1

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

Mechatronika

Studia I-stopnia, rok I, sem. 2

Rok akademicki 2008/09

Materiały do wykładu „

Wst

ę

p do

Wst

ę

p do

mechatroniki

mechatroniki”

Realizacja projektów mechatronicznych,

modelowanie i symulacja, rozwój oprogramowania

Dr in

ż

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

Cz

ęść

8 (1 – 48)

Wrocław, 2009

Zapotrzebowanie na zmiany w cyklu

ż

ycia wyrobów

Zmiany w cyklu

ż

ycia wyrobów dotycz

ą

:

nowo odkrytych zjawisk (efektów) fizycznych,

wykorzystania alternatywnych zjawisk fizycznych,

wykorzystania alternatywnych materiałów,

zastosowania alternatywnych funkcji lub struktur funkcji,

poprawy istniej

ą

cych wyrobów w celu:

– ekonomicznego wytwarzania,

– ni

ż

szych kosztów eksploatacji,

– mniejszej emisji hałasu lub szkodliwych substancji,

– wy

ż

szej mocy (mo

ż

liwo

ś

ci),

– lepszego komfortu,

– mniejszej lub l

ż

ejszej budowy,

– spełnienia nowych przepisów,

– etc.

nowych metody wytwarzania,

zwi

ę

kszenia stopnia automatyzacji,

nowych potrzeb i zada

ń

,

zmiany sposobu zachowania.

2

Cechy rozwi

ą

za

ń

mechatronicznych

Własno

ś

ci:

Własno

ś

ci:

-

-

-

Elastyczno

ść

Dokładno

ść

, dzi

ę

ki pomiarom

Bezpiecze

ń

stwo, dzi

ę

ki

nadzorowaniu

Zwarto

ść

, dzi

ę

ki sprz

ęż

eniu

zwrotnemu

Przebiegi adaptacyjne

Ryzyko wskutek bł

ę

dów

oprogramowania

Koszty pomiarów

Koszty nadzorowania

Problemy ze stabilno

ś

ci

ą

Nakłady rozwojowe

Równoległy rozwój i ł

ą

czenie zada

ń

mechanicznych i elektronicznych w jednym

urz

ą

dzeniu oraz zastosowanie elastycznie dopasowywanych, zaawansowanych

rozwi

ą

za

ń

komponentowych umo

ż

liwia ró

ż

norodne przypadki zastosowa

ń

. Aby

móc spełni

ć

rosn

ą

ce wymagania dotycz

ą

ce jako

ś

ci i niezawodno

ś

ci, rozwój

systemów mechatronicznych zmierza coraz silniej w kierunku modułów ł

ą

czonych

sieci

ą

i zdolnych do diagnostyki. Natomiast ich dalszy rozwój odbywa si

ę

w

kierunku wielofunkcyjnego poł

ą

czenia aktuatorów, sensorów i sterowników

(regulatorów), przy zastosowaniu bezprzewodowych rozwi

ą

za

ń

w zakresie

zasilania elektrycznego i przesyłania informacji (komunikacji).

Czynnikami nap

ę

dzaj

ą

cymi wi

ę

ksze zastosowanie rozwi

ą

za

ń

mechatronicznych (np.

w samochodach) s

ą

obecnie szczególnie:

zwi

ę

kszenie zakresu funkcyjnego,

poprawa niezawodno

ś

ci i trwało

ś

ci (

ż

ywotno

ś

ci),

redukcja wielko

ś

ci, obj

ę

to

ś

ci i ci

ęż

aru,

polepszenie relacji u

ż

yteczno

ść

/ koszty,

zwi

ę

kszenie inteligencji i funkcjonalno

ś

ci w sposób zdecentralizowany i zdalny,

poprawa ergonomii i interfejsów człowiek-maszyna HMI (ang. Human-Machine
Interface),

zawierania nowych zastosowa

ń

w funkcjach, np. karoserii i komfortu (samochód),

redukcja zapotrzebowania na energi

ę

.

Wielofunkcyjno

ść

systemów mechatronicznych

3

Integracja i wykorzystanie ró

ż

nych mo

ż

liwo

ś

ci

Informat

Informat

y

y

k

k

a:

a:

G

ę

sto

ść

integracji:

0,13 µm

Koszty dla funkcji:

2 $ / 1 mln bramek

Straty mocy na funkcj

ę

:

10 mW / 1 mln bramek

Cz

ę

stotliwo

ść

pracy:

2 GHz

Sensoryka

Sensoryka

:

:

Nowe materiały:

krzem, ceramika, ...

Integracja:

elektronika w obiekcie (na miejscu)

Miniaturyzacja:

np. czujniki poduszek powietrznych

Aktuatoryka/ elektronika mocy:

Małe oporno

ś

ci własne (straty):

10 m

Ω

Ω

Ω

Ω

dla 10 A

Małe czasy zał

ą

czania:

100 ns

Integracja:

elektronika w obiekcie

Mechanika:

Nowe materiały, lekka budowa:

kompozyty

Systemy mechatroniczne w samochodach przyczyniaj

ą

si

ę

do zwi

ę

kszenia bezpiecze

ń

stwa oraz

optymalizacji pracy silnika lub zu

ż

ycia paliwa. Umo

ż

liwiaj

ą

one równie

ż

nowe usługi, w których

wykorzystuje si

ę

poł

ą

czenie telekomunikacji i informatyki (telematyki), np. zdaln

ą

diagnostyk

ę

w przypadku

awarii lub szukanie skradzionych pojazdów.

Wa

ż

nym argumentem za stosowaniem systemów mechatronicznych w samochodach s

ą

tak

ż

e koszty.

Odwzorowanie funkcji w oprogramowaniu jest bowiem znacznie korzystniejsze, ani

ż

eli opracowanie i

wytworzenie zespołu mechanicznego. Ponadto zastosowanie elektroniki i oprogramowania pozwala na
zaoszcz

ę

dzenie miejsca i umo

ż

liwia wi

ę

ksze zag

ę

szczenie funkcji. Poniewa

ż

cykle rozwojowe dla

elektroniki i oprogramowania s

ą

krótsze ni

ż

dla zespołów mechanicznych, to nowe funkcje mo

ż

na szybciej

zaimplementowa

ć

nawet w zaawansowanym ju

ż

stadium rozwoju całego samochodu i tym samym

elastycznie reagowa

ć

na zapotrzebowanie rynku. Dlatego te

ż

wszyscy producenci nastawiaj

ą

si

ę

na to,

ż

e

w samochodach jest coraz wi

ę

cej techniki komputerowej.

Pewnym problemem w rozwoju systemów mechatronicznych stosowanych w samochodach, oprócz ogólnie
akceptowanego systemu operacyjnego, jest jeszcze brak modułów programowych dla okre

ś

lonych funkcji,

które mogłyby by

ć

przenoszone z jednego modelu samochodu na inny. Samo oprogramowanie w

modelach samochodów tych samych producentów ró

ż

ni si

ę

cz

ę

sto od siebie w zale

ż

no

ś

ci od tego, jakie

komponenty i systemy dostarczył kooperant dla ka

ż

dorazowych zespołów. Dlatego te

ż

konieczne jest

opracowanie jednolitej platformy dla rozwoju oprogramowania, która umo

ż

liwi zdefiniowanie i budow

ę

modułów programowych, które mog

ą

by

ć

wielokrotnie wykorzystywane. Jednak niew

ą

tpliwie trudniejsz

ą

spraw

ą

ani

ż

eli standaryzacja oprogramowania jest lepsze powi

ą

zanie ze sob

ą

elementów mechanicznych,

elektryczno/ elektronicznych i oprogramowania. Problemem jest tutaj to,

ż

e zespoły mechaniczne, składniki

elektryczne i elektroniczne oraz oprogramowanie s

ą

opracowywane w ró

ż

nych działach i organizacjach,

które nie pracuj

ą

według jednakowych procesów. Cykle innowacyjne i cykle

ż

ycia opracowanych przez nie

komponentów maj

ą

ró

ż

n

ą

długo

ść

, co utrudnia uzyskanie przejrzystego zarz

ą

dzania wersjami i zmianami.

Pracuj

ą

cy nad rozwojem zespołów mechanicznych, elektrycznych i elektronicznych oraz oprogramowania

tworz

ą

i zarz

ą

dzaj

ą

swoimi danymi dotycz

ą

cymi wyrobów w ró

ż

nych systemach IT (ang. Information

Technology), pomi

ę

dzy którymi cz

ę

sto nie ma nawet interfejsów, aby mo

ż

na było wymieni

ć

informacje

dotycz

ą

ce wersji i zmian.

Problemy w rozwoju systemów mechatronicznych

4

Analiza wymaga

ń

Moduły programowe i sprz

ę

towe

Eksploatacja i

piel

ę

gnacja

Opis wymaga

ń

Specyfikacja

Specyfikacja

Ogólny projekt

Opis architektury

Szczegółowy projekt

Opis modułów

Konstrukcja i

kodowanie

Certyfikowany system

Certyfikacja

System po walidacji

Testowanie systemu

Zintegrowany system

Integracja systemu

Przetestowane moduły

Testy modelu

Planowa-

nie testów

Planowa-

nie testów

Planowa-

nie testów

Planowa-

nie testów

Model Y rozwoju systemów technicznych

Model post

ę

powania w rozwoju systemów mechatronicznych

Analiza wymaga

ń

systemu

Projekt systemu

P

O

Z

IO

M

P

O

Z

IO

M

S

Y

S

T

E

M

U

S

Y

S

T

E

M

U

P

O

Z

IO

M

P

O

Z

IO

M

P

O

D

S

Y

S

T

E

M

U

P

O

D

S

Y

S

T

E

M

U

P

O

Z

IO

M

P

O

Z

IO

M

S

K

Ł

A

D

N

IK

Ó

W

S

K

Ł

A

D

N

IK

Ó

W

Analiza

wymaga

ń

i

projekt IT

Test odbioru

systemu

Integracja systemu

i test systemu

Integracja IT

i test IT

In

te

g

ra

c

ja

s

p

rz

ę

tu

i

te

s

t

In

te

g

ra

c

ja

o

p

ro

g

ra

m

o

-

w

a

n

ia

i

te

s

t

Implementacja

oprogramowania

A

n

a

liz

a

i

p

ro

je

k

t

s

p

rz

ę

tu

A

n

a

liz

a

i

p

ro

je

k

t

o

p

ro

g

ra

-

m

o

w

a

n

ia

A

n

a

liz

a

i

p

ro

je

k

t

c

z

ę

ś

c

i

m

e

c

h

a

n

ic

z

n

e

j

Wytwarzanie (prototypy)

Wytwarzanie modułów

mechanicznych

Wytwarzanie modeli

T

e

s

t

s

k

ła

d

n

ik

ó

w

m

e

c

h

a

n

ic

z

n

y

c

h

T

e

s

t

s

k

ła

d

n

ik

ó

w

s

p

rz

ę

to

w

y

c

h

T

e

s

t

s

k

ła

d

n

o

g

ra

m

o

w

S

z

c

z

e

g

.

p

ro

je

k

t

o

p

ro

g

r.

