Что такое мехатроника, мехатронные элементы, модули, машины и системы
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:
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).
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;
интеллектуальные устройства для шоу-индустрии, аттракционы.
Соответственно возрастает потребность в кадрах, владеющих мехатронными технологиями.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
МЕХАТРОНИКА в колледже: просто о сложном
Часть I. Суть проблемы
Подниму тему, которая назрела и перезрела.
В отличие от предыдущей « узкой» темы ( про ЧПУ), она относится ко всей области подготовки технических кадров. Проблема « ЧПУ в колледже», пусть местечково, но решается в меру сил и умений в разных колледжах и техникумах.
А вот проблема, которую я намерен поднять в этой статье — не решается вообще, хотя наша компания поднимает ее на разных уровнях уже два десятка лет, «бьет во все колокола».
Эта тема — мехатроника в колледже.
Сразу скажем, о чем мы говорить не будем.
Мы НЕ БУДЕМ говорить о проблемах специальности «Мехатроника и мобильная робототехника ( по отраслям)». Эта специальность появилась недавно, имеются утвержденные ФГОС и Примерная основная образовательная Программа, к которым у многих специалистов, правда, есть вопросы. Но это отдельная большая тема.
По сути, эта специальность в СПО только встает на ноги. Люди, которые ее «поднимают», пока только ищут пути становления и развития учебного процесса. Перед ними стоит сложнейшая задача, что обусловлено особенностями области знаний, на которую претендует эта специальность.
Мехатроника — слово уже далеко не новое, широко известное, но, чтобы была ясна суть обсуждаемого, коротко формализуем его.
*Мехатроника — современное направление прикладной автоматики, связанное с интегрированными системами, обеспечивающими требуемое ( как правило — высокоточное) движение машин и механизмов. Для мехатроники характерно стремление к полной интеграции и взаимопроникновению элементов различной природы: механических, гидравлических, пневматических, электротехнических, электронных, информационных *
Обобщенная функциональная схема мехатронной системы не отличается от классической схемы системы автоматического управления ( см. рис. 1).
*Рис. 2. Мехатронный модуль — Сервомотор *
Однако, техническая система в истинно мехатронном подходе, несмотря на использование стандартных компонентов, строится как можно более монолитно, с объединением всех частей системы воедино без использования лишних интерфейсов между модулями, с синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих ее элементов, имеющих различную природу. Это означает, что управляющий модуль, приводы и, по возможности, датчики, — объединяются в одно устройство.
Вот примеры мехатронных устройств — рис. 2, 3, 4
*Рис. 3. Блок Mechatronic DSG — электронно-гидравлический блок, который управляет работой роботизированной коробки передач DSG на автомобилях « Volkswagen», «SEAT», «Skoda». *
*Рис. 4. Мехатронный подшипниковый модуль *
Насколько широка область распространения мехатроники? Образный ответ дам вот этой замечательной картинкой ( рис. 5).
На ней перечисляются мехатронные системы легкового автомобиля. Приглядитесь. Сколько вы насчитали мехатронных систем? Я насчитал 15. И это пока всего лишь легковой автомобиль.
Не многовато ли слов « мехатроника» для такого будничного технического устройства, как автомобиль? Нет. Автомобилисты классифицируют верно — если есть управляемое движение отдельных механических частей и управляют этим движением электронные мозги и вычислительные алгоритмы, — значит,** мы имеем дело со схемой на рис. 1. А, поскольку блоки-прямоугольнички на рис.1** в той или иной степени конструктивно интегрированы ( в современном исполнении), то это — настоящие мехатронные системы.
Вот и выходит, что подавляющее большинство современных технических систем в различных отраслях являются мехатронными или используют элементы мехатроники, поэтому сейчас мехатроника становится « наукой обо всём».
Показательна и очень наглядна аналогия между работой мехатронной системы и тем, как человек управляет движением своего тела: управляющий модуль ( «мозг») дает сигнал на приводы ( «мышцы») — объект управления ( «тело или его часть») начинает движение и управляющий модуль ( «мозг») контролирует движение, получая информацию от датчиков ( «органов чувств»).
Формально, если расширительно толковать термины « интегрированные» и «высокоточное», можно рассматривать все технические системы, обеспечивающие управляемое движение и состоящие из элементов различной природы, как мехатронные. По образному выражению, «Мехатроника — везде, от кофемолки и автомобиля до самолета и автоматического цеха».
Таким образом, потенциальная широта охвата технического пространства специальностью — ** беспрецедентна**. Ясное дело, колледжи и техникумы, которые возьмутся за эту специальность, будут составлять каждый свою программу подготовки, ограничивая ее своей региональной спецификой и здравым смыслом. Потому-то в названии специальности предусмотрительно присутствует приписка « (по отраслям)».
