Каждый из этих составных элементов МС будет более подробно описан в дальнейшем. Здесь укажем лишь на взаимосвязь элементов МС и их место в выполнении мехатронной системой своего функционального назначения.

На рис.2.1 показана функциональная блок-схема структуры МС. Для сопряжения элементов в систему включены интерфейсные устройства (И1-И7). Под интерфейсом понимаются специальные вспомогательные схемы и устройства. Основное назначение интерфейса - это решение проблем стыковки, совместимости, т.е. чтобы элементы системы, имеющие иногда разную природу, «понимали» друг друга. Интерфейс И1 представляет человеко-машинный интерфейс (интерфейс пользователя), если МС управляется человеком - оператором. Основное назначение этого интерфейса – обеспечить связь между оператором (пользователем) и мехатронной системой. Если ранее назначение интерфейса пользователя заключалось в эффективном использовании МС, то сейчас добавилось требование создание удобства для пользователя. В этой связи появилась эргономика. Эргономика – это междисциплинарная наука, объединяющая знания в области физики, физиологии и психологии. В качестве примера оборудования для интерфейса И1 можно указать на монитор и клавиатуру, щиты управления, пульты и рукоятки дистанционного управления и т.д.

Аппаратные и программные средства систем управления на блок-схеме представлены в едином блоке как управляющий комплекс (УК).

Рис.2.1 Блок-схема структуры мехатронной системы

Управляющий комплекс обрабатывает информацию, при этом он выполняет следующие основные функции: управляет информационным потоком; контролирует, находятся ли параметры МС в заданных пределах; инициирует соответствующие управляющие воздействия. Особенность компьютерного управления заключается в том, что оно происходит в реальном масштабе времени. УК без запаздывания должен реагировать на внешние события, т.е. на изменение внешней среды и других возмущающих факторов. УК должен параллельно обрабатывать различные сигналы и вести обработку информации, ждать информации извне от человека-оператора или сенсорных датчиков. Совершенство МС во многом определяется возможностями УК.

Интерфейс И2 служит для формирования на основе цифровых выходных сигналов УК управляющих электрических напряжений и токов для исполнения двигателем привода мехатронного модуля движения, адекватного управляющему воздействию. В состав И2 обычно входят цифро-аналоговые преобразователи, усилительно-преобразующие устройства для привода. Например, частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно изменять путем регулирования частоты включения и отключения якоря от источника питания. Для этой цели используются транзисторные и тиристорные ключи и схема управления привода. При передаче информации часто используется вначале цифровая фильтрация и после ЦА-преобразования производится аналоговая фильтрация и согласование сигналов.

Исполнительное устройство (ИУ) представляет устройство, выполняющее двигательные функции. В качестве исполнительных устройств применяются электродвигатели, пневмо и гидродвигатели или комбинированные двигатели, выполняющие вращательные и линейные перемещения.

Интерфейс И3 составляют обычно механические передачи, трансмиссионные узлы и устройства. Этот интерфейс предназначен для передачи и преобразования движения от ИУ к входному звену исполнительного механизма. В качестве ИЗ можно рассматривать, например, редукторы, соединительные муфты, тормозные устройства и т.д. Совокупность ИУ и И3 называют приводом. Управляемый привод или мехатронный модуль движения (ММД) состоит, как правило, из И2,ИУ и И3.

Исполнительный механизм (ИМ) – это механическая система, предназначенная для выполнения своим рабочим органом заданных движений. В зависимости от конкретного приложения исполнительные механизмы могут существенно различаться как по конструктивным особенностям, так и по потребляемой мощности и различным эксплуатационным характеристикам. Если исполнительный механизм манипуляционного робота представляет многозвенный манипулятор с рабочим органом, имеющим шесть управляемых степеней свободы, то бинарные звенья, например, клапан, электромеханическое реле относятся к двухпозиционным механизмам. В электрогидравлических системах в качестве ИМ используются управляющие электромагниты. В зависимости от конструктивной схемы подвижный элемент – якорь может совершать поступательное или вращательное движение. Якорь является и выходным звеном, связанным с регулирующим элементом гидроклапаном, золотником, дросселем и т.д.

Следует отметить, всегда существуют внешние по отношению к МС факторы, с которыми при функционировании взаимодействует МС. Совокупность этих факторов можно назвать внешней средой. Внешней средой, например, для рабочего органа станка с ЧПУ является сила резания при операции металлообработки. По характеру взаимодействия с МС различают детерминированные и недетерминированные среды. К детерминированным средам относятся такие среды, воздействие которых может быть заранее определено с необходимой точностью. Например, силы резания могут быть заранее оценены с помощью аналитико-экспериментальных исследований. Наоборот, возмущающие факторы недетерминированных сред трудно предусмотреть, ими невозможно управлять. К таким средам относятся подводная и космическая среда. В последнее время для управления в неопределенной среде используются методы нечеткой логики. Нечеткая логика имеет дело с переменными, которые скорее наблюдаются, чем измеряются.

На рис.2.1. показаны интерфейсы датчиков И4, И5 и И6. Датчики выполняют преобразование измеряемого входного физического параметра в электрический сигнал. Датчики – это чувствительные элементы (сенсоры) и преобразователи, которые несут информацию о состоянии приводов, рабочего органа, внешней среды. Примером электромеханического датчика является акселерометр. Чувствительным элементом этого датчика является инерционная масса, связанная с основанием прибора с помощью пружины. Под действием ускорения чувствительный элемент перемещается, это перемещение преобразуется в определенные электрические сигналы. Тем самым измеряется ускорение.

В качестве И7 может использоваться система технического зрения.

В том случае, если интерфейс И4, И5, И6 включает аналоговый датчик, то перед входом на УКУ ставится интерфейс И7. Интерфейс И7 представляет аналогово-цифровой преобразователь. Необходимость в таком интерфейсе вызвана тем, что перед поступлением в компьютер все аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровые.

Интерфейсы И4, И5, И6, И7 представляют в совокупности информационно-измерительную систему.

В функционировании СУ большая роль отводится коммуникационной системе. Коммуникационную систему образует комплекс средств, аппаратных, программных, предназначенных для выполнения функции коммуникации. Известно, что коммуникация – это процесс перемещения информации в пространстве. Процесс коммуникации включает в себя передатчик, передающий сообщение по каналам связи приемнику. На канал связи обычно влияет шум, искажающий сообщение и затрудняющий распознавание приемником сообщения. Например, при передаче аналоговых сигналов от датчиков (передатчика) по электрическому проводнику из-за нежелательных связей резистивного, индуктивного или емкостного характера возможно искажение сигнала. В этом случае для решения проблемы часто желательно преобразовать аналоговый измерительный сигнал в последовательность импульсов, частота или продолжительность которых известным образом связана с уровнем исходного сигнала. Затем передавать этот преобразованный сигнал. Технически, прежде чем оцифровывать аналоговые сигналы от датчиков, используются аналоговые фильтры, а после АЦ - преобразования используется цифровая фильтрация.