L

a

y

o

u

t,

s

c

h

e

m

a

t

p

o

ł

ą

c

z

e

ń

O

c

e

n

a

c

z

ę

ś

c

i

m

e

c

h

a

n

ic

z

n

e

j

In

te

g

ra

c

ja

i

t

e

s

ty

c

z

ę

ś

c

i

m

e

c

h

a

n

ic

z

n

e

j

5

Specyfikacja wymaga

ń

- abstrakcja

Zasada abstrakcji

• uogólnienie,

• usuni

ę

cie indywidualnych szczegółów,

• przeciwnie do konkretyzacji,

Czarna skrzynka jest stosowana podczas rozwoju systemów

mechatronicznych:

• poniewa

ż

systemy mechatroniczne s

ą

zło

ż

one i dlatego te

ż

trudne do zrozumienia,

• aby system znacznie upro

ś

ci

ć

,

• aby utworzy

ć

zrozumiały przegl

ą

d całego systemu.

Input

(wej

ś

cie)

Output

(wyj

ś

cie)

Black

Black

-

-

Box

Box

Zasada strukturyzacji i modularyzacji

Zasada strukturyzacji:

• podział na podsystemy (komponenty, składniki),

• poł

ą

czenie podsystemów za pomoc

ą

relacji,

• ponowne odwzorowanie całego systemu,

• słu

ż

y do opanowania zło

ż

ono

ś

ci.

Zasada modularyzacji:

• podział na moduły,

• ka

ż

dy moduł obejmuje zamkni

ę

te funkcje,

• komunikacja pomi

ę

dzy modułami odbywa si

ę

tylko przez okre

ś

lone interfejsy,

• redukcja zło

ż

ono

ś

ci,

• wymaga wyizolowania bł

ę

dów,

• zwi

ę

ksza odmienno

ść

i ponowne wykorzystanie.

6

Integracja

Integracja



integracja jest miar

ą

zale

ż

no

ś

ci pomi

ę

dzy modułami,



mały stopie

ń

integracji ułatwia piel

ę

gnacj

ę

i sprawia,

ż

e system jest

bardziej stabilny,



rodzaje integracji:

- integracja danych,

- integracja interfejsów,

- integracja struktury.

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

Cel:

Cel:

• redukcja poł

ą

cze

ń

,

• poł

ą

cze

ń

nie mo

ż

na zredukowa

ć

do zera,

• unikni

ę

cie sprz

ę

gania danych,

• unikni

ę

cie ł

ą

czenia struktury.

Mechatroniczny rozwój wyrobów – modelowanie

i symulacja

Okre

ś

lenie celu, tzn. specyfikacja wymaga

ń

dotycz

ą

cych wyrobu (np. maszyny) powinno by

ć

dokonane na

pocz

ą

tku przedsi

ę

wzi

ę

cia. Wielko

ś

ciami charakterystycznymi s

ą

takie parametry jak np. maksymalne pr

ę

dko

ś

ci,

przyspieszenia, obci

ąż

enia, produktywno

ść

itp.

Istotn

ą

rol

ę

w rozwoju składników maszyny lub jej podsystemów spełnia symulacja, któr

ą

mo

ż

na szybko i tanio

przeprowadzi

ć

, uzyskuj

ą

c ju

ż

we wczesnych fazach rozwoju podstaw

ę

do wyboru odpowiednich rozwi

ą

za

ń

.

Obecnie coraz cz

ęś

ciej typow

ą

faz

ą

rozwoju maszyn jest to,

ż

e p

ę

tle optymalizacyjne s

ą

wykonywane na

wirtualnych maszynach. Natomiast w konwencjonalnych sposobach post

ę

powania optymalizacyjne miały

miejsce dopiero na rzeczywistych prototypach, tzn. za pó

ź

no, przy du

ż

ych nakładach i z małymi szansami na

dokonanie istotnych zmian.

Dzi

ę

ki wirtualnemu prototypowaniu optymalizacja jest przeprowadzana w najwcze

ś

niejszym z mo

ż

liwych

terminów. Dzi

ę

ki wsparciu mechatronicznemu uzyskuje si

ę

informacje o tym, w jakim stopniu postawione cele

s

ą

uzyskiwane i to w sposób ci

ą

gły oraz towarzysz

ą

cy procesowi rozwoju wyrobu. Po ka

ż

dej p

ę

tli

optymalizacyjnej projekt mo

ż

na dalej kontynuowa

ć

z uzyskanymi wynikami lub go zako

ń

czy

ć

.

P

ę

tlami optymalizacyjnymi s

ą

: tworzenie modelu maszyny/ zespołu maszyny, przebieg symulacji, omówienie

wyników symulacji, propozycje zmian dotycz

ą

cych konstrukcji, dopasowanie modelu do przewidzianych zmian

konstrukcji, przeprowadzenie ponownej symulacji oraz rozpatrzenie wyników. P

ę

tle te s

ą

wykonywane tak

długo, a

ż

wyniki symulacji nie b

ę

d

ą

odpowiadały okre

ś

lonym celom.

Model powinien odwzorowywa

ć

maszyn

ę

(wyrób) wraz z jej składnikami mechanicznymi i elektrycznymi

(elektronicznymi), aby mo

ż

liwa była symulacja całego systemu. Projektanci w budowie maszyn wykorzystuj

ą

obecnie systemy 3D CAD (ang. Computer Aided Design) w opracowaniu konstrukcji, a tak

ż

e tworz

ą

modele

metod

ą

elementów sko

ń

czonych MES, np. dla analiz wytrzymało

ś

ciowych. Szczególne znaczenie ma jednak

tworzenie takich modeli, które ł

ą

cz

ą

w sobie wszystkie elementy maszyny, ł

ą

cznie z nap

ę

dami i obwodami

regulacji.

Podczas

symulacji

mo

ż

na

wówczas

zidentyfikowa

ć

własno

ś

ci

dynamiczne

systemu

mechatronicznego

.

7

Konfigurowanie zamiast programowania

Wzrost zastosowa

ń

układów mechatronicznych w budowie wyrobów powoduje konieczno

ść

opracowania

nowych rozwi

ą

za

ń

dotycz

ą

cych sterowania, a szczególnie rozwoju oprogramowania.

I tak np. elastyczne rozwi

ą

zania automatyzacji – tworzone zwykle z wykorzystaniem robotów jako baz

ą

dla aplikacji manipulacyjnych – s

ą

coraz cz

ęś

ciej stosowane tak

ż

e w takich obszarach jak przemysł

opakowa

ń

czy technika pomiarowa. W takich przypadkach systemy zrobotyzowane nie s

ą

rozpatrywane

jako j

ą

dro aplikacji, lecz s

ą

bardziej składnikiem, który jako

ś

ciowo odpowiada własno

ś

ciom »Plug and

Run«. Zastosowany układ sterowania musi wnosi

ć

maksimum elastyczno

ś

ci dla ró

ż

nych układów

manipulacyjnych, struktur kinematycznych czy składników sterowników komputerowych PLC (ang.
Programmable Logical Controller). Z drugiej strony integracja całego systemu powinna przebiega

ć

w

sposób mo

ż

liwie automatyczny, co oznacza prost

ą

konfiguracj

ę

i wł

ą

czenie w istniej

ą

ce struktury.

Nakłady zwi

ą

zane z opracowaniem oprogramowania podczas realizacji projektów automatyzacji wynosz

ą

obecnie od 50 do 70% całkowitych kosztów rozwojowych robocizny, z czego zwykle 70% z nich jest
zwi

ą

zanych z uruchamianiem i usuwaniem bł

ę

dów. Szczególnie w maszynach specjalnych lub projektach

automatyzacji, w których musz

ą

by

ć

integrowane układy manipulacyjne jako zaawansowane jednostki

zasilaj

ą

ce, udział ten jeszcze wzrasta, poniewa

ż

integrator systemu nie jest szczegółowo zaznajomiony z

ró

ż

norodnymi „zewn

ę

trznymi” układami sterowania. Wyst

ę

puj

ą

ce w wyniku tego nieprodukcyjne i

wymagaj

ą

ce wiele czasu prace na dopasowanie i uruchomienie mo

ż

na byłoby znacznie zredukowa

ć

przez zastosowanie przelotowej i rzeczywi

ś

cie kompatybilnej techniki sterowania. Jest to zwi

ą

zane z

takimi zagadnieniami jak: sterowanie komputerowe, zastosowanie PC (ang. Personal Computer) w
sterowaniu, norma PN-EN 61131-3 dotycz

ą

ca j

ę

zyków programowania sterowników PLC, czy

programowalne sterowniki automatyki PAC (ang. Programmable Automation Controller). Jednak obecnie
nie ma jeszcze

ż

adnego całkowicie niefirmowego rozwi

ą

zania takiego systemu wspomagaj

ą

cego dla

budowy maszyn i integracji systemów. Ze wzgl

ę

du na wymagania dotycz

ą

ce oprogramowania, które w

aplikacjach automatyzacji prawie zawsze wymagaj

ą

rozwi

ą

za

ń

zwi

ą

zanych z PC, technika ta stała si

ę

dominuj

ą

ca. Dalszymi istotnymi cechami s

ą

standardowe interfejsy, jedna baza danych dla zmiennych

procesu, a tak

ż

e jednolita platforma rozwojowa. Architektura systemu powinna by

ć

modułowa i otwarta.

Wymagania ujednolicenia w technice sterowania

Jednym z przykładów praktycznego rozwi

ą

zania problemów zwi

ą

zanych z integracj

ą

urz

ą

dze

ń

automatyzacji jest system Aico.Control opracowany przez firm

ę

Manz Automation (Reutlingen/

Niemcy). Jego mo

ż

liwo

ś

ci konfiguracyjne pozwalaj

ą

ju

ż

obecnie zaoszcz

ę

dzi

ć

do 30% czasu

podczas realizacji projektu.

Aktualna analiza rynku dotycz

ą

ca

ś

rodków stosowanych w wytwarzaniu takich jak: moduły

manipulacyjne, jednostki procesowe, maszyny specjalne itp. wykazała,

ż

e wyst

ę

puje wyra

ź

nie

zaznaczone wymaganie dotycz

ą

ce przelotowej technologii sterowania. Jednak przedsi

ę

biorstwa

budowy maszyn cz

ę

sto podlegaj

ą

silnym naciskom, aby nie stosowa

ć

optymalnych rozwi

ą

za

ń

.

Cz

ę

sto to klient ko

ń

cowy (zamawiaj

ą

cy maszyn

ę

) dyktuje, jakie składniki musz

ą

by

ć

zastosowane,

albo te

ż

wyst

ę

puj

ą

historycznie narosłe struktury, które jest trudno przełama

ć

.

Tym bardziej wa

ż

ne jest,

ż

eby oprócz szerokiej funkcjonalno

ś

ci były zastosowane równie

ż

mo

ż

liwie

wszystkie otwarte i standardowe interfejsy. Daje to integratorowi mo

ż

liwo

ść

stopniowego zbli

ż

ania

si

ę

do idealnego rozwi

ą

zania i pomimo tego uwzgl

ę

dnienia wymaga

ń

klienta.

Podstawowy element rozwi

ą

zania systemu automatyzacji, a mianowicie sam układ sterowania

(sterownik) powinien by

ć

traktowany jako zachowywana jednostka stała. Natomiast takie składniki jak

nap

ę

dy, moduły wej

ść

i wyj

ść

oraz inne urz

ą

dzenia peryferyjne mog

ą

by

ć

wymieniane, o ile s

ą

one

wykonane zgodnie ze standardowymi interfejsami. Standardowymi interfejsami s

ą

obecnie wszystkie

protokoły otwarte sieci przemysłowych (ang. Fieldbus), interfejsy szeregowe oraz odmiany sieci
komunikacyjnej Ethernet z protokołem TCP/IP.

