Основы мехатроники: Введение и ключевые темы

1.

Основы мехатроники: Введение и
ключевые темы
Мехатроника — объединение механики, электроники и информатики в технике.

2.

2
Происхождение и значение мехатроники
Мехатроника зародилась в Японии 1960-х годов
как интеграция механики и электроники. Она
стала ответом на растущую потребность в
комплексных автоматизированных системах в
промышленности и технике.

3.

3
Интеграция инженерных дисциплин
Механика и электроника
Информатика и управление
Мехатроника охватывает механические
Информатика реализует алгоритмы,
конструкции и электронные устройства,
позволяющие обрабатывать данные и
которые совместно обеспечивают работу
управлять устройствами. Программное
сложных систем. Механические элементы
обеспечение обеспечивает связь между
отвечают за физическое воздействие,
аппаратными компонентами и управляет
электронные — за преобразование
сигналов.
их функциями.

4.

4
Ключевые составляющие мехатронных
систем
Механические элементы формируют каркас и обеспечивают движение с помощью рычагов и
передач, задавая физическую структуру системы.
Электронные компоненты включают датчики и интегральные схемы, которые фиксируют
параметры окружающей среды и обеспечивают обработку сигналов.
Микропроцессоры управляют процессами и выполняют вычисления, обеспечивая логику и
контроль работы системы.
Программное обеспечение реализует алгоритмы управления, диагностики, взаимодействует с
пользователем через интерфейсы.

5.

5
Механические компоненты и их роль
Структурные элементы
Рамы и корпуса обеспечивают жесткость и защиту системы,
формируют ее объем и обеспечивают надежность конструкции.
Передачи и механизмы
Передачи передают движение и усилия, а механизмы
преобразуют и регулируют физические параметры для
выполнения необходимых операций.

6.

6
Электронные
компоненты в
мехатронике
Датчики преобразуют измеряемые
физические величины, такие как
давление или температура, в
электрические сигналы, принимаемые
системой для дальнейшей обработки.
Усилители усиливают сигналы с
датчиков, а микросхемы обеспечивают
переключение и обработку данных,
обеспечивая эффективную работу
электронных цепей.

7.

7
Значение микропроцессоров и
программного обеспечения
Микропроцессоры выполняют сложные логические операции и контроль исполнения команд,
обеспечивая точное управление системами.
Программное обеспечение реализует алгоритмы управления и мониторинга состояния системы,
позволяя адаптировать работу к текущим условиям.
Современные микроконтроллеры обладают высокой производительностью и
энергоэффективностью, что расширяет возможности мехатронных устройств.

8.

8
Виды датчиков в мехатронных системах
Датчики положения и скорости
Давления, усилия и температуры
Датчики положения включают
Средства измерения давления и усилия
потенциометры и энкодеры, а датчики
представлены тензодатчиками, а
скорости — тахометры и доплеровские
температуры — терморезисторами и
сенсоры. Они позволяют точно
термопарами, обеспечивая широкий
отслеживать движение и ориентацию.
спектр контроля параметров.

9.

9
Принципы работы датчиков положения и
скорости
Энкодеры фиксируют дискретные изменения
углового положения, преобразуя их в цифровые
сигналы для точного позиционирования.
Потенциометры обеспечивают аналоговое
измерение положения путем изменения
сопротивления в зависимости от угла поворота.
Тахометры преобразуют угловую скорость вращения в электрический сигнал, позволяя контролировать
скорость движения устройств.

10.

10
Особенности датчиков усилия и
температуры
Тензодатчики изменяют
электрическое сопротивление
под механической нагрузкой,
что позволяет измерять
приложенные усилия с
высокой точностью.
Термопары используют
эффект Зеебека для
определения температуры
путем преобразования
разности потенциалов в
электрический сигнал, широко
применяются в
промышленности.

11.

11
Сравнительная характеристика типов
датчиков
Точность и скорость отклика ключевые
параметры выбора датчиков в зависимости
от специфики задачи и среды эксплуатации.
Датчики положения демонстрируют высокую
точность, а датчики температуры
характеризуются более широким
температурным диапазоном.
Технический справочник по датчикам, 2023

12.

12
Исполнительные устройства:
классификация и функции
Электродвигатели обеспечивают различные
виды вращательного движения, отличаются
мощностью и скоростью, широко
применяются для преобразования
электрической энергии в механическую.
Пневматические приводы используют сжатый
воздух для создания механической работы,
обеспечивают быстрое перемещение и просты
в обслуживании, но имеют ограничения по
усилию.
Гидравлические приводы способны развивать высокие силы при относительно невысоких скоростях,
незаменимы в тяжелой технике и промышленном оборудовании.

13.

13
Принцип работы электродвигателей в
мехатронике
Асинхронные двигатели
Асинхронные двигатели широко используются для обеспечения
постоянного вращения. Они просты по конструкции и надежны в
эксплуатации, что делает их популярными в промышленных
системах.
Серводвигатели
Серводвигатели обеспечивают точное позиционирование и
управление скоростью. Они применяются в робототехнике и
мехатронике для выполнения прецизионных задач и
динамичного регулирования.

14.

