Мдк 01. 01 Технология формирования систем автоматического управления

7. Функция и структура мехатронного модуля (ММ) 
Мехатронный 
модуль 
– 
это 
функционально 
и 
конструктивно 
самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и 
синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его 
элементов, имеющих различную физическую природу. 
К элементам различной физической природы относят механические 
(преобразователи 
движения, 
трансмиссии, 
звенья), 
электротехнические 
(двигатели, 
тормоза, 
муфты), 
электронные 
(электронные 
блоки 
и 
микропроцессоры) и информационные (датчики информации) элементы. 
Передача движения от двигателя к выходному звену мехатронного модуля 
может быть обеспечена с помощью различных преобразователей движения 
(передач), структура и конструктивные особенности которых зависят от типа 
двигателя, вида перемещения выходного звена и их расположения (компоновки). 
Преобразователи движения предназначены для преобразования одного вида 
движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и 
выходного звена. Для преобразования движения используют винтовые, реечные, 
цепные, тросовые передачи, а также передачи зубчатым ремнем, мальтийские 
механизмы и др. Так как электродвигатели в основном высокооборотные, а 
рабочие скорости выходных звеньев мехатронных модулей сравнительно 
невелики, то для согласования скоростей используют понижающие передачи 
(редукторы): зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные и 
волновые. Тип преобразователя движения выбирают, исходя из сложности его 
конструкции, коэффициента полезного действия, люфта в передаче, габаритных 
размеров и массы, свойств самоторможения, жесткости, удобства компоновки, 
технологичности, долговечности, стоимости и т. п. Выбор преобразователя 
движения оказывает существенное влияние на характеристики мехатронного 
модуля. 
Направляющими 
называют 
конструктивные 
элементы 
устройства, 
обеспечивающие заданное относительное движение элементов механизма. В 
мехатронных 
модулях 
в 
основном 
применяют 
направляющие 
для 
поступательного движения. Их используют при необходимости осуществления 
перемещения одной детали относительно другой с заданной точностью. 

---

17 
 
К направляющим предъявляют следующие требования: обеспечение 
плавности перемещения, малые силы трения, большой ресурс работы, 
износостойкость, способность к перемещению в широком температурном 
диапазоне. 
В зависимости от вида трения различают направляющие с трением 
скольжения и качения. Выбор типа направляющих и конструктивных схем 
зависит от их назначения, а также от требований к точности направления 
перемещения, допускаемой нагрузки, значений сил трения, стоимости 
изготовления. 
Направляющие с трением скольжения и качения по характеру (виду) 
воспринимаемой нагрузки различают открытые и закрытые. К открытым относят 
направляющие, у которых для замыкания силовой цепи используют 
дополнительные прижимные усилия (масса подвижной детали, усилие плоской 
или спиральной пружины, мембраны). Закрытыми являются направляющие, у 
которых подвижный узел имеет одну степень свободы (замыкание силовой цепи 
обеспечивается конструктивным исполнением). Направляющие в зависимости от 
формы выполнения рабочих поверхностей делят на цилиндрические, 
призматические (например, типа «ласточкин хвост»), Н-, П- и Т-образные. 
Тормозными называют устройства, которыми снабжают мехатронные 
модули, для уменьшения скорости подвижного звена, остановки и фиксации его в 
определенной позиции. 
В зависимости от природы сил торможения тормозные устройства делят на 
механические, 
гидравлические, 
пневматические, 
электрические 
и 
комбинированные. Механические тормозные устройства – пружинные, 
резиновые, эластомерные, инерционные и фрикционные. Гидравлические – 
устройства дроссельного регулирования. Пневматические – могут быть 
напорными и вакуумными. К электрическим относят электромагнитные, 
индукционные и гистерезисные, а также порошковые тормозные устройства с 
сухим и жидким наполнителем фрикционного и дроссельного типов. 
Комбинированные – включают в себя два или более типов устройств (например, 
пневмогидравлические или пружинно-пневматические). 
Ко всем типам тормозных устройств предъявляют следующие основные 
требования:
–обеспечение заданного закона торможения; 
–безударный останов и фиксация подвижных элементов в точках 
позиционирования;
–высокая надежность и долговечность конструкции; 
–высокое быстродействие;
–простота и компактность конструкции;
–стабильность характеристик при изменении условий работы; 
–малая чувствительность к изменению температуры, влажности, 
тормозимой массы, скорости;
–возможность настройки и доступность регулирования; 