Wraz z rosn

ą

c

ą

zło

ż

ono

ś

ci

ą

projektów automatyzacji musi si

ę

tak

ż

e rozwija

ć

sterowanie. Wymagane

s

ą

dodatkowe funkcje i coraz wi

ę

ksze zestawy danych. Ponadto znacznie zwi

ę

ksza si

ę

zakres

zada

ń

, które s

ą

stawiane pracownikom w zakładach budowy maszyn. Dla spełnienia tych wymaga

ń

szczególnie istotne znaczenie maj

ą

aspekty dotycz

ą

ce opracowywania oprogramowania oraz

uruchamiania.

8

Szczególnie w obszarze robotyki i sterowania ruchem MC (ang. Motion Control) istotne jest efektywne

rozwi

ą

zywanie problemów dotycz

ą

cych integracji systemów, poniewa

ż

zast

ą

pienie mechanicznych

składników przez układy elektroniczne i oprogramowanie pozwala na znaczne zmniejszenie kosztów
rozwoju/ uruchamiania wtedy, gdy koncepcja sterowania spełnia nast

ę

puj

ą

ce wymagania:

szeroka funkcjonalno

ść

na wszystkich poziomach,

pełna pionowa integracja od ERP (ang. Enterprise Resource Planning) a

ż

do silnika,

modułowo

ść

zgodnie z wymaganiami aplikacyjnymi (mo

ż

liwo

ś

ci obliczeniowe jednostki centralnej CPU

(ang. Central Processor Unit), interfejsy, itp.,

jedna platforma dla MC, robotyki, PLC, procesu, przetwarzania obrazów itd.,

wspomaganie istniej

ą

cych układów kinematycznych,

sterowanie wszystkich wariantów serwo-silników i nap

ę

dów bezpo

ś

rednich,

wspomaganie układów sprz

ęż

e

ń

zwrotnych,

krótszy takt interpolacji i mały Jitter,

przelotowe narz

ę

dzia do rozwoju i diagnostyki,

przyjazne dla u

ż

ytkownika

ś

rodowisko rozwojowe (aplikacji),

biblioteki oprogramowania dla robotyki, MC, systemów wizyjnych,

proste narz

ę

dzie do konfiguracji (dla wszystkich powtarzalnych składników aplikacji jak interfejsy, interfejs

człowiek-maszyna HMI (ang. Human Machine Interface), PLC (interfejs Fieldbus), MC, itd.,

zintegrowane oprogramowanie symulacyjne,

dost

ę

pno

ść

składników w długim okresie czasu (im wi

ę

kszy jest udział oprogramowania, tym mniejsze jest

ryzyko).

Wymagania dotycz

ą

ce rozwoju wyrobów mechatronicznych

I tak opracowana przez firm

ę

Manz, oparta na PC koncepcja

sterowania Aico.Control

w znacznym stopniu spełnia

wymagania rozwoju

systemów mechatronicznych. Za

pomoc

ą

zawartych w tym systemie narz

ę

dzi sprz

ę

towych i

programowych mo

ż

na realizowa

ć

szeroki zakres wymaga

ń

dotycz

ą

cych projektów. Istotnym elementem systemu jest

generyczna

koncepcja

interfejsów

oraz

narz

ę

dzie

konfiguracyjne Aico.Assist. Umo

ż

liwia to programi

ś

cie lub

uruchamiaj

ą

cemu, bez gł

ę

bszej znajomo

ś

ci systemu w

krótkim czasie samodzielne skonfigurowanie zło

ż

onych

wieloosiowych aplikacji w taki sposób,

ż

e gdy zastan

ą

one

wł

ą

czone do całego systemu, to nie wyst

ę

puj

ą

ju

ż

ż

adne

bł

ę

dy sprz

ę

towe (okablowanie, konfiguracja nap

ę

dów i

moduły I/O (ang. Input/ Output). Nast

ę

pnie wykonuj

ą

cy

aplikacj

ę

mo

ż

e gotowy ju

ż

program, który najpierw został

przetestowany w symulacji, doł

ą

czy

ć

do rzeczywistego

systemu i prowadzi

ć

dalsze prace rozwojowe.

Ponadto w tym systemie zintegrowano tak

ż

e wiele podprogramów obsługi bł

ę

dów, które mog

ą

by

ć

elastycznie

wykorzystywane. Dzi

ę

ki temu opracowuj

ą

cy oprogramowanie mo

ż

e si

ę

skoncentrowa

ć

na wła

ś

ciwym

przebiegu programu steruj

ą

cego, a nie zajmowa

ć

si

ę

obsług

ą

podstawowych bł

ę

dów. System (ang.

Framework) Aico.Control jest tak zbudowany,

ż

e w zale

ż

no

ś

ci od wybranej konfiguracji ładowane (doł

ą

czane)

s

ą

odpowiednie biblioteki, np. do uczenia robotów, zjazdu na punkt referencyjny osi, ruchy kontrolowane za

pomoc

ą

czujników, identyfikacja I/O, komunikacja HMI, itp. Wszystkie moduły oprogramowania maj

ą

udokumentowane interfejsy, dzi

ę

ki czemu mo

ż

na je łatwo rozszerzy

ć

lub dopasowa

ć

do wymaga

ń

. W

zale

ż

no

ś

ci od aplikacji przy doborze składników mo

ż

na kierowa

ć

si

ę

albo funkcjonalno

ś

ci

ą

albo te

ż

kosztami.

Najwi

ę

ksze oszcz

ę

dno

ś

ci na kosztach podczas rozwoju aplikacji uzyskuje si

ę

wtedy, gdy stosowane s

ą

modułowe składniki oparte na PC, które zawieraj

ą

standardowe interfejsy, umo

ż

liwiaj

ą

ce łatwe ich wł

ą

czenie w

struktur

ę

całego systemu automatyzacji.

Przykład

ś

rodowiska do rozwoju obiektów mechatronicznych

9

Udział składników w systemach automatyzacji

Automatyzacja wi

ąż

e si

ę

z długim ła

ń

cuchem działa

ń

, które rozci

ą

gaj

ą

si

ę

od modelowania i symulacji

obiektu i procesu, poprzez konstrukcj

ę

, wytwarzanie cz

ęś

ci, zakup urz

ą

dze

ń

, monta

ż

zespołów i

maszyny, programowanie, wizualizacj

ę

a

ż

do piel

ę

gnacji. Coraz wi

ę

ksze znaczenie ma przelotowo

ść

rozwi

ą

za

ń

(przepływ danych). Udział prac in

ż

ynierskich w realizacji projektów automatyzacji stale ro

ś

nie i

w zakresie opracowania oprogramowania stanowi obecnie ok. 50% całkowitych nakładów. Dlatego te

ż

konieczne jest d

ąż

enie do zmniejszenia tych kosztów przez efektywne tworzenie oprogramowania.

Oprogramowanie to powinno by

ć

oparte na standardowych rozwi

ą

zaniach oraz realizowane w sposób

intuicyjny, wzgl. nawet samoczynnie generowane.

60%

35%

30%

10%

15%

50%

Oprogra-
mowanie

Sprz

ę

t

100%

100%

1980

2005

Uruchamianie

Wizualizacja/

HMI

Programowanie

(np. PLC)

Konfiguracja

sprz

ę

tu

Rok

33%

50%

17%

100%

50%

Oprogramowanie

Innowacyjne koncepcje rozwi

ą

za

ń

wyrobów, np. w budowie maszyn, s

ą

jednym z istotnych wymaga

ń

utrzymania si

ę

na

rynku dla wielu przedsi

ę

biorstw w poszczególnych bran

ż

ach. Jedn

ą

z mo

ż

liwo

ś

ci innowacji w budowanych maszynach

jest zastosowanie nap

ę

dów bezpo

ś

rednich. Dzi

ę

ki temu wpływ na funkcjonalno

ść

maszyny przenosi si

ę

z obszaru

mechaniki w kierunku elektrotechniki. Maszyna z bezpo

ś

rednimi nap

ę

dami jest prostsza w zakresie zespołów

mechanicznych, natomiast stawia bardzo wysokie wymagania odno

ś

nie do techniki regulacji. W konwencjonalnych

rozwi

ą

zaniach gotowy silnik jest wbudowywany w maszyn

ę

. Natomiast w przypadku nap

ę

dów bezpo

ś

rednich nap

ę

d

powstaje dopiero po jego integracji w maszynie. Ponadto elektroniczna regulacja poło

ż

enia i pr

ę

dko

ś

ci ma rozstrzygaj

ą

cy

wpływ na własno

ś

ci dynamiczne i dokładno

ść

maszyny. Zatem funkcjonalno

ść

rozwi

ą

zania z nap

ę

dem bezpo

ś

rednim

wynika w szczególnym stopniu ze współdziałania elektrotechniki i mechaniki, a istotnym zadaniem jest odpowiednie
zaprojektowanie i optymalizacja systemu mechatronicznego. Przej

ś

cie na technik

ę

bezpo

ś

redniego nap

ę

du (liniowego i

obrotowego) jest dobrym przykładem zastosowania mechatroniki. Bezpo

ś

redni nap

ę

d liniowy zast

ę

puje takie

mechaniczne elementy przenoszenia nap

ę

du jak np. toczna

ś

ruba poci

ą

gowa, natomiast w przypadku bezpo

ś

redniego

nap

ę

du obrotowego zb

ę

dne staj

ą

si

ę

przekładnie.

Wirtualne prototypowanie

Tak jak dawniej, tak i jeszcze obecnie w wielu budowanych maszynach zespoły elektryczne projektuje i montuje si

ę

dopiero wtedy, gdy gotowa jest ju

ż

cz

ęść

mechaniczna maszyny. Jednak wtedy cz

ę

sto dopiero w ko

ń

cowej fazie budowy

prototypu okazuje si

ę

, czy takie rozwi

ą

zanie maszyny spełnia zało

ż

one wymagania. Mo

ż

na wówczas spróbowa

ć

poprawi

ć

własno

ś

ci maszyny za pomoc

ą

ś

rodków elektrycznych. Jednak takie post

ę

powanie w przypadku zastosowania

bezpo

ś

rednich nap

ę

dów nie jest optymalne i najcz

ęś

ciej jest znacznie dro

ż

sze. Lepsz

ą

alternatyw

ą

jest mechatroniczne

podej

ś

cie do rozwoju maszyn. Wówczas od pocz

ą

tku rozwoju nowej maszyny opracowywana jest konstrukcja zarówno

zespołów mechanicznych jak i elektrycznych (elektronicznych), a tak

ż

e oprogramowania.

