Мехатроника через призму наук

М.А. Перепелкин
Северо-Восточный государственный университет, г. Магадан, Российская Федерация
Горная Промышленность №1 / 2020 стр.160-163

Резюме: В современных условиях развития техники промышленные предприятия, в том числе предприятия горной промышленности, все больше нуждаются в профессионалах, обладающих навыками управления сложным технологическим оборудованием и владеющих знаниями одновременно электропневматики, электрогидравлики и электромеханики. В настоящее время предприятия вынуждены доучивать своих специалистов либо в собственных учебных центрах, либо у фирм-производителей. Для понимания современных систем автоматики и мехатроники нужно иметь не только знания об их составных частях, но и уметь проводить монтаж и наладку работы этих систем. В статье рассматривается интеграция механики, электроники, автоматики и информатики с образованием самостоятельной фундаментальной технической науки – мехатроники, как основы современного технологического оборудования. Показано, что системы автоматизации стали очень сложными, и к подготовке технического персонала как для создания, так и для обслуживания мехатронных систем и роботов, необходимо относиться серьезно. Автор делает вывод, что учреждения профессионального образования уже сегодня должны менять привычные направления подготовки на новые, отвечающие запросам современного производства.

Ключевые слова: мехатроника, мехатронные системы, датчики, электроника, управление, компьютеры, привод, сигнальное устройство, программируемый логический контроллер, электронное устройство, компьютер

Для цитирования: Перепелкин М.А. Мехатроника через призму наук. Горная промышленность. 2020;(1):160-163. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-1-160-163

Информация о статье

Поступила в редакцию: 27.12.2019

Поступила после рецензирования: 14.01.2020

Принята к публикации: 21.02.2020

Информация об авторах

Перепелкин Михаил Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, доцент кафедры горного дела Северо-Восточного государственного университета, г. Магадан, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Норберт Винер – выдающийся математик, основоположник кибернетики и теории искусственного интеллекта, утверждал, что в живом организме, машинах и обществе работают одни и те же законы. В его понимании не было непреодолимой грани между человеческим разумом и искусственным разумом машины. Он предлагал использовать механизмы работы живого организма как образец при создании машин и заставить работать машину по аналогии с нервной системой человека. Именно он дал удивительно точный прогноз именно мехатронной парадигмы развития технической кибернетики, подчеркивая, что ЭВМ будут активно использоваться для непосредственного управления исполнительными механизмами [1–3].

Термин «мехатроника» образован слиянием слов «механика» и «электроника». Другими словами, технологии и разработанные продукты будут все более и более тесно и органично включать электронику в механизмы, делая невозможным определение того, где заканчивается один и начинается другой (рис. 1).

Рис. 1 Интеграция механики, электроники, автоматики и информатики

Fig. 1 Integration of mechanics, electronics, automation and computer science

Согласно первоначальному определению мехатроники многие инженерные продукты, разработанные и изготовленные за последние тридцать лет и объединяющие механические и электрические системы, могут быть классифицированы как мехатронные системы.

Мехатроника представляет собой совместное применение механики, электроники и вычислительной техники в разработке электромеханических изделий и систем с помощью комплексного подхода к проектированию. Целью данного синтеза наук является совершенствование существующего и создание нового поколения техники и технологий.

Мехатроника дала «второе дыхание» кибернетике и обеспечила ее «второе пришествие», являясь компьютерной парадигмой развития технической кибернетики. На сегодняшний день это молодая, самостоятельная фундаментальная техническая наука. Мехатроника является приоритетным направлением науки и техники в промышленно развитых странах. Ее можно встретить в машино-, станко- и приборостроении, в современных автомобилях и самолетах, бытовых приборах, медицинских роботах и космических аппаратах [4].

В настоящее время историческое разделение между различными отраслями инженерии и информатики становится менее четким, специальность «мехатроника» открывает дорогу для «нетрадиционных» студентов, обучающихся в традиционной структуре большинства технических вузов [5].

Мехатроника – основа современного технологического оборудования

Мехатроника – это область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники, микропроцессорной техники и информатики. Типичная мехатронная система состоит из механического каркаса, исполнительных механизмов, датчиков, контроллеров, аппаратного и программного обеспечения, интерфейсных устройств и источников питания [6; 7].

