MTR_2009_Wstep_do_mechatr_cz

Pocz

tki mechatroniki:

poj

cie (termin) mechatronika zostało po raz pierwszy u

yte w 1969 r. przez

japo

firm

Firma Yaskava Electric Cooperation,

od 1971 r. poj

cie „mechatronika” było chronione przez t

firm

jako nazwa

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

cie jak np. aparaty

fotograficzne z lustrzank

od1982 r. poj

cie mechatronika jest do swobodnego u

ytku.

Definicja poj

cia mechatroniki

Definicje mechatroniki
Układ (system) mechatroniczny stanowi wyrób ko

cowy procesu optymalizacji, który

musi uwzgl

dnia

ograniczenia ekonomiczne, mechaniczne, wytwórcze, elektryczne,

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

kombinacj

ynierii mechanicznej, in

ynierii

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

Jako system mechatroniczny okre

lany jest funkcjonalny i przestrzennie

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

informacje, układy mikroprocesorowe przetwarzaj

te informacje, a elementy

wykonawcze (aktuatory) w celowy sposób wytwarzaj

siły lub ruchy, które oddziałuj

na system lub jego otoczenie.

Definicja poj

cia mechatroniki

Mecha

nika

Elek

tron

ika

Informat

yka

Mecha tron ika

Jest to interdyscyplinarny

obszar, w którym
współpracuj

ze sob

nast

puj

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

ynieria

oprogramowania, sztuczna
inteligencja).

Regulator Watta do maszyny parowej jest przykładem urz

dzenia, w którym funkcje ustawiania warto

ci zadanej,

pomiaru wielko

ci regulowanej i porównania jej z warto

zadan

(przetwarzanie informacji) oraz sterowanie s

realizowane w cało

ci na drodze mechanicznej. Urz

dzenia mechaniczne, które maj

znaczn

ilo

ść

ęś

ruchomych s

kosztowne i kłopotliwe w eksploatacji, a wzrost liczby cz

ęś

ci mechanicznych pogarsza ich

niezawodno

ść

. Alternatyw

dla takich urz

dze

systemy mechatroniczne, w których przetwarzanie informacji i

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

czenia cz

ęś

ci słów angielskich MECHAnism i elecTRONICS. Za dat

powstania słowa mechatronika mo

przyj

ąć

rok 1969, gdy w firmie Yasakawa Electronic z Japonii wszcz

to starania o uzyskanie mi

dzynarodowej

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

onych systemów” (nazwy mechatronika jeszcze nie

ywano) prowadzono ju

w latach siedemdziesi

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

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

du na sieciowe współdziałanie ró

nych dziedzin wiedzy odznaczaj

wysok

zło

ono

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

kszej liczby poł

czonych elementów,

które ponadto s

realizowane w ró

nych specjalno

ciach (heterogeniczno

ść

). Dlatego te

problematyka ta

powinna by

uwzgl

dniana ju

we wczesnych fazach projektowania wyrobów, poniewa

wzajemne

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

ci.

Rozwój wyrobów odbywał si

dotychczas najcz

ęś

ciej oddzielnie w poszczególnych dziedzinach na podstawie

przyj

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

lenia i do

wiadczenia.

Integracja heterogenicznych składników w układ mechatroniczny wymaga jednak wykraczaj

cej poza

dziedziny komunikacji i kooperacji uczestnicz

cych dyscyplin specjalistycznych, aby uzyska

wspólne

wyobra

enie przyszłego wyrobu i opracowa

zoptymalizowane rozwi

zanie. Wraz z rozwojem informatyki

powstało wiele narz

dzi IT (ang. Information Technology), które wspomagaj

projektowanie. Narz

dzia te

umo

liwiaj

wczesne modelowe odwzorowanie i symulacj

układów mechatronicznych.

Dotychczas nie ma jednak ogólnie akceptowanej, jednolitej definicji poj

cia „mechatronika”. Ponadto obserwuje

gły rozwój tego poj

cia przez rozszerzanie technologii.

W 1989 r. Schweitzer zdefiniował:

"Mechatronika jest interdyscyplinarn

dziedzin

nauk in

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

je w siły i ruchy.”

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

la si

jako mechatronik

. W 1996 r. Harashima, Tomizuka i Fukuda

rozszerzyli to poj

cie:

"[Mechatronika] ... jest synergiczn

integracj

ynierii mechanicznej z elektronik

i zaawansowanym

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

Mechatronika – poj

cia podstawowe

Dlatego mechatronika odnosi si

nie tylko do integracji funkcyjnej i modułowej, ale tak

e do

zintegrowanego projektowania oraz wytwarzania wyrobów mechatronicznych.

W 1996 r. Van Brussel zmodyfikował i podkre

lił ponaddyscyplinowy sposób post

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

zycznym wyst

puje nast

puj

ca definicja zaproponowana przez

Isermann’a: "Mechatronika jest interdyscyplinarn

dziedzin

, w której współdziałaj

nast

puj

ce dyscypliny: układy mechaniczne i poł

czone z nimi układy elektroniczne

oraz technika informatyczna. Układ mechaniczny jest przy tym dominuj

cy w

odniesieniu do funkcji. Oczekiwane s

efekty synergii, które wnosz

cej ni

czyste

sumowanie dyscyplin."

Rdzeniem nowoczesnego rozumienia mechatroniki jest zatem efekt synergiczny ró

nych

technologii. Rozstrzygaj

ce znaczenie maj

zatem nie poszczególne technologie, lecz ich

kombinacja, która umo

liwia to,

e układ optymalnie spełnia swoje zadanie lub mo

zrealizowa

nowe funkcjonalno

ci. Integracja technologii musi nast

na pocz

tku

rozwoju wyrobu w pierwszej fazie specyfikacji.

Najkrótsza i najcz

ęś

ciej u

ywana definicja - przyj

ta przez IFToMM

(

International Federation

for the Theory of Machines and Mechanism

)

- okre

la mechatronik

jako synergiczn

kombinacj

mechaniki precyzyjnej, elektronicznego sterowania i systemowego

lenia przy projektowaniu produktów i procesów produkcyjnych.

Mechatronika – poj

cia podstawowe c.d.

Obecnie przez mechatronik

rozumie si

działalno

ść

yniersk

obejmuj

projektowanie, badania oraz eksploatacj

maszyn i urz

dze

, w których

wyst

puje wysoki poziom integracji funkcjonalnej układów mechanicznych z

elektronik

i sterowaniem komputerowym. Mechatronika jest dziedzin

interdyscyplinarn

, ł

w sposób synergiczny wiedz

z klasycznej

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

Celem mechatroniki jest poprawianie (doskonalenie) funkcjonalno

systemów technicznych oraz tworzenie nowych koncepcji maszyn i urz

dze

z wbudowan

"sztuczn

inteligencj

W literaturze przedmiotu spotka si

wiele definicji mechatroniki. Prawie we

wszystkich z nich kładzie si

nacisk na funkcjonaln

integracj

mechanicznych układów wykonawczych z elektronik

i sterowaniem

komputerowym.

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

dzenia elektroniczne i systemy elektromechaniczne

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

Mechatronika – poj

cia podstawowe c.d.

Pod koniec lat siedemdziesi

tych XX w. dokonano w Japonii klasyfikacji

urz

dze

mechatronicznych na 4 grupy ró

ce si

stopniem integracji

podsystemów elektronicznych i mikroprocesorowych z mechanik

1. urz

dzenia mechaniczne uzupełnione o układy elektroniczne dla poprawy

ich funkcjonalno

ci,

2. znaczna poprawa funkcjonalno

ci urz

dze

mechanicznych (np. maszyny

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

3. całkowite zast

pienie mechanizmów wewn

trznych urz

dzenia przez

układ elektroniczny (np. zegarek cyfrowy),

4. synergiczna integracja elementów mechanicznych i elektronicznych (w

tym sterowania) w nowych jako

ciowo urz

dzeniach (np. kserokopiarka).

Synergia

to współdziałanie kilku czynników daj

ce ł

czny efekt

skuteczniejszy ni

suma ich oddzielnych działa

Obecnie przewa

a opinia,

e urz

dzenia mechatroniczne powinny w pełni

spełnia

warunki podane w punkcie (4). Oznacza to,

e mechatronika

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

Mechatronika – poj

cia podstawowe c.d.

Urz

dzenia mechatroniczne s

zintegrowanymi zespołami elementów składowych i

podzespołów spełniaj

cych ró

ne funkcje, działaj

cych na ró

nych zasadach

fizycznych i wykorzystuj

cych ró

ne zjawiska. Ich głównym zadaniem jest

czynno

ść

mechaniczna, a istot

jest mo

liwo

ść

reagowania na bod

zewn

trzne docieraj

ce do urz

dzenia poprzez system czujników. Pomi

dzy

sensorami (czujnikami) a elementami wykonawczymi, znajduj

układy

przetwarzania i analizy sygnałów, jak równie

element decyzyjny wyposa

ony w

odpowiedni program działania urz

dzenia.

Urz

dzenia mechatroniczne charakteryzuj

nast

puj

cymi cechami:

• multifunkcjonalno

, oznaczaj

łatwo

ść

realizacji ró

nych zada

przez jedno

urz

dzenie, np. przez zmian

oprogramowania;

• inteligencj

, oznaczaj

liwo

ść

podejmowania decyzji i komunikacji z

otoczeniem;

• elastyczno

, czyli łatwo

modyfikacji konstrukcji na etapie projektowania,

produkcji oraz eksploatacji urz

dzenia, np. przez zastosowanie konstrukcji

modułowej;

• mo

liwo

niewidocznego dla operatora sposobu działania, co wymaga

zastosowania interfejsu u

ytkownika dla komunikowania si

z operatorem;

• zale

od wymaga

rynkowych i mo

liwo

ci technologicznych wykonania.

Mechatronika – podstawy

Jednak najwa

niejszym aspektem mechatroniki jest to,

e maszyny i

urz

dzenia

mechatroniczne

wyrazem na

ladownictwa przyrody

(bionika). W otoczeniu naturalnym takie układy s

powszechne i

umo

liwiaj

funkcjonowanie istot

ywych w zmiennych warunkach

naturalnego

rodowiska.

Istotn

cech

urz

dze

mechatronicznych jest zdolno

ść

do wiernego

przetwarzania

przekazywania

informacji

formie

sygnałów

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

dze

Systemy mechatroniczne wyposa

one s

w czujniki zbieraj

ce sygnały ze

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

dzenia wykonawcze

oddziałuj

ce odpowiednio na otoczenie. Ich inteligencja polega na

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

Projektowanie urz

dze

mechatronicznych, ich budowa, u

ytkowanie,

analiza pracy i diagnostyka eksploatacyjna, wymagaj

specjalnego

podej

cia

metodycznego

systemowego,

niestosowanego

konwencjonalnych dziedzinach techniki, np. w mechanice.

