MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1

background image

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

Materiały do wykładu „

Wst

ę

p do

Wst

ę

p do

mechatroniki

mechatroniki

Dr in

ż

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

Cz

ęść

1 (1 – 108)

Wrocław, 2009

Mecha

nika + Elek

tron

ika + Informat

yka

=

Mechatronik

Mechatronik

a

a

Mechatroni

Mechatroni

ka

ka

Informatyka

Mikroelektronika

Elektromechanika

Mechanika

Układy elektryczne

Informatyka elektroniczna

Elektronika mocy

Układy adaptacyjne

Teoria stanów

Systemy o wi

ę

kszej zło

ż

ono

ś

ci

Oprogramowanie steruj

ą

ce

Oprogramowanie projektowe

Teoria systemów

i teoria sterowania

Mechatronika - podstawy

background image

2

Pocz

ą

tki mechatroniki:

poj

ę

cie (termin) mechatronika zostało po raz pierwszy u

ż

yte w 1969 r. przez

japo

ń

sk

ą

firm

ę

Firma Yaskava Electric Cooperation,

od 1971 r. poj

ę

cie „mechatronika” było chronione przez t

ą

firm

ę

jako nazwa

handlowa (wtedy pierwotnie rozumiano pod tym uzupełnienie składników
mechanicznych przez układy elektroniczne w takim sprz

ę

cie jak np. aparaty

fotograficzne z lustrzank

ą

),

od1982 r. poj

ę

cie mechatronika jest do swobodnego u

ż

ytku.

Definicja poj

ę

cia mechatroniki

Definicje mechatroniki
Układ (system) mechatroniczny stanowi wyrób ko

ń

cowy procesu optymalizacji, który

musi uwzgl

ę

dnia

ć

ograniczenia ekonomiczne, mechaniczne, wytwórcze, elektryczne,

elektroniczne i informatyczne (H. J. Herpel, 1996).
Mechatronika jest synergiczn

ą

kombinacj

ą

in

ż

ynierii mechanicznej, in

ż

ynierii

elektrycznej i technologii informatycznej w zintegrowanym projektowaniu
zaawansowanych (inteligentnych) układów technicznych w zespołach i maszynach
(IFToMM, 1995).

Jako system mechatroniczny okre

ś

lany jest funkcjonalny i przestrzennie

zintegrowany układ mechaniczno-elektryczny, w którym czujniki (sensory) przyjmuj

ą

informacje, układy mikroprocesorowe przetwarzaj

ą

te informacje, a elementy

wykonawcze (aktuatory) w celowy sposób wytwarzaj

ą

siły lub ruchy, które oddziałuj

ą

na system lub jego otoczenie.

Definicja poj

ę

cia mechatroniki

Mecha

Mecha

Mecha

Mecha

nika

nika

nika

nika

Elek

Elek

Elek

Elek

tron

tron

tron

tron

ika

ika

ika

ika

Informat

Informat

Informat

Informat

yka

yka

yka

yka

Mecha tron ika

Jest to interdyscyplinarny

obszar, w którym
współpracuj

ą

ze sob

ą

nast

ę

puj

ą

ce dyscypliny:

układy mechaniczne

układy mechaniczne
(budowa maszyn,
mechanika precyzyjna,
budowa aparatury),

układy elektroniczne

układy elektroniczne
(mikroelektronika,
elektronika mocy, technika
pomiarowa, aktuatoryka),

informatyka

informatyka (teoria
systemów, automatyzacja,
in

ż

ynieria

oprogramowania, sztuczna
inteligencja).

background image

3

Mechatronika - wst

ę

p

Mechatronika to nauka istniej

ą

ca na styku pi

ę

ciu innych dziedzin wiedzy: mechaniki,

elektroniki, informatyki, automatyki i robotyki.

Przedmiotem zainteresowa

ń

i zastosowa

ń

mechatroniki s

ą

mi

ę

dzy innymi:

• roboty przemysłowe,

• układy sterowania pojazdami,

• nowoczesne zabawki,

• zaawansowany sprz

ę

t gospodarstwa domowego,

• urz

ą

dzenia automatyki i robotyki,

• obrabiarki sterowane numerycznie CNC (ang. Computerized Numerical Control),

• aparatura medyczna,

• technologie mikrosystemów MEMS (ang. Micro-electro-mechanical System) i

MOEMS (ang. Micro-optical-electro-mechanical System),

• obszary pomiarów w zakresie nano,

• mikrotechnologia,

• optyka,

• informatyka.

Typowy diagram mechatroniki

Sterowanie

Oprogramowanie

Mechanika

Elektronika

Sterowanie cyfrowe

Układy
sterowania

Elektromechanika

CAD/CAM

Czujniki

Modelowanie

systemów

Symulacja

Mikrosterowniki

MECHATRONIKA

MECHATRONIKA

Mechatronika jest synergi

ą

ż

nych dziedzin.

background image

4

Historyczny rozwój mechatroniki na

przykładzie samochodów

1970

1980

1990

2000

Mechanika

Mechanika

Elektronika

Mechanika

Elektronika

Informatyka

Informatyka

Elektronika

Mechanika

Mechatronika

Rok

Mikroelektronika

Elektronika mocy

Nap

ę

dy elektryczne

Układy
elektromechaniczne

Systemy
mikromechaniczne

Roboty

Technika pomiarowa

Aktuatoryka

Technika systemów

Przetwarzanie
sygnałów

Technika regulacji
i automatyzacja

Techniki
komputerowe

Sztuczna
inteligencja

Informatyka
stosowana

Pojazdy

Silniki spalinowe

Turbiny

Samoloty

Mechanika techniczna

Dynamika maszyn

Mechanika płynów

Wspomaganie komputerowe
projektowania

MECHATRONIKA

ELEKTRO-
TECHNIKA

INFORMA-

TYKA

BUDOWA

MASZYN

Mechatronika

background image

5

Regulator Watta do maszyny parowej jest przykładem urz

ą

dzenia, w którym funkcje ustawiania warto

ś

ci zadanej,

pomiaru wielko

ś

ci regulowanej i porównania jej z warto

ś

ci

ą

zadan

ą

(przetwarzanie informacji) oraz sterowanie s

ą

realizowane w cało

ś

ci na drodze mechanicznej. Urz

ą

dzenia mechaniczne, które maj

ą

znaczn

ą

ilo

ść

cz

ęś

ci

ruchomych s

ą

kosztowne i kłopotliwe w eksploatacji, a wzrost liczby cz

ęś

ci mechanicznych pogarsza ich

niezawodno

ść

. Alternatyw

ą

dla takich urz

ą

dze

ń

s

ą

systemy mechatroniczne, w których przetwarzanie informacji i

sterowanie jest realizowane przez układy elektroniczne i mikroprocesory. Słowo mechatronika powstało z
poł

ą

czenia cz

ęś

ci słów angielskich MECHAnism i elecTRONICS. Za dat

ę

powstania słowa mechatronika mo

ż

na

przyj

ąć

rok 1969, gdy w firmie Yasakawa Electronic z Japonii wszcz

ę

to starania o uzyskanie mi

ę

dzynarodowej

ochrony dla nazwy mechatronics jako znaku towarowego (z ochrony tej nazwy zrezygnowano w 1982 r.).
W Europie pierwsze wykłady na temat „projektowania zło

ż

onych systemów” (nazwy mechatronika jeszcze nie

u

ż

ywano) prowadzono ju

ż

w latach siedemdziesi

ą

tych XX w. w Szwecji.

Mechatronika jest to synergiczna integracja mechaniki, elektroniki, automatyki i informatyki w procesie
projektowania i wytwarzania produktów.

Mechatronika to synergiczna integracja wielu obszarów wiedzy

Marketing

Wytwarzanie

MECHATRO

MECHATRO

-

-

NIKA

NIKA

Elektronika

analogowa

Czujniki

Elektrotechnika

Mechanika

Komputerowo

wspomagane

projektowanie

CAD

Modelo-

wanie

Symulacja

Sterowanie

cyfrowe

Komputery

Mikroste-

rowniki

Automatyka

Elektroniczne

układy

sterowania

Mechatronika oferuje wprawdzie znaczny potencjał rozwojowy, jednak stawia szczególne wymagania: układy
mechatroniczne ze wzgl

ę

du na sieciowe współdziałanie ró

ż

nych dziedzin wiedzy odznaczaj

ą

si

ę

wysok

ą

zło

ż

ono

ś

ci

ą

. Wynika ona, w porównaniu z układami mechanicznymi, z wi

ę

kszej liczby poł

ą

czonych elementów,

które ponadto s

ą

realizowane w ró

ż

nych specjalno

ś

ciach (heterogeniczno

ść

). Dlatego te

ż

problematyka ta

powinna by

ć

uwzgl

ę

dniana ju

ż

we wczesnych fazach projektowania wyrobów, poniewa

ż

wzajemne

oddziaływanie składników mechanicznych, elektrotechnicznych i informatycznych ma wpływ na ukształtowanie
i przebiegi układu mechatronicznego jako cało

ś

ci.

Rozwój wyrobów odbywał si

ę

dotychczas najcz

ęś

ciej oddzielnie w poszczególnych dziedzinach na podstawie

przyj

ę

tych, specyficznych metod, które były ukształtowane przez własny sposób my

ś

lenia i do

ś

wiadczenia.

Integracja heterogenicznych składników w układ mechatroniczny wymaga jednak wykraczaj

ą

cej poza

dziedziny komunikacji i kooperacji uczestnicz

ą

cych dyscyplin specjalistycznych, aby uzyska

ć

wspólne

wyobra

ż

enie przyszłego wyrobu i opracowa

ć

zoptymalizowane rozwi

ą

zanie. Wraz z rozwojem informatyki

powstało wiele narz

ę

dzi IT (ang. Information Technology), które wspomagaj

ą

projektowanie. Narz

ę

dzia te

umo

ż

liwiaj

ą

wczesne modelowe odwzorowanie i symulacj

ę

układów mechatronicznych.

Dotychczas nie ma jednak ogólnie akceptowanej, jednolitej definicji poj

ę

cia „mechatronika”. Ponadto obserwuje

si

ę

ci

ą

gły rozwój tego poj

ę

cia przez rozszerzanie technologii.

W 1989 r. Schweitzer zdefiniował:

"Mechatronika jest interdyscyplinarn

ą

dziedzin

ą

nauk in

ż

ynierskich, która powstała z klasycznych

dyscyplin takich jak budowa maszyn, elektrotechnika i informatyka. Typowy układ mechatroniczny
przyjmuje sygnały, przetwarza je i wyprowadza po to, aby zamieni

ć

je w siły i ruchy.”

W ten sposób wszystkie postacie czujników, aktuatorów i składników mechanicznych zestawione w
zintegrowany funkcjonalny układ okre

ś

la si

ę

jako mechatronik

ę

. W 1996 r. Harashima, Tomizuka i Fukuda

rozszerzyli to poj

ę

cie:

"[Mechatronika] ... jest synergiczn

ą

integracj

ą

in

ż

ynierii mechanicznej z elektronik

ą

i zaawansowanym

sterowaniem komputerowym podczas projektowania i wytwarzania wyrobów przemysłowych i
procesów”.

Mechatronika – poj

ę

cia podstawowe

background image

6

Dlatego mechatronika odnosi si

ę

nie tylko do integracji funkcyjnej i modułowej, ale tak

ż

e do

zintegrowanego projektowania oraz wytwarzania wyrobów mechatronicznych.

W 1996 r. Van Brussel zmodyfikował i podkre

ś

lił ponaddyscyplinowy sposób post

ę

powania

podczas projektowania układów mechatronicznych: "[Mechatronics needs]... a synergetic
crossfertilization between the different engineering disciplines involved: mechanical
engineering, control engineering, microelectronics and computer science. This is
exactly what mechatronics is aiming at; it is a concurrent-engineering view on machine
design."

W obszarze niemieckoj

ę

zycznym wyst

ę

puje nast

ę

puj

ą

ca definicja zaproponowana przez

Isermann’a: "Mechatronika jest interdyscyplinarn

ą

dziedzin

ą

, w której współdziałaj

ą

nast

ę

puj

ą

ce dyscypliny: układy mechaniczne i poł

ą

czone z nimi układy elektroniczne

oraz technika informatyczna. Układ mechaniczny jest przy tym dominuj

ą

cy w

odniesieniu do funkcji. Oczekiwane s

ą

efekty synergii, które wnosz

ą

wi

ę

cej ni

ż

czyste

sumowanie dyscyplin."

Rdzeniem nowoczesnego rozumienia mechatroniki jest zatem efekt synergiczny ró

ż

nych

technologii. Rozstrzygaj

ą

ce znaczenie maj

ą

zatem nie poszczególne technologie, lecz ich

kombinacja, która umo

ż

liwia to,

ż

e układ optymalnie spełnia swoje zadanie lub mo

ż

na

zrealizowa

ć

nowe funkcjonalno

ś

ci. Integracja technologii musi nast

ą

pi

ć

ju

ż

na pocz

ą

tku

rozwoju wyrobu w pierwszej fazie specyfikacji.

Najkrótsza i najcz

ęś

ciej u

ż

ywana definicja - przyj

ę

ta przez IFToMM

(

International Federation

for the Theory of Machines and Mechanism

)

- okre

ś

la mechatronik

ę

jako synergiczn

ą

kombinacj

ę

mechaniki precyzyjnej, elektronicznego sterowania i systemowego

my

ś

lenia przy projektowaniu produktów i procesów produkcyjnych.

Mechatronika – poj

ę

cia podstawowe c.d.

Obecnie przez mechatronik

ę

rozumie si

ę

działalno

ść

in

ż

yniersk

ą

obejmuj

ą

c

ą

projektowanie, badania oraz eksploatacj

ę

maszyn i urz

ą

dze

ń

, w których

wyst

ę

puje wysoki poziom integracji funkcjonalnej układów mechanicznych z

elektronik

ą

i sterowaniem komputerowym. Mechatronika jest dziedzin

ą

interdyscyplinarn

ą

, ł

ą

cz

ą

c

ą

w sposób synergiczny wiedz

ę

z klasycznej

budowy maszyn, hydrauliki, pneumatyki, elektrotechniki, elektroniki, optyki i
informatyki.

Celem mechatroniki jest poprawianie (doskonalenie) funkcjonalno

ś

ci

systemów technicznych oraz tworzenie nowych koncepcji maszyn i urz

ą

dze

ń

z wbudowan

ą

"sztuczn

ą

inteligencj

ą

".

W literaturze przedmiotu spotka si

ę

wiele definicji mechatroniki. Prawie we

wszystkich z nich kładzie si

ę

nacisk na funkcjonaln

ą

integracj

ę

mechanicznych układów wykonawczych z elektronik

ą

i sterowaniem

komputerowym.

I tak np. według Heimann B., Gerth W., Popp K.: „Mechatronika obejmuje
programowalne urz

ą

dzenia elektroniczne i systemy elektromechaniczne

o wbudowanej, rozproszonej strukturze sensorów, przetwarzania
sygnałów, aktuatorów i komunikacji".

Mechatronika – poj

ę

cia podstawowe c.d.

background image

7

Pod koniec lat siedemdziesi

ą

tych XX w. dokonano w Japonii klasyfikacji

urz

ą

dze

ń

mechatronicznych na 4 grupy ró

ż

ni

ą

ce si

ę

stopniem integracji

podsystemów elektronicznych i mikroprocesorowych z mechanik

ą

:

1. urz

ą

dzenia mechaniczne uzupełnione o układy elektroniczne dla poprawy

ich funkcjonalno

ś

ci,

2. znaczna poprawa funkcjonalno

ś

ci urz

ą

dze

ń

mechanicznych (np. maszyny

szwalniczej) uzyskana przez wbudowanie układów elektronicznych, ale
bez zmiany ich tradycyjnego, mechanicznego interfejsu,

3. całkowite zast

ą

pienie mechanizmów wewn

ę

trznych urz

ą

dzenia przez

układ elektroniczny (np. zegarek cyfrowy),

4. synergiczna integracja elementów mechanicznych i elektronicznych (w

tym sterowania) w nowych jako

ś

ciowo urz

ą

dzeniach (np. kserokopiarka).

Synergia

to współdziałanie kilku czynników daj

ą

ce ł

ą

czny efekt

skuteczniejszy ni

ż

suma ich oddzielnych działa

ń

.

Obecnie przewa

ż

a opinia,

ż

e urz

ą

dzenia mechatroniczne powinny w pełni

spełnia

ć

warunki podane w punkcie (4). Oznacza to,

ż

e mechatronika

jest to synergiczna integracja mechaniki, elektroniki, automatyki i
informatyki w procesie projektowania i wytwarzania produktów.

Mechatronika – poj

ę

cia podstawowe c.d.

Urz

ą

dzenia mechatroniczne s

ą

zintegrowanymi zespołami elementów składowych i

podzespołów spełniaj

ą

cych ró

ż

ne funkcje, działaj

ą

cych na ró

ż

nych zasadach

fizycznych i wykorzystuj

ą

cych ró

ż

ne zjawiska. Ich głównym zadaniem jest

czynno

ść

mechaniczna, a istot

ą

jest mo

ż

liwo

ść

reagowania na bod

ź

ce

zewn

ę

trzne docieraj

ą

ce do urz

ą

dzenia poprzez system czujników. Pomi

ę

dzy

sensorami (czujnikami) a elementami wykonawczymi, znajduj

ą

si

ę

układy

przetwarzania i analizy sygnałów, jak równie

ż

element decyzyjny wyposa

ż

ony w

odpowiedni program działania urz

ą

dzenia.

Urz

ą

dzenia mechatroniczne charakteryzuj

ą

si

ę

nast

ę

puj

ą

cymi cechami:

• multifunkcjonalno

ś

ci

ą

, oznaczaj

ą

c

ą

łatwo

ść

realizacji ró

ż

nych zada

ń

przez jedno

urz

ą

dzenie, np. przez zmian

ę

oprogramowania;

• inteligencj

ą

, oznaczaj

ą

c

ą

mo

ż

liwo

ść

podejmowania decyzji i komunikacji z

otoczeniem;

• elastyczno

ś

ci

ą

, czyli łatwo

ś

ci

ą

modyfikacji konstrukcji na etapie projektowania,

produkcji oraz eksploatacji urz

ą

dzenia, np. przez zastosowanie konstrukcji

modułowej;

• mo

ż

liwo

ś

ci

ą

niewidocznego dla operatora sposobu działania, co wymaga

zastosowania interfejsu u

ż

ytkownika dla komunikowania si

ę

z operatorem;

• zale

ż

no

ś

ci

ą

od wymaga

ń

rynkowych i mo

ż

liwo

ś

ci technologicznych wykonania.

Mechatronika – podstawy

background image

8

Jednak najwa

ż

niejszym aspektem mechatroniki jest to,

ż

e maszyny i

urz

ą

dzenia

mechatroniczne

s

ą

wyrazem na

ś

ladownictwa przyrody

(bionika). W otoczeniu naturalnym takie układy s

ą

powszechne i

umo

ż

liwiaj

ą

funkcjonowanie istot

ż

ywych w zmiennych warunkach

naturalnego

ś

rodowiska.

Istotn

ą

cech

ą

urz

ą

dze

ń

mechatronicznych jest zdolno

ść

do wiernego

przetwarzania

i

przekazywania

informacji

(w

formie

sygnałów

mechanicznych, elektrycznych, pneumatycznych, optycznych i innych),
przy jednoczesnym wysokim stopniu automatyzacji tych urz

ą

dze

ń

.

Systemy mechatroniczne wyposa

ż

one s

ą

w czujniki zbieraj

ą

ce sygnały ze

swojego otoczenia, programowalne układy przetwarzania i interpretacji
tych sygnałów oraz zespoły komunikacyjne i urz

ą

dzenia wykonawcze

oddziałuj

ą

ce odpowiednio na otoczenie. Ich inteligencja polega na

reagowaniu na polecenia człowieka i otoczenia oraz przekazywaniu
informacji zwrotnych i realizowaniu tych polece

ń

.

Projektowanie urz

ą

dze

ń

mechatronicznych, ich budowa, u

ż

ytkowanie,

analiza pracy i diagnostyka eksploatacyjna, wymagaj

ą

specjalnego

podej

ś

cia

metodycznego

i

systemowego,

niestosowanego

w

konwencjonalnych dziedzinach techniki, np. w mechanice.

Mechatronika – podstawy

Mechatronika jest synergicznym poł

ą

czeniem mechaniki precyzyjnej, elektronicznych układów steruj

ą

cych i

informatyki w celu projektowania, wytwarzania i eksploatacji inteligentnych systemów automatyki.
Mechatronika nie jest to

ż

sama ani z automatyk

ą

, ani robotyk

ą

, czy te

ż

automatyzacj

ą

produkcji. Mechatronika

mo

ż

e by

ć

uznana za nowoczesne uj

ę

cie technik automatyzacji dla szeroko rozumianych potrzeb in

ż

ynierii i

edukacji. Mo

ż

na przyj

ąć

,

ż

e mechatronika jest interdyscyplinarn

ą

dziedzin

ą

nauki i techniki zajmuj

ą

c

ą

si

ę

generalnie problemami mechaniki, elektroniki i informatyki. Jednak zawiera ona tak

ż

e wiele obszarów para-

mechatronicznych, które tworz

ą

fundament mechatroniki i pokrywaj

ą

wiele znanych dyscyplin, takich jak:

elektrotechnika, energoelektronika, technika cyfrowa, technika mikroprocesorowa, techniki regulacyjne i inne.

Mechatronika zacz

ę

ła si

ę

dynamicznie rozwija

ć

dopiero w latach 80. XX w. i to głównie ze wzgl

ę

du na

wymagania rynku. Natomiast elementy elektryczne i elektroniczne w układach mechanicznych zacz

ę

to

wprowadza

ć

ju

ż

w latach czterdziestych XX w., a urz

ą

dzenia z tego okresu mo

ż

na nazwa

ć

pierwsz

ą

generacj

ą

mechatroniki. Rozwój informatyki od pocz

ą

tku lat 70. XX w. spowodował,

ż

e logiczne i decyzyjne

elementy elektroniczne zacz

ę

to zast

ę

powa

ć

mikroprocesorami z odpowiednim oprogramowaniem. Etap ten

mo

ż

na uzna

ć

za drug

ą

generacj

ę

mechatroniki. Lata 80. przyniosły dalszy jej rozwój, zmierzaj

ą

cy w kierunku

uzyskania zintegrowanych elementów zapewniaj

ą

cych funkcjonowanie skomplikowanych urz

ą

dze

ń

, maszyn i

systemów.

Zapocz

ą

tkowało to rozwój mechatroniki trzeciej generacji, przedmiotem zainteresowania której s

ą

urz

ą

dzenia charakteryzuj

ą

ce si

ę

wielofunkcyjno

ś

ci

ą

i du

żą

zło

ż

ono

ś

ci

ą

konstrukcji. Uwa

ż

a si

ę

,

ż

e pierwszym

wyrobem mechatronicznym była obrabiarka sterowana numerycznie NC (ang. Numerical Control) do produkcji

ś

migieł helikoptera, skonstruowana w MIT (ang. Massachusetts Institute of Technology, USA) w 1952 r.

Do podstawowych produktów mechatronicznych mo

ż

na zaliczy

ć

drukarki laserowe lub atramentowe,

kserokopiarki nowej generacji, sterowane cyfrowo maszyny do szycia i maszyny dziewiarskie, elektronicznie
sterowany silnik spalinowy, ró

ż

ne systemy (np. przeciwblokuj

ą

ce i przeciwpo

ś

lizgowe) w technice

samochodowej, obrabiarki sterowane numerycznie, roboty i manipulatory itp. Produktami mechatronicznymi
s

ą

miniaturowe kamery video, odtwarzacze CD i wiele mikromaszyn, ale równie

ż

du

ż

e maszyny rolnicze i

drogowe nowej generacji oraz wielkogabarytowe systemy i linie produkcyjne.

Mechatronika - podstawy

background image

9

Mechatronika pozwala na uzyskanie o wiele wi

ę

kszych efektów ani

ż

eli konwencjonalnie

realizowany rozwój i działanie elektromechanicznych lub elektroniczno-mechanicznych układów
z sumowanym i najcz

ęś

ciej dodatkowym uzupełnieniem biernych mechanicznych struktur za

pomoc

ą

wspomaganych programowo i elektronicznie sterowanych (regulowanych) składników.

Systemy

mechatroniczne

pozostaj

ą

pod silnym wpływem realizowanego od pocz

ą

tku

interdyscyplinarnego projektowania, konstrukcji i rozwoju zło

ż

onych urz

ą

dze

ń

, systemów i

instalacji. Dzi

ę

ki temu uzyskuje si

ę

całkowicie nowe, cz

ęś

ciowo nawet zaskakuj

ą

ce mo

ż

liwo

ś

ci

techniczne, umo

ż

liwiaj

ą

ce przesuni

ę

cie funkcjonalno

ś

ci z biernych struktur mechanicznych do

aktywnych,

sterowanych

programowo

elektronicznych

składników,

w

poł

ą

czeniu

z

zaawansowanymi (inteligentnymi) czujnikami i aktuatorami oraz elektronicznym przetwarzaniem
informacji z odpowiednim oprogramowaniem.

Przykładami systemów mechatronicznych w przemy

ś

le samochodowym s

ą

: elektroniczne

zarz

ą

dzanie silnikiem, układ zapobiegaj

ą

cy blokowaniu kół podczas hamowania (ABS), układ

przeciwdziałaj

ą

cy po

ś

lizgom (ASR) oraz układ regulacji dynamiki jazdy (FDR).

Natomiast przykładami układów mechatronicznych w budowie maszyn i instalacji s

ą

: pracuj

ą

ce

w znacznym stopniu autonomicznie roboty przemysłowe, urz

ą

dzenia z samoczynnymi układami

mocowania, narz

ę

dzia z samoczynnym, automatycznym nastawianiem oraz bezstykowo

regulowane ło

ż

yska powietrzne i magnetyczne.