Składni-

ki elektry-

czne

Projekto-

wanie

mecha-

niczne

Prototyp

Faza testowania

Faza testowania

Zmiany w prototypie

Czas, nakłady, koszty

Wynik

Wynik

Konwencjonalny sposób post

ę

powania

Konwencjonalny sposób post

ę

powania

:

: konstrukcja mechaniczna

Oszcz

ę

dno

ść

Oszcz

ę

dno

ść

:

:

czasu i zasobów

Pewno

ść

osi

ą

gni

ę

cia

celu

Wynik

Wynik

:

:

wirtualna

maszyna

Modelo-

wanie i

symulacja

cało

ś

ci

Prototyp

Wynik

Wynik

Wirtualne prototypowanie

Wirtualne prototypowanie

:

: szybciej mo

ż

na wprowadzi

ć

maszyn

ę

na rynek

10

Wymagania dotycz

ą

ce rozwoju systemów mechatronicznych

Integracja ró

ż

nych

warstw

Regulowany

przepływ informacji

Zarz

ą

dzanie

informacjami

Wysokie uzgodnienie

zapotrzebowania

Zwi

ą

zane z rozwojem

zarz

ą

dzanie wymaganiami

Tworzenie

modelu ponad-

domenowego

Szerokie wspomaganie

symulacj

ą

Szerokie wspomaganie

symulacj

ą

Wirtualne
prototypy

Przejrzysto

ść

topologii

systemu

Modularyzacja

Efektywne wykorzystanie

danych rozwojowych

Modelowanie niezale

ż

ne

od implementacji

Dokładna specyfikacja

funkcjonalno

ś

ci systemu

Σ

Mechanika

Elektrotechnika

Oprogramowanie

Systemy mechatroniczne odznaczaj

ą

si

ę

wysokim stopniem integracji składników

mechanicznych, elektrycznych i informatycznych. Zast

ą

pienie mechanicznych no

ś

ników

funkcyjnych rozwi

ą

zaniami elektrycznymi i informatycznymi umo

ż

liwia popraw

ę

, wzgl

ę

dnie

rozszerzenie funkcjonalno

ś

ci wyrobów.

Dzi

ę

ki konstrukcyjnej integracji poszczególnych składników w mechatroniczne moduły, w

porównaniu z dotychczasowymi rozwi

ą

zaniami, uzyskuje si

ę

wy

ż

szy stopie

ń

miniaturyzacji, przy

jednocze

ś

nie wy

ż

szych ich mo

ż

liwo

ś

ciach. W ten sposób daje si

ę

opracowywa

ć

standardowe

składniki systemów o wy

ż

szej zło

ż

ono

ś

ci funkcyjnej, które przez prost

ą

konfiguracj

ę

programów

steruj

ą

cych daje si

ę

dopasowa

ć

do ka

ż

dorazowego przypadku zastosowania.

Konstruktor ma w ten sposób do dyspozycji efektywne i stosunkowo przyjazne rozwi

ą

zania dla

zada

ń

rozwojowych o wysokich wymaganiach technologicznych.

Zło

ż

one zale

ż

no

ś

ci pomi

ę

dzy elementami mechanicznymi, elektrycznymi i informatycznymi

wymaga wykraczaj

ą

cej poza te dziedziny współpracy podczas rozwoju systemów

mechatronicznych. Wła

ś

nie w fazach specyfikacji i projektowania niezb

ę

dne jest

interdyscyplinarne post

ę

powanie, aby przez brak kompetencji nie spowodowa

ć

,

ż

e nie zostanie

znalezione optymalne rozwi

ą

zanie.

Rozwój systemów mechatronicznych stawia zatem z jednej strony szczególnie wysokie
wymagania dotycz

ą

ce organizacji przebiegu rozwoju i komunikacji pomi

ę

dzy uczestnicz

ą

cymi w

pracach działami specjalistycznymi. Z drugiej strony wyst

ę

puj

ą

równie

ż

nowe wymagania

dotycz

ą

ce zastosowania techniki symulacji dla przewidywania własno

ś

ci wyrobów. Ocena

projektu systemu wymaga zintegrowanego tworzenia modelu i symulacji, które umo

ż

liwia pełn

ą

analiz

ę

wszystkich istotnych własno

ś

ci całego systemu mechatronicznego.

Systemy mechatroniczne - wymagania

11

Modelowanie funkcji i optymalizacja dynamiczna

podczas projektowania systemu

Fazy rozwoju

Specyfikacja

Koncepcja

Projekt

Uszczegółowienie

Tworzenie mode-
lu i symulacja

Zadanie

Realizacja

Obja

ś

nienie zadania

Okre

ś

lenie struktury funkcyjnej

Opracowanie projektu

Szukanie zasad rozwi

ą

za

ń

Podział na realizowalne moduły

Kształtowanie modułów

Kształtowanie całego wyrobu

1

2

3

4

5

6

7

Modelowanie

funkcji

Optymalizacja

dynamiczna

Kalkulacja

kosztów

Zachowanie si

ę

całego systemu mechatronicznego, w sensie spełniania funkcji, jest okre

ś

lone głównie przez

jego cało

ś

ciow

ą

koncepcj

ę

. Koncypowanie systemu obejmuje najpierw szczegółow

ą

specyfikacj

ę

i strukturyzacj

ę

pełnej, wymaganej przez u

ż

ytkownika funkcjonalno

ś

ci. Na tej podstawie poszukuje si

ę

zasad rozwi

ą

zania i

nast

ę

pnie integruje si

ę

je w cało

ś

ciowe rozwi

ą

zanie.

Pomocne jest tutaj zastosowanie odpowiedniej metodyki modelowania struktury funkcyjnej systemu
mechatronicznego. Dzi

ę

ki wykorzystaniu niezale

ż

nej od rozwi

ą

zania notacji wspomagana jest interdyscyplinarna

praca i poszukiwanie koncepcji. Po okre

ś

leniu koncepcji nast

ę

puje opracowanie projektu systemu.

Oprócz zgodnego z wymaganiami ukształtowania i zwymiarowania poszczególnych no

ś

ników funkcji na plan

pierwszy wysuwa si

ę

tutaj optymalne spełnianie funkcji przez cały system. Rozstrzygaj

ą

ca jest przy tym wczesna

ocena i optymalizacja projektu systemu.

Na przykładzie obrabiarki sterowanej numerycznie CNC (p. nast

ę

pny slajd) pokazano oparty na modelowaniu i

symulacji sposób post

ę

powania podczas analizy i oceny dokładno

ś

ci, a tak

ż

e mo

ż

liwo

ś

ci wynikaj

ą

cych z

poł

ą

czenia zespołów mechanicznych, elektrycznych i komputerowego sterowania w budowie mechatronicznych

maszyn.

Aby zachowa

ć

mechatroniczny charakter podczas rozwoju wyrobu konieczne wczesne wł

ą

czenie wszystkich

specjalno

ś

ci. Tylko w ten sposób mo

ż

na skutecznie opracowa

ć

nowe interdyscyplinarne rozwi

ą

zania. Jako punkt

wyj

ś

cia do zintegrowanego procesu rozwoju systemu mechatronicznego słu

ż

y model funkcyjny, który

odwzorowuje poszczególne aspekty bior

ą

cych udział domen (zespołów) i obszarów specjalno

ś

ciowych, które

nast

ę

pnie stopniowo si

ę

uszczegóławia. Model funkcyjny jest abstrakcyjnym opisem aspektów odniesionych do

przebiegów i struktury projektowanego systemu. Do tego celu stosowane s

ą

ró

ż

ne typy diagramów, które

umo

ż

liwiaj

ą

rozpatrzenie graficznej reprezentacji zasadniczych cz

ęś

ci zarówno całego systemu, jak równie

ż

wzajemnych ich relacji. Do odwzorowania aspektów strukturalnych stosowany jest np. schemat kinematyczny,
który okre

ś

la wymagan

ą

liczb

ę

i zasadnicze ustawienie osi NC obrabiarki. Niezb

ę

dne do realizacji funkcji

zał

ą

czania elementy s

ą

opisywane za pomoc

ą

schematu technologicznego, który zawiera wszystkie istotne dla

działania czujniki i aktuatory oraz ich przyporz

ą

dkowanie. Schematy kinematyczny i technologiczny s

ą

uzupełniane diagramem blokowym i schematem przebiegu, aby opisa

ć

wł

ą

czenie zastosowanych elementów w

przebieg pracy maszyny.

Opis systemów mechatronicznych

12

Modelowanie systemów mechatronicznych na

przykładzie obrabiarki sterowanej numerycznie

Hierarchia

funkcji

Koncepcja

całkowita

Maszyna i system

automatyzacji

Struktura

funkcji

Układ

kinematyczny

Przebieg

funkcyjny

PLC

CNC

Drzewo

funkcji

Schemat

technologiczny

Schemat

przebiegu

Szkic

technologiczny

Elementy modelu funkcyjnego, zgodnie z ich stopniem abstrakcji, s

ą

wykorzystywane w ró

ż

nych fazach

procesu rozwoju systemu mechatronicznego. Punktem wyj

ś

cia do budowy modelu funkcyjnego s

ą

poszczególne przebiegi (operacje), które s

ą

niezb

ę

dne do realizacji zadania wymaganego przez

u

ż

ytkownika systemu. Na podstawie schematów blokowych tych przebiegów ze wzgl

ę

du na realizacj

ę

procesu obróbki rozró

ż

niane s

ą

funkcje główne i pomocnicze obrabiarki (maszyny). Zasadniczym

problemem przy okre

ś

laniu funkcji głównych (ruchy skrawania, prowadzenie i przemieszczanie narz

ę

dzia

wzgl. przedmiotu) jest dobór struktury kinematycznej, która opisuje liczb

ę

i wzajemne poło

ż

enie osi

obrabiarki. Do wizualizacji układu kinematycznego stosowany jest schemat kinematyczny, który dostarcza
pierwszego przegl

ą

du ła

ń

cucha kinematycznego systemu produkcyjnego.

Równolegle z uszczegóławianiem funkcji głównych przeprowadza si

ę

tak

ż

e uszczegółowianie funkcji

pomocniczych (przygotowanie narz

ę

dzi, chłodzenie itp.). Opis funkcji pomocniczych odbywa si

ę

na

podstawie schematu blokowego, w którym funkcje pomocnicze s

ą

rozbijane na małe, funkcjonalne

jednostki. I tak np. funkcja pomocnicza „przygotowanie narz

ę

dzia” jest rozbijana na funkcje „chwytanie”,

„orientowanie”, „pochylanie” i „wymienianie”.

Dla ka

ż

dej jednostki funkcyjnej w nast

ę

pnym kroku okre

ś

lana jest zasada realizacji funkcji i jej

dokumentowanie na szkicu technologicznym. I tak np. funkcja „orientowanie” przez ła

ń

cuchowy magazyn

narz

ę

dzi jest realizowana przez wiele czujników i aktuatorów. Do opisu zasady działania funkcji tworzony

jest diagram przebiegu, który odwzorowuje zale

ż

no

ś

ci pomi

ę

dzy poszczególnymi czujnikami i aktuatorami

na poziomie sygnałów. Dla funkcji „orientowanie” oznacza to,

ż

e w diagramie przebiegu nast

ę

puje

zatrzymanie, a wymian

ę

narz

ę

dzia mo

ż

na wykona

ć

dopiero wtedy, gdy zostało rozpoznane wła

ś

ciwe

narz

ę

dzie. Szkic technologiczny i zwi

ą

zane z nim diagramy przebiegu tworz

ą

razem schemat

technologiczny.

Od tego czasu nast

ę

puje przej

ś

cie z czysto funkcjonalnego rozpatrywania systemu do zorientowanego na

składniki. Funkcja „orientowanie” jest przyporz

ą

dkowywana abstrakcyjnemu składnikowi „magazyn

ła

ń

cuchowy”, przy czym najpierw jest zakre

ś

lana jedynie zasada fizyczna, a nie okre

ś

lanie wykonania

sprz

ę

towego, a w przypadku handlowych zespołów wybór producenta.

