экрана приводится список всех разрешенных для данного режима команд, которые могут вводиться с помощью клавиатуры. Случайное нажатие какой-либо запрещенной клавиши блокируется ЭВМ.

Авиационная техника. Успехи, достигнутые в развитии авиационной и космической техники с одной стороны и необходимость снижения стоимости целевых операций с другой, стимулировали разработки нового вида техники – дистанционно пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА).

На рис. 3.6 представлена структурная схема системы дистанционного управления полетом ДПЛА - HIMAT . Основной компонентой системы дистанционного пилотирования HIMAT является наземный пункт дистанционного управления. Параметры полета ДПЛА поступают в наземный пункт по линии радиосвязи от летательного аппарата, принимаются и декодируются станцией обработки телеметрии и передаются в наземную часть вычислительной системы, а также на приборы индикации информации в наземном пункте управления. Кроме этого, с борта ДПЛА поступает отображаемая с помощью телевизионной камеры картина внешнего обзора. Телевизионное изображение, высвечиваемое на экране наземного рабочего места человека-оператора, используется для управления летательным аппаратом при воздушных маневрах, заходе на посадку и при самой посадке. Кабина наземного пункта дистанционного управления (рабочее место оператора) оборудована приборами, обеспечивающими индикацию информации о полете и состоянии аппаратуры комплекса ДПЛА, а также средствами для управления летательным аппаратом. В частности, в распоряжении человека-оператора имеются ручки и педали управления летательным аппаратом по крену и тангажу, а также ручка управления двигателем. При выходе из строя основной системы управления подача команд системы управления происходит посредством специального пульта дискретных команд оператора ДПЛА.

Рис. 3.6 Система дистанционного пилоторования ДПЛА HIMAT :

1. носитель В-52; 2 – резервная система управления на самолете TF -104 G ; 3 – линия телеметрической связи с землей; 4 - ДПЛА HIMAT ; 5 – линии телеметрической связи с ДПЛА; 5 – наземный пункт дистационного пилотирования

В качестве автономной навигационной системы, обеспечивающей счисление пути, используются доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса (ДПСС). Такая навигационная система используется совместно с курсовой системой, измеряющей курс датчиком вертикали, формирующим сигналы крена и тангажа, и бортовой ЭВМ, реализующей алгоритм счисления пути. В совокупности эти устройства образуют доплеровскую навигационную систему (см. рис. 3.7). Что бы повысить надежность и точность измерения текущих координат летательного аппарата, ДИСС может объединяться с измерителями скорости.

Рис. 3.7 Схема доплеровской навигационной системы

5. Транспортные мехатронные средства

Мехатронные модули находят все более широкое применение в различных транспортных системах. В данном пособии ограничимся кратким анализом только легких транспортных средств (ЛТС) с электроприводом (иногда их называют нетрадиционными). К этой новой для отечественной промышленности группе транспортных средств относятся электровелосипеды, роллеры, инвалидные коляски, электромобили с автономными источниками питания.

ЛТС являются альтернативой транспорту с двигателями внутреннего сгорания и используются в настоящее время в экологически чистых зонах (лечебно-оздоровительных, туристических, выставочных, парковых комплексах), а также в торговых и складских помещениях. Рассмотрим технические характеристики опытного образца электровелосипеда:

Максимальная скорость 20 км/час,

Номинальная мощность привода 160 Вт,

Номинальная частота вращения 160 об/мин,

Максимальный крутящий момент 18 Нм,

Масса двигателя 4.7 кг,

Аккумуляторная батарея 36В, 6 А«ч,

Движение в автономном режиме 20 км.

Основой для создания ЛТС являются мехатронные модули типа "мотор-колесо" на базе, как правило, высокомоментных электродвигателей. В табл.3 приведены технические характеристики мехатронных модулей движения для легких транспортных средств.

Мировой рынок ЛТС имеет тенденцию к расширению и по прогнозам его емкость к 2000 году составит 20 млн. единиц или в стоимостном выражении 10 млрд. долларов.

Мехатроника возникла как комплексная наука от слияния отдельных частей механики и микроэлектроники. Её можно определить как науку, занимающуюся анализом и синтезом сложных систем, в которых в одинаковой степени используются механические и электронные управляющие устройства.

Все мехатронные системы автомобилей по функциональному назначению делят на три основные группы:

• - системы управления двигателем;
• - системы управления трансмиссией и ходовой частью;
• - системы управления оборудованием салона.

Система управления двигателем подразделяется на системы управления бензиновым и дизельным двигателем. По назначению они бывают монофункциональные и комплексные.

В монофункциональных системах ЭБУ подает сигналы только системе впрыска. Впрыск может осуществляться постоянно и импульсами. При постоянной подаче топлива его количество меняется за счет изменения давления в топливопроводе, а при импульсном - за счет продолжительности импульса и его частоты. На сегодня одним из наиболее перспективных направлений приложения систем мехатроники являются автомобили. Если рассматривать автомобилестроение, то внедрение подобных систем позволит прийти к достаточной гибкости производства, лучше улавливать веяния моды, быстрее внедрять передовые наработки ученых, конструкторов, и тем самым получать новое качество для покупателей машин. Сам автомобиль, тем более, современный автомобиль, является объектом пристального рассмотрения с конструкторской точки зрения. Современное использование автомобиля требует от него повышенных требований к безопасности управления, в силу все увеличивающейся автомобилизации стран и ужесточения нормативов по экологической чистоте. Особо это актуально для мегаполисов. Ответом на сегодняшние вызовы урбанизма и призваны конструкции мобильных следящих систем, контролирующих и корректирующих характеристики работы узлов и агрегатов, достигая оптимальных показателей по экологичности, безопасности, эксплуатационной комфортности автомобиля. Насущная необходимость комплектовать двигатели автомобилей более сложными и дорогими топливными системами во многом объясняется введением все более жестких требований по содержанию вредных веществ в отработавших газах, что, к сожалению, только начинает отрабатываться.

В комплексных системах один электронный блок управляет несколькими подсистемами: впрыска топлива, зажигания, фазами газораспределения, самодиагностики и др. Система электронного управления дизельным двигателем контролирует количество впрыскиваемого топлива, момент начала впрыска, ток факельной свечи и т.п. В электронной системе управления трансмиссией объектом регулирования является главным образом автоматическая трансмиссия. На основании сигналов датчиков угла открытия дроссельной заслонки и скорости автомобиля ЭБУ выбирает оптимальное передаточное число трансмиссии, что повышает топливную экономичность и управляемость. Управление ходовой частью включает в себя управление процессами движения, изменения траектории и торможения автомобиля. Они воздействуют на подвеску, рулевое управление и тормозную систему, обеспечивают поддержание заданной скорости движения. Управление оборудованием салона призвано повысить комфортабельность и потребительскую ценность автомобиля. С этой целью используются кондиционер воздуха, электронная панель приборов, мультифункцио-нальная информационная система, компас, фары, стеклоочиститель с прерывистым режимом работы, индикатор перегоревших ламп, устройство обнаружения препятствий при движении задним ходом, противоугонные устройства, аппаратура связи, центральная блокировка замков дверей, стекло- подъёмники, сиденья с изменяемым положением, режим безопасности и т. д.