Mechatronika – podstawy

Mechatronika jest synergicznym poł

czeniem mechaniki precyzyjnej, elektronicznych układów steruj

cych i

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

sama ani z automatyk

, ani robotyk

, czy te

automatyzacj

produkcji. Mechatronika

e by

uznana za nowoczesne uj

cie technik automatyzacji dla szeroko rozumianych potrzeb in

ynierii i

edukacji. Mo

na przyj

ąć

e mechatronika jest interdyscyplinarn

dziedzin

nauki i techniki zajmuj

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

e wiele obszarów para-

mechatronicznych, które tworz

fundament mechatroniki i pokrywaj

wiele znanych dyscyplin, takich jak:

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

Mechatronika zacz

ła si

dynamicznie rozwija

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

du na

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

wprowadza

w latach czterdziestych XX w., a urz

dzenia z tego okresu mo

na nazwa

pierwsz

generacj

mechatroniki. Rozwój informatyki od pocz

tku lat 70. XX w. spowodował,

e logiczne i decyzyjne

elementy elektroniczne zacz

to zast

powa

mikroprocesorami z odpowiednim oprogramowaniem. Etap ten

na uzna

za drug

generacj

mechatroniki. Lata 80. przyniosły dalszy jej rozwój, zmierzaj

cy w kierunku

uzyskania zintegrowanych elementów zapewniaj

cych funkcjonowanie skomplikowanych urz

dze

, maszyn i

systemów.

Zapocz

tkowało to rozwój mechatroniki trzeciej generacji, przedmiotem zainteresowania której s

urz

dzenia charakteryzuj

ce si

wielofunkcyjno

i du

Ŝą

zło

ono

konstrukcji. Uwa

a si

e pierwszym

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

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

Do podstawowych produktów mechatronicznych mo

na zaliczy

drukarki laserowe lub atramentowe,

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

ne systemy (np. przeciwblokuj

ce i przeciwpo

lizgowe) w technice

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

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

e maszyny rolnicze i

drogowe nowej generacji oraz wielkogabarytowe systemy i linie produkcyjne.

Mechatronika - podstawy

Mechatronika pozwala na uzyskanie o wiele wi

kszych efektów ani

eli konwencjonalnie

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

ęś

ciej dodatkowym uzupełnieniem biernych mechanicznych struktur za

pomoc

wspomaganych programowo i elektronicznie sterowanych (regulowanych) składników.

Systemy

mechatroniczne

pozostaj

pod silnym wpływem realizowanego od pocz

tku

interdyscyplinarnego projektowania, konstrukcji i rozwoju zło

onych urz

dze

, systemów i

instalacji. Dzi

ki temu uzyskuje si

całkowicie nowe, cz

ęś

ciowo nawet zaskakuj

ce mo

liwo

techniczne, umo

liwiaj

ce przesuni

cie funkcjonalno

ci z biernych struktur mechanicznych do

aktywnych,

sterowanych

programowo

elektronicznych

składników,

poł

czeniu

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

Przykładami systemów mechatronicznych w przemy

le samochodowym s

: elektroniczne

zarz

dzanie silnikiem, układ zapobiegaj

cy blokowaniu kół podczas hamowania (ABS), układ

przeciwdziałaj

cy po

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

Natomiast przykładami układów mechatronicznych w budowie maszyn i instalacji s

: pracuj

w znacznym stopniu autonomicznie roboty przemysłowe, urz

dzenia z samoczynnymi układami

mocowania, narz

dzia z samoczynnym, automatycznym nastawianiem oraz bezstykowo

regulowane ło

yska powietrzne i magnetyczne.

W przemy

le elektrotechnicznym, elektronicznym i komputerowym przykładami systemów

mechatronicznych s

: nowe generacje przyrz

dów pomiarowych, układy pomiarowe, czujniki,

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

Rozwój tego rodzaju nowoczesnych wyrobów wi

ąŜ

e si

realizacj

trudnych zada

o bardzo

wysokich wymaganiach dotycz

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

cia mechatronika

Klasyczna mechanika zajmuje si

problemem, jaki ruch wykonuje ciało, je

eli działa na nie

okre

lona siła w warunkach wyst

puj

cych wi

zów. Jednak obecnie, w odniesieniu do układów

sto rozpatruje si

odwrotne sformułowanie problemu, tzn. jaka siła musi działa

na ciało, aby

uzyska

okre

lony jego ruch tak

e w warunkach działania zakłóce

. Realizacja techniczna

takiego syntetycznego zadania wymaga wł

czenia do mechaniki tak

e innych dyscyplin takich

jak elektrotechnika, elektronika i informatyka.

Wszystkie definicje mechatroniki ł

czy to,

e okre

laj

jako interdyscyplinarny sposób

post

powania podczas rozwoju wyrobów oraz współdziałanie składników z poszczególnych

obszarów w celu uzyskania funkcjonalno

ci tych wyrobów. Je

eli jednak wcze

niej na plan

pierwszy wysuwał si

wyrób mechatroniczny, to obecnie z mechatronik

równie

zwi

zane

przebiegi i zale

ci wyst

puj

ce podczas rozwoju i produkcji systemów mechatronicznych.

Mechatronika stanowi nowy rodzaj my

lenia i działania, w którym wszystkie uczestnicz

dyscypliny musz

wspólnie rozpatrywane i traktowane. Jest to zatem wi

cej ni

tylko suma

tych obszarów.

na zatem sformułowa

jeszcze nast

puj

definicj

mechatroniki:

Mechatronika jest najwi

ksz

z mo

liwych integracj

mechaniki, elektrotechniki,

elektroniki i informatyki w jednym no

niku funkcji. Obejmuje to zarówno integracj

funkcyjn

, jak i sposób post

powania podczas rozwoju i produkcji wyrobów.

Integracja geometryczna nie jest

adnym koniecznym warunkiem mechatroniki. Pod poj

ciem

nika funkcji rozumie si

zamkni

ty układ (system), który nie musi by

koniecznie

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

kabla jest poł

czony z układem sterowania.

Co to jest mechatronika?

Pod poj

ciem mechatroniki rozumie si

interdyscyplinarny rozwój wyrobów, które

ukierunkowane mechanicznie zadania realizuj

przez wykorzystanie przestrzennej i

funkcjonalnej integracji składników mechanicznych, elektrycznych i informatycznych.

Wyroby mechatroniczne odznaczaj

uproszczon

konstrukcj

mechaniczn

dokładno

, zintegrowanym samo-nadzorowaniem i diagnostyk

bł

dów,

rozszerzonymi warunkami pracy oraz łatwiejsz

obsług

. Uzyskiwana w ten sposób

rozszerzona funkcjonalno

ść

wyrobów jest cz

sto rozstrzygaj

cym czynnikiem

przewagi konkurencyjnej na rynku.

Dzi

ki temu daj

wytwarza

w pełni nowe wyroby lub te

wyroby ze znacznie

ulepszonymi własno

ciami, np. w samochodach - systemy do kierowania,

hamowania i zarz

dzania silnikiem oraz do aktywnego zapewniania bezpiecze

stwa

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

dami

piezoelektrycznymi, odtwarzacze CD z ultraszybkimi jednostkami pozycjonuj

cymi, w

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

kształtu.

Wymagane kompetencje in

ynierów uczestnicz

cych w pracach nad rozwojem

wyrobów mechatronicznych, ze wzgl

du na pogł

biaj

specjalizacj

, wymagaj

podej

cia interdyscyplinarnego. Bardziej wskazana jest wiedza wykraczaj

ca poza

poszczególne obszary w postaci wspólnych podstaw, aby umo

liwi

synergiczn

(tzn.

korzystn

) współprac

specjalistów z ró

nych dziedzin dla zapewnienia optymalnego

ukształtowania wyrobu.

Pod poj

ciem „mechatronika” rozumie si

funkcjonaln

, a tak

e przestrzenn

integracj

składników

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

ci stanowi pomost pomi

dzy ró

nymi obszarami. Nowoczesne wyroby techniczne

składaj

bardzo cz

sto nie tylko ze składników czysto mechanicznych lub czysto elektrycznych/

elektronicznych. Wskutek tego problematyka mechatroniczna wyst

puje wsz

dzie tam, gdzie przez

odpowiednie poł

czenie metod/ narz

dzi poszczególnych dyscyplin mo

na uzyska

popraw

budowanych

systemów.

Wcze

niej elektronika pojawiała si

jako dodatek podczas wyposa

ania maszyn i instalacji i cz

sto słu

yła

ona tylko do zwi

kszenia wygody obsługi. Jednak takie podej

cie w ostatnich latach zostało ju

w znacznym

stopniu zarzucone. I tak np. wcze

niej w maszynach drukarskich nap

d i cykl pracy był realizowany w

sposób czysto mechaniczny za pomoc

wału głównego, przekładni i sprz

gieł. Natomiast obecnie elektronika

jest integraln

ęś

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

Najwi

ksza zaleta takiego rozwi

zania polega na tym,

e takie systemy s

sze, poniewa

ęś

mechaniczne mo

na zast

elektronik

, która jest ponadto bardziej niezawodna i lepsza w

piel

gnacji, gdy

jest ona odpowiednia do samonadzorowania, a tak

e dokładniejsza dzi

ki temu,

precyzj

uzyskuje si

nie przez stabilno

ść

mechaniczn

, a za pomoc

elektronicznych pomiarów i regulacji.

Obecnie na rynek wchodz

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

mercedes klasy S Coupé dysponuje aktywnym zawieszeniem, dzi

ki czemu komfort jazdy znacznie si

poprawił. Innymi przykładami systemów mechatronicznych s

: odtwarzacz CD, system ABS w samochodach,

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

t AGD jak pralka

automatyczna. Systemy mechatroniczne pozwalaj

na to,

e dzi

cisłej interakcji budowy maszyn,

elektrotechniki/ elektroniki i informatyki podczas projektowania, wytwarzania i piel

gnacji w nowoczesnych

maszynach (wyrobach) b

dzie mo

na wykorzysta

wiele efektów synergii. Wa

nym aspektem jest tak

miniaturyzacja wyrobów, dzi

ki czemu ci

gle coraz wi

cej funkcji i niezb

dnych do tego celu składników

na umie

wewn

trz małej obj

ci. System mechatroniczny zawiera zawsze składniki mechaniczne,

elementy elektroniczne w postaci standardowego sprz

tu, ł

cznie z sensorami i aktuatorami, modułami

regulacji wraz z przetwarzaniem informacji oraz odpowiednie oprogramowanie. Cało

ciowy sposób

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

Co to jest mechatronika?

Pierwotnie, tzn. na pocz

tku lat 70. XX w. termin mechatronika odnosił si

do kombinacji mechaniki i

elektroniki. Jednak wskutek rosn

cej integracji systemów wbudowanych ES (ang. Embedded Systems)

oprogramowanie stało si

dodatkowym no

nikiem funkcji, który umo

liwił uzyskanie w nowych wyrobach

prawie dowolnej funkcjonalno

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

mechatronika uzyskała strategiczne znaczenie w innowacyjno

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

wielostronne

Składy zespołów
zmieniaj

szybciej

Wska

niki innowacji

Czasy rozwoju

Czas

Układy mechatroniczne ł

elementy mechaniczne, nap

dowe, czujnikowe jak równie

pozostałe

składniki sprz

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

c poj

cie mechatroniki

e by

synonimem zaawansowanych jednostek funkcyjnych o wysokim stopniu integracji. Jednak

odpowiedzi na pytanie: „Jak szeroko powinno by

ujmowane poj

cie układ mechatroniczny?” - nie

jest prosto udzieli

. Czy układ nap

dowy składaj

cy si

z kombinacji takich urz

dze

jak np.: silnik,

prowadnice liniowe i wył

czniki kra

cowe jest ju

systemem mechatronicznym? Nale

ałoby na to

odpowiedzie

e nie. Dla układu mechatronicznego charakterystyczna powinna by

integracja funkcji

prowadz

ca do redukcji interfejsów u

ytkownika. Zatem poj

cie układ mechatroniczny daje si

ograniczy

do zwartych i zaawansowanych (inteligentnych) jednostek funkcyjnych.