Struktura modeli funkcyjnych

13

Modelowanie funkcyjne w procesie rozwoju

Przebieg
wytwarzania

Przemieszczanie

Przemieszczanie

Prowadzenie

Prowadzenie

Skrawanie

Skrawanie

A
Z
X

Układ
kinematyczny

F

u

n

k

c

je

g

łó

w

n

e

F

u

n

k

c

je

p

o

m

o

c

n

ic

z

e

Orientowanie

Orientowanie

Przygotowanie narz

ę

dzia

Koncepcja

całkowita

A

S

Magazyn ła

ń

cuchowy

Schemat technologiczny

Y

Wynikiem tego kroku modelowania jest model funkcyjny, który odwzorowuje zasadnicze elementy i
własno

ś

ci opracowywanego systemu produkcyjnego. Taka forma opisu jest niezale

ż

na od sprz

ę

tu oraz

konkretnego rozwi

ą

zania i wspomaga ona koncepcj

ę

struktury modułowej, która nie jest zdominowana

przez jedn

ą

dyscyplin

ę

, ale w której na plan pierwszy wysuwa si

ę

zgodne z wymaganiami spełnienie

funkcji poszczególnych składników systemu, wzgl. całkowitego systemu mechatronicznego. Do realizacji
interdyscyplinarnych warstw i zapewnienia spójnego modelu danych niezb

ę

dna jest informacyjna

integracja podstawowych struktur danych oraz narz

ę

dzi rozwojowych.

Rdze

ń

zarz

ą

dzania informacjami tworzy zintegrowany model wyrobu, który szczegółowo opisuje

cało

ś

ciow

ą

struktur

ę

elementów i specyficzne przebiegi rozwijanego systemu produkcyjnego oraz tworzy

powi

ą

zania pomi

ę

dzy poszczególnymi warstwami. Powi

ą

zania te mog

ą

by

ć

zło

ż

one w obiektowo

zorientowanym modelu danych, który jest zarz

ą

dzany z systemu zarz

ą

dzania produktami PDM (ang.

Product Data Management). Do przyspieszenia procesu rozwoju wyrobów cz

ę

sto wykorzystywane

składniki mog

ą

by

ć

zło

ż

one w bibliotece i w ten sposób zapewniony szybki dost

ę

p do wewn

ę

trznego

Know-how firmy.

Okre

ś

lona w modelu funkcyjnym struktura wyrobu tworzy baz

ę

do pó

ź

niejszych, specyficznych dla

dziedziny kroków procesu rozwoju. Do tego celu stosowany jest schemat struktury kinematycznej, aby
wygenerowa

ć

pierwsz

ą

struktur

ę

podstawow

ą

dla modelowania 3D CAD. Natomiast opisane w postaci

diagramów przebiegu poszczególne jednostki funkcyjne słu

żą

jako podstawa do tworzenia programu dla

opracowuj

ą

cego sterowanie. Okre

ś

lone w szkicach technologicznych składniki mog

ą

by

ć

wykorzystane

do tworzenia schematów poł

ą

cze

ń

. Dzi

ę

ki wykraczaj

ą

cemu poza specjalistyczne działy modelowi

funkcyjnemu uzyskuje si

ę

do dyspozycji przejrzysty, interdyscyplinarny sposób opisu do odwzorowania

funkcji systemu, który słu

ż

y szczególnie jako podstawa komunikacji podczas wczesnych faz rozwoju i w

ten sposób pomaga unikn

ąć

problemów z brakiem uzgodnie

ń

. Przyporz

ą

dkowanie wszystkich funkcji w

pewnej abstrakcyjnej, niezale

ż

nej od rozwi

ą

zania strukturze wyrobu wspomaga interdyscyplinarny rozwój

modułów funkcyjnych. Dzi

ę

ki takiemu post

ę

powaniu mo

ż

na opanowa

ć

zło

ż

ono

ść

systemów

mechatronicznych i przyspieszy

ć

proces ich rozwoju.

Wspomaganie rozwoju systemów mechatronicznych

14

Struktura technologiczna podsystemu posuwu dla

obrabiarki sterowanej numerycznie NC

Obrabiarka

Obrabiarka

Układ nap

ę

du posuwu

Układ nap

ę

du posuwu

Pulpit obsługi

Program

NC

Układ

sterowania

NC,

moduły

regulacji

osi

Napi

ę

cie

silnika

Sanie

Ś

ruba

poci

ą

gowa

Silnik

serwo

Poło

ż

enie

sa

ń

Pr

ę

dko

ść

obrotowa

silnika

Układ

pomiarowy

Sprawdzenia, czy system mechatroniczny b

ę

dzie miał wymagane własno

ś

ci mo

ż

na dokona

ć

na wirtualnej maszynie.

Wizualizacja 3D

Sterowanie

Symulacja

W wirtualnej maszynie rzeczywisty układ sterowania jest w taki sposób sprz

ę

gany z symulacj

ą

maszyny,

ż

e system symulacyjny otrzymuje sygnały do aktuatorów, realizuje działania i

wirtualne sygnały sensorów w czasie rzeczywistym przesyła z powrotem do układu sterowania.
Ponadto dane geometryczne s

ą

pobierane z systemu CAD, tak

ż

eby mo

ż

na było wizualizowa

ć

ruchy, albo bezpo

ś

rednio do układu symulacji lub dalej do układu sterowania przekazywa

ć

sygnały (działania) z urz

ą

dze

ń

, jak np. „wci

ś

ni

ę

cie wył

ą

cznika awaryjnego” lub „kolizja narz

ę

dzi

z przedmiotem”.

Symulacja – maszyna wirtualna

15

Wykorzystanie modelowania i symulacji podczas rozwoju

systemów mechatronicznych

Je

ż

eli s

ą

do dyspozycji :

• poprawne modelowanie,

• odpowiednie narz

ę

dzia oraz

• dokładne dane,

to przez zastosowanie techniki modelowania i symulacji mo

ż

na

uzyska

ć

nast

ę

puj

ą

ce korzy

ś

ci:

• krótsze czasy rozwoju,

• ni

ż

sze koszty rozwojowe,

• lepsze wyniki rozwoju,

• wy

ż

sze bezpiecze

ń

stwo.

Je

ż

eli jednak nie ma jeszcze odpowiednich do

ś

wiadcze

ń

, to nakłady

(czas i koszty) dla pierwszego modelowania i symulacji s

ą

zwykle

bardzo du

ż

e.

Przykład modelu symulacyjnego

systemu mechatronicznego

Dynamika ruchu pojazdu samochodowego

Charaktery-

styka silnika

Charakterysty-

ka przekładni

Karoseria

samochodu

Wpływ

wiatru

sin

+

+

-

-

-

-

Pedał gazu

Pedał hamulca

Nachylenie drogi

Pr

ę

dko

ść

Przyspieszenie

16

Optymalizacja dynamiczna podczas projektowania

systemu mechatronicznego

Omówiona wcze

ś

niej metodyka modelowania funkcyjnego z przyporz

ą

dkowaniem fizycznych zasad rozwi

ą

za

ń

przy

pomocy schematów technologicznych prowadzi w sposób systematyczny do mechatronicznej koncepcji cało

ś

ciowej.

Dynamiczne przebiegi całkowite systemu mechatronicznego wynikaj

ą

ze zło

ż

onych zmiennych oddziaływa

ń

pomi

ę

dzy

własno

ś

ciami mechanicznymi, elektrycznymi i informatycznymi. Na te zale

ż

no

ś

ci mo

ż

na znacznie wpływa

ć

przez

koncepcj

ę

i projektowanie systemu. Dlatego te

ż

szczególne znaczenie ma stosowanie wspomagania przez wczesne

zastosowanie symulacji przy zestawianiu i optymalizacji całego systemu.
Mo

ż

na to rozpatrze

ć

na przykładzie doboru nap

ę

du posuwu NC obrabiarki. Podczas rozwoju obrabiarek wyst

ę

puje

żą

danie

mo

ż

liwie du

ż

ej mocy (pr

ę

dko

ś

ci) nap

ę

du dla uzyskania ekonomicznego wytwarzania przy zachowaniu wymaga

ń

wysokiej

dokładno

ś

ci i tym samym uzyskanie konkurencyjno

ś

ci maszyny na rynku. Dlatego te

ż

dobór i optymalizacja przebiegów

dynamicznych sterowanych numerycznie (NC) osi posuwów jest podstawowym zadaniem producenta obrabiarek. Na
wcze

ś

niejszym slajdzie pokazano struktur

ę

podsystemu posuwu NC nowoczesnych obrabiarek. Dzi

ę

ki modułowej budowie

tego podsystemu u producenta obrabiarek przeprowadzane s

ą

nast

ę

puj

ą

ce prace rozwojowe:

•

specyfikacja układu sterowania NC i jednostek regulacji osi oraz wymiarowanie elektrycznych składników nap

ę

du,

•

kształtowanie i wymiarowanie mechanicznego układu przeniesienia nap

ę

du i prowadnic obrabiarki,

•

uruchamianie i parametryzacja układu sterowania i nap

ę

dów.

Uzyskiwane własno

ś

ci dynamiczne s

ą

ograniczone przebiegami drga

ń

układu mechanicznego. Do optymalizacji własno

ś

ci

dynamicznych w fazie konstruowania stosowana jest analiza słabych miejsc tego układu oparta na zastosowaniu metody
elementów sko

ń

czonych MES. Obejmuje ona analizy obliczeniowe w obszarze cz

ę

stotliwo

ś

ci i przez wzgl

ę

dne porównanie

ró

ż

nych rozwi

ą

za

ń

konstrukcyjnych układu umo

ż

liwia wybór wariantu o najlepszych własno

ś

ciach dynamicznych.

Bezwzgl

ę

dne warto

ś

ci uzyskanych danych zale

żą

od dynamicznych oddziaływa

ń

układu sterowania NC, modułów regulacji

osi, elektrycznych składników nap

ę

du i układu mechanicznego. Optymalizacj

ę

parametrów regulacji poło

ż

enia mo

ż

na

natomiast przeprowadzi

ć

dopiero podczas uruchamiania nap

ę

du. Odbywa si

ę

to na drodze prób przy przyj

ę

ciu kryterium

mo

ż

liwie małego uchybu nad

ąż

ania wzgl. wysokiej warto

ś

ci maksymalnej pr

ę

dko

ś

ci. W wyniku rosn

ą

cego pobudzania do

drga

ń

układu mechanicznego wskutek zwi

ę

kszania parametrów regulatora uzyskuje si

ę

warto

ś

ci krytyczne, których

przekroczenie powoduje przeregulowanie (przekroczenie) warto

ś

ci zadanej poło

ż

enia wzgl. niestabilnych przebiegów

regulacji. I tak np. współczynnik wzmocnienia pr

ę

dko

ś

ciowego K

V

regulatora poło

ż

enia, który jest wska

ź

nikiem uzyskiwanej

maksymalnej pr

ę

dko

ś

ci posuwu, jest w zasadzie okre

ś

lony cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

własn

ą

(pierwsz

ą

harmoniczn

ą

) mechanicznego

układu nap

ę

dowego.

