Мехатроника - научная и учебная дисциплина

МЕХАТРОНИКА - НАУЧНАЯ И УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА

Б.П.Тимофеев

Рассмотрено развитие мехатроники как области науки и техники в период с 1972 г. по настоящее время. Рассмотрено развитие мехатроники в качестве учебной дисциплины в России и, в частности, в ИТМО, начиная с 1991 г. Сделаны прогнозы развития мехатроники на ближайшее и отдаленное будущее, в том числе и о возможном расширении количества и содержания обучения специальностей в направлении "Мехатроника и робототехника".

Мехатроника - бурно развивающаяся область науки и техники - становится одним из из основных направлений образования. Слово "мехатроника" в современном его смысле появилось впервые в 1972 г., в Японии, причем появилось на предприятии машиностроительном, занимавшемся одновременно выпуском электронных изделий. Еще ранее, в 50-х появилось слово "мехатроны", относившееся к электровакуумным устройствам. Сегодня мы квалифицируем такие устройства как элементы электромеханики. Впрочем, происхождение мехатроники от электромеханики, на наш взгляд, несомненно. В 1985 г. в СССР был издан переведенный с японского справочник по мехатронике, на мой взгляд, скорее сборник статей "на тему", т.е. системного взгляда на проблему он не содержал.

Исторически в СПбГУ ИТМО подготовка инженеров по специальности "Мехатроника" началась в 1991 г. В 1994 г. уже в России в квалификационном справочнике появился раздел "Междисциплинарные специальности", в числе которых была и специальность 07.18.00 - Мехатроника, а в 1995 г. появился и государственныый образовательый стандарт (ГОС) по специальности (в дальнейшем -1-й ГОС). Первый выпуск специалистов, прошедших полную подготовку по этим учебным планам, состоялся в 2001 г., а уже в 2000 г. появился новый ГОС специальности (далее - 2-й ГОС). Точнее, приказом Министерства образования РФ от 02.03.2000 № 686 утверждено направление подготовки дипломированного специалиста " Мехатроника и робототехника" с перечнем образовательных программ (специальностей), реализуемых в рамках направления подготовки дипломированного специалиста: 07.18.00 - Мехатроника, 21.03.00 - Роботы и робототехнические системы.

Естественным поэтому будет "исторический" подход к развитию понятия " Мехатроника" как научной и учебной дисциплины. Последующее изложение скомпоновано в 4 раздела:

1. До официального образования специальности

2. В России есть " Мехатроника"

3. Сформировано направление "Мехатроника и робототехника"

4. Дальнейшее развитие направления.

Попытаемся проследить, как за очень короткий срок развивалось (изменялось) понятие "Мехатроника" в науке, технике, производстве и образовательной деятельности.

До официального образования специальности

Мехатроника - новая область науки и техники - определялась как направление на создание и эксплуатацию устройств с компьютерно-управляемым движением. Приведем и другие определения: "Мехатроника - интегральное проектирование механизмов и машин с высокой степенью автоматизации с целью систематического достижения хороших общих технических характеристик устройств" (Р.Мейзель, Х.Иржик. Австрия, университет г. Линц); "Информационно-измерительная наука и

технология - естественная основа мехатроники" (А.П.Дорей и Д.А.Брэдли, Англия, Ланкастерский университет).

Во всех этих определениях прежде всего выделим две особенности:

• каждый из авторов относит мехатронику к той или иной области науки; немецкие -к теории машин и механизмов, английские - к информационно-измерительной технике, русские - к механике в широком смысле этого термина;

• общая же черта - подчеркивание интегрального характера мехатроники. Процитируем еще раз А.П. Дорей и Д. А. Брэдли: "Мехатроника является центром интеграции электронных аппаратных средств и программного обеспечения с механической техникой в изделии (программе) или процессе".

Попробуем более конкретно разобраться с понятием "интегральный". Человек создан как существо сугубо аналитическое. Его органы чувств воспринимают каждый лишь отдельные стороны предметов и явлений. Классический пример - восприятие человеком яблока. Зрительно мы воспринимаем размер, форму и цвет. Обоняние дает нам запах, осязание позволяет судить об упругости, вялости и т.д. Конечно, наиболее существенны вкусовые ощущение (существенны только по отношению к этому конкретному предмету) и, естественно, слуховые ощущения - "хрупанье", добавляемые к вкусовым. Образ предмета создается мышлением (интеграцией) на основе осмысления знаний об отдельных его чертах, полученных аналитическими средствами.

Увы, этот естественно возникший подход полностью копировался наукой, что в некоторых ее областях уже привело к печальным последствиям. В медицине кардиологи, отоларингологи, невропатологи и т.д. изучают и лечат не человека, а его отдельные органы. Учет воздействия на систему человека минимален. Только в последнее время все слышнее голоса тех, кто ратует за изучение и лечение человека в целом, проводя идеи другого разделения функций - скажем, по возрастному или половому принципам (например, геронтология).