W przemy

ś

le elektrotechnicznym, elektronicznym i komputerowym przykładami systemów

mechatronicznych s

ą

: nowe generacje przyrz

ą

dów pomiarowych, układy pomiarowe, czujniki,

aktuatory, kamery wideo, comcordery, dyski twarde, drukarki, plotery i kserografy.

Rozwój tego rodzaju nowoczesnych wyrobów wi

ąż

e si

ę

realizacj

ą

trudnych zada

ń

o bardzo

wysokich wymaganiach dotycz

ą

cych opanowania i stosowania najnowszych technologii z

obszaru: mechaniki, elektroniki/ mikroelektroniki i informatyki, aktuatoryki, sensoryki, optyki oraz
techniki mikrosystemów i fotoniki.

Mechatronika – podstawy

Definicja poj

ę

cia mechatronika

Klasyczna mechanika zajmuje si

ę

problemem, jaki ruch wykonuje ciało, je

ż

eli działa na nie

okre

ś

lona siła w warunkach wyst

ę

puj

ą

cych wi

ę

zów. Jednak obecnie, w odniesieniu do układów

cz

ę

sto rozpatruje si

ę

odwrotne sformułowanie problemu, tzn. jaka siła musi działa

ć

na ciało, aby

uzyska

ć

okre

ś

lony jego ruch tak

ż

e w warunkach działania zakłóce

ń

. Realizacja techniczna

takiego syntetycznego zadania wymaga wł

ą

czenia do mechaniki tak

ż

e innych dyscyplin takich

jak elektrotechnika, elektronika i informatyka.

Wszystkie definicje mechatroniki ł

ą

czy to,

ż

e okre

ś

laj

ą

j

ą

jako interdyscyplinarny sposób

post

ę

powania podczas rozwoju wyrobów oraz współdziałanie składników z poszczególnych

obszarów w celu uzyskania funkcjonalno

ś

ci tych wyrobów. Je

ż

eli jednak wcze

ś

niej na plan

pierwszy wysuwał si

ę

wyrób mechatroniczny, to obecnie z mechatronik

ą

s

ą

równie

ż

zwi

ą

zane

przebiegi i zale

ż

no

ś

ci wyst

ę

puj

ą

ce podczas rozwoju i produkcji systemów mechatronicznych.

Mechatronika stanowi nowy rodzaj my

ś

lenia i działania, w którym wszystkie uczestnicz

ą

ce

dyscypliny musz

ą

by

ć

wspólnie rozpatrywane i traktowane. Jest to zatem wi

ę

cej ni

ż

tylko suma

tych obszarów.

Mo

ż

na zatem sformułowa

ć

jeszcze nast

ę

puj

ą

c

ą

definicj

ę

mechatroniki:

Mechatronika jest najwi

ę

ksz

ą

z mo

ż

liwych integracj

ą

mechaniki, elektrotechniki,

elektroniki i informatyki w jednym no

ś

niku funkcji. Obejmuje to zarówno integracj

ę

funkcyjn

ą

, jak i sposób post

ę

powania podczas rozwoju i produkcji wyrobów.

Integracja geometryczna nie jest

ż

adnym koniecznym warunkiem mechatroniki. Pod poj

ę

ciem

no

ś

nika funkcji rozumie si

ę

zamkni

ę

ty układ (system), który nie musi by

ć

koniecznie

umieszczony w jednej obudowie. Przykładem tego jest robot przemysłowy, który za pomoc

ą

kabla jest poł

ą

czony z układem sterowania.

background image

10

Co to jest mechatronika?

Pod poj

ę

ciem mechatroniki rozumie si

ę

interdyscyplinarny rozwój wyrobów, które

ukierunkowane mechanicznie zadania realizuj

ą

przez wykorzystanie przestrzennej i

funkcjonalnej integracji składników mechanicznych, elektrycznych i informatycznych.

Wyroby mechatroniczne odznaczaj

ą

si

ę

uproszczon

ą

konstrukcj

ą

mechaniczn

ą

,

wy

ż

sz

ą

dokładno

ś

ci

ą

, zintegrowanym samo-nadzorowaniem i diagnostyk

ą

ę

dów,

rozszerzonymi warunkami pracy oraz łatwiejsz

ą

obsług

ą

. Uzyskiwana w ten sposób

rozszerzona funkcjonalno

ść

wyrobów jest cz

ę

sto rozstrzygaj

ą

cym czynnikiem

przewagi konkurencyjnej na rynku.

Dzi

ę

ki temu daj

ą

si

ę

wytwarza

ć

w pełni nowe wyroby lub te

ż

wyroby ze znacznie

ulepszonymi własno

ś

ciami, np. w samochodach - systemy do kierowania,

hamowania i zarz

ą

dzania silnikiem oraz do aktywnego zapewniania bezpiecze

ń

stwa

(ABS, ESP), w obszarze artykułów konsumpcyjnych - kamery z nap

ę

dami

piezoelektrycznymi, odtwarzacze CD z ultraszybkimi jednostkami pozycjonuj

ą

cymi, w

medycynie - inteligentne protezy i roboty (ang. human assistance) lub w technikach
wytwarzania - mikroroboty z elementami z pami

ę

ci

ą

kształtu.

Wymagane kompetencje in

ż

ynierów uczestnicz

ą

cych w pracach nad rozwojem

wyrobów mechatronicznych, ze wzgl

ę

du na pogł

ę

biaj

ą

c

ą

si

ę

specjalizacj

ę

, wymagaj

ą

podej

ś

cia interdyscyplinarnego. Bardziej wskazana jest wiedza wykraczaj

ą

ca poza

poszczególne obszary w postaci wspólnych podstaw, aby umo

ż

liwi

ć

synergiczn

ą

(tzn.

korzystn

ą

) współprac

ę

specjalistów z ró

ż

nych dziedzin dla zapewnienia optymalnego

ukształtowania wyrobu.

Pod poj

ę

ciem „mechatronika” rozumie si

ę

funkcjonaln

ą

, a tak

ż

e przestrzenn

ą

integracj

ę

składników

mechanicznych i elektronicznych oraz oprogramowania w jednym obiekcie (systemie). Ta interdyscyplinarna
dziedzina specjalno

ś

ci stanowi pomost pomi

ę

dzy ró

ż

nymi obszarami. Nowoczesne wyroby techniczne

składaj

ą

si

ę

bardzo cz

ę

sto nie tylko ze składników czysto mechanicznych lub czysto elektrycznych/

elektronicznych. Wskutek tego problematyka mechatroniczna wyst

ę

puje wsz

ę

dzie tam, gdzie przez

odpowiednie poł

ą

czenie metod/ narz

ę

dzi poszczególnych dyscyplin mo

ż

na uzyska

ć

popraw

ę

budowanych

systemów.

Wcze

ś

niej elektronika pojawiała si

ę

jako dodatek podczas wyposa

ż

ania maszyn i instalacji i cz

ę

sto słu

ż

yła

ona tylko do zwi

ę

kszenia wygody obsługi. Jednak takie podej

ś

cie w ostatnich latach zostało ju

ż

w znacznym

stopniu zarzucone. I tak np. wcze

ś

niej w maszynach drukarskich nap

ę

d i cykl pracy był realizowany w

sposób czysto mechaniczny za pomoc

ą

wału głównego, przekładni i sprz

ę

gieł. Natomiast obecnie elektronika

jest integraln

ą

cz

ęś

ci

ą

całego procesu drukowania, co pozwala na w pełni automatyczny jego przebieg.

Najwi

ę

ksza zaleta takiego rozwi

ą

zania polega na tym,

ż

e takie systemy s

ą

ta

ń

sze, poniewa

ż

cz

ęś

ci

mechaniczne mo

ż

na zast

ą

pi

ć

ta

ń

sz

ą

elektronik

ą

, która jest ponadto bardziej niezawodna i lepsza w

piel

ę

gnacji, gdy

ż

jest ona odpowiednia do samonadzorowania, a tak

ż

e dokładniejsza dzi

ę

ki temu,

ż

e

precyzj

ę

uzyskuje si

ę

nie przez stabilno

ść

mechaniczn

ą

, a za pomoc

ą

elektronicznych pomiarów i regulacji.

Obecnie na rynek wchodz

ą

coraz nowsze wyroby mechatroniczne. I tak np. nowy samochód osobowy

mercedes klasy S Coupé dysponuje aktywnym zawieszeniem, dzi

ę

ki czemu komfort jazdy znacznie si

ę

poprawił. Innymi przykładami systemów mechatronicznych s

ą

: odtwarzacz CD, system ABS w samochodach,

automatyczna przekładnia (skrzynia biegów), elektrownie wiatrowe, a nawet taki sprz

ę

t AGD jak pralka

automatyczna. Systemy mechatroniczne pozwalaj

ą

na to,

ż

e dzi

ę

ki

ś

cisłej interakcji budowy maszyn,

elektrotechniki/ elektroniki i informatyki podczas projektowania, wytwarzania i piel

ę

gnacji w nowoczesnych

maszynach (wyrobach) b

ę

dzie mo

ż

na wykorzysta

ć

wiele efektów synergii. Wa

ż

nym aspektem jest tak

ż

e

miniaturyzacja wyrobów, dzi

ę

ki czemu ci

ą

gle coraz wi

ę

cej funkcji i niezb

ę

dnych do tego celu składników

mo

ż

na umie

ś

ci

ć

wewn

ą

trz małej obj

ę

to

ś

ci. System mechatroniczny zawiera zawsze składniki mechaniczne,

elementy elektroniczne w postaci standardowego sprz

ę

tu, ł

ą

cznie z sensorami i aktuatorami, modułami

regulacji wraz z przetwarzaniem informacji oraz odpowiednie oprogramowanie. Cało

ś

ciowy sposób

rozpatrywania dotyczy zarówno rozwoju systemu mechatronicznego jak i jego technicznej realizacji.

Co to jest mechatronika?

background image

11

Pierwotnie, tzn. na pocz

ą

tku lat 70. XX w. termin mechatronika odnosił si

ę

do kombinacji mechaniki i

elektroniki. Jednak wskutek rosn

ą

cej integracji systemów wbudowanych ES (ang. Embedded Systems)

oprogramowanie stało si

ę

dodatkowym no

ś

nikiem funkcji, który umo

ż

liwił uzyskanie w nowych wyrobach

prawie dowolnej funkcjonalno

ś

ci. Był to istotny przeskok w rozwoju wyrobów, który spowodował,

ż

e

mechatronika uzyskała strategiczne znaczenie w innowacyjno

ś

ci i konkurencji na rynku.

Mechatronika - integracja mechaniki,

elektroniki i oprogramowania

Współpraca

pracowników

Mechatronika

Mikro-

mechanika

Mikro-

optyka

Czujniki

Elektronika

mocy

Aktuatory

Technologie

mikrosystemów

Kwalifikacje
pracowników s

ą

wielostronne

Składy zespołów
zmieniaj

ą

si

ę

szybciej

Wska

ź

niki innowacji

Czasy rozwoju

Czas

Układy mechatroniczne ł

ą

cz

ą

elementy mechaniczne, nap

ę

dowe, czujnikowe jak równie

ż

pozostałe

składniki sprz

ę

tu i oprogramowania w jednej, zwartej jednostce funkcyjnej. Tak wi

ę

c poj

ę

cie mechatroniki

mo

ż

e by

ć

synonimem zaawansowanych jednostek funkcyjnych o wysokim stopniu integracji. Jednak

odpowiedzi na pytanie: „Jak szeroko powinno by

ć

ujmowane poj

ę

cie układ mechatroniczny?” - nie

jest prosto udzieli

ć

. Czy układ nap

ę

dowy składaj

ą

cy si

ę

z kombinacji takich urz

ą

dze

ń

jak np.: silnik,

prowadnice liniowe i wył

ą

czniki kra

ń

cowe jest ju

ż

systemem mechatronicznym? Nale

ż

ałoby na to

odpowiedzie

ć

,

ż

e nie. Dla układu mechatronicznego charakterystyczna powinna by

ć

integracja funkcji

prowadz

ą

ca do redukcji interfejsów u

ż

ytkownika. Zatem poj

ę

cie układ mechatroniczny daje si

ę

ograniczy

ć

do zwartych i zaawansowanych (inteligentnych) jednostek funkcyjnych.

Przykładem mechatronicznego modułu nap

ę

dowego jest kompaktowa jednostka, w której zintegrowano

silnik, układ pomiaru poło

ż

enia, przekładni

ę

, elektronik

ę

mocy oraz układ sterowania poło

ż

eniem z

ż

nymi interfejsami miejscowych sieci komunikacyjnych (ang. Fieldbus). Ró

ż

norodne moduły nap

ę

dowe

i regulacyjne tworz

ą

idealne warunki do optymalnej realizacji ró

ż

nych aplikacji. Pozwala to na

zmniejszenie kosztów, zwi

ę

kszenie elastyczno

ś

ci zastosowa

ń

dzi

ę

ki wi

ę

kszej funkcjonalno

ś

ci oraz

uproszczenie piel

ę

gnacji. Mechatronika odpowiada trendowi wi

ę

kszej integracji i efektywno

ś

ci, przy

równoczesnej poprawie niezawodno

ś

ci i zdolno

ś

ci komunikacyjnej. Wszystkie te czynniki upraszczaj

ą

wykorzystanie maszyn i instalacji.

Oczekiwania u

ż

ytkowników ko

ń

cowych dotycz

ą

szczególnie wzrostu wydajno

ś

ci i dokładno

ś

ci,

zwi

ę

kszenia elastyczno

ś

ci, zmniejszenia zapotrzebowania na miejsce, a tak

ż

e poprawy struktury

kosztów. Rozwi

ą

zania mechatroniczne cz

ę

sto tworz

ą

tak

ż

e baz

ę

innowacyjn

ą

dla technologicznego

rozwoju wyrobów zgodnie z oczekiwaniami klientów. Dzi

ę

ki podej

ś

ciu mechatronicznemu mo

ż

liwe jest

równie

ż

znaczne zredukowanie nakładów zwi

ą

zanych z monta

ż

em i okablowaniem, co powoduje

znaczne zmniejszenie lub nawet wyeliminowanie szaf sterowniczych. I tak np. rozproszone
(zdecentralizowane) rozwi

ą

zania nap

ę

dów zwi

ę

kszaj

ą

elastyczno

ść

, a cz

ę

sto tak

ż

e szybko

ść

(wydajno

ść

) produkcji. Przeprowadzane dotychczas tylko w sposób r

ę

czny czynno

ś

ci ustawiania i

justowania dzi

ę

ki inteligentnym (zaawansowanym), kompaktowym nap

ę

dom daje si

ę

w prosty sposób

zautomatyzowa

ć

.

Cechy układów mechatronicznych

background image

12

Mechatronik to in

ż

ynier poruszaj

ą

cy si

ę

w dziedzinie nauki i techniki zwi

ą

zanej z wytwarzaniem

wyrobów, które stanowi

ą

synergiczn

ą

kombinacj

ę

mechaniki precyzyjnej, elektronicznego

sterowania oraz systemowego my

ś

lenia przy projektowaniu produktów i procesów

produkcyjnych. Mechatronika jest dziedzin

ą

interdyscyplinarn

ą

, bowiem oprócz mechaniki,

elektroniki i informatyki, obejmuje ona szereg innych dyscyplin, takich jak in

ż

ynieria materiałowa,

optyka, a nawet bioin

ż

ynieria.

Mechatronikowi niezb

ę

dne s

ą

predyspozycje ogólnoin

ż

ynierskie - ciekawo

ść

zasady działania

wszelkich urz

ą

dze

ń

technicznych, szczególnie z zakresu automatyki. Musi on oczywi

ś

cie

posiada

ć

tak

ż

e pewne uzdolnienia matematyczne oraz by

ć

kreatywny technicznie. Musi te

ż

by

ć

otwarty na wiedz

ę

interdyscyplinarn

ą

- zna

ć

si

ę

na wielu dziedzinach: mechanice, elektronice,

sterowaniu, oprogramowaniu. A to z kolei wymusza na nim konieczno

ść

my

ś

lenia globalnego,

cało

ś

ciowego (pod k

ą

tem wielu u

ż

ytkowników danej konstrukcji). Wreszcie mechatronik musi

posiada

ć

umiej

ę

tno

ść

pracy zespołowej i koordynacji oraz kierowania zespołami in

ż

ynierskimi.

Oznacza to tak

ż

e umiej

ę

tno

ść

łatwego nawi

ą

zywania kontaktów mi

ę

dzyludzkich.

Mechatronika jest jedn

ą

z młodszych dziedzin nauki i techniki. Jej rozwój rozpocz

ą

ł si

ę

wła

ś

ciwie

dopiero w latach 80. XX w. Wzrastaj

ą

ce zapotrzebowanie na automatyzacj

ę

procesów

produkcyjnych i powtarzalno

ść

procesów technologicznych spowodowały próby zast

ą

pienia w

wielu dziedzinach r

ą

k ludzkich maszynami i urz

ą

dzeniami (np. roboty przemysłowe czy

obrabiarki sterowane numerycznie). Zacz

ę

to wprowadza

ć

tak

ż

e manipulatory wielofunkcyjne,

programowalne roboty, specjalnie zaprojektowane urz

ą

dzenia do przemieszczania cz

ęś

ci,

narz

ę

dzi i innych materiałów. Odt

ą

d tworzy si

ę

dedykowane urz

ą

dzenia o zaprogramowanym

ruchu, które wykonuj

ą

okre

ś

lone prace i s

ą

wykorzystywane do obsługi całych

zautomatyzowanych linii produkcyjnych, np. w montowniach samochodów czy podczas
wytwarzania układów scalonych lub leków.

Mechatronik – wymagania i predyspozycje zawodu

Mechatronik jest cz

ę

sto koordynatorem, który współpracuje z ró

ż

nymi specjalistami podczas realizacji

projektów dotycz

ą

cych rozwoju wyrobów mechatronicznych. Przed in

ż

ynierem mechatronikiem otwieraj

ą

si

ę

nast

ę

puj

ą

ce mo

ż

liwo

ś

ci działania:

Badania: opracowywanie matematycznych i fizycznych podstaw oraz metod. Wyroby s

ą

kształtowane od

nowa, wzgl. istniej

ą

ce ju

ż

wyroby podlegaj

ą

udoskonaleniu. Taka działalno

ść

wymaga pogł

ę

bionej wiedzy

z nauk podstawowych.

Rozwój: koncepcja, obliczanie i konstruowanie nowych systemów, maszyn i urz

ą

dze

ń

w działach

rozwojowych (laboratoriach) i biurach projektowych. Opracowywanie programów dla sterowników
(mikrokomputerów), inteligentnych składników i systemów oraz rozwój oprogramowania do
wspomaganych komputerowo prac podczas rozwoju wyrobów.

Wytwarzanie: projektowanie technologiczne, wytwarzanie, sprawdzanie (kontrola) i badania wyrobów
mechatronicznych.

Projektowanie: projektowanie systemowe i planowanie wyrobów mechatronicznych we współpracy ze
zleceniodawcami i wytwórcami a

ż

do uzyskania dojrzałego wyrobu.

Sprzeda

ż

: dystrybucja i doradzanie techniczne klientom w zakresie komponentów mechatronicznych.

Eksploatacja: u

ż

ytkowanie maszyn i instalacji, piel

ę

gnacja i utrzymanie ruchu.

Monta

ż

: składanie i uruchamianie maszyn i urz

ą

dze

ń

mechatronicznych ł

ą

cznie z ich przekazaniem do

zleceniodawcy.

Nadzorowanie: np. zapewnienie bezpiecze

ń

stwa pracy maszyn i instalacji. Kontrola i badania urz

ą

dze

ń

mechatronicznych itd.

Zawód in

ż

yniera mechatronika daje zatem wiele mo

ż

liwo

ś

ci pracy i działa

ń

. Wymaga to jednak ci

ą

głego

nad

ąż

ania za rozwojem technicznym sprz

ę

tu i oprogramowania, a tak

ż

e metod i systemów

komputerowych wspomagaj

ą

cych realizacj

ę

projektów.

Zakres działania mechatronika

background image

13

W wyniku kształcenia na kierunku Mechatronika absolwent politechniki powinien umie

ć

:

• oblicza

ć

parametry charakteryzuj

ą

ce urz

ą

dzenia i systemy mechatroniczne,

• wykonywa

ć

pomiary wielko

ś

ci elektrycznych i nieelektrycznych oraz interpretowa

ć

ich

wyniki,

• instalowa

ć

i obsługiwa

ć

systemy sieciowe transmisji danych stosowane w mechatronice,

• projektowa

ć

urz

ą

dzenia i systemy mechatroniczne,

• programowa

ć

urz

ą

dzenia i systemy mechatroniczne,

• dozorowa

ć

prac

ę

maszyn, urz

ą

dze

ń

i systemów mechatronicznych oraz ocenia

ć

ich stan

techniczny,

• prowadzi

ć

dokumentacj

ę

techniczn

ą

, techniczno – ruchow

ą

urz

ą

dze

ń

i systemów

mechatronicznych,

• przestrzega

ć

przepisów bezpiecze

ń

stwa i higieny pracy, ochrony przeciwpo

ż

arowej oraz

ochrony

ś

rodowiska,

• organizowa

ć

stanowisko pracy zgodnie z wymaganiami ergonomii,

• stosowa

ć

przepisy prawa w zakresie wykonywanych zada

ń

zawodowych,

• komunikowa

ć

si

ę

w j

ę

zyku obcym w zakresie wykonywanych zada

ń

,

• korzysta

ć

z ró

ż

nych

ź

ródeł informacji w celu doskonalenia si

ę

i aktualizowania wiedzy

zawodowej.

Mechatronik – wiedza i umiej

ę

tno

ś

ci

Mechatronika pojawiła si

ę

równie

ż

w naszym

ż

yciu codziennym, np. w postaci

automatycznie otwieranych drzwi, aparatów fotograficznych z autofocusem, czy
automatów sprzedaj

ą

cych. Nast

ą

piła tak

ż

e szybka miniaturyzacja i zwi

ę

kszenie

niezawodno

ś

ci elementów elektronicznych - logicznych i decyzyjnych. Szybko zacz

ę

to

je zast

ę

powa

ć

mikroprocesorami z odpowiednim oprogramowaniem. Był to pocz

ą

tek

rozwoju zaawansowanych metod sterowania.

Obecnie w mechatronice trwa udoskonalanie technik przekazywania informacji, co
wydatnie zwi

ę

ksza mo

ż

liwo

ś

ci u

ż

ytkowe mikroprocesorów. W wi

ę

kszo

ś

ci tych układów,

wykorzystuj

ą

cych w ró

ż

nym stopniu bazy danych, stosuje si

ę

układy zaawansowanego

(inteligentnego) sterowania. Nawet w urz

ą

dzeniach powszechnego u

ż

ytku, takich jak

np. automatyczna pralka, instaluje si

ę

układy oparte na metodach i technikach

sztucznej inteligencji. Wiele wyrafinowanych układów mechatronicznych znalazło tak

ż

e

szerokie zastosowanie w przemy

ś

le samochodowym. Systemy nawigacji, które tak

niedawno by

ł

y rzadko

ś

ci

ą

, obecnie instaluje si

ę

ju

ż

w pojazdach seryjnych.

W niedalekiej przyszło

ś

ci na pewno wprowadzone zostan

ą

jeszcze „inteligentniejsze”

wyroby mechatroniczne, podnosz

ą

ce komfort i bezpiecze

ń

stwo pojazdów.

W latach 80. XX w. do mechatroniki wkroczyła tak

ż

e optyka, w wyniku czego narodziła

si

ę

optomechatronika, a w latach 90. wprowadzono technik

ę

komunikacji, słu

żą

c

ą

do

ł

ą

czenia oddzielnych, konwencjonalnych układów. Wiele urz

ą

dze

ń

ma równie

ż

mo

ż

liwo

ść

zdalnego sterowania, a rozpowszechnia si

ę

mechatronika z sieciowym

sterowaniem komputerowym.

Rozwój mechatroniki

background image

14

Dziesi

ęć

technologii, które zmieni

ą

ś

wiat

Mobilne sieci ad-hoc

Molekuły glukozy

Grid Computing

Biosubstancje i
technika komórkowa

Metody nano-kształtowania
(nanotechnologie)

Nano-energia słoneczna

Komputery kwantowe

Automatyczna weryfikacja
oprogramowania

Wizualizacja molekularna

Mechatronika

Przykładami wyrobów mechatronicznych

s

ą

:

układy kierowania, hamowania (ABS),

sterowania silnikiem, poduszki
powietrzne, aktywne zawieszenie,
stabilizacja toru jazdy i tempomat w
nowoczesnych samochodach,

innowacyjne systemy wytwarzania takie

jak obrabiarki sterowane numerycznie
CNC (ang. Computerized Numerical
Control
) i roboty przemysłowe,

sprz

ę

t elektroniczny taki jak kamery,

odtwarzacze CD itp.

Mo

ż

liwo

ś

ci wyrobów mechatronicznych

wynikaj

ą

z zawansowanego

współdziałania składników
mechanicznych, elektrycznych/
elektronicznych i przetwarzania
informacji.

Przykłady wyrobów mechatronicznych

background image

15

Konwencjonalny sposób post

ę

powania podczas projektowania wyrobów odznacza si

ę

sekwencyjnym przebiegiem, tzn. najpierw tworzona jest konstrukcja mechaniczna, a
nast

ę

pnie składniki elektryczne/ elektroniczne i ewentualnie oprogramowanie.

Rzeczywisty wyrób (maszyna, urz

ą

dzenie) po zako

ń

czeniu fazy projektowania jest

budowana jako prototyp i dopiero wtedy poddawana testom.

Natomiast cech

ą

nowego (mechatronicznego) sposobu post

ę

powania podczas rozwoju

np. maszyny jest to,

ż

e od pocz

ą

tku równolegle (współbie

ż

nie) współpracuj

ą

ze sob

ą

projektanci zespołów mechanicznych i elektrycznych (elektronicznych), tworz

ą

c

wirtualn

ą

maszyn

ę

przy wspomaganiu przez ekspertów od mechatroniki.

Testy wirtualnej maszyny s

ą

zatem realizowane ju

ż

na pocz

ą

tku jej rozwoju. Dzi

ę

ki

równoległej (współbie

ż

nej) pracy wspólnie uzyskiwany jest

żą

dany wynik oraz wspólnie

ponosi si

ę

odpowiedzialno

ść

.