Przykładem mechatronicznego modułu nap

dowego jest kompaktowa jednostka, w której zintegrowano

silnik, układ pomiaru poło

enia, przekładni

, elektronik

mocy oraz układ sterowania poło

eniem z

ró

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

norodne moduły nap

dowe

i regulacyjne tworz

idealne warunki do optymalnej realizacji ró

nych aplikacji. Pozwala to na

zmniejszenie kosztów, zwi

kszenie elastyczno

ci zastosowa

dzi

ki wi

kszej funkcjonalno

ci oraz

uproszczenie piel

gnacji. Mechatronika odpowiada trendowi wi

kszej integracji i efektywno

ci, przy

równoczesnej poprawie niezawodno

ci i zdolno

ci komunikacyjnej. Wszystkie te czynniki upraszczaj

wykorzystanie maszyn i instalacji.

Oczekiwania u

ytkowników ko

cowych dotycz

szczególnie wzrostu wydajno

ci i dokładno

ci,

zwi

kszenia elastyczno

ci, zmniejszenia zapotrzebowania na miejsce, a tak

e poprawy struktury

kosztów. Rozwi

zania mechatroniczne cz

sto tworz

tak

e baz

innowacyjn

dla technologicznego

rozwoju wyrobów zgodnie z oczekiwaniami klientów. Dzi

ki podej

ciu mechatronicznemu mo

liwe jest

równie

znaczne zredukowanie nakładów zwi

zanych z monta

em i okablowaniem, co powoduje

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

zania nap

dów zwi

kszaj

elastyczno

ść

, a cz

sto tak

e szybko

ść

(wydajno

ść

) produkcji. Przeprowadzane dotychczas tylko w sposób r

czny czynno

ci ustawiania i

justowania dzi

ki inteligentnym (zaawansowanym), kompaktowym nap

dom daje si

w prosty sposób

zautomatyzowa

Cechy układów mechatronicznych

Mechatronik to in

ynier poruszaj

cy si

w dziedzinie nauki i techniki zwi

zanej z wytwarzaniem

wyrobów, które stanowi

synergiczn

kombinacj

mechaniki precyzyjnej, elektronicznego

sterowania oraz systemowego my

lenia przy projektowaniu produktów i procesów

produkcyjnych. Mechatronika jest dziedzin

interdyscyplinarn

, bowiem oprócz mechaniki,

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

ynieria materiałowa,

optyka, a nawet bioin

ynieria.

Mechatronikowi niezb

dne s

predyspozycje ogólnoin

ynierskie - ciekawo

ść

zasady działania

wszelkich urz

dze

technicznych, szczególnie z zakresu automatyki. Musi on oczywi

cie

posiada

tak

e pewne uzdolnienia matematyczne oraz by

kreatywny technicznie. Musi te

otwarty na wiedz

interdyscyplinarn

- zna

na wielu dziedzinach: mechanice, elektronice,

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

ść

lenia globalnego,

cało

ciowego (pod k

tem wielu u

ytkowników danej konstrukcji). Wreszcie mechatronik musi

posiada

umiej

tno

ść

pracy zespołowej i koordynacji oraz kierowania zespołami in

ynierskimi.

Oznacza to tak

e umiej

tno

ść

łatwego nawi

zywania kontaktów mi

dzyludzkich.

Mechatronika jest jedn

z młodszych dziedzin nauki i techniki. Jej rozwój rozpocz

ł si

wła

ciwie

dopiero w latach 80. XX w. Wzrastaj

ce zapotrzebowanie na automatyzacj

procesów

produkcyjnych i powtarzalno

ść

procesów technologicznych spowodowały próby zast

pienia w

wielu dziedzinach r

k ludzkich maszynami i urz

dzeniami (np. roboty przemysłowe czy

obrabiarki sterowane numerycznie). Zacz

to wprowadza

tak

e manipulatory wielofunkcyjne,

programowalne roboty, specjalnie zaprojektowane urz

dzenia do przemieszczania cz

ęś

ci,

narz

dzi i innych materiałów. Odt

d tworzy si

dedykowane urz

dzenia o zaprogramowanym

ruchu, które wykonuj

okre

lone prace i s

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

sto koordynatorem, który współpracuje z ró

nymi specjalistami podczas realizacji

projektów dotycz

cych rozwoju wyrobów mechatronicznych. Przed in

ynierem mechatronikiem otwieraj

nast

puj

ce mo

liwo

ci działania:

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

kształtowane od

nowa, wzgl. istniej

ce ju

wyroby podlegaj

udoskonaleniu. Taka działalno

ść

wymaga pogł

bionej wiedzy

z nauk podstawowych.

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

dze

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

do uzyskania dojrzałego wyrobu.

Sprzeda

: dystrybucja i doradzanie techniczne klientom w zakresie komponentów mechatronicznych.

Eksploatacja: u

ytkowanie maszyn i instalacji, piel

gnacja i utrzymanie ruchu.

Monta

: składanie i uruchamianie maszyn i urz

dze

mechatronicznych ł

cznie z ich przekazaniem do

zleceniodawcy.

Nadzorowanie: np. zapewnienie bezpiecze

stwa pracy maszyn i instalacji. Kontrola i badania urz

dze

mechatronicznych itd.

Zawód in

yniera mechatronika daje zatem wiele mo

liwo

ci pracy i działa

. Wymaga to jednak ci

głego

nad

ąŜ

ania za rozwojem technicznym sprz

tu i oprogramowania, a tak

e metod i systemów

komputerowych wspomagaj

cych realizacj

projektów.

Zakres działania mechatronika

W wyniku kształcenia na kierunku Mechatronika absolwent politechniki powinien umie

• oblicza

parametry charakteryzuj

ce urz

dzenia i systemy mechatroniczne,

• wykonywa

pomiary wielko

ci elektrycznych i nieelektrycznych oraz interpretowa

ich

wyniki,

• instalowa

i obsługiwa

systemy sieciowe transmisji danych stosowane w mechatronice,

• projektowa

urz

dzenia i systemy mechatroniczne,

• programowa

urz

dzenia i systemy mechatroniczne,

• dozorowa

prac

maszyn, urz

dze

i systemów mechatronicznych oraz ocenia

ich stan

techniczny,

• prowadzi

dokumentacj

techniczn

, techniczno – ruchow

urz

dze

i systemów

mechatronicznych,

• przestrzega

przepisów bezpiecze

stwa i higieny pracy, ochrony przeciwpo

arowej oraz

ochrony

rodowiska,

• organizowa

stanowisko pracy zgodnie z wymaganiami ergonomii,

• stosowa

przepisy prawa w zakresie wykonywanych zada

zawodowych,

• komunikowa

w j

zyku obcym w zakresie wykonywanych zada

• korzysta

z ró

nych

ródeł informacji w celu doskonalenia si

i aktualizowania wiedzy

zawodowej.

Mechatronik – wiedza i umiej

tno

Mechatronika pojawiła si

równie

w naszym

yciu codziennym, np. w postaci

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

cych. Nast

piła tak

e szybka miniaturyzacja i zwi

kszenie

niezawodno

ci elementów elektronicznych - logicznych i decyzyjnych. Szybko zacz

je zast

powa

mikroprocesorami z odpowiednim oprogramowaniem. Był to pocz

tek

rozwoju zaawansowanych metod sterowania.

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

ksza mo

liwo

ci u

ytkowe mikroprocesorów. W wi

kszo

ci tych układów,

wykorzystuj

cych w ró

nym stopniu bazy danych, stosuje si

układy zaawansowanego

(inteligentnego) sterowania. Nawet w urz

dzeniach powszechnego u

ytku, takich jak

np. automatyczna pralka, instaluje si

układy oparte na metodach i technikach

sztucznej inteligencji. Wiele wyrafinowanych układów mechatronicznych znalazło tak

szerokie zastosowanie w przemy

le samochodowym. Systemy nawigacji, które tak

niedawno by

y rzadko

, obecnie instaluje si

w pojazdach seryjnych.

W niedalekiej przyszło

ci na pewno wprowadzone zostan

jeszcze „inteligentniejsze”

wyroby mechatroniczne, podnosz

ce komfort i bezpiecze

stwo pojazdów.

W latach 80. XX w. do mechatroniki wkroczyła tak

e optyka, w wyniku czego narodziła

optomechatronika, a w latach 90. wprowadzono technik

komunikacji, słu

Ŝą

czenia oddzielnych, konwencjonalnych układów. Wiele urz

dze

ma równie

liwo

ść

zdalnego sterowania, a rozpowszechnia si

mechatronika z sieciowym

sterowaniem komputerowym.

Rozwój mechatroniki

Konwencjonalny sposób post

powania podczas projektowania wyrobów odznacza si

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

pnie składniki elektryczne/ elektroniczne i ewentualnie oprogramowanie.

Rzeczywisty wyrób (maszyna, urz

dzenie) po zako

czeniu fazy projektowania jest

budowana jako prototyp i dopiero wtedy poddawana testom.

Natomiast cech

nowego (mechatronicznego) sposobu post

powania podczas rozwoju

np. maszyny jest to,

e od pocz

tku równolegle (współbie

nie) współpracuj

ze sob

projektanci zespołów mechanicznych i elektrycznych (elektronicznych), tworz

wirtualn

maszyn

przy wspomaganiu przez ekspertów od mechatroniki.

Testy wirtualnej maszyny s

zatem realizowane ju

na pocz

tku jej rozwoju. Dzi

równoległej (współbie

nej) pracy wspólnie uzyskiwany jest

Ŝą

dany wynik oraz wspólnie

ponosi si

odpowiedzialno

ść

Dalsz

cech

jest pewno

ść

e wyniki rozwoju mo

na zweryfikowa

za pomoc

symulacji, a wi

c jeszcze zanim maszyna zostanie rzeczywi

cie zbudowana.

Trzecim rozstrzygaj

cym aspektem zastosowania mechatronicznego podej

cia jest to,

e tego rodzaju nowe sposoby rozwoju s

zwi

zane ze znacznie ni

szymi kosztami i

szybszym wprowadzaniem wyrobów na rynek.

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

powinny by

uzyskane.

Wyra

zdefiniowanie

celu

jest

rozstrzygaj

dla

wła

ciwie

zorganizowanego przebiegu, aby przyj

ąć

wspóln

odpowiedzialno

ść

za post

p i wynik

prac konstrukcji mechanicznej i elektrycznej oraz oprogramowania.

Mechatroniczny rozwój wyrobów

Mechatronika - wprowadzenie

Czujniki

Aktuatory

Wielko

fizyczne

Wielko

mierzone

Struktura

mechaniczna

Wielko

ci nastawiaj

Przekładnie

prowadnice

Ruchy

Przetwarzanie wielko

mierzonych

Komputer

Jednostka mocy

Meldunki zwrotne

Siły

Ruchy

Otoczenie

(

rodowisko)

(

rodowisko)

Typowy układ
mechatroniczny
przyjmuje sygnały,
przetwarza je, a
nast

pnie

wyprowadza
sygnały, które s

przetwarzane np.
na siły i ruchy.

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

zania przyjmuj

sygnały ze swojego otoczenia, przetwarzaj

je i wykonuj

odpowiednie działania uzale

nione od zada

i sytuacji. Dzi

ki poł

czeniu

zawansowanych (inteligentnych) składników sprz

tu (hardware) i oprogramowania (software)

znacznej poprawie ulegaj

liwo

ci konwencjonalnych układów oraz staje si

liwa

realizacja w pełni nowych funkcji.