Заметим, что без аналитической функции разделения, расчленения, рассмотрения отдельных элементов и свойств мы не мыслим себе изучения, а тем более проектирования каких-либо технических систем (машин, приборов и устройств). Все это переносится в сферу образования, и именно в этой сфере важно преодолеть тенденции аналитического расчленения объектов изучения. Ясно одно: существующее сегодня разделение технических устройств на привод, исполнительные механизмы и системы управления не обеспечивает решение задачи проектирования машины (устройства) как некоего целого.

Традиционно мехатронику представляют (рис.1) как единство трех частей -привода (1), механизмов (2) (исполнительных и передаточных) и управления (3). Их пересечение составляет собственно ядро направления мехатроники.

В России есть "Мехатроника"

Процитируем ГОС от 06.03.95: "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 и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов".

Приведем несколько определений мехатроники, данных зарубежными учеными, стараясь расположить их в хронологическом порядке, чтобы обозреть предмет в его развитии.

"Мехатроника есть объединение механики, электроники и микрорешающего управления" (1975).

"Мехатроника есть комбинация машиностроения с электронной техникой управления и системотехникой в создании продукции и процессов".

"Мехатроника - синергетическое объединение прецизионного машиностроения, электронной техники и системного подхода в проектировании и изготовлении продукции" (Совет по промышленным исследованиям и развитию Европейского сообщества, 1986).

"Мехатроника - не новая профессия, а образ мышления" (Я. ван Амеронген, Университет Твенте, 1989).

"Мехатроника есть синергетическое единство механического и электрического инжиниринга и информационных технологий для интегрального дизайна интеллектуальных технических систем в отдельных механизмах и машинах" (ШТоММ, 1995).

"Мехатронная система многодисциплинарна, включает в себя четыре фундаментальные дисциплины: электротехнику, механику, вычислительную технику и информационные технологии".

"Разница между мехатронной и многофункциональной системой - не в построении, но более в порядке, в котором они проектируются. Исторически проектирование многофункциональных систем использовало последовательное подчиненное пофункциональное продвижение".

"Методология мехатронного проектирования основана на одновременном, вместо последовательного, продвижения в проектировании отдельных частей, что в результате дает продукт с большей синергетикой".

"Синергетика достигается правильным сочетанием параметров; так что конечный продукт может быть лучше, чем сумма частей. Мехатронные продукты демонстрируют качественные характеристики, какие прежде было трудно достигнуть без синергетического комбинирования".

Все последние цитаты принадлежат Девдану Шетти и Ричарду А. Колку и приведены в "Проектировании мехатронных систем" (1997).

В наиболее полном виде тезис "Мехатроника - способ проектирования ..." изложен в трудах проф. Е. Калленбаха, где идея мехатронного проектирования изложена с исчерпывающей полнотой [1].

Наш первый ГОС основан во многом на этих концепциях мехатроники в понимании европейских авторитетов. Не останавливаясь на критике некоторых его сторон, перейдем к тем положительным переменам, которые связаны с открытием (наконец-то!) направления, о чем мы в нашем вузе говорили еще в 80-х гг.

Сформировано направление "Мехатроника и робототехника"

Прежде всего процитируем ГОС в части определения мехатроники и робототехники. "Мехатроника - это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. Робототехника -область науки и техники, ориентированная на создание роботов и робототехнических систем, предназначенных для автоматизации сложных технологических процессов и операций, в том числе, выполняемых в недетерминированных условиях, для замены человека при выполнении тяжелых, утомительных и опасных работ".

Далее определены объекты профессиональной деятельности. "Объектами профессиональной деятельности выпускников являются технические системы, агрегаты, машины и комплексы машин различного назначения, построенные на базе

мехатронных модулей, используемых в качестве информационно-сенсорных, исполнительных и управляющих устройств. В том числе, роботы и робототехнические системы как промышленного, так и непромышленного назначения, а также необходимое программно-алгоритмическое обеспечение для управления такими системами, их проектирования и эксплуатации".

Обратим внимание на слова "синергетическое объединение..." и "проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин.", как на совершенно новый взгляд именно на объект. Нет, мехатроника - не просто "способ проектирования", а особый способ проектирования качественно новых и четко определенных объектов. В этом первая и главная особенность, выгодно отличающая второй ГОС (2000) от первого (1995).

Одна из особенностей второго ГОСа - список предметов специальности (федеральных). Стремление к интегрированности, к общности, к возможности широкого внедрения междисциплинарных курсов здесь совершенно явно, и преимущества в этом компоненте перед первым ГОСом очевидно.

Не могу в этой связи не высказать собственного мнения по поводу деления дисциплин на циклы - ЕНФ. ГСЭ, СД и пр. Это деление порочно в корне, но особенно оно неприемлемо в отношении такой специальности, как "Мехатроника". Необходимость синергетического объединения курсов, как и синергетического объединения частей в мехатронном устройстве, сегодня очевидна многим, и единственное препятствие - мощнейшие традиции высшей школы, связанные с бесконечным аналитическим разграничением предметов по факультетам, кафедрам и отдельным специалистам. Так что преодоление этой порочной практики видится нам в довольно далеком будущем, ибо она - в природе человека, о чем речь уже шла выше.

