1. Постановка задачи

В XXI веке уже давно пройдена черта, когда информационные технологии стали составлять неотъемлемую часть любой сферы человеческой деятельности: повседневная жизнь, производство, наука и образование и т.д. Подготовка современных инженеров высокой квалификации уже немыслима без знания основ автоматизации и контроля физических процессов на основе компьютерных технологий, измерений и обработки экспериментальных данных. Наряду с прочими базовыми основами обучения инженера, соответствие его уровня подготовки в области информационных технологий зачастую становятся решающим фактором трудоустройства на предприятия, руководство которых ориентировано, прежде всего, на внедрение наукоемких технологий производства. Качественное инженерное образование предполагает знание природы изучаемых процессов, теоретических основ расчета, конструкторских решений, экспериментальных методов исследования и средств обработки опытных измерений технических параметров. Будущему инженеру необходимо получать практический опыт овладения навыками работы с основными типами средств измерения, управления сбором и передачей данных применительно к реальным машинам, узлам и деталям машин. Все это обуславливает необходимость построения учебного процесса таким образом, чтобы студент на протяжении всего срока обучения мог получать практический опыт овладения навыками работы с основными типами средств измерения физических параметров, сбора и обработки данных, а также выработки законов управления применительно к реальным объектам.

Учебная лабораторная база большинства российских вузов для обучения общеинженерным дисциплинам («Прикладная механика», «Основы проектирования машин», «Детали машин и основы конструирования», «Экспериментальная механика» и др.) ограничивается лабораторными установками, разработанными в 70-х годах 20 века. Методика измерения основных параметров на этих установках предполагает использование первичных преобразователей механического типа и ручной сбор информации. Вполне очевидно, что наступил физический и моральный износ оборудования данного типа. Необходима разработка новой концепции экспериментальных комплексов с использованием современных информационно-измерительных систем и эффективной методологии проведения учебных лабораторных работ, в основе которых лежит исследовательский подход.

2. Описание решения

В проблемной научно-исследовательской лаборатории «Моделирование гидромеханических систем» ОрелГТУ был разработан лабораторный комплекс для исследования элементной базы деталей машин. Лабораторный комплекс включает в себя: экспериментальные установки по исследованию механических передач, механических соединений, роторно-опорных узлов и информационно-измерительную систему.

Экспериментальная установка по исследованию механических передач представляет собой модельный электромеханический привод, включающий в себя электродвигатель, ременную (цепную) передачу, муфту, зубчатый цилиндрический (червячный) редуктор и нагрузочное устройство (колодочный или дисковый тормоз) (рисунок 1).

Рисунок 1 - Экспериментальная установка по исследованию механических передач

Возможности данной установки позволяют проводить измерения энергетических, силовых, и кинематических параметров основных видов механических передач, применяемых на практике. Основная идея установки состоит в исследовании влияния частоты вращения электродвигателя, передаточных отношений и рабочей нагрузки на коэффициент полезного действия, действительные передаточные отношения всей системы в целом и каждого узла в отдельности, а также скольжение в ременной передаче.

Экспериментальная установка по исследованию механических соединений представляет собой различные виды модельных соединений (шпоночное, клеммовое, соединение с натягом, заклепочное, сварное и резьбовое) и нагрузочное устройство. Такая обширная вариабельность исследуемых объектов достигается за счет различных компоновочных схем определенных деталей при едином основании (рисунок 2).

Рисунок 2 - Экспериментальная установка по исследованию механических соединений а) сборка для исследования клеммовых соединений; б) сборка для исследования резьбовых соединений;

Экспериментальная установка по исследованию роторно-опорных узлов представляет собой модельный роторно-опорный узел, позволяющий изменять виды и типоразмеры опорных узлов (подшипники качения, подшипники скольжения), величину и место приложения Внешней нагрузки, величину возмущающей центробежной силы и положение опор вдоль оси ротора (рисунок 3).

Рисунок 3 - Экспериментальная установка по исследованию роторно-опорных узлов

Информационно-измерительная система (ИИС) включает в себя ПЭВМ с соответствующим программным обеспечением, плату сбора данных и набор первичных преобразователей (таблица 1).

3. Используемое оборудование и ПО

При построении ИИС авторами были проанализированы два принципиально разных подхода к построению ИИС: 1) на базе платы аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) преобразования; 2) на базе первичных преобразователей со встроенным АЦП. По сравнению друг с другом данные подходы имеют свои плюсы и минусы, значимость которых проявляется в зависимости от области деятельности, в которой они используются.

При построении ИИС на базе АЦП/ЦАП (рисунок 4) в качестве первичных преобразователей используются аналоговые датчики, которые преобразуют измеряемую физическую величину в определенном диапазоне в пропорциональный электрический сигнал. Аналоговый сигнал с датчика поступает на модуль согласования, наличие которого продиктовано необходимостью приведения сигналов с датчиков к уровню и наименованию сигнала, на котором работает плата АЦП (например, с датчика выходит токовый сигнал в диапазоне 0..20мА, а АЦП воспринимает данные в диапазоне 0..5В; модуль согласования пропорционально преобразует значение от 0..20мА в диапазон 0..5В). Модуля согласования может и не быть в составе ИИС, если сигналы совпадают; но ввиду сложности подбора датчиков в соответствии с данным, условием, подобное встречается редко. Неотъемлемой частью ИИС является персональный компьютер, в состав которого входит плата аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового преобразования (ЦАП), необходимые для: соответственно, преобразования унифицированного аналогового сигнала в цифровой вид, -понятный для ЭВМ и обратного процесса - преобразования цифровых данных с ЭВШв аналоговый сигнал для управления исполнительными устройствами.

Таблица 1 - Элементная база ИИС

Рисунок 4 - Схема информационно-измерительной системы на базе платы АЦП/ЦАП

Разновидностью ИИС на базе платы АЦП/ЦАП является схема комплекса сбора информации, представленного на рисунке 5. Использование для каждого измерительного канала или группы однотипных каналов отдельных модулей АЦП/ЦАП, а также включение ряда измерительных приборов непосредственно к персональному компьютеру по цифровой линии связи позволяет отказаться от АЦП и согласующего устройства, как правило, достаточно высокой стоимости.

Рисунок 5 - Схема информационно-измерительной системы с использованием модулей удаленного ввода-вывода и датчиков со встроенным АЦП

По результатам сравнительного анализа по трудоемкости и другим показателям были выявлены достоинства и недостатки обоих схем ИИС:

1. Реконфигурируемая ИИС на базе единой платы АЦП:

+ большая точность измерений за счет высокого быстродействия платы АЦП;

+ открытая архитектура ИИС для модернизации;

+ возможность сохранения данных на жесткий диск ЭВМ непосредственно с АЦП;

+ наличие свободных каналов АЦП для увеличения контролируемых параметров;

+ меньшие затраты на разработку программного обеспечения при использовании LabVIEW;

+ возможность переориентирования ИИС для решения научных задач;

- высокая стоимость АЦП/ЦАП и модулей согласований.

2. Реконфигурируемая ИИС на базе датчиков с цифровым выходом и удаленных модулей ввода:

+ открытая архитектура ИИС для модернизации;

+ возможность увеличения измерительных каналов за счет плат расширения СОМ портов для PCI слота;

- сложность разработки программного обеспечения при согласовании различных протоколов передачи данных (высокая стоимость);

- ориентированность ИИС на медленно меняющиеся процессы из-за ограничений скорости цифровой передачи.

Построение централизованной системы сбора данных на базе АЦП (рисунок 6) позволяет получить более гибкую и производительную ИИС, благодаря использованию отдельной платы АЦП, обладающей, как правило, гораздо более широкими возможностями, в сравнении с ИИС на основе удаленных модулей и цифровых датчиков; позволяя реконфигурировать себя для выполнения научно-исследовательских задач различного профиля и уровня сложности, при, самое главное, незначительной разности в цене.

Рисунок 6 - Схема реконфигурируемой ИИС на базе единой платы АЦП лабораторного комплекса по исследованию элементной базы машин

4. Внедрение и развитие решения

В базовой комплектации лабораторный комплекс позволяет проводить 15 лабораторных работ общим объемом 68 академических часов и охватывает практически все тематические разделы базовой дисциплины «Детали машин». Модульный принцип построения основных узлов и гибкость разрабатываемой информационно-измерительной системы позволяет проводить расширение объектов исследования и проводить еще 9 лабораторных работ.

Объектами внедрения лабораторного комплекса являются технические вузы, техникумы и училища, а именно кафедры, преподающие базовый инженерный курс «Детали машин и основы конструирования» и смежные с ним дисциплины «Основы проектирования машин», «Прикладная механика», «Динамика машин», «Экспериментальная механика» и др.

Как показывают последние выставки учебной техники, такие как Всероссийский форум «Образовательная среда - 2007», Всероссийская научно-методическая конференция «Основы проектирования и детали машин - XXI век» большинство технических вузов заинтересованы в обновлении своих учебных лабораторий. В первую очередь, инициатива исходит от представителей учебных заведений, реализующих на своей базе президентскую программу «Инновационные вузы».

На базе разработанных экспериментальных установок планируются их насыщение новыми объектами исследования, а отработанная схема измерений кинематических и силовых параметров будет использована при проектировании новых учебно-научных экспериментальных установок по мехатронике.

..............................................................................................................................