Stopie

integracji układów mechatronicznych jest cz

sto tak znaczny,

e pełn

funkcjonalno

ść

na uzyska

tylko przez perfekcyjne współdziałanie ró

nych składników. I tak np. wysokie

wymagania dotycz

ce dokładno

ci obróbki mechanicznej lub zautomatyzowanego monta

na efektywnie zrealizowa

dopiero wtedy, gdy niedokładno

ci mechaniczne zostan

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

redukcj

nakładów zwi

zanych z rozwojem i wytwarzaniem

maszyn.

Mechatronika

stanowi tutaj podstaw

zwi

kszonej funkcjonalno

ci i lepszej

produktywno

ci.

Ponadto mechatronika w nowoczesnych koncepcjach budowy maszyn umo

liwia racjonalizacj

rozwi

automatyzacji przez zaawansowan

decentralizacj

(rozproszenie). Albo te

na odwrót

– rozproszona inteligencja umo

liwia indywidualne sterowanie komputerowe poszczególnych

zespołów. Zadania sterownicze nie musz

wykonywane przez nadrz

dny układ

sterowania, lecz daj

realizowa

bezpo

rednio na miejscu przez inteligentne aktuatory.

Decentralizacja w automatyzacji przyczynia si

tak

e w znacznym stopniu do tego,

e poprawia

efektywno

ść

monta

u i serwisu. Znacznie redukuje si

równie

zapotrzebowanie miejsca w

szafach sterowniczych i nakłady zwi

zane z okablowaniem. Do sterowania takich rozwi

wystarczaj

kable zasilania elektrycznego i magistrala. Inteligentne aktuatory

realizuj

samodzielnie np. zadania pozycjonowania.

Cechy układów mechatronicznych

Zalety wyrobów mechatronicznych

Systemy mechatroniczne, w porównaniu z czysto mechanicznymi rozwi

zaniami, maj

cały

szereg zalet:

one ta

sze i l

ejsze, poniewa

ęś

ci mechaniczne zostały zast

pione ta

elektronik

(przykład: drukarka komputerowa),

one niezawodne i bardziej u

yteczne, poniewa

one przystosowane do

samonadzorowania, a nawet cz

sto tak

e do zdalnej diagnostyki (przykład: komputer

pokładowy samochodu),

one dokładniejsze, poniewa

uzyskuj

precyzj

nie w wyniku mechanicznej

stabilno

ci, ale za pomoc

elektronicznej techniki pomiarowej i regulacyjnej (przykład:

robot),

one efektywniejsze w zu

yciu energii, poniewa

dzi

ki wbudowanej „inteligencji”

mog

pracowa

w pobli

u optymalnego stopnia działania (przykład: regulacja ogrzewania),

one dłu

sze w u

ytkowaniu, poniewa

przez prost

wymian

oprogramowania mog

one mie

inne, lub nawet w pełni nowe własno

ci (przykład: nowoczesna pralka),

tym samym s

one równie

przyjazne dla u

ytkownika, a tak

e odporne na bł

obsługi, poniewa

wiele wska

ników, pokr

teł i d

wigni zostało zast

pionych kilkoma

klawiszami i monitorem komputerowym i w ten sposób system mo

e si

„broni

” przed

bł

dami obsługi (przykład: nowoczesna instalacja produkcyjna),

wreszcie jest wiele urz

dze

, do których

my si

od dawna przyzwyczaili, a których bez

mechatroniki nie mo

na sobie nawet wyobrazi

(przykład: odtwarzacz wideo, ABS).

Mechatronika jako nowa, interdyscyplinarna dziedzina wiedzy in

ynierskiej i

technologii ł

czy w sobie elementy konwencjonalnych dyscyplin, takich jak

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

czenie poszczególnych dyscyplin

na uzyska

znaczny wzrost całkowitej funkcjonalno

ci.

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

działaj

cy system

techniczny - system mechatroniczny.

Stopie

integracji systemów mechatronicznych jest tak znaczny,

e poszczególne

układy (podsystemy) bez udziału innych układów nie mog

pracowa

, a całkowit

funkcjonalno

ść

na uzyska

tylko przez idealne współdziałanie wszystkich

funkcji cz

stkowych. I tak np. w obrabiarkach wysok

dokładno

ść

obróbki mo

ekonomicznie uzyska

dopiero wtedy, gdy wszystkie niedokładno

ci w układach

mechanicznych zostan

rozpoznane przez odpowiednie czujniki i nast

pnie

skorygowane przez zaawansowane przetwarzanie informacji. Dzi

ki takim

działaniom mo

na znacznie zredukowa

nakłady zwi

zane z rozwojem i

wytwarzaniem obrabiarek.

Mechatronika jest zatem podstaw

dla rozwoju i produkcji nowych, w sposób

zaawansowany (inteligentny) sterowanych i regulowanych wyrobów, o wi

kszej

funkcjonalno

ci, wy

szej niezawodno

ci oraz bardziej ekonomicznych.

Mechatronika – nowa dziedzina wiedzy in

ynierskiej

Mechatronika:

1969 r., firma Yaskava (Japonia):

⇒

Mechatronika = Mechanika + Elektronika

Lata 80. XX w., rozszerzenie definicji:

⇒

Mechatronika = Mechanika + Elektronika + Informatyka

Cało

ciowe rozpatrywanie trzech dyscyplin:

⇒

Wykorzystanie potencjału mechatroniki!

Interdyscyplinarne post

powanie i współdziałanie

ró

nych składników:

⇒

uzyskanie funkcjonalno

ci wyrobów

liwa tylko realizacja systemowa:

Funkcja cz

stkowa + funkcja cz

stkowa + funkcja

stkowa = funkcja całkowita

Przykłady: roboty, obrabiarki, samoloty

Mechanika

Elektronika

Informatyka

Rozwój mechatroniki

Kamera filmowa:

Przed 30. laty małoobrazkowa kamera filmowa była wył

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

laj

stopie

wietlenia

obiektu, ostro

ść

obrazu i czuło

ść

filmu. Zawiera ona tak

e aktuatory, a zatem elektromagnesy i

silniki, które transportuj

film, uruchamiaj

przysłon

i migawk

, nastawiaj

ostro

ść

i ogniskow

Kamera taka zawiera procesor, który wg zapami

tanego programu steruje funkcjami tego

urz

dzenia. Nast

pił tak

e dalszy rozwój kamer przez zast

pienie błony filmowej czujnikiem

obrazu i pami

elektroniczn

Spalinowy silnik wysokopr

ęŜ

ny (Diesel):

Nowoczesne silniki wysokopr

ęŜ

ne pojazdów s

zaawansowanymi wyrobami budowy maszyn.

Równie

w nich znalazła zastosowanie mechatronika: wtrysk paliwa i doładowanie s

obecnie

sterowane i regulowane przez elektroniczny układ zarz

dzania silnikiem. Do tego celu s

stosowane: czujniki, aktuatory, procesory i oprogramowanie. Dzi

ki temu silniki tych generacji s

tak efektywne, ekonomiczne i przyjazne dla

rodowiska jak nigdy wcze

niej. Ponadto w celu

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

Wyroby mechatroniczne odznaczaj

tym,

e w maszynach i urz

dzeniach istotne funkcje nie

realizowane konwencjonalnie w sposób mechaniczny, lecz ze wspomaganiem

elektronicznym (sprz

tu i oprogramowania). W wyniku post

pów w rozwoju mikroelektroniki takie

nowe rozwi

zania wyrobów s

sze, a przede wszystkim o wiele efektywniejsze i łatwiejsze w

dopasowaniu do potrzeb ni

dotychczasowe.

Przykłady wyrobów mechatronicznych

Ró

nego rodzaju systemy techniczne mog

układami mechatronicznymi.

Maj

one ogólnie nast

puj

ce cechy:

• wysoka zło

ono

ść

• wysoki stopie

integracji składników mechanicznych, elektrycznych i

przetwarzania informacji,

• optymalizacja systemu jako cało

ci.

W wyrobach mechatronicznych stopie

powi

zania poszczególnych składników

jest tak wysoki,

e ich optymalne projektowanie wymaga realizacji

równoległego działania dla wszystkich składników, przy czym system od
pocz

tku musi by

rozpatrywany jako funkcjonalnie i przestrzennie

zintegrowany układ całkowity.

Podstawowe zasady mechatroniki:

• optymalizacja cało

ci zamiast optymalizacji poszczególnych elementów,

• przestrzenna integracja składników,

• wielofunkcjonalno

ść

zamiast monofunkcjonalno

ci,

• rozpatrywanie systemowe zamiast liniowego sposobu post

powania,

• zastosowanie symulacji.

Własno

ci układów mechatronicznych

Ogólnie obowi

zuj

zasad

panuj

na rynku jest to,

e wyroby musz

jednoznacznie

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

ci (

ywotno

ci) wyrobów, a

tak

e takich ich cech jak małe nakłady na ich piel

gnacj

, cicha praca, szybko

ść

, a tak

wielofunkcyjno

ść

dzi

ki integracji dodatkowych funkcji.

Jednym z istotnych zada

realizowanych w wielu zło

onych wyrobach jest ci

głe nadzorowanie stanu

(ang. Condition Monitoring) ich istotnych zespołów. Dzi

ki integracji w takich zespołach czujników

uzyskuje si

informacje dotycz

ce np. temperatury lub zu

ycia. Na tej podstawie mo

na wcze

nie

rozpoznawa

stany przedawaryjne, zwi

ksza

niezawodno

ść

wyrobów, a tak

e znacznie wydłu

okresy przegl

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

cym o ich

dyspozycyjno

ci i rentowno

ci, a tak

e warunkiem ich ubezpieczenia jest zastosowanie nadzorowania

stanu w trybie on-line.
W budowie maszyn tak

e obserwuje si

rosn

ce zastosowanie układów nadzorowania stanu w trybie

on-line. Jednak ze wzgl

du na mniejsze serie produkcyjne, a tak

e wi

ksz

zło

ono

ść

maszyn proces

ten przebiega wolniej. Wraz z rozwojem mechtronicznego podej

cia w budowie maszyn tak

e nale

oczekiwa

istotnych zmian.

Mechatroniki nie nale

y jednak rozpatrywa

w sposób wyizolowany lecz systemowy, co szczególnie

wyra

nie widocznie jest na przykładzie budowy maszyn. Je

eli dotychczas były to poszczególne

składniki, to obecnie spotyka si

okre

lone moduły, np. elektrowrzeciona obrabiarek z bezpo

rednim

nap

dem, układami pomiarowymi oraz zintegrowanym układem nadzorowania. Innymi takimi

rozwi

zaniami s

moduły zespołów posuwu z prowadnicami tocznymi i nap

dami z bezpo

rednimi

silnikami liniowymi. Ponadto moduły te, w zale

ci od wymaga

klientów, mog

zawiera

dodatkowe

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

i kompletnie wyposa

jednostk

, za pomoc

której mo

na realizowa

dokładne i powtarzalne ruchy. Wielofunkcjonalno

ść

modułów jest podstaw

sukcesu.

nym warunkiem rosn

cej integracji mechatronicznych modułów w budowie maszyn jest

zacie

nienie współpracy klientów (przedsi

biorstw budowy maszyn) z dostawcami podzespołów.

