Термин «мехатроника» появился в резуль­тате слияния механики и электроники, где электроника означает «аппаратную часть» и «программное обеспечение», а меха­ника — общее понятие для дисциплин «ма­шиностроение» и «гидравлика». Вопрос не в том, чтобы заменить инженерную механику «электронификацией», а в том, чтобы раз­работать синергетический подход и методо­логию проектирования. Вот о том, что представляет собой современная мехатроника, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Цель мехатроники – это достижение синергетической оптимизации машинострое­ния, электронных устройств и программного обеспечения для проектирования еще боль­шего количества функций при низких затра­тах, меньшей массе и меньшем занимаемом пространстве и при более высоком качестве.

Ключевым фактором успеха мехатронного подхода к решению проблем является рас­смотрение двух прежде отдельных дисци­плин как одного целого.

 

Применение мехатроиники в автомобилестроении

 

Мехатронные системы и компоненты теперь используются практически во всех аспектах автомобилестроения, начиная от управления двигателем и впрыска топлива в двигателях с искровым зажиганием, и дизельных двигате­лях управления переключением трансмиссии, и управления электрической и тепловой энер­гией до широкого спектра тормозных систем, и систем динамической стабилизации. Сюда даже относятся коммуникационные и инфор­мационные системы, со множеством разных требований. Наряду с системами и компонен­тами мехатроника играет все более важную роль в области микромеханики.

 

Примеры на уровне системы

 

Общей тенденцией является появление си­стем для полностью автоматического управ­ления автомобилем. В будущем механиче­ские системы будут все больше заменяться системами «х-by-wire», т.е. электронными. Одной из систем, существующих уже до­вольно долгое время, является «drive-by­wire», т.е. электронное управление дрос­сельной заслонкой. Система Brake-by-wire заменяет механическую и гидравлическую связь между педалью и тормозом колеса. Датчики определяют желание водителя за­тормозить и передают эту информацию на электронный блок управления (ЭБУ). Затем ЭБУ создает необходимое тормозное усилие на колесах посредством исполнительных механизмов.

Возможным вариантом реализации си­стемы Brake-by-wire является электрогидравлическая тормозная система (SBC). При нажатии педали тормоза или вмешательстве системы динамической стабилизации (ESP) ЭБУ SBC вычисляет необходимое тормозное давление для каждого колеса. Поскольку электронный блок вычисляет необходимое тормозное давление отдельно для каждого колеса и по-отдельности определяет фактиче­ские значения, он может также регулировать тормозное давление на каждом колесе через модуляторы давления. Каждый из четырех модуляторов давления состоит из впускного и выпускного клапанов, управляемых электрон­ными выходными каскадами, которые вместе обеспечивают точную регулировку давления.

В системе с общей напорной магистралью (дизельный двигатель) нагнетание давления и впрыск топлива отделены друг от друга. Акку­мулятор высокого давления, т.е. общая напор­ная магистраль, накапливает давление топлива, необходимое для каждого рабочего режима двигателя. Форсунка, управляемая электро­магнитным клапаном со встроенным соплом, выполняет функцию впрыска топлива прямо в камеру сгорания каждого цилиндра. Электро­ника двигателя постоянно запрашивает данные о положении педали газа, скорости вращения, рабочей температуре, расходе всасываемого воздуха и давлении в магистрали для оптими­зации управления дозированием топлива в за­висимости от режима работы.

 

Примеры на уровне компонентов

 

Топливные форсунки — важнейшие компо­ненты при определении будущего потен­циала технологий для дизельных двигателей. Форсунки с общей топливной магистралью являются отличным примером того, что очень высокой степени функциональности и, в конечном итоге, удовлетворения клиентов можно добиться только путем контроля всех физических областей (электродинамики, ме­ханики, гидродинамики), воздействующих на эти компоненты.

