MTR_2009_Wstep_do_mechatr_cz

Cechy rozwi

mechatronicznych

Własno

ci:

Własno

ci:

Elastyczno

ść

Dokładno

ść

, dzi

ki pomiarom

Bezpiecze

stwo, dzi

nadzorowaniu

Zwarto

ść

, dzi

ki sprz

ęŜ

eniu

zwrotnemu

Przebiegi adaptacyjne

Ryzyko wskutek bł

dów

oprogramowania

Koszty pomiarów

Koszty nadzorowania

Problemy ze stabilno

Nakłady rozwojowe

Równoległy rozwój i ł

czenie zada

mechanicznych i elektronicznych w jednym

urz

dzeniu oraz zastosowanie elastycznie dopasowywanych, zaawansowanych

rozwi

komponentowych umo

liwia ró

norodne przypadki zastosowa

. Aby

móc spełni

rosn

ce wymagania dotycz

ce jako

ci i niezawodno

ci, rozwój

systemów mechatronicznych zmierza coraz silniej w kierunku modułów ł

czonych

sieci

i zdolnych do diagnostyki. Natomiast ich dalszy rozwój odbywa si

kierunku wielofunkcyjnego poł

czenia aktuatorów, sensorów i sterowników

(regulatorów), przy zastosowaniu bezprzewodowych rozwi

w zakresie

zasilania elektrycznego i przesyłania informacji (komunikacji).

Czynnikami nap

dzaj

cymi wi

ksze zastosowanie rozwi

mechatronicznych (np.

w samochodach) s

obecnie szczególnie:

zwi

kszenie zakresu funkcyjnego,

poprawa niezawodno

ci i trwało

ci (

ywotno

ci),

redukcja wielko

ci, obj

ci i ci

ęŜ

aru,

polepszenie relacji u

yteczno

ść

/ koszty,

zwi

kszenie inteligencji i funkcjonalno

ci w sposób zdecentralizowany i zdalny,

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

zawierania nowych zastosowa

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

redukcja zapotrzebowania na energi

Wielofunkcyjno

ść

systemów mechatronicznych

Integracja i wykorzystanie ró

nych mo

liwo

Informat

sto

ść

integracji:

0,13 µm

Koszty dla funkcji:

2 $ / 1 mln bramek

Straty mocy na funkcj

10 mW / 1 mln bramek

stotliwo

ść

pracy:

2 GHz

Sensoryka

Nowe materiały:

krzem, ceramika, ...

Integracja:

elektronika w obiekcie (na miejscu)

Miniaturyzacja:

np. czujniki poduszek powietrznych

Aktuatoryka/ elektronika mocy:

Małe oporno

ci własne (straty):

10 m

Ω

dla 10 A

Małe czasy zał

czania:

100 ns

Integracja:

elektronika w obiekcie

Mechanika:

Nowe materiały, lekka budowa:

kompozyty

Systemy mechatroniczne w samochodach przyczyniaj

do zwi

kszenia bezpiecze

stwa oraz

optymalizacji pracy silnika lub zu

ycia paliwa. Umo

liwiaj

one równie

nowe usługi, w których

wykorzystuje si

poł

czenie telekomunikacji i informatyki (telematyki), np. zdaln

diagnostyk

w przypadku

awarii lub szukanie skradzionych pojazdów.

nym argumentem za stosowaniem systemów mechatronicznych w samochodach s

tak

e koszty.

Odwzorowanie funkcji w oprogramowaniu jest bowiem znacznie korzystniejsze, ani

eli opracowanie i

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

dzenie miejsca i umo

liwia wi

ksze zag

szczenie funkcji. Poniewa

cykle rozwojowe dla

elektroniki i oprogramowania s

krótsze ni

dla zespołów mechanicznych, to nowe funkcje mo

na szybciej

zaimplementowa

nawet w zaawansowanym ju

stadium rozwoju całego samochodu i tym samym

elastycznie reagowa

na zapotrzebowanie rynku. Dlatego te

wszyscy producenci nastawiaj

na to,

w samochodach jest coraz wi

cej techniki komputerowej.

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

lonych funkcji,

które mogłyby by

przenoszone z jednego modelu samochodu na inny. Samo oprogramowanie w

modelach samochodów tych samych producentów ró

ni si

sto od siebie w zale

ci od tego, jakie

komponenty i systemy dostarczył kooperant dla ka

dorazowych zespołów. Dlatego te

konieczne jest

opracowanie jednolitej platformy dla rozwoju oprogramowania, która umo

liwi zdefiniowanie i budow

modułów programowych, które mog

wielokrotnie wykorzystywane. Jednak niew

tpliwie trudniejsz

spraw

ani

eli standaryzacja oprogramowania jest lepsze powi

zanie ze sob

elementów mechanicznych,

elektryczno/ elektronicznych i oprogramowania. Problemem jest tutaj to,

e zespoły mechaniczne, składniki

elektryczne i elektroniczne oraz oprogramowanie s

opracowywane w ró

nych działach i organizacjach,

które nie pracuj

według jednakowych procesów. Cykle innowacyjne i cykle

ycia opracowanych przez nie

komponentów maj

ró

długo

ść

, co utrudnia uzyskanie przejrzystego zarz

dzania wersjami i zmianami.

Pracuj

cy nad rozwojem zespołów mechanicznych, elektrycznych i elektronicznych oraz oprogramowania

tworz

i zarz

dzaj

swoimi danymi dotycz

cymi wyrobów w ró

nych systemach IT (ang. Information

Technology), pomi

dzy którymi cz

sto nie ma nawet interfejsów, aby mo

na było wymieni

informacje

dotycz

ce wersji i zmian.

Problemy w rozwoju systemów mechatronicznych

Analiza wymaga

Moduły programowe i sprz

towe

Eksploatacja i

piel

gnacja

Opis wymaga

Specyfikacja

Ogólny projekt

Opis architektury

Szczegółowy projekt

Opis modułów

Konstrukcja i

kodowanie

Certyfikowany system

Certyfikacja

System po walidacji

Testowanie systemu

Zintegrowany system

Integracja systemu

Przetestowane moduły

Testy modelu

Planowa-

nie testów

Planowa-

nie testów

Planowa-

nie testów

Planowa-

nie testów

Model Y rozwoju systemów technicznych

Model post

powania w rozwoju systemów mechatronicznych

Analiza wymaga

systemu

Projekt systemu

Analiza

wymaga

projekt IT

Test odbioru

systemu

Integracja systemu

i test systemu

Integracja IT

i test IT

Implementacja

oprogramowania

liz

Wytwarzanie (prototypy)

Wytwarzanie modułów

mechanicznych

Wytwarzanie modeli

ła

Specyfikacja wymaga

- abstrakcja

Zasada abstrakcji

• uogólnienie,

• usuni

cie indywidualnych szczegółów,

• przeciwnie do konkretyzacji,

Czarna skrzynka jest stosowana podczas rozwoju systemów

mechatronicznych:

• poniewa

systemy mechatroniczne s

zło

one i dlatego te

trudne do zrozumienia,

• aby system znacznie upro

• aby utworzy

zrozumiały przegl

d całego systemu.

Input

(wej

cie)

Output

(wyj

cie)

Black

Box

Zasada strukturyzacji i modularyzacji

Zasada strukturyzacji:

• podział na podsystemy (komponenty, składniki),

• poł

czenie podsystemów za pomoc

relacji,

• ponowne odwzorowanie całego systemu,

• słu

y do opanowania zło

ono

ci.

Zasada modularyzacji:

• podział na moduły,

• ka

dy moduł obejmuje zamkni

te funkcje,

• komunikacja pomi

dzy modułami odbywa si

tylko przez okre

lone interfejsy,

• redukcja zło

ono

ci,

• wymaga wyizolowania bł

dów,

• zwi

ksza odmienno

ść

i ponowne wykorzystanie.

Integracja

integracja jest miar

zale

ci pomi

dzy modułami,

mały stopie

integracji ułatwia piel

gnacj

i sprawia,

e system jest

bardziej stabilny,

rodzaje integracji:

- integracja danych,

- integracja interfejsów,

- integracja struktury.