Cechy wyrobów mechatronicznych

Maszyny, urz

dzenia i instalacje mechatroniczne

charakteryzuj

multifunkcjonalno

, oznaczaj

łatwo

ść

realizacji ró

nych

zada

przez jedno urz

dzenie, np. przez zmian

oprogramowania;

inteligencj

, oznaczaj

liwo

ść

podejmowania decyzji

komunikacji z otoczeniem;

elastyczno

, czyli łatwo

modyfikacji konstrukcji na

etapie projektowania, produkcji oraz eksploatacji maszyny czy
urz

dzenia, np. przez zastosowanie konstrukcji modułowej;

liwo

niewidocznego dla operatora sposobu działania,

co wymaga zastosowania interfejsu u

ytkownika dla

komunikowania si

z operatorem;

zale

od wymaga

rynkowych i mo

liwo

technologicznych wykonania.

Cechy systemów mechatronicznych

Porównanie własno

ci systemów mechatronicznych

z konwencjonalnymi układami mechanicznymi

Dzi

ki funkcjonalnej integracji urz

dze

elektrycznych, elektroniki i informatyki w układzie

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

zmienione własno

ci. Te własno

ci mo

na podzieli

na: strukturalne wzgl.

geometryczne i funkcjonalne. Własno

ci funkcjonalne mo

na dalej podzieli

na poprawiaj

ce funkcje

oraz rozszerzaj

ce funkcje.

Strukturalne wzgl. geometryczne własno

ci uzyskuje si

z tego,

e cz

stkowe funkcje systemu ze

składnikami mechatronicznymi s

realizowane na ró

nych poziomach fizycznych (heterogeniczno

ść

). Ta

heterogeniczno

ść

prowadzi do wi

kszej liczby poł

czonych ze sob

elementów i tym samym wi

kszej

zło

ono

ci struktury wyrobu. Pomimo tej bardziej zło

onej budowy w takim systemie, przy porównywalnej

liczbie funkcji, uzyskuje si

zmniejszenie ilo

ci mechanicznych elementów składowych, a ro

nie liczba

wielofunkcyjnych składników. Efektem tego jest redukcja obj

ci systemu i jego ci

ęŜ

aru.

Strukturalne / geometryczne

- heterogeniczne,

- bardziej zło

one,

- mniej mechanicznych elementów,

- wielofunkcyjne składniki,

- mniejsze gabaryty,

- l

ejsze.

poprawiaj

ce funkcje:

- zwi

kszenie parametrów

funkcjonalnych (np.
dokładno

ść

przyspieszenie itp.),

- automatyzacja funkcji,

- przyjazno

ść

dla

ytkownika.

rozszerzaj

ce funkcje:

- okre

lanie stanów

bezpo

rednio

niemierzalnych,

- wy

sza niezawodno

ść

systemu,

- elastyczne dopasowanie

do wymaga

Funkcjonalne

Własno

ci funkcyjne systemów mechatronicznych, w porównaniu z konwencjonalnymi układami

mechanicznymi, zmieniaj

przede wszystkim dlatego,

e pierwotne mechaniczne zasady rozwi

zostały

uzupełnione lub zast

pione przez poł

czenie zespołów elektrycznych, elektronicznych i informatycznych.

Funkcje systemu mog

przy tym realizowane albo przez sprz

t albo oprogramowanie. Dzi

ki temu

poprawiaj

funkcje systemu lub s

generowane nowe. S

one w du

ej mierze okre

lone przez elementy

niematerialne takie jak oprogramowanie. Oprogramowanie mo

e by

nawet traktowane jako element maszyny.

Dzi

ki temu otwieraj

znacznie bardziej elastyczne mo

liwo

ci kształtowania systemów mechatronicznych.

Przy poprawie funkcji cz

sto wymagaj

ce znacznych nakładów lub niewystarczaj

ce rozwi

zania

mechaniczne s

wspomagane lub zast

powane przez zastosowanie elektroniki i informatyki. Dzi

ki temu

polepszaj

graniczne warto

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

dokładno

ść

pozycjonowania mo

na uzyska

nie za pomoc

samej precyzji mechanicznej, ale przez regulacyjne

porównywanie warto

ci rzeczywistej z warto

zadan

w obwodzie sprz

ęŜ

enia zwrotnego. Zastosowanie

elektroniki i informatyki umo

liwia równie

szy stopie

automatyzacji funkcji wyrobu (np. autofokus w

aparacie fotograficznym). Równocze

nie wyst

puj

ca zwi

kszona zło

ono

ść

funkcyjna jest ułatwiona przez

prosto obsługiwane sterowanie systemu lub staje si

przejrzysta dzi

ki automatyzacji i przyjazno

ci obsługi.

Ponadto mechatronika umo

liwia rozszerzenie funkcyjne systemu, które bez mechatroniki nie byłoby

liwe. Celowe odpytywanie o stany systemu i nast

pnie przetwarzanie tych wielko

ci mierzonych umo

liwia

okre

lanie bezpo

rednio niemierzalnych wielko

ci w systemie. Za pomoc

regulacji mo

na na te wielko

ci w

sposób celowy oddziaływa

. Przykładami tego s

takie zmienne zale

ne od czasu jak temperatura, lub

parametry takie jak sztywno

ść

. Dzi

ki zastosowaniu elektroniki i informatyki daje si

równie

wygenerowa

funkcje nadzorowania z wczesnym rozpoznawaniem bł

dów i natychmiastow

reakcj

w postaci

przeciwdziałania. Wła

nie w coraz bardziej zło

onych strukturach zapewniaj

one wysok

niezawodno

ść

systemu. Elastyczne i szybkie dopasowanie do zmieniaj

cych si

wymaga

jest mo

liwe dzi

ki temu,

e cz

ęść

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

skonfigurowanych

własno

ciach systemu mo

e si

to odbywa

przez zastosowanie ró

norodnych modułów programowych, które

wymagane funkcje doł

czaj

lub niepo

Ŝą

dane funkcje blokuj

Własno

ci systemów mechatronicznych

Innowacyjne produkty powstaj

najcz

ęś

ciej przez zastosowanie wiedzy i

wiadcze

(ang. Know How) z ró

nych obszarów specjalno

ci. Wła

nie

przykładem takiej przekrojowej dziedziny jest mechatronika. Rozwój
mechatroniki spowodował,

e stała si

ona kluczow

technologi

XXI w.

Przykłady tego, na co pozwala mechatronika mo

na znale

źć

prawie wsz

dzie.

to autopiloty w samolotach, przekładnie elektroniczne, składniki urz

dze

Hi-Fi lub aktywne zawieszenia w pojazdach. Du

e mo

liwo

ci wi

ąŜą

tak

z rozwojem zastosowa

robotów.

Jedn

z cech nowoczesnych urz

dze

, pojazdów, maszyn, instalacji i

rodków

wytwarzania jest to,

e zawieraj

one równocze

nie składniki mechaniczne,

elektroniczne i programowe. Takie mechatroniczne układy wyst

puj

ce np. w

odtwarzaczach CD, drukarkach atramentowych, czy systemach
bezpiecze

stwa samochodów stały si

ęś

codziennego

ycia. Tak

roboty czy zautomatyzowane obrabiarki s

zaliczane do obszaru mechatroniki.

Ta szeroka paleta obiektów mechatronicznych w przyszło

ci znacznie si

jeszcze rozszerzy. I tak np. w technice medycznej dzi

ki małym, lekkim

sterowanym sensorycznie robotom b

liwe operacje z minimaln

ingerencj

. W samochodach mechaniczne układy kierownicze i hamulcowe

zostan

zast

pione zespołami mechatronicznymi, co zapewni wi

ksz

funkcjonalno

ść

i wzrost bezpiecze

stwa.

Rozwój i opłacalna produkcja takich nowych i innowacyjnych wyrobów ma
równie

istotne znaczenie dla zapewnienia konkurencyjno

ci przedsi

biorstw.

Typowe działanie mechatroniczne wi

ąŜ

e si

z niekonwencjonalnym,

cało

ciowym i wielostronnym podej

ciem w realizacji projektów dotycz

cych

rozwoju wyrobów.

Mechatroniczne wyroby

Składniki mechatroniczne upraszczaj

konstrukcj

(budow

) wyrobów. Je

eli stosuje si

je w produkcji, to

uzyskuje

szybsze

uruchamianie

oraz

zmniejszenie

spraw

koordynacyjnych

dotycz

cych

oprogramowania.

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

cia s

tak

e dostosowane struktury pracowników w działach konstrukcji mechanicznej i

konstrukcji elektrycznej (elektronicznej) oraz opracowywaniu oprogramowania. Ka

dy konstruktor opracowuje

konstrukcj

ęś

ci (zespołów) maszyny w projektowaniu poziomym. Wydaje si

to sensowne, je

eli przyjmie si

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

Ŝą

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

Ŝą

do nich

m.in. problemy dotycz

ce uzgodnie

dzy konstruktorami i technologami, mo

liwo

ść

realizacji rozwi

, a tak

okre

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

zastosowania modułów, gdy

stkowe rozwi

zania takie jak mechaniczny Layout, planowanie układów

elektryczno-elektronicznych oraz oprogramowanie s

realizowane w ró

nych systemach. Projektowanie pionowe, w

którym cz

ęś

ci (zespoły) maszyny rozpatruje si

w sposób przelotowy dla wszystkich dyscyplin daje wiele korzy

ci.

Jednostki mechatroniczne s

konsekwencj

pionowego projektowania, które powinno słu

przede wszystkim do

tego,

eby w coraz bardziej zło

onych funkcjach maszyn upro

konstrukcj

tych maszyn. Im prostsza jest

konstrukcja, tym mniejsze nakłady i bł

dy powstaj

w jej budowie, co poprawia konkurencyjno

ść

przedsi

biorstwa.

Cech

układów (wyrobów) mechatronicznych jest najcz

ęś

ciej przestrzenna i przede wszystkim funkcjonalna

integracja modułów, w których czujniki mierz

sygnały, procesory przetwarzaj

informacje, a aktuatory (zespoły

wykonawcze) elektryczne, hydrauliczne lub pneumatyczne s

stosowane po to, aby oddziaływa

na układ

mechaniczny.

Elementy

mechatroniczne

pochodz

obecnie cz

sto od znacz

cych dostawców nap

dów i składników

mechanicznych. Wynika to z rozwoju, w którym cz

ęś

ci mechaniczne i nap

dy tworz

platform

, do której wstawiane

jest coraz wi

cej elektroniki i oprogramowania, a zatem funkcjonalno

ci. Silniki, falowniki i przekładnie ju

dłu

szego czasu stanowi

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

Ŝą

do wła

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

maszyn za pomoc

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

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

Mechatronika w budowie maszyn

Zastosowanie elementów i układów mechatronicznych wi

ąŜ

e si

w praktyce z konieczno

zmiany paradygmatów,

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

zastosowanie składników mechatronicznych w

maszynach i innych wyrobach nie zawsze były widoczne. Padaj

argumenty,

e równie

bez mechatroniki były i s

budowane niezawodne maszyny. Wytwórcy maszyn ch

tnie przenosz

swoje do

wiadczenia do praktyki, aby szybko

i efektywnie modyfikowa

istniej

ce projekty (rozwi

zania) i w ten sposób budowa

nowe, niezawodne maszyny.