В современном машиностроении преобладает интеграция электрических и механических компонентов и всё более серьезные требования предъявляются к эксплуатирующему их персоналу. В результате меняется организация труда на предприятии:

• На первое место выходят навыки и знания в электронной технике управления с использованием компьютеров и микроконтроллеров.

• Требуется владение электропневматикой и гидравликой, электромеханикой во всех её компонентах, а это означает знание функциональных блоков и групп элементов, а не отдельных деталей.

• Электронные, механические и электромеханические составляющие (компоненты) переплетаются с гидропневматическим оборудованием. Электрические цепи замещаются электронными, становятся всё миниатюрнее и превращаются в чипы. Отдельные компоненты и группы элементов в случае выхода из строя больше не ремонтируются, а заменяются на новые.

• Предприятия машиностроения всё в большей степени нуждаются в специалистах «гибридах». До сих пор они вынуждены были обучать своих специалистов дополнительным специальностям в технике управления, гидропневмоавтоматике и в электротехнике.

В современном технологическом оборудовании именно мехатронные системы занимают преобладающие позиции в автоматизированном оборудовании, работающем без участия человека. И это относится ко всем отраслям промышленности [8; 9].

К сожалению, специалистов, способных эксплуатировать такого рода оборудование, а тем более создавать его, катастрофически не хватает.

Промышленность XXI века – это безлюдные производства, т.е. роботы. Большинство операций на производстве выполняют умные машины, а функции человека сводятся к контролю и наблюдению за работой автоматики по монитору компьютера.

Объективность процесса автоматизации производств отражает анализ сроков освоения новой техники с XVIII века до наших дней [10], которые сократились в сотни раз – от 100 лет на освоение фотографии до 1–2 лет на микропроцессор (рис. 2).

Рис. 2 Сроки освоения новой техники

Fig. 2 Time frame for learning a new technology

Но подготовка персонала за такими темпами не успевает! По оценкам специалистов Евросоюза, система профессионального образования в Европе отстает от потребностей промышленности на 12 лет, в США – на 15 лет, в ЕврАзЭС отставание более чем на 30 лет.

Развитие техники непосредственно влияет на занятость населения, а значит и на его профессиональную подготовку. На рис. 3 показано как с годами менялась занятость по отраслям работающего населения.

Рис. 3 Структура занятости населения в развитых странах

Fig. 3 Employment structure in developed countries

В агросекторе уже давно занято около 4% трудоспособного населения. Зато информационные технологии и сфера обслуживания преобладают сегодня среди работающих – более 70%, а в промышленности работает менее 25%. Для Министерства образования это означает, что мы должны рассчитывать на подготовку для промышленных производств только каждого третьего учащегося ТиПО.

Основная причина снижения занятости в промышленности – тотальная автоматизация! Вручную работают сегодня лишь ремонтные, строительные и монтажные бригады, народные промыслы и эксклюзивные ателье. Все остальное – сплошная автоматика или, если хотите в современных терминах, робототехника и МЕХАТРОНИКА.

И всем нужен квалифицированный персонал для автоматизированных производств, т.е. рабочие и специалисты, умеющие проводить монтаж, наладку и ремонт именно автоматизированных производств. Сегодня их называют слесарь или инженер мехатроники.

Проведенный анализ показывает, что любую современную автоматизированную технику (от стиральной машины до космической станции) можно представить в виде совокупности элементов:

– «мозг машины» – электронное устройство (компьютер, программируемый логический контроллер), которое получает сигналы с датчиков и кнопок управления, обрабатывает их и посылает на исполнительное устройство (привод, сигнальное устройство и т.п.);

– «мышцы машины» – приводы, обеспечивающие механические движения (электро-, гидро- и пневмоприводы);

– «органы чувств» – датчики, кнопки и путевые выключатели, собирающие информацию о состоянии механизмов или параметров технической (мехатронной) системы и посылающие их в виде входных сигналов обратно в «мозг» – в электронное устройство [11–13].

Наибольший интерес представляет пневматика – одно из самых распространенных в промышленности средств автоматизации. Это связано с тем, что пневматика проста в сборке и легка в управлении.

Система управления («мозг машины») реализуется на базе релейно-контактных электромеханических элементов (кнопки, реле, счетчики импульсов) с возможностью дооснащения программируемым логическим контроллером.

Важным элементом мехатроники являются «органы чувств» – датчики, бесконтактные путевые выключатели, реле давления и компрессор [14; 15].