Dalsz

ą

cech

ą

jest pewno

ść

,

ż

e wyniki rozwoju mo

ż

na zweryfikowa

ć

za pomoc

ą

symulacji, a wi

ę

c jeszcze zanim maszyna zostanie rzeczywi

ś

cie zbudowana.

Trzecim rozstrzygaj

ą

cym aspektem zastosowania mechatronicznego podej

ś

cia jest to,

ż

e tego rodzaju nowe sposoby rozwoju s

ą

zwi

ą

zane ze znacznie ni

ż

szymi kosztami i

szybszym wprowadzaniem wyrobów na rynek.

Ka

ż

dy wyrób powstaje na podstawie pomysłu i celów, które z jego pomoc

ą

powinny by

ć

uzyskane.

Wyra

ź

ne

zdefiniowanie

celu

jest

rozstrzygaj

ą

ce

dla

wła

ś

ciwie

zorganizowanego przebiegu, aby przyj

ąć

wspóln

ą

odpowiedzialno

ść

za post

ę

p i wynik

prac konstrukcji mechanicznej i elektrycznej oraz oprogramowania.

Mechatroniczny rozwój wyrobów

Mechatronika - wprowadzenie

Czujniki

Aktuatory

Wielko

ś

ci

fizyczne

Wielko

ś

ci

mierzone

Struktura

Struktura

mechaniczna

mechaniczna

Wielko

ś

ci nastawiaj

ą

ce

Przekładnie

i

prowadnice

Ruchy

Przetwarzanie wielko

ś

ci

mierzonych

Komputer

Jednostka mocy

Meldunki zwrotne

Siły

Ruchy

Otoczenie

Otoczenie

(

ś

rodowisko)

(

ś

rodowisko)

Typowy układ
mechatroniczny
przyjmuje sygnały,
przetwarza je, a
nast

ę

pnie

wyprowadza
sygnały, które s

ą

przetwarzane np.
na siły i ruchy.

background image

16

Mechatronika rozszerza układy mechaniczne przez sensory, mikrokomputery, oprogramowanie i
aktuatory. Takie zintegrowane rozwi

ą

zania przyjmuj

ą

sygnały ze swojego otoczenia, przetwarzaj

ą

je i wykonuj

ą

odpowiednie działania uzale

ż

nione od zada

ń

i sytuacji. Dzi

ę

ki poł

ą

czeniu

zawansowanych (inteligentnych) składników sprz

ę

tu (hardware) i oprogramowania (software)

znacznej poprawie ulegaj

ą

mo

ż

liwo

ś

ci konwencjonalnych układów oraz staje si

ę

mo

ż

liwa

realizacja w pełni nowych funkcji.

Stopie

ń

integracji układów mechatronicznych jest cz

ę

sto tak znaczny,

ż

e pełn

ą

funkcjonalno

ść

mo

ż

na uzyska

ć

tylko przez perfekcyjne współdziałanie ró

ż

nych składników. I tak np. wysokie

wymagania dotycz

ą

ce dokładno

ś

ci obróbki mechanicznej lub zautomatyzowanego monta

ż

u

mo

ż

na efektywnie zrealizowa

ć

dopiero wtedy, gdy niedokładno

ś

ci mechaniczne zostan

ą

rozpoznane przez odpowiednie sensory i skompensowane przez zaawansowane przetwarzanie
informacji. Powoduje to znacz

ą

redukcj

ę

nakładów zwi

ą

zanych z rozwojem i wytwarzaniem

maszyn.

Mechatronika

stanowi tutaj podstaw

ę

zwi

ę

kszonej funkcjonalno

ś

ci i lepszej

produktywno

ś

ci.

Ponadto mechatronika w nowoczesnych koncepcjach budowy maszyn umo

ż

liwia racjonalizacj

ę

rozwi

ą

za

ń

automatyzacji przez zaawansowan

ą

decentralizacj

ę

(rozproszenie). Albo te

ż

na odwrót

– rozproszona inteligencja umo

ż

liwia indywidualne sterowanie komputerowe poszczególnych

zespołów. Zadania sterownicze nie musz

ą

ju

ż

by

ć

wykonywane przez nadrz

ę

dny układ

sterowania, lecz daj

ą

si

ę

realizowa

ć

bezpo

ś

rednio na miejscu przez inteligentne aktuatory.

Decentralizacja w automatyzacji przyczynia si

ę

tak

ż

e w znacznym stopniu do tego,

ż

e poprawia

si

ę

efektywno

ść

monta

ż

u i serwisu. Znacznie redukuje si

ę

równie

ż

zapotrzebowanie miejsca w

szafach sterowniczych i nakłady zwi

ą

zane z okablowaniem. Do sterowania takich rozwi

ą

za

ń

wystarczaj

ą

kable zasilania elektrycznego i magistrala. Inteligentne aktuatory

realizuj

ą

samodzielnie np. zadania pozycjonowania.

Cechy układów mechatronicznych

Zalety wyrobów mechatronicznych

Systemy mechatroniczne, w porównaniu z czysto mechanicznymi rozwi

ą

zaniami, maj

ą

cały

szereg zalet:

s

ą

one ta

ń

sze i l

ż

ejsze, poniewa

ż

cz

ęś

ci mechaniczne zostały zast

ą

pione ta

ń

sz

ą

elektronik

ą

(przykład: drukarka komputerowa),

s

ą

one niezawodne i bardziej u

ż

yteczne, poniewa

ż

s

ą

one przystosowane do

samonadzorowania, a nawet cz

ę

sto tak

ż

e do zdalnej diagnostyki (przykład: komputer

pokładowy samochodu),

s

ą

one dokładniejsze, poniewa

ż

uzyskuj

ą

precyzj

ę

nie w wyniku mechanicznej

stabilno

ś

ci, ale za pomoc

ą

elektronicznej techniki pomiarowej i regulacyjnej (przykład:

robot),

s

ą

one efektywniejsze w zu

ż

yciu energii, poniewa

ż

dzi

ę

ki wbudowanej „inteligencji”

mog

ą

pracowa

ć

w pobli

ż

u optymalnego stopnia działania (przykład: regulacja ogrzewania),

s

ą

one dłu

ż

sze w u

ż

ytkowaniu, poniewa

ż

przez prost

ą

wymian

ę

oprogramowania mog

ą

one mie

ć

inne, lub nawet w pełni nowe własno

ś

ci (przykład: nowoczesna pralka),

tym samym s

ą

one równie

ż

przyjazne dla u

ż

ytkownika, a tak

ż

e odporne na bł

ę

dy

obsługi, poniewa

ż

wiele wska

ź

ników, pokr

ę

teł i d

ź

wigni zostało zast

ą

pionych kilkoma

klawiszami i monitorem komputerowym i w ten sposób system mo

ż

e si

ę

„broni

ć

” przed

ę

dami obsługi (przykład: nowoczesna instalacja produkcyjna),

wreszcie jest wiele urz

ą

dze

ń

, do których

ż

e

ś

my si

ę

od dawna przyzwyczaili, a których bez

mechatroniki nie mo

ż

na sobie nawet wyobrazi

ć

(przykład: odtwarzacz wideo, ABS).

background image

17

Mechatronika jako nowa, interdyscyplinarna dziedzina wiedzy in

ż

ynierskiej i

technologii ł

ą

czy w sobie elementy konwencjonalnych dyscyplin, takich jak

mechanika, elektronika i informatyka. Jest ona stosowana przede wszystkim tam,
gdzie przez zaawansowane (inteligentne) poł

ą

czenie poszczególnych dyscyplin

mo

ż

na uzyska

ć

znaczny wzrost całkowitej funkcjonalno

ś

ci.

W nowych, mechatronicznych wyrobach układy mechaniczne, czujniki, aktuatory i
mikrokomputery oraz odpowiednie oprogramowanie tworz

ą

działaj

ą

cy system

techniczny - system mechatroniczny.

Stopie

ń

integracji systemów mechatronicznych jest tak znaczny,

ż

e poszczególne

układy (podsystemy) bez udziału innych układów nie mog

ą

pracowa

ć

, a całkowit

ą

funkcjonalno

ść

mo

ż

na uzyska

ć

tylko przez idealne współdziałanie wszystkich

funkcji cz

ą

stkowych. I tak np. w obrabiarkach wysok

ą

dokładno

ść

obróbki mo

ż

na

ekonomicznie uzyska

ć

dopiero wtedy, gdy wszystkie niedokładno

ś

ci w układach

mechanicznych zostan

ą

rozpoznane przez odpowiednie czujniki i nast

ę

pnie

skorygowane przez zaawansowane przetwarzanie informacji. Dzi

ę

ki takim

działaniom mo

ż

na znacznie zredukowa

ć

nakłady zwi

ą

zane z rozwojem i

wytwarzaniem obrabiarek.

Mechatronika jest zatem podstaw

ą

dla rozwoju i produkcji nowych, w sposób

zaawansowany (inteligentny) sterowanych i regulowanych wyrobów, o wi

ę

kszej

funkcjonalno

ś

ci, wy

ż

szej niezawodno

ś

ci oraz bardziej ekonomicznych.

Mechatronika – nowa dziedzina wiedzy in

ż

ynierskiej

Mechatronika:

1969 r., firma Yaskava (Japonia):

Mechatronika = Mechanika + Elektronika

Lata 80. XX w., rozszerzenie definicji:

Mechatronika = Mechanika + Elektronika + Informatyka

Cało

ś

ciowe rozpatrywanie trzech dyscyplin:

Wykorzystanie potencjału mechatroniki!

Interdyscyplinarne post

ę

powanie i współdziałanie

ż

nych składników:

uzyskanie funkcjonalno

ś

ci wyrobów

Mo

ż

liwa tylko realizacja systemowa:

Funkcja cz

ą

stkowa + funkcja cz

ą

stkowa + funkcja

cz

ą

stkowa = funkcja całkowita

Przykłady: roboty, obrabiarki, samoloty

Mechanika

Mechanika

Elektronika

Elektronika

Informatyka

Informatyka

Rozwój mechatroniki

background image

18

Kamera filmowa:

Przed 30. laty małoobrazkowa kamera filmowa była wył

ą

cznie wyrobem mechaniki precyzyjnej z

układami optycznymi. Z tego okresu w obecnych kamerach pozostała obudowa, soczewki i
migawka. Natomiast nowoczesna kamera zawiera czujniki, które okre

ś

laj

ą

stopie

ń

o

ś

wietlenia

obiektu, ostro

ść

obrazu i czuło

ść

filmu. Zawiera ona tak

ż

e aktuatory, a zatem elektromagnesy i

silniki, które transportuj

ą

film, uruchamiaj

ą

przysłon

ę

i migawk

ę

, nastawiaj

ą

ostro

ść

i ogniskow

ą

.

Kamera taka zawiera procesor, który wg zapami

ę

tanego programu steruje funkcjami tego

urz

ą

dzenia. Nast

ą

pił tak

ż

e dalszy rozwój kamer przez zast

ą

pienie błony filmowej czujnikiem

obrazu i pami

ę

ci

ą

elektroniczn

ą

.

Spalinowy silnik wysokopr

ęż

ny (Diesel):

Nowoczesne silniki wysokopr

ęż

ne pojazdów s

ą

zaawansowanymi wyrobami budowy maszyn.

Równie

ż

w nich znalazła zastosowanie mechatronika: wtrysk paliwa i doładowanie s

ą

obecnie

sterowane i regulowane przez elektroniczny układ zarz

ą

dzania silnikiem. Do tego celu s

ą

stosowane: czujniki, aktuatory, procesory i oprogramowanie. Dzi

ę

ki temu silniki tych generacji s

ą

tak efektywne, ekonomiczne i przyjazne dla

ś

rodowiska jak nigdy wcze

ś

niej. Ponadto w celu

dopasowania do warunków pracy w specyficznych zastosowaniach w wielu przypadkach
wystarcza prosta modyfikacja oprogramowania.

Wyroby mechatroniczne odznaczaj

ą

si

ę

tym,

ż

e w maszynach i urz

ą

dzeniach istotne funkcje nie

s

ą

ju

ż

realizowane konwencjonalnie w sposób mechaniczny, lecz ze wspomaganiem

elektronicznym (sprz

ę

tu i oprogramowania). W wyniku post

ę

pów w rozwoju mikroelektroniki takie

nowe rozwi

ą

zania wyrobów s

ą

ta

ń

sze, a przede wszystkim o wiele efektywniejsze i łatwiejsze w

dopasowaniu do potrzeb ni

ż

dotychczasowe.

Przykłady wyrobów mechatronicznych

ż

nego rodzaju systemy techniczne mog

ą

by

ć

układami mechatronicznymi.

Maj

ą

one ogólnie nast

ę

puj

ą

ce cechy:

wysoka zło

ż

ono

ść

,

wysoki stopie

ń

integracji składników mechanicznych, elektrycznych i

przetwarzania informacji,

optymalizacja systemu jako cało

ś

ci.

W wyrobach mechatronicznych stopie

ń

powi

ą

zania poszczególnych składników

jest tak wysoki,

ż

e ich optymalne projektowanie wymaga realizacji

równoległego działania dla wszystkich składników, przy czym system od
pocz

ą

tku musi by

ć

rozpatrywany jako funkcjonalnie i przestrzennie

zintegrowany układ całkowity.

Podstawowe zasady mechatroniki:

optymalizacja cało

ś

ci zamiast optymalizacji poszczególnych elementów,

przestrzenna integracja składników,

wielofunkcjonalno

ść

zamiast monofunkcjonalno

ś

ci,

rozpatrywanie systemowe zamiast liniowego sposobu post

ę

powania,

zastosowanie symulacji.

Własno

ś

ci układów mechatronicznych

background image

19

Ogólnie obowi

ą

zuj

ą

c

ą

zasad

ą

panuj

ą

c

ą

na rynku jest to,

ż

e wyroby musz

ą

by

ć

jednoznacznie

ukierunkowane na wymagania (potrzeby) klientów. Dotyczy to np. trwało

ś

ci (

ż

ywotno

ś

ci) wyrobów, a

tak

ż

e takich ich cech jak małe nakłady na ich piel

ę

gnacj

ę

, cicha praca, szybko

ść

, a tak

ż

e

wielofunkcyjno

ść

dzi

ę

ki integracji dodatkowych funkcji.

Jednym z istotnych zada

ń

realizowanych w wielu zło

ż

onych wyrobach jest ci

ą

głe nadzorowanie stanu

(ang. Condition Monitoring) ich istotnych zespołów. Dzi

ę

ki integracji w takich zespołach czujników

uzyskuje si

ę

informacje dotycz

ą

ce np. temperatury lub zu

ż

ycia. Na tej podstawie mo

ż

na wcze

ś

nie

rozpoznawa

ć

stany przedawaryjne, zwi

ę

ksza

ć

niezawodno

ść

wyrobów, a tak

ż

e znacznie wydłu

ż

a

ć

okresy przegl

ą

dów serwisowych. I tak np. w elektrowniach wiatrowych czynnikiem rozstrzygaj

ą

cym o ich

dyspozycyjno

ś

ci i rentowno

ś

ci, a tak

ż

e warunkiem ich ubezpieczenia jest zastosowanie nadzorowania

stanu w trybie on-line.
W budowie maszyn tak

ż

e obserwuje si

ę

rosn

ą

ce zastosowanie układów nadzorowania stanu w trybie

on-line. Jednak ze wzgl

ę

du na mniejsze serie produkcyjne, a tak

ż

e wi

ę

ksz

ą

zło

ż

ono

ść

maszyn proces

ten przebiega wolniej. Wraz z rozwojem mechtronicznego podej

ś

cia w budowie maszyn tak

ż

e nale

ż

y

oczekiwa

ć

istotnych zmian.

Mechatroniki nie nale

ż

y jednak rozpatrywa

ć

w sposób wyizolowany lecz systemowy, co szczególnie

wyra

ź

nie widocznie jest na przykładzie budowy maszyn. Je

ż

eli dotychczas były to poszczególne

składniki, to obecnie spotyka si

ę

ju

ż

okre

ś

lone moduły, np. elektrowrzeciona obrabiarek z bezpo

ś

rednim

nap

ę

dem, układami pomiarowymi oraz zintegrowanym układem nadzorowania. Innymi takimi

rozwi

ą

zaniami s

ą

moduły zespołów posuwu z prowadnicami tocznymi i nap

ę

dami z bezpo

ś

rednimi

silnikami liniowymi. Ponadto moduły te, w zale

ż

no

ś

ci od wymaga

ń

klientów, mog

ą

zawiera

ć

dodatkowe

funkcje, takie jak np. magnetyczne przyrostowe układy pomiarowe, osłony, zespół doprowadzenia
energii, tłumik i hamulce pneumatyczne. Zatem klient uzyskuje bardzo zwart

ą

i kompletnie wyposa

ż

on

ą

jednostk

ę

, za pomoc

ą

której mo

ż

na realizowa

ć

dokładne i powtarzalne ruchy. Wielofunkcjonalno

ść

modułów jest podstaw

ą

sukcesu.

Wa

ż

nym warunkiem rosn

ą

cej integracji mechatronicznych modułów w budowie maszyn jest

zacie

ś

nienie współpracy klientów (przedsi

ę

biorstw budowy maszyn) z dostawcami podzespołów.

Cechy wyrobów mechatronicznych

Maszyny, urz

ą

dzenia i instalacje mechatroniczne

charakteryzuj

ą

si

ę

:

multifunkcjonalno

ś

ci

ą

, oznaczaj

ą

c

ą

łatwo

ść

realizacji ró

ż

nych

zada

ń

przez jedno urz

ą

dzenie, np. przez zmian

ę

oprogramowania;

inteligencj

ą

, oznaczaj

ą

c

ą

mo

ż

liwo

ść

podejmowania decyzji

komunikacji z otoczeniem;

elastyczno

ś

ci

ą

, czyli łatwo

ś

ci

ą

modyfikacji konstrukcji na

etapie projektowania, produkcji oraz eksploatacji maszyny czy
urz

ą

dzenia, np. przez zastosowanie konstrukcji modułowej;

mo

ż

liwo

ś

ci

ą

niewidocznego dla operatora sposobu działania,

co wymaga zastosowania interfejsu u

ż

ytkownika dla

komunikowania si

ę

z operatorem;

zale

ż

no

ś

ci

ą

od wymaga

ń

rynkowych i mo

ż

liwo

ś

ci

technologicznych wykonania.

Cechy systemów mechatronicznych

background image

20

Porównanie własno

ś

ci systemów mechatronicznych

z konwencjonalnymi układami mechanicznymi

Dzi

ę

ki funkcjonalnej integracji urz

ą

dze

ń

elektrycznych, elektroniki i informatyki w układzie

mechanicznym systemy ze składnikami mechatronicznymi, w porównaniu z układami konwencjonalnej
budowy maszyn, maj

ą

zmienione własno

ś

ci. Te własno

ś

ci mo

ż

na podzieli

ć

na: strukturalne wzgl.

geometryczne i funkcjonalne. Własno

ś

ci funkcjonalne mo

ż

na dalej podzieli

ć

na poprawiaj

ą

ce funkcje

oraz rozszerzaj

ą

ce funkcje.

Strukturalne wzgl. geometryczne własno

ś

ci uzyskuje si

ę

z tego,

ż

e cz

ą

stkowe funkcje systemu ze

składnikami mechatronicznymi s

ą

realizowane na ró

ż

nych poziomach fizycznych (heterogeniczno

ść

). Ta

heterogeniczno

ść

prowadzi do wi

ę

kszej liczby poł

ą

czonych ze sob

ą

elementów i tym samym wi

ę

kszej

zło

ż

ono

ś

ci struktury wyrobu. Pomimo tej bardziej zło

ż

onej budowy w takim systemie, przy porównywalnej

liczbie funkcji, uzyskuje si

ę

zmniejszenie ilo

ś

ci mechanicznych elementów składowych, a ro

ś

nie liczba

wielofunkcyjnych składników. Efektem tego jest redukcja obj

ę

to

ś

ci systemu i jego ci

ęż

aru.

Strukturalne / geometryczne

- heterogeniczne,

- bardziej zło

ż

one,

- mniej mechanicznych elementów,

- wielofunkcyjne składniki,

- mniejsze gabaryty,

- l

ż

ejsze.

poprawiaj

ą

ce funkcje:

- zwi

ę

kszenie parametrów

funkcjonalnych (np.
dokładno

ść

,

przyspieszenie itp.),

- automatyzacja funkcji,

- przyjazno

ść

dla

u

ż

ytkownika.

rozszerzaj

ą

ce funkcje:

- okre

ś

lanie stanów

bezpo

ś

rednio

niemierzalnych,

- wy

ż

sza niezawodno

ść

systemu,

- elastyczne dopasowanie

do wymaga

ń

.

Funkcjonalne

Własno

ś

ci funkcyjne systemów mechatronicznych, w porównaniu z konwencjonalnymi układami

mechanicznymi, zmieniaj

ą

si

ę

przede wszystkim dlatego,

ż

e pierwotne mechaniczne zasady rozwi

ą

za

ń

zostały

uzupełnione lub zast

ą

pione przez poł

ą

czenie zespołów elektrycznych, elektronicznych i informatycznych.

Funkcje systemu mog

ą

by

ć

przy tym realizowane albo przez sprz

ę

t albo oprogramowanie. Dzi

ę

ki temu

poprawiaj

ą

si

ę

funkcje systemu lub s

ą

generowane nowe. S

ą

one w du

ż

ej mierze okre

ś

lone przez elementy

niematerialne takie jak oprogramowanie. Oprogramowanie mo

ż

e by

ć

nawet traktowane jako element maszyny.

Dzi

ę

ki temu otwieraj

ą

si

ę

znacznie bardziej elastyczne mo

ż

liwo

ś

ci kształtowania systemów mechatronicznych.

Przy poprawie funkcji cz

ę

sto wymagaj

ą

ce znacznych nakładów lub niewystarczaj

ą

ce rozwi

ą

zania

mechaniczne s

ą

wspomagane lub zast

ę

powane przez zastosowanie elektroniki i informatyki. Dzi

ę

ki temu

polepszaj

ą

si

ę

graniczne warto

ś

ci parametrów i rozszerza obszar pracy. I tak np. wysok

ą

dokładno

ść

pozycjonowania mo

ż

na uzyska

ć

nie za pomoc

ą

samej precyzji mechanicznej, ale przez regulacyjne

porównywanie warto

ś

ci rzeczywistej z warto

ś

ci

ą

zadan

ą

w obwodzie sprz

ęż

enia zwrotnego. Zastosowanie

elektroniki i informatyki umo

ż

liwia równie

ż

wy

ż

szy stopie

ń

automatyzacji funkcji wyrobu (np. autofokus w

aparacie fotograficznym). Równocze

ś

nie wyst

ę

puj

ą

ca zwi

ę

kszona zło

ż

ono

ść

funkcyjna jest ułatwiona przez

prosto obsługiwane sterowanie systemu lub staje si

ę

przejrzysta dzi

ę

ki automatyzacji i przyjazno

ś

ci obsługi.

Ponadto mechatronika umo

ż

liwia rozszerzenie funkcyjne systemu, które bez mechatroniki nie byłoby

mo

ż

liwe. Celowe odpytywanie o stany systemu i nast

ę

pnie przetwarzanie tych wielko

ś

ci mierzonych umo

ż

liwia

okre

ś

lanie bezpo

ś

rednio niemierzalnych wielko

ś

ci w systemie. Za pomoc

ą

regulacji mo

ż

na na te wielko

ś

ci w

sposób celowy oddziaływa

ć

. Przykładami tego s

ą

takie zmienne zale

ż

ne od czasu jak temperatura, lub

parametry takie jak sztywno

ść

. Dzi

ę

ki zastosowaniu elektroniki i informatyki daje si

ę

równie

ż

wygenerowa

ć

funkcje nadzorowania z wczesnym rozpoznawaniem bł

ę

dów i natychmiastow

ą

reakcj

ą

w postaci

przeciwdziałania. Wła

ś

nie w coraz bardziej zło

ż

onych strukturach zapewniaj

ą

one wysok

ą

niezawodno

ść

systemu. Elastyczne i szybkie dopasowanie do zmieniaj

ą

cych si

ę

wymaga

ń

jest mo

ż

liwe dzi

ę

ki temu,

ż

e cz

ęść

funkcji systemu jest programowalna i tym samym szybsza i prostsza do zmiany. W ju

ż

skonfigurowanych

własno

ś

ciach systemu mo

ż

e si

ę

to odbywa

ć

przez zastosowanie ró

ż

norodnych modułów programowych, które

wymagane funkcje doł

ą

czaj

ą

lub niepo

żą

dane funkcje blokuj

ą

.

Własno

ś

ci systemów mechatronicznych

background image

21

Innowacyjne produkty powstaj

ą

najcz

ęś

ciej przez zastosowanie wiedzy i

do

ś

wiadcze

ń

(ang. Know How) z ró

ż

nych obszarów specjalno

ś

ci. Wła

ś

nie

przykładem takiej przekrojowej dziedziny jest mechatronika. Rozwój
mechatroniki spowodował,

ż

e stała si

ę

ona kluczow

ą

technologi

ą

XXI w.

Przykłady tego, na co pozwala mechatronika mo

ż

na znale

źć

prawie wsz

ę

dzie.

S

ą

to autopiloty w samolotach, przekładnie elektroniczne, składniki urz

ą

dze

ń

Hi-Fi lub aktywne zawieszenia w pojazdach. Du

ż

e mo

ż

liwo

ś

ci wi

ążą

si

ę

tak

ż

e

z rozwojem zastosowa

ń

robotów.

Jedn

ą

z cech nowoczesnych urz

ą

dze

ń

, pojazdów, maszyn, instalacji i

ś

rodków

wytwarzania jest to,

ż

e zawieraj

ą

one równocze

ś

nie składniki mechaniczne,

elektroniczne i programowe. Takie mechatroniczne układy wyst

ę

puj

ą

ce np. w

odtwarzaczach CD, drukarkach atramentowych, czy systemach
bezpiecze

ń

stwa samochodów stały si

ę

cz

ęś

ci

ą

codziennego

ż

ycia. Tak

ż

e

roboty czy zautomatyzowane obrabiarki s

ą

zaliczane do obszaru mechatroniki.