Zmiana na elementy mechatroniczne spowodowałaby zwi

kszenie ceny maszyn, transfer wiedzy i do

wiadcze

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

Takie obawy s

sto podnoszone jako argumenty przeciwko stosowaniu mechatroniki. Jednak zastosowania

elementów mechatronicznych nie da si

powstrzyma

, poniewa

coraz cz

ęś

ciej przewa

korzy

ci. Maszyny dzi

mechatronice s

szybciej konstruowane, szybciej wytwarzane oraz s

one prostsze. Koncepcja mechatronicznej

budowy modułowej obejmuje równie

przestrzenne zale

ci w maszynie. S

to zalety, które niweluj

sze ceny

w porównaniu z konwencjonalnymi składnikami. Równie

producenci maszyn odnosz

korzy

ci z krótszych cykli

innowacyjnych elementów mechatronicznych. Tak

e w przyszło

ci maszyny nie b

składały wył

cznie z

elementów mechatronicznych. We wszystkich obszarach zastosowa

konieczna jest analiza zalet i wad, które wnosi

zastosowanie mechatroniki. Wcze

niej budowa maszyn była okre

lona aspektami mechanicznymi. Przeprowadzone

niedawno badania wykazały,

e oprogramowanie stanowi ju

połow

funkcjonalno

ci i kosztów w budowie maszyn.

Ten udział stale wzrasta. W niektórych przedsi

biorstwach budowy maszyn działy opracowuj

ce oprogramowanie s

ksze ni

działy konstrukcji mechanicznych. Niektórzy producenci maszyn we własnym zakresie wykonuj

tak

e układy sterowania,

eby nie mo

na ich było skopiowa

Interesuj

alternatyw

dla tworzenia w przedsi

biorstwie własnych działów opracowywania oprogramowania jest

zastosowanie elementów mechatronicznych. Obejmuj

one bowiem zło

one funkcje cz

stkowe, które mo

na kupi

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

samodzielna realizacja

zło

onej funkcji maszyny. Mo

na kupi

specjalny Know-how i nie trzeba go samemu tworzy

. Konfiguracja i

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

procesu, pozostaje u producenta maszyny.

Porównuj

c to z obecnym sposobem post

powania, np. przy zastosowaniu nap

dów do pozycjonowania, nakłady

nie zmieniaj

zbyt wiele. Falownik, silnik i przekładnia s

sto dostarczane od jednego oferenta, co okre

la cały

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

ki temu uzyskuje si

zwarte maszyny. To co jeszcze zostaje, to wł

czenie elementów mechatronicznych do

zasilania elektrycznego i informacji steruj

cych.

Mechatronika w budowie maszyn

istniej

proste elementy mechatroniczne, które s

wbudowywane mechanicznie w maszyn

musz

one zasilane energi

elektryczn

. Za pomoc

swoich czujników i programów mog

one realizowa

swoje procesy. Aby w maszynie uzyska

ksz

elastyczno

ść

, sensowne jest

jednak poł

czenie ze sob

elementów mechatronicznych tak

e w zakresie wymiany danych.

Do tego celu słu

Ŝą

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

System sieciowy słu

y do transmisji nowego oprogramowania, zmienionych zestawów

parametrów, wskazywania statusu i bł

dów lub synchronizacji ruchów. Konstruktor maszyny

e obecnie u producentów układów mechatronicznych cz

sto wybra

rodzaj interfejsu do

wł

czenia w sie

. Wa

niejsze z takich interfejsów (otwarte rozwi

zania sieci komunikacyjnych)

wyst

puj

w wielu elementach mechatronicznych dost

pnych na rynku. Takie sieci wymagaj

instalacji magistrali (komunikacja przewodowa).

Jednak w przyszło

ci coraz wi

ksz

rol

wła

nie w elementach mechatronicznych b

odgrywały bezprzewodowe technologie komunikacyjne, a zatem poł

czenia z wykorzystaniem

fal radiowych lub promieni podczerwonych. Ju

obecnie wiele firm oferuje elementy

mechatroniczne, umo

liwiaj

ce ich wł

czenie w sie

za pomoc

bezprzewodowej technologii.

Dzi

ki temu maszyny mog

jeszcze prostsze, je

eli elementy mechatroniczne b

wymagały jedynie zasilania elektrycznego oraz tego,

eby były one umieszczone w

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

dzie opanowa

coraz wi

ksz

zło

ono

ść

produkowanych maszyn.

Zło

one procesy i funkcje musz

tak dalece zamkni

te wewn

trz jednostek

mechatronicznych,

e konstruktor na podstawie ich opisu mo

e je w prosty sposób

wykorzystywa

Przepisem na sukces mechatroniki mo

e by

uproszczenie budowy maszyn, poniewa

wła

nie

tutaj jest obecnie zawarty najwi

kszy potencjał racjonalizacyjny.

Mechatronika w budowie maszyn

Elastyczno

ść

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

ci b

dzie

miała co najmniej takie znaczenie jak szybko

ść

ich działania. Czasy przezbrajania maszyn musz

zredukowane, a maszyny musz

mie

liwo

ść

produkcji (pakowania) ró

nych wyrobów.

Obecnie w znacznej cz

ęś

ci maszyn do pakowania s

stosowane tzw. wały królewskie, które

sprz

gaj

wszystkie ruchome zespoły maszyny za pomoc

mechanicznych składników ze

zło

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

sprz

gła i hamulce oraz przekładnie zapewniaj

funkcjonalno

ść

maszyny. W wi

kszo

przypadków do budowy takich maszyn wymagane s

specjalnie dla nich wykonane cz

ęś

mechaniczne. Takie maszyny s

sztywne w mo

liwo

ciach swoich zastosowa

i ju

po krótkim

czasie staj

one technicznie przestarzałe.

I tak np. w nowoczesnych maszynach p

kuj

cych trzeciej generacji zamiast krzywek i sprz

gieł

stosuje si

serwonap

dy. Taki ”wirtualny“ wał królewski zapewnia synchronizacj

poszczególnych

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

towo ruchy s

(zadawane) generowane przez centralny układ sterowania. Równie

nieplanowane stany maszyny,

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

ce mo

na realizowa

sposób zsynchronizowany k

towo. Dynamiczne zmiany materiału opakowania lub pakowanych

wyrobów, np.

ciskanie wyrobów lub odkształcenia materiału p

kuj

cego, mog

okre

lane

podczas pracy maszyny za pomoc

czujników, a ich skutki eliminowane w przebiegach ruchów.

Ponadto na rynku wymaga si

maszyn bardziej przyjaznych w obsłudze.

Tak

e w tym zakresie zastosowania urz

dze

elektronicznych otwieraj

nowe mo

liwo

ci. I tak

np. w przypadku zakłóce

podczas pracy maszyn mo

na im szybko ponownie przywróci

zdolno

ść

do działania dzi

ki temu,

e ich oparte na PC układy sterowania w trybie dialogowym informuj

operatora o wewn

trznych stanach. Wspomagaj

one zarówno działania podczas ustawiania

parametrów maszyny jak i przy diagnozowaniu bł

dnych stanów, przyczyniaj

c si

w ten sposób do

maksymalnej dyspozycyjno

ci maszyny. Natomiast za pomoc

Internetu istnieje tak

e mo

liwo

ść

zdalnej diagnostyki.

Zastosowanie mechatroniki w budowie maszyn

Ogromna wi

kszo

ść

produkowanych obecnie mikroprocesorów nie znajduje zastosowania w

komputerach, ale stanowi cz

ęść

innych urz

dze

technicznych, takich jak samochody, samoloty,

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

to głównie mikrosterowniki (mikrokontrolery). Szacuje si

e w 2000 r.

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

c ponad 90% wszystkich procesorów. Temu

fascynuj

cemu rozwojowi techniki mikroprocesorowej towarzyszy równocze

nie wi

ksza

wydajno

ść

, miniaturyzacja i dyspozycyjno

ść

innych komponentów do konstrukcji urz

dze

mechatronicznych: silników, przekładni, baterii, poł

cze

, sensorów itp.

Obserwujemy coraz wi

ksz

„mechatronizacj

” konwencjonalnych systemów technicznych.

Samoloty, statki i satelity od dawna maj

autopiloty. W samochodach osobowych pracuje si

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

e samochody za kilka lat mog

sta

robotami mobilnymi. Równie

w tym

kierunku rozwijaj

urz

dzenia techniki procesowej i technika domowa. Maszyny, urz

dzenia,

aparaty i instalacje spostrzegaj

swoje otoczenie, maj

elastyczny „magazyn sposobów

zachowania”, mog

dopasowywa

do zmieniaj

cych si

warunków otoczenia, podejmuj

decyzje na podstawie kilku opcji działania i na koniec wykonuj

działanie.

Główne obszary badawcze mechatroniki mo

na podzieli

na dwie grupy: (1) badania

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

ród tych drugich niezwykle

ny staje si

rozwój interdyscyplinarnego podej

cia do projektowania, cz

sto po prostu

uto

samianego z mechatronik

czy projektowaniem mechatronicznym. Nie jest to zadanie łatwe.

Próby osi

gni

cia wi

kszej integracji w poprzek dyscyplin prowadz

bowiem cz

sto do rosn

cej

rozbie

ci metod i narz

dzi.

Rozwój mechatroniki

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

na specyficznym dla dziedziny

wiecie poj

ęć

, na specyficznych

wiadczeniach nabytych przez dziesi

tki lat oraz na specyficznych metodach i

rodkach

opisu. Doprowadziło to w wielu dziedzinach do specyficznego sposobu my

lenia

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

c z tej struktury, w praktyce przemysłowej cz

sto próbuje si

pomoc

podobnego sposobu my

lenia i takiej samej struktury organizacyjnej rozwija

urz

dzenia mechatroniczne. Konstruktorzy jednej z dziedzin okre

laj

w znacznym stopniu

sposób post

powania i rozdzielaj

konieczne, ze swego punktu widzenia, zadania i

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

dnienia mo

liwo

ci innych dyscyplin fachowych. Jest to mentalno

ść

typu „ja”.

Wynikiem takiego post

powania s

produkty optymalizowane cz

ęś

ciowo, powstaj

ce przez

mudne, czasochłonne i kosztowne dochodzenie do rozwi

zania ko

cowego. Nie

wykorzystuje si

potencjału koncepcji systemowej, ukazuj

cej korzy

ci pozadyscyplinowe.

Próby wczesnego modelowania urz

dzenia mechatronicznego skazywane s

niepowodzenie cz

sto z powodu braku sformalizowanego opisu lub braku

rodków opisu

wykraczaj

cych poza dan

dyscyplin

. A urz

dzenia mechatroniczne staj

coraz bardziej

zło

one. Ich dynamiczne zachowanie bierze si

z wzajemnego powi

zania

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

eli do projektowania takiego urz

dzenia podchodzi

w sposób tradycyjny, sekwencyjny, to zachowanie urz

dzenia i u

yteczno

ść

przyj

tego

rozwi

zania koncepcyjnego mo

na potwierdzi

dopiero w pó

nej fazie projektowania. Wtedy

jednak nawet niewielkie zmiany konstrukcyjne s

bardzo kosztowne.

Mechatronika - interdyscyplinarne podej

cie

Konwencjonalne metody projektowania in

ynierskiego nie wystarczaj

do racjonalnego

projektowania urz

dze

mechatronicznych. S

dwie główne przyczyny takiego stanu rzeczy:

• zmieniaj

obiekty projektowania oraz

• zmieniaj

narz

dzia projektowania.