Рассмотрим автоматизацию в различных отраслях промышленности. Великое многообразие механизмов и машин! И на первый взгляд одно никак не похоже на другое. Так как же этому учить? Познакомимся поближе с некоторыми моментами и посмотрим, что же все-таки их объединяет.

Рис. 4 Технологическая линия фасовки сыпучих материалов

Fig. 4 Process line for bulk material packing

Один из примеров – фасовка сыпучих материалов (рис. 4). Человек лишь наблюдает за процессами. Все происходит автоматически, но… конвейер перемещает бумажные пакеты за счет электропривода, упаковка – пневматический привод, взвешивание и пересчет пакетов – по командам с датчиков. А управляется весь процесс электронной системой управления (контроллером). И так далее – какую бы автоматическую линию мы ни взяли – везде одно и то же – датчики, приводы и система управления.

Выводы

Подводя итог сказанному, можно сделать вывод – работа любой автоматической системы выглядит одинаково, а именно: команда поступает от системы управления к электро-, пневмо- или гидроприводу. Происходит движение, которое фиксируется одним из датчиков, и сигнал об этом уходит обратно в систему управления. Так завершается первый шаг. После чего по программе поступает новая команда на привод. И происходит новый шаг. Так, шаг за шагом, работает любая автоматическая система в любой отрасли промышленности.

В любом случае для понимания современных систем автоматики и мехатроники нужно не только иметь знания об их составных частях, но и уметь проводить монтаж и наладку их работы, т.е. комплексного взаимодействия компонентов мехатронной системы между собой.

Это еще раз показывает, насколько сложными стали сегодня системы автоматизации и насколько серьезно должны мы относиться к подготовке технического персонала как для создания, так и для обслуживания мехатронных систем и роботов!

Современные промышленные предприятия все в большей степени нуждаются в специалистах, обладающих навыками и знаниями в электронной технике управления и владеющих электропневматикой, электрогидравликой и электромеханикой в их взаимосвязи. До сих пор предприятия вынуждены доучивать своих специалистов либо в собственных учебных центрах, либо у фирм-производителей. Учреждения профобразования уже сегодня должны менять привычные направления подготовки на новые, отвечающие запросам современного производства. С этой целью нужно создавать минимум 2 новые смежные лаборатории:

– «основы мехатроники и приводной техники», где студенты получат представление о электропневматических и электрогидравлических приводах и релейно-контактных системах управления;

– «программируемые логические контроллеры и датчики в системах управления» для понимания основ логики управления, знакомства с особенностями работы датчиков, реле и систем наблюдения за ходом технологических процессов.

Список литературы

1. Wiener N. Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine. Cambridge, Massachusetts: The M.I.T. press; 1948.

2. Wiener N. Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine. 2nd ed. 2nd ed. Paris: Hermann & Cie, Camb. Mass. – The M.I.T. press; 1961.

3. Wiener N. The Human Use of Human Beings. London: Free Association Books; 1989.

4. de Silva C. W. Mechatronics: A Foundation Course. London, New York: Taylor & Francis; 2010.

5. Bishop R. H. Mechatronics an introduction. London, New York: Taylor & Francis; 2006.

6. de Silva C. W. Mechatronics: An Integrated Approach. London, New York: Taylor & Francis; 2005.

7. de Silva C. W., Khoshnoud F., Li M., Halgamuge S. K. Mechatronics: Fundamentals and Applications. London, New York: Taylor & Francis; 2015.

8. Zheng D. Control, Mechatronics and Automation Technology. London, New York: Taylor & Francis; 2016.

9. Pawlak A. M. Sensors and actuators in mechatronics. London, New York: Taylor & Francis; 2016.

10. Yang G. Future Mechatronics and Automation. London, New York: Taylor & Francis; 2015.

11. Yamaguchi T., Hirata M., Pang C. K. High-Performance Motion Control of Mechatronic Systems. London, New York: Taylor & Francis; 2014.

12. Bradley D.A., Dawson D., Burd N.C., Loader A.J. Mechatronics: Electronics in products and processes. London, New York: Taylor & Francis; 1991.

13. de Silva C. W. Mechatronic Systems: Devices, Design, Control, Operation and Monitoring. London, New York: Taylor & Francis; 2008.

14. Leondes C. T. Mechatronic Systems: Techniques and Applications. London, New York: Taylor & Francis; 2000.

15. He Y., Qing X. Automatic Control, Mechatronics and Industrial Engineering. London, New York: Taylor & Francis; 2019.