⇒

Cel:

• redukcja poł

cze

• poł

cze

nie mo

na zredukowa

do zera,

• unikni

cie sprz

gania danych,

• unikni

cie ł

czenia struktury.

Mechatroniczny rozwój wyrobów – modelowanie

i symulacja

Okre

lenie celu, tzn. specyfikacja wymaga

dotycz

cych wyrobu (np. maszyny) powinno by

dokonane na

pocz

tku przedsi

wzi

cia. Wielko

ciami charakterystycznymi s

takie parametry jak np. maksymalne pr

dko

ci,

przyspieszenia, obci

ąŜ

enia, produktywno

ść

itp.

Istotn

rol

w rozwoju składników maszyny lub jej podsystemów spełnia symulacja, któr

na szybko i tanio

przeprowadzi

, uzyskuj

c ju

we wczesnych fazach rozwoju podstaw

do wyboru odpowiednich rozwi

Obecnie coraz cz

ęś

ciej typow

faz

rozwoju maszyn jest to,

e p

tle optymalizacyjne s

wykonywane na

wirtualnych maszynach. Natomiast w konwencjonalnych sposobach post

powania optymalizacyjne miały

miejsce dopiero na rzeczywistych prototypach, tzn. za pó

no, przy du

ych nakładach i z małymi szansami na

dokonanie istotnych zmian.

Dzi

ki wirtualnemu prototypowaniu optymalizacja jest przeprowadzana w najwcze

niejszym z mo

liwych

terminów. Dzi

ki wsparciu mechatronicznemu uzyskuje si

informacje o tym, w jakim stopniu postawione cele

uzyskiwane i to w sposób ci

gły oraz towarzysz

cy procesowi rozwoju wyrobu. Po ka

dej p

tli

optymalizacyjnej projekt mo

na dalej kontynuowa

z uzyskanymi wynikami lub go zako

czy

tlami optymalizacyjnymi s

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

wyników symulacji, propozycje zmian dotycz

cych konstrukcji, dopasowanie modelu do przewidzianych zmian

konstrukcji, przeprowadzenie ponownej symulacji oraz rozpatrzenie wyników. P

tle te s

wykonywane tak

długo, a

wyniki symulacji nie b

odpowiadały okre

lonym celom.

Model powinien odwzorowywa

maszyn

(wyrób) wraz z jej składnikami mechanicznymi i elektrycznymi

(elektronicznymi), aby mo

liwa była symulacja całego systemu. Projektanci w budowie maszyn wykorzystuj

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

e tworz

modele

metod

elementów sko

czonych MES, np. dla analiz wytrzymało

ciowych. Szczególne znaczenie ma jednak

tworzenie takich modeli, które ł

w sobie wszystkie elementy maszyny, ł

cznie z nap

dami i obwodami

regulacji.

Podczas

symulacji

wówczas

zidentyfikowa

własno

dynamiczne

systemu

mechatronicznego

Konfigurowanie zamiast programowania

Wzrost zastosowa

układów mechatronicznych w budowie wyrobów powoduje konieczno

ść

opracowania

nowych rozwi

dotycz

cych sterowania, a szczególnie rozwoju oprogramowania.

I tak np. elastyczne rozwi

zania automatyzacji – tworzone zwykle z wykorzystaniem robotów jako baz

dla aplikacji manipulacyjnych – s

coraz cz

ęś

ciej stosowane tak

e w takich obszarach jak przemysł

opakowa

czy technika pomiarowa. W takich przypadkach systemy zrobotyzowane nie s

rozpatrywane

jako j

dro aplikacji, lecz s

bardziej składnikiem, który jako

ciowo odpowiada własno

ciom »Plug and

Run«. Zastosowany układ sterowania musi wnosi

maksimum elastyczno

ci dla ró

nych układów

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

sposób mo

liwie automatyczny, co oznacza prost

konfiguracj

i wł

czenie w istniej

ce struktury.

Nakłady zwi

zane z opracowaniem oprogramowania podczas realizacji projektów automatyzacji wynosz

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

zanych z uruchamianiem i usuwaniem bł

dów. Szczególnie w maszynach specjalnych lub projektach

automatyzacji, w których musz

integrowane układy manipulacyjne jako zaawansowane jednostki

zasilaj

ce, udział ten jeszcze wzrasta, poniewa

integrator systemu nie jest szczegółowo zaznajomiony z

ró

norodnymi „zewn

trznymi” układami sterowania. Wyst

puj

ce w wyniku tego nieprodukcyjne i

wymagaj

ce wiele czasu prace na dopasowanie i uruchomienie mo

na byłoby znacznie zredukowa

przez zastosowanie przelotowej i rzeczywi

cie kompatybilnej techniki sterowania. Jest to zwi

zane z

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

ca j

zyków programowania sterowników PLC, czy

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

adnego całkowicie niefirmowego rozwi

zania takiego systemu wspomagaj

cego dla

budowy maszyn i integracji systemów. Ze wzgl

du na wymagania dotycz

ce oprogramowania, które w

aplikacjach automatyzacji prawie zawsze wymagaj

rozwi

zwi

zanych z PC, technika ta stała si

dominuj

ca. Dalszymi istotnymi cechami s

standardowe interfejsy, jedna baza danych dla zmiennych

procesu, a tak

e jednolita platforma rozwojowa. Architektura systemu powinna by

modułowa i otwarta.

Wymagania ujednolicenia w technice sterowania

Jednym z przykładów praktycznego rozwi

zania problemów zwi

zanych z integracj

urz

dze

automatyzacji jest system Aico.Control opracowany przez firm

Manz Automation (Reutlingen/

Niemcy). Jego mo

liwo

ci konfiguracyjne pozwalaj

obecnie zaoszcz

dzi

do 30% czasu

podczas realizacji projektu.

Aktualna analiza rynku dotycz

rodków stosowanych w wytwarzaniu takich jak: moduły

manipulacyjne, jednostki procesowe, maszyny specjalne itp. wykazała,

e wyst

puje wyra

nie

zaznaczone wymaganie dotycz

ce przelotowej technologii sterowania. Jednak przedsi

biorstwa

budowy maszyn cz

sto podlegaj

silnym naciskom, aby nie stosowa

optymalnych rozwi

sto to klient ko

cowy (zamawiaj

cy maszyn

) dyktuje, jakie składniki musz

zastosowane,

albo te

wyst

puj

historycznie narosłe struktury, które jest trudno przełama

Tym bardziej wa

ne jest,

eby oprócz szerokiej funkcjonalno

ci były zastosowane równie

liwie

wszystkie otwarte i standardowe interfejsy. Daje to integratorowi mo

liwo

ść

stopniowego zbli

ania

do idealnego rozwi

zania i pomimo tego uwzgl

dnienia wymaga

klienta.

Podstawowy element rozwi

zania systemu automatyzacji, a mianowicie sam układ sterowania

(sterownik) powinien by

traktowany jako zachowywana jednostka stała. Natomiast takie składniki jak

nap

dy, moduły wej

ść

i wyj

ść

oraz inne urz

dzenia peryferyjne mog

wymieniane, o ile s

one

wykonane zgodnie ze standardowymi interfejsami. Standardowymi interfejsami s

obecnie wszystkie

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

Wraz z rosn

zło

ono

projektów automatyzacji musi si

tak

e rozwija

sterowanie. Wymagane

dodatkowe funkcje i coraz wi

ksze zestawy danych. Ponadto znacznie zwi

ksza si

zakres

zada

, które s

stawiane pracownikom w zakładach budowy maszyn. Dla spełnienia tych wymaga

szczególnie istotne znaczenie maj

aspekty dotycz

ce opracowywania oprogramowania oraz

uruchamiania.

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

rozwi

zywanie problemów dotycz

cych integracji systemów, poniewa

zast

pienie mechanicznych

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

puj

ce wymagania:

szeroka funkcjonalno

ść

na wszystkich poziomach,

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

do silnika,

modułowo

ść

zgodnie z wymaganiami aplikacyjnymi (mo

liwo

ci obliczeniowe jednostki centralnej CPU

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

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

wspomaganie istniej

cych układów kinematycznych,

sterowanie wszystkich wariantów serwo-silników i nap

dów bezpo

rednich,

wspomaganie układów sprz

ęŜ

zwrotnych,

krótszy takt interpolacji i mały Jitter,

przelotowe narz

dzia do rozwoju i diagnostyki,

przyjazne dla u

ytkownika

rodowisko rozwojowe (aplikacji),

biblioteki oprogramowania dla robotyki, MC, systemów wizyjnych,

proste narz

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

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

zintegrowane oprogramowanie symulacyjne,

dost

pno

ść

składników w długim okresie czasu (im wi

kszy jest udział oprogramowania, tym mniejsze jest

ryzyko).

Wymagania dotycz

ce rozwoju wyrobów mechatronicznych

I tak opracowana przez firm

Manz, oparta na PC koncepcja

sterowania Aico.Control

w znacznym stopniu spełnia

wymagania rozwoju

systemów mechatronicznych. Za

pomoc

zawartych w tym systemie narz

dzi sprz

towych i

programowych mo

na realizowa

szeroki zakres wymaga

dotycz

cych projektów. Istotnym elementem systemu jest

generyczna

koncepcja

interfejsów

oraz

narz

dzie

konfiguracyjne Aico.Assist. Umo

liwia to programi

cie lub

uruchamiaj

cemu, bez gł

bszej znajomo

ci systemu w

krótkim czasie samodzielne skonfigurowanie zło

onych

wieloosiowych aplikacji w taki sposób,

e gdy zastan

one

wł

czone do całego systemu, to nie wyst

puj

adne

bł

dy sprz

towe (okablowanie, konfiguracja nap

dów i

moduły I/O (ang. Input/ Output). Nast

pnie wykonuj

aplikacj

e gotowy ju

program, który najpierw został

przetestowany w symulacji, doł

czy

do rzeczywistego

systemu i prowadzi

dalsze prace rozwojowe.

Ponadto w tym systemie zintegrowano tak

e wiele podprogramów obsługi bł

dów, które mog

elastycznie

wykorzystywane. Dzi

ki temu opracowuj

cy oprogramowanie mo

e si

skoncentrowa

na wła

ciwym

przebiegu programu steruj

cego, a nie zajmowa

obsług

podstawowych bł

dów. System (ang.

Framework) Aico.Control jest tak zbudowany,

e w zale

ci od wybranej konfiguracji ładowane (doł

czane)

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

pomoc

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

udokumentowane interfejsy, dzi

ki czemu mo

na je łatwo rozszerzy

lub dopasowa

do wymaga

. W

zale

ci od aplikacji przy doborze składników mo

na kierowa

albo funkcjonalno

albo te

kosztami.

Najwi

ksze oszcz

dno

ci na kosztach podczas rozwoju aplikacji uzyskuje si

wtedy, gdy stosowane s

modułowe składniki oparte na PC, które zawieraj

standardowe interfejsy, umo

liwiaj

ce łatwe ich wł

czenie w

struktur

całego systemu automatyzacji.

Przykład

rodowiska do rozwoju obiektów mechatronicznych

Udział składników w systemach automatyzacji

Automatyzacja wi

ąŜ

e si

z długim ła

cuchem działa

, które rozci

gaj

od modelowania i symulacji

obiektu i procesu, poprzez konstrukcj

, wytwarzanie cz

ęś

ci, zakup urz

dze

, monta

zespołów i

maszyny, programowanie, wizualizacj

do piel

gnacji. Coraz wi

ksze znaczenie ma przelotowo

ść

rozwi

(przepływ danych). Udział prac in

ynierskich w realizacji projektów automatyzacji stale ro

nie i

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

konieczne jest d

ąŜ

enie do zmniejszenia tych kosztów przez efektywne tworzenie oprogramowania.

Oprogramowanie to powinno by

oparte na standardowych rozwi

zaniach oraz realizowane w sposób

intuicyjny, wzgl. nawet samoczynnie generowane.

60%

35%

30%

10%

15%

50%

Oprogra-
mowanie

Sprz

100%

1980

2005

Uruchamianie

Wizualizacja/

HMI

Programowanie

(np. PLC)

Konfiguracja

sprz

Rok

33%

50%

17%

100%

50%

Oprogramowanie

Innowacyjne koncepcje rozwi

wyrobów, np. w budowie maszyn, s

jednym z istotnych wymaga

utrzymania si

rynku dla wielu przedsi

biorstw w poszczególnych bran

ach. Jedn

z mo

liwo

ci innowacji w budowanych maszynach

jest zastosowanie nap

dów bezpo

rednich. Dzi

ki temu wpływ na funkcjonalno

ść

maszyny przenosi si

z obszaru

mechaniki w kierunku elektrotechniki. Maszyna z bezpo

rednimi nap

dami jest prostsza w zakresie zespołów

mechanicznych, natomiast stawia bardzo wysokie wymagania odno

nie do techniki regulacji. W konwencjonalnych

rozwi

zaniach gotowy silnik jest wbudowywany w maszyn

. Natomiast w przypadku nap

dów bezpo

rednich nap

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

enia i pr

dko

ci ma rozstrzygaj

wpływ na własno

ci dynamiczne i dokładno

ść

maszyny. Zatem funkcjonalno

ść

rozwi

zania z nap

dem bezpo

rednim

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

cie na technik

bezpo

redniego nap

du (liniowego i

obrotowego) jest dobrym przykładem zastosowania mechatroniki. Bezpo

redni nap

d liniowy zast

puje takie

mechaniczne elementy przenoszenia nap

du jak np. toczna

ruba poci

gowa, natomiast w przypadku bezpo

redniego

nap

du obrotowego zb

dne staj

przekładnie.

Wirtualne prototypowanie

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

dopiero wtedy, gdy gotowa jest ju

ęść

mechaniczna maszyny. Jednak wtedy cz

sto dopiero w ko

cowej fazie budowy

prototypu okazuje si

, czy takie rozwi

zanie maszyny spełnia zało

one wymagania. Mo

na wówczas spróbowa

poprawi

własno

ci maszyny za pomoc

rodków elektrycznych. Jednak takie post

powanie w przypadku zastosowania

bezpo

rednich nap

dów nie jest optymalne i najcz

ęś

ciej jest znacznie dro

sze. Lepsz

alternatyw

jest mechatroniczne

podej

cie do rozwoju maszyn. Wówczas od pocz

tku rozwoju nowej maszyny opracowywana jest konstrukcja zarówno

zespołów mechanicznych jak i elektrycznych (elektronicznych), a tak

e oprogramowania.

Składni-

ki elektry-

czne

Projekto-

wanie

mecha-

niczne

Prototyp

Faza testowania

Zmiany w prototypie

Czas, nakłady, koszty

Wynik

Konwencjonalny sposób post

powania

Konwencjonalny sposób post

powania

: konstrukcja mechaniczna

Oszcz

dno

ść

Oszcz

dno

ść

czasu i zasobów

Pewno

ść

osi

gni

cia

celu

Wynik

wirtualna

maszyna

Modelo-

wanie i

symulacja

cało

Prototyp

Wynik

Wirtualne prototypowanie

: szybciej mo

na wprowadzi

maszyn

na rynek

Wymagania dotycz

ce rozwoju systemów mechatronicznych

Integracja ró

nych

warstw

Regulowany

przepływ informacji

Zarz

dzanie

informacjami

Wysokie uzgodnienie

zapotrzebowania

Zwi

zane z rozwojem

zarz

dzanie wymaganiami

Tworzenie

modelu ponad-

domenowego

Szerokie wspomaganie

symulacj

Szerokie wspomaganie

symulacj

Wirtualne
prototypy

Przejrzysto

ść

topologii

systemu

Modularyzacja

Efektywne wykorzystanie

danych rozwojowych

Modelowanie niezale

od implementacji

Dokładna specyfikacja

funkcjonalno

ci systemu

Mechanika

Elektrotechnika

Oprogramowanie

Systemy mechatroniczne odznaczaj

wysokim stopniem integracji składników

mechanicznych, elektrycznych i informatycznych. Zast

pienie mechanicznych no

ników

funkcyjnych rozwi

zaniami elektrycznymi i informatycznymi umo

liwia popraw

, wzgl

dnie

rozszerzenie funkcjonalno

ci wyrobów.

