Известно, что на стыках различных научных и технических дисциплин чаще всего появляются неординарные решения проблем, казавшихся ранее неразрешимыми. Именно на таком «стыке» механики и электроники находится мехатроника.

Как это не парадоксально, но августовский кризис 1998 г. пришелся отечественной промышленности весьма кстати: благодаря ему иностранные компании были на несколько лет вытеснены с российского рынка. Определенное преимущество получили и наши предприятия, изготавливающие оборудование для пищевой промышленности. Однако рано или поздно действие эффекта девальвации заканчивается, и для производителей продуктов питания настает время всерьез задуматься о смене машинного парка, большая часть которого, оставшаяся еще с советских времен, давно уже устарела и физически, и морально. 
С заменой оборудования все ясно. Чем старше техника, тем больше убытков она приносит из-за вынужденных простоев для ремонта. И с течением времени либо ремонт становится бесконечным, либо машина просто рассыпается. 
С утверждением о моральном устаревании можно поспорить. Одно время даже существовал лозунг: “В нашей стране техника морально не стареет”. Однако если производители все-таки хотят, чтобы их продукция пользовалась спросом, она должна быть дешевой и отвечать современным требованиям качества. Следовательно, оборудование, на котором эта продукция производится, тоже должно быть относительно недорогим и, главное, не требующим значительных затрат времени, сил и средств на поддержание его в рабочем состоянии. 
На практике требования к “идеальному” оборудованию сводятся к следующему:

Оборудование, разработанное 20 лет назад, всем этим требованиям в большинстве случаев не отвечает. И чтобы удержаться на плаву в условиях жесткой конкуренции, необходимо модернизировать не только изделия, но и само производство. Как сделать это одновременно?

 

Известно, что на стыках различных научных и технических дисциплин чаще всего появляются неординарные решения проблем, казавшихся ранее неразрешимыми. Именно на таком “стыке” механики и электроники находится мехатроника.
 
Термин “мехатроника” появился в 80-х гг. прошлого века, хотя машины, построенные на основе принципа, который позже был назван мехатроникой, существовали и ранее. В 1984 г. Японское общество инженеров-механиков выпустило 7-томное издание, посвященное мехатронике, тем самым официально утвердив этот термин. К сожалению, в России о нем мало кто слышал. 
Наиболее распространенными в настоящее время являются три определения мехатроники.

Существует термин “электромеханика”, внешне похожий на “мехатроника”, однако по сути это разные вещи. И разница здесь в уровнях развития техники. Термин “электромеханика” подразумевает сочетание механики и электротехники или электроники “низшего уровня” (диодов, резисторов, тиристоров и т. д.). Появление мехатроники связано с развитием микроэлектроники и микропроцессорной техники. 
Эта техника при малых размерах может выполнять сложнейшие операции по управлению, которые технике предыдущих поколений были не под силу. Даже при простой замене старых элементов на новые блок управления сильно теряет в весе и размерах, выигрывая при этом в производительности.
Микропроцессорные системы достаточно легко можно “наделить” способностью к самотестированию и обратной связи. Кроме того, для корректировки работы системы в большинстве случаев достаточно лишь внести изменения в программу, не переделывая сам механизм.Однако и у электроники есть свои недостатки. Например, она иногда “зависает”, то есть происходит некий программный или аппаратный сбой, добраться до причины которого порой довольно сложно. Электроника не любит сырость, пыль, различные силовые поля, она очень требовательна к качеству электропитания (т. е. к стабильности и величине напряжения и силы тока). У механики таких недостатков нет. 
Мехатроника, сочетая механику и электронику, берет от каждой лучшее. 
Главное преимущество микропроцессорных систем в их гибкости и универсальности. Все микропроцессоры состоят из интегральных микросхем, которые, в свою очередь, составлены из стандартных простых элементов (диодов, транзисторов и т. п.). Если из строя вышла одна из системных плат, ее легко заменить на аналогичную, и это не потребует значительных денежных и временных затрат.Похожая ситуация и с программами: они тоже состоят из стандартных элементов. Все команды любой программы, написанной на любом языке программирования, превращаются в последовательности цифр 0 и 1 (точнее, в напряжение 0 В и +5 В), и эти команды понимает любой микропроцессор. 
В мехатронике можно выделить следующие уровни: локальный и глобальный. Локальный уровень — это мехатронный узел, глобальный — мехатронная система. 
Мехатронная система включает в себя исполнительные механизмы, электронные блоки управления и датчики, осуществляющие обратную связь. Яркий пример мехатронной системы — автомобильные системы впрыска топлива (инжекторы). В данном случае вместо механического прерывателя-распределителя зажигания и механического карбюратора с механическим управлением устанавливаются электронные блоки и управляемые ими по проводам форсунки. В результате двигатель в определенном смысле становится самонастраивающейся и самодиагностирующейся системой. 
В упаковочном оборудовании примером мехатронной системы может служить автоматическая линия блистерной упаковки АЛБ-165, разработанная Институтом машиноведения РАН. Линия эта потребляет всего 6 кВт электроэнергии, 400 л/мин сжатого воздуха и 5 л/мин холодной воды. Очевидным преимуществом являются ее небольшие габариты: 2500х620х1500 мм при массе 350 кг. Линия предназначена для фасовки полужидких субстанций (сметана, сгущенное молоко, майонез), а при небольшой доработке может использоваться и для других типов продуктов. Производительность линии — до 2 т в сутки в зависимости от размера упаковки. В качестве упаковочного материала используется пленка (полистирольная или поливинилхлоридная) и алюминиевая фольга с термосваривающим покрытием. Технологическая схема машины (см. рисунок 1) является классической для блистерной упаковки. 
Конечно, можно делать емкости отдельно или закупать их на стороне, тем самым обойтись безо всякой мехатроники. Но тогда будет потеряно одно из главных преимуществ блистерной упаковки — ее антисептичность. Пленка и фольга производятся на химических и металлургических предприятиях в условиях очень неблагоприятных для жизни микроорганизмов и поставляются в плотно намотанных рулонах. Сами по себе данные материалы питательной средой для микроорганизмов не являются. К тому же перед формовкой пленка подвергается термическому воздействию, также губительному для микробов. Все это гарантирует стерильность упаковки при едином технологическом цикле. 
Работает линия следующим образом. Рабочий стол перемещается вдоль линии, разматывая пленку и фольгу из рулонов на один шаг, равный по величине одной емкости. Затем последовательно, в специальных секциях, происходят: нагрев пленки, формовка емкости, заполнение ее продуктом, сварка покровной фольги и краев емкости, вырубка “звездочек” на углах емкостей и продольная надрезка и отрезка блоков емкостей. Количество емкостей в блоке задается с пульта или программно, можно также отрезать отдельные емкости. Все эти операции составляют один цикл. 
Секции (или устройства), входящие в состав автоматической линии, называются еще рабочими станциями. Каждая рабочая станция имеет независимый пневмопривод и включается в работу по команде микропроцессора. Обратная связь осуществляется посредством разнообразных датчиков. Иначе говоря, рабочая станция управляется “по проводам”, механических связей с блоком управления у нее нет. 
Вся электронная и пневматическая “начинка” этой линии стандартна и изготовлена специализирующимися в этих областях фирмами. Даже механизмы рабочих станций, разработанные для этой линии, можно считать стандартными. Они могут использоваться на оборудовании других производителей и даже для других технологических операций. 
Время цикла и параметры отдельных технологических операций задаются программно, и их можно легко и быстро изменить при переходе на другой продукт или упаковку. Линия будет работать в автоматическом режиме, человеку остается лишь принимать упакованную продукцию и укладывать ее в коробки. 
Применение мехатроники позволяет быстро и с небольшими финансовыми затратами встроить в существующую линию рабочие станции для дополнительных технологических операций, например, для нанесения рисунка или наклейки этикеток. В настоящее время используется фольга с готовым рисунком, ее совмещение с емкостями осуществляется специальным механизмом. На фольгу нанесены метки, на смещение которых реагирует датчик, и по его команде механизм вытягивает фольгу. 
Осуществить подобный проект, используя лишь классические механические и электрические способы управления, весьма затруднительно. Для этого пришлось бы задействовать громоздкий и мощный двигатель с распределительным валом, приводящим в действие все рабочие станции; к столу пришлось бы пристроить передаточное устройство, а механизм совмещения вообще невозможно было бы построить. 
Примером мехатронного узла может служить разрабатываемое в настоящее время устройство коррекции положения рабочих станций в процессе работы. Необходимость в нем возникла в связи с тем, что некоторые корпусные материалы, остывая после остановки линии, дают усадку, а потом, нагреваясь при работе, снова вытягиваются. В результате емкости “выезжают” из рабочих станций. 
Устройство, позволяющее решить эту проблему, может быть создано на основе принципов механического усилителя мощности и рекуперации энергии. В механическом усилителе мощности используется эффект самоторможения, свойственный некоторым механизмам. Самотормозящими называются механизмы, которые можно привести в движение только со стороны звена, к которому подводится энергия. Рекуперация (от лат. recuperatio — обратное получение, возвращение) — возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса для повторного использования в том же процессе. Кинематическая схема данного устройства представлена на рисунке 2. 
Устройство коррекции положения рабочих станций состоит из силового пневмоцилиндра (1), винтовой передачи (3), рекупера и пневмодвигателя подкачки рекупера (9). Рекупер сам является отдельным мехатронным узлом в составе устройства перемещения рабочих станций. Он включает в себя аккумулятор механической энергии на базе упругого элемента (спиральной пружины) (5), управляемые упоры-фиксаторы (6), взаимодействующие с ними зубчатые диски (7), датчики (4), отсчитывающие угол поворота диска, и конический дифференциальный механизм (8). Рабочая станция (2) является перемещаемым объектом. 
Работает устройство следующим образом: от датчика на рабочей станции в блок управления поступает сигнал о необходимости включения устройства перемещения; от блока управления на рекупер поступает сигнал, соответствующий величине перемещения; упор освобождает зубчатый диск, и рекупер вращает винт, отсчитывая необходимое количество шагов. Причем половину пути заданного перемещения рекупер разряжается, потом по сигналу датчика первый зубчатый диск фиксируется, второй освобождается и благодаря применению дифференциального механизма рекупер, вращаясь в том же направлении, заряжается, одновременно осуществляя плавное торможение. Двигатель подкачки компенсирует потери энергии. 
Рекупер в 2—3 раза увеличивает быстродействие агрегата и на порядок снижает энергозатраты. Силовой пневмоцилиндр в это время перемещает рабочую станцию, усиливая таким образом управляющий сигнал рекупера. Поскольку винтовая передача является самотормозящим механизмом (попробуйте-ка сдвинуть гайку, не вращая винт), то когда остановится рекупер, прекратится движение всего устройства.

 

Мехатроника несет потребителю оборудования немало преимуществ по сравнению с техникой предыдущего поколения. Это уменьшение массы и линейных размеров, повышение надежности как отдельных узлов, так и машины в целом, более простая технология ремонта и обслуживания, увеличение межремонтного периода. 
Производителю же упаковочного оборудования мехатроника позволит существенно повысить эффективность машин и автоматических линий. Во-первых, применение стандартных деталей заметно ускоряет, а значит и удешевляет проектирование. Во-вторых, активизируется процесс оборота денежных средств. В-третьих, держать большой парк дорогих универсальных станков, которые в основном применяются в единичном и мелкосерийном производстве (а именно таким является производство упаковочного оборудования), не нужно. Можно вообще ограничиться одним сборочным участком, причем с самыми простейшими приспособлениями, а небольшое количество оригинальных деталей делать на заказ по мере необходимости. 
В заключение можно сказать, что внедрение мехатроники в производство особенно выгодно на предприятиях малого и среднего бизнеса (в том числе упаковочного), где большая часть оборудования отлаживается под конкретные и, как правило, регулярные заказы. Использование гибких электронных систем управления позволит делать это максимально быстро, удобно и дешево.
 

 

 

 

 

Дмитрий Ларионов