Ta szeroka paleta obiektów mechatronicznych w przyszło

ś

ci znacznie si

ę

jeszcze rozszerzy. I tak np. w technice medycznej dzi

ę

ki małym, lekkim

sterowanym sensorycznie robotom b

ę

d

ą

mo

ż

liwe operacje z minimaln

ą

ingerencj

ą

. W samochodach mechaniczne układy kierownicze i hamulcowe

zostan

ą

zast

ą

pione zespołami mechatronicznymi, co zapewni wi

ę

ksz

ą

funkcjonalno

ść

i wzrost bezpiecze

ń

stwa.

Rozwój i opłacalna produkcja takich nowych i innowacyjnych wyrobów ma
równie

ż

istotne znaczenie dla zapewnienia konkurencyjno

ś

ci przedsi

ę

biorstw.

Typowe działanie mechatroniczne wi

ąż

e si

ę

z niekonwencjonalnym,

cało

ś

ciowym i wielostronnym podej

ś

ciem w realizacji projektów dotycz

ą

cych

rozwoju wyrobów.

Mechatroniczne wyroby

Składniki mechatroniczne upraszczaj

ą

konstrukcj

ę

(budow

ę

) wyrobów. Je

ż

eli stosuje si

ę

je w produkcji, to

uzyskuje

si

ę

szybsze

uruchamianie

oraz

zmniejszenie

spraw

koordynacyjnych

dotycz

ą

cych

oprogramowania.

Konwencjonalna budowa maszyn rozpatruje składniki mechaniczne, elektryczne i oprogramowanie jako oddzielne
jednostki. Do takiego podej

ś

cia s

ą

tak

ż

e dostosowane struktury pracowników w działach konstrukcji mechanicznej i

konstrukcji elektrycznej (elektronicznej) oraz opracowywaniu oprogramowania. Ka

ż

dy konstruktor opracowuje

konstrukcj

ę

cz

ęś

ci (zespołów) maszyny w projektowaniu poziomym. Wydaje si

ę

to sensowne, je

ż

eli przyjmie si

ę

,

ż

e

mechanik-konstruktor buduje maszyny, a projektowanie układów elektryczno-elektronicznych lub opracowywanie
oprogramowania nie nale

żą

do zakresu jego prac. Projektowanie poziome ma jednak wiele wad. Nale

żą

do nich

m.in. problemy dotycz

ą

ce uzgodnie

ń

mi

ę

dzy konstruktorami i technologami, mo

ż

liwo

ść

realizacji rozwi

ą

za

ń

, a tak

ż

e

okre

ś

lenie nakładów. Ponadto wskutek poziomego projektowania nie ma wspomagania w zakresie ponownego

zastosowania modułów, gdy

ż

cz

ą

stkowe rozwi

ą

zania takie jak mechaniczny Layout, planowanie układów

elektryczno-elektronicznych oraz oprogramowanie s

ą

realizowane w ró

ż

nych systemach. Projektowanie pionowe, w

którym cz

ęś

ci (zespoły) maszyny rozpatruje si

ę

w sposób przelotowy dla wszystkich dyscyplin daje wiele korzy

ś

ci.

Jednostki mechatroniczne s

ą

konsekwencj

ą

pionowego projektowania, które powinno słu

ż

y

ć

przede wszystkim do

tego,

ż

eby w coraz bardziej zło

ż

onych funkcjach maszyn upro

ś

ci

ć

konstrukcj

ę

tych maszyn. Im prostsza jest

konstrukcja, tym mniejsze nakłady i bł

ę

dy powstaj

ą

w jej budowie, co poprawia konkurencyjno

ść

przedsi

ę

biorstwa.

Cech

ą

układów (wyrobów) mechatronicznych jest najcz

ęś

ciej przestrzenna i przede wszystkim funkcjonalna

integracja modułów, w których czujniki mierz

ą

sygnały, procesory przetwarzaj

ą

informacje, a aktuatory (zespoły

wykonawcze) elektryczne, hydrauliczne lub pneumatyczne s

ą

stosowane po to, aby oddziaływa

ć

na układ

mechaniczny.

Elementy

mechatroniczne

pochodz

ą

obecnie cz

ę

sto od znacz

ą

cych dostawców nap

ę

dów i składników

mechanicznych. Wynika to z rozwoju, w którym cz

ęś

ci mechaniczne i nap

ę

dy tworz

ą

platform

ę

, do której wstawiane

jest coraz wi

ę

cej elektroniki i oprogramowania, a zatem funkcjonalno

ś

ci. Silniki, falowniki i przekładnie ju

ż

od

dłu

ż

szego czasu stanowi

ą

całkowite jednostki w budowie maszyn. Zainstalowane w takiej jednostce czujniki słu

żą

do wła

ś

ciwego sterowania mechanicznymi funkcjami tej jednostki. Na tej bazie integrowane jest sterowanie prac

ą

maszyn za pomoc

ą

sterowników komputerowych, np. sterowników swobodnie programowalnych PLC (ang.

Programmable Logical Controller), czy układów sterowania numerycznego CNC (ang. Computerized Numerical
Control
).

Mechatronika w budowie maszyn

background image

22

Zastosowanie elementów i układów mechatronicznych wi

ąż

e si

ę

w praktyce z konieczno

ś

ci

ą

zmiany paradygmatów,

np. w budowie maszyn. Powody, dla których rozpatruje si

ę

zastosowanie składników mechatronicznych w

maszynach i innych wyrobach nie zawsze były widoczne. Padaj

ą

argumenty,

ż

e równie

ż

bez mechatroniki były i s

ą

budowane niezawodne maszyny. Wytwórcy maszyn ch

ę

tnie przenosz

ą

swoje do

ś

wiadczenia do praktyki, aby szybko

i efektywnie modyfikowa

ć

istniej

ą

ce projekty (rozwi

ą

zania) i w ten sposób budowa

ć

nowe, niezawodne maszyny.

Zmiana na elementy mechatroniczne spowodowałaby zwi

ę

kszenie ceny maszyn, transfer wiedzy i do

ś

wiadcze

ń

(Know-how) do wytwórców takich elementów i wymiany z producentami maszyn.

Takie obawy s

ą

cz

ę

sto podnoszone jako argumenty przeciwko stosowaniu mechatroniki. Jednak zastosowania

elementów mechatronicznych nie da si

ę

powstrzyma

ć

, poniewa

ż

coraz cz

ęś

ciej przewa

ż

aj

ą

korzy

ś

ci. Maszyny dzi

ę

ki

mechatronice s

ą

szybciej konstruowane, szybciej wytwarzane oraz s

ą

one prostsze. Koncepcja mechatronicznej

budowy modułowej obejmuje równie

ż

przestrzenne zale

ż

no

ś

ci w maszynie. S

ą

to zalety, które niweluj

ą

wy

ż

sze ceny

w porównaniu z konwencjonalnymi składnikami. Równie

ż

producenci maszyn odnosz

ą

korzy

ś

ci z krótszych cykli

innowacyjnych elementów mechatronicznych. Tak

ż

e w przyszło

ś

ci maszyny nie b

ę

d

ą

si

ę

składały wył

ą

cznie z

elementów mechatronicznych. We wszystkich obszarach zastosowa

ń

konieczna jest analiza zalet i wad, które wnosi

zastosowanie mechatroniki. Wcze

ś

niej budowa maszyn była okre

ś

lona aspektami mechanicznymi. Przeprowadzone

niedawno badania wykazały,

ż

e oprogramowanie stanowi ju

ż

połow

ę

funkcjonalno

ś

ci i kosztów w budowie maszyn.

Ten udział stale wzrasta. W niektórych przedsi

ę

biorstwach budowy maszyn działy opracowuj

ą

ce oprogramowanie s

ą

ju

ż

wi

ę

ksze ni

ż

działy konstrukcji mechanicznych. Niektórzy producenci maszyn we własnym zakresie wykonuj

ą

tak

ż

e układy sterowania,

ż

eby nie mo

ż

na ich było skopiowa

ć

.

Interesuj

ą

c

ą

alternatyw

ą

dla tworzenia w przedsi

ę

biorstwie własnych działów opracowywania oprogramowania jest

zastosowanie elementów mechatronicznych. Obejmuj

ą

one bowiem zło

ż

one funkcje cz

ą

stkowe, które mo

ż

na kupi

ć

w

gotowej postaci. Zestawienie i synchronizacja pracy takich elementów jest prostsza ni

ż

samodzielna realizacja

zło

ż

onej funkcji maszyny. Mo

ż

na kupi

ć

specjalny Know-how i nie trzeba go samemu tworzy

ć

. Konfiguracja i

parametryzacja poszczególnych funkcji dla realizacji procesów w maszynie i tym samym Know-how dotycz

ą

cy

procesu, pozostaje u producenta maszyny.

Porównuj

ą

c to z obecnym sposobem post

ę

powania, np. przy zastosowaniu nap

ę

dów do pozycjonowania, nakłady

nie zmieniaj

ą

si

ę

zbyt wiele. Falownik, silnik i przekładnia s

ą

cz

ę

sto dostarczane od jednego oferenta, co okre

ś

la cały

układ. Mechatronika integruje te składniki w jeden moduł, zamiast umieszczania elektroniki w szafie sterowniczej.
Dzi

ę

ki temu uzyskuje si

ę

zwarte maszyny. To co jeszcze zostaje, to wł

ą

czenie elementów mechatronicznych do

zasilania elektrycznego i informacji steruj

ą

cych.

Mechatronika w budowie maszyn

istniej

ą

proste elementy mechatroniczne, które s

ą

wbudowywane mechanicznie w maszyn

ę

i

musz

ą

by

ć

one zasilane energi

ą

elektryczn

ą

. Za pomoc

ą

swoich czujników i programów mog

ą

one realizowa

ć

swoje procesy. Aby w maszynie uzyska

ć

wi

ę

ksz

ą

elastyczno

ść

, sensowne jest

jednak poł

ą

czenie ze sob

ą

elementów mechatronicznych tak

ż

e w zakresie wymiany danych.

Do tego celu słu

żą

sieci komunikacyjne takie jak np. Profibus, Interbus, Profinet czy Ethernet.

System sieciowy słu

ż

y do transmisji nowego oprogramowania, zmienionych zestawów

parametrów, wskazywania statusu i bł

ę

dów lub synchronizacji ruchów. Konstruktor maszyny

mo

ż

e obecnie u producentów układów mechatronicznych cz

ę

sto wybra

ć

rodzaj interfejsu do

ą

czenia w sie

ć

. Wa

ż

niejsze z takich interfejsów (otwarte rozwi

ą

zania sieci komunikacyjnych)

wyst

ę

puj

ą

w wielu elementach mechatronicznych dost

ę

pnych na rynku. Takie sieci wymagaj

ą

instalacji magistrali (komunikacja przewodowa).

Jednak w przyszło

ś

ci coraz wi

ę

ksz

ą

rol

ę

wła

ś

nie w elementach mechatronicznych b

ę

d

ą

odgrywały bezprzewodowe technologie komunikacyjne, a zatem poł

ą

czenia z wykorzystaniem

fal radiowych lub promieni podczerwonych. Ju

ż

obecnie wiele firm oferuje elementy

mechatroniczne, umo

ż

liwiaj

ą

ce ich wł

ą

czenie w sie

ć

za pomoc

ą

bezprzewodowej technologii.

Dzi

ę

ki temu maszyny mog

ą

by

ć

jeszcze prostsze, je

ż

eli elementy mechatroniczne b

ę

d

ą

wymagały jedynie zasilania elektrycznego oraz tego,

ż

eby były one umieszczone w

odpowiednim miejscu. Przez zastosowanie elementów mechatronicznych oraz mechatronicznej
koncepcji budowy łatwiej b

ę

dzie opanowa

ć

coraz wi

ę

ksz

ą

zło

ż

ono

ść

produkowanych maszyn.

Zło

ż

one procesy i funkcje musz

ą

by

ć

tak dalece zamkni

ę

te wewn

ą

trz jednostek

mechatronicznych,

ż

e konstruktor na podstawie ich opisu mo

ż

e je w prosty sposób

wykorzystywa

ć

.

Przepisem na sukces mechatroniki mo

ż

e by

ć

uproszczenie budowy maszyn, poniewa

ż

wła

ś

nie

tutaj jest obecnie zawarty najwi

ę

kszy potencjał racjonalizacyjny.

Mechatronika w budowie maszyn

background image

23

Elastyczno

ść

takich maszyn jak np. maszyny do pakowania, szczególnie w przyszło

ś

ci b

ę

dzie

miała co najmniej takie znaczenie jak szybko

ść

ich działania. Czasy przezbrajania maszyn musz

ą

by

ć

zredukowane, a maszyny musz

ą

mie

ć

mo

ż

liwo

ść

produkcji (pakowania) ró

ż

nych wyrobów.

Obecnie w znacznej cz

ęś

ci maszyn do pakowania s

ą

stosowane tzw. wały królewskie, które

sprz

ę

gaj

ą

wszystkie ruchome zespoły maszyny za pomoc

ą

mechanicznych składników ze

zło

ż

onymi funkcjami ruchu. Takie skomplikowane elementy i zespoły mechaniczne jak krzywki,

sprz

ę

gła i hamulce oraz przekładnie zapewniaj

ą

funkcjonalno

ść

maszyny. W wi

ę

kszo

ś

ci

przypadków do budowy takich maszyn wymagane s

ą

specjalnie dla nich wykonane cz

ęś

ci

mechaniczne. Takie maszyny s

ą

sztywne w mo

ż

liwo

ś

ciach swoich zastosowa

ń

i ju

ż

po krótkim

czasie staj

ą

si

ę

one technicznie przestarzałe.

I tak np. w nowoczesnych maszynach p

ą

kuj

ą

cych trzeciej generacji zamiast krzywek i sprz

ę

gieł

stosuje si

ę

serwonap

ę

dy. Taki ”wirtualny“ wał królewski zapewnia synchronizacj

ę

poszczególnych

ruchomych zespołów (osi) maszyny. Dowolnie synchronizowane taktowo i k

ą

towo ruchy s

ą

(zadawane) generowane przez centralny układ sterowania. Równie

ż

nieplanowane stany maszyny,

takie jak np. sytuacje zatrzymania i stopu awaryjnego oraz ruchy inicjuj

ą

ce mo

ż

na realizowa

ć

w

sposób zsynchronizowany k

ą

towo. Dynamiczne zmiany materiału opakowania lub pakowanych

wyrobów, np.

ś

ciskanie wyrobów lub odkształcenia materiału p

ą

kuj

ą

cego, mog

ą

by

ć

okre

ś

lane

podczas pracy maszyny za pomoc

ą

czujników, a ich skutki eliminowane w przebiegach ruchów.

Ponadto na rynku wymaga si

ę

maszyn bardziej przyjaznych w obsłudze.

Tak

ż

e w tym zakresie zastosowania urz

ą

dze

ń

elektronicznych otwieraj

ą

si

ę

nowe mo

ż

liwo

ś

ci. I tak

np. w przypadku zakłóce

ń

podczas pracy maszyn mo

ż

na im szybko ponownie przywróci

ć

zdolno

ść

do działania dzi

ę

ki temu,

ż

e ich oparte na PC układy sterowania w trybie dialogowym informuj

ą

operatora o wewn

ę

trznych stanach. Wspomagaj

ą

one zarówno działania podczas ustawiania

parametrów maszyny jak i przy diagnozowaniu bł

ę

dnych stanów, przyczyniaj

ą

c si

ę

w ten sposób do

maksymalnej dyspozycyjno

ś

ci maszyny. Natomiast za pomoc

ą

Internetu istnieje tak

ż

e mo

ż

liwo

ść

zdalnej diagnostyki.

Zastosowanie mechatroniki w budowie maszyn

Ogromna wi

ę

kszo

ść

produkowanych obecnie mikroprocesorów nie znajduje zastosowania w

komputerach, ale stanowi cz

ęść

innych urz

ą

dze

ń

technicznych, takich jak samochody, samoloty,

domy, układy sterowania maszyn, satelity, telefony komórkowe, pralki, automaty do gry czy
kamery. S

ą

to głównie mikrosterowniki (mikrokontrolery). Szacuje si

ę

,

ż

e w 2000 r.

wyprodukowano około 150 mln mikroprocesorów do komputerów i ponad 7 mld
mikrokontrolerów. Mikrokontrolery stanowiły wi

ę

c ponad 90% wszystkich procesorów. Temu

fascynuj

ą

cemu rozwojowi techniki mikroprocesorowej towarzyszy równocze

ś

nie wi

ę

ksza

wydajno

ść

, miniaturyzacja i dyspozycyjno

ść

innych komponentów do konstrukcji urz

ą

dze

ń

mechatronicznych: silników, przekładni, baterii, poł

ą

cze

ń

, sensorów itp.

Obserwujemy coraz wi

ę

ksz

ą

„mechatronizacj

ę

” konwencjonalnych systemów technicznych.

Samoloty, statki i satelity od dawna maj

ą

ju

ż

autopiloty. W samochodach osobowych pracuje si

ę

intensywnie nad wspomaganiem zmysłów kierowcy w krytycznych dla niego sytuacjach.
Oznacza to,

ż

e samochody za kilka lat mog

ą

sta

ć

si

ę

robotami mobilnymi. Równie

ż

w tym

kierunku rozwijaj

ą

si

ę

urz

ą

dzenia techniki procesowej i technika domowa. Maszyny, urz

ą

dzenia,

aparaty i instalacje spostrzegaj

ą

swoje otoczenie, maj

ą

elastyczny „magazyn sposobów

zachowania”, mog

ą

si

ę

dopasowywa

ć

do zmieniaj

ą

cych si

ę

warunków otoczenia, podejmuj

ą

decyzje na podstawie kilku opcji działania i na koniec wykonuj

ą

działanie.

Główne obszary badawcze mechatroniki mo

ż

na podzieli

ć

na dwie grupy: (1) badania

ukierunkowane na produkt mechatroniczny i (2) badania zorientowane na proces
projektowania i wytwarzania produktów mechatronicznych
. W

ś

ród tych drugich niezwykle

wa

ż

ny staje si

ę

rozwój interdyscyplinarnego podej

ś

cia do projektowania, cz

ę

sto po prostu

uto

ż

samianego z mechatronik

ą

czy projektowaniem mechatronicznym. Nie jest to zadanie łatwe.

Próby osi

ą

gni

ę

cia wi

ę

kszej integracji w poprzek dyscyplin prowadz

ą

bowiem cz

ę

sto do rosn

ą

cej

rozbie

ż

no

ś

ci metod i narz

ę

dzi.

Rozwój mechatroniki

background image

24

Dotychczasowe, specyficzne metody projektowania w mechanice, automatyce, elektronice i
informatyce opieraj

ą

si

ę

na specyficznym dla dziedziny

ś

wiecie poj

ęć

, na specyficznych

do

ś

wiadczeniach nabytych przez dziesi

ą

tki lat oraz na specyficznych metodach i

ś

rodkach

opisu. Doprowadziło to w wielu dziedzinach do specyficznego sposobu my

ś

lenia

konstruktorów, a w praktyce przemysłowej do odpowiedniej funkcjonalnej struktury
organizacyjnej. Wychodz

ą

c z tej struktury, w praktyce przemysłowej cz

ę

sto próbuje si

ę

za

pomoc

ą

podobnego sposobu my

ś

lenia i takiej samej struktury organizacyjnej rozwija

ć

urz

ą

dzenia mechatroniczne. Konstruktorzy jednej z dziedzin okre

ś

laj

ą

w znacznym stopniu

sposób post

ę

powania i rozdzielaj

ą

konieczne, ze swego punktu widzenia, zadania i

problemy na grupy konstruktorów z innych dziedzin, bez wczesnego i integracyjnego
uwzgl

ę

dnienia mo

ż

liwo

ś

ci innych dyscyplin fachowych. Jest to mentalno

ść

typu „ja”.

Wynikiem takiego post

ę

powania s

ą

produkty optymalizowane cz

ęś

ciowo, powstaj

ą

ce przez

ż

mudne, czasochłonne i kosztowne dochodzenie do rozwi

ą

zania ko

ń

cowego. Nie

wykorzystuje si

ę

potencjału koncepcji systemowej, ukazuj

ą

cej korzy

ś

ci pozadyscyplinowe.

Próby wczesnego modelowania urz

ą

dzenia mechatronicznego skazywane s

ą

na

niepowodzenie cz

ę

sto z powodu braku sformalizowanego opisu lub braku

ś

rodków opisu

wykraczaj

ą

cych poza dan

ą

dyscyplin

ę

. A urz

ą

dzenia mechatroniczne staj

ą

si

ę

coraz bardziej

zło

ż

one. Ich dynamiczne zachowanie bierze si

ę

z wzajemnego powi

ą

zania

wyspecjalizowanych komponentów: mechaniki, hydrauliki, pneumatyki, elektryki, elektroniki,
elektroniki, automatyki i informatyki. Je

ż

eli do projektowania takiego urz

ą

dzenia podchodzi

si

ę

w sposób tradycyjny, sekwencyjny, to zachowanie urz

ą

dzenia i u

ż

yteczno

ść

przyj

ę

tego

rozwi

ą

zania koncepcyjnego mo

ż

na potwierdzi

ć

dopiero w pó

ź

nej fazie projektowania. Wtedy

jednak nawet niewielkie zmiany konstrukcyjne s

ą

bardzo kosztowne.

Mechatronika - interdyscyplinarne podej

ś

cie

Konwencjonalne metody projektowania in

ż

ynierskiego nie wystarczaj

ą

do racjonalnego

projektowania urz

ą

dze

ń

mechatronicznych. S

ą

dwie główne przyczyny takiego stanu rzeczy:

• zmieniaj

ą

si

ę

obiekty projektowania oraz

• zmieniaj

ą

si

ę

narz

ę

dzia projektowania.

Obiekty rozwa

ż

ane w konwencjonalnych metodach projektowania s

ą

zwykle

jednodyscyplinowymi (mechanicznymi, elektronicznymi), podczas gdy urz

ą

dzenia

mechatroniczne s

ą

obiektami wielodyscyplinowymi. Konwencjonalne podej

ś

cie do

projektowania nie jest wystarczaj

ą

ce do multidyscyplinarnej wiedzy in

ż

ynierskiej, która jest

istotna w warunkach konkurencji na rynku. Obecnie in

ż

ynier w swojej pracy projektowej u

ż

ywa

coraz wi

ę

cej oprogramowania. Od edytora tekstu do in

ż

ynierskiej bazy danych, od 2D/3D

CAD (ang. Computer Aided Design) do analizy metod

ą

elementów sko

ń

czonych. Poprawia to

nie tylko skuteczno

ść

jego pracy, ale zmienia równie

ż

sposób pracy in

ż

yniera. Dlatego te

ż

poszukuje si

ę

nowych rozwi

ą

za

ń

integruj

ą

cych modelowanie systemu mechatronicznego.

Z koncepcji integruj

ą

cych na uwag

ę

zasługuj

ą

:

• integrowanie na płaszczy

ź

nie oprogramowania komponentów systemu,

• oparcie si

ę

na oprogramowaniu komputerowym, integruj

ą

cym wiedz

ę

ż

nych ekspertów,

• wykorzystanie j

ę

zyków in

ż

ynierii oprogramowania,

• podej

ś

cie in

ż

ynierii współbie

ż

nej nazywane kompilatorem.

Nale

ż

y przy tym pami

ę

ta

ć

o tym,

ż

e podczas syntezy produktów mechatronicznych wa

ż

na jest

nie tyle integracja nowoczesnych metod analizy (narz

ę

dzia CAD), ile rozumienie i

do

ś

wiadczenie konstruktora.

Integracja dyscyplin w mechatronice

background image

25

Powody integrowania mikroprocesorów z maszynami

Głównymi powodami wbudowywania mikroprocesorów w urz

ą

dzenia mechaniczne s

ą

:

1) poszerzenie własno

ś

ci, 2) uproszczenie, 3) innowacyjno

ść

.

Ad 1. Zasadnicza konstrukcja urz

ą

dzenia pozostaje taka sama, a cz

ę

sto jest ju

ż

nawet

przestarzała. Dodanie mikroprocesora mo

ż

e rozszerzy

ć

lub poprawi

ć

dokładno

ść

, szybko

ść

pracy

czy elastyczno

ść

zastosowania, zredukowa

ć

wymagania eksploatacyjne i poprawi

ć

niezawodno

ść

. Typowym tego przykładem jest układ sterowania silnikiem samochodowym. Układ

ten zwi

ę

ksza ekonomiczno

ść

silnika, daje łagodniejszy bieg jałowy i dłu

ż

sze okresy mi

ę

dzy

kolejnymi przegl

ą

dami technicznymi.

Ad 2. System mikroprocesorowy mo

ż

e zast

ą

pi

ć

jeden lub kilka skomplikowanych mechanizmów.

Przykładem tego mo

ż

e by

ć

modernizacja nacinania gwintów na tokarce. W tokarce tradycyjnej do

nap

ę

du wrzeciona i

ś

ruby poci

ą

gowej słu

ż

y ten sam silnik. Do zapewnienia mo

ż

liwo

ś

ci nacinania

gwintów o ró

ż

nym skoku konieczne jest wykorzystanie zestawu wymiennych kół z

ę

batych i

przekładni wielostopniowej o bardzo du

ż

ej liczbie przeło

ż

e

ń

. Natomiast rozwi

ą

zanie

mechatroniczne (tokarka CNC) polega na zastosowaniu oddzielnych silników do nap

ę

du

ś

ruby

poci

ą

gowej i wrzeciona tokarki, a przekładnia z

ę

bata staje si

ę

zbyteczna. Elektroniczne

sterowanie jest wygodniejsze, poniewa

ż

„przekładnia” elektroniczna jest bezstopniowa i umo

ż

liwia

nacinanie gwintów o dowolnym skoku. Konstrukcja mechaniczna takiej tokarki jest uproszczona, a
jej zespoły mog

ą

by

ć

u

ż

ywane bardziej elastycznie, co sprzyja oszcz

ę

dno

ś

ci kosztów.