Obiekty rozwa

ane w konwencjonalnych metodach projektowania s

zwykle

jednodyscyplinowymi (mechanicznymi, elektronicznymi), podczas gdy urz

dzenia

mechatroniczne s

obiektami wielodyscyplinowymi. Konwencjonalne podej

cie do

projektowania nie jest wystarczaj

ce do multidyscyplinarnej wiedzy in

ynierskiej, która jest

istotna w warunkach konkurencji na rynku. Obecnie in

ynier w swojej pracy projektowej u

ywa

coraz wi

cej oprogramowania. Od edytora tekstu do in

ynierskiej bazy danych, od 2D/3D

CAD (ang. Computer Aided Design) do analizy metod

elementów sko

czonych. Poprawia to

nie tylko skuteczno

ść

jego pracy, ale zmienia równie

sposób pracy in

yniera. Dlatego te

poszukuje si

nowych rozwi

integruj

cych modelowanie systemu mechatronicznego.

Z koncepcji integruj

cych na uwag

zasługuj

• integrowanie na płaszczy

nie oprogramowania komponentów systemu,

• oparcie si

na oprogramowaniu komputerowym, integruj

cym wiedz

ró

nych ekspertów,

• wykorzystanie j

zyków in

ynierii oprogramowania,

• podej

cie in

ynierii współbie

nej nazywane kompilatorem.

Nale

y przy tym pami

o tym,

e podczas syntezy produktów mechatronicznych wa

na jest

nie tyle integracja nowoczesnych metod analizy (narz

dzia CAD), ile rozumienie i

wiadczenie konstruktora.

Integracja dyscyplin w mechatronice

Powody integrowania mikroprocesorów z maszynami

Głównymi powodami wbudowywania mikroprocesorów w urz

dzenia mechaniczne s

1) poszerzenie własno

ci, 2) uproszczenie, 3) innowacyjno

ść

Ad 1. Zasadnicza konstrukcja urz

dzenia pozostaje taka sama, a cz

sto jest ju

nawet

przestarzała. Dodanie mikroprocesora mo

e rozszerzy

lub poprawi

dokładno

ść

, szybko

ść

pracy

czy elastyczno

ść

zastosowania, zredukowa

wymagania eksploatacyjne i poprawi

niezawodno

ść

. Typowym tego przykładem jest układ sterowania silnikiem samochodowym. Układ

ten zwi

ksza ekonomiczno

ść

silnika, daje łagodniejszy bieg jałowy i dłu

sze okresy mi

dzy

kolejnymi przegl

dami technicznymi.

Ad 2. System mikroprocesorowy mo

e zast

jeden lub kilka skomplikowanych mechanizmów.

Przykładem tego mo

e by

modernizacja nacinania gwintów na tokarce. W tokarce tradycyjnej do

nap

du wrzeciona i

ruby poci

gowej słu

y ten sam silnik. Do zapewnienia mo

liwo

ci nacinania

gwintów o ró

nym skoku konieczne jest wykorzystanie zestawu wymiennych kół z

batych i

przekładni wielostopniowej o bardzo du

ej liczbie przeło

. Natomiast rozwi

zanie

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

ruby

poci

gowej i wrzeciona tokarki, a przekładnia z

bata staje si

zbyteczna. Elektroniczne

sterowanie jest wygodniejsze, poniewa

„przekładnia” elektroniczna jest bezstopniowa i umo

liwia

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

ywane bardziej elastycznie, co sprzyja oszcz

dno

ci kosztów.

Ad 3. Zastosowanie mikroprocesorów umo

liwia wytwarzanie takich produktów czy systemów,

które dotychczas nie mogły by

zrealizowane. Chodzi tutaj przede wszystkim o roboty i maszyny,

które wymagaj

zaawansowanych technologii sensorycznych, jak np. rozpoznawania obrazu.

Dwa pierwsze powody nie wykluczaj

wzajemnie. W wielu przypadkach zastosowanie

mikroprocesorów daje podwójn

korzy

ść

: poprawia osi

gi i obni

a koszty.

Ze wzgl

du na rosn

konkurencj

na rynku pozostan

na dłu

ej ze swoimi wyrobami tylko te

przedsi

biorstwa produkcyjne, które lepiej od konkurentów przystosuj

do wymaga

krótszych

cykli rozwoju oraz innowacyjnych wyrobów i technologii.

Mechatroniczne wyroby, integruj

ce elementy mechaniczne, elektryczne i elektroniczne oraz

informatyczne, wnosz

lepsz

i rozszerzon

funkcjonalno

ść

, przy równocze

nie zredukowanej

wielko

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

stawia tak

e nowe wymagania dotycz

ce projektowania wyrobów, ich monta

u, organizacji i

logistyki.

Interdyscyplinarno

ść

mechatroniki otwiera tym samym przed wyrobami nowe perspektywy w

rywalizacji o spełnienie oczekiwa

klientów. Skuteczne przeniesienie tych potencjalnych mo

liwo

ąŜ

e si

jednak z konieczno

zintegrowanego my

lenia i działania zwi

zanych z tym

uczestników.

Przedsi

biorstwa, które wytwarzaj

wyroby mechatroniczne pozostaj

zwykle pod silnym wpływem

nawyków zwi

zanych ze stron

mechaniczn

i elektrotechniczn

. Mechatroniczne wyroby

wymagaj

jednak zupełnie innego podej

cia, przebiegów i zada

podczas rozwoju, zarówno

wyrobów jak i procesów ich wytwarzania, ani

eli układy (systemy) czysto mechaniczne czy

elektroniczne.

podczas rozwoju wyrobu konieczne jest uwzgl

dnienie i ocena mo

liwo

ci zastosowania w

systemie rozwi

pochodz

cych z ró

nych dziedzin. Oznacza to,

e ze wzgl

dów zarówno

technicznych jak i ekonomicznych musi by

okre

lona najlepsza z mo

liwych koncepcja wyrobu.

W opartych na tym kolejnych procesach rozwojowych interfejsy wyrobu wymagaj

intensywnej

integracji dotycz

cej synchronizacji tych procesów w zakresie mechaniki, elektroniki i

oprogramowania.

Wymagania dotycz

ce wytwarzania wyrobów

mechatronicznych

Struktura urz

dzenia mechatronicznego oraz powi

zanie

jego zespołów przez przepływ energii, masy i informacji

Otoczenie

Człowiek

Przetwarzanie

informacji

Informatyczne

urz

dzenia

współpracuj

Energia

zasilania

Energia

zasilania

System

komunikacji

Interfejs człowiek-

maszyna

Przetwarzanie

analogowo-

cyfrowe

Dopasowanie/

wzmocnienie

Aktuatory

Obróbka

wst

pna

Przetwarzanie

analogowo-

cyfrowe

Sensory

Energia

zasilania

Energia

zasilania

System podstawowy

(struktura

mechaniczna)

Wielko

analogowe (głównie

przepływ energii i

materiału)

Wielko

ci cyfrowe

(głównie przepływ

informacji)

Przepływ energii

Przepływ materiałów

Przepływ informacji

System i jego własno

Otoczenie

System

System: jest to w pewien sposób
wyodr

bniona z otoczenia cz

ęść

a jej ograniczenia wynikaj

sformułowania problemu.

System

(wej

cie)

(wyj

cie)

dy system wzgl

dem otoczenia

ma okre

lone własno

ci (cechy),

które s

nazywane

atrybutam

atrybutami.

Atrybuty, które nie s

wielko

ciami

wej

ciowymi (ang. Input) i

wielko

ciami wyj

ciowymi (ang.

Output), lecz opisuj

zachowanie

systemu nazywa si

stanami

stanami.

Funkcje i struktura systemu

Podsystem 1

Podsystem 3

Podsystem 2

Relacja R

System

Funkcja F: A

→

Pomi

dzy atrybutami systemu

wyst

puj

zale

ci w postaci funkcji.

eli funkcja F nie jest znana, to taki

system okre

la si

jako czarn

skrzynk

(ang. Black box).

System zwykle zawiera podsystemy,
których wzajemne zale

ci s

opisane relacjami R. Liczb

relacji

nazywa si

struktur

systemu

Definicja systemu:

„… ograniczony układ wzajemnie oddziałuj

cych elementów,

… jest wyodr

bniony z otoczenia przez warstw

oddzielaj

Warstwa oddzielaj

ca tworzy poł

czenia systemu z otoczeniem …“

(przepływ materiałów, energii i informacji).

Wej

cie: u(t) Stan wewn

trzny: x(t) Wyj

cie: y(t)

Definicja systemu

Otoczenie

Energia

Materiał

Informacje

Układy mechatroniczne – podział z przykładami

Elementy

maszyn

- ło

yska

- przeguby

Systemy mechaniczne

Składniki

realizuj

siły i ruchy

Maszyny

siłowe

Maszyny

robocze

Pojazdy

Poci

Samo-

loty

Składn.

mech.

precyz.

Urz

dz.

mech.

precyz.

Zespoły

mikro-

mechan.

Układy

mikro-

mechan.

Zespoły

mechaniczne

Maszyny

rodki

komunikacji

Mechanika
precyzyjna

Mikro-

mechanika

- poł

czenia

kinematyczne
- ła

cuchy

nap

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.

ęŜ

arowe

- pojazdy

wojskowe

- samol.

pasa

- samol.

wojsk

- ło

yska

- przeguby

- poł

cz,

kinemat.

- ł

ąń

cuchy

nap

dów

- wył

czniki

- przeka

- czujniki

- aktuatory

- odtwarz.

- drukarki

- urz

dz.

komunikac.

- urz

dz.

cowe

- urz

dz.

optyczne

- urz

dz.

medyczne

- ło

yska

- przeguby

- poł

cz.

kinemat.

- ła

cuchy

nap

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

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

• Mechanika

• Elektrotechnika

Teoria systemów i teoria

sterowania

• Teoria stanów

• Układy adaptacyjne

• Układy o wysokiej

zło

ono

Mikroelektronika

• Informatyka elektroniczna

• Elektronika mocy

Informatyka

• Oprogramowanie

sterowania

• Oprogramowanie

projektowe

• Systemy ekspertowe

Innowacyjne własno

• Wy

sza funkcjonalno

ść

• Rozproszona inteligencja

• Bezpiecze

stwo

• Elastyczno

ść

• Rozszerzalna

funkcjonalno

ść

Nowoczesne projektowanie

• Metody

• Narz

dzia

•

rodowisko rozwojowe

Poziomy wyrobów

mechatronicznych

• Poziom maszyny

• Poziom fabryki

• Poziom modułu

• Poziom składnika

Mechatronika - podej

cie interdycyplinarne

Proces mechaniczny i przetwarzanie energii

rozwin

ły si

do układów mechatronicznych

Obsługa

Przetwarzanie

informacji

Sensory

Układ mechaniczny

i przetwarzanie

energii

Aktuatory

Wielko

ci zadane

Wielko

ci mierzone

Strumie

wykorzystywanej energii

Zasilanie
w energi

Odbiornik
energii

Pierwotny
strumie

energii

Pomocniczy
strumie

energii

Strumie

informacji

Strumie

energii

mechanicznie
hydraulicznie
termodynamicznie
elektrycznie







Komponenty (składniki) systemu mechatronicznego s

ze sob

powi

zane przepływem materiałów, energii i

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

z otoczeniem wła

nie przez przepływ materiałów i energii. Pomi

dzy tym

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

informacje pomiarowe i steruj

ce. Układ przetwarzania informacji ma przepływy

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

powi

zany z otoczeniem, aby móc

komunikowa

z innymi układami sterowania (interfejs komunikacyjny) lub u

ytkownikiem (interfejs

ytkownika).

Z ogólnej struktury systemu mechatronicznego wywodz

równie

układy, które nie zawieraj

wszystkich

typowych składników. I tak mo

na sobie wyobrazi

systemy z czujnikami (sensorami) i oprogramowaniem,

ale bez aktuatorów.

