Мехатроника как междисциплинарная инженерная наука¶

Мехатроника — междисциплинарная инженерная наука и направление в техническом образовании, объединяющее механику, электротехнику, электронику, информатику и программирование для создания интеллектуальных механических систем. Термин возник в Японии в конце 1960-х годов как соединение слов «механика» и «электроника» и с тех пор стал обозначать подход к проектированию, в котором механические устройства получают управляющую «начинку» из электроники и программного обеспечения.

¶История термина

Термин «мехатроника» ввёла в оборот в 1969 году компания Yaskawa Electric, производившая сервоприводы и промышленные контроллеры. Первоначально слово обозначало сервосистемы, в которых электронная обратная связь управляла механическим исполнительным механизмом. В 1972 году Yaskawa зарегистрировала товарный знак Mechatronics.

В 1970-е годы к новому понятию обратились и другие японские производители — Mitsubishi Electric, Fanuc, SMC. К началу 1980-х годов мехатроника стала признанным направлением в японской промышленности, а в 1980-е годы термин распространился на Западную Европу и Северную Америку. В США и Европе аналогичные идеи развивались под названиями «интегрированное проектирование механических систем», «мехатронные системы» и «интеллектуальные механические системы».

В России мехатроника как отдельная инженерная дисциплина начала формироваться в 1990-е годы. В 2002 году Министерство образования и науки РФ включило направление «Мехатроника» в перечень специальностей высшего профессионального образования. Сегодня в российских вузах действуют кафедры мехатроники, включая Московский технический университет связи и информатики, Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Санкт-Петербургский политехнический университет и другие ведущие технические вузы страны.

¶Структура дисциплины

Мехатроника опирается на несколько базовых областей знания:

Ключевой принцип мехатроники — синергия: интеграция компонентов даёт систему, свойства которой превышают сумму свойств отдельных узлов. Простой пример — шаговый двигатель с микроконтроллером: сам по себе мотор вращается хаотично, контроллер без мотора ничего не приводит в движение, но вместе они создают точный позиционный привод.

¶Классификация мехатронных систем

Мехатронные системы принято делить по назначению:

• Промышленные роботы — манипуляторы с системами управления, применяемые на конвейерах, в сварке, сборке и паллетировании.
• ЧПУ-станки — станки с числовым программным управлением, где механическая обработка координируется программой.
• Автомобильные системы — антиблокировочная система тормозов (ABS), системы стабилизации, электрические рулевые рейки, автоматические коробки передач.
• Бытовая техника — стиральные машины, роботы-пылесосы, кофемашины с автоматическим управлением.
• Медицинская техника — хирургические роботы, протезы с обратной связью, аппараты искусственной вентиляции лёгких.
• Транспорт — беспилотные автомобили, автоматические системы управления поездами, авиационные автопилоты.

¶Устройство мехатронной системы

Любая мехатронная система строится по замкнутой схеме «датчик — контроллер — исполнительный механизм»:

1. Датчики измеряют физические величины — положение, скорость, усилие, температуру, давление — и преобразуют их в электрические сигналы.
2. Контроллер (обычно микропроцессор или программируемый логический контроллер) обрабатывает сигналы по заданному алгоритму и формирует управляющие команды.
3. Исполнительный механизм (электродвигатель, гидро- или пневмоцилиндр) реализует команду, воздействуя на объект.
4. Обратная связь сообщает контроллеру фактическое состояние системы, позволяя корректировать управление в реальном времени.

Такой контур позволяет достигать высокой точности позиционирования, повторяемости и адаптивности — свойств, недостижимых для чисто механических устройств.

¶Образование в области мехатроники

В России подготовка инженеров-мехатроников ведётся по направлению «Мехатроника и робототехника» (код 15.03.06 в перечне специальностей бакалавриата). Программа включает курсы по сопротивлению материалов, теоретической механике, электротехнике, микропроцессорной технике, программированию, системам автоматического управления и проектированию мехатронных систем. Студенты выполняют лабораторные работы на промышленных роботах KUKA, ABB, Fanuc и на отечественных образцах, а также проходят производственную практику на предприятиях-партнёрах.

¶Применение в России

Российская промышленность применяет мехатронные технологии в машиностроении, приборостроении, нефтегазовой отрасли и космической отрасли. Отечественные предприятия — «Роботех», «АСБИС», «Интеррос-Робототехника», «Сбербанк-Робототехника» — разрабатывают промышленных роботов и автоматизированные линии. Государственная программа «Робототехника и новые инженерные технологии» направлена на развитие отечественных мехатронных решений, включая роботов для сферы обслуживания и медицины.

¶Интересные факты

• Первый промышленный робот Unimate, установленный на заводе General Motors в 1961 году, по сути был ранним мехатронным устройством, хотя термин тогда ещё не существовал.
• Япония производит около половины мировых промышленных роботов, и именно японская инженерная школа сформировала современный облик мехатроники.
• В японских вузах мехатроника традиционно преподаётся как инженерная дисциплина с первого курса, тогда как в российской традиции она долгое время была частью курсов автоматизации и робототехники.

Источники:

• ГОСТ Р 57672-2017 «Мехатронные системы. Термины и определения»
• Министерство образования и науки РФ. Перечень специальностей высшего образования
• Курс лекций «Мехатроника» Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана
• Yaskawa Electric Corporation. История компании и товарного знака Mechatronics
• Учебник «Мехатроника: основы и приложения» под редакцией В. П. Лапина