**Итак — к чему я клоню, к какому решению? **
Нет, конечно! Не нужно всем поголовно изучать такие машинки, как на рис. 2, 3 и 4. Оставьте это специалистам
А общее для всех Образовательное Решение лежит на поверхности, оно имеет три « ипостаси» — техническую, методическую и организационную. Техническая и методическая уже давно воплощены в реальность, а вот третья… Ее-то и не удается « поднять с поверхности» вот уже два десятка лет — и это большая ПРОБЛЕМА.
Что же это за Решение?
Буду далее говорить в терминах, понятных преподавателям и методистам.
Решение лежит в общепрофессиональном цикле дисциплин — пресловутом ОПД. Цикл ОПД закостенел со времен пятилеток, и становится только хуже.
Возьму сразу « быка за рога» — в него в обязательном порядке повсеместно нужно включать новую дисциплину — «ОСНОВЫ МЕХАТРОНИКИ». Но сделать это пока не удается.
Это и есть та самая ПРОБЛЕМА, о которой говорилось в начале статьи.
« В цикл ОПД — не получится, там нет места!» — таков неизменный ответ властных оппонентов. А если посмотреть по существу?
Что мы видим в цикле ОПД большинства, например, машиностроительных специальностей? Неизменные уже полвека ( а то и больше) «Техническая механика», «Материаловедение», «Метрология», «Инженерная графика»…
И это — правильно! Пусть так будет и впредь, — это наша русская инженерная ШКОЛА, наши образовательные традиции.
Но, жизнь не стоит на месте, перемены в технике огромны, однако, в нашем времени из новых дисциплин в цикл ОПД удалось « пролезть» только компьютерной графике и, в той или иной форме — прикладному программированию. Зато очень вольготно и уверенно расположились в цикле ОПД « Экономика…» «Охрана труда», «Безопасность жизнедеятельности».
Я двадцать лет на кафедре занимался ГОСами, ФГОСами и версткой учебных планов, и прекрасно помню, как, в свое время, тихой сапой, просто распоряжением сверху, в цикл ОПД « опускались» с верхних этажей учебных планов эти дисциплины.
Мы задавали нашим проректорам-кураторам простой вопрос: «Есть ОГСЦ — Общий гуманитарный и социально-экономический цикл. В учебных планах — это самый верхний этаж. Но, после того, как с этого этажа экономику „опустили“ в ОПД, ничего „экономического“ в ОГСЦ, кроме названия, — не осталось, от слова „совсем“. Зачем мы корёжим основополагающий документ?».
В ответ кураторы вздыхали и безмолвно показывали куда-то верх, — мол, не нашего ума это дело. Дескать, наверху решили, и этого не изменить. Вот так и живем десятилетие за десятилетием.
Я прекрасно понимаю, как тяжело в этом вопросе что-то изменить. Но, жизнь всё равно заставит. Когда идея овладевает массами — с ней уже ничего не сделаешь, и самые заскорузлые чиновничьи нормы можно пересмотреть. Итак — в цикл ОПД всех технических специальностей СПО должна быть включена дисциплина « Основы мехатроники».
Название, разумеется, рабочее. Поскольку идея висит в воздухе, уже предметно обсуждается ее название: основы автоматики, просто мехатроника… Обсуждение не праздное: «Как Вы лодку назовете, — так она и поплывет». В любом случае ясно, что название должно быть простым.
Привязка к слову « автоматика» существенно искажает ареал дисциплины. В мехатронной системе обязательно наличие исполнительного двигателя, реальное механическое движение на выходе. Автоматика, конечно, здесь главная, но сам термин широко используется и в других областях, не связанных с движением машины или ее частей. И вообще, образовательные направления со словами « автоматика», «промавтоматика», «автоматизация» имеют свое поле деятельности, предлагаемая новая дисциплина ОПД хоть и родственна автоматике и автоматизации, но немного не о том.
Назвать просто — «Мехатроника»? Неплохой, кстати, вариант. Но, могут сказать — не слишком ли много вы на себя берете? Мехатроника — огромна.
Парировать это возражение просто.
Математика — тоже огромна. Но, в первом классе школы дисциплина называется « Математика». И во втором, и в 11-м. И в колледже тоже — «Математика». Это в старые добрые времена всё называлось правильно, по ступеням — арифметика, алгебра, геометрия, тригонометрия… И всем всё было понятно.
Но, так называемые « новаторы образования» решили всё унифицировать. Так что, и к нашей дисциплине можно смело применить унифицированное название — «Мехатроника». Коротко и ясно.
Однако, на этапе обсуждения лучше использовать точное название — «Основы мехатроники». Почему только « основы»? Потому что часов будет не очень много — много не дадут ( да и цели такой нет), но на 4 часа в неделю в течение семнадцатинедельного семестра рассчитывать нужно. Итого — 68 часов.
