Як мехатроніка та роботи стали лайфстайлом для школярів Дніпра

Зараз робочий процес великих підприємств максимально автоматизовано: конвеєри, навантажувачі, пакувальники. Люди жартома кажуть, що ось-ось — і станеться повстання машин. Цю хохму вигадали дуже давно, але людство досі не знаходиться під гнітом механізмів. Навіть навпаки — контролює весь процес.

Втім, управляти величезним роботом, який, наприклад, пакує коробки — завдання з не найпростіших. Потрібно багато знати, вміти та передбачати. Вчать цьому, на жаль, не всюди. Про це не з чуток знає промислова компанія Інтерпайп, яка в Дніпрі розгорнула активну діяльність по вихованню нових кадрів: проводить масштабні інженерні шоу, відкриває спеціальні лабораторії з мехатроніки в школах вже кілька років поспіль.

УП. Життя дізналося, чому Інтерпайп вкладається в майбутніх інженерів та як це допомагає навчальним закладам міста.

Here Come The Robots

П’ять років тому Інтерпайп вирішила залучати школярів до технічних спеціальностей. Щорічно компанія вкладає мільйони доларів в автоматизацію процесів своїх підприємств. Разом із цим, зросла необхідність в людях, які будуть цими процесами керувати.

“Ми придумали Interpipe TechFest — інженерне шоу, основна мета якого заохотити молодих спеціалістів до інженерних професій. Одним з елементів фестивалю стали змагання з мехатроніки, які у перший рік ми провели на навчальному обладнанні, що було в учбовому центрі нашої компанії“, — розповідають в Інтерпайп.

Так компанія почала розвивати серед студентів та школярів напрямок мехатроніки – дисципліни, яка об’єднує електрику, механіку та сучасні технології. Стратегічним партнером стала Дніпровська політехніка, найкращий технічний ВНЗ області. На його базі побудували дві лабораторії з німецькими роботизованими конструкторами, а викладачі Політехніки написали курс навчання.

За кілька років існування програми Interpipe Mechatronic Lab навчання в ній пройшли вже 500 учнів. За даними Інтерпайп, якщо в 2018 році мехатронікою зацікавилося 36 підлітків, то у 2021 році спеціальний курс опановує вже 150. Навчання проходять команди із трьох осіб, загалом курс триває два місяці, а наприкінці сезону команди змагаються за звання найкращої та цінні призи у фіналі. Через пандемію коронавірусу, всі навчаються вдома: обладнанням в лабораторіях можна керувати дистанційно.

Доцент кафедри Дніпровської політехніки Сергій Худолій є одним з тренерів, який навчає команди мехатроніці. Він зазначає, що зараз достатньо бажаючих вивчати програмування та техніку. У той же час важливо дати зрозуміти людині, з чим вона буде працювати в майбутньому:

“Ми надаємо цілісне уявлення про майбутню спеціальність та формуємо розуміння цілей навчання в школі. Відразу зрозуміло навіщо вивчати фізику, математику, інформатику. Наприклад, під час програмування руху роботів необхідні знання з геометрії для забезпечення точного, оптимального переміщення в просторі. Під час програмування автоматизованої лінії сортування, необхідні знання з фізики, щоб розуміти яким чином працюють датчики визначення кольору або ж матеріалу”, — пояснює Сергій Худолій.

До роботи тренером Сергій ставиться серйозно, але разом із цим вважає її дуже фановою — адже не завжди знаєш, який виклик принесе завдання:

“Це круто, цікаво, весело, відповідально, престижно, складно! Немає точного переліку якихось викликів, кожного разу щось нове! Спочатку виклик – зацікавити, потім знайти підтримку партнерів та забезпечити технічні умови для проведення тренувань. Наступним викликом стало задовольнити бажання навчатися великої кількості дітей. Минулого року карантин додав новий виклик, то ж ми адаптувалися до роботи в онлайн та змішаному форматі”.