Дальнейшее развитие направления

Итак, в нашем направлении всего две специальности. Посмотрим на возможное развитие специальностей внутри направления, имея в виду сложности, возникающие в области образования при подготовке специалистов.

Существует, по крайней мере, два принципиальных подхода к формированию специальности внутри направления. Первый подход связан с существованием в ряде стран таких специальностей, как:

• динамика управляемых систем (машин),

• привод мехатронных устройств,

• автоматическое управление,

• микроэлектроника,

• информационно-измерительная техника и сенсорика.

Здесь реализован принцип разделения по объекту проектирования и изготовления. Отметим, что он связан с аналитическим расчленением объекта изучения, зато имеет и многочисленные положительные стороны. Главная из них - четкое понимание образовательных возможностей в рамках обычных сроков обучения. Ясно, что в рамках таких специальностей изучается общее ядро направления и одна из больших областей знаний углубленно. Таким образом мы получим мехатронщиков-механиков, мехатронщиков-приводчиков и мехатронщиков-управленцев. Несомненно, появление таких специальностей - достаточно широкий шаг в сторону интегрального восприятия технических устройств. При этом, повторимся, частично устраняются сложности в области объема знаний, продолжительности образования и т.п. Устраняются лишь частично, ибо все равно объем знаний существенно выше, чем в традиционных технических специальностях. "Ядро" направления остается для всех обязательным.

Выход представляется нам в присвоении всем мехатронным специальностям статуса высокопрофессионального образования с увеличеним срока обучения до 6-7 лет.

Рис. 1. Вхождение составляющих дисциплин в мехатронику

Другой подход связан с такими специальностями, как:

• прецизионные устройства мехатроники,

• биотехнические системы,

• интеллектуальные мехатронные устройства

Здесь специальность сформирована по целевому признаку. Сложности, также как и в предыдущем подходе, связаны с объемом и продолжительностью обучения, которые в данном случае возрастают еще более.

Если становление "Мехатроники и робототехники" в качестве научного направления подтверждается блестящими примерами успешного использования мехатронных принципов (см. [2,3]) и, как правило, не встречает никаких возражений, то выделение его в качестве направления образовательной деятельности требует четкого обоснования. Действительно, специалистов по энергоустановкам (электро-, пневмо-, гидро- и т. д.), по машинам и механизмам, по системам управления готовят по уже имеющимся направлениям, получить же специалиста, одинаково владеющего знаниями и умениями в областях 1, 2 и 3 (рис.1) даже при увеличенном времени обучения достаточно сложно. Возможно формирование мехатронщиков-приводчиков, мехатронщиков-механиков и мехатронщиков-управленцев, которые, будучи разработчиками в одной области, являлись бы грамотными пользователями в двух других, при безусловном знании "ядра" всеми без исключения [4].

Вывод

Хотя автор статьи - несомненный апологет мехатроники, хотелось бы подчеркнуть, что и в будущем положение, при котором все машины и приборы превратились бы в мехатронные устройства, кажется нам и немыслимым, и ненужным. Так называемые цикловые машины, сконструированные для выполнения конкретных функций, как правило, превосходят мехатронные устройства как по производительности, так и по точности функционирования. Непрерывность действия и, как правило, нереверсивность привода дает им целый ряд преимуществ в части динамики.

Правда, у мехатронных устройств имеется существенный резерв повышения точности функционирования. Это переход на недетерминированную структуру используемых механизмов. Изменение структуры и параметров механической системы в процессе функционирования, да еще производимые компьютерным управлением -важный и пока мало используемый резерв мехатронных устройств. Несмотря на это, существование машин (транспортных, технологических, информационных и т.п.) как мехатронного, так и немехатронного типа как сегодня, так и в будущем, представляется нам несомненным.

Литература

1. Configuration in the Mechatronic Design Process - Represented by Fast Acting Magnetic Actuators. E.Kallenbach, T.Strohla, O.Birli, K.Feindt, M.Kallenbach. Department of Drive Technology, Technical University of Ilmenau. Mechanics and Machine Vision, September, 2000, University of Southern Quensland. Р.313-321.

2. Тимофеев А.В. Обратная динамика мехатронных систем и методы синтеза модальных и инвариантных регуляторов. Мехатроника. 2000. №4. С. 2-6.

3. Ющенко А.С. К теории деятельности эргатических мехатронных систем. Мехатроника. 2000. №3. С. 2-11.

4. Соломенцев Ю.М., Кулешов В.С., Подураев Ю.В. Развитие мехатроники и робототехники в Московском государственном технологическом университете "СТАНКИН". Мехатроника. 2001. № 2. С.2-3.