Ad 3. Zastosowanie mikroprocesorów umo

ż

liwia wytwarzanie takich produktów czy systemów,

które dotychczas nie mogły by

ć

zrealizowane. Chodzi tutaj przede wszystkim o roboty i maszyny,

które wymagaj

ą

zaawansowanych technologii sensorycznych, jak np. rozpoznawania obrazu.

Dwa pierwsze powody nie wykluczaj

ą

si

ę

wzajemnie. W wielu przypadkach zastosowanie

mikroprocesorów daje podwójn

ą

korzy

ść

: poprawia osi

ą

gi i obni

ż

a koszty.

Ze wzgl

ę

du na rosn

ą

c

ą

konkurencj

ę

na rynku pozostan

ą

na dłu

ż

ej ze swoimi wyrobami tylko te

przedsi

ę

biorstwa produkcyjne, które lepiej od konkurentów przystosuj

ą

si

ę

do wymaga

ń

krótszych

cykli rozwoju oraz innowacyjnych wyrobów i technologii.

Mechatroniczne wyroby, integruj

ą

ce elementy mechaniczne, elektryczne i elektroniczne oraz

informatyczne, wnosz

ą

lepsz

ą

i rozszerzon

ą

funkcjonalno

ść

, przy równocze

ś

nie zredukowanej

wielko

ś

ci i zapotrzebowaniu na zasoby oraz mniejszych kosztach produkcji. Jednak mechatronika

stawia tak

ż

e nowe wymagania dotycz

ą

ce projektowania wyrobów, ich monta

ż

u, organizacji i

logistyki.

Interdyscyplinarno

ść

mechatroniki otwiera tym samym przed wyrobami nowe perspektywy w

rywalizacji o spełnienie oczekiwa

ń

klientów. Skuteczne przeniesienie tych potencjalnych mo

ż

liwo

ś

ci

wi

ąż

e si

ę

jednak z konieczno

ś

ci

ą

zintegrowanego my

ś

lenia i działania zwi

ą

zanych z tym

uczestników.

Przedsi

ę

biorstwa, które wytwarzaj

ą

wyroby mechatroniczne pozostaj

ą

zwykle pod silnym wpływem

nawyków zwi

ą

zanych ze stron

ą

mechaniczn

ą

i elektrotechniczn

ą

. Mechatroniczne wyroby

wymagaj

ą

jednak zupełnie innego podej

ś

cia, przebiegów i zada

ń

podczas rozwoju, zarówno

wyrobów jak i procesów ich wytwarzania, ani

ż

eli układy (systemy) czysto mechaniczne czy

elektroniczne.

Ju

ż

podczas rozwoju wyrobu konieczne jest uwzgl

ę

dnienie i ocena mo

ż

liwo

ś

ci zastosowania w

systemie rozwi

ą

za

ń

pochodz

ą

cych z ró

ż

nych dziedzin. Oznacza to,

ż

e ze wzgl

ę

dów zarówno

technicznych jak i ekonomicznych musi by

ć

okre

ś

lona najlepsza z mo

ż

liwych koncepcja wyrobu.

W opartych na tym kolejnych procesach rozwojowych interfejsy wyrobu wymagaj

ą

intensywnej

integracji dotycz

ą

cej synchronizacji tych procesów w zakresie mechaniki, elektroniki i

oprogramowania.

Wymagania dotycz

ą

ce wytwarzania wyrobów

mechatronicznych

background image

26

Struktura urz

ą

dzenia mechatronicznego oraz powi

ą

zanie

jego zespołów przez przepływ energii, masy i informacji

Otoczenie

Człowiek

Przetwarzanie

informacji

Informatyczne

urz

ą

dzenia

współpracuj

ą

ce

Energia

zasilania

Energia

zasilania

System

komunikacji

Interfejs człowiek-

maszyna

Przetwarzanie

analogowo-

cyfrowe

Dopasowanie/

wzmocnienie

Aktuatory

Obróbka

wst

ę

pna

Przetwarzanie

analogowo-

cyfrowe

Sensory

Energia

zasilania

Energia

zasilania

System podstawowy

(struktura

mechaniczna)

Wielko

ś

ci

analogowe (głównie

przepływ energii i

materiału)

Wielko

ś

ci cyfrowe

(głównie przepływ

informacji)

Przepływ energii

Przepływ materiałów

Przepływ informacji

System i jego własno

ś

ci

Otoczenie

System

System: jest to w pewien sposób
wyodr

ę

bniona z otoczenia cz

ęść

,

a jej ograniczenia wynikaj

ą

ze

sformułowania problemu.

System

A

1

A

2

A

3

(wej

ś

cie)

A

9

(wyj

ś

cie)

A

4

A

5

A

6

A

7

A

8

A

10

A

11

A

12

Ka

ż

dy system wzgl

ę

dem otoczenia

ma okre

ś

lone własno

ś

ci (cechy),

które s

ą

nazywane

atrybutam

atrybutami.

Atrybuty, które nie s

ą

wielko

ś

ciami

wej

ś

ciowymi (ang. Input) i

wielko

ś

ciami wyj

ś

ciowymi (ang.

Output), lecz opisuj

ą

zachowanie

si

ę

systemu nazywa si

ę

stanami

stanami.

background image

27

Funkcje i struktura systemu

Podsystem 1

Podsystem 3

Podsystem 2

Relacja R

12

Relacja R

32

Relacja R

23

Relacja R

13

System

System

A

1

A

2

Funkcja F: A

1

A

2

Pomi

ę

dzy atrybutami systemu

wyst

ę

puj

ą

zale

ż

no

ś

ci w postaci funkcji.

Je

ż

eli funkcja F nie jest znana, to taki

system okre

ś

la si

ę

jako czarn

ą

skrzynk

ę

(ang. Black box).

System zwykle zawiera podsystemy,
których wzajemne zale

ż

no

ś

ci s

ą

opisane relacjami R. Liczb

ę

relacji

nazywa si

ę

struktur

ą

systemu

.

Definicja systemu:

„… ograniczony układ wzajemnie oddziałuj

ą

cych elementów,

… jest wyodr

ę

bniony z otoczenia przez warstw

ę

oddzielaj

ą

c

ą

.

Warstwa oddzielaj

ą

ca tworzy poł

ą

czenia systemu z otoczeniem …“

(przepływ materiałów, energii i informacji).

Wej

ś

cie: u(t) Stan wewn

ę

trzny: x(t) Wyj

ś

cie: y(t)

Definicja systemu

Otoczenie

Energia

Energia

Materiał

Materiał

Informacje

Informacje

background image

28

System

Fizycznie/ technicznie lub matematycznie/ logicznie powi

ą

zana

jednostka.

Zamkni

ę

ty wewn

ę

trzny stan, w którym odwzorowana jest

fizyczna lub logiczna pami

ęć

.

Reprezentuje zasad

ę

przyczyna-skutek, przy czym zewn

ę

trzne

wej

ś

cia s

ą

przyczynami, a wyj

ś

cia na zewn

ą

trz s

ą

widocznymi

skutkami (oddziaływaniem).

Pojedyncze systemy nadaj

ą

si

ę

jako moduły do budowy bardziej

zło

ż

onych struktur. Natomiast system mo

ż

e si

ę

składa

ć

z

podsystemów.

Przykłady systemów mechatronicznych

Proste wyroby (urz

ą

dzenia)

Sprz

ę

t AGD („gor

ą

ce wyroby”)

Samochody (pojazdy)

Technika medyczna

Technika lotnicza i kosmiczna

Sprz

ę

t domowy („br

ą

zowe wyroby”)

background image

29

Układy mechatroniczne – podział z przykładami

Elementy

maszyn

- ło

ż

yska

- przeguby

Systemy mechaniczne

Składniki

realizuj

ą

ce

siły i ruchy

Maszyny

siłowe

Maszyny

robocze

Pojazdy

Poci

ą

gi

Samo-

loty

Składn.

mech.

precyz.

Urz

ą

dz.

mech.

precyz.

Zespoły

mikro-

mechan.

Układy

mikro-

mechan.

Zespoły

mechaniczne

Maszyny

Ś

rodki

komunikacji

Mechanika
precyzyjna

Mikro-

mechanika

- poł

ą

czenia

kinematyczne
- ła

ń

cuchy

nap

ę

dowe

- składniki

hydraul./
pneumat.

- składniki

elektro-
mechaniczne

- silniki

elektrycz.

- silniki

tłokowe

- turbiny

- generatory

elektryczne

- turbo-

generatory

- silniki

tłokowe

- obrabiarki

- maszyny

wytwórcze

- maszyny

rolnicze

- samoch.

osobowe

- samoch.

ci

ęż

arowe

- pojazdy

wojskowe

- samol.

pasa

ż

.

- samol.

wojsk

.

- ło

ż

yska

- przeguby

- poł

ą

cz,

kinemat.

- ł

ąń

cuchy

nap

ę

dów

- wył

ą

czniki

- przeka

ź

n.

- czujniki

- aktuatory

- odtwarz.

- drukarki

- urz

ą

dz.

komunikac.

- urz

ą

dz.

ko

ń

cowe

- urz

ą

dz.

optyczne

- urz

ą

dz.

medyczne

- ło

ż

yska

- przeguby

- poł

ą

cz.

kinemat.

- ła

ń

cuchy

nap

ę

dów

- czujniki

- aktuatory

- silniki

- pompy

Przykłady systemów mechatronicznych – artykuły konsumpcyjne:

odtwarzacz CD,

aparat fotograficzny z autofocusem,

odtwarzacz wideo,

kamera wideo,

odtwarzacz MP3,

telefon komórkowy,

drukarka,

pralka automatyczna,

suszarka,

robot kuchenny (domowy),

Przykłady systemów mechatronicznych

background image

30

Walkman

Odtwarzacz CD

Aparat
fotograficzny z
autofokusem

Odtwarzacz wideo

Kamera wideo

Odtwarzacz MP3

Telefon
komórkowy z
aparatem
fotograficznym

Grafika: Canon

Mechatronika w artykułach

konsumpcyjnych

Elektromechanika

Elektromechanika

Mechanika

Elektrotechnika

Teoria systemów i teoria

Teoria systemów i teoria

sterowania

sterowania

Teoria stanów

Układy adaptacyjne

Układy o wysokiej

zło

ż

ono

ś

ci

Mikroelektronika

Mikroelektronika

Informatyka elektroniczna

Elektronika mocy

Informatyka

Informatyka

Oprogramowanie

sterowania

Oprogramowanie

projektowe

Systemy ekspertowe

Innowacyjne własno

ś

ci

Innowacyjne własno

ś

ci

Wy

ż

sza funkcjonalno

ść

Rozproszona inteligencja

Bezpiecze

ń

stwo

Elastyczno

ść

Rozszerzalna

funkcjonalno

ść

Nowoczesne projektowanie

Nowoczesne projektowanie

Metody

Narz

ę

dzia

Ś

rodowisko rozwojowe

Poziomy wyrobów

Poziomy wyrobów

mechatronicznych

mechatronicznych

Poziom maszyny

Poziom fabryki

Poziom modułu

Poziom składnika

M

E

C

H

A

T

R

O

N

IK

A

Mechatronika - podej

ś

cie interdycyplinarne

background image

31

Podstawowa struktura układu mechatronicznego

Przetwarzanie

informacji

Przetwarzanie

informacji

Czujniki

Aktuatory

Całkowity

układ

System

komunikacyjny

Interfejs

człowiek-maszyna

Człowiek

Zasilanie

w energi

ę

Przepływ informacji

Przepływ energii

Przepływ materiałów

Jednostka niezb

ę

dna

Jednostka opcjonalna

Otoczenie

Struktura układu mechatronicznego

Układ sterowania

i regulacji

Aktuator

Urz

ą

dzenie pomiarowe

(sensor)

Układ podstawowy

(najcz

ęś

ciej mechaniczny)

Meldunki zwrotne

Wielko

ś

ci

nastawiaj

ą

ce

Sygnały

nastawiaj

ą

ce

Siły/ momenty

Zakłócenia

Ruchy

Wielko

ś

ci mierzone

wzgl. zakłócaj

ą

ce

Sygnały mierzone

Wielko

ś

ci zadane

(wiod

ą

ce )

background image

32

Proces mechaniczny i przetwarzanie energii

rozwin

ę

ły si

ę

do układów mechatronicznych

Obsługa

Przetwarzanie

informacji

Sensory

Układ mechaniczny

i przetwarzanie

energii

Aktuatory

Wielko

ś

ci zadane

Wielko

ś

ci mierzone

Strumie

ń

wykorzystywanej energii

Zasilanie
w energi

ę

Odbiornik
energii

Pierwotny
strumie

ń

energii

Pomocniczy
strumie

ń

energii

Strumie

ń

informacji

Strumie

ń

energii

mechanicznie
hydraulicznie
termodynamicznie
elektrycznie







Komponenty (składniki) systemu mechatronicznego s

ą

ze sob

ą

powi

ą

zane przepływem materiałów, energii i

sygnałów. Celem całego systemu jest m.in. kontrola przepływu materiałów i energii w układzie mechanicznym.
Układ mechaniczny styka si

ę

z otoczeniem wła

ś

nie przez przepływ materiałów i energii. Pomi

ę

dzy tym

układem oraz czujnikami i aktuatorami przepływa zarówno energia do pomiarów i oddziaływania na zespoły
mechaniczne, jak równie

ż

informacje pomiarowe i steruj

ą

ce. Układ przetwarzania informacji ma przepływy

informacji do aktuatorów i z sensorów (interfejs procesu). Jest on równie

ż

powi

ą

zany z otoczeniem, aby móc

si

ę

komunikowa

ć

z innymi układami sterowania (interfejs komunikacyjny) lub u

ż

ytkownikiem (interfejs

u

ż

ytkownika).

Z ogólnej struktury systemu mechatronicznego wywodz

ą

si

ę

równie

ż

układy, które nie zawieraj

ą

wszystkich

typowych składników. I tak mo

ż

na sobie wyobrazi

ć

systemy z czujnikami (sensorami) i oprogramowaniem,

ale bez aktuatorów.

Procesor

(informatyka)

Mechanika

(struktura

podstawowa)

Sensory

Sensory

U

ż

ytkownik

Zewn

ę

trzne

procesory

Przepływ materiałów:

Przepływ energii:

Przepływ informacji:

Struktura systemu mechatronicznego

background image

33

Model odniesienia (referencyjny) mechatroniki

Aktuator

Aktuator

Sensor

Sensor

System IT

System IT

Techniczny

system docelowy

Techniczny

system docelowy

Fizyczne wielko

ś

ci

wej

ś

ciowe z innych

systemów (ci

ą

głe w czasie)

Zamiana fizycznych wielko

ś

ci

wej

ś

ciowych w fizyczne

wielko

ś

ci wyj

ś

ciowe

Fizyczne wielko

ś

ci

wej

ś

ciowe do innych

systemów (ci

ą

głe w czasie)

Sprz

ęż

enie zwrotne

wielko

ś

ci fizycznych

wewn

ą

trz systemu

(ci

ą

głe w czasie)

Zamiana wielko

ś

ci

fizycznych na
sygnały dominuj

ą

ce

informacyjnie

Sygnały z sensora
(dyskretne / ci

ą

gle w

czasie)

Wej

ś

cie sygnałów

komunikacyjnych z innych
systemów lub z ingerencji
u

ż

ytkownika

Zamiana sygnałów
wej

ś

ciowych w

sygnały wyj

ś

ciowe

Wyj

ś

cie sygnałów

komunikacyjnych do innych
systemów lub meldunki zwrotne
do u

ż

ytkownika (dyskretne /

ci

ą

głe w czasie)

Sygnały do aktuatora
(dyskretne / ci

ą

głe w

czasie)

Zamiana sygnałów z
dominacj

ą

informacji

w wielko

ś

ci fizyczne

z dominacj

ą

energii

Działanie zwrotne
wielko

ś

ci fizycznych

wewn

ą

trz systemu

(ci

ą

głe w czasie)

Granica systemu

Dominuje energia

Dominuje informacja

Wa

ż

niejsze okre

ś

lenia stosowane w systemach

mechatronicznych

Układ podstawowy:

składa si

ę

ze struktury zawieraj

ą

cej elementy mechaniczne, hydrauliczne lub

pneumatyczne, albo ich kombinacji, w której realizowane jest okre

ś

lone

działanie (np. ruch, siła, itp.).

Czujnik (sensor):

słu

ż

y do okre

ś

lania stanu wybranych wielko

ś

ci systemu, zwykle przetwarza

wielko

ś

ci fizyczne w sygnały elektryczne, które nast

ę

pnie s

ą

przetwarzane jako

informacje.

Przetwarzanie informacji:

okre

ś

la konieczne oddziaływania, aby w okre

ś

lony sposób wpływa

ć

na stan

wielko

ś

ci systemu i który obecnie jest najcz

ęś

ciej wykonany jako cyfrowy.

Aktuator (element wykonawczy):

słu

ż

y do realizacji oddziaływa

ń

bezpo

ś

rednio na układ podstawowy; dostarcza

(nastawia) siły i momenty, które prowadz

ą

do ruchu systemu.

background image

34

Automat biletowy jako przykład układu mechatronicznego

Zadanie:

Zadanie: wydanie biletu po
podaniu celu podró

ż

y lub

obszaru taryfowego i
zapłaceniu nale

ż

no

ś

ci w

postaci monet, banknotów i
karty kredytowej; wydawanie
reszty

Automat biletowy

Czujniki, procesor,

aktuatory z modułami:

mechanicznymi

elektrycznymi

informatycznymi

optycznymi

Informacje

Informacje

Cel podró

ż

y

Obszar taryfowy

Monety, banknoty

Karty kredytowe

Materiały

Materiały

Zasilanie
elektryczne

Energia

Energia

Automat biletowy

Touch screen
• mikrokomputer
• pami

ęć

danych

• wy

ś

wietlacz informacji

(taryfy, ceny, itp.)

Dotykowe
wprowa-
dzanie
informacji

Dotykowe
wprowa-
dzanie
informacji

Czujniki do sprawdzania monet
• ci

ęż

ar monety:

elektroniczny moduł wa

żą

cy

• grubo

ść

monety:

czujnik optoelektroniczny

• stop, z którego wykonano monety:

czujnik magneto-elektroniczny

• czujnik rozpoznawania banknotów
Pami

ęć

monet i sortownik monet

Czytnik kart kredytowych i moduł

wydawania kart

Moduły drukowania, formatowania i
wydawania:
• elektromechaniczna drukarka biletów
• mechaniczny moduł ci

ę

cia biletów

• aktuator wydawania biletów
• moduł informatyczny do obliczania wydania reszty
• aktuator do wydawania reszty

Wprowadzanie

Wprowadzanie

Informacji:

Informacji:

Cel podró

ż

y

Obszar taryfowy

Wej

ś

cie

Informacja o
cenie dla
wybranego
celu

Wybór biletu

Monety, banknoty

Wprowadzanie

Wprowadzanie

materiałów:

materiałów:

Karty kredytowe

Wyj

ś

cie:

Wyj

ś

cie:

Bilet
Reszta

Odblokowanie

drukowania biletu

Sterowanie

drukowaniem,

formatowaniem

i wydawaniem

biletu

Sterowanie i regulacja

W systemach technicznych (np. technologicznych) bardzo cz

ę

sto wyst

ę

puje konieczno

ść

realizacji takich działa

ń

,

ż

eby zmienne w czasie wielko

ś

ci systemu miały okre

ś

lone przebiegi.

W najprostszym przypadku wielko

ś

ci te powinny mie

ć

stałe warto

ś

ci, pomimo działaj

ą

cych na

system zakłóce

ń

. Tego rodzaju zadania mo

ż

na realizowa

ć

przez zastosowanie sterowania i

regulacji. Nale

ż

y zatem wyja

ś

ni

ć

ż

nic

ę

mi

ę

dzy oboma tymi poj

ę

ciami.

Sterowanie
I tak sterowanie jest działaniem, w którym nale

ż

y zrealizowa

ć

żą

dany przebieg czasowy

własnej wielko

ś

ci układu albo bez po

ś

rednictwa dalszych własnych (wewn

ę

trznych) wielko

ś

ci

tego układu, albo przy pomocy innych zewn

ę

trznych wielko

ś

ci. Wielko

ść

, na któr

ą

si

ę

oddziałuje nie jest mierzona.

Człon steruj

ą

cy

(sterownik)

Urz

ą

dzenie nastawiaj

ą

ce

(nastawnik, aktuator)

Obiekt

sterowania

Urz

ą

dzenie steruj

ą

ce

Urz

ą

dzenie steruj

ą

ce

w

u

Z

a

k

łó

c

e

n

ie

Wyj

ś

cie

z

y

Cech

ą

charakterystyczn

ą

sterowania jest otwarty przebieg działania. Nie ma sprz

ęż

enia

zwrotnego wielko

ś

ci wyj

ś

ciowej układu z jego wej

ś

ciem. Otwarty sposób działania jest cz

ę

sto

okre

ś

lany jako sterowanie w obwodzie otwartym.

background image

35

Regulacja
Pod poj

ę

ciem regulacji rozumie si

ę

natomiast takie działanie, w którym wielko

ść

regulowana

jest ci

ą

gle mierzona i porównywana z wielko

ś

ci

ą

zadan

ą

(wiod

ą

c

ą

). Za pomoc

ą

wyniku tego

porównania (ró

ż

nicy), uchybu regulacji, realizowane jest takie oddziaływanie na wielko

ść

regulowan

ą

,

ż

eby była ona równa wielko

ś

ci zadanej.

Regulacja

Z

a

k

łó

c

e

n

ie

Człon

porównuj

ą

cy

Urz

ą

dzenie nastawiaj

ą

ce

(nastawnik, aktuator)

Obiekt

regulacji

Urz

ą

dzenie regulacyjne

Urz

ą

dzenie regulacyjne

w

u

Miejsce

pomiaru

(wielko

ść

regulowana)

z

y

Regulator

Urz

ą

dzenie pomiarowe

(sensor, czujnik)

e

Tego rodzaju działanie odznacza si

ę

wyst

ę

powaniem sprz

ęż

enia zwrotnego (ujemnego)

wyj

ś

cia układu z jego wej

ś

ciem. Zbudowany w taki sposób zamkni

ę

ty obwód jest okre

ś

lany

jako obwód regulacji.

Elementy układu regulacji

Obiekt regulacji jest t

ą

cz

ęś

ci

ą

układu technicznego, który podlega oddziaływaniu. Obiekt rozpoczyna si

ę

w miejscu

nastawiania układu, w którym wielko

ść

nastawiaj

ą

ca u opuszcza regulator, a ko

ń

czy si

ę

w miejscu pomiaru, a zatem

tam gdzie wielko

ść

regulowana opuszcza obiekt regulacji.

Urz

ą

dzenie regulacyjne jest najwa

ż

niejszym składnikiem układu regulacji. Zawiera ono takie elementy, które realizuj

ą

zadania wymagane podczas regulacji. Nale

ż

y do niego m.in. urz

ą

dzenie pomiarowe. Słu

ż

y ono do tego, aby w

sposób ci

ą

gły dokonywa

ć

pomiaru wielko

ś

ci regulowanej

y

y w miejscu pomiaru. Człon porównuj

ą

cy (komparator) jest

potrzebny po to, aby zmierzon

ą

wielko

ść

regulowan

ą

(rzeczywist

ą

) porównywa

ć

z wielko

ś

ci

ą

zadan

ą

w

w i tworzy

ć

ż

nic

ę

, która stanowi uchyb regulacji

e

e. Regulator przekształca uchyb regulacji

e

e w wielko

ść

wyj

ś

ciow

ą

z regulatora.

Urz

ą

dzenie nastawiaj

ą

ce jest ostatni

ą

cz

ęś

ci

ą

urz

ą

dzenia regulacyjnego, które wyprowadza wielko

ść

nastawiaj

ą

c

ą

u

u

do obiektu regulacji i tym samym jest odpowiedzialne za oddziaływanie na wielko

ść

regulowan

ą

y

y.

Punktami granicznymi pomi

ę

dzy obiektem regulacji i urz

ą

dzeniem regulacyjnym s

ą

miejsce pomiaru i miejsce

nastawiania. W miejscu pomiaru urz

ą

dzenie regulacyjne okre

ś

la stan wielko

ś

ci regulowanej, a w miejscu nastawiania

oddziałuje na obiekt.

Wielko

ś

ci charakterystyczne obwodu regulacji

Wielko

ść

zadana

w

w jest wielko

ś

ci

ą

, na któr

ą

podczas regulacji bezpo

ś

rednio si

ę

nie oddziałuje, jest ona wprowadzana

z zewn

ą

trz i pozostaje w zale

ż

no

ś

ci z wielko

ś

ci

ą

regulowan

ą

. Wielko

ść

zadana mo

ż

e by

ć

stała w czasie lub te

ż

ulega

ć

zmianie.
Uchyb regulacji

e

e uzyskuje si

ę

jako ró

ż

nic

ę

pomi

ę

dzy wielko

ś

ci

ą

zadan

ą

w

w a zmierzon

ą

wielko

ś

ci

ą

regulowan

ą

y

y

(wielko

ść

rzeczywista obiektu regulacji). Sygnał uchybu jest wprowadzany do regulatora, który zgodnie z okre

ś

lonymi

funkcyjnymi zale

ż

no

ś

ciami tworzy wielko

ść

nastawiaj

ą

c

ą

u

u.

Wielko

ść

nastawiaj

ą

ca

u

u jest wielko

ś

ci

ą

wyj

ś

ciow

ą

z urz

ą

dzenia regulacyjnego oraz wielko

ś

ci

ą

wej

ś

ciow

ą

obiektu

regulacji. Realizuje ona działanie steruj

ą

ce urz

ą

dzenia regulacyjnego na obiekt.