Таким чином за підтримки промислової компанії у місті з’явився своєрідний хаб із підготовки майбутніх фахівців, які потім можуть працювати операторами сучасних виробничих ліній чи фахівцями, що їх налаштовують та обслуговують. А у 2020-му році зі підтримки Інтерпайп на базі Дніпровської політехніки вперше провели Всеукраїнський фінал з мехатроніки у рамках змагань World Skills. Це – своєрідна олімпіада, але серед студентів та молодих профі у робітничих спеціальностях. З кожним роком список професій, за якими відбувається турнір, розширюється, і мехатроніка – одна із найсучасніших дисциплін.

Сьогодні Інтерпайп залучає в цю екосистему і школи.

“Минулого року ми підписали з міською владою Дніпра меморандум, у якому визначили напрямок співпраці у галузі розвитку технічної освіти в місті. Так, з’явилися дві лабораторії мехатроніки у школах на Лівому березі Дніпра: мерія взяла на себе ремонти у класах, ми — закупку техніки та обладнання, а також навчання вчителів”, – розповідає начальник управління комунікацій Інтерпайп Людмила Новак.

Лівий берег – новий правий

Гімназія № 3 на лівому березі Дніпра вважається однією з найкращих в місті та входить в топ-200 України. За словами заступниці директора з навчальної роботи Людмили Куценко, таке трапляється нечасто:

“Найгучніші імена вчаться в школах на Правому березі. Ми ж знаходимося на Лівому. Робоча окраїна, робочий район, але ми змогли це змінити”, — вважає Куценко.

Людмила Куценко зазначає — вже кілька років як гімназія дає профільну освіту, яка відноситься до технологій. Діти з 8 класу вивчають інформатику по 4 години на тиждень. Щороку до них вишукується велика черга бажаючих навчатися. За словами Людмили, діти подаються сюди, звертаючи увагу на імена вчителів і тих, хто тут навчається.

“У 2019 вчителі знайшли інформацію про змагання з мехатроніки. Ми зібрали команду, відправили на навчання. В регіональних змаганнях дійшли до півфіналу. Незабаром команда потрапила на Interpipe TechFest, де виграла гран-прі. Трохи згодом Інтерпайп відкрив в нашому закладі лабораторію. Чому вона з’явилася у нас? Тому що діти мотивовані перемогами інших, тому їх і приваблює програмування та сучасна техніка”, — каже Куценко.

Лабораторія стала настільки популярною, що нею користуються учні з інших шкіл району. Однак часу на навчання не вистачає не те що іншим школярам — учням самої гімназії.

“У нашій лабораторії можуть знаходиться 14 дітей плюс тренер. Всього є дві групи, тобто, 28 чоловік, і 2 тренера. Однак, у нас в кожній групі на 4 людини більше. Настільки популярний цей напрямок. Доводиться ставити додаткові стільці. Скоро доведеться шукати вільні години у вчителів, щоб вони могли брати більше учнів, задовольнити попит”, — розповідає заступниця директора.

На думку Куценко, вчителі – один з головних чинників, чому діти ходять вивчати мехатроніку. Вони молоді, але вже досвідчені і можуть “запалити дітей, з яких потім щось виростає”.

Чи дало навчання мехатроніці плюси гімназії? Так, і багато:

“Про нас стали говорити. Нас побачили Інтерпайп, обласний департамент освіти. Нещодавно з’явилася і лабораторія для занять фізикою. Викладачі були в приємному шоці від того обладнання, яке потрапило до них в руки”.

Нещодавно учні гімназії виграли олімпіаду з креативності . Тепер, за словами Людмили Куценко, їх запросили на змагання в США. Одна з учасниць команди — Вероніка Подлєснова — в 2019 році потрапила в команду на змагання в Інтерпайп. І у неї вже є своя історія успіху.

Від рахування до програмування

Програмуванням Вероніка Подлєснова захопилася в сьомому класі. Тоді її запросили взяти участь в змаганні з усного рахунку:

“На це звернула увагу Тетяна Віталіївна Вовк, учитель з інформатики, і запропонувала мені взяти участь в олімпіаді з програмування. Сказала, що є потенціал і знання. Завдяки їй, я беру участь в цій олімпіаді вже вчетверте”.

У 2019 вона і ще два хлопця склали команду із мехатроніки від гімназії № 3. Вони успішно пройшли навчання в Interpipe Mechatronic Lab, взяли участь у фіналі на інженерному шоу Interpipe TechFest, де виграли комплект роботів-конструкторів.