Procesor

(informatyka)

Mechanika

(struktura

podstawowa)

Sensory

ytkownik

Zewn

trzne

procesory

Przepływ materiałów:

Przepływ energii:

Przepływ informacji:

Struktura systemu mechatronicznego

Model odniesienia (referencyjny) mechatroniki

Aktuator

Sensor

System IT

Techniczny

system docelowy

Techniczny

system docelowy

Fizyczne wielko

wej

ciowe z innych

systemów (ci

głe w czasie)

Zamiana fizycznych wielko

wej

ciowych w fizyczne

wielko

ci wyj

ciowe

Fizyczne wielko

wej

ciowe do innych

systemów (ci

głe w czasie)

Sprz

ęŜ

enie zwrotne

wielko

ci fizycznych

wewn

trz systemu

(ci

głe w czasie)

Zamiana wielko

fizycznych na
sygnały dominuj

informacyjnie

Sygnały z sensora
(dyskretne / ci

gle w

czasie)

Wej

cie sygnałów

komunikacyjnych z innych
systemów lub z ingerencji
u

ytkownika

Zamiana sygnałów
wej

ciowych w

sygnały wyj

ciowe

Wyj

cie sygnałów

komunikacyjnych do innych
systemów lub meldunki zwrotne
do u

ytkownika (dyskretne /

głe w czasie)

Sygnały do aktuatora
(dyskretne / ci

głe w

czasie)

Zamiana sygnałów z
dominacj

informacji

w wielko

ci fizyczne

z dominacj

energii

Działanie zwrotne
wielko

ci fizycznych

wewn

trz systemu

(ci

głe w czasie)

Granica systemu

Dominuje energia

Dominuje informacja

niejsze okre

lenia stosowane w systemach

mechatronicznych

Układ podstawowy:

składa si

ze struktury zawieraj

cej elementy mechaniczne, hydrauliczne lub

pneumatyczne, albo ich kombinacji, w której realizowane jest okre

lone

działanie (np. ruch, siła, itp.).

Czujnik (sensor):

słu

y do okre

lania stanu wybranych wielko

ci systemu, zwykle przetwarza

wielko

ci fizyczne w sygnały elektryczne, które nast

pnie s

przetwarzane jako

informacje.

Przetwarzanie informacji:

okre

la konieczne oddziaływania, aby w okre

lony sposób wpływa

na stan

wielko

ci systemu i który obecnie jest najcz

ęś

ciej wykonany jako cyfrowy.

Aktuator (element wykonawczy):

słu

y do realizacji oddziaływa

bezpo

rednio na układ podstawowy; dostarcza

(nastawia) siły i momenty, które prowadz

do ruchu systemu.

Automat biletowy jako przykład układu mechatronicznego

Zadanie:

Zadanie: wydanie biletu po
podaniu celu podró

y lub

obszaru taryfowego i
zapłaceniu nale

ci w

postaci monet, banknotów i
karty kredytowej; wydawanie
reszty

Automat biletowy

Czujniki, procesor,

aktuatory z modułami:

mechanicznymi

elektrycznymi

informatycznymi

optycznymi

Informacje

Cel podró

Obszar taryfowy

Monety, banknoty

Karty kredytowe

Materiały

Zasilanie
elektryczne

Energia

Automat biletowy

•Touch screen
• mikrokomputer
• pami

ęć

danych

• wy

wietlacz informacji

(taryfy, ceny, itp.)

Dotykowe
wprowa-
dzanie
informacji

Czujniki do sprawdzania monet
• ci

ęŜ

ar monety:

→

elektroniczny moduł wa

Ŝą

• 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

cia biletów

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

Wprowadzanie

Informacji:

Cel podró

Obszar taryfowy

Wej

cie

Informacja o
cenie dla
wybranego
celu

Wybór biletu

Monety, banknoty

Wprowadzanie

materiałów:

Karty kredytowe

Wyj

cie:

Wyj

cie:

Bilet
Reszta

Odblokowanie

drukowania biletu

Sterowanie

drukowaniem,

formatowaniem

i wydawaniem

biletu

Sterowanie i regulacja

W systemach technicznych (np. technologicznych) bardzo cz

sto wyst

puje konieczno

ść

realizacji takich działa

eby zmienne w czasie wielko

ci systemu miały okre

lone przebiegi.

W najprostszym przypadku wielko

ci te powinny mie

stałe warto

ci, pomimo działaj

cych na

system zakłóce

. Tego rodzaju zadania mo

na realizowa

przez zastosowanie sterowania i

regulacji. Nale

y zatem wyja

ró

nic

dzy oboma tymi poj

ciami.

Sterowanie
I tak sterowanie jest działaniem, w którym nale

y zrealizowa

Ŝą

dany przebieg czasowy

własnej wielko

ci układu albo bez po

rednictwa dalszych własnych (wewn

trznych) wielko

tego układu, albo przy pomocy innych zewn

trznych wielko

ci. Wielko

ść

, na któr

oddziałuje nie jest mierzona.

Człon steruj

(sterownik)

Urz

dzenie nastawiaj

(nastawnik, aktuator)

Obiekt

sterowania

Urz

dzenie steruj

Urz

dzenie steruj

łó

Wyj

cie

Cech

charakterystyczn

sterowania jest otwarty przebieg działania. Nie ma sprz

ęŜ

enia

zwrotnego wielko

ci wyj

ciowej układu z jego wej

ciem. Otwarty sposób działania jest cz

sto

okre

lany jako sterowanie w obwodzie otwartym.

Regulacja
Pod poj

ciem regulacji rozumie si

natomiast takie działanie, w którym wielko

ść

regulowana

jest ci

gle mierzona i porównywana z wielko

zadan

(wiod

). Za pomoc

wyniku tego

porównania (ró

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

ść

regulowan

eby była ona równa wielko

ci zadanej.

Regulacja

łó

Człon

porównuj

Urz

dzenie nastawiaj

(nastawnik, aktuator)

Obiekt

regulacji

Urz

dzenie regulacyjne

Urz

dzenie regulacyjne

Miejsce

pomiaru

(wielko

ść

regulowana)

Regulator

Urz

dzenie pomiarowe

(sensor, czujnik)

Tego rodzaju działanie odznacza si

wyst

powaniem sprz

ęŜ

enia zwrotnego (ujemnego)

wyj

cia układu z jego wej

ciem. Zbudowany w taki sposób zamkni

ty obwód jest okre

lany

jako obwód regulacji.

Elementy układu regulacji

Obiekt regulacji jest t

ęś

układu technicznego, który podlega oddziaływaniu. Obiekt rozpoczyna si

w miejscu

nastawiania układu, w którym wielko

ść

nastawiaj

ca u opuszcza regulator, a ko

czy si

w miejscu pomiaru, a zatem

tam gdzie wielko

ść

regulowana opuszcza obiekt regulacji.

Urz

dzenie regulacyjne jest najwa

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

zadania wymagane podczas regulacji. Nale

y do niego m.in. urz

dzenie pomiarowe. Słu

y ono do tego, aby w

sposób ci

gły dokonywa

pomiaru wielko

ci regulowanej

y w miejscu pomiaru. Człon porównuj

cy (komparator) jest

potrzebny po to, aby zmierzon

wielko

ść

regulowan

(rzeczywist

) porównywa

z wielko

zadan

w i tworzy

ró

nic

, która stanowi uchyb regulacji

e. Regulator przekształca uchyb regulacji

e w wielko

ść

wyj

ciow

z regulatora.

Urz

dzenie nastawiaj

ce jest ostatni

ęś

urz

dzenia regulacyjnego, które wyprowadza wielko

ść

nastawiaj

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

ść

regulowan

Punktami granicznymi pomi

dzy obiektem regulacji i urz

dzeniem regulacyjnym s

miejsce pomiaru i miejsce

nastawiania. W miejscu pomiaru urz

dzenie regulacyjne okre

la stan wielko

ci regulowanej, a w miejscu nastawiania

oddziałuje na obiekt.

Wielko

ci charakterystyczne obwodu regulacji

Wielko

ść

zadana

w jest wielko

, na któr

podczas regulacji bezpo

rednio si

nie oddziałuje, jest ona wprowadzana

z zewn

trz i pozostaje w zale

ci z wielko

regulowan

. Wielko

ść

zadana mo

e by

stała w czasie lub te

ulega

zmianie.
Uchyb regulacji

e uzyskuje si

jako ró

nic

pomi

dzy wielko

zadan

w a zmierzon

wielko

regulowan

(wielko

ść

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

lonymi

funkcyjnymi zale

ciami tworzy wielko

ść

nastawiaj

Wielko

ść

nastawiaj

u jest wielko

wyj

ciow

z urz

dzenia regulacyjnego oraz wielko

wej

ciow

obiektu

regulacji. Realizuje ona działanie steruj

ce urz

dzenia regulacyjnego na obiekt.

Wielko

ść

regulowana

y jest wielko

wyst

puj

na wyj

ciu obiektu i jest ona mierzona za pomoc

urz

dzenia

pomiarowego. Celem regulacji jest okre

lone oddziaływanie na t

wielko

ść

. Jest ona równocze

nie wielko

wyj

ciow

obiektu regulacji i wielko

wej

ciow

urz

dzenia regulacyjnego.

Do wielko

ci zakłócaj

cych

z s

zaliczane przede wszystkim wielko

ci działaj

ce z zewn

trz, które powoduj

niepo

Ŝą

dane oddziaływania na obiekt. W wi

kszo

ci układów technicznych wyst

puje wi

cej ni

jedno zakłócenie,

które ponadto mog

mie

ró

natur

fizyczn

. Jednak za pomoc

układu pomiarowego w sposób po

redni jest

zawsze wykrywany tylko wpływ wszystkich zakłóce

na obiekt regulacji. Zakłóceniom mog

równie

podlega

elementy

urz

dzenia regulacyjnego, np. regulator.

Regulator od

rodkowy Watt’a maszyny parowej (1778 r.)

Maszyna parowa

Obci

ąŜ

enie

Para

ruba do

nastawiania

Wielko

ść

zadana

Wielko

ść

regulowana

Porównanie regulacji ze sterowaniem

Sterowanie jest nieprzydatne
w przypadku niestabilno

ci.

W niestabilnych układach musi by

zastosowana regulacja.

Przebiegi dla
niestabilnych układów

Wysokie nakłady, je

eli musi

uwzgl

dnionych wiele

zakłóce

Małe nakłady, je

eli nie

wyst

puj

adne zakłócenia.

Małe nakłady:

• pomiar wielko

ci regulowanej,

• porównywanie warto

ci zadanej z rzeczywist

• wzmocnienie sygnału.

Nakłady techniczne

Reaguje szybko, je

eli

zakłócenie jest bezpo

rednio

mierzone.

Reaguje dopiero wtedy, gdy zmienia si

ró

nica

pomi

dzy warto

zadan

i warto

regulowan

Reakcja na zakłócenia
(czasowo)

Jest reakcja tylko na te
zakłócenia, które s

mierzone i

przetwarzane w układzie.

Wyst

puje przeciwdziałanie wszystkim

zakłóceniom, które wpływaj

na regulowany

układ.

Reakcja na zakłócenia
(ogólnie)

Wielko

ść

sterowana nie jest

mierzona i porównywana.

Wielko

ść

regulowana jest mierzona i

porównywana (z wielko

zadan

Pomiar i porównywanie
nastawianej wