Слово «мехатроника» образовано из двух слов - «механика» и «электроника». Этот термин в 1969 году предложил старший разработчик фирмы Yaskawa Electric, японец по имени Тецуро Мори. В 20 веке компания Yaskawa Electric специализировалась на разработке и совершенствовании электроприводов и электродвигателей постоянного тока, в связи с чем достигла больших успехов на данном направлении, например первый двигатель постоянного тока с дисковым якорем был разработан именно там.
Далее последовали разработки, касаемые первых аппаратных систем ЧПУ. А в 1972 году здесь же был зарегистрирован бренд «Мехатроника». Вскоре компания сильно преуспела в развитии техники электропривода. Позже от слова «Мехатроника», как от торговой марки, в компании решили отказаться, поскольку термин получил очень широкое распространение как в Японии, так и по всему миру.
В любом случае, именно Япония является родиной наиболее активного становления такого подхода в технике, когда для реализации высокоточного управления электроприводом стало необходимым объединить механические элементы, электрические машины, силовую электронику, микропроцессоры и ПО.
Распространенным графическим символом мехатроники стала диаграмма с вебсайта RPI (Rensselaer Polytechnic Institute, NY,USA):
Мехатроника – это одно из новейших инженерных направлений в мире, которое, по данным ЮНЕСКО, входит в десятку самых перспективных и востребованных.
В общих чертах термину “Мехатроника” можно дать следующее определение – это область науки и техники, основанная на системном объединении узлов точной механики, электротехники, электроники, микропроцессорной техники, различных источников энергии, исполнительных электро-, гидро- и пневмоприводов, а также интеллектуального управления ими, ориентированная на создание и эксплуатацию агрегатов современных автоматизированных производственных систем.
Мехатроника — это компьютерное управление движением.
Есть очень много систем управления движением во всевозможных вещах, которыми мы владеем, о которых мы, вероятно, даже не подозреваем:
- в струйном принтере есть очень точная система управления движением, которая перемещает печатающую головку по бумаге, а другая система управления движением перемещает бумагу вперед и назад через принтер.
- робот-пылесос имеет систему управления движением, которая контролирует скорость каждого из его колес, чтобы оно перемещалось по полу с соответствующей скоростью.
- на жестком диске компьютера или в приводе DVD есть головка, которая считывает информацию с вращающегося диска. Она должна быть расположена точно на поверхности диска.
Эти системы управления движением являются распространенными технологиями в современном мире.
Привод мехатронного модуля
Цель мехатроники — создание качественно новых модулей движения, мехтронных модулей движения, интеллектуальных мехатронных модулей, а на их основе — движущихся интеллектуальных машин и систем.
Исторически мехатроника развилась из электромеханики и, опираясь на ее достижения, идет дальше путем системного объединения электромеханических систем с компьютерными устройствами управления, встроенными датчиками и интерфейсами.
Схема мехатронной системы
Обобщенная структура мехатронных систем
Электронные, цифровые, механические, электротехнические, гидравлические, пневматические и информационные элементы — могут входить в состав мехатронной системы, как изначально элементы разной физической природы, однако собранные вместе для получения от системы качественно нового результата, которого невозможно было бы достичь от каждого элемента как от отдельного исполнителя.
Отдельный шпиндельный двигатель не сможет сам выдвинуть лоток DVD-плеера, но под управлением схемы с ПО на микроконтроллере, да будучи правильно соединенным с винтовой передачей — все легко получится, и выглядеть будет так, словно это — простая монолитная система. Тем не менее, несмотря на внешнюю простоту, одна мехатронная система по определению включает в себя несколько мехатронных узлов и модулей, связанных друг с другом, и совместно взаимодействующих для выполнения конкретных функциональных действий, для решения какой-то определенной задачи.
Один мехатронный модуль — это самостоятельное изделие (конструктивно и функционально), предназначенное для осуществления движений с взаимопроникновением и одновременной целенаправленной аппаратно-программной интеграцией его составляющих.
Типичная мехатронная система представляет собой объединенные друг с другом электромеханические компоненты и компоненты силовой электроники, которые в свою очередь управляются ПК или микроконтроллерами.
При проектировании и построении такой мехатронной системы, стараются избежать лишних узлов и интерфейсов, стремятся сделать все лаконично и как можно более цельно, не только для того чтобы улучшить массо-габаритные характеристики устройства, но и для повышения надежности системы в целом.
Иногда инженерам приходится непросто, они вынуждены находить очень необычные решения именно в силу того, что разные узлы находятся в разных рабочих условиях, делают совершенно разное. Например, кое-где обычный подшипник не подойдет, и его заменяют на электромагнитный подвес (так сделано, в частности, в турбинах, качающих газ по трубам, поскольку обычный подшипник быстро вышел бы здесь из строя из-за проникновения в его смазку газа).
Так или иначе, сегодня мехатроника проникла всюду, начиная от бытовой техники, заканчивая строительной робототехникой, оружием и космической авиацией. Все станки с ЧПУ, жесткие диски, электрические замки, система АБС в вашем автомобиле и т. д. — везде мехатроника оказывается не просто полезной, а необходимой. Уже редко где можно встретить ручное управление, все идет к тому, что нажал на кнопку без фиксации или просто дотронулся до сенсора — получил результат — вот, пожалуй, самый примитивный пример того, что сегодня представляет собой мехатроника.
Схема иерархии уровней интеграции в мехатронике
Первый уровень интеграции образуют мехатронные устройства и их элементы. Второй уровень интеграции образуют интегрированные мехатронные модули. Третий уровень интеграции образуют интеграционные мехатронные машины. Четвертый уровень интеграции образуют комплексы мехатронных машин. Пятый уровень интеграции образуют на единой интеграционной платформе комплексы мехатронных машин и роботы, которые предполагают формирование реконфигурируемых гибких производственных систем.
Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:
-
станкостроение и оборудование для автоматизации, технологических процессов в машиностроении;
-
промышленная и специальная робототехника;
-
авиационная и космическая техника;
-
военная техника, машины для полиции и спецслужб;
-
электронное машиностроение и оборудование для быстрого прототипирования;
-
автомобилестроение (приводные модули «мотор-колесо», антиблокировочные устройства тормозов, автоматические коробки передач, системы автоматической парковки);
-
нетрадиционные транспортные средства (электромобили, электровелосипеды, инвалидные коляски);
-
офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);
-
периферийные устройства компьютеров (например, принтеры, плоттеры, дисководы CD-ROM);
-
медицинское и спортивное оборудование (биоэлектрические и экзоскелетные протезы для инвалидов, тонусные тренажеры, управляемые диагностические капсулы, массажеры и т. д.);
-
бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные машины, автономные пылесосы);
-
микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и телекоммуникации);
-
контрольно-измерительные устройства и машины;
-
лифтовое и складское оборудование, автоматические двери в отелях и аэропортах; фото- и видеотехника (проигрыватели видеодисков, устройства фокусировки видеокамер);
-
тренажеры для подготовки операторов сложных технических систем и пилотов;
-
железнодорожный транспорт (системы контроля и стабилизации движения поездов);
-
интеллектуальные машины для пищевой и мясомолочной промышленности;
-
полиграфические машины;
-
интеллектуальные устройства для шоу-индустрии, аттракционы.
Соответственно возрастает потребность в кадрах, владеющих мехатронными технологиями.