Wielko

ść

regulowana

y

y jest wielko

ś

ci

ą

wyst

ę

puj

ą

c

ą

na wyj

ś

ciu obiektu i jest ona mierzona za pomoc

ą

urz

ą

dzenia

pomiarowego. Celem regulacji jest okre

ś

lone oddziaływanie na t

ą

wielko

ść

. Jest ona równocze

ś

nie wielko

ś

ci

ą

wyj

ś

ciow

ą

obiektu regulacji i wielko

ś

ci

ą

wej

ś

ciow

ą

urz

ą

dzenia regulacyjnego.

Do wielko

ś

ci zakłócaj

ą

cych

z

z s

ą

zaliczane przede wszystkim wielko

ś

ci działaj

ą

ce z zewn

ą

trz, które powoduj

ą

niepo

żą

dane oddziaływania na obiekt. W wi

ę

kszo

ś

ci układów technicznych wyst

ę

puje wi

ę

cej ni

ż

jedno zakłócenie,

które ponadto mog

ą

mie

ć

ż

n

ą

natur

ę

fizyczn

ą

. Jednak za pomoc

ą

układu pomiarowego w sposób po

ś

redni jest

zawsze wykrywany tylko wpływ wszystkich zakłóce

ń

na obiekt regulacji. Zakłóceniom mog

ą

równie

ż

podlega

ć

elementy

urz

ą

dzenia regulacyjnego, np. regulator.

background image

36

Regulator od

ś

rodkowy Watt’a maszyny parowej (1778 r.)

Maszyna parowa

Obci

ąż

enie

Para

n

Ś

ruba do

nastawiania

Wielko

ść

zadana

Wielko

ść

regulowana

a

b

Porównanie regulacji ze sterowaniem

Sterowanie jest nieprzydatne
w przypadku niestabilno

ś

ci.

W niestabilnych układach musi by

ć

zastosowana regulacja.

Przebiegi dla
niestabilnych układów

Wysokie nakłady, je

ż

eli musi

by

ć

uwzgl

ę

dnionych wiele

zakłóce

ń

.

Małe nakłady, je

ż

eli nie

wyst

ę

puj

ą

ż

adne zakłócenia.

Małe nakłady:

• pomiar wielko

ś

ci regulowanej,

• porównywanie warto

ś

ci zadanej z rzeczywist

ą

,

• wzmocnienie sygnału.

Nakłady techniczne

Reaguje szybko, je

ż

eli

zakłócenie jest bezpo

ś

rednio

mierzone.

Reaguje dopiero wtedy, gdy zmienia si

ę

ż

nica

pomi

ę

dzy warto

ś

ci

ą

zadan

ą

i warto

ś

ci

ą

regulowan

ą

.

Reakcja na zakłócenia
(czasowo)

Jest reakcja tylko na te
zakłócenia, które s

ą

mierzone i

przetwarzane w układzie.

Wyst

ę

puje przeciwdziałanie wszystkim

zakłóceniom, które wpływaj

ą

na regulowany

układ.

Reakcja na zakłócenia
(ogólnie)

Wielko

ść

sterowana nie jest

mierzona i porównywana.

Wielko

ść

regulowana jest mierzona i

porównywana (z wielko

ś

ci

ą

zadan

ą

).

Pomiar i porównywanie
nastawianej wielko

ś

ci

Otwarta (ła

ń

cuch sterowania)

Zamkni

ę

ta (obwód regulacji)

Droga (obwód)
działania

Sterowanie

Regulacja

Cechy

charakterystyczne

W układach sterowania, w których zakłócenia nie s

ą

mierzone, wielko

ś

ci wyj

ś

ciowe (sterowane) mog

ą

odbiega

ć

od wielko

ś

ci zadanych.

Natomiast w układach regulacji wszystkie działaj

ą

ce na obiekt regulacji zakłócenia s

ą

okre

ś

lane przez

pomiar wielko

ś

ci regulowanej. Jedynym problemem jest to,

ż

e doregulowanie spowodowane działaniem

uchybu (odchylenia regulacji) odbywa si

ę

po zadziałaniu zakłócenia na układ, a zatem z opó

ź

nieniem.

background image

37

Podział układów regulacji

Istnieje wiele mo

ż

liwo

ś

ci (kryteriów) klasyfikacji układów regulacji:

I tak układy regulacji mo

ż

na dzieli

ć

ze wzgl

ę

du na rodzaj i liczb

ę

wielko

ś

ci stanowi

ą

cych

sprz

ęż

enie zwrotne.

W przypadku regulacji z jedn

ą

wielko

ś

ci

ą

w obwodzie regulacji wyst

ę

puje tylko jedna p

ę

tla

sprz

ęż

enia zwrotnego. Spo

ś

ród wyst

ę

puj

ą

cych zwykle wielu wielko

ś

ci wyj

ś

ciowych obiektu w

układzie, do regulacji jest wykorzystywana tylko jedna z nich. Wymaga si

ę

wówczas,

ż

eby ta

wielko

ść

wystarczaj

ą

co dokładnie opisywała obiekt regulacji ze wzgl

ę

du na jego stan.

Je

ż

eli w układzie regulacji wyst

ę

puje wiele p

ę

tli sprz

ęż

enia zwrotnego, to wówczas jest to tzw.

regulacja z wieloma wielko

ś

ciami. Struktury układów regulacji z wieloma podrz

ę

dnymi

obwodami sprz

ęż

enia zwrotnego s

ą

nazywane tak

ż

e kaskadowymi układami regulacji.

Natomiast ze wzgl

ę

du na rodzaj zadania regulacyjnego rozró

ż

nia si

ę

układy:

regulacji stałowarto

ś

ciowej (stabilizuj

ą

ce) oraz

układy regulacji nad

ąż

nej (

ś

ledz

ą

ce).

W układach regulacji stałowarto

ś

ciowej warto

ść

zadana jest stała w długim okresie czasu.

Zadaniem układu regulacji jest minimalizacja oddziaływania na obiekt regulacji wyst

ę

puj

ą

cych

zakłóce

ń

.

Natomiast w przypadku układów regulacji nad

ąż

nej wielko

ść

zadana nie jest stała w czasie i

mo

ż

e si

ę

zmienia

ć

w sposób z góry nieprzewidziany (jest nieznan

ą

funkcj

ą

czasu). Zadaniem

urz

ą

dzenia regulacyjnego jest mo

ż

liwie dokładne odwzorowanie przebiegu czasowego

wielko

ś

ci zadanej na wyj

ś

ciu obiektu (wielko

ś

ci regulowanej).

Klasyfikacja układów regulacji

W układach regulacji wyst

ę

puje wiele wymaga

ń

, które mog

ą

by

ć

silnie uzale

ż

nione od realizowanego zadania. Oprócz

tego s

ą

tak

ż

e wymagania dotycz

ą

ce wi

ę

kszo

ś

ci układów.

Wymagania dotycz

ą

ce układów regulacji

Układ regulacji powinien by

ć

mo

ż

liwie nieczuły i odporny na zmiany dowolnych parametrów obiektu

regulacji.

Odporno

ść

Odpowied

ź

układu regulacji na wyst

ą

pienie zakłócenia wzgl. zmian

ę

wielko

ś

ci zadanej musi by

ć

w

wystarczaj

ą

cym stopniu tłumiona, tzn. powinno by

ć

zapewnione ustalenie wielko

ś

ci regulowanej i tym

samym stabilno

ść

układu.

Tłumienie

Układ regulacji musi by

ć

wystarczaj

ą

co szybki, tzn. dynamiczne przebiegi sygnałów w przypadku

wyst

ą

pienia zakłócenia lub zmiany wielko

ś

ci zadanej musz

ą

by

ć

zako

ń

czone w okre

ś

lonym czasie.

Własno

ś

ci

dynamiczne

Statyczne odchylenie regulacji (uchyb) e po wyst

ą

pieniu zakłócenia wzgl. zmianie wielko

ś

ci zadanej

powinno by

ć

równe zeru lub nie przekracza

ć

zadanych granic.

Dokładno

ść

statyczna

Układ regulacji musi by

ć

stabilny. Oznacza to,

ż

e wyst

ę

puj

ą

ce w tym układzie sygnały dynamiczne

musz

ą

mie

ć

odpowiednie przebiegi w czasie.

Stabilno

ść

Wyja

ś

nienie

Kryterium

Wi

ę

kszo

ść

problemów technicznych w układach regulacji wymaga rozpatrzenia ju

ż

na pocz

ą

tku projektowania

kryteriów i ich realizacji w aplikacji układu.

Podczas wykonywania zada

ń

dotycz

ą

cych budowy układów regulacji wyst

ę

puj

ą

nast

ę

puj

ą

ce działania:

• modelowanie obiektów regulacji,

• projektowanie układu regulacji,

• synteza układu regulacji,

• implementacja i weryfikacja.

Jako

ść

zbudowanego układu regulacji, pomimo dysponowania obecnie

ś

rodkami wspomagaj

ą

cymi (np. systemy

komputerowe) nadal w znacznym stopniu zale

ż

y od wiedzy i do

ś

wiadcze

ń

osób wykonuj

ą

cych aplikacj

ę

.

background image

38

Zasady sterowania i regulacji w mechatronice

W zale

ż

no

ś

ci od wymaganej jako

ś

ci sterowania lub regulacji stosowane s

ą

ż

ne struktury układów.

Sterowanie w obwodzie otwartym

Sterowanie w układzie otwartym charakteryzuje tym,

ż

e oddziaływanie na wielko

ść

sterowan

ą

y odbywa si

ę

przez wielko

ść

zadan

ą

w bez sprz

ęż

enia zwrotnego. Wskutek tego podczas takiego działania układu nie jest

mo

ż

liwe dopasowanie wielko

ś

ci nastawiaj

ą

cej u do „wyniku” sterowania.

Człon steruj

ą

cy

(sterownik)

Urz

ą

dzenie nastawiaj

ą

ce

(nastawnik, aktuator)

Obiekt

sterowania

Urz

ą

dzenie steruj

ą

ce

Urz

ą

dzenie steruj

ą

ce

w

u

Z

a

k

łó

c

e

n

ie

Wyj

ś

cie

z

y

Przykładami realizacji sterowania w układzie otwartym s

ą

silniki krokowe. Silniki krokowe mog

ą

by

ć

stosowane

do bezpo

ś

redniego pozycjonowania zespołów roboczych maszyn (urz

ą

dze

ń

) bez dodatkowego układu

pomiarowego lub obwodu regulacji. Stanowi

ą

one klasyczne rozwi

ą

zanie otwartego układu sterowania.

Zadania takiego urz

ą

dzenia steruj

ą

cego s

ą

nast

ę

puj

ą

ce:

• wyprowadzanie odcinków drogi proporcjonalnie do liczby impulsów,

• rozdział impulsów na poszczególne fazy w zale

ż

no

ś

ci od kierunku ruchu,

• sterowanie cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

impulsów.

Zasady regulacji w mechatronice

Zasady regulacji
Obwody z jedn

ą

p

ę

tl

ą

regulacji nie zawsze s

ą

wystarczaj

ą

ce w praktyce. Dlatego te

ż

cz

ę

sto spotyka si

ę

powi

ą

zanie

wielu obwodów regulacji. W wielu układach za pomoc

ą

obwodów regulacji z jedn

ą

p

ę

tl

ą

nie mo

ż

na uzyska

ć

wymaganej

dokładno

ś

ci działania w warunkach wyst

ę

puj

ą

cych zakłóce

ń

i przebiegu wielko

ś

ci zadanej. Za pomoc

ą

dodatkowych

obwodów regulacji mo

ż

na znacznie zwi

ę

kszy

ć

jako

ść

i szybko

ść

regulacji. Innym powodem stosowania wielu p

ę

tli

regulacji jest to,

ż

e konieczne jest uwzgl

ę

dnienie kilku wielko

ś

ci wyj

ś

ciowych, albo te

ż

oddziaływanie wielu wielko

ś

ci

zadanych.
Przy wyborze rodzaju układu regulacji miarodajne jest miejsce oddziaływania zasadniczych zakłóce

ń

.

ą

czenie wielko

ś

ci zakłócaj

ą

cej do członu nastawiaj

ą

cego

Ten rodzaj struktury układu regulacji jest stosowany wtedy, gdy główna wielko

ść

zakłócaj

ą

ca wyst

ę

puje blisko wej

ś

cia do

obiektu i mo

ż

e by

ć

ci

ą

gle mierzona i przewtarzania. Warunkiem wł

ą

czenia sygnału zakłócaj

ą

cego jest mierzalno

ść

wielko

ś

ci zakłócaj

ą

cej. Dzi

ę

ki temu regulator otrzymuje informacj

ę

o aktualnie działaj

ą

cym zakłóceniu nie dopiero wtedy,

gdy wpływ zakłócenia zostanie zmierzony na wyj

ś

ciu obiektu, lecz ju

ż

wcze

ś

niej jest informowany o wielko

ś

ci i rodzaju

zakłócenia. Inforamcje te s

ą

wykorzystywane do okre

ś

lenia wielko

ś

ci nastawiaj

ą

cej, która kompensuje wpływ zakłócenia

.

Z

a

k

łó

c

e

n

ie

Człon

porównuj

ą

cy

Urz

ą

dzenie

nastawiaj

ą

ce

Obiekt

regulacji

Urz

ą

dzenie regulacyjne

Urz

ą

dzenie regulacyjne

w

u

Miejsce

pomiaru

(wielko

ść

regulowana)

z

y

Regulator

Urz

ą

dzenie pomiarowe

(sensor, czujnik)

e

ą

czenie wielko-

ś

ci zakłócaj

ą

cej

background image

39

Regulacja ze stabilizuj

ą

c

ą

wielko

ś

ci

ą

pomocnicz

ą

Warunkiem zastosowania pokazanego wcze

ś

niej rozwi

ą

zania układu regulacji z wł

ą

czeniem

wielko

ś

ci zakłócaj

ą

cej jest mo

ż

liwo

ść

pomiaru zakłócenia, który to warunek cz

ę

sto nie jest

spełniony. Aby w takich przypadkach móc szybko reagowa

ć

na wyst

ę

puj

ą

ce zakłócenia,

konieczny jest pomiar oddziaływania zakłócenia na obiekt mo

ż

liwie blisko miejsca jego

działania. Ten pomiar odbywa si

ę

dodatkowo do wielko

ś

ci regulowanej y i jest okre

ś

lany jako

pomocnicza wielko

ść

regulacji y

p

.

Układ regulacji ze stabilizuj

ą

c

ą

wielko

ś

ci

ą

pomocnicz

ą

M

ie

js

c

e

z

a

k

łó

c

e

n

ia

Obiekt regulacji

(cz

ęść

1)

Obiekt regulacji

(cz

ęść

2)

w

u

Miejsce

pomiaru

(wielko

ść

regulowana)

z

y

Regulator

Człon

kompensacyjny

e

-

+

y

p

+

Układ regulacji o strukturze kaskadowej

Regulacja kaskadowa jest wa

ż

nym przypadkiem regulacji z wielko

ś

ci

ą

pomocnicz

ą

. Jest ona stosowana wtedy, gdy

główne zakłócenie wyst

ę

puje blisko wej

ś

cia obiektu i nie mo

ż

e by

ć

mierzone w sposób ci

ą

gły. Wtedy zakłócenia, które

wyst

ę

puj

ą

blisko wej

ś

cia obiektu mog

ą

by

ć

cz

ęś

ciowo kompensowane ju

ż

w obwodzie wewn

ę

trznym. W kaskadowym

układzie regulacji mo

ż

na stosowa

ć

sprz

ęż

enie zwrotne wielu wielko

ś

ci regulowanych w p

ę

tlach (obwodach) regulacji.

Umo

ż

liwia to pełny opis stanu obiektu i tym samym popraw

ę

dynamicznych przebiegów całego układu.

Z

a

k

łó

c

e

n

ie

Obiekt regulacji

(cz

ęść

1)

Obiekt regulacji

(cz

ęść

2)

w

u

Miejsce

pomiaru

(wielko

ść

regulowana)

z

y

Regulator

e

-

y

K

Regulator

pomocniczy

-

+

Jak to wida

ć

z rysunku pomocnicza wielko

ść

regulowana y

K

jest wprowadzana do regulatora pomocniczego, który

otrzymuje wielko

ść

przewodni

ą

z regulatora głównego. Regulator pomocniczy i cz

ęść

1 obiektu regulacji tworz

ą

pomocniczy obwód regulacji. Jego głównym zadaniem jest usuwanie z wielko

ś

ci regulowanej y działania zakłócenia

wyst

ę

puj

ą

cego w przedniej cz

ęś

ci obiektu. Zakłócenia te s

ą

przyło

ż

one do wyj

ś

cia pierwszej cz

ęś

ci obiektu i uj

ę

te jako

wielko

ść

z. Wielko

ść

zakłócaj

ą

ca z działa w pomocniczym obwodzie regulacji jako wielko

ść

wyj

ś

ciowa.

Klasycznym przykładem zastosowania regulacji kaskadowej jest regulacja pr

ą

du i pr

ę

dko

ś

ci obrotowej w

serwonap

ę

dach. Zasada regulacji kaskadowej jest zatem stosowana do realizacji sterowania torem ruchu w

obrabiarkach sterowanych numerycznie i robotach przemysłowych.

Układ regulacji o strukturze kaskadowej

background image

40

Regulacja z pomocnicz

ą

wielko

ś

ci

ą

nastawiaj

ą

c

ą

Regulacja z pomocnicz

ą

wielko

ś

ci

ą

nastawiaj

ą

c

ą

jest stosowana wtedy, gdy główna wielko

ść

zakłócaj

ą

ca

działa w pobli

ż

u wyj

ś

cia obiektu i mo

ż

na zbudowa

ć

drugi człon nastawiaj

ą

cy blisko wyj

ś

cia obiektu. Przez

działanie pomocniczej wielko

ś

ci nastawiaj

ą

cej blisko wyj

ś

cia obiektu mo

ż

na szybciej wyregulowa

ć

uchyb

regulacji, co staje si

ę

mo

ż

liwe w wyniku przenoszenia wielko

ś

ci nastawiaj

ą

cej u przez obiekt.

Z

a

k

łó

c

e

n

ie

Obiekt regulacji

(cz

ęść

1)

Obiekt regulacji

(cz

ęść

2)

w

u

z

y

Regulator

e

-

u

P

Regulator

pomocniczy

+

Ten rodzaj regulacji przynosi korzy

ś

ci w przypadku wyst

ę

powania zakłóce

ń

blisko wyj

ś

cia obiektu (cz

ęść

2

obiektu regulacji) i przy zmianie wielko

ś

ci zadanej.

Ze wzgl

ę

dów technologicznych lub ekonomicznych wymaga si

ę

,

ż

eby pomocnicza wielko

ść

nastawiaj

ą

ca u

p

zanikała w stanie stacjonarnym. W innym przypadku mogłaby znikn

ąć

wielko

ść

nastawiaj

ą

ca u, a jej funkcj

ę

przej

ę

łaby wielko

ść

u

P

.

Regulacja z pomocnicz

ą

wielko

ś

ci

ą

nastawiaj

ą

c

ą

Regulacja z wysterowaniem (sterowanie wyprzedzaj

ą

ce, forsowanie)

Istniej

ą

obwody regulacji, w których wyst

ę

puje konieczno

ść

zarówno dokładnego wyregulowania

zakłóce

ń

jak i wymaga si

ę

od nich tak

ż

e dokładnych przebiegów regulacji. W niektórych

przypadkach nie jest mo

ż

liwe nastawienie regulatora w jednakowym stopniu na optymalne

działanie zarówno na działanie zakłóce

ń

jak i optymalne przebiegi regulacji. W takim przypadku

nale

ż

y zapewni

ć

takie rozwi

ą

zanie układu, w którym regulator oddzielnie traktuje zakłócenia i

zmiany sygnału wielko

ś

ci zadanej.

Jest to mo

ż

liwe w układzie sterowania wyprzedzaj

ą

cego za pomoc

ą

sygnału wiod

ą

cego

(zadanego), w którym nast

ę

puje taka ingerencja w obwodzie regulacji,

ż

e dodatkowo do wej

ś

cia

obiektu regulacji jest wprowadzany sygnał zale

ż

ny od wielko

ś

ci zadanej.

Przykładem regulacji z wysterowaniem jest sterowanie pr

ę

dko

ś

ci

ą

ruchu lub przyspieszeniami

dla silników pr

ą

du stałego.

Obiekt

regulacji

Wysterowanie

w

u

y

Regulator

e

-

+

Regulacja z wysterowaniem (sterowanie wyprzedzaj

ą

ce)

background image

41

Porównanie wybranych zasad regulacji

Trudna w
projektowaniu

Poprawa przy
zmianach wielko

ś

ci

zadanych, a
równocze

ś

nie lepsze

działanie przy
zakłóceniach.

Wielko

ść

zadana jest
wprowadzana
bezpo

ś

rednio do

obiektu.

Dynamika obiektu
jest dokładnie
znana.

Regulacja z
wysterowaniem

Zwi

ę

kszone nakłady

Poprawa jako

ś

ci

regulacji.

Zap

ę

tlenie

obwodów
regulacji.

Istnienie wiele
(wewn

ę

trznych)

wielko

ś

ci

regulowanych.

Regulacja
kaskadowa

Wpływ głównej
wielko

ś

ci

zakłócaj

ą

cej musi by

ć

znany; konieczne s

ą

dodatkowe nakłady
zwi

ą

zane z

pomiarem.

Główna wielko

ść

zakłócaj

ą

ca nie musi

by

ć

mierzona; regulacja

jest szybsza; uchyb jest
redukowany.

Regulacja jest
odci

ąż

ona od

głównej
wielko

ś

ci

zakłócaj

ą

cej

Główna wielko

ść

zakłócaj

ą

ca jest

znana; wpływ
głównej wielko

ś

ci

zakłócaj

ą

cej jest

znany.

Regulacja z
stabilizuj

ą

c

ą

wielko

ś

ci

ą

pomocnicz

ą

Wpływ głównej
wielko

ś

ci

zakłócaj

ą

cej musi by

ć

znany; konieczne s

ą

dodatkowe nakłady
zwi

ą

zane z

pomiarem.

Regulacja jest znacznie
szybsza, a uchyb e jest
szybko redukowany.

Regulacja jest
odci

ąż

ona od

głównej
wielko

ś

ci

zakłócaj

ą

cej.

Główna wielko

ść

zakłócaj

ą

ca jest

znana i mo

ż

liwa

do pomiaru.
Znany jest wpływ
głównej wielko

ś

ci

zakłócaj

ą

cej na

obiekt.

ą

czenie

wielko

ś

ci

zakłócaj

ą

cej

Wady

Zalety

Działanie

Wymagania

Zasada

Regulacja adaptacyjna

Je

ż

eli własno

ś

ci obiektu regulacji zmieniaj

ą

si

ę

w sposób nieprzewidziany, to cz

ę

sto nie mo

ż

na uzyska

ć

wymaganych przebiegów układu regulacji i wtedy konieczne jest zastosowanie regulacji adaptacyjnej.

Jako regulacj

ę

adaptacyjn

ą

okre

ś

la si

ę

tak

ą

regulacj

ę

, w której samoczynnie zmieniaj

ą

si

ę

parametry lub

struktura regulatora w zale

ż

no

ś

ci od okre

ś

lonych własno

ś

ci obiektu, dzi

ę

ki czemu uzyskiwane s

ą

żą

dane

przebiegi regulacji.

Obiekt

regulacji

w

u

y

Regulator

e

-

Proces

decyzyjny

Modyfikacja

Identyfikacja

z

Zasada regulacji adaptacyjnej opiera si

ę

na rozpoznaniu lub identyfikacji obiektu regulacji, obliczeniu

pewnej dopasowanej do niego nastawy regulatora i odpowiedniego dopasowania parametrów regulatora.
Je

ż

eli zmienia si

ę

wzmocnienie obiektu, to przez porównanie z modelem obiektu mo

ż

na okre

ś

li

ć

wymagan

ą

korekcj

ę

(np. przez dzielenie) i wprowadzi

ć

j

ą

w członie wł

ą

czonym szeregowo (np.

mno

ż

enie) w urz

ą

dzeniu regulacyjnym i w ten sposób zapewni

ć

zachowanie stałego wzmocnienia

obwodu.

Istotnym problemem jest okre

ś

lanie zmieniaj

ą

cych si

ę

parametrów i przetwarzanie w odpowiednich

algorytmach adaptacyjnych. Wskutek tego znacznie wzrastaj

ą

nakłady zwi

ą

zane z przetwarzaniem

informacji.

background image

42

Porównanie sterowania z regulacj

ą

Du

ż

e

Tak (wskutek

tego równie

ż

stabilne układu

mog

ą

si

ę

sta

ć

niestabilne)

Powolne

Wszystkich

Konieczny

Tak

Regulacja

Małe

Nie (poniewa

ż

nie jest

przewidziane

do

zastosowania

w układach

niestabilnych)

Bardzo

szybkie

Tylko

znanych

Nie jest

konieczny

Nie

Sterowanie

Nakłady

obliczeniowe

(przetwarzania)

i sprz

ę

towe

Problemy ze

stabilno

ś

ci

ą

Zachowanie

w

przypadku

wyst

ą

pienia

zakłóce

ń

Eliminacja

zakłóce

ń

Pomiar

wielko

ś

ci

wyj

ś

ciowej

Sprz

ęż

enie

zwrotne

Układy sterowania maj

ą

struktur

ę

otwart

ą

(nie maj

ą

sprz

ęż

enia zwrotnego).

Natomiast układy regulacji maj

ą

struktur

ę

zamkni

ę

t

ą

z p

ę

tl

ą

sprz

ęż

enia zwrotnego

(ujemnego).

In

ż

ynieria systemów i produktów mechatronicznych w przemy

ś

le samochodowym,

obrabiarkowym czy lotniczym stosuje zwykle w odniesieniu do mechatroniki takie podej

ś

cie,

które opiera si

ę

na podsystemach (komponentach). Jest to strategia rozwoju produktu, w

której zintegrowane systemy ko

ń

cowe buduje si

ę

z technik jednorodnych podsystemów

(mechanika, elektronika, automatyka, oprogramowanie). Te podsystemy opracowuje si

ę

współbie

ż

nie, ze szczególnym uwzgl

ę

dnieniem ich interfejsów. Dopiero gdy te interfejsy s

ą

zaprojektowane, to ka

ż

dy z komponentów projektuje si

ę

w dotychczasowy, tradycyjny sposób.

Oznacza to,

ż

e punkt ci

ęż

ko

ś

ci spoczywa na multidyscyplinarnym porozumieniu si

ę

in

ż

ynierów

o ró

ż

nej specjalno

ś

ci w celu wła

ś

ciwego zdefiniowania interfejsów.

W podej

ś

ciu komponentowym nie istnieje

ż

adna potrzeba opracowania jakiej

ś

nowej techniki

jako wyniku

ś

ci

ś

lejszej integracji z pozostałymi technikami, np.

ś

cisłej integracji automatyki z

informatyk

ą

. Mo

ż

liwo

ś

ci systemu mechatronicznego s

ą

tutaj raczej wynikiem poprawnej

integracji technik istniej

ą

cych. Podej

ś

cie komponentowe dominuje w literaturze z zakresu

mechatroniki. I tak ksi

ąż

ki mechatroniczne po

ś

wi

ę

caj

ą

zwykle pierwszy rozdział zdefiniowaniu

mechatroniki, a pozostałe rozdziały poszczególnym komponentom, takim jak sensory,
aktuatory (człony wykonawcze), układ sterowania, sprz

ę

t komputerowy, interfejsy,

komunikacja, modelowanie itp.

Podej

ś

cie komponentowe jest ci

ą

gle znacz

ą

cym krokiem w stosunku do czasów, gdy

mechanicy najpierw konstruowali system mechaniczny, który nast

ę

pnie był przekazywany

automatykom w celu opracowania projektu sterowania, w tym samym czasie system
komputerowy był projektowany przez elektryków, a na koniec programistom dawano
niemo

ż

liwe do wykonania zadanie zaprojektowania i implementacji zło

ż

onego sterownika do

nieprzystosowanej konstrukcji mechanicznej i zbyt wolnego systemu komputerowego.

Podej

ś

cie komponentowe w mechatronice

background image

43

Podej

ś

cie interakcyjne i paradygmat oprogramowania

Post

ę

p w elektronice cyfrowej otworzył nowe mo

ż

liwo

ś

ci rozwoju systemów, których podstaw

ą

s

ą

komponenty mechaniczne. Mo

ż

liwo

ś

ci te dotycz

ą

przede wszystkim ogromnego wzrostu

przepływu informacji, który mo

ż

e by

ć

wykorzystany do po

żą

danego sterowania komponentami

mechanicznymi. Mo

ż

na stwierdzi

ć

,

ż

e nast

ą

piła zmiana paradygmatu w projektowaniu tych

komponentów. Polega ona na tym,

ż

e funkcje systemu nie s

ą

ju

ż

fizycznie wbudowane w

komponent mechaniczny, lecz w oprogramowanie komputerowe. Innymi słowy nast

ę

puje

przesuni

ę

cie implementacji funkcjonalno

ś

ci z mechaniki do oprogramowania, przy czym

najwa

ż

niejsze komponenty systemu pozostaj

ą

ci

ą

gle mechaniczne. Wyst

ę

puje tutaj

paradygmat oprogramowania, a nie o paradygmat mikroelektroniki, czy paradygmat
mikroprocesora, poniewa

ż

to wła

ś

nie oprogramowanie dostarcza nowej i szerokiej elastyczno

ś

ci

oraz swobody w projektowaniu i konstruowaniu. W wielu przypadkach wła

ś

ciwe projektowanie

oprogramowania jest implementowaniem go w sprz

ę

t elektroniczny.

Stosowanie paradygmatu oprogramowania powoduje,

ż

e stare, sprawdzone teorie i poj

ę

cia

projektowania mechanicznego zast

ę

puje si

ę

młodym, niedojrzałym oprogramowaniem,

wbudowanym w młode, niedojrzałe komputery. Ma to ogromne znaczenie w tych
zastosowaniach, gdzie decyduje bezpiecze

ń

stwo. Kluczowa cecha oprogramowania, jak

ą

jest

jego ró

ż

norodno

ść

i elastyczno

ść

, łatwo prowadzi do problemów wynikaj

ą

cych z du

ż

ej

zło

ż

ono

ś

ci. In

ż

ynieria mechaniczna, in

ż

ynieria oprogramowania, in

ż

ynieria sterowania i

in

ż

ynieria komputerowa musz

ą

wi

ę

c by

ć

stosowane współbie

ż

nie i w sposób zintegrowany. Na

tej podstawie s

ą

identyfikowane, formułowane i prowadzone nowe prace. Podej

ś

cie interakcyjne

mo

ż

na wi

ę

c traktowa

ć

jako doskonalenie dotychczasowych dyscyplin, technik i ich

integracji/interakcji. Mechatronika w takim uj

ę

ciu jest wymy

ś

laniem i rozwojem nowych teorii,

modeli, poj

ęć

i narz

ę

dzi w odpowiedzi na potrzeby wyrastaj

ą

ce z interakcji dyscyplin

naukowych.

ABS jako przykład systemu mechatronicznego

Przykładem urz

ą

dzenia mechatronicznego jest stosowany powszechnie w samochodach

system zapobiegaj

ą

cy blokowaniu kół podczas hamowania na

ś

liskiej nawierzchni

ABS (niem. Antiblockierungs-System), który przyczynia si

ę

do poprawy bezpiecze

ń

stwa

jazdy.

System ABS zastosowano po raz pierwszy w 1967 r., od 1978 r. jest on produkowany
seryjnie, a od 1991 r. jest znormalizowany.

System ABS stanowił punkt wyj

ś

cia do wprowadzenia kolejnych, coraz bardziej

rozbudowanych urz

ą

dze

ń

mechatronicznych w samochodach, takich jak ASR (niem. Anti-

Schlupf-Regelung), ESP (niem. Elektronisches Stabilitätsprogramm) i VDC (ang. Vehicle
Dynamics Control
).

Poniewa

ż

system ABS u

ż

ywany jest ju

ż

powszechnie, to zwykle znane jest jego

wyobra

ż

enie funkcjonalne. Kierowcy wiedz

ą

najcz

ęś

ciej,

ż

e chodzi o pulsowanie ci

ś

nienia w

układzie hamulcowym w tych przypadkach, gdy koło podczas hamowania zostanie
zablokowane.

Natomiast ogólnie mniej znana jest budowa systemu ABS, poniewa

ż

jest ona ukryta w

podwoziu samochodu i pod mask

ą

silnika. Chodzi tutaj o poszczególne jego elementy

(cz

ęś

ci, komponenty), takie jak czujniki obrotu kół, zawory elektromagnetyczne, pomp

ę

hydrauliczn

ą

, silnik elektryczny, układ elektroniczny (sterownik mikroprocesorowy), czy

przewody elektryczne i hydrauliczne.

Niektóre z tych elementów s

ą

zintegrowane w jednej obudowie (zawory, pompa, silnik,

elektronika) i przez to niedost

ę

pne gołym okiem. Dlatego te

ż

spróbujmy przedstawi

ć

istot

ę

działania układu hamulca z ABS w porównaniu ze zwykłym układem hamulcowym.

background image

44

Zwykły hamulec hydrauliczny w samochodzie

W zwykłym tarczowym hamulcu hydraulicznym siła zaciskaj

ą

ca szcz

ę

ki (klocki) na powierzchni

tarczy hamulcowej powstaje przez działanie ci

ś

nienia cieczy na tłoczek zwi

ą

zany z jedn

ą

ze

szcz

ę

k, umieszczonych w obudowie hamulca. Ci

ś

nienie to powstaje przez przesuwanie tłoczka

pompy hamulcowej podczas naciskania na pedał hamulca.

Taki hamulec, podczas hamowania na podło

ż

u o małej

przyczepno

ś

ci (

ś

liskim, piaszczystym), szybko zatrzymuje

(blokuje) koło. Mała przyczepno

ść

powoduje zmniejszenie

momentu hamowania, a wi

ę

c szybkie zatrzymanie koła.

Przestaje si

ę

ono obraca

ć

wokół własnej osi, a z kolei

mała przyczepno

ść

powoduje,

ż

e samochód nie reaguje

wła

ś

ciwie na próby zatrzymania i staje si

ę

niesterowalny.

Siła bezwładno

ś

ci niesie go w dotychczasowym kierunku

jazdy, a nie w kierunku zgodnym z zamiarami kierowcy,
wynikaj

ą

cym ze skr

ę

cenia kierownicy.

Rozwi

ą

zaniem tego problemu jest przeciwdziałanie

blokowaniu. Mo

ż

na to uzyska

ć

przez szybk

ą

(kilkadziesi

ą

t

razy na sekund

ę

) pulsacj

ę

ci

ś

nienia hamowania od chwili,

gdy koło przestało si

ę

obraca

ć

. Tak szybkiej pulsacji

człowiek nie jest jednak w stanie wytworzy

ć

swoj

ą

nog

ą

, a

ponadto nie jest w stanie bezpo

ś

rednio wyczu

ć

chwili

zablokowania koła. Siły i ruchy człowieka oraz reakcje jego
zmysłów s

ą

zbyt powolne w stosunku do dynamiki

zjawiska, nad którym musi zapanowa

ć

. Dlatego musi go w

tym wyr

ę

czy

ć

urz

ą

dzenie techniczne.

W systemie ABS układ hamulcowy jest

rozszerzony o trzy funkcje:

• funkcj

ę

„wyczuwania” chwili zablokowania koła.

Realizatorem (no

ś

nikiem) tej funkcji jest czujnik

(sensor) ruchu tarczy hamulcowej (koła),

• funkcj

ę

szybkiego pulsowania ci

ś

nienia płynu

hamulcowego. No

ś

nikiem tej funkcji jest

urz

ą

dzenie wykonawcze (aktuator) w postaci

szybko wył

ą

czanego i wł

ą

czanego zaworu

elektromagnetycznego,

• funkcj

ę

odbierania i oceniania sygnałów z

czujnika oraz szybkiego naprzemiennego

ą

czania i wył

ą

czania (sterowania) zaworu

elektromagnetycznego. No

ś

nikiem tej funkcji

jest sterownik w postaci mikroprocesora,
mikrokontrolera lub mikrokomputera.

Dalszy rozwój systemów ABS jest zwi

ą

zany z

działaniami maj

ą

cymi na celu skrócenie drogi

hamowania, co mo

ż

na osi

ą

gn

ąć

przez

zwi

ę

kszenie szybko

ś

ci reakcji elementów

układu hamulcowego.

ABS jako przykład systemu mechatronicznego

zawór elektromagnetyczny do
modulacji ci

ś

nienia (aktuator)

background image

45

Mi

ę

dzy XVII a XIX wiekiem powstało wiele wa

ż

nych urz

ą

dze

ń

(np. regulatory temperatury, regulatory ci

ś

nienia

oraz mechaniczne maszyny licz

ą

ce), na których mo

ż

na prze

ś

ledzi

ć

wkład do rozwoju automatyki i mechatroniki.

Milowym krokiem był tu od

ś

rodkowy regulator Watt’a do regulacji pr

ę

dko

ś

ci maszyny parowej. Przez pomiar

pr

ę

dko

ś

ci obrotowej wału wyj

ś

ciowego i u

ż

ycie ruchu obrotowego kul do sterowania zaworem odbywało si

ę

sterowanie ilo

ś

ci

ą

pary wpływaj

ą

cej do silnika. Gdy pr

ę

dko

ść

silnika rosła, to kule aparatu ruchowego podnosiły

si

ę

, poci

ą

gaj

ą

c za sob

ą

kołnierz z ci

ę

gnami, które zamykały zawór pary. Jest to przykład systemu sterowania ze

sprz

ęż

eniem zwrotnym (ang. feedback), w którym sygnał sprz

ęż

enia zwrotnego (sensoryka) i działanie steruj

ą

ce

(aktuatoryka) s

ą

realizowane całkowicie przez urz

ą

dzenia mechaniczne (ang. mechanical hardware).

Dalszy etap rozwoju automatyzacji wymagał opracowania teorii sterowania automatycznego. Prekursorem
sterowanych numerycznie (NC) obrabiarek do zautomatyzowanego wytwarzania (opracowanych w połowie XX
w.) było wynalezione ponad sto lat wcze

ś

niej krosno Jackard’a ze sprz

ęż

eniem uprzedzaj

ą

cym (ang.

feedforward). Pod koniec XIX w. Maxwell przez analiz

ę

układu równa

ń

ż

niczkowych opisuj

ą

cych regulator

od

ś

rodkowy, zainicjował rozwój teorii sterowania. W latach 30. XIX w. Faraday opisał prawa indukcji, b

ę

d

ą

ce

podstaw

ą

działania silnika elektrycznego i pr

ą

dnicy elektrycznej. Nast

ę

pnie w latach 80. XIX w. Tesla wynalazł

silnik indukcyjny pr

ą

du przemiennego.

Rozwój automatyzacji znacznie przyspieszył w XX w. I tak opracowanie pneumatycznych elementów sterowania
w latach 30. XX w. dojrzało do zastosowa

ń

w przemysłach procesowych. Jednak a

ż

do 1940 r. projektowanie

systemów sterowania odbywało si

ę

metod

ą

prób i bł

ę

dów. Post

ę

p w zakresie metod matematycznych i

analitycznych, jaki miał miejsce w latach 40. ubiegłego wieku, doprowadził do powstania in

ż

ynierii sterowania

(automatyki) jako niezale

ż

nej dyscypliny in

ż

ynierskiej. Szczególnie istotny post

ę

p w teorii i praktyce sterowania

automatycznego (np. pilot automatyczny, systemy pozycjonowania dział czy sterowania antenami radarów)
osi

ą

gni

ę

to w okresie II Wojny

Ś

wiatowej. Po wojnie zacz

ę

ły dominowa

ć

techniki dziedziny cz

ę

stotliwo

ś

ciowej,

rosło zastosowanie transformaty Laplace’a i projektowanie systemów sterowania za pomoc

ą

miejsc

biegunowych.
W USA rozwój systemów telefonicznych i elektronicznych wzmacniaczy ze sprz

ęż

eniem zwrotnym zach

ę

ciły

Bode’go, Nyquist’a i Black’a do u

ż

ycia sprz

ęż

enia zwrotnego w laboratoriach Bella. Działanie wzmacniaczy ze

sprz

ęż

eniem zwrotnym zostało opisane w dziedzinie cz

ę

stotliwo

ś

ci, a powstałe z tego praktyki projektowania i

analizy s

ą

dzi

ś

klasyfikowane jako „sterowanie klasyczne”. W latach 60. XX w. nast

ą

pił rozwój modeli w

dziedzinie czasu za pomoc

ą

reprezentacji w postaci zmiennych stanu.

Rys historyczny rozwoju automatyki i automatyzacji

W obszarze komercyjnym, gdzie niskie koszty osi

ą

ga si

ę

dzi

ę

ki produkcji masowej, automatyzacja

procesu produkcji stawała si

ę

najwy

ż

szym priorytetem. W latach 50. XX w. zastosowanie krzywek,

mechanizmów wieloczłonowych i nap

ę

dów ła

ń

cuchowych spowodowało wprowadzenie nowych

technologii produkcji. Przykładem tego s

ą

maszyny włókiennicze, drukarskie i papiernicze, a tak

ż

e

maszyny do szycia. Rzeczywisto

ś

ci

ą

stało si

ę

precyzyjne wytwarzanie masowe. I tak np.

automatyczna maszyna do wytwarzania pudełek papierowych wykonywała 200 pudełek na minut

ę

i

nie zawierała

ż

adnego niemechanicznego podsystemu poza silnikiem elektrycznym.

Rozwój mikroprocesorów w ko

ń

cu lat 60. XX w. doprowadził do powstania pierwszych

komputerowych układów sterowania w maszynach wytwórczych. Przykładem tego s

ą

obrabiarki

sterowane numerycznie (NC) i systemy sterowania samolotów. Procesy wytwarzania były jednak
nadal w swej naturze całkowicie mechaniczne, a systemy sterowania i automatyzacji
wbudowywano dopiero po wykonaniu maszyny. Nowym impulsem w rozwoju sterowanych
systemów mechatronicznych było wystrzelenie sputnika i nadej

ś

cie ery kosmicznej. Rakiety i sondy

kosmiczne wymusiły rozwój zło

ż

onych, wysoce dokładnych systemów sterowania. Konieczno

ść

minimalizacji masy satelity (to znaczy minimalizacji ilo

ś

ci paliwa pobieranego dla misji), przy

zapewnianiu dokładnego sterowania, zach

ę

ciła do post

ę

pów w wa

ż

nym obszarze sterowania

optymalnego. Rozwój wytwarzania półprzewodników i obwodów scalonych doprowadził do
powstania nowej klasy produktów. Mechanika i elektronika zacz

ę

ły zlewa

ć

si

ę

w jeden system, w

którym obie dyscypliny s

ą

wymagane ze wzgl

ę

dów funkcjonalnych.

Dla takich systemów firma Yaskawa wprowadziła w 1969 r. termin „mechatronika”. Firmie tej został
przyznany znak handlowy w 1972 r., ale po upowszechnieniu si

ę

terminu firma pozbyła si

ę

znaku w

1982 r. Na pocz

ą

tku mechatronika odnosiła si

ę

tylko do systemów zawieraj

ą

cych systemy

mechaniczne z komponentami elektronicznymi, bez

ż

adnego sterowania komputerowego.

Przykładami takich systemów były drzwi automatyczne przesuwane, maszyny sprzedaj

ą

ce,

otwieracze drzwi gara

ż

owych.

Rys historyczny rozwoju automatyki i automatyzacji

background image

46

System techniczny jest okre

ś

lany jako zwarty układ, który umo

ż

liwia u

ż

ytkownikowi celowy przebieg i

sterowanie procesu technicznego. Ma on wyra

ź

ne granice z otoczeniem, które mog

ą

przekracza

ć

tylko

wielko

ś

ci wej

ś

ciowe i wyj

ś

ciowe w postaci przepływu materiałów, energii i informacji wzgl. sygnałów.

Wewn

ą

trz tych granic mo

ż

na wydzieli

ć

podsystemy (komponenty, składniki), które s

ą

powi

ą

zane

przepływem materiałów, energii i sygnałów.
Systemy mechatroniczne s

ą

systemami technicznymi. Stanowi

ą

one dalszy rozwój klasycznych układów

mechanicznych w wielu stopniach. W pierwszym stopniu realizacja funkcji odbywała si

ę

w sposób

czysto mechaniczny za pomoc

ą

składników mechanicznych. Potrzebna do tego celu energia była

dostarczana np. w postaci siły mi

ęś

ni. Nast

ę

pnym stopniem rozwoju były układy elektromechaniczne,

które miały dodatkowo zintegrowane rozwi

ą

zania i składniki elektryczne, aby wspomaga

ć

mechanik

ę

.

Najcz

ęś

ciej odzwierciadlało si

ę

to zastosowaniem energii elektrycznej, np. nap

ę

dów elektrycznych, do

realizacji funkcji. W trzecim stopniu układ elektromechaniczny został uzupełniony i rozszerzony o
elektronik

ę

. Analogowe i cyfrowe obwody przepływu sygnałów steruj

ą

funkcjami. Obecne systemy

mechatroniczne s

ą

czwartym stopniem tego rozwoju. Zintegrowane przetwarzanie informacji jest

realizowane przez mikroprocesory i oprogramowanie.
Systemy mechatroniczne daj

ą

charakterystyczn

ą

struktur

ę

wyrobów. Składaj

ą

si

ę

one z cz

ęś

ci

mechanicznej (struktura podstawowa), aktuatorów, sensorów i przynajmniej jednego układu
mikroprocesorowego z oprogramowaniem do przetwarzania informacji. Układy elektryczne i elektroniczne
oraz informatyczne uzupełniaj

ą

podstawow

ą

struktur

ę

mechaniczn

ą

. Nieograniczona funkcjonalno

ść

całego systemu jest uzyskiwana przez współdziałanie wszystkich składników. Realizacja funkcjonalno

ś

ci

przez poszczególne składniki nie jest mo

ż

liwa. Mikroprocesor odgrywa przy tym centraln

ą

rol

ę

. Czujniki

mierz

ą

wielko

ś

ci stanu systemu i otoczenia. S

ą

one nast

ę

pnie przetwarzane za pomoc

ą

oprogramowania

i elektroniki cyfrowej. Dzi

ę

ki algorytmom steruj

ą

cym i regulacyjnym s

ą

okre

ś

lane konieczne oddziaływania

na układ mechaniczny i przekazywane w postaci sygnałów nastawiaj

ą

cych do aktuatorów. Aktuatory

przetwarzaj

ą

te sygnały w celowe ruchy i oddziałuj

ą

na układ mechaniczny i tym samym wielko

ś

ci stanu.

Zatem typowy system mechatroniczny przyjmuje sygnały, przetwarza je i przekazuje dalej sygnały, które
nast

ę

pnie s

ą

zamieniane np. w siły i ruchy.

Systemy mechatroniczne

W ko

ń

cu lat 70. XX w. Japo

ń

skie Towarzystwo Przemysłu Maszynowego (JSPMI) sklasyfikowało

produkty mechatroniczne w cztery kategorie:

1. Klasa I: Pierwotnie mechanicznie produkty z elektronik

ą

wbudowan

ą

w celu rozszerzenia

funkcjonalno

ś

ci. Przykłady: obrabiarki sterowane numerycznie, nap

ę

dy o zmiennej pr

ę

dko

ś

ci

w maszynach wytwórczych.

2. Klasa II: Tradycyjne systemy mechaniczne z istotnie udoskonalonymi urz

ą

dzeniami

wewn

ę

trznymi, zawieraj

ą

cymi elektronik

ę

. Przykłady: nowoczesna maszyna do szycia,

zautomatyzowane systemy wytwórcze.

3. Klasa III: Systemy z zachowan

ą

funkcjonalno

ś

ci

ą

tradycyjnych systemów mechanicznych, ale

z elektronik

ą

w miejsce wewn

ę

trznych mechanizmów. Przykład: zegarek cyfrowy.

4. Klasa IV: Produkty zaprojektowane przez synergiczn

ą

integracj

ę

techniki mechanicznej i

elektronicznej. Przykłady: fotokopiarki, inteligentne pralki i suszarki, garnki do gotowania ry

ż

u,

piece automatyczne.

Pojawiaj

ą

ce si

ę

nowoczesne technologie dla ka

ż

dej klasy produktu mechatronicznego ilustruj

ą

wzrost

produktów elektromechanicznych w tempie odpowiadaj

ą

cym rozwojowi teorii sterowania, technologii

informacyjnej i mikroprocesorów. Produkty klasy I były mo

ż

liwe dzi

ę

ki technice serwomechanizmów,

elektronice mocy i teorii sterowania. Produkty klasy II - dzi

ę

ki dost

ę

pno

ś

ci wczesnych urz

ą

dze

ń

do

obliczania i zapami

ę

tywania oraz dzi

ę

ki mo

ż

liwo

ś

ciom projektowania obwodów na zamówienie.

Produkty klasy III polegały głównie na mikroprocesorach i obwodach scalonych zast

ę

puj

ą

cych systemy

mechaniczne. Produkty klasy IV dały pocz

ą

tek prawdziwym systemom mechatronicznym, przez

integracj

ę

systemów mechanicznych i elektroniki. Nie miało to miejsca do lat 70. XX w., od kiedy to wraz

z rozwojem konstrukcji mikroprocesora przez firm

ę

Intel, praktyk

ą

stała si

ę

integracja systemów

komputerowych w systemy mechaniczne.

Klasy systemów mechatronicznych

background image

47

Podział na sterowanie konwencjonalne i sterowanie nowoczesne został znacznie
zredukowany w latach 80. XX w. wraz z nadej

ś

ciem teorii sterowania „krzepkiego” (ang.

robust control theory). Obecnie na ogół akceptuje si

ę

taki stan,

ż

e in

ż

ynieria sterowania w

analizie i projektowaniu systemów sterowania musi si

ę

zajmowa

ć

jednocze

ś

nie

obydwoma podej

ś

ciami, tzn. podej

ś

ciem w dziedzinie czasu i podej

ś

ciem w dziedzinie

cz

ę

stotliwo

ś

ci. Ponadto zastosowanie komputerów jako integralnych komponentów

systemów sterowania, stało si

ę

rutyn

ą

. Dzi

ę

ki temu miliony zainstalowanych

mikrokomputerów słu

ż

y do cyfrowego sterowania procesami. Bez wzgl

ę

du na to, jak

ą

definicj

ę

mechatroniki przyjmiemy, zawsze jest oczywiste,

ż

e nowoczesna mechatronika

zawiera komputer jako element centralny systemu. A to dlatego,

ż

e istot

ą

urz

ą

dze

ń

mechatronicznych jest zastosowanie mikroprocesora do precyzyjnego modulowania
energii mechanicznej. To precyzyjne modulowanie energii słu

ż

y ogólnej funkcji urz

ą

dzenia

mechatronicznego – dopasowaniu (adaptowaniu) do zmian procesu (jaki urz

ą

dzenie

realizuje) i do zmian otoczenia (w jakim urz

ą

dzenie pracuje). Poniewa

ż

dopasowanie jest

jedn

ą

z cech inteligencji, to urz

ą

dzenia mechatroniczne nazywa si

ę

cz

ę

sto

zaawansowanymi (inteligentnymi) (ang. intelligent) lub zmy

ś

lnymi (ang. smart).

Nale

ż

y tak

ż

e wspomnie

ć

o nowej dyscyplinie jak

ą

jest adaptronika, która wła

ś

nie

dopasowywanie uczyniła sw

ą

istot

ą

. W szerokim uj

ę

ciu mechatronika i adaptronika

wydaj

ą

si

ę

dwiema stronami tego samego medalu. O ile mechatronika jest nazw

ą

strukturaln

ą

, o tyle adaptronika jest nazw

ą

funkcjonaln

ą

. Ta pierwsza wskazuje z czego

urz

ą

dzenie jest zbudowane, druga za

ś

– po co jest budowane. W tym kontek

ś

cie

nale

ż

ałoby wspomnie

ć

o jeszcze strukturotronice, usiłuj

ą

cej zajmowa

ć

si

ę

inteligentnymi

strukturami konstrukcyjnymi.