Dzi

ki konstrukcyjnej integracji poszczególnych składników w mechatroniczne moduły, w

porównaniu z dotychczasowymi rozwi

zaniami, uzyskuje si

szy stopie

miniaturyzacji, przy

jednocze

nie wy

szych ich mo

liwo

ciach. W ten sposób daje si

opracowywa

standardowe

składniki systemów o wy

szej zło

ono

ci funkcyjnej, które przez prost

konfiguracj

programów

steruj

cych daje si

dopasowa

do ka

dorazowego przypadku zastosowania.

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

zania dla

zada

rozwojowych o wysokich wymaganiach technologicznych.

Zło

one zale

ci pomi

dzy elementami mechanicznymi, elektrycznymi i informatycznymi

wymaga wykraczaj

cej poza te dziedziny współpracy podczas rozwoju systemów

mechatronicznych. Wła

nie w fazach specyfikacji i projektowania niezb

dne jest

interdyscyplinarne post

powanie, aby przez brak kompetencji nie spowodowa

e nie zostanie

znalezione optymalne rozwi

zanie.

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

ce organizacji przebiegu rozwoju i komunikacji pomi

dzy uczestnicz

cymi w

pracach działami specjalistycznymi. Z drugiej strony wyst

puj

równie

nowe wymagania

dotycz

ce zastosowania techniki symulacji dla przewidywania własno

ci wyrobów. Ocena

projektu systemu wymaga zintegrowanego tworzenia modelu i symulacji, które umo

liwia pełn

analiz

wszystkich istotnych własno

ci całego systemu mechatronicznego.

Systemy mechatroniczne - wymagania

Modelowanie funkcji i optymalizacja dynamiczna

podczas projektowania systemu

Fazy rozwoju

Specyfikacja

Koncepcja

Projekt

Uszczegółowienie

Tworzenie mode-
lu i symulacja

Zadanie

Realizacja

Obja

nienie zadania

Okre

lenie struktury funkcyjnej

Opracowanie projektu

Szukanie zasad rozwi

Podział na realizowalne moduły

Kształtowanie modułów

Kształtowanie całego wyrobu

Modelowanie

funkcji

Optymalizacja

dynamiczna

Kalkulacja

kosztów

Zachowanie si

całego systemu mechatronicznego, w sensie spełniania funkcji, jest okre

lone głównie przez

jego cało

ciow

koncepcj

. Koncypowanie systemu obejmuje najpierw szczegółow

specyfikacj

i strukturyzacj

pełnej, wymaganej przez u

ytkownika funkcjonalno

ci. Na tej podstawie poszukuje si

zasad rozwi

zania i

nast

pnie integruje si

je w cało

ciowe rozwi

zanie.

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

ki wykorzystaniu niezale

nej od rozwi

zania notacji wspomagana jest interdyscyplinarna

praca i poszukiwanie koncepcji. Po okre

leniu koncepcji nast

puje opracowanie projektu systemu.

Oprócz zgodnego z wymaganiami ukształtowania i zwymiarowania poszczególnych no

ników funkcji na plan

pierwszy wysuwa si

tutaj optymalne spełnianie funkcji przez cały system. Rozstrzygaj

ca jest przy tym wczesna

ocena i optymalizacja projektu systemu.

Na przykładzie obrabiarki sterowanej numerycznie CNC (p. nast

pny slajd) pokazano oparty na modelowaniu i

symulacji sposób post

powania podczas analizy i oceny dokładno

ci, a tak

e mo

liwo

ci wynikaj

cych z

poł

czenia zespołów mechanicznych, elektrycznych i komputerowego sterowania w budowie mechatronicznych

maszyn.

Aby zachowa

mechatroniczny charakter podczas rozwoju wyrobu konieczne wczesne wł

czenie wszystkich

specjalno

ci. Tylko w ten sposób mo

na skutecznie opracowa

nowe interdyscyplinarne rozwi

zania. Jako punkt

wyj

cia do zintegrowanego procesu rozwoju systemu mechatronicznego słu

y model funkcyjny, który

odwzorowuje poszczególne aspekty bior

cych udział domen (zespołów) i obszarów specjalno

ciowych, które

nast

pnie stopniowo si

uszczegóławia. Model funkcyjny jest abstrakcyjnym opisem aspektów odniesionych do

przebiegów i struktury projektowanego systemu. Do tego celu stosowane s

ró

ne typy diagramów, które

umo

liwiaj

rozpatrzenie graficznej reprezentacji zasadniczych cz

ęś

ci zarówno całego systemu, jak równie

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

la wymagan

liczb

i zasadnicze ustawienie osi NC obrabiarki. Niezb

dne do realizacji funkcji

zał

czania elementy s

opisywane za pomoc

schematu technologicznego, który zawiera wszystkie istotne dla

działania czujniki i aktuatory oraz ich przyporz

dkowanie. Schematy kinematyczny i technologiczny s

uzupełniane diagramem blokowym i schematem przebiegu, aby opisa

wł

czenie zastosowanych elementów w

przebieg pracy maszyny.

Opis systemów mechatronicznych

Modelowanie systemów mechatronicznych na

przykładzie obrabiarki sterowanej numerycznie

Hierarchia

funkcji

Koncepcja

całkowita

Maszyna i system

automatyzacji

Struktura

funkcji

Układ

kinematyczny

Przebieg

funkcyjny

PLC

CNC

Drzewo

funkcji

Schemat

technologiczny

Schemat

przebiegu

Szkic

technologiczny

Elementy modelu funkcyjnego, zgodnie z ich stopniem abstrakcji, s

wykorzystywane w ró

nych fazach

procesu rozwoju systemu mechatronicznego. Punktem wyj

cia do budowy modelu funkcyjnego s

poszczególne przebiegi (operacje), które s

niezb

dne do realizacji zadania wymaganego przez

ytkownika systemu. Na podstawie schematów blokowych tych przebiegów ze wzgl

du na realizacj

procesu obróbki rozró

niane s

funkcje główne i pomocnicze obrabiarki (maszyny). Zasadniczym

problemem przy okre

laniu funkcji głównych (ruchy skrawania, prowadzenie i przemieszczanie narz

dzia

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

i wzajemne poło

enie osi

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

du ła

cucha kinematycznego systemu produkcyjnego.

Równolegle z uszczegóławianiem funkcji głównych przeprowadza si

tak

e uszczegółowianie funkcji

pomocniczych (przygotowanie narz

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

podstawie schematu blokowego, w którym funkcje pomocnicze s

rozbijane na małe, funkcjonalne

jednostki. I tak np. funkcja pomocnicza „przygotowanie narz

dzia” jest rozbijana na funkcje „chwytanie”,

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

Dla ka

dej jednostki funkcyjnej w nast

pnym kroku okre

lana jest zasada realizacji funkcji i jej

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

cuchowy magazyn

narz

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

jest diagram przebiegu, który odwzorowuje zale

ci pomi

dzy poszczególnymi czujnikami i aktuatorami

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

e w diagramie przebiegu nast

puje

zatrzymanie, a wymian

narz

dzia mo

na wykona

dopiero wtedy, gdy zostało rozpoznane wła

ciwe

narz

dzie. Szkic technologiczny i zwi

zane z nim diagramy przebiegu tworz

razem schemat

technologiczny.

Od tego czasu nast

puje przej

cie z czysto funkcjonalnego rozpatrywania systemu do zorientowanego na

składniki. Funkcja „orientowanie” jest przyporz

dkowywana abstrakcyjnemu składnikowi „magazyn

ła

cuchowy”, przy czym najpierw jest zakre

lana jedynie zasada fizyczna, a nie okre

lanie wykonania

sprz

towego, a w przypadku handlowych zespołów wybór producenta.