Автомобильные CD-приводы подверга­ются особенно жестким условиям эксплуа­тации. В дополнение к широким диапазонам температур, они должны выдерживать экс­тремальные вибрации, критически влияю­щие на такие высокоточные системы. При­воды обычно оснащаются системой упругой амортизации для изоляции блока воспро­изведения от вибраций, возникающих при движении автомобиля. Любые стремления уменьшить вес и монтажное пространство CD-приводов сразу вызывают требования улучшения этих систем упругой амортиза­ции. Если система амортизации CD-привода отсутствует, основной акцент делается на проектировании механической системы с нулевыми зазорами и обеспечении допол­нительного усиления и отслеживающих кон­троллеров на высоких частотах. Лишь путем рассмотрения обеих мер с точки зрения мехатроники можно прийти к оптимальному решению по защите от вибрации в автомо­биле. В дополнение к снижению массы при­мерно на 15 % необходимо также уменьшить монтажную высоту примерно на 20%.

Новый мехатронный подход для электро­приводов вентиляторов радиатора системы охлаждения двигателя основан на использова­нии бесщеточных, электронно коммутируемых двигателей постоянного тока. Изначально, они более дороги (двигатель с электроникой), чем старые, оснащенные щетками. Однако общая оптимизация имеет положительный эффект: бесщеточные двигатели постоянного тока можно использовать в качестве двигателей с «мокрым» ротором с гораздо более простой конструкцией. Это уменьшает количество от­дельных деталей примерно на 60%. Говоря в целом, более прочная конструкция имеет вдвое больший срок службы, почти вдвое меньший вес, примерно на 40% меньшую общую длину, в то же время поддерживая за­траты на сравнимом уровне.

 

Примеры в области микромеханики

 

Еще одной областью применения для меха­троники являются микромеханические дат­чики, с достойными упоминания примерами, такими как пленочные термоананемометры и датчики скорости вращения вокруг верти­кальной оси.

Конструкция микросистем также требует междисциплинарного подхода в связи с тес­ным взаимодействием между подсистемами, с отдельными дисциплинами, такими как ме­ханика, электростатика, гидродинамика (где необходимо) и электроника.

 

Методология разработки мехатронных систем

 

Моделирование мехатронных систем

 

Особые проблемы, с которыми проектиров­щики сталкиваются при разработке мехатронных систем, являются сокращение вре­мени разработки и усложнение систем. В то же время крайне важно, чтобы в результате разработок создавались полезные продукты.

Сложные мехатронные системы состоят из большого количества компонентов из широ­кого спектра областей: гидравлики, механики и электроники. Взаимодействие между этими областями — решающий фактор, определяю­щий функционирование и эффективность всей системы. Модели требуются для проверки клю­чевых проектных решений, особенно на ранних стадиях разработки, когда еще нет прототипа.

Простейшие вопросы можно зачастую прояс­нить путем создания относительно простых моделей компонентов. Если требуется боль­шая детализация, то нужны более подробные модели компонентов. Подробные модели фокусируются в основном на конкретной физической области.

В результате появились подробные гидрав­лические модели форсунок системы Common Rail. Они моделируются с помощью специ­альных программ, алгоритмы которых точно соответствуют гидравлическим системам. Например, здесь требованием могло бы быть принятие во внимание кавитации.

Подробные модели также требуются для проектирования силовой электроники для активации действия форсунок. Опять же, это подразумевает использование инструментов моделирования, которые должны разраба­тываться для проектирования конкретных электрических цепей.

Инструменты, специально предназначенные для этой части системы, также должны обе­спечивать разработку и моделирование про­граммного обеспечения блоков управления ТНВД и силовой электроникой с помощью сигналов датчиков.

Поскольку компоненты системы взаимо­действуют между собой, недостаточно рас­сматривать отдельные подробные модели компонентов изолированно. Оптимальное решение — учитывать модели других ком­понентов системы. В большинстве случаев эти компоненты могут быть представлены гораздо более простыми моделями. Напри­мер, для моделирования системы фокуси­рованием на гидравлике, требуется простая модель силовой электроники.

Применение различных инструментов моде­лирования, адаптированных к конкретным областям при проектировании мехатронных систем, эффективно только при наличии поддержки по обмену моделями и параме­трами между инструментами моделирования. Прямой обмен моделями очень проблемати­чен из-за того, что при описании моделей каждого из инструментов используются раз­ные языки.