“Ці змагання мені дуже допомогли. Коли ти просто програмуєш, ти бачиш тільки текстовий результат. Це не те, щоб не цікаво, просто не мотивує до чогось більшого. А в змаганнях типу мехатроніки, ти можеш зібрати робота, запрограмувати конструктор і побачити результат своєї роботи”, — вважає Вероніка.

На її думку, мехатроніка – важлива дисципліна, якій варто навчатися, а учні в лабораторії гімназії дуже захоплені процесом:

“Я бачу очі дітей, які там займаються, і розумію, що їм подобається возитися з цим. Роботи, конвеєри, сортувальники. Вони вчаться на реальних моделях, які використовуються на виробництві. Ця сфера важлива, тому що наш науковий прогрес і автоматизація зростають. Діти зараз можуть познайомитися з такими моделями, з мехатронікою, а потім вони зможуть створювати реальні моделі в майбутньому, контролювати їх”, — каже Вероніка.

Цього року дівчина вступає до університету. Iз спеціальністю вона вже визначилася – це біомедична інженерія. Участь в Interpipe Mechatronic Lab сильно вплинула на її вибір. До цього вона хотіла стати нейрохірургом, а тепер вирішила об’єднати два захоплення в одне. Правда, щодо роботи мрії поки не визначилася:

“Не можу однозначно сказати, де б хотіла працювати, але швидше за все розробником техніки в сфері охорони здоров’я. Хотіла б щоб мої знання та вміння реалізувалися в більш складній сфері, та я могла б принести користь не тільки своїм амбіціям, а людству і Україні”.

Автор: Юрій Береза

Що таке мехатроніка

Слово «мехатроніка» утворено з двох слів – «механіка» і «електроніка». Цей термін в 1969 році запропонував старший розробник фірми Yaskawa Electric, японець на ім’я Тецуро Морі.

У 20 столітті компанія Yaskawa Electric спеціалізувалася на розробці та вдосконаленні електроприводів і електродвигунів постійного струму, в зв’язку з чим досягла великих успіхів на даному напрямку, наприклад перший двигун постійного струму з дисковим якорем був розроблений саме там.

Далі були розробки, що стосуються перших апаратних систем ЧПУ. А в 1972 році тут же був зареєстрований бренд «Мехатроніка». Незабаром компанія сильно досягла успіху в розвитку техніки електроприводу. Пізніше від слова «Мехатроніка», як від торгової марки, в компанії вирішили відмовитися, оскільки термін отримав дуже широке поширення як в Японії, так і по всьому світу.

У будь-якому випадку, саме Японія є батьківщиною найбільш активного становлення такого підходу в техніці, коли для реалізації високоточного управління електроприводом стало необхідним об’єднати механічні елементи, електричні машини, силову електроніку, мікропроцесори і ПО.

Мета мехатроніки – створення якісно нових модулів руху, мехтронних модулів руху, інтелектуальних мехатронних модулів, а на їх основі – рухомих інтелектуальних машин і систем.

Історично мехатроніка розвинулася з електромеханіки і, спираючись на її досягнення, йде далі шляхом системного об’єднання електромеханічних систем з комп’ютерними пристроями управління, вбудованими датчиками і інтерфейсами.

Електронні, цифрові, механічні, електротехнічні, гідравлічні, пневматичні та інформаційні елементи – можуть входити до складу мехатронної системи, як спочатку елементи різної фізичної природи, проте зібрані разом для отримання від системи якісно нового результату, якого неможливо було б досягти від кожного елемента як від окремого виконавця.

Окремий шпиндельний двигун не зможе сам висунути лоток DVD-плеєра, але під управлінням схеми з ПО на мікроконтролері, та будучи правильно з’єднаним із гвинтовою передачею – все легко вийде, і виглядати буде так, немов це – проста монолітна система. Проте, не дивлячись на зовнішню простоту, одна Мехатронні система по визначенню включає в себе кілька мехатронних вузлів і модулів, пов’язаних один з одним, і спільно взаємодіючих для виконання конкретних функціональних дій, для вирішення якоїсь певної задачі.

Один Мехатронні модуль – це самостійний виріб (конструктивно і функціонально), призначене для здійснення рухів з взаємопроникненням і одночасної цілеспрямованої апаратно-програмної інтеграцією його складових.

Типова Мехатронні система являє собою об’єднані один з одним електромеханічні компоненти і компоненти силової електроніки, які в свою чергу керуються ПК або микроконтроллерами.

При проектуванні і побудові такої мехатронної системи, намагаються уникнути зайвих вузлів і інтерфейсів, прагнуть зробити все лаконічно і як можна більш цілісно, ​​не тільки для того щоб поліпшити масо-габаритні характеристики пристрою, але і для підвищення надійності системи в цілому.

Іноді інженерам доводиться непросто, вони змушені знаходити дуже незвичайні рішення саме в силу того, що різні вузли знаходяться в різних робочих умовах, роблять абсолютно різний. Наприклад, подекуди звичайний підшипник не підійде, і його замінюють на електромагнітний підвіс (так зроблено, зокрема, в турбінах, які качають газ по трубах, оскільки звичайний підшипник швидко вийшов би тут з ладу через проникнення в його мастило газу).

Так чи інакше, сьогодні мехатроніка проникла усюди, починаючи від побутової техніки, закінчуючи будівельної робототехнікою, зброєю і космічної авіацією. Всі верстати з ЧПУ, жорсткі диски, електричні замки, система АБС в вашому автомобілі і т. Д. – скрізь мехатроніка виявляється не просто корисною, а необхідною. Уже рідко де можна зустріти ручне управління, все йде до того, що натиснув на кнопку без фіксації або просто доторкнувся до сенсора – отримав результат – ось, мабуть, самий примітивний приклад того, що сьогодні являє собою мехатроніка.

Перший рівень інтеграції утворюють мехатронні пристрої та їх елементи. Другий рівень інтеграції утворюють інтегровані мехатронні модулі. Третій рівень інтеграції утворюють інтеграційні мехатронні машини. Четвертий рівень інтеграції утворюють комплекси мехатронних машин. П’ятий рівень інтеграції утворюють на єдиної інтеграційної платформі комплекси мехатронних машин і роботи, які передбачають формування реконфігурованих гнучких виробничих систем.

Сьогодні мехатронні модулі та системи знаходять широке застосування в наступних областях:

• верстатобудування і обладнання для автоматизації, технологічних процесів в машинобудуванні;
• промислова і спеціальна робототехніка;
• авіаційна і космічна техніка;
• військова техніка, машини для поліції та спецслужб;
• електронне машинобудування і обладнання для швидкого прототипування;
• автомобілебудування (приводні модулі «мотор-колесо», антиблокувальні пристрої гальм, автоматичні коробки передач, системи автоматичного паркування);
• нетрадиційні транспортні засоби (електромобілі, електровелосипеди, інвалідні коляски);
• офісна техніка (наприклад, копіювальні та факсимільні апарати);
• периферійні пристрої комп’ютерів (наприклад, принтери, плоттери, дисководи CD-ROM);
• медичне та спортивне обладнання (біоелектричні і екзоскелетние протези для інвалідів, тонусні тренажери, керовані діагностичні капсули, масажери і т. д.);
• побутова техніка (пральні, швейні, посудомийні машини, автономні пилососи);
• мікромашини (для медицини, біотехнології, засобів зв’язку і телекомунікації);
• контрольно-вимірювальні пристрої та машини;
• ліфтове й складське устаткування, автоматичні двері в готелях і аеропортах; фото- і відеотехніка (програвачі відеодисків, пристрої фокусування відеокамер);
• тренажери для підготовки операторів складних технічних систем і пілотів;
• залізничний транспорт (системи контролю та стабілізації руху поїздів);
• інтелектуальні машини для харчової та м’ясомолочної промисловості;
• поліграфічні машини;
• інтелектуальні пристрої для шоу-індустрії, атракціони.
• Відповідно зростає потреба в кадрах, які володіють Мехатронні технологіями.

Що таке мехатроніка

Завданням приводної частини (електроприводу) є перетворення електричної енергії на механічну та приведення до руху робочих органів машини. Електромеханічна приводна частина складається з електричного двигуна та електронного силового перетворювача, який перетворює електроенергію, спожиту з джерела (системи електропостачання) до вигляду, придатного для живлення обмоток двигуна. Саме через цей перетворювач і здійснюється керування швидкістю, зусиллями та положенням валу двигуна та, зрештою, робочого органу.

Останнім часом у побудові машин нового покоління спостерігається тенденція передачі все більшої кількості функцій від механічних вузлів до інтелектуальних (електронних, комп’ютерних, інформаційних), із яких складається система керування машиною. Інтелектуальні вузли легко перепрограмовуються під нове завдання, що розширює функціональні можливості машини. Водночас із розвитком техніки вузли машини різної фізичної природи (механічні, електричні, електромеханічні, електронні, інформаційні) поступово об’єднувалися в єдине конструктивне ціле. Саме такі інтелектуальні машини та вузли називають мехатронними. Мехатроніка (Mechatronics) – галузь науки та техніки, присвячена створенню та експлуатації машин із комп’ютерним керуванням рухом, яка базується на знаннях у царині електромеханіки, електроніки, мікропроцесорної техніки, автоматики та ІТ-технологій.

Термін «мехатроніка» з’явився наприкінці 60-х років минулого століття в Японії. Він є комбінацією слів «МЕХАніка» та «елекТРОНІКА». Місце мехатроніки серед суміжних галузей знань показане на рис. 1. Як видно, вона вбирає в себе досягнення не лише механіки та електроніки, а й сучасних цифрових систем керування та автоматизованого проектування (CAD). У зовнішньому колі показані основні сфери застосування мехатроніки.

Ключовим елементом мехатронних систем є мехатронний модуль руху. Одним із найперших таких модулів став свого часу мотор-редуктор (рис. 2), що поєднав у собі приводний електричний двигун та індустріальний механічний редуктор. Його використання значно спростило розробку та виготовлення машини, її надійність.

Подальша мініатюризація засобів силової та керуючої електроніки дала змогу конструктивно об’єднати з електромеханічними вузлами ще й електронні. З’явилися інтелектуальні мехатронні модулі (ІММ) у вигляді двигунів та мотор-редукторів з силовими перетворювачами (перетворювачами частоти) на борту (рис. 3). Подібні пристрої завдяки наявності в їх складі обчислювальних пристроїв здатні автономно виконувати переміщення робочих органів машин без постійного контролю з боку системи автоматизації верхнього рівня.

Для потреб машинобудування (насамперед для верстатів з числовим програмним керуванням та промислових роботів) розроблені мехатронні модулі, які поєднують у собі не лише електромеханічні вузли, а й сам робочий орган машини:

• електрошпиндель (електродвигун + шпиндельний вузол для закріплення ріжучого інструменту, рис. 4,а);
• поворотний стіл для закріплення оброблюваної деталі (рис. 4,б);
• мотор-колесо (поєднання двигуна та колеса транспортного засобу, рис. 4,в) тощо.

Велика кількість механізмів має поступальний рух робочого органу (механізми подач верстатів, деякі промислові роботи тощо). Для них розроблені мехатронні модулі поступального руху. На рис. 5,а показаний розтин електроциліндра, що складається з електродвигуна 1, гвинта 2 (одночасно є ротором двигуна) та нерухомої гайки 3. Два останні утворюють кулько-гвинтову передачу, в якій обертання гвинта призводить до його поступального руху. На рис. 5,б показано електроциліндр у зборі.

Тієї ж самої мети можна досягти за допомогою т. зв. «лінійних осей». На рис. 6,а зображено комплектний модуль, до складу якого входить серводвигун 1 із перетворювачем частоти та електромагнітним гальмом, гвинт 2 та супорт із гайкою 3. Обертання валу двигуна та гвинта призводить до поступального переміщення супорту. На рис. 6,б можна бачити мехатронний лінійний модуль, що забезпечує рух уздовж трьох осей.

Значного спрощення механічної частини можна домогтися шляхом використання лінійних двигунів замість звичайних двигунів обертального руху (рис. 7). Лінійний двигун не має обертальних частин. Його рухома частина (1 на рис. 7) має обмотку, яка створює магнітне поле. Це поле відштовхується від нерухомої частини (2) з постійними магнітами, яка виконує роль напрямних, та забезпечує поступальне переміщення рухомої частини.

Основні переваги використання інтелектуальних мехатронних модулів:

• здатність ІММ виконувати складні рухи самостійно, без звернення до контролера верхнього рівня керування, що підвищує автономність модулів, гнучкість та живучість мехатронних систем;
• спрощення комунікації між модулями та центральним пристроєм керування (аж до переходу до бездротових комунікацій);
• підвищення надійності та безпеки мехатронних систем завдяки комп’ютерному діагностуванню несправностей та автоматичному захисту в аварійних ситуаціях;
• створення на основі ІММ розподілених систем автоматизації, для яких характерне делегування повноважень «зверху» до «низу» (тобто перехід від «монархії» до «демократії»), широке використання мережних технологій обміну інформацією;
• використання інтелектуальних сенсорів в ІММ призводить до підвищення точності вимірювань завдяки первинній обробці інформації, фільтрації шумів тощо.

Для реалізації точних рухів мехатронний модуль комплектується давачем положення (енкодером, рис. 8). Електропривод, обладнаний таким давачем, називають сервоприводом. До складу систем керування рухом, що поєднують кілька сервоприводів (ІММ), входять контролери керування рухом (сервоконтролери, рис. 9). До основних функцій сервоконтролерів належать координація рухів окремих сервоприводів (мехатронних модулів) та формування для них завдань на переміщення з метою реалізації складних просторових траєкторій руху.

Яскравим прикладом мехатронної системи є роботи та маніпулятори (рис. 10). Вони все частіше використовуються для зварювальних та фарбувальних робіт, збиральних операцій, виготовлення електронних друкованих плат, металообробки, у космічних дослідженнях і навіть у побуті.

Деякі різновиди роботів (у тому числі показані на рис. 10) чимось подібні до людської руки як за конструкцією, так і за призначенням. Завданням інших є автоматичне переміщення вантажів цехом, тому вони виглядають, як візки (рис. 11).

Типовою мехатронною системою є верстат із числовим програмним керуванням (ЧПК), який використовують для механічної обробки виробів з металу, деревини, пластмас (рис. 12). Роботу модулів руху (осей) координує цифрова система ЧПК, до якої попередньо завантажено програму обробки.

Сьогодні мехатронні модулі й системи знаходять широке застосування також у наступних областях:

• автомобілебудування (наприклад, антиблокувальні системи гальм, системи стабілізації руху автомобіля й автоматичного паркування, автопілоти);
• 3D-принтери (рис. 13);
• нетрадиційні транспортні засоби (електровелосипеди, сегвеї, інвалідні візки, дрони, рис. 14);
• офісна техніка (наприклад, копіювальні й факсимільні апарати);
• елементи обчислювальної техніки (наприклад, принтери, плотери, дисководи);
• технологічні лінії та пакувальні машини харчової і обробної промисловості;
• поліграфічні машини;
• побутова техніка (пральні, швейні, посудомийні та інші машини);
• фото- і відеотехніка;
• медичне обладнання (реабілітаційне, клінічне, сервісне);
• тренажери для підготовки пілотів й операторів та ін.

Цифрові системи керування мехатронними системами залежно від ступеню складності та традицій певної галузі можуть бути реалізованими у вигляді:

• мікроконтролерів;
• сервоконтролерів;
• програмованих логічних контролерів (ПЛК);
• систем ЧПК (для роботів та верстатів);
• промислових комп’ютерів тощо.

Мехатронні системи, як і системи електроприводу, належать до електромеханічних систем. Проте до відмінностей мехатронних систем слід віднести:

• відносно малу потужність (оскільки поєднання в одному конструктивному модулі механічних, електричних та електронних підсистем за великої їх потужності реалізувати неможливо);
• виключно цифрову природу систем керування (в електропривод можливі і аналоговий принцип побудови);
• переважно більшу точність та швидкодію.