Aby ju

ż

w fazie projektowania umo

ż

liwi

ć

oszacowanie mo

ż

liwych do nastawienia parametrów

regulatora i tym samym tak

ż

e dynamicznych mo

ż

liwo

ś

ci obrabiarki, mo

ż

na si

ę

posłu

ż

y

ć

modelowaniem i symulacj

ą

przebiegów całego systemu mechatronicznego zespołu maszyny. Na

bazie modelu Metody Elementów Sko

ń

czonych (MES) pełnej struktury mechanicznej przeprowadza

si

ę

zintegrowane okre

ś

lenie własno

ś

ci dynamicznych nap

ę

du posuwu obrabiarki.

Poło

ż

enie

zadane

w

Wielko

ść

wiod

ą

ca

u

Wielko

ść

wej

ś

ciowa silnika

Inter-

polator

Zad
x U_q
n U_d
i

U_q Ua
U_d Ub
theta Uc

N
Ua M

Ub i_q
Uc

j_rz
i_rz j_kont

i_kont

n_rz x _kont
x_rz

Moduł

regulatora

Moduł

mocy

Serwosilnik

Układ mechaniczny

M n

x

F j

n

x

j

i

Pr

ę

dko

ść

obrotowa

silnika

Poło

ż

enie

sa

ń

K

ą

t obrotu

silnika

Chwilowa

warto

ść

pr

ą

du

Elektryczny układ

nap

ę

du i sterowania

Mechaniczny układ

przeniesienia nap

ę

du

i moduł sa

ń

Schemat blokowy układu nap

ę

du posuwu obrabiarki NC

17

Cechy systemów projektowanych

konwencjonalnie i mechatronicznie

Projektowanie konwencjonalne

Projektowanie konwencjonalne

Dodawanie cz

ęś

ci składowych

Dodawanie cz

ęś

ci składowych

1. Obszerno

ść

(zajmowanie du

ż

o miejsca).

2. Zło

ż

one mechanizmy.

3. Problemy z kablami.

4. Poł

ą

czone cz

ęś

ci składowe.

Projektowanie

Projektowanie

mechatroniczne

mechatroniczne

Integracja cz

ęś

ci składowych

Integracja cz

ęś

ci składowych

1. Zwarto

ść

(kompaktowo

ść

).

2. Proste mechanizmy.

3. Magistrale (ang. Bus) lub komunikacja bezprzewodowa.

4. Jednostki autonomiczne.

Proste sterowanie

Proste sterowanie

5. Sztywna konstrukcja.

6. Sterowanie według prognozy, liniowe,

analogowe.

7. Precyzja przez małe tolerancje.

8. Wielko

ś

ci niemierzalne zmieniaj

ą

si

ę

dowolnie.

9. Proste monitorowanie.

10. Zdolno

ś

ci ustalone, niezmienne.

Integracja przez przetwarzanie informacji

Integracja przez przetwarzanie informacji

5. Elastyczna konstrukcja z tłumieniem elektronicznym.

6. Sterowanie według sprz

ęż

enia zwrotnego, nieliniowe,

cyfrowe.

7. Precyzja przez pomiary i sterowanie ze sprz

ęż

eniem

zwrotnym.

8. Sterowanie oszacowanymi wielko

ś

ciami niemierzalnymi.

9. Nadzór z diagnostyk

ą

uszkodze

ń

.

10. Zdolno

ść

uczenia si

ę

.

Mechatroniczny sposób post

ę

powania podczas

rozwoju maszyn

Konwencjonalny sposób post

ę

powania

Konwencjonalny sposób post

ę

powania

Mechatroniczny

Mechatroniczny

sposób post

ę

powania

sposób post

ę

powania

Konstrukcja

mechaniczna

Konstrukcja

elektryczna

Prototyp

Zmiany w

prototypie

Wynik

Faza testowania

Układy

mechaniczne,

elektryczne i

sterowanie

Wirtualna

maszyna

Prototyp

= wynik

Skrócenie

Time to market

Symulacja/ faza

testowania

Interdyscyplinarne

projektowanie

Szybsze wytworzenie maszyny i szybsze jej wprowadzenie na rynek dzi

ę

ki zastosowaniu

Virtual Prototyping

18

Wprowadzenie

Wprowadzenie

Opracowanie

Opracowanie

Realizacja

Realizacja

Cz

ęś

ci,

zespoły

Narz

ę

dzia

Teoria

Koncepcje

Obliczenia

Symulacja

Budowa

Uruchamianie

Dokumentacja

Przebieg prac podczas wykonywania projektów

mechatronicznych

Czynniki wyst

ę

puj

ą

ce w zintegrowanym rozwoju

systemów mechatronicznych

Uczestnicz

ą

ce dziedziny:

Uczestnicz

ą

ce dziedziny:

elektrotechnika, mechanika, technika pomiarowa, sterowanie,
regulacja, informatyka, technika mikrosystemów …

Cykl

ż

ycia wyrobu:

Cykl

ż

ycia wyrobu:

koncepcja, konstrukcja, wytwarzanie, uruchamianie, eksploatacja,
piel

ę

gnacja, naprawa, recykling, ...

Rozpatrywane aspekty dotycz

ą

ce systemu:

Rozpatrywane aspekty dotycz

ą

ce systemu:

koszty, efektywno

ść

, funkcyjno

ść

, bezpiecze

ń

stwo, niezawodno

ść

,

…

Metody:

Metody:
koncypowanie, obliczenia, eksperymenty, modelowanie,
symulacja, …

Narz

ę

dzia:

Narz

ę

dzia:

CAD, PDM, FEM, MKS, CFD, …

19

Etapy projektowania mechatronicznego

12.

11.

10.

9.

8.

7.

6.

5.

4.

3.

2.

1.

Nr

etapu

Komponenty, cały system

Weryfikacja eksperymentalna

Modelowanie, identyfikacja, symulacja (równie

ż

hardware-in-the

loop), optymalizacja (CAD) funkcji

Zastosowanie szczególnych

narz

ę

dzi projektowania

Wczesne rozpoznawanie uszkodze

ń

, redundancja, fail-safe,

rekonfiguracja

Podniesienie niezawodno

ś

ci

i bezpiecze

ń

stwa

Kinematyka, nap

ę

dy zdecentralizowane, bez linearyzacji, bez

pami

ę

ci po

ś

redniej

Uproszczenie konstrukcji

podstawowej

dopasowanie funkcji podstawowych, tłumienie elektroniczne,
linearyzacja przez algorytmy, wpływ na wielko

ś

ci niemierzalne,

du

ż

e zakresy pracy przez algorytmy adaptacyjne, wła

ś

ciwo

ś

ci

ucz

ą

ce, diagnoza uszkodze

ń

Funkcjonalna integracja procesu i
elektroniki przez przetwarzanie informacji

zadania, wymagania, koncepcja rozwi

ą

zania, struktura

oprogramowania, implementacja (kodowanie),walidacja, j

ę

zyk

(zale

ż

ny od procesora), zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym

Oprogramowanie

mikroprocesory (standardowe, specjalne), struktura podstawowa
(centralna, zdecentralizowana), magistrala systemowa

Architektura sprz

ę

tu komputerowego

posta

ć

konwencjonalna, nowe mo

ż

liwo

ś

ci

Obsługa, interfejsy człowiek-

maszyna

sterowanie, regulacja, nadzór, koordynacja, optymalizacja

Podstawowe funkcje przetwarzania
informacji

zasady, integracja konstrukcyjna, zdecentralizowana obróbka
sygnału (komponenty „inteligentne”)

Sensoryka, aktuatoryka, energia
pomocnicza

przetwarzanie procesowe, przetwarzanie informacji

Pierwszy podział na funkcje podstawowe

mechanika, elektrotechnika, termodynamika

Pierwsza podstawowa konstrukcja procesu

Tre

ść

etapu, przykłady

Nazwa etapu

Etapy 1 – 3 rozwoju systemu mechatronicznego

Etapy 1 i 2:

Etapy 1 i 2: Pierwsza podstawowa konstrukcja procesu i podział na funkcje podstawowe systemu
mechatronicznego
Pierwsza podstawowa konstrukcja procesu, jaki ma by

ć

realizowany w projektowanym systemie mechatronicznym,

wychodzi zwykle ze znanych rozwi

ą

za

ń

podprocesu mechanicznego i zwi

ą

zanych z nim podprocesów elektrycznych,

termodynamicznych czy chemicznych. Z tym wi

ąż

e si

ę

równie

ż

pierwszy podział funkcji podstawowych mi

ę

dzy

przetwarzanie procesowe i przetwarzanie informacji. Oznacza to,

ż

e nale

ż

y rozwa

ż

y

ć

w „sensie mechatronicznym”, jakie

funkcje – poza głównym strumieniem energii lub poza przenoszeniem siły – mo

ż

na zrealizowa

ć

pro

ś

ciej, lepiej lub taniej

na drodze cyfrowo-elektronicznej.

Etap 3:

Etap 3: Wybór sensoryki, aktuatoryki i energii pomocniczej
Istotn

ą

rol

ę

podczas podziału na funkcje podstawowe odgrywaj

ą

zastosowane sensory (a przez to technika pomiarowa) i

aktuatory oraz przynale

ż

na energia pomocnicza, jako interfejsy mi

ę

dzy procesem i elektronik

ą

. Rozpatruje si

ę

przy tym czy

przez uzupełnienie wielko

ś

ci pomiarowych i nastawczych mo

ż

na dodatkowo wpływa

ć

na proces w celu, np. zwi

ę

kszenia

wydajno

ś

ci czy niezawodno

ś

ci, rozszerzenia zakresu pracy czy realizacji nowych funkcji. Uzupełnienie procesu wi

ę

ksz

ą

liczb

ą

sensorów czy aktuatorów zwi

ę

ksza liczb

ę

stopni swobody, a przez to elastyczno

ść

i zdolno

ść

dopasowywania si

ę

pierwotnej konstrukcji podstawowej. Wybieraj

ą

c sensory dla mierzonych wielko

ś

ci elektrycznych (np. napi

ę

cie, pr

ą

d,

nat

ęż

enie pola) i wielko

ś

ci mechanicznych (np. droga, pr

ę

dko

ść

, przyspieszenie, siła, moment obrotowy, ci

ś

nienie) oraz

termicznych (np. temperatura), rozpatruje si

ę

rzecz z wielu punktów widzenia. W tym kontek

ś

cie szczególne znaczenie w

systemach mechatronicznych maj

ą

takie cechy, jak: integracja z procesem, dynamika, rozdzielczo

ść

, funkcjonalno

ść

mechaniczna i termiczna, niewielkie zu

ż

ycie, bezdotykowo

ść

, miniaturyzacja i łatwe przej

ś

cie do cyfrowego przetwarzania

sygnałów. Interesuj

ą

ca jest równie

ż

integracja funkcji sensorycznych i przetwarzania sygnału w jednym wspólnym no

ś

niku

sygnału. Mo

ż

e to zwi

ę

kszy

ć

niezawodno

ść

, umo

ż

liwi

ć

bezpo

ś

rednie przej

ś

cie do sygnałów cyfrowych lub magistral

systemowych oraz pomóc przeprowadzi

ć

(zdecentralizowane) przetwarzanie sygnału, np. filtrowanie, linearyzacj

ę

, korekcj

ę

wielko

ś

ci zakłócaj

ą

cych („inteligentne” komponenty sensora). Okre

ś

lone z przetwarzania informacji wielko

ś

ci nastawcze

maj

ą

niewielk

ą

energi

ę

i dlatego s

ą

one przetwarzane przez aktuatory w strumienie energii procesowej. Istotnymi

elementami konstrukcyjnymi s

ą

: nap

ę

d nastawczy i człon nastawczy. Moc, wymagana do nastawienia, pobierana jest w

postaci mocy pomocniczej – elektrycznej, pneumatycznej lub hydraulicznej. Wa

ż

na jest tutaj konstrukcyjna integracja

aktuatorów z procesem. Ich obszary zastosowania wynikaj

ą

z wielu wła

ś

ciwo

ś

ci, np. z rodzaju energii pomocniczej,

liniowo

ś

ci lub nieliniowo

ś

ci charakterystyk, dynamiki, translacyjnej lub rotacyjnej wielko

ś

ci wyj

ś

ciowej, proporcjonalnej lub

całkowej charakterystyki, siły nastawiania, drogi nastawiania, szybko

ś

ci nastawiania, stosunku mocy do ci

ęż

aru. Przez

oparte na modelu przetwarzanie informacji mo

ż

na skompensowa

ć

niektóre negatywne cechy w postaci regulacji cyfrowej i

implementowa

ć

wczesne rozpoznawanie uszkodze

ń

.