Struktura modeli funkcyjnych

Modelowanie funkcyjne w procesie rozwoju

Przebieg
wytwarzania

Przemieszczanie

Prowadzenie

Skrawanie

A
Z
X

Układ
kinematyczny

łó

Orientowanie

Przygotowanie narz

dzia

Koncepcja

całkowita

Magazyn ła

cuchowy

Schemat technologiczny

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

ci opracowywanego systemu produkcyjnego. Taka forma opisu jest niezale

na od sprz

tu oraz

konkretnego rozwi

zania i wspomaga ona koncepcj

struktury modułowej, która nie jest zdominowana

przez jedn

dyscyplin

, ale w której na plan pierwszy wysuwa si

zgodne z wymaganiami spełnienie

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

dna jest informacyjna

integracja podstawowych struktur danych oraz narz

dzi rozwojowych.

Rdze

zarz

dzania informacjami tworzy zintegrowany model wyrobu, który szczegółowo opisuje

cało

ciow

struktur

elementów i specyficzne przebiegi rozwijanego systemu produkcyjnego oraz tworzy

powi

zania pomi

dzy poszczególnymi warstwami. Powi

zania te mog

zło

one w obiektowo

zorientowanym modelu danych, który jest zarz

dzany z systemu zarz

dzania produktami PDM (ang.

Product Data Management). Do przyspieszenia procesu rozwoju wyrobów cz

sto wykorzystywane

składniki mog

zło

one w bibliotece i w ten sposób zapewniony szybki dost

p do wewn

trznego

Know-how firmy.

Okre

lona w modelu funkcyjnym struktura wyrobu tworzy baz

do pó

niejszych, specyficznych dla

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

pierwsz

struktur

podstawow

dla modelowania 3D CAD. Natomiast opisane w postaci

diagramów przebiegu poszczególne jednostki funkcyjne słu

Ŝą

jako podstawa do tworzenia programu dla

opracowuj

cego sterowanie. Okre

lone w szkicach technologicznych składniki mog

wykorzystane

do tworzenia schematów poł

cze

. Dzi

ki wykraczaj

cemu poza specjalistyczne działy modelowi

funkcyjnemu uzyskuje si

do dyspozycji przejrzysty, interdyscyplinarny sposób opisu do odwzorowania

funkcji systemu, który słu

y szczególnie jako podstawa komunikacji podczas wczesnych faz rozwoju i w

ten sposób pomaga unikn

ąć

problemów z brakiem uzgodnie

. Przyporz

dkowanie wszystkich funkcji w

pewnej abstrakcyjnej, niezale

nej od rozwi

zania strukturze wyrobu wspomaga interdyscyplinarny rozwój

modułów funkcyjnych. Dzi

ki takiemu post

powaniu mo

na opanowa

zło

ono

ść

systemów

mechatronicznych i przyspieszy

proces ich rozwoju.

Wspomaganie rozwoju systemów mechatronicznych

Struktura technologiczna podsystemu posuwu dla

obrabiarki sterowanej numerycznie NC

Obrabiarka

Układ nap

du posuwu

Układ nap

du posuwu

Pulpit obsługi

Program

Układ

sterowania

NC,

moduły

regulacji

osi

Napi

cie

silnika

Sanie

ruba

poci

gowa

Silnik

serwo

Poło

enie

dko

ść

obrotowa

silnika

Układ

pomiarowy

Sprawdzenia, czy system mechatroniczny b

dzie miał wymagane własno

ci mo

na dokona

na wirtualnej maszynie.

Wizualizacja 3D

Sterowanie

Symulacja

W wirtualnej maszynie rzeczywisty układ sterowania jest w taki sposób sprz

gany z symulacj

maszyny,

e system symulacyjny otrzymuje sygnały do aktuatorów, realizuje działania i

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

pobierane z systemu CAD, tak

eby mo

na było wizualizowa

ruchy, albo bezpo

rednio do układu symulacji lub dalej do układu sterowania przekazywa

sygnały (działania) z urz

dze

, jak np. „wci

cie wył

cznika awaryjnego” lub „kolizja narz

dzi

z przedmiotem”.

Symulacja – maszyna wirtualna

Optymalizacja dynamiczna podczas projektowania

systemu mechatronicznego

Omówiona wcze

niej metodyka modelowania funkcyjnego z przyporz

dkowaniem fizycznych zasad rozwi

przy

pomocy schematów technologicznych prowadzi w sposób systematyczny do mechatronicznej koncepcji cało

ciowej.

Dynamiczne przebiegi całkowite systemu mechatronicznego wynikaj

ze zło

onych zmiennych oddziaływa

pomi

dzy

własno

ciami mechanicznymi, elektrycznymi i informatycznymi. Na te zale

ci mo

na znacznie wpływa

przez

koncepcj

i projektowanie systemu. Dlatego te

szczególne znaczenie ma stosowanie wspomagania przez wczesne

zastosowanie symulacji przy zestawianiu i optymalizacji całego systemu.
Mo

na to rozpatrze

na przykładzie doboru nap

du posuwu NC obrabiarki. Podczas rozwoju obrabiarek wyst

puje

Ŝą

danie

liwie du

ej mocy (pr

dko

ci) nap

du dla uzyskania ekonomicznego wytwarzania przy zachowaniu wymaga

wysokiej

dokładno

ci i tym samym uzyskanie konkurencyjno

ci maszyny na rynku. Dlatego te

dobór i optymalizacja przebiegów

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

niejszym slajdzie pokazano struktur

podsystemu posuwu NC nowoczesnych obrabiarek. Dzi

ki modułowej budowie

tego podsystemu u producenta obrabiarek przeprowadzane s

nast

puj

ce prace rozwojowe:

•

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

du,

•

kształtowanie i wymiarowanie mechanicznego układu przeniesienia nap

du i prowadnic obrabiarki,

•

uruchamianie i parametryzacja układu sterowania i nap

dów.

Uzyskiwane własno

ci dynamiczne s

ograniczone przebiegami drga

układu mechanicznego. Do optymalizacji własno

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

czonych MES. Obejmuje ona analizy obliczeniowe w obszarze cz

stotliwo

ci i przez wzgl

dne porównanie

ró

nych rozwi

konstrukcyjnych układu umo

liwia wybór wariantu o najlepszych własno

ciach dynamicznych.

Bezwzgl

dne warto

ci uzyskanych danych zale

Ŝą

od dynamicznych oddziaływa

układu sterowania NC, modułów regulacji

osi, elektrycznych składników nap

du i układu mechanicznego. Optymalizacj

parametrów regulacji poło

enia mo

natomiast przeprowadzi

dopiero podczas uruchamiania nap

du. Odbywa si

to na drodze prób przy przyj

ciu kryterium

liwie małego uchybu nad

ąŜ

ania wzgl. wysokiej warto

ci maksymalnej pr

dko

ci. W wyniku rosn

cego pobudzania do

drga

układu mechanicznego wskutek zwi

kszania parametrów regulatora uzyskuje si

warto

ci krytyczne, których

przekroczenie powoduje przeregulowanie (przekroczenie) warto

ci zadanej poło

enia wzgl. niestabilnych przebiegów

regulacji. I tak np. współczynnik wzmocnienia pr

dko

ciowego K

regulatora poło

enia, który jest wska

nikiem uzyskiwanej

maksymalnej pr

dko

ci posuwu, jest w zasadzie okre

lony cz

stotliwo

własn

(pierwsz

harmoniczn

) mechanicznego

układu nap

dowego.

Aby ju

w fazie projektowania umo

liwi

oszacowanie mo

liwych do nastawienia parametrów

regulatora i tym samym tak

e dynamicznych mo

liwo

ci obrabiarki, mo

na si

posłu

modelowaniem i symulacj

przebiegów całego systemu mechatronicznego zespołu maszyny. Na

bazie modelu Metody Elementów Sko

czonych (MES) pełnej struktury mechanicznej przeprowadza

zintegrowane okre

lenie własno

ci dynamicznych nap

du posuwu obrabiarki.

