МЕХАТРО́НИКА

МЕХАТРО́НИКА [от ме­ха(ни­ка

) и (элек)т­ро­ни­ка

 >>

], об­ласть нау­ки и тех­ни­ки, ос­но­ван­ная на си­нер­ге­ти­че­ском объ­е­ди­не­нии уз­лов точ­ной ме­ха­ни­ки с элек­трон­ны­ми, элек­тро­тех­нич. и ком­пь­ю­тер­ны­ми ком­по­нен­та­ми, обес­пе­чи­ваю­щая про­ек­ти­ро­ва­ние и про­из-во ка­че­ст­вен­но но­вых мо­ду­лей, сис­тем и ма­шин с ин­тел­лек­ту­аль­ным управ­ле­ни­ем их функ­цио­наль­ны­ми дви­же­ния­ми. Тер­мин «М.» вве­дён япон. фир­мой «Yaskawa Electric» в 1969 и за­реги­ст­ри­ро­ван как тор­го­вая мар­ка в 1972. В отеч. тех­нич. лит-ре ещё в 1950-х гг. ис­поль­зо­вал­ся близ­кий по эти­мо­ло­гии тер­мин «ме­ха­но­трон» (назв. элек­трон­ных ламп с под­виж­ны­ми элек­тро­да­ми, при­ме­няв­ших­ся для из­ме­ре­ния ма­лых де­фор­ма­ций, виб­ра­ций, дав­ле­ний и т. п.).

Базовая основа мехатроники

Гл. за­да­ча М. – соз­да­ние дви­жу­щих­ся сис­тем и ин­тел­лек­ту­аль­ных ма­шин, об­ла­даю­щих ка­че­ст­вен­но но­вы­ми функ­ция­ми и свой­ст­ва­ми. Ме­тод М. со­сто­ит в сис­тем­ной ин­те­гра­ции зна­ний на сты­ках та­ких ра­нее обо­соб­лен­ных на­уч. и инж. об­лас­тей, как точ­ная (пре­ци­зи­он­ная) ме­ха­ни­ка и ком­пь­ю­тер­ное управ­ле­ние, ин­фор­мац. тех­но­ло­гии и мик­ро­элек­тро­ни­ка. Ме­ха­трон­ные сис­те­мы (МС) стро­ят­ся пу­тём си­нер­ге­тич. ин­те­гра­ции кон­ст­рук­тив­ных мо­ду­лей, тех­но­ло­гий, энер­ге­тич. и ин­фор­мац. про­цес­сов на всех эта­пах жиз­нен­но­го цик­ла объ­ек­та (из­де­лия), на­чи­ная со ста­дии его про­ек­ти­ро­ва­ния и за­кан­чи­вая про­из-вом и экс­плуа­та­ци­ей. При си­нер­ге­тич. ин­те­гра­ции ком­по­нен­ты долж­ны быть сли­ты не­раз­рыв­но и ор­гани­че­ски, по­это­му МС об­ла­да­ет ка­че­ст­вен­но но­вы­ми свой­ст­ва­ми, ко­то­рые не при­су­щи со­став­ляю­щим её час­тям. «Ме­ха­трон­ность» объ­ек­тов (сте­пень ин­те­гра­ции и ин­тел­лек­туа­ли­за­ции) фор­ми­ру­ет­ся в про­цес­се их эво­люц. раз­ви­тия и со­вер­шен­ст­во­ва­ния.

В 1970–80-х гг. три ба­зис­ных на­прав­ле­ния – оси М. (точ­ная ме­ха­ни­ка, элек­тро­ни­ка и ин­фор­ма­ти­ка) ин­тег­ри­ро­ва­лись по­пар­но, об­ра­зо­вав три гиб­рид­ных на­прав­ле­ния (бо­ко­вые гра­ни пи­ра­ми­ды на рис.). Это элек­тро­ме­ха­ни­ка (объ­е­ди­не­ние ме­ха­нич. уз­лов с элек­тро­тех­нич. из­де­лия­ми и элек­трон­ны­ми бло­ка­ми), ком­пь­ю­тер­ные сис­те­мы управ­ле­ния (ап­па­рат­но-про­грамм­ное объ­е­ди­не­ние элек­трон­ных и управ­ляю­щих уст­ройств), а так­же сис­те­мы ав­то­ма­ти­зир. про­ек­ти­ро­ва­ния ме­ха­нич. сис­тем (САПР). За­тем на сты­ке гиб­рид­ных на­прав­ле­ний воз­ник­ла М., ста­нов­ле­ние ко­то­рой как но­вой меж­дис­ци­п­ли­нар­ной на­уч­но-тех­нич. об­лас­ти от­но­сит­ся к нач. 1990-х гг.

Ба­зо­вы­ми объ­ек­та­ми М. яв­ля­ют­ся ме­ха­трон­ные мо­ду­ли, вы­пол­няю­щие дви­же­ние, как пра­ви­ло, по од­ной управ­ляе­мой ко­ор­ди­на­те. Из мо­ду­лей (как из функ­цио­наль­ных ку­би­ков) ком­по­ну­ют­ся МС – слож­ные сис­те­мы мо­дуль­ной ар­хи­тек­ту­ры, объ­е­ди­няю­щие в од­ном кор­пу­се ис­пол­ни­тель­ные и ин­тел­лек­ту­аль­ные эле­мен­ты. МС пред­на­зна­че­ны для реа­ли­за­ции за­дан­но­го дви­же­ния, оп­ре­де­ляе­мо­го по­ста­нов­кой кон­крет­ной при­клад­ной за­да­чи. Так, спе­ци­фи­ка за­дач ав­то­ма­ти­зир. ма­ши­но­строе­ния со­сто­ит в реа­ли­за­ции пе­ре­ме­ще­ния вы­ход­но­го зве­на – ра­бо­че­го ор­га­на тех­но­ло­гич. ма­ши­ны (напр., ин­ст­ру­мен­та для ме­ха­нич. об­ра­бот­ки). При этом не­об­хо­ди­мо ко­ор­ди­ни­ро­вать управ­ле­ние про­стран­ст­вен­ным пе­ре­ме­ще­ни­ем МС с управ­ле­ни­ем разл. внеш­ни­ми про­цес­са­ми. При­ме­ра­ми та­ких про­цес­сов мо­гут слу­жить: ре­гу­ли­ро­ва­ние си­ло­во­го взаи­мо­дей­ст­вия ра­бо­че­го ор­га­на с объ­ек­том ра­бот при ме­ха­нич. об­ра­бот­ке; кон­троль и ди­аг­ности­ка те­ку­ще­го со­стоя­ния эле­мен­тов МС (ин­ст­ру­мен­та, си­ло­во­го пре­об­ра­зо­ва­те­ля); управ­ле­ние до­пол­нит. тех­но­ло­гич. воз­дей­ст­вия­ми (те­п­ло­вы­ми, элек­три­че­ски­ми, элек­тро­хи­ми­че­ски­ми) на объ­ект ра­бот при ком­би­ни­ров. ме­то­дах об­ра­бот­ки; управ­ле­ние вспо­мо­гат. обо­ру­до­ва­ни­ем ком­плек­са (кон­вей­е­ра­ми, за­гру­зоч­ны­ми уст­рой­ст­ва­ми и т. п.); вы­да­ча и при­ём сиг­на­лов от уст­ройств элек­тро­ав­то­ма­ти­ки (ре­ле, пе­ре­клю­ча­те­лей и др.). Та­кие слож­ные ко­ор­ди­ни­ро­ван­ные дви­же­ния МС при­ня­то на­зы­вать функ­цио­наль­ны­ми. В совр. МС для обес­пе­че­ния вы­со­ко­го ка­че­ст­ва реа­ли­за­ции слож­ных и точ­ных дви­же­ний при­ме­ня­ют­ся ме­то­ды ин­тел­лек­ту­аль­но­го управ­ле­ния, ко­то­рые опи­ра­ют­ся на но­вые идеи в тео­рии уп­рав­ле­ния, совр. ап­па­рат­ные и про­грамм­ные сред­ст­ва вы­чис­лит. тех­ни­ки, пер­спек­тив­ные под­хо­ды к син­те­зу управ­ляе­мых дви­же­ний МС.

Эле­мен­ты ме­ха­трон­ных мо­ду­лей и ма­шин име­ют разл. фи­зич. при­ро­ду (ме­ха­нич. пре­об­ра­зо­ва­те­ли дви­же­ний, дви­га­те­ли, ин­фор­ма­ци­он­ные и элек­трон­ные бло­ки, управ­ляю­щие уст­рой­ст­ва), что оп­ре­де­ля­ет меж­дис­ци­п­ли­нар­ную на­уч­но-тех­нич. про­бле­ма­ти­ку М. Меж­дис­ци­п­ли­нар­ные за­да­чи оп­ре­де­ля­ют и со­дер­жа­ние об­ра­зо­ват. про­грамм, ори­ен­ти­ро­ван­ных на сис­тем­ную ин­те­гра­цию уст­ройств и про­цес­сов в ме­ха­трон­ных сис­те­мах.

Принципы построения мехатронных систем 

По­строе­ние ме­ха­трон­ных мо­ду­лей и сис­тем ос­но­ва­но на прин­ци­пах па­рал­лель­но­го про­ек­ти­ро­ва­ния – од­но­вре­мен­ном и взаи­мо­свя­зан­ном син­те­зе всех ком­по­нен­тов сис­те­мы (в от­ли­чие от тра­диц. про­ек­ти­ро­ва­ния ма­шин с ком­пь­ю­тер­ным управ­ле­ни­ем, ко­гда раз­ра­бот­ка ме­ха­нич., элек­трон­ной и ком­пь­ю­тер­ной час­тей сис­те­мы про­во­дит­ся по­сле­до­ва­тель­но); ис­клю­че­нии мно­го­сту­пен­ча­тых пре­об­ра­зо­ва­ний энер­гии и ин­фор­ма­ции; кон­ст­рук­тив­ном объ­е­ди­не­нии ме­ха­нич. уз­лов с циф­ро­вы­ми элек­трон­ны­ми бло­ка­ми и управ­ляю­щи­ми кон­трол­ле­ра­ми в еди­ные мо­ду­ли. Клю­че­вым прин­ци­пом про­ек­ти­ро­ва­ния яв­ля­ет­ся пе­ре­ход от слож­ных ме­ха­нич. ре­ше­ний к ин­тел­лек­ту­аль­ным (элек­трон­ным, ком­пь­ю­тер­ным и ин­фор­ма­ци­он­ным) эле­мен­там и тех­но­ло­ги­ям. Ин­тел­лек­ту­аль­ные уст­рой­ст­ва при­да­ют МС гиб­кость, по­сколь­ку их лег­ко пе­ре­про­грам­ми­ро­вать под но­вую за­да­чу. За по­след­ние го­ды це­на та­ких уст­ройств по­сто­ян­но сни­жа­ет­ся при стре­мит. рас­ши­ре­нии функ­цио­наль­ных воз­мож­но­стей.

Практическое применение и тенденции развития

К нач. 21 в. М. во­шла как в проф. дея­тель­ность, так и в по­все­днев­ную жизнь че­ло­ве­ка. Ме­ха­трон­ные мо­ду­ли и сис­те­мы на­хо­дят ши­ро­кое при­ме­не­ние в са­мых разл. об­лас­тях. Это ав­то­мо­би­ле­строе­ние (ав­то­ма­тич. ко­роб­ки пе­ре­дач, ан­ти­бло­ки­ро­воч­ные уст­рой­ст­ва тор­мо­зов, при­вод­ные мо­ду­ли «мо­тор – ко­ле­со», сис­те­мы кли­ма­тич. ком­фор­та); пром., экс­тре­маль­ная и сер­вис­ная ро­бо­то­тех­ни­ка; вы­чис­ли­тель­ная и офис­ная тех­ни­ка (прин­те­ры, ска­не­ры, CD-дис­ко­во­ды, ко­пи­ро­валь­ные и фак­си­миль­ные ап­па­ра­ты); авиа­ци­он­ная, кос­мич. и во­ен. тех­ни­ка; про­из­вод­ст­вен­ное, тех­но­ло­гич. и из­ме­рит. обо­ру­до­ва­ние; не­тра­ди­ци­он­ные транс­порт­ные сред­ст­ва (элек­тро­ве­ло­си­пе­ды, элек­тро­рол­ле­ры, ин­ва­лид­ные ко­ля­ски); мик­ро­сис­те­мы для ме­ди­ци­ны и био­тех­но­ло­гии; мед. сис­те­мы (напр., обо­ру­до­ва­ние для те­ле­хи­рур­гии и мик­ро­опе­ра­ций, про­те­зы для ин­ва­ли­дов) и спор­тив­ные тре­на­жё­ры; фо­то- и ви­део­тех­ни­ка (про­иг­ры­ва­те­ли ви­део­дис­ков, уст­рой­ст­ва фо­ку­си­ров­ки ви­део­ка­мер); бы­то­вая тех­ни­ка (сти­раль­ные, швей­ные, по­су­до­мо­еч­ные ма­ши­ны и др.); лиф­то­вое и склад­ское обо­ру­до­ва­ние; шоу-ин­ду­ст­рия (дви­жу­щие­ся уст­рой­ст­ва для ат­трак­цио­нов, сис­те­мы зву­ко­во­го и све­то­во­го оформ­ле­ния).

Раз­ви­тие М. – одно из при­ори­тет­ных на­прав­ле­ний совр. нау­ки и тех­ни­ки во всём ми­ре. К осн. тре­бо­ва­ни­ям, предъ­яв­ляе­мым к ме­ха­трон­ным мо­ду­лям и сис­те­мам но­во­го по­ко­ле­ния, от­но­сят­ся: вы­пол­не­ние ка­че­ст­вен­но но­вых слу­жеб­ных и функ­цио­наль­ных за­дач; ин­тел­лек­ту­аль­ное по­ве­де­ние в из­ме­няю­щих­ся и не­оп­ре­де­лён­ных внеш­них сре­дах на ос­но­ве но­вых ме­то­дов управ­ле­ния слож­ны­ми сис­те­ма­ми; сверх­точ­ные дви­же­ния с це­лью реа­ли­за­ции но­вых пре­ци­зи­он­ных тех­но­ло­гий вплоть до мик­ро- и на­но­тех­но­ло­гий; ком­пакт­ность и ми­ниа­тю­ри­за­ция кон­ст­рук­ций в мик­ро­ма­ши­нах; раз­ра­бот­ка но­вых ки­не­ма­тич. струк­тур и кон­ст­рук­тив­ных ком­по­но­вок для мно­го­ко­ор­ди­нат­ных ме­ха­трон­ных сис­тем.

Тен­ден­ции раз­ви­тия М. свя­за­ны с по­яв­ле­ни­ем но­вых фун­дам. под­хо­дов и ин­же­нер­ных ме­то­дов ре­ше­ния за­дач тех­нич. и тех­но­ло­гич. ин­те­гра­ции уст­ройств разл. фи­зич. при­ро­ды. На ос­но­ве но­вых тех­но­ло­гий М. бу­дут рас­ши­рять­ся об­лас­ти при­ме­не­ния МС как в ба­зис­ных, так и осо­бен­но в гиб­рид­ных со­став­ляю­щих ме­ха­тро­ни­ки.