Rys historyczny

Mechatronika

Rewolucja przemysłowa

• Przewrót przemysłowy, całokształt przemian

technicznych, ekonomicznych i społecznych,

związanych z powstawaniem przemysłu fabrycznego i

nowoczesnej cywilizacji przemysłowej;

najwcześniej wystąpiła:

• w Anglii (1760–1830),

• w Królestwie Polskim ok. 1860;

U jej podstaw legły wynalazki techniczne związane z:

• wytopem żelaza przy użyciu węgla kamiennego,

• wynalezienie maszyny parowej,

Rozwój strategicznych

gałęzi

gospodarczych

• Parowej żeglugi śródlądowej (zapoczątkowana w USA)

i morskiej (napęd łopatkowy zastąpiony śrubą),

• Przemysłu stoczniowego (budowa statków wyłącznie o

konstrukcji stalowej od ok.1860r.),

• Otwarcie kanału Sueskiego – 17 listopada 1869r.

Rozwój strategicznych

gałęzi

gospodarczych

• Transportu kolejowego – rozwój dróg, budowa tuneli

i mostów,

Rozwój strategicznych

gałęzi

gospodarczych

Rozwój strategicznych

gałęzi

gospodarczych

• Kolej konna łącząca Linz z Czeskimi Budziejowicami – 1825r.

• Otwarcie linii kolejowej we Szwecji – 1864r.

• Rozwój przemysłu włókienniczego,

Rozwój strategicznych

gałęzi

gospodarczych

Fabryka tekstylna w Menchesterze

• Ciężkiego i lekkiego przemysłu metalowego,

Rozwój strategicznych

gałęzi

gospodarczych

Pokaz kultywatora – 1857r.

• Początki telekomunikacji (telegraf, telefon),

Rozwój strategicznych

gałęzi

gospodarczych

• Rozwój przemysłu papierniczego

Rozwój strategicznych

gałęzi

gospodarczych

Maszyna papiernicza w Filadelfii –

1876r.

• Początki przemysłu zegarmistrzowskiego -

(masowa produkcja zegarków kieszonkowych

od 1848 r.,

początek taniej mechaniki precyzyjnej),

• Początki przemysłu samochodowego – (silnik

spalinowy Benz i

Daimler – 1885 r.)

• Początki lotnictwa – (przelot na kanałem La Manche –

1909 r. Louis

Bleriot)

Rozwój strategicznych

gałęzi

gospodarczych

Strategiczne surowce

• Węgiel kamienny

Rok

Wielka

Brytan

Niemc

USA

Francj

Rosja

1870

125

1900

185

143

1913

292

277

517

Strategiczne surowce

• Nafta (w tysiącach beczek – 1 beczka =130kg)

Rok

USA

Rosja

Indie

Rumun

Meksyk

Persja

1870

5 261

204

1880

26 286

3 001

115

1890

45 824

23 691

383

1900

63 621

75 730

2 253

1 629

1910

209 577

70 337

11 031

9 724

3 634

1915

281 104

68 548

11 920

12 030

32 911

3 616

Strategiczne surowce

• Ruda żelaza ( w mln. ton)

Rok

Wielka

Niemc

USA

Francj

Rosja

1870

6,7

1,7

1,9

1,2

0,4

1890

8,0

4,7

9,4

2,0

0,1

1913

10,4

19,3

31,5

5,2

4,6

Strategiczne surowce

Rozwój gałęzi przemysłu skupionych

wokół

Górnictwa i Hutnictwa

Wiek XIX to okres promocji wszelkiego

rodzaju wynalazków

• Wiek XIX to okres Międzynarodowych Wystaw

Wynalazków

• 1851 – Londyn,

• 1855 – Paryż,

• 1862 – Londyn,

• 1867 – Paryż (wystawę zwiedziło ponad 11 mln

osób).

Wiek XIX to okres promocji wszelkiego

rodzaju wynalazków

Wiek XIX sprzyja

rozwojowi Inżynierii Mechanicznej

Wiek XIX i początek XX to lata

intensywnego rozwoju:

MECHANIKI

Inżynierii Mechanicznej

Druga połowa XX wieku to lata

intensywnego rozwoju

• ELEKTRYKI,

• ELEKTRONIKI,

• TELEKOMUNIKACJI,

• LOTNICTWA,

• INFORMATYKI,

• NUMERYCZNEJ TECHNIKI OBLICZENIOWEJ

Rewolucja INFORMACYJNA

Jak rysuje się dalszy postęp w

Mechanice?

• Postęp w Mechanice:

• mikroprocesory,
• komputery,
• zaawansowane oprzyrządowanie pomiarowe,
• ??

• czyli wprowadzanie elementów związanych z

inżynierią elektryczną, elektroniczną itd.

F-16

Magazyn

CHIP

04_2003

Wymagania stawiane współczesnym

inżynierom

• Ważne i potrzebne zadanie, wymóg – to umiejętność

łączenia różnych obszarów wiedzy z zakresu:

– budowy maszyn,
– sterowania,
– wibracji, akustyki,
– techniki mikroprocesorowej,
– obróbki sygnałów,
– gromadzenia i przetwarzania informacji

• W celu dostarczenia lub rozwiązania

interdyscyplinarnego Problemu Projektowego, który

łączy:

– mechanikę,
– elektronikę,
– sterowanie,
– i zintegrowane komputerowo systemy elektromechaniczne

Co zatem łączy wszystkie te dziedziny

wiedzy

PRODUKT

MOŻLIWIE DOSKONAŁY

J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and

Development Laboratories of the Swatch Group,

Switzerland

Zegarek bez bateryjki ?

Problem:

- dokładność odmierzania czasu,

- ograniczone źródła energii,

- częsta wymiana baterii może powodować utratę

wodoszczelności,

J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and

Development Laboratories of the Swatch Group,

Switzerland

Stare rozwiązanie:
- Ruch ręki źródłem energii,
Wada:
- czasami należy nakręcać i

korygować wskazanie,

Problem:
- duże gabaryty i duże masy,
Zaleta:
- bardzo duża trwałość

W rozwiązaniach klasycznych dokładność zegarka

można poprawić poprzez:

- Zastąpienie elementu rezonansowego, czyli sprężyny i

koła zamachowego układami:

- rezonatora kwarcowego, silnikiem skokowym i baterią

zasilającą,

- rezonatorem kwarcowym i mikrogeneratorem (brak baterii)

J-J Born, R. Dinger,

P-A Farine.

Research and

Development

Laboratories of

the Swatch Group,

Switzerland

Zegarek bez bateryjki ?

Funkcje mikrogeneratora:
- Wytwarzanie energii do zasilania układu rezonatora i

układów elektronicznych,

- Napięcie indukowane (częstotliwość) jest informacją ot

tym, czy zegarek się spieszy czy spóźnia,

- Regulacja prędkości zębatek,

Zegarek bez bateryjki ?

Budowa mikrogeneratora:
- Brak ferromagnetyka w obwodzie

magnetycznym (stale niemagnetyczne

na konstrukcję nośną),

- Wirnik zawiera 6 magnesów trwałych

(Samar-Kobalt),

- Stojan zawiera 3 bezrdzeniowe cewki

(umocowane na płytce wraz z innymi

elementami elektronicznymi),

J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and Development Laboratories of the Swatch Group,

Switzerland

Zegarek bez bateryjki ?

Dane elektryczne mikrogeneratora:
- 3500 zwoi na 1 cewkę,
- Amplituda napięcia indukowanego:

- Stała elektromagnetyczna =17,5

mVs/rad,

- Moc mikrogeneratora P=480nW,
- Amplituda napięcia indukowanego przy

7,11 obr./s U

=1,56V,

J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and Development Laboratories of the Swatch Group,

Switzerland













Zegarek bez bateryjki ?

Schemat blokowy mechanizmu zegarka z

mikrogeneratorem i z układem sterowania

J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and Development Laboratories of the Swatch Group,

Switzerland

Technologia HCMOS –

1,9 um

3600 tranzystorów / 4,5

Prąd pobierany 180

nA/1,3V

Względny błąd czasu

J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and Development Laboratories of the Swatch Group,

Switzerland

Jak nazwać dziedzinę inżynierii łączącą

te różne nauki?

• Pan Ko Kikuchi – prezes Yasakawa Electric Co w Tokio

zaproponował termin

MECHA+TRONIKA

MECHAnika + elekTRONIKA

Mechatronika jest drogą projektowania produktów

elektromechanicznych z zapewnieniem optymalnych ich

osiągów i podnosząca wartość układów mechanicznych

przez zastosowanie mikroelektroniki i techniki

komputerowej

Transformacja Mechatroniki w

dyscyplinę uniwersytecką

lata 70

(XX wieku)

Japonia, Europa, USA

• Mechatronika to nowa zintegrowana technologia

podwyższająca wartość ukł. mechanicznych przez
zastosowanie mikroelektroniki i techniki komputerowej

• Mechatronika jest pomocniczą dyscypliną związaną z

projektowaniem, wytwarzaniem i operacjami
czyniącymi maszyny inteligentne w działaniu,

Ostatecznie komitet techniczny

Międzynarodowej Federacji Teorii

Maszyn i Mechanizmów opracował

definicję:

• Mechatronika jest synergiczną kombinacją inżynierii

mechanizmów precyzyjnych, elektronicznego
sterowania i myślenia systemowego w projektowaniu,
procesie produkcji - wytwarzaniu.

• Mechatronika jest właściwie połączeniem mechaniki,

elektroniki i elektromagnetyzmu stosowanego w maszynach
i systemach, które nie mogą istnieć i pracować bez
wewnętrznego sprzężenia elektronicznego i
elektromagnetycznego.

2.737 Mechatronics

Dept. of Mechanical Engineering, MIT

Course Overview

This course teaches the design of mechatronic systems which
integrate mechanical, electrical, and control systems
engineering. A computer hard disk drive is an example of a
complex mechatronic system discussed in the class. Laboratories
form the core of the course. They cover topics such as aliasing,
quantization, electronic feedback, power amplifiers, digital logic,
encoder interfacing, and motor control. The labs make extensive
use of Simulink, a Matlab toolbox which allows for graphical
simulation and programming of real-time control systems. The
new lab facilities feature dSPACE digital signal processors which
are programmed through Simulink. Each student builds circuits
on a breadboard kit (shown above) which is issued to them.

Mechatronika w Medycynie

Mechatroniczne Trendy

• Aktuatory
• Ciecze magnetyczne
• Łożyska magnetyczne – lewitacja

magnetyczna

• Materiały z pamięcią kształtu
• MEMS

Aktuatory

• Z silnikami o kilku stopniach swobody

ruchu i nietypowych konstrukcjach

• Z przetwornikami piezoelektrycznymi

• Z przetwornikami elektrostatycznymi

Silniki o nietypowych

konstrukcjach

Silniki o nietypowych

konstrukcjach

Silniki o nietypowych

konstrukcjach

Piezoelektryki

MEMS

Micro-Electro-Mechanical System

MEMS

Micro-Electro-Mechanical System

Aktuatory elektrostatyczne

Łożyska magnetyczne

Electro-Mechanical Systems

•

Mechanics-Electronics-Controltechnology

•

Mechanics-Electronics-Informationtechnology

1970

1980

1990

2000

Microprocessor Microcomputer

LED

Fotodiode/Fototransistor

Electronics

Controltheory

Methods of Design

Optical Fibres

Signalprocessor

Fault Detection
Systems for Diagnosis

Laserdiode

Fuzzy Control

Smart Sensor

Local Networks

Sensors / Actuators

Microsystems

Simulation of Circuits / Layout

Digital Control
Discrete Systems

Workstation / PC

CAD

Internet

Neuronal Nets

Smart Card

Informationtechnics

Soft Computer Skills

Nanosystems

Wireless Communication

Optical Datatransmission

New Storage Elements

2000

1990

1980

1970

•

Tematyka Wykładów z Mechatroniki

• Definicja urządzenia mechatronicznego. System

mechatroniczny: analiza, projektowanie i przykłady.

• Metody modelowania systemów mechatronicznych.

• Budowa dysku twardego HDD.

• Drgania w dyskach twardych HDD. Powierzchniowa

gęstość zapisu danych: szerokości ścieżek a

długość bitu i ich skutki, co do wymagań

stawianych napędom talerzy i napędom głowic.

Drgania własne elementów konstrukcyjnych

dysków twardych, drgania talerzy a błędy

pozycjonowania głowic.

• Silniki wrzecionowe. Silniki VCM.
• Aktuatory głowic.
• Układy zasilania i sterowania silnikami

wrzecionowymi i VCM.

• Dodatkowe przetworniki napędzające głowice:

przetworniki elektrostatyczne, piezoelektryczne i

elektromagnetyczne.

• Przetworniki elektrostatyczne grzebieniowe.
• Przetworniki piezoelektryczne pochylające się.