Poło

enie

zadane

Wielko

ść

wiod

Wielko

ść

wej

ciowa silnika

Inter-

polator

Zad
x U_q
n U_d
i

U_q Ua
U_d Ub
theta Uc

N
Ua M

Ub i_q
Uc

j_rz
i_rz j_kont

i_kont

n_rz x _kont
x_rz

Moduł

regulatora

Moduł

mocy

Serwosilnik

Układ mechaniczny

M n

F j

dko

ść

obrotowa

silnika

Poło

enie

t obrotu

silnika

Chwilowa

warto

ść

Elektryczny układ

nap

du i sterowania

Mechaniczny układ

przeniesienia nap

i moduł sa

Schemat blokowy układu nap

du posuwu obrabiarki NC

Cechy systemów projektowanych

konwencjonalnie i mechatronicznie

Projektowanie konwencjonalne

Dodawanie cz

ęś

ci składowych

Dodawanie cz

ęś

ci składowych

1. Obszerno

ść

(zajmowanie du

o miejsca).

2. Zło

one mechanizmy.

3. Problemy z kablami.

4. Poł

czone cz

ęś

ci składowe.

Projektowanie

mechatroniczne

Integracja cz

ęś

ci składowych

Integracja cz

ęś

ci składowych

1. Zwarto

ść

(kompaktowo

ść

2. Proste mechanizmy.

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

4. Jednostki autonomiczne.

Proste sterowanie

5. Sztywna konstrukcja.

6. Sterowanie według prognozy, liniowe,

analogowe.

7. Precyzja przez małe tolerancje.

8. Wielko

ci niemierzalne zmieniaj

dowolnie.

9. Proste monitorowanie.

10. Zdolno

ci ustalone, niezmienne.

Integracja przez przetwarzanie informacji

5. Elastyczna konstrukcja z tłumieniem elektronicznym.

6. Sterowanie według sprz

ęŜ

enia zwrotnego, nieliniowe,

cyfrowe.

7. Precyzja przez pomiary i sterowanie ze sprz

ęŜ

eniem

zwrotnym.

8. Sterowanie oszacowanymi wielko

ciami niemierzalnymi.

9. Nadzór z diagnostyk

uszkodze

10. Zdolno

ść

uczenia si

Mechatroniczny sposób post

powania podczas

rozwoju maszyn

Konwencjonalny sposób post

powania

Konwencjonalny sposób post

powania

Mechatroniczny

sposób post

powania

sposób post

powania

Konstrukcja

mechaniczna

Konstrukcja

elektryczna

Prototyp

Zmiany w

prototypie

Wynik

Faza testowania

Układy

mechaniczne,

elektryczne i

sterowanie

Wirtualna

maszyna

Prototyp

= wynik

Skrócenie

Time to market

Symulacja/ faza

testowania

Interdyscyplinarne

projektowanie

Szybsze wytworzenie maszyny i szybsze jej wprowadzenie na rynek dzi

ki zastosowaniu

Virtual Prototyping

Etapy projektowania mechatronicznego

12.

11.

10.

etapu

Komponenty, cały system

Weryfikacja eksperymentalna

Modelowanie, identyfikacja, symulacja (równie

hardware-in-the

loop), optymalizacja (CAD) funkcji

Zastosowanie szczególnych

narz

dzi projektowania

Wczesne rozpoznawanie uszkodze

, redundancja, fail-safe,

rekonfiguracja

Podniesienie niezawodno

i bezpiecze

stwa

Kinematyka, nap

dy zdecentralizowane, bez linearyzacji, bez

pami

ci po

redniej

Uproszczenie konstrukcji

podstawowej

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

ci niemierzalne,

e zakresy pracy przez algorytmy adaptacyjne, wła

ciwo

ucz

ce, diagnoza uszkodze

Funkcjonalna integracja procesu i
elektroniki przez przetwarzanie informacji

zadania, wymagania, koncepcja rozwi

zania, struktura

oprogramowania, implementacja (kodowanie),walidacja, j

zyk

(zale

ny od procesora), zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym

Oprogramowanie

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

Architektura sprz

tu komputerowego

posta

konwencjonalna, nowe mo

liwo

Obsługa, interfejsy człowiek-

maszyna

sterowanie, regulacja, nadzór, koordynacja, optymalizacja

Podstawowe funkcje przetwarzania
informacji

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

Sensoryka, aktuatoryka, energia
pomocnicza

przetwarzanie procesowe, przetwarzanie informacji

Pierwszy podział na funkcje podstawowe

mechanika, elektrotechnika, termodynamika

Pierwsza podstawowa konstrukcja procesu

Tre

ść

etapu, przykłady

Nazwa etapu

Etapy 1 – 3 rozwoju systemu mechatronicznego

Etapy 1 i 2:

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

realizowany w projektowanym systemie mechatronicznym,

wychodzi zwykle ze znanych rozwi

podprocesu mechanicznego i zwi

zanych z nim podprocesów elektrycznych,

termodynamicznych czy chemicznych. Z tym wi

ąŜ

e si

równie

pierwszy podział funkcji podstawowych mi

dzy

przetwarzanie procesowe i przetwarzanie informacji. Oznacza to,

e nale

y rozwa

w „sensie mechatronicznym”, jakie

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

na zrealizowa

pro

ciej, lepiej lub taniej

na drodze cyfrowo-elektronicznej.

Etap 3:

Etap 3: Wybór sensoryki, aktuatoryki i energii pomocniczej
Istotn

rol

podczas podziału na funkcje podstawowe odgrywaj

zastosowane sensory (a przez to technika pomiarowa) i

aktuatory oraz przynale

na energia pomocnicza, jako interfejsy mi

dzy procesem i elektronik

. Rozpatruje si

przy tym czy

przez uzupełnienie wielko

ci pomiarowych i nastawczych mo

na dodatkowo wpływa

na proces w celu, np. zwi

kszenia

wydajno

ci czy niezawodno

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

ksz

liczb

sensorów czy aktuatorów zwi

ksza liczb

stopni swobody, a przez to elastyczno

ść

i zdolno

ść

dopasowywania si

pierwotnej konstrukcji podstawowej. Wybieraj

c sensory dla mierzonych wielko

ci elektrycznych (np. napi

cie, pr

nat

ęŜ

enie pola) i wielko

ci mechanicznych (np. droga, pr

dko

ść

, przyspieszenie, siła, moment obrotowy, ci

nienie) oraz

termicznych (np. temperatura), rozpatruje si

rzecz z wielu punktów widzenia. W tym kontek

cie szczególne znaczenie w

systemach mechatronicznych maj

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

ść

, funkcjonalno

ść

mechaniczna i termiczna, niewielkie zu

ycie, bezdotykowo

ść

, miniaturyzacja i łatwe przej

cie do cyfrowego przetwarzania

sygnałów. Interesuj

ca jest równie

integracja funkcji sensorycznych i przetwarzania sygnału w jednym wspólnym no

niku

sygnału. Mo

e to zwi

kszy

niezawodno

ść

, umo

liwi

bezpo

rednie przej

cie do sygnałów cyfrowych lub magistral

systemowych oraz pomóc przeprowadzi

(zdecentralizowane) przetwarzanie sygnału, np. filtrowanie, linearyzacj

, korekcj

wielko

ci zakłócaj

cych („inteligentne” komponenty sensora). Okre

lone z przetwarzania informacji wielko

ci nastawcze

maj

niewielk

energi

i dlatego s

one przetwarzane przez aktuatory w strumienie energii procesowej. Istotnymi

elementami konstrukcyjnymi s

: nap

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

postaci mocy pomocniczej – elektrycznej, pneumatycznej lub hydraulicznej. Wa

na jest tutaj konstrukcyjna integracja

aktuatorów z procesem. Ich obszary zastosowania wynikaj

z wielu wła

ciwo

ci, np. z rodzaju energii pomocniczej,

liniowo

ci lub nieliniowo

ci charakterystyk, dynamiki, translacyjnej lub rotacyjnej wielko

ci wyj

ciowej, proporcjonalnej lub

całkowej charakterystyki, siły nastawiania, drogi nastawiania, szybko

ci nastawiania, stosunku mocy do ci

ęŜ

aru. Przez

oparte na modelu przetwarzanie informacji mo

na skompensowa

niektóre negatywne cechy w postaci regulacji cyfrowej i

implementowa

wczesne rozpoznawanie uszkodze

Etap 4:

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

ci mierzonych i nastawianych mo

na ustali

podstawowe funkcje przetwarzania

informacji. Na najni

szym poziomie jest to sterowanie i regulacja, na

rednim – nadzór z wczesnym rozpoznawaniem

bł

dów i ewentualnie diagnoz

bł

dów, a na wy

szych poziomach – ogólne zarz

dzanie procesem np. z zadaniami

koordynacji, optymalizacji ró

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

algorytmów potrzebna jest obszerna wiedza o procesie. Istotne s

tutaj te statyczne i dynamiczne charakterystyki

procesu, na które mo

na wpływa

konstrukcyjnie. Przez korzystne konstrukcyjne ukształtowanie procesu mo

na silnie

wpływa

na osi

galn

jako

ść

sterowania, regulacji, optymalizacji itd. Czyni si

to najlepiej przez teoretyczne modelowanie

komponentów. Przetwarzanie informacji w systemach mechatronicznych jest bardzo ró

norodne.

Etap 5:

Etap 5: Ustalenie interfejsu człowiek-maszyna HMI
Powstaje równie

wiele nowych mo

liwo

ci dla sposobu obsługi i ukształtowania interfejsu mi

dzy człowiekiem i maszyn

Dotyczy to np. przedstawienia informacji w postaci wła

ciwie ukształtowanych wy

wietlaczy lub ekranów oraz

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

ąŜ

ki czy pedały.

Etap 6:

Etap 6: Wybór architektury sprz

tu komputerowego

Architektura sprz

tu komputerowego charakteryzuje si

wieloma mo

liwo

ciami wynikaj

cymi z rozwoju mikroelektroniki.

W przypadku mniejszych systemów mechatronicznych w gr

wchodz

głównie procesory standardowe lub specjalizowane

układy przeł

czaj

ce. W realizacjach ze sprz

tem standardowym preferuje si

mikroprocesory, bo s

one uniwersalne i

elastyczne w stosowaniu. W poł

czeniu z takimi modułami zewn

trznymi, jak moduł pami

ci RAM/ROM, sterowniki

(kontrolery) urz

dze

peryferyjnych, moduły do wysterowania, rejestratory warto

ci pomiarowych oraz koprocesory

arytmetyczne, powstaj

odpowiednie karty komputerowe dopasowane do problemu. Komponentami specjalnie

zaprojektowanymi dla przetwarzania danych w czasie rzeczywistym s

tzw. mikrokontrolery, w których wszystkie wa

elementy s

zintegrowane w jednym chipie. Specjaln

architektur

do maksymalnego przepływu danych podczas działa

arytmetycznych maj

tzw. procesory sygnałowe DSP, które wymagaj

jednak dodatkowego interfejsu procesowego. Obok

procesorów standardowych coraz wi

ksz

rol

odgrywaj

układy przeł

czaj

ce projektowane dla konkretnych zastosowa

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

pełne systemy mikrokomputerowe, dopasowane do danego

problemu. Rozró

nia si

tu programowalne urz

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

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

rednich serii i tzw. custom-devices dla du

ych serii produktu. Elementy

mikroelektroniczne, naniesione bezpo

rednio na systemy mechaniczne, podlegaj

wysokim obci

ąŜ

eniom mechanicznym i

cieplnym, a mog

tak

e zabrudzone przez kurz, wod

, olej. Dlatego decyduj

ce znaczenie ma mechaniczne

powi

zanie tych elementów z systemem. W wi

kszych systemach mechatronicznych stosowane s

architektury

podzielone hierarchicznie z komponentami mikroelektroniki powi

zanymi odpowiednimi systemami magistral.

Etapy 4 – 6 rozwoju systemu mechatronicznego

Etap 7:

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

ynierii oprogramowania. Rozró

nia si

przy

tym in

ynieri

wymaga

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

: postawienie zadania,

wymagania i zorientowana na zastosowanie koncepcja rozwi

zania; sporz

dzenie struktury oprogramowania

wraz z ustaleniem j

zyka (zale

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

Etap 8:

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

y rozró

nia

integracj

hardware’ow

(z punktu

widzenia sprz

tu komputerowego), integracj

konstrukcyjn

komponentów oraz integracj

software’ow

(przetwarzanie informacji). Po przej

ciu przez etapy 2-7 nale

y tutaj jeszcze raz rozpatrzy

system jako cało

ść

podział funkcji mi

dzy proces i przetwarzanie informacji oraz, ewentualnie, dokona

modyfikacji w cyklu

iteracyjnym. Typowymi mechatronicznymi punktami widzenia s

przy tym np. tłumienie elektroniczne, linearyzacja

przez algorytmy, wpływanie na wielko

ci niemierzalne, wła

ciwo

ci ucz

ce itp.

Etap 9:

Etap 9: Uproszczenie konstrukcji podstawowej
Nale

y teraz sprawdzi

, czy mo

na upro

konstrukcj

podstawow

? Na przykład jej kinematyk

(przez

zdecentralizowane, oddzielne silniki nap

dowe, przez odrzucenie liniowych przekładni mechanicznych) i

kompensacj

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

usuni

cie mechanicznych członów tłumienia lub pami

ci po

redniej i tłumienia na drodze elektronicznej oraz

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

Etap 10:

Etap 10: Podniesienie niezawodno

ci i bezpiecze

stwa

Z powodu rosn

cego obszaru funkcji, spełnianych w systemach mechatronicznych przez sensoryk

mikroelektronik

i aktuatoryk

, coraz wi

ksze znaczenie ma niezawodno

ść

i bezpiecze

stwo. Zaczyna si

to z

reguły od metod wczesnego rozpoznawania uszkodze

we wszystkich komponentach, szczególnie cz

ęś

ciach

elektronicznych. Niezawodno

ść

, ogólnie bior

c, mo

na poprawi

dwoma przedsi

wzi

ciami: perfekcj

tolerancj

. Perfekcja polega na unikaniu uszkodze

i awarii przez odpowiednie rozplanowanie, wysok

jako

ść

mniej poł

cze

kablowych, sprawdzanie itd. Tolerancja powinna chroni

przed skutkami bł

dów i awarii. Do tego

na zastosowa

ró

ne zasady redundancji (nadmiarowo

ci) w celu tolerowania uszkodze

, np. w sprz

cie

komputerowym przez redundancj

statyczn

, dynamicznie pasywn

czy dynamicznie aktywn

. Celem takiego

działania jest utrzymanie pracy systemu lub osi

gni

cie bezpiecznego stanu procesu. Do tego mog

słu

równie

przedsi

wzi

cia rekonfiguracyjne, a wi

c np. zmiany struktury w przypadku pracy awaryjnej.

Etapy 7 – 10 rozwoju systemu mechatronicznego

Etapy 11 – 12 rozwoju systemu mechatronicznego

Etap 11:

Etap 11: Dopasowanie komponentów przez specjalistyczne narz

dzia

projektowania

Systematyczne, wzajemnie zgrane projektowanie wszystkich komponentów
systemu mechatronicznego ułatwiaj

specjalistyczne narz

dzia projektowania.

Dotyczy to szczególnie równoległego (współbie

nego) w czasie opracowywania

komponentów. Mo

na przy tym zastosowa

np. nast

puj

ce systemy

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

Etap 12:

Etap 12: Eksperymentalna weryfikacja systemu

Eksperymentalna weryfikacja systemu mechatronicznego dotyczy zarówno
sprawdzenia funkcji oraz niezawodno

ci i bezpiecze

stwa za pomoc

sprawdzonych metod badania jako

ci. Cz

sto stosuje si

do tego celu

stanowiska badawcze, a tak

e przebiegi próbne w normalnej eksploatacji.

Szczególnie wa

na jest tutaj wspomagana komputerowo technika bada

eksperymentalnych.