Mechatronika, adaptronika i strukturotronika

Je

ż

eli układy elektroniczne s

ą

stosowane po to, aby zoptymalizowa

ć

działania zespołów mechanicznych

(np. w maszynie lub poje

ź

dzie), to mówi si

ę

obecnie o systemie mechatronicznym. Działanie elektroniki

jest przy tym okre

ś

lone przez oprogramowanie. Wa

ż

ne jest przy tym to,

ż

e

żą

dany wynik mo

ż

na

uzyska

ć

tylko przez wspólne działanie zespołów mechanicznych, elektronicznych i oprogramowania.

System mechatroniczny składa si

ę

z czterech nast

ę

puj

ą

cych cz

ęś

ci:

mechanicznych, które wykonuj

ą

okre

ś

lone zadania (np. obróbka przedmiotów lub transportowanie),

elektronicznego sterowania lub regulacji, zwykle mikrokomputer lub procesor sygnałowy z
odpowiednim oprogramowaniem,

aktuatoryki, która przetwarza sygnały elektroniczne na wielko

ś

ci mechaniczne (siła, moment

obrotowy),

sensoryki, które okre

ś

laj

ą

stan zespołów mechanicznych (pr

ę

dko

ść

, przyspieszenie, poło

ż

enie) i

przekazuj

ą

je do urz

ą

dze

ń

elektronicznych.

Mechatronika odgrywa wa

ż

n

ą

rol

ę

wtedy, gdy optymalizacja działania (procesów) jest realizowana przez

oprogramowanie. Przykładami tego s

ą

samochody, w których stosowane s

ą

układy elektronicznej

regulacji silnika, system ABS, elektroniczna stabilizacja toru jazdy ESP. Obecnie coraz wi

ę

kszego

znaczenia nabiera nap

ę

d hybrydowy, który umo

ż

liwia oszcz

ę

dno

ść

paliwa.

Bez systemów mechatronicznych, których działanie jest oparte na oprogramowaniu, bezpiecze

ń

stwo i

komfort jazdy w samochodach byłyby obecnie znacznie ni

ż

sze, a zu

ż

ycie paliwa wi

ę

ksze. Szacuje si

ę

,

ż

e obecnie prawie 80% potencjału ulepsze

ń

w samochodach zawiera si

ę

w elektronice i tym samym

wykorzystaniu systemów mechatronicznych.

Sytuacja w budowie maszyn jest podobna – obecnie wiele maszyn nie jest w stanie spełnia

ć

swoich

zada

ń

bez elektronicznego sterowania. Jednak w budowie maszyn nie ma zwykle jeszcze tak

zaawansowanej interdyscyplinarnej współpracy jak w budowie samochodów.

Rozwój systemów mechatronicznych

background image

48

Etapy rozwojowe na drodze do multi-technologicznych

systemów

Wcze

ś

niej:

Wcze

ś

niej:

rozpatrywanie systemowe poszczególnych technologii, kooperacja jednostek

Obecnie:

Obecnie:

integracja ró

ż

norodnych obszarów technologii (mechatronika)

W przyszło

ś

ci:

W przyszło

ś

ci:

technologiczna miniaturyzacja i „stopienie” obszarów technologii (adaptronika, nanotechnika)

Wraz z post

ę

pem techniki i szybkim rozwojem sprz

ę

tu komputerowego i komunikacji sieciowej systemy

mechatroniczne s

ą

w coraz wi

ę

kszym stopniu wyposa

ż

ane w procesory, elektronik

ę

, czujniki i aktuatory.

Coraz wy

ż

szy stopie

ń

integracji i coraz silniejsze poł

ą

czenie sieci

ą

ze sob

ą

ż

norodnych komponentów

prowadz

ą

do wzrostu zło

ż

ono

ś

ci systemów. Charakteryzuj

ą

si

ę

one wieloma interfejsami z ich

otoczeniem, w tym tak

ż

e z człowiekiem, co wymaga uwzgl

ę

dnienia tego,

ż

e obsługa, sterowanie i

nadzorowanie nie zawsze musz

ą

by

ć

niezawodne. Wysokie wymagania dotycz

ą

ce niezawodno

ś

ci maszyn,

urz

ą

dze

ń

, pojazdów i instalacji, ich sterowania, regulacji, nadzorowania, urz

ą

dze

ń

bezpiecze

ń

stwa i

interakcji człowiek-maszyna powoduj

ą

konieczno

ść

rozwoju odpowiednich metod i technik do analizy

niezawodno

ś

ci. Je

ż

eli jeszcze przed kilkoma laty były rozpatrywane oddzielnie współpracuj

ą

ce ze sob

ą

poszczególne jednostki ka

ż

dego z obszarów technologicznych, to obecnie w systemach

mechatronicznych jest coraz wi

ę

ksza integracja komponentów z zaz

ę

biaj

ą

cych si

ę

ze sob

ą

obszarów

technologicznych (mechanika, elektrotechnika, elektronika, sensoryka, aktuatoryka, systemy wbudowane
oraz rozproszone komputery/ sterowniki). Aktualne prace badawcze i rozwojowe pod hasłem
„adaptronika” prowadzone s

ą

ju

ż

dalej w kierunku miniaturyzacji technologicznej a

ż

do „stopienia si

ę

poszczególnych obszarów technologicznych. Rozpatrywane dotychczas oddzielnie, technologicznie

ż

norodne podsystemy do oceny niezawodno

ś

ci musz

ą

by

ć

rozpatrywane, projektowane, zestawiane i

optymalizowane cało

ś

ciowo i w sposób odniesiony do systemu.

Historyczny rozwój

systemów

mechanicznych,

elektrycznych

i elektronicznych

Czyste układy mechaniczne

Systemy mechaniczne z nap

ę

dami

elektrycznymi

Systemy mechaniczne ze sterowaniem:
- elektronicznym (analogowym),
- sekwencyjnym.

Systemy mechaniczne ze sterowaniem

automatycznym

silnik pr

ą

du stałego 1870 r.

silnik pr

ą

du przemiennego 1889 r.

Systemy mechaniczne ze sterowaniem:
- ci

ą

głym (cyfrowym),

- sekwencyjnym cyfrowym.

Systemy mechatroniczne:
- integracja mechaniki i elektroniki,
- oprogramowanie okre

ś

la funkcje,

- efekty synergiczne.

<1900 r.

cewki, przeka

ź

niki

wzmacniacze hydrauliczne,

zz

pneumatyczne i elektryczne

regulatory PI, 1930 r.

1920 r.

tranzystor 1948 r.

tyrystor 1955 r.

1935 r.

1955 r.

komputer cyfrowy 1955 r.

komputer procesowy 1959 r.

oprogramowanie czasu rzeczywistego 1966 r.

mikrokomputer 1971 r.

cyfrowa zdecentralizowana automatyzacja 1959 r.

mikrokontroler 1978 r.

komputery osobiste 1980 r.

systemy proces/magistrala

nowe człony wykonawcze (aktuatory), sensory

integracja komponentów

1975 r.

1985 r.

silnik parowy 1860

pr

ą

dnica pr

ą

du stałego 1870

pompa wirowa 1880

silnik spalinowy 1880

mechaniczna maszyna do pisania

obrabiarki

pompy

elektryczna maszyna do pisania

turbiny parowe

lotnictwo

windy sterowane elektrycznie

obrabiarki

roboty przemysłowe

zakłady przemysłowe

nap

ę

dy dysków

roboty mobilne

komputerowa integracja

wytwarzania (CIM)

ło

ż

yska magnetyczne

automatyzacja pojazdów

(ABS, ESP)

Rozwój urz

ą

dze

ń

elektrycznych

Rozwój systemów

automatyki

Rozwój systemów

sterowanych

komputerowo,

miniaturyzacja

systemów

background image

49

Wybrane przykłady konstrukcji technicznych i standardów

pompy elektryczne

elektryczna maszyna do pisania

wzmacniacze elektryczne, pneumatyczne i hydrauliczne

regulator PI, 1930

turbiny parowe

samolot braci Wright, 1903

komputer Mark I Colossus, Anglia, 1943

tranzystor (1948), tyrystor, 1955

1920 ...

sterowanie maszyn

ą

tkack

ą

, Jacquard, 1805

generator elektryczny pr

ą

du zmiennego, Pixii, 1832

telegraf elektromagnetyczny, Morse, 1837

silnik spalinowy, Lenoir, 1860

silnik elektryczny, 1870

tłumienie drga

ń

pomieszcze

ń

na statku, Bessemer, 1874

elektryczne nap

ę

dy: transport i przemysł, Siemens, 1879

koncepcja regulatora PID dla statku, Minorskij, 1885

silnik pr

ą

du zmiennego, Tesla, 1889

XIX w. n.e.

regulator obrotów wiatraka, Lee 1745

maszyna parowa, Watt 1765

regulator Watta, 1769

XVIII w. n.e.

ci

ś

nieniowy zawór bezpiecze

ń

stwa, Papin 1681

XVII w. n.e.

stabilizacja poziomu cieczy w zegarze wodnym, Ktesibos

stabilizacja poziomu cieczy w lampie oliwnej, Philon

III w. p.n.e.

standard IEC1131: model programowy, komunikacyjny oraz

programowanie w j

ę

zykach tekstowych i graficznych, 1993

OPC (OLE for Process Control) - standard mechanizmu komunikacji

pomi

ę

dzy

ź

ródłami danych w systemach wytwarzania, 1997

1990 ...

systemy mechatroniczne z synergi

ą

roboty mobilne

systemy hamowania ABS

grafika komputerowa, systemy CAD/CAM, CAE

1985 ...

mikrokomputer, 1971

cyfrowe sterowanie rozproszone, 1975

Intel 8080 w sterowniku produkcji Allan Bradley, USA, 1977

mikrosterownik, 1978

komputer IBM PC, 1979

1970 ...

sterowanie komputerowe procesem polimeryzacji w TEXACO Port Artur,

USA, 1959

laser, Maiman 1960

sterowanie komputerem Ferranti Argus w ICI, Anglia, 1962

modułowy minikomputer do sterowania, MODICON 084, 1969

1959 - 70

Wybrane przykłady konstrukcji technicznych i standardów c.d.

background image

50

Mechatronika jest te

ż

trendem w interdyscyplinarnym podej

ś

ciu do procesu

projektowania, który rozpocz

ą

ł si

ę

wiele lat temu (p. tabele z poprzednich slajdów) i ze

wzgl

ę

du na

żą

dania rynku rozwin

ą

ł si

ę

dynamicznie w latach osiemdziesi

ą

tych XX w.

W tym okresie Japonia oraz Stany Zjednoczone stanowiły dwa przoduj

ą

ce kraje w

dziedzinie zastosowa

ń

mechatroniki. Wykorzystanie zaawansowanych technologii i

nowatorskie podej

ś

cie w okre

ś

laniu funkcji nowego wyrobu mo

ż

e istotnie zwi

ę

kszy

ć

szans

ę

sukcesu na rynku, ale wymaga interdyscyplinarnego podej

ś

cia przy

projektowaniu wyrobu i opracowaniu technologii jego produkcji. Pojawienie si

ę

łatwo

dost

ę

pnych i tanich mikroprocesorów było istotnym warunkiem ich zastosowania na

szerok

ą

skal

ę

zarówno w urz

ą

dzeniach przemysłowych, jak i w wyrobach

mechatronicznych powszechnego u

ż

ytku (magnetowidy kasetowe, odtwarzacze CD,

pralki „fuzzy” z mikroprocesorowym programatorem).

Istot

ą

mechatroniki jest interdyscyplinarne podej

ś

cie do projektowania ju

ż

na etapie

przygotowania specyfikacji wymaga

ń

wyrobu. Te działania s

ą

wspierane przez

wykorzystanie odpowiedniego oprogramowania, w tym narz

ę

dzi CAD/CAM, CAE i

CASE (ang. Computer Aided System Engineering). Narz

ę

dzia CASE istotnie zwi

ę

kszaj

ą

efektywno

ść

i produktywno

ść

projektantów, pozwalaj

ą

c na odpowiedni

ą

organizacj

ę

pracy zespołowej i skrócenie czasu tworzenia ko

ń

cowego produktu. Ułatwiaj

ą

te

ż

wprowadzenie zarz

ą

dzania jako

ś

ci

ą

oraz identyfikacj

ę

odpowiedzialno

ś

ci, zgodnie z

normami ISO 9000.

System komputerowo wspomaganego projektowania w rozwoju systemów
mechatronicznych musi uwzgl

ę

dnia

ć

wszystkie etapy procesu projektowania,

interdyscyplinarno

ść

konstrukcji, jak równie

ż

powinien przykłada

ć

szczególn

ą

wag

ę

do procesu budowy i badania wirtualnego prototypu.

Systemy mechatroniczne

OBIEKTY MECHATRONICZNE

OBIEKTY MECHATRONICZNE

Urz

ą

dzenia (układy)

Systemy

Aktuatory (elementy
wykonawcze)

Aparat słuchowy

Urz

ą

dzenia

peryferyjne

Czujniki (sensory)

Mikroprocesory

Magistrale

Robot-piesek AIBO

Robot

Obrabiarka z komputerowym
sterowaniem numerycznym

Wie

ż

owiec w strefie sejsmicznej

z aktywnym tłumieniem drga

ń

Aktywne zawieszenie pojazdu

ABS, ASR, EPS, VDC, ...

Silnik spalinowy z „common rail

Twardy dysk

Inne obiekty, maszyny, budowle,
budynki, instalacje, aparaty,
przyrz

ą

dy, narz

ę

dzia, zabawki itp.

Przykłady urz

ą

dze

ń

i systemów mechatronicznych

background image

51

Perspektywy rozwoju urz

ą

dze

ń

mechatronicznych

Dalszy rozwój mechatroniki b

ę

dzie si

ę

odbywał coraz bardziej w kierunku urz

ą

dze

ń

„inteligentnych”. Wzrasta

ć

b

ę

dzie znaczenie oprogramowania i algorytmów. Konkretne

przetworzenie „inteligentnie” zaplanowanych akcji b

ę

dzie wymaga

ć

rozszerzenia zdolno

ś

ci

ruchowych. Na znaczeniu zyska mikrotechnika. Przyszłe zastosowania mechatroniki mo

ż

na

podzieli

ć

na nast

ę

puj

ą

ce:

mechatronizowanie urz

ą

dze

ń

konwencjonalnych we wszystkich zwykłych obszarach ich

u

ż

ytkowania w celu zwi

ę

kszenia osi

ą

gów, uproszczenia mechanizmów i obni

ż

enia kosztów,

w obszarach, w których człowiek w ogóle nie mo

ż

e pracowa

ć

lub sam nie mo

ż

e pracowa

ć

, np. w

nanoobszarach, pod wod

ą

, pod ziemi

ą

i w przestrzeni kosmicznej. Roboty i inne urz

ą

dzenia

mechatroniczne b

ę

d

ą

wspiera

ć

ludzi w pracach, które s

ą

niebezpieczne lub nieprzyjemne.

Chodzi tu przede wszystkim o ci

ęż

kie prace w budownictwie, zadania nadzorcze w

elektrowniach i instalacjach chemicznych, prace konserwacyjne w kanalizacji, sortowanie
odpadów, zadania w słu

ż

bie ratowniczej z automatycznymi aparatami lataj

ą

cymi dla celów

ratowniczych i ga

ś

niczych.

w obszarach, gdzie nie wystarcza zr

ę

czno

ść

człowieka, jego wytrwało

ść

, zdolno

ść

koncentracji

czy niezawodno

ść

; np. w technice operacji chirurgicznych (chirurgia małoinwazyjna), operacjach

oczu, przemysłowej technice monta

ż

u, mikrotechnice. Do tego nale

ż

y zaliczy

ć

zastosowanie

robotów jako pomocy w rehabilitacji medycznej w celu odtworzenia ograniczonych mo

ż

liwo

ś

ci

ruchowych i zachowania przez człowieka niezale

ż

no

ś

ci fizycznej.

w obszarach rozrywki i zabawy. Natura ludzka raduje si

ę

zwykle czym

ś

nowym i

niespodziewanym. Dlatego roboty i inne urz

ą

dzenia mechatroniczne spotyka si

ę

jako przedmioty

zabawy, jako zabawki, jako co

ś

co

ś

ci

ą

ga na siebie spojrzenie. Poniewa

ż

niezawodno

ść

i cena

nie s

ą

w tym przypadku najwa

ż

niejszymi priorytetami, ten obszar zastosowania mo

ż

e by

ć

nawet

pionierski dla bardziej wymagaj

ą

cych zada

ń

.

Cele i granice rozwi

ą

za

ń

mechatronicznych

Celami rozwi

ą

za

ń

mechatronicznych s

ą

:

• realizowanie nowych funkcji,

• poprawa sposobów zachowania si

ę

systemu przez sterowanie lub regulacj

ę

bez ingerencji z

zewn

ą

trz,

• rozszerzenie granic zastosowania,

• samoczynne nadzorowanie systemu i/lub diagnostyki uszkodze

ń

,

• osi

ą

gni

ę

cie integracji struktury w małej przestrzeni,

• mo

ż

liwo

ść

doł

ą

czenia podsystemów mechatronicznych jako sprawdzalnych podzespołów lub

zespołów,

• poprawa pewno

ś

ci działania.

Ograniczeniami rozwi

ą

za

ń

mechatronicznych mog

ą

by

ć

:

• zbyt wysoka temperatura otoczenia pracy lub obci

ąż

enie mechaniczne, np. drgania, które

szkodz

ą

komponentom elektronicznym. Wtedy te ostatnie nie daj

ą

si

ę

zintegrowa

ć

,

• niemo

ż

liwo

ść

lub niecelowo

ść

napraw. Wymagana jest wymiana systemu mechatronicznego

lub jego komponentu,

• zbyt wysoki stosunek osi

ą

gów (mo

ż

liwo

ś

ci) do ceny w danej sytuacji rynkowej, gdy

ż

okre

ś

lone sensory i aktuatory, albo cały system s

ą

(jeszcze) za drogie.

background image

52

Konsekwencje rozwoju systemów mechatronicznych

1. Dla samych systemów:

a) funkcje, które były dotychczas realizowane w sposób

mechaniczny s

ą

lepiej wykonywane przez układy

elektroniczne i oprogramowanie (przesuni

ę

cie funkcji),

b) powstaj

ą

nowe (realizowane niematerialnie) funkcje

systemu przez samo sprz

ęż

enie informatyczne

podsystemów (rozszerzenie funkcji),

c) systemy mog

ą

by

ć

ą

czane w sieci do przetwarzania

informacji.

2. Dla metodyki projektowania systemu:

Wzrost b

ę

d

ą

cej do dyspozycji mocy obliczeniowej

komputerów umo

ż

liwia zastosowanie efektywniejszych

narz

ę

dzi obliczeniowych i symulacyjnych.

Wymagania dotycz

ą

ce wytwarzanych wyrobów (np. maszyn) obejmuj

ą

cz

ę

sto ich elastyczno

ść

,

wysok

ą

wydajno

ść

i dokładno

ść

, zwarto

ść

konstrukcji oraz mo

ż

liwie niskie koszty. Dzi

ę

ki

zastosowaniu rozwi

ą

za

ń

mechatronicznych mo

ż

liwe jest np. znaczne zredukowanie nakładów

zwi

ą

zanych z monta

ż

em i instalacj

ą

okablowania. Szafy sterownicze s

ą

znacznie mniejsze lub

te

ż

całkowicie wyeliminowane (sterownik i inne zespoły s

ą

zintegrowane z maszyn

ą

).

Rozproszone rozwi

ą

zania nap

ę

dów sprawiaj

ą

,

ż

e instalacje s

ą

elastyczne i osi

ą

gaj

ą

wysokie

pr

ę

dko

ś

ci. Ponadto mechatronika upraszcza justowanie maszyn, poniewa

ż

zastosowanie

inteligentnych nap

ę

dów powoduje zautomatyzowanie ich nastaw (dobór parametrów), co

dotychczas musiało by

ć

realizowane manualnie.

Przej

ś

cie z tradycyjnego, sekwencyjnego procesu projektowania (rozwoju) do

mechatronicznego, równoległego (współbie

ż

nego) daje oszcz

ę

dno

ś

ci rz

ę

du 20% kosztów.

ż

nica, w porównaniu z konwencjonalnymi pracami in

ż

ynierskimi, wyst

ę

puje tak

ż

e podczas

realizacji zlece

ń

, a poszczególne działy nie pracuj

ą

ju

ż

kolejno po sobie, ale dział mechaniczny,

elektroniczny i informatyczny

ś

ci

ś

le od pocz

ą

tku ze sob

ą

współpracuj

ą

. Opracowuj

ą

c ci

ą

gle

nowe rozwi

ą

zania wyrobów w mechatronicznym systemie modułowym, ze standardowych

komponentów łatwo uzyskuje si

ę

wiele ich wariantów dostosowanych do wymaga

ń

klientów.

Poszczególne zespoły nie musz

ą

ju

ż

by

ć

od nowa konstruowane dla ka

ż

dego projektu. Pozwala

to na zaoszcz

ę

dzenie podczas rozwoju wiele czasu i pieni

ę

dzy.

Ponadto zaawansowane narz

ę

dzia programowe wspomagaj

ą

konstruktorów podczas realizacji

projektów. Pozwalaj

ą

one na automatyczne generowanie dokumentacji dotycz

ą

cej projektu,

takiej jak np. rysunki konstrukcyjne, a tak

ż

e dokumentowanie całego procesu projektowania.

Dalsz

ą

korzy

ś

ci

ą

jest mo

ż

liwo

ść

wykonywania wirtualnych testów zespołów, maszyn i instalacji

ju

ż

podczas procesu projektowania. Dzi

ę

ki temu mo

ż

na wcze

ś

nie wykry

ć

i usun

ąć

ę

dy, a

tak

ż

e mo

ż

na zrezygnowa

ć

z budowy prototypu wyrobu.

Efekty zastosowania rozwi

ą

za

ń

mechatronicznych

background image

53

Człony przenosz

ą

ce i przetwarzaj

ą

ce

Elementy umieszczone na przek

ą

tnej s

ą

członami przenosz

ą

cymi z wielko

ś

ciami

wej

ś

ciowymi i wyj

ś

ciowymi tego samego

charakteru fizycznego. Wszystkie inne
grupy s

ą

przetwornikami:

sensory s

ą

to przetworniki (czujniki)

nieelektryczne

elektryczne

aktuatory s

ą

to przetworniki

elektr../nieelektryczne

mechaniczne

Mechanicz. Elektrycz.

Magnet.

Termicz. Optycz.

WY

WE

Wielk.

mechanicz.

Wielk.

elektrycz.

Wielk.

magnet.

Wielk.

termicz.

Wielk.

optycz.

Elem.

mechanicz.

Elem.

elektron.

Elem.

magnet.

Elem.

termicz.

Elem.

optycz.

Elementy mechaniczne

Elementy elektroniczne

Elementy magnetyczne

Elementy termiczne

Elementy optyczne

• Elementy strukturalne (sztywno

ść

, elastyczno

ść

)

• Poł

ą

czenia (materiał/ siła, zamkni

ę

cie kształtu)

• Pr

ę

ty • Płyty • Wałki • Spr

ęż

yny • Tłumiki • Zderzaki • Blokady • Uszczelki

• Przeguby • Ło

ż

yska • Prowadnice • Przekładnie • Sprz

ę

gła • Hamulce

• Mechanizmy przeł

ą

czaj

ą

ce • Regulatory • Elementy płynowo-prowadnicowo-regulacyjne

• Oporniki • Kondensatory • Cewki • Diody • Tranzystory • Tyrystory • Mostki
• Wzmacniacze operacyjne • Układy scalone • Procesory • Pami

ę

ci

• Magnesy • Elektromagnesy • Elementy magneto-mechaniczno-optyczne

• Przewodniki ciepła • Transmitery ciepła • Wymienniki ciepła • Elementy grzejno-
chłodz

ą

ce • Ł

ą

czniki ciepło/siła

• Optyczne

ź

ródła promieniowania • LASERY • Zwierciadła • Pryzmaty • Soczewki

• Siatki optyczne • Obiektywy • Kondensory • Okulary • Elementy

ś

wiatłowodowe

• Elementy opto-elektroniczne

Moduły i elementy stosowane w budowie wyrobów

mechatronicznych

System mechatroniczny – jednostka automatyzacji

System

System

mechatroniczny

mechatroniczny

Wej

ś

cie

Wyj

ś

cie

Wzmacniacz

Silnik

Kabel

Pr

ą

d przemienny

Pr

ą

d stały

Moc

Sygnały

Ło

ż

yska

mechaniczne

indukcyjne

pojemno

ś

ciowe

elektryczne

Sensory

Sensory

Mechanika

Mechanika

E

le

k

tr

o

te

c

h

n

ik

a

E

le

k

tr

o

te

c

h

n

ik

a

T

e

c

h

n

ik

a

T

e

c

h

n

ik

a

k

o

m

p

u

te

ro

w

a

k

o

m

p

u

te

ro

w

a

Ło

ż

yska

ś

lizgowe

Ło

ż

yska

toczne

Prowadnice

Ś

ruby poci

ą

gowe

Korpusy

Ethernet

...

Sie

ć

komunikacyjna

Sterownik

Moduły I/O

cyfrowe

analogowe

PC

Program steruj

ą

cy

Wizualizacja

System operacyjny

background image

54

Zmiana udziału składników w kosztach

wytwarzania systemów mechatronicznych

1970

1980

1990

2000

Rok

20

40

60

80

100

Koszty wytwarzania w %

Zespoły mechaniczne

Ukła

dy ele

ktryc

zne/ e

lektro

niczn

e

Oprogramowanie

Przykłady systemów mechatronicznych

Robot przemysłowy

(firma KUKA)

Obrabiarka

Samochód osobowy

(BMW)

Aparat fotograficzny

(lustrzanka)


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 6
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8 Nieznany
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 1
Wstęp do MATLABA cz 1

więcej podobnych podstron