14
Пневматические и
гидравлические
приводные
устройства
Пневмоцилиндры обеспечивают быстрое
линейное движение за счёт сжатого
воздуха, подходят для легких и средних
нагрузок, обладают простой
конструкцией и высокой
быстродействием.
Гидроцилиндры эффективны при
необходимости создания больших
усилий и точного позиционирования,
чаще применяются в тяжелом
машиностроении и строительной технике
благодаря своей мощности.

15.

15
Сравнение исполнительных устройств по
параметрам
Гидравлические приводы обеспечивают
максимальную силу, но требуют сложного
технического обслуживания.
Выбор исполнительного устройства зависит
от требуемой силы и точности при учете
эксплуатационных затрат.
Инженерный журнал «Мехатроника», 2023

16.

16
Примеры применения мехатронных систем
в робототехнике
Промышленные роботы выполняют точные манипуляции и позиционирование деталей на
конвейерах в автоматизированном производстве.
Системы сварки и сборки интегрируют датчики и исполнительные устройства для повышения
производительности и качества продукции.
Упаковочные роботы обеспечивают автоматизированную упаковку, снижая трудозатраты и
повышая скорость обработки продукции.

17.

17
Мехатроника в автомобилестроении и
авиации
Системы ABS и ESP с датчиками скорости
значительно улучшают безопасность движения,
управляя тормозными усилиями и
стабилизацией автомобиля.
Авиационная мехатроника применяет
цифровые контроллеры для управления
полетом и мониторинга состояния бортовых
систем, повышая надежность самолетов.
Использование мехатронных систем облегчает диагностику и техническое обслуживание, сокращая время
простоя техники в эксплуатации.

18.

18
Применение
мехатроники в
медицине
Хирургические роботы позволяют
выполнять операции с высокой
точностью и минимальным
вмешательством, сокращая время
восстановления пациентов.
Мехатронные протезы имитируют
естественные движения конечностей,
интегрируя сенсоры и исполнительные
устройства для улучшения
функциональности.

19.

19
Интеграция и перспективы развития
мехатронных систем
Рост вычислительных мощностей позволяет
создавать все более сложные и
интеллектуальные мехатронные системы для
разных отраслей.
Развитие технологий IoT способствует
интеграции мехатронных устройств в сетевые
инфраструктуры для удаленного мониторинга
и управления.
Автономные системы и роботизация
промышленности становятся ключевыми
драйверами развития мехатроники в реальном
времени.
Улучшение надежности и расширение
функционала компонентов повышают
эффективность и долговечность мехатронных
решений.

20.

20
Ключевые параметры компонентов
мехатроники
Таблица показывает сравнительные
параметры для датчиков,
исполнительных устройств и
контроллеров, важные при выборе
компонентов для конкретных задач.
Выбор компонентов зависит от требований к точности,
бюджету и техническим возможностям интеграции, а также от
условий эксплуатации.
Профессиональная литература по мехатронике, 2023

21.

21
Сравнительная таблица характеристик
датчиков
Таблица содержит ключевые параметры
основных типов датчиков: диапазон измерений,
чувствительность и время отклика. Эти данные
помогают выбрать датчик, соответствующий
специфике задачи и условиям эксплуатации.
Выбор датчика зависит от требуемой точности,
скорости реакции и условий эксплуатации.
Например, для быстрых динамических
процессов предпочтительны датчики с
минимальным временем отклика.
Техническая документация производителей и научные обзоры

22.

22
Принцип построения мехатронной системы
Мехатронная система включает сенсоры,
которые измеряют физические параметры и
передают данные контроллеру для
дальнейшей обработки и принятия решений.
Контроллер обрабатывает поступающие
сигналы, выполняет алгоритмы управления и
отправляет команды исполнительным
устройствам для воздействия на
механическую часть.
Исполнительные элементы выполняют команды контроллера, взаимодействуя с окружающей средой, а
программное обеспечение обеспечивает координацию и диагностику всей системы.

23.

23
Типовые схемы мехатронных систем
Простые замкнутые контуры
Многокомпонентные
управления
распределённые сети
Простые системы разрабатываются
вокруг замкнутого контура, где сенсор
Сложные сети включают множество
взаимосвязанных модулей с
фиксирует параметр и сразу же передаёт
распределённым управлением, что
данные контроллеру, который управляет
позволяет реализовать сложные
исполнительным устройством для
функции, повысить надёжность и
корректировки процесса.
адаптивность всей системы.

24.

24
Контрольные вопросы по теме урока
Какие дисциплины объединяет мехатроника и каким образом их синтез способствует развитию
современных технических систем?
Назовите и охарактеризуйте основные компоненты мехатронных систем, укажите их функции и
взаимодействия.
Опишите принцип работы датчиков положения и скорости, приведите примеры их применения в
промышленных системах.
Перечислите типы исполнительных устройств, объясните сферу их использования и приведите
конкретные примеры.

25.

Значение мехатроники в современном
техническом прогрессе
Мехатроника объединяет механические, электронные и программные решения,
открывая новые возможности для инноваций. Её развитие стимулируется ростом
цифровых технологий и искусственного интеллекта, что значительно расширяет
потенциал техники в промышленности и медицине.