Rozwój dowolnego systemu mechatronicznego mo

na rozpatrywa

jako proces zawieraj

cy nast

puj

ce fazy:

1. Okre

lenie zapotrzebowania – proces rozwoju rozpoczyna si

od rozpoznania mo

liwego zapotrzebowanie

na wyroby ze strony kupuj

cego lub klienta. Mo

e si

to odbywa

np. przez badania rynkowe w celu

stwierdzenia wymaga

potencjalnych klientów.

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

liwo

ci postawienia zada

, tj. ich analiz

. Chodzi przy tym o wa

faz

, poniewa

gdy problem nie

zostanie dokładnie zdefiniowany to działania, które b

nast

pnie prowadzone spowoduj

poniesienie

niepotrzebnych nakładów (czasu i kosztów).

3. Utworzenie specyfikacji – po przeprowadzeniu analizy mo

na sporz

dzi

specyfikacj

wymaga

W specyfikacji sformułowany jest problem, uwzgl

dnione ograniczenia dotycz

ce jego rozwi

zania oraz

wymienione kryteria, które nale

y wzi

ąć

pod uwag

przy ocenie jako

ci koncepcji rozwi

zania. Razem z

postawieniem zadania powinny by

równie

wyspecyfikowane wszystkie wymagane funkcje systemu oraz

Ŝą

dane własno

ci. Mog

to by

np. dane dotycz

ce wymaganej masy, wymiarów (gabarytów), typów i

wymaganego zakresu ruchów oraz dokładno

ci, wymaga

ęś

ci (zespołów) składowych, interfejsów,

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

powania.

4. Pokazanie mo

liwo

ci rozwi

zania – ta faza jest cz

sto nazywana faz

konceptualn

. Tworzone s

szkicowe rozwi

zania, które s

wystarczaj

ce do tego,

eby pokaza

liwo

ci uzyskania wymaganych

funkcji, np. przybli

one wielko

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

poszukiwanie

odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób podobne zadania zostały wcze

niej rozwi

zane.

5. Wybór odpowiedniego rozwi

zania – oceniane s

ró

ne mo

liwo

ci rozwi

i wybierane z nich najlepsze

rozwi

zanie.

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

e to

tak

e wymaga

wytworzenia modeli lub prototypów, aby okre

optymalne szczegóły rozwi

zania.

7. Wykonanie dokumentacji wytwórczej – z wybranego projektu jest nast

pnie wykonywana dokumentacja

zwi

zana z wytwarzaniem (np. rysunki wykonawcze cz

ęś

ci), schematy układów itp., która stanowi podstaw

wytwarzania systemu mechatronicznego.

Fazy procesu rozwoju wyrobów

Projektowanie systemu mechatronicznego jest zło

onym procesem z interakcjami pomi

dzy

wieloma obszarami i dziedzinami. Rozpatruje si

podstaw

budowy i działania wyrobów

mechatronicznych jako powi

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

łazienkowa mo

e by

zbudowana na zasadzie

ciskania spr

ęŜ

yny z mechanizmem do

przetwarzania ruchu w obrót wałka i wynikaj

cego z tego ruchu wskazówki na skali pomiarowej.

Problemem, który musi by

uwzgl

dniony podczas rozwoju wagi jest to,

e wskazywany ci

ęŜ

nie mo

e zale

od pozycji człowieka na wadze. Przy pomocy mechatroniki mo

na wzi

ąć

pod

uwag

inne mo

liwo

ci budowy wagi łazienkowej. I tak np. spr

ęŜ

yny mo

na zast

elementami

czujnikowymi z tensometrami. Sygnały wielko

ci wyj

ciowych z mostka tensometrycznego za

pomoc

mikroprocesora mog

wskazywa

ęŜ

ar na wy

wietlaczu ciekłokrystalicznym LCD.

Dzi

ki temu zbudowane w taki sposób wagi s

prostsze pod wzgl

dem mechanicznym, gdy

zawieraj

one mniej zespołów i ruchomych cz

ęś

ci. Zło

one zadania s

przy tym przenoszone na

oprogramowanie.

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

eli zmienia si

temperatura w

mieszkaniu, to zmienia si

tak

e odkształcenie elementów bimetalicznych, które jest

wykorzystywane do uruchomienia wył

cznika instalacji grzewczej. Natomiast rozwi

zaniem

mechatronicznym tego problemu mogłoby by

zastosowanie sterowanego mikroprocesorowo

układu np. z termo-diod

jako sensorem. Taki system, w porównaniu z termostatem

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

nych temperatur

w ró

nych okresach czasu z takim czujnikiem jest zło

one i trudne w realizacji. System

mikroprocesorowy mo

e natomiast łatwo zapewni

dokładno

ść

i przebieg czasowy regulacji

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

Systemy konwencjonalne i mechatroniczne

Model post

powania / model procesu:

Model post

powania / model procesu:

model post

powania okre

la, w jaki sposób s

zorganizowane poszczególne fazy w procesie rozwoju,

przykłady:

- model kaskadowy (wodospadowy),

- model V,

- model spiralny,

- model prototypów,

- zunifikowany proces (ang. Unified Process),

- model pomocniczy.

Modele rozwoju oprogramowania

Model kaskadowy

da aktywno

ść

jest przeprowadzana w odpowiedniej kolejno

ci i

pełnym zakresie,

tle sprz

ęŜ

enia zwrotnego pomi

dzy stopniami:

- sprz

ęŜ

enia zwrotne s

ograniczone do okre

lonych stopni,

Wyniki uzyskane w jednej fazie maj

wpływ na nast

faz

(tak jak w

kaskadzie),

Zalety:

- jasne zadania dla ka

dej z faz,

- dokładne planowanie przy małych nakładach,

Wady:

- wymagania na pocz

tku s

sto bardzo niejasne

i niestabilne,

- powrót do wcze

niejszej fazy wi

ąŜ

e si

z du

ymi nakładami,

- problemy s

rozpoznawane z opó

nieniem

Wymagania systemowe

Wymagania oprogramowania

Analiza

Projektowanie

Kodowanie

Testowanie

Eksploatacja

Rozwój odbywa si

po spirali od

rodka na zewn

trz,

da spirala jest iteracyjnym,

ewolucyjnym cyklem z jednakowymi
fazami,

Cele cyklu oraz ocena ryzyka s

okre

lane z wyników ostatniego cyklu.

Zalety:

- minimalizacja ryzyka we wszystkich
fazach i dla wszystkich składników,

- model elastyczny: model post

powania

jest okre

lony oddzielnie dla ka

dego

cyklu i ka

dego składnika.

Wady:

- wysokie nakłady na zarz

dzanie,

poniewa

sto uzyskuje si

nowe

rozstrzygni

cia.

Model spiralny rozwoju oprogramowania

Analiza

Projekt

Zastosowanie

Realizacja

Historyczny rozwój metod programowania

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

Rok

Programowanie jako sztuka

Strukturalne/ zorientowane na funkcje

Zorientowane obiektowo

Oparte na komponentach

Zorientowane agentowo

Bastein?

Systematyczne

opracowywanie od nowa

Konfigurowanie Samoorganizacja

Metamodel komponentu mechatronicznego

Obiekt

mechatroniczny

Obiekt

mechatroniczny

Zespół

Obiekt

konstrukcyjny

Obiekt

konstrukcyjny

Pod-

zespół

Pod-

zespół

ęść

Materiał

Sygnał

Energia

Komponent

mechaniczny

Komponent

mechaniczny

Komponent

programowy

Komponent

programowy

Komponent

elektryczny

Komponent

elektryczny

Warstwa

Mecha-

nika

Mecha-

nika

Elektro-

nika

Elektro-

nika

Hydrau-

lika

Hydrau-

lika

Stero-

wanie

Stero-

wanie

Warstwa

komponentu

Warstwa

komponentu

Warstwa

funkcji

Warstwa

funkcji

Opis

funkcji

Opis

funkcji

opisuje

zawiera

jest

ma dost

p do

dost

p do

opisuje

implementuje