20

Etap 4:

Etap 4: Ustalenie podstawowych funkcji przetwarzania informacji
Na podstawie wybranych wielko

ś

ci mierzonych i nastawianych mo

ż

na ustali

ć

podstawowe funkcje przetwarzania

informacji. Na najni

ż

szym poziomie jest to sterowanie i regulacja, na

ś

rednim – nadzór z wczesnym rozpoznawaniem

bł

ę

dów i ewentualnie diagnoz

ą

bł

ę

dów, a na wy

ż

szych poziomach – ogólne zarz

ą

dzanie procesem np. z zadaniami

koordynacji, optymalizacji ró

ż

nych stanów pracy (start, praca, stop) itd. Do projektu tych funkcji i do parametryzacji

algorytmów potrzebna jest obszerna wiedza o procesie. Istotne s

ą

tutaj te statyczne i dynamiczne charakterystyki

procesu, na które mo

ż

na wpływa

ć

konstrukcyjnie. Przez korzystne konstrukcyjne ukształtowanie procesu mo

ż

na silnie

wpływa

ć

na osi

ą

galn

ą

jako

ść

sterowania, regulacji, optymalizacji itd. Czyni si

ę

to najlepiej przez teoretyczne modelowanie

komponentów. Przetwarzanie informacji w systemach mechatronicznych jest bardzo ró

ż

norodne.

Etap 5:

Etap 5: Ustalenie interfejsu człowiek-maszyna HMI
Powstaje równie

ż

wiele nowych mo

ż

liwo

ś

ci dla sposobu obsługi i ukształtowania interfejsu mi

ę

dzy człowiekiem i maszyn

ą

.

Dotyczy to np. przedstawienia informacji w postaci wła

ś

ciwie ukształtowanych wy

ś

wietlaczy lub ekranów oraz

elektronicznie dopasowanych elementów obsługowych, takich jak np. pulpity, koła kierownicze, dr

ąż

ki czy pedały.

Etap 6:

Etap 6: Wybór architektury sprz

ę

tu komputerowego

Architektura sprz

ę

tu komputerowego charakteryzuje si

ę

wieloma mo

ż

liwo

ś

ciami wynikaj

ą

cymi z rozwoju mikroelektroniki.

W przypadku mniejszych systemów mechatronicznych w gr

ę

wchodz

ą

głównie procesory standardowe lub specjalizowane

układy przeł

ą

czaj

ą

ce. W realizacjach ze sprz

ę

tem standardowym preferuje si

ę

mikroprocesory, bo s

ą

one uniwersalne i

elastyczne w stosowaniu. W poł

ą

czeniu z takimi modułami zewn

ę

trznymi, jak moduł pami

ę

ci RAM/ROM, sterowniki

(kontrolery) urz

ą

dze

ń

peryferyjnych, moduły do wysterowania, rejestratory warto

ś

ci pomiarowych oraz koprocesory

arytmetyczne, powstaj

ą

odpowiednie karty komputerowe dopasowane do problemu. Komponentami specjalnie

zaprojektowanymi dla przetwarzania danych w czasie rzeczywistym s

ą

tzw. mikrokontrolery, w których wszystkie wa

ż

ne

elementy s

ą

zintegrowane w jednym chipie. Specjaln

ą

architektur

ę

do maksymalnego przepływu danych podczas działa

ń

arytmetycznych maj

ą

tzw. procesory sygnałowe DSP, które wymagaj

ą

jednak dodatkowego interfejsu procesowego. Obok

procesorów standardowych coraz wi

ę

ksz

ą

rol

ę

odgrywaj

ą

układy przeł

ą

czaj

ą

ce projektowane dla konkretnych zastosowa

ń

(ASIC). W układach tych na jednym chipie umieszczone s

ą

pełne systemy mikrokomputerowe, dopasowane do danego

problemu. Rozró

ż

nia si

ę

tu programowalne urz

ą

dzenia logiczne (PLD), odpowiednie dla prototypów lub małych serii oraz

tzw. semi-custom-devices (np. gate-arrays) dla

ś

rednich serii i tzw. custom-devices dla du

ż

ych serii produktu. Elementy

mikroelektroniczne, naniesione bezpo

ś

rednio na systemy mechaniczne, podlegaj

ą

wysokim obci

ąż

eniom mechanicznym i

cieplnym, a mog

ą

by

ć

tak

ż

e zabrudzone przez kurz, wod

ę

, olej. Dlatego decyduj

ą

ce znaczenie ma mechaniczne

powi

ą

zanie tych elementów z systemem. W wi

ę

kszych systemach mechatronicznych stosowane s

ą

architektury

podzielone hierarchicznie z komponentami mikroelektroniki powi

ą

zanymi odpowiednimi systemami magistral.

Etapy 4 – 6 rozwoju systemu mechatronicznego

Etap 7:

Etap 7: Projekt oprogramowania
Oprogramowanie jest projektowane metodycznie, według zasad in

ż

ynierii oprogramowania. Rozró

ż

nia si

ę

przy

tym in

ż

ynieri

ę

wymaga

ń

(ang. requirements-engineering), w której skład wchodz

ą

: postawienie zadania,

wymagania i zorientowana na zastosowanie koncepcja rozwi

ą

zania; sporz

ą

dzenie struktury oprogramowania

wraz z ustaleniem j

ę

zyka (zale

ż

nego od procesora) i na koniec implementacja (kodowanie) z testami i walidacj

ą

.

Etap 8:

Etap 8: Funkcjonalna integracja procesu i elektroniki
Podczas funkcjonalnej integracji procesu i elektroniki nale

ż

y rozró

ż

nia

ć

integracj

ę

hardware’ow

ą

(z punktu

widzenia sprz

ę

tu komputerowego), integracj

ę

konstrukcyjn

ą

komponentów oraz integracj

ę

software’ow

ą

(przetwarzanie informacji). Po przej

ś

ciu przez etapy 2-7 nale

ż

y tutaj jeszcze raz rozpatrzy

ć

system jako cało

ść

i

podział funkcji mi

ę

dzy proces i przetwarzanie informacji oraz, ewentualnie, dokona

ć

modyfikacji w cyklu

iteracyjnym. Typowymi mechatronicznymi punktami widzenia s

ą

przy tym np. tłumienie elektroniczne, linearyzacja

przez algorytmy, wpływanie na wielko

ś

ci niemierzalne, wła

ś

ciwo

ś

ci ucz

ą

ce itp.

Etap 9:

Etap 9: Uproszczenie konstrukcji podstawowej
Nale

ż

y teraz sprawdzi

ć

, czy mo

ż

na upro

ś

ci

ć

konstrukcj

ę

podstawow

ą

? Na przykład jej kinematyk

ę

(przez

zdecentralizowane, oddzielne silniki nap

ę

dowe, przez odrzucenie liniowych przekładni mechanicznych) i

kompensacj

ę

nieliniowej charakterystyki (przez odpowiednie algorytmy), przez zastosowanie konstrukcji lekkich,

usuni

ę

cie mechanicznych członów tłumienia lub pami

ę

ci po

ś

redniej i tłumienia na drodze elektronicznej oraz

przez mniejsze wymagania co do precyzji sterowanych przebiegów przez pomiar i regulacj

ę

.

Etap 10:

Etap 10: Podniesienie niezawodno

ś

ci i bezpiecze

ń

stwa

Z powodu rosn

ą

cego obszaru funkcji, spełnianych w systemach mechatronicznych przez sensoryk

ę

,

mikroelektronik

ę

i aktuatoryk

ę

, coraz wi

ę

ksze znaczenie ma niezawodno

ść

i bezpiecze

ń

stwo. Zaczyna si

ę

to z

reguły od metod wczesnego rozpoznawania uszkodze

ń

we wszystkich komponentach, szczególnie cz

ęś

ciach

elektronicznych. Niezawodno

ść

, ogólnie bior

ą

c, mo

ż

na poprawi

ć

dwoma przedsi

ę

wzi

ę

ciami: perfekcj

ą

i

tolerancj

ą

. Perfekcja polega na unikaniu uszkodze

ń

i awarii przez odpowiednie rozplanowanie, wysok

ą

jako

ść

,

mniej poł

ą

cze

ń

kablowych, sprawdzanie itd. Tolerancja powinna chroni

ć

przed skutkami bł

ę

dów i awarii. Do tego

mo

ż

na zastosowa

ć

ró

ż

ne zasady redundancji (nadmiarowo

ś

ci) w celu tolerowania uszkodze

ń

, np. w sprz

ę

cie

komputerowym przez redundancj

ę

statyczn

ą

, dynamicznie pasywn

ą

czy dynamicznie aktywn

ą

. Celem takiego

działania jest utrzymanie pracy systemu lub osi

ą

gni

ę

cie bezpiecznego stanu procesu. Do tego mog

ą

słu

ż

y

ć

równie

ż

przedsi

ę

wzi

ę

cia rekonfiguracyjne, a wi

ę

c np. zmiany struktury w przypadku pracy awaryjnej.

Etapy 7 – 10 rozwoju systemu mechatronicznego

21

Etapy 11 – 12 rozwoju systemu mechatronicznego

Etap 11:

Etap 11: Dopasowanie komponentów przez specjalistyczne narz

ę

dzia

projektowania

Systematyczne, wzajemnie zgrane projektowanie wszystkich komponentów
systemu mechatronicznego ułatwiaj

ą

specjalistyczne narz

ę

dzia projektowania.

Dotyczy to szczególnie równoległego (współbie

ż

nego) w czasie opracowywania

komponentów. Mo

ż

na przy tym zastosowa

ć

np. nast

ę

puj

ą

ce systemy

oprogramowania: projekt konstrukcyjny komponentów mechanicznych i
elektrycznych (CAD, CAE), modelowanie charakterystyk statycznych i
dynamicznych, identyfikacja i szacowanie parametrów, komputerowo
wspomagane projektowanie regulacji, symulacja systemu całkowitego i tzw.
symulacja HIL (ang. hardware-in-the-loop) do opracowania i wypróbowania
komponentów.

Etap 12:

Etap 12: Eksperymentalna weryfikacja systemu

Eksperymentalna weryfikacja systemu mechatronicznego dotyczy zarówno
sprawdzenia funkcji oraz niezawodno

ś

ci i bezpiecze

ń

stwa za pomoc

ą

sprawdzonych metod badania jako

ś

ci. Cz

ę

sto stosuje si

ę

do tego celu

stanowiska badawcze, a tak

ż

e przebiegi próbne w normalnej eksploatacji.

Szczególnie wa

ż

na jest tutaj wspomagana komputerowo technika bada

ń

eksperymentalnych.

Rozwój dowolnego systemu mechatronicznego mo

ż

na rozpatrywa

ć

jako proces zawieraj

ą

cy nast

ę

puj

ą

ce fazy:

1. Okre

ś

lenie zapotrzebowania – proces rozwoju rozpoczyna si

ę

od rozpoznania mo

ż

liwego zapotrzebowanie

na wyroby ze strony kupuj

ą

cego lub klienta. Mo

ż

e si

ę

to odbywa

ć

np. przez badania rynkowe w celu

stwierdzenia wymaga

ń

potencjalnych klientów.

2. Analiza problemu – pierwsza faza rozwoju koncepcji wyrobu (zespołu, systemu) obejmuje identyfikacj

ę

mo

ż

liwo

ś

ci postawienia zada

ń

, tj. ich analiz

ę

. Chodzi przy tym o wa

ż

n

ą

faz

ę

, poniewa

ż

gdy problem nie

zostanie dokładnie zdefiniowany to działania, które b

ę

d

ą

nast

ę

pnie prowadzone spowoduj

ą

poniesienie

niepotrzebnych nakładów (czasu i kosztów).

3. Utworzenie specyfikacji – po przeprowadzeniu analizy mo

ż

na sporz

ą

dzi

ć

specyfikacj

ę

wymaga

ń

.

W specyfikacji sformułowany jest problem, uwzgl

ę

dnione ograniczenia dotycz

ą

ce jego rozwi

ą

zania oraz

wymienione kryteria, które nale

ż

y wzi

ąć

pod uwag

ę

przy ocenie jako

ś

ci koncepcji rozwi

ą

zania. Razem z

postawieniem zadania powinny by

ć

równie

ż

wyspecyfikowane wszystkie wymagane funkcje systemu oraz

po

żą

dane własno

ś

ci. Mog

ą

to by

ć

np. dane dotycz

ą

ce wymaganej masy, wymiarów (gabarytów), typów i

wymaganego zakresu ruchów oraz dokładno

ś

ci, wymaga

ń

cz

ęś

ci (zespołów) składowych, interfejsów,

zapotrzebowania mocy, warunków pracy oraz istotnych standardów i praktycznych zasad post

ę

powania.

4. Pokazanie mo

ż

liwo

ś

ci rozwi

ą

zania – ta faza jest cz

ę

sto nazywana faz

ą

konceptualn

ą

. Tworzone s

ą

szkicowe rozwi

ą

zania, które s

ą

wystarczaj

ą

ce do tego,

ż

eby pokaza

ć

mo

ż

liwo

ś

ci uzyskania wymaganych

funkcji, np. przybli

ż

one wielko

ś

ci, kształty, materiały i koszty. Ta faza obejmuje równie

ż

poszukiwanie

odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób podobne zadania zostały wcze

ś

niej rozwi

ą

zane.

5. Wybór odpowiedniego rozwi

ą

zania – oceniane s

ą

ró

ż

ne mo

ż

liwo

ś

ci rozwi

ą

za

ń

i wybierane z nich najlepsze

rozwi

ą

zanie.

6. Opracowanie szczegółowego projektu – w tej fazie wykonywany jest szczegółowy projekt systemu. Mo

ż

e to

tak

ż

e wymaga

ć

wytworzenia modeli lub prototypów, aby okre

ś

li

ć

optymalne szczegóły rozwi

ą

zania.

7. Wykonanie dokumentacji wytwórczej – z wybranego projektu jest nast

ę

pnie wykonywana dokumentacja

zwi

ą

zana z wytwarzaniem (np. rysunki wykonawcze cz

ęś

ci), schematy układów itp., która stanowi podstaw

ę

wytwarzania systemu mechatronicznego.

Fazy procesu rozwoju wyrobów

22

Projektowanie systemu mechatronicznego jest zło

ż

onym procesem z interakcjami pomi

ę

dzy

wieloma obszarami i dziedzinami. Rozpatruje si

ę

podstaw

ę

budowy i działania wyrobów

mechatronicznych jako powi

ą

zanie mechaniki, elektroniki i technik komputerowych. I tak np. waga

łazienkowa mo

ż

e by

ć

zbudowana na zasadzie

ś

ciskania spr

ęż

yny z mechanizmem do

przetwarzania ruchu w obrót wałka i wynikaj

ą

cego z tego ruchu wskazówki na skali pomiarowej.

Problemem, który musi by

ć

uwzgl

ę

dniony podczas rozwoju wagi jest to,

ż

e wskazywany ci

ęż

ar

nie mo

ż

e zale

ż

e

ć

od pozycji człowieka na wadze. Przy pomocy mechatroniki mo

ż

na wzi

ąć

pod

uwag

ę

inne mo

ż

liwo

ś

ci budowy wagi łazienkowej. I tak np. spr

ęż

yny mo

ż

na zast

ą

pi

ć

elementami

czujnikowymi z tensometrami. Sygnały wielko

ś

ci wyj

ś

ciowych z mostka tensometrycznego za

pomoc

ą

mikroprocesora mog

ą

wskazywa

ć

ci

ęż

ar na wy

ś

wietlaczu ciekłokrystalicznym LCD.

Dzi

ę

ki temu zbudowane w taki sposób wagi s

ą

prostsze pod wzgl

ę

dem mechanicznym, gdy

ż

zawieraj

ą

one mniej zespołów i ruchomych cz

ęś

ci. Zło

ż

one zadania s

ą

przy tym przenoszone na

oprogramowanie.

Konwencjonalnym sposobem regulacji temperatury w domowej instalacji centralnego ogrzewania
jest umieszczenie termostatu z bimetalu w obwodzie regulacji. Je

ż

eli zmienia si

ę

temperatura w

mieszkaniu, to zmienia si

ę

tak

ż

e odkształcenie elementów bimetalicznych, które jest

wykorzystywane do uruchomienia wył

ą

cznika instalacji grzewczej. Natomiast rozwi

ą

zaniem

mechatronicznym tego problemu mogłoby by

ć

zastosowanie sterowanego mikroprocesorowo

układu np. z termo-diod

ą

jako sensorem. Taki system, w porównaniu z termostatem

bimetalicznym, ma wiele zalet. Termostat bimetaliczny jest stosunkowo prymitywny i temperatura
nie jest dokładnie regulowana. Ponadto opracowanie metod do uzyskiwania ró

ż

nych temperatur

w ró

ż

nych okresach czasu z takim czujnikiem jest zło

ż

one i trudne w realizacji. System

mikroprocesorowy mo

ż

e natomiast łatwo zapewni

ć

dokładno

ść

i przebieg czasowy regulacji

temperatury. Zatem taki system jest znacznie bardziej elastyczny w porównaniu z
konwencjonalnymi układami.

Systemy konwencjonalne i mechatroniczne

Model post

ę

powania / model procesu:

Model post

ę

powania / model procesu:



model post

ę

powania okre

ś

la, w jaki sposób s

ą

zorganizowane poszczególne fazy w procesie rozwoju,



przykłady:

- model kaskadowy (wodospadowy),

- model V,

- model spiralny,

- model prototypów,

- zunifikowany proces (ang. Unified Process),

- model pomocniczy.

Modele rozwoju oprogramowania

23

Model kaskadowy



Ka

ż

da aktywno

ść

jest przeprowadzana w odpowiedniej kolejno

ś

ci i

pełnym zakresie,



P

ę

tle sprz

ęż

enia zwrotnego pomi

ę

dzy stopniami:

- sprz

ęż

enia zwrotne s

ą

ograniczone do okre

ś

lonych stopni,



Wyniki uzyskane w jednej fazie maj

ą

wpływ na nast

ę

pn

ą

faz

ę

(tak jak w

kaskadzie),



Zalety:

- jasne zadania dla ka

ż

dej z faz,

- dokładne planowanie przy małych nakładach,



Wady:

- wymagania na pocz

ą

tku s

ą

cz

ę

sto bardzo niejasne

i niestabilne,

- powrót do wcze

ś

niejszej fazy wi

ąż

e si

ę

z du

ż

ymi nakładami,

- problemy s

ą

rozpoznawane z opó

ź

nieniem

.

Wymagania systemowe

Wymagania oprogramowania

Analiza

Projektowanie

Kodowanie

Testowanie

Eksploatacja



Rozwój odbywa si

ę

po spirali od

ś

rodka na zewn

ą

trz,



Ka

ż

da spirala jest iteracyjnym,

ewolucyjnym cyklem z jednakowymi
fazami,



Cele cyklu oraz ocena ryzyka s

ą

okre

ś

lane z wyników ostatniego cyklu.





Zalety:

Zalety:

- minimalizacja ryzyka we wszystkich
fazach i dla wszystkich składników,

- model elastyczny: model post

ę

powania

jest okre

ś

lony oddzielnie dla ka

ż

dego

cyklu i ka

ż

dego składnika.





Wady:

Wady:

- wysokie nakłady na zarz

ą

dzanie,

poniewa

ż

cz

ę

sto uzyskuje si

ę

nowe

rozstrzygni

ę

cia.

Model spiralny rozwoju oprogramowania

Analiza

Analiza

Projekt

Projekt

Zastosowanie

Zastosowanie

Realizacja

Realizacja

24

Historyczny rozwój metod programowania

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

Rok

Programowanie jako sztuka

Strukturalne/ zorientowane na funkcje

Zorientowane obiektowo

Oparte na komponentach

Zorientowane agentowo

Bastein?

Systematyczne

opracowywanie od nowa

Konfigurowanie Samoorganizacja

Metamodel komponentu mechatronicznego

Obiekt

mechatroniczny

Obiekt

mechatroniczny

Zespół

Zespół

Obiekt

konstrukcyjny

Obiekt

konstrukcyjny

Pod-

zespół

Pod-

zespół

Cz

ęść

Cz

ęść

Materiał

Materiał

Sygnał

Sygnał

Energia

Energia

Komponent

mechaniczny

Komponent

mechaniczny

Komponent

programowy

Komponent

programowy

Komponent

elektryczny

Komponent

elektryczny

Warstwa

Warstwa

Mecha-

nika

Mecha-

nika

Elektro-

nika

Elektro-

nika

Hydrau-

lika

Hydrau-

lika

Stero-

wanie

Stero-

wanie

Warstwa

komponentu

Warstwa

komponentu

Warstwa

funkcji

Warstwa

funkcji

Opis

funkcji

Opis

funkcji

opisuje

opisuje

zawiera

zawiera

zawiera

zawiera

zawiera

z

a

w

ie

ra

z

a

w

ie

ra

jest

jest

jest

jest

jest

je

s

t

je

s

t

je

s

t

je

s

t

je

s

t

je

s

t

je

s

t

ma

je

s

t

ma dost

ę

p do

ma

dost

ę

p do

m

a

d

o

s

t

ę

p

d

o

opisuje

implementuje

im

p

le

m

e

n

tu

je

im

p

le

m

e

n

tu

je