---

18 
 
– удобство осмотра и обслуживания;
–низкая стоимость, минимальные габариты и масса. 
Точность работы мехатронных модулей определяется допусками на 
размеры сопрягаемых деталей и величиной мертвого хода (холостого, т. е. не 
передаваемого на ведомое звено движения ведущего звена механизма, 
возникающее в момент реверсирования движения). 
Мертвый ход приводит к ошибкам перемещения, поэтому его стремятся 
уменьшить или устранить. Этого можно достичь с помощью специальных 
регулировочных 
устройств-механизмов 
выборки 
мертвого 
хода 
(люфтовыбирающих механизмов). 
В мехатронных модулях могут использовать механизмы выборки бокового 
зазора между зубьями колес зубчатых передач двух типов: автономные и с 
дополнительной кинематической цепью (замкнутым энергетическим потоком). 
В автономных механизмах выборки мертвого хода используют метод 
раздвоения ведомого колеса, где в качестве силовых элементов используют 
пружины. 
Кроме выборки мертвого хода при помощи пружин используют жесткую 
фиксацию, заключающуюся в предварительном относительном смещении 
половинок раздвоенного зубчатого колеса и их жестком закреплении при помощи 
винтов, болтов, клеммовых соединений и т. д. 
Применение в мехатронных системах электродвигателей постоянного тока 
обусловлено такими их преимуществами как: линейность характеристик, 
широкий диапазон регулирования скорости, достаточная перегрузочная 
способность, равномерное вращение на низких скоростях. 
В свою очередь двигатели постоянного тока с постоянными магнитами, 
которые по принципу действия не отличается от двигателей с электромагнитным 
возбуждением, 
позволяют 
получить 
более 
высокий 
КПД, 
меньшие 
весогабаритные показатели (в области малых мощностей), имеют облегченные 
условия охлаждения. 
Наличие в двигателях постоянного тока коллекторно-щеточного узла, 
снижающего надежность систем и увеличивающего затраты на обслуживание, 
привели к разработке вентильных двигателей. 
Вентильный двигатель (ВД) содержит электронный коммутатор (К), 
который по своим функциям заменяет коллектор и щетки двигателя. На статоре 
вентильного двигателя располагается трехфазная обмотка переменного тока, 
питаемая через коммутатор. Ротор обеспечивает возбуждение двигателя с 
помощью постоянного магнита (мощности до 30 кВт). 
Коммутатор по принципу действия представляет собой управляемый 
инвертор (УИ), который может питаться непосредственно от источника 
постоянного тока (аккумуляторная батарея, сеть постоянного тока) или от 
управляемого выпрямителя (УВ), если двигатель подключен к сети переменного 
тока. Во втором случае коммутатор представляет собой преобразователь частоты 
со звеном постоянного тока. 

---

19 
 
Управление коммутатором производится с помощью датчика положения 
ротора (ДП), устанавливаемого на валу двигателя. ДП формирует сигналы, 
поступающие на систему управления (СУ). В результате чего с помощью 
статорных обмоток создается вращающееся магнитное поле, которое 
взаимодействует с полем ротора и в результате возникает синхронизирующий 
момент. 
Вентильные двигатели по сравнению с коллекторными обладают рядом 
преимуществ:
– более высокая надежность и срок службы; 
– улучшение тепловой характеристики из-за отсутствия теплоэлементов в 
роторе;
– более высокое быстродействие за счет меньшего момента инерции ротора, 
большая перегрузочная способность.
Такая электрическая машина с n-фазной обмоткой на статоре и ротором в 
виде постоянного магнита представляет собой, по сути, синхронный двигатель. 
Известно, что разновидностью синхронного двигателя является шаговый 
двигатель, у которого питание статорных обмоток осуществляется путем подачи 
импульсов напряжения от источника постоянного тока с помощью электронного 
коммутатора. При этом ротор, выполненный в виде постоянного магнита, под 
воздействием каждого импульса совершает определенное угловое перемещение, 
называемое шагом. 
Шаговые двигатели применяется в том случае, если управляющий сигнал 
задан в виде последовательности импульсов. Это имеет место в приводах роботов, 
манипуляторов, станков ЧПУ. 
В мехатронных модулях линейного движения, которые применяются в 
многоцелевых станках, комплексах лазерной резки, некоторых видах транспорта, 
используется линейный двигатель. Основными преимуществами линейного 
двигателя по сравнению с традиционным двигателем и передачей типа зубчатой 
рейки либо винтовой передачи, есть в несколько раз большая скорость движения 
и ускорение, высокая точность движения, жесткость характеристик. 
Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными и 
постоянного тока. Наибольшее распространение получили асинхронные 
двигатели. 
Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя (ЛАД) 
можно получить, если мысленно разрезать вдоль по образующей статор и ротор 
асинхронного двигателя вращательного движения и развернуть их в плоскости. 
Принцип действия ЛАД аналогичен вращающемуся асинхронному 
двигателю.