Однако анализ типичных компонентов в мехатронных системах показывает, что они могут состоять из нескольких простых эле­ментов, адаптированных к конкретным об­ластям. К этим стандартным элементам, на­пример, относятся:

• В гидравлике: дроссель, клапан или трубопровод:
• В электронике: резистор, конденсатор или транзистор;
• В механике: масса тела с трением, трансмиссия или сцепление (соответственно, для микромеханики).

 

Предпочтительным решением является хра­нение этих элементов в центральной стан­дартной библиотеке моделей (рис. «Библиотека моделей для микромеханического датчика скорости вращения вокруг вертикальной оси» ), доступ к которой осуществляется также и децентра­лизованно. Ядром библиотеки моделей яв­ляется документация всех стандартных эле­ментов.

 

 

Для каждого элемента она содержит:

• Текстовое описание физического поведения;
• Физические уравнения, параметры (например, проводимость или проницаемость) и переменные состояния (например, ток, напряжение, магнитный поток, давление);
• Описание соответствующих интерфейсов.

 

V-модель

 

V-модель содержит взаимосвязи между раз­личными этапами разработки продукта, от определения требований и реализации до испытаний и внедрения системы (рис. «Общий обзор V-модели» ). На стадии разработки проект проходит три уровня:

• Функции, учитывающие специфику заказчика;
• Система;
• Компоненты.

 

Сначала на каждом уровне нужно сформули­ровать требования («что?») в виде специфи­каций (рис. «Рекурсивная методология на одном уровне» ). Затем они используются для создания проектных спецификаций на осно­вании проектных решений. Характеристиче­ские спецификации описывают, «как» можно выполнить требование. Характеристические спецификации создают основу для описания модели, что позволяет проверять правиль­ность каждого этапа проектирования вме­сте с определенными ранее контрольными примерами. Эта процедура проходит все три этапа и, в зависимости от применяемых технологий, в каждой соответствующей обла­сти (механика, гидравлика, гидродинамика, электрика и электроника, программное обе­спечение).

 

 

Рекурсии на каждом уровне проектирования значительно сокращают стадии разработки. Моделирование, быстрое создание прото­типов и одновременное проектирование — инструменты, позволяющие осуществлять оперативную проверку и создающие условия для сокращения циклов создания продукта.

 

Перспективы развития мехатроники

 

Движущей силой в мехатронике является по­стоянный прогресс. Прогрессу в мехатронике способствуют компьютерные технологии в виде все более мощных компьютеров в стандартных областях применения. Соот­ветственно, имеется огромный потенциал дальнейшего роста уровней безопасности и комфорта автомобилей и дальнейшего уменьшения токсичности выхлопа и расхода топлива. Инженеры также сталкиваются с новыми проблемами при внедрении новых технологий для этих систем.

Даже в случае сбоя будущие системы «Х-Ьу-wire» должны быть способны продолжать выполнять предусмотренные функции без перехода на аварийный режим с включением механики или гидравлики. Условием их реали­зации является высоконадежная мехатронная архитектура, требующая «простой» проверки безопасности. Это влияет и на отдельные ком­поненты, и на передачу энергии и сигналов.

 

 

Наряду с системами «х-by-wire» еще одной областью, в которой можно достичь значи­тельного прогресса путем систематического внедрения мехатронных систем, являются системы повышения безопасности при дви­жении (DAS) и их человеко-машинные интер­фейсы.

Подходы к проектированию мехатронных систем должны демонстрировать целост­ность в нескольких аспектах:

• Вертикальный: «нисходящий» анализ, на­чиная с моделирования системы с целью общей оптимизации до моделирования конечных элементов для детального пони­мания, и «восходящее» проектирование, начиная с испытаний компонентов и за­канчивая испытанием всей системы;
• Горизонтальный: «одновременное проекти­рование» сразу в нескольких дисциплинах;
• Через корпоративные границы: постепенно внедряется концепция «виртуального об­разца».

 

Еще одной проблемой является обучение для стимулирования междисциплинарного под­хода и разработки подходящих DE-процессов и форм организации и коммуникаций.