Как я уже написал выше, техническая и методическая сторона этого курса не просто разработана, а отшлифована до блеска в ходе многолетней практической образовательной деятельности. То есть — компанией « ДиСис» производится и уже в течение многих лет постоянно модернизируется учебное оборудование и всеобъемлющий комплект методических материалов по данной дисциплине. Всё это многократно апробировано в системе СПО, имеются соответствующие рабочие программы и сотни студентов, подготовленных по ним.
Общее мнение преподавателей, проведших занятия по нашим программам и на нашем учебно-лабораторном оборудовании — наконец-то каждый студент получил наглядный ответ на «вечный» вопрос: «КАК МАШИНА РАБОТАЕТ?». «Пощупал» это собственными руками.
В этом и состоит уникальность этой дисциплины — дать студентам большинства специальностей универсальные знания, а самое главное — практические навыки работы « от и до» с реальными машинами и системами, чтобы студенты после этого без страха и уже со знанием дела подходили бы к любому оборудованию.
Последний довод оппонентов: дескать, кому надо — пусть включает эту дисциплину в профессиональный цикл ( цикл « Профессиональные дисциплины» — ПД). Это обычная чиновничья уловка — и не отказать, и, одновременно, выхолостить идею.
А давайте ЭКОНОМИКУ уберем в ПД! Она была ранее на верхнем этаже учебного плана, потом спустилась с него, но не задержалась в цикле ЕН ( естественно-научный), а проследовала ниже, в ОПД. Вот пусть и еще на один этаж опустится, какая разница?!
А суть в том, что дисциплина « Основы мехатроники» по своей значимости для большинства специалистов не уступает ни одной из существующих дисциплин ОПД, а, потенциально, многих из них превосходит. И, чтобы не давать возможности бюрократам вести свои игры, ее надо включать именно в ОПД большинства специальностей, в обязательном порядке.
Я намеренно не написал « технических специальностей». А что, нетехническому специалисту это курс не нужен? Представьте себе — именно этот курс им и нужен!
Посмотрите на эти две картинки ( рис. 6 и 7)
Блок Мехатроник на ДСГ(Mechatronic DSG) : особенности, неполадки, ремонт
Современные типы автоматических коробок передач (классические автоматы, вариаторы или роботы) имеют электронный блок управления (ЭБУ АКПП). Указанный блок управляет работой трансмиссии, учитывает постоянно изменяющиеся нагрузки и условия в режиме реального времени и т.д. При этом ЭБУ коробкой работает по так называемым «плавающим» алгоритмам, что позволяет сделать логику его работы намного более гибкой.
Если говорить о преселективных роботизированных коробках передач с двойным сцеплением, кроме ЭБУ важнейшим элементом является мехатроник. В этой статье мы дадим ответ на частый вопрос, для чего нужен мехатроник, что это такое в машине, а также какие функции выполняет данный элемент автоматической коробки передач.
ДСГ мехатроник: что это такое
Мехатроник является электронно-гидравлическим блоком, который активно используется в устройстве преселективной коробки передач DSG на моделях VAG. Также подобное устройство можно встетить и на авто других производителей. Указанный элемент находится в картере роботизированной КПП.
Если говорить о конструкции, мехатроник это ЭБУ и целый ряд электронно-гидравлических компонентов, которые находятся в едином корпусе. Также к мехатронику подключено большое количество различных датчиков АКПП, что позволяет добиться слаженной и четкой работы коробки автомат данного типа.
При этом нормальная работа мехатроника возможна только в том случае, если все компоненты находятся в исправном состоянии (нет проблем по части электрики, гидравлики и механики). Становится понятно, что блок mechatronic фактически управляет работой роботизированной коробки передач.
На основании полученных от датчиков сигналов о состоянии и режимах работы всех систем автомобиля, блок подбирает оптимальный момент переключения передач, а также осуществляет самостоятельную регулировку самого процесса переключений.
Параллельно мехатроник контролирует работу фрикционной муфты, а также тесно контактирует с другими блоками, которые входят в состав ЭСУД на том или ином автомобиле. При этом следует помнить, что определенные неисправности mechatronic (в отличие от подобных случаев с «классическими» АКПП), могут привести к тому, что машина внезапно не сможет продолжать движение.
Другими словами, любые сбои в работе преселективной коробки являются поводом для прекращения дальнейшей эксплуатации ТС и проведения углубленной профессиональной диагностики. В противном случае возможно размыкание сцеплений при езде, а также возникновение поломок КПП.
С учетом того, что ЭБУ АКПП и сами коробки постоянно совершенствуются, логика работы становится все более сложной. На начальном этапе первые АКПП имели блоки постоянной памяти (ПЗУ), куда записывались микропрограммы. При этом серьезным минусом являлось то, что изменить и откорректировать записанные данные не представлялось возможным.
В результате машина с автоматом не могла быть отдельно адаптирована для других условий эксплуатации, отличных от ранее прописанных в память ЭБУ. В дальнейшем коробки стали более совершенными, от ПЗУ без возможности внесения изменений в программное обеспечение быстро отказались в пользу решений с возможностью перезаписи или корректировки программного обеспечения.
Если просто, такие коробки адаптивные, а сами алгоритмы, по которым работает мехатроник и осуществляется процесс управления трансмиссией, достаточно сложные. Также нужно учитывать и тот факт, что существуют разные версии самой КПП ДСГ, которая устанавливается на те или иные модели, в паре с разными двигателями и т.д.
Получается, каждый тип DSG имеет отдельный вид блока мехатроник, при этом они зачастую не взаимозаменяемы между собой. Также можно отметить, что в разное время было выпущено несколько типов блоков.
Они имеют определенные конструктивные отличия, содержат в памяти разные версии программного обеспечения, рассчитаны на работу с разными двигателями и коробками, где отличается передаточное соотношение. При этом только в отдельных случаях мехатроник одного поколения можно успешно перепрограммировать и установить на другой автомобиль.
Ремонт мехатроника и коробки ДСГ
Как показывает практика, мехатроник не отличается высокой надежностью, однако устройство является дорогостоящим, а также отличается сложностью в плане конструкции.
По ряду причин до недавнего времени такой блок считался неремонтопригодным. Другими словами, как официальные, так и неофициальные сервисы в случае проблем с мехатроником зачастую ограничивались только перепрошивкой и/или заменой блока.
Что касается ремонта DSG, именно мехатроник является «мозгом» данной коробки. При этом процессорная его часть является сложным электронным устройством. Если просто, большинство проблем с процессором мехатроника предполагает замену всего блока на новый или б/у.
Также в некоторых специализированных центрах предлагается перепрошивка мехатроника, после чего устройство ставится на автомобили, где изначально стоит блок другого типа (например, установка мехатроника от Skoda на Audi). Как видно, сегодня можно говорить о подобии взаимозаменяемости, пусть и не официально.
Конечно, присутствуют определенные риски. По этой причине необходимо выполнять такие работы только в проверенных автосервисах и узкоспециализированных мастерских по ремонту АКПП и DSG, которые также готовы предоставить гарантию на выполненные работы.
Признаки неисправностей мехатроника DSG и диагностика
Рассмотрев мехатроник (мехатрон), что это такое и как работает, можно перейти к признакам и симптомам проблем с указанным блоком управления. На проблемы с коробкой DSG (как ДСГ-6, так и ДСГ-7) явно указывают рывки, удары и толчки при разгоне.
Как правило, речь идет о толчках во время активного набора скорости, а не постоянно в моменты переключения передач «вверх» и «вниз». Параллельно могут присутствовать вибрации во время разгона, также некоторые передачи могут не включаться, коробка затягивает переключения и т.д.
Так или иначе, необходима диагностика мехатроника DSG. Что касается проверки, можно обратиться на СТО или же выполнить процедуру самостоятельно. Для этого необходимо иметь диагностический кабель VAG com.
Примечательно то, что такой кабель для компьютерной диагностики автомобиля будет стоит столько же, сколько и разовое обращение в сервис. Становится понятно, что оптимально приобрести кабель и в дальнейшем проводить диагностику своими руками.
В результате сравнить полученные данные при проверке автомобиля с заводскими настройками не составляет труда. Благодаря такой возможности провести диагностику DSG и мехатроника самому, можно быстро считать ошибки, затем расшифровать коды и самостоятельно оценить масштабы проблемы, возможные повреждения/неисправности, стоимость ремонта и т.д.
Толчок в АКПП, появление рывков при переключении передач АКПП, толчки коробки автомат на месте: основные причины подобных неисправностей автоматической КПП.
Как определить, что коробка автомат перегревается: признаки, указывающие на перегрев АКПП. Как улучшить охлаждение АКПП и не допустить перегрева автомата.
Клапанная плита АКПП (гидроблок): устройство гидроблока, назначение, принцип работы. Неисправности гидроблока, причины поломок, диагностика и ремонт.
Основные датчики в устройстве АКПП: назначение и принцип работы датчиков автоматической трансмиссии. Неисправности датчиков коробки автомат, признаки.
Пробуксовка автоматической коробки при переключении передач: основные причины, по которым пробуксовывает автомат. Диагностика коробки, устранение неполадок.
Автоматическая коробка передач на SsangYong Actyon: особенности, виды АКПП. Неисправности АКПП Актион BTR M11: признаки неполадок, диагностика, ремонт.