Modele matematyczne przetworników

piezoelektrycznych.

• Łożyska kulkowe w dyskach twardych. Łożyska

hydrodynamiczne.

• Zjawiska aerodynamiczne w dyskach twardych

HDD, plater talerzy, poduszka powietrzna pod

ślizgaczem głowic HDD.

Tematyka Wykładów z

Mechatroniki

• Rozwiązania układowe ślizgaczy.

• Metody diagnostyki drganiowej dysków twardych.

• Mikrosystemy MEMS. Technologie wykonania

mikrosystemów MEMS. Obszary zastosowań
mikrosystemów: optyka, medycyna, czujniki
pomiarowe, mikrozawory, przełączniki wiązki
świetlnej w technice światłowodowej, czujniki
przyśpieszeń.

Tematyka Wykładów z

Mechatroniki

• Ciecze magnetyczne. Klasyfikacja i

charakterystyka. Przegląd zastosowań (hamulce,

sprzęgła, tłumiki, zawory). Analiza dynamiki

przetworników metodami polowo-obwodowymi.

• Materiały z pamięcią kształtu - rys historyczny.

Stopy z pamięcią kształtu (SMA). Przegląd

stopów z pamięcią kształtu, własności stopu NiTi.

• Łożyska magnetyczne. Zasada działania.

Klasyfikacja. Aktywna lewitacja magnetyczna.

Konstrukcja i sterowanie.

Tematyka Wykładów z

Mechatroniki

•

Analiza porównawcza drgań dysków twardych HDD starej i

nowej generacji.

•

Wyznaczanie parametrów silnika VCM napędzającego głowice

w HDD.

•

Badanie silnika wrzecionowego napędzającego talerze w dysku

twardym.

•

Modelowanie matematyczne i symulacje układu serwonapędu

głowic w HDD.

•

Wyznaczanie współczynników tłumienia łożysk stosowanych w

dyskach twardych HDD.

•

Wyznaczanie parametrów silników wrzecionowych SM.

•

Badania mikroaktuatora piezoelektrycznego napędzającego

zawieszenie głowic w HDD.

•

Badanie tłumika liniowego z cieczą magnetyczną.

•

Badanie hamulca obrotowego z cieczą magnetyczną.

•

Modelowanie matematyczne układów elektromechanicznych i

ich symulacja komputerowa.

•

Badania drgań własnych układu elektromechanicznego

złożonego z elektromagnesu, sprężyny liniowej i masy.

•

Badania drgań własnych układu elektromechanicznego

złożonego z elektromagnesu, sprężyny wykonanej z materiału z

pamięcią kształtu i masy.

Tematyka Laboratorium z

Mechatroniki

Warunki Zaliczenia

sem.

ECT

VII

VIII

–

egza

min

Literatura

Praca zbiorowa: Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych.

WNT, Warszawa, 1996.

Tomaszewski K.: Roboty przemysłowe. Projektowanie układów

mechanicznych. WNT, Warszawa, 1993.

Denn K. Miau: Mechatronics – Electromechanics and

Contromechanics., Splinger Verlag,

Heimann B.,Gerth W., Popp K.: Mechatronika - komponenty, metody,

przykłady., PWN, 2001.

Trimmer W. S.: Mechatronics and Mems: Classic and Seminal Papers to

1990., ISDN 0-7803-1085-3, Wiley-IEEE Press, 1997.

INTERNET

Document Outline

Slide 1
Slide 2
Slide 3
Slide 4
Slide 5
Slide 6
Slide 7
Slide 8
Slide 9
Slide 10
Slide 11
Slide 12
Slide 13
Slide 14
Slide 15
Slide 16
Slide 17
Slide 18
Slide 19
Slide 20
Slide 21
Slide 22
Slide 23
Slide 24
Slide 25
Slide 26
Slide 27
Slide 28
Slide 29
Slide 30
Slide 31
Slide 32
Slide 33
Slide 34
Slide 35
Slide 36
Slide 37
Slide 38
Slide 39
Slide 40
Slide 41
Slide 42
Slide 43
Slide 44
Slide 45
Slide 46
Slide 47
Slide 48
Slide 49
Slide 50
Slide 51
Slide 52
Slide 53
Slide 54
Slide 55
Slide 56
Slide 57
Slide 58
Slide 59
Slide 60
Slide 61
Slide 62
Slide 63
Slide 64