Конструкция, компоненты, электроника, проводка, ремонтопригодность.

Объединение механического, электрического, программного обеспечения и систем управления — задача непростая. Однако интеграция технологических достижений и сосредоточение внимания на этих пяти областях могут упростить процесс и сделать мехатронику доступной для широкого круга специалистов.

Современные стремительные циклы разработки продукции и стремительное развитие технологий обусловили необходимость более междисциплинарного подхода в проектировании. Если раньше инженер-механик мог сосредоточиться исключительно на аппаратной части, инженер-электрик — на проводке и печатных платах, а инженер по системам управления — на программном обеспечении и алгоритмическом программировании, то мехатроника объединяет эти области, создавая комплексное решение для управления движением. Достижения и интеграция всех трех областей упрощают проектирование мехатронных систем.

Именно это упрощение стимулирует развитие робототехники и многоосевых декартовых систем для промышленного применения и производства, автоматизацию для потребительских рынков в киосках и системах доставки, а также быстрое внедрение 3D-принтеров в массовую культуру.

Вот пять ключевых факторов, которые в совокупности упрощают проектирование мехатронных систем.

1. Интегрированные линейные направляющие и конструкция.

В машиностроении подшипниковые и линейные направляющие существуют так давно, что механика системы перемещения часто рассматривается как второстепенный вопрос. Однако достижения в области материалов, конструкции, функциональных возможностей и методов производства делают целесообразным рассмотрение новых вариантов.

Например, предварительно заданная юстировка параллельных направляющих в процессе производства означает снижение затрат за счет меньшего количества компонентов, большей точности и меньшего числа переменных факторов по всей длине направляющей. Такие параллельные направляющие также упрощают монтаж, поскольку исключаются необходимость использования множества крепежных элементов и ручной юстировки.

Раньше было практически гарантировано, что при выборе любой системы линейных направляющих инженеру также приходилось учитывать монтажные пластины, опорные рельсы или другие конструкции для обеспечения необходимой жесткости. В новых компонентах опорные конструкции интегрированы непосредственно в сами линейные рельсы. Этот переход от проектирования отдельных компонентов к проектированию цельных конструкций или интегрированных узлов уменьшает количество компонентов, а также снижает затраты и трудозатраты.

2. Компоненты системы передачи энергии

Выбор подходящего приводного механизма или компонентов передачи мощности также является важным фактором. Процесс выбора, который включает в себя балансировку необходимой скорости, крутящего момента и точности работы двигателя и электроники, начинается с понимания того, какие результаты может обеспечить каждый тип привода.

Подобно трансмиссии автомобиля, работающей на четвертой передаче, ременные приводы подходят для применений, где требуются максимальные скорости на больших длинах хода. На противоположном конце спектра производительности находятся шариковые и ходовые винты, которые больше похожи на автомобиль с мощной и отзывчивой первой и второй передачами. Они обеспечивают хороший крутящий момент, отлично справляясь с быстрым стартом, остановкой и изменением направления движения. На диаграмме показана разница между скоростью ремней и крутящим моментом винтов.

Подобно усовершенствованиям линейных направляющих, предварительно спроектированная система выравнивания — еще одна область, где конструкция ходового винта достигла прогресса, обеспечивая большую повторяемость в динамических условиях. При использовании муфты следует обращать внимание на выравнивание двигателя и винта, чтобы исключить «шатание», которое снижает точность и срок службы. В некоторых случаях муфту можно полностью исключить, а винт закрепить непосредственно на двигателе, напрямую объединив механический и электрический компоненты, устранив лишние детали, повысив жесткость и точность при одновременном снижении затрат.

3. Электроника и электропроводка

Традиционные конфигурации электроники в системах управления движением включают сложные схемы проводки, а также шкафы и крепежные элементы для сборки и размещения всех компонентов. В результате часто получается система, которая не оптимизирована, а также сложна в настройке и обслуживании.

Новые технологии обеспечивают системные преимущества за счет размещения драйвера, контроллера и усилителя непосредственно на «умном» двигателе. Это позволяет не только сократить пространство, необходимое для размещения дополнительных компонентов, но и уменьшить общее количество компонентов, а также упростить количество разъемов и проводов, снижая вероятность ошибок, экономя при этом средства и трудозатраты.

4. Проектирование с учетом технологичности производства (DFM)

• Скобочное деление

Наряду с упрощением сборки направляющих интегрированных конструкций, опыт и новые технологии, такие как 3D-печать, расширяют ваши возможности по созданию прототипов мехатронных и роботизированных узлов в соответствии со стандартами DFM (проектирование для производства). Например, изготовление нестандартных соединительных кронштейнов для систем перемещения часто было дорогостоящим и трудоемким процессом в инструментальном цехе или цехе по изготовлению металлоконструкций. Сегодня 3D-печать позволяет создать CAD-модель, отправить ее на 3D-принтер и получить пригодную для использования деталь за гораздо меньшее время и с гораздо меньшими затратами.

• Коннекторизация

Ещё одна область DFM, которая уже была рассмотрена, — это использование интеллектуальных двигателей, в которых электроника размещается непосредственно на двигателе, что упрощает сборку. Кроме того, новые технологии, объединяющие разъемы, кабели и систему организации кабелей в одном корпусе, упрощают сборку и устраняют необходимость в традиционных, тяжелых, пластиковых кабельных каналах цепного типа.

5. Долгосрочная ремонтопригодность

Новые технологии и достижения в проектировании влияют не только на технологичность производства, но и на удобство обслуживания системы в дальнейшем. Например, размещение контроллера и привода на борту двигателя упрощает поиск и устранение неисправностей. Доступ к двигателю и электронике становится беспрепятственным и простым. Кроме того, многие системы теперь могут быть объединены в сеть, что позволяет осуществлять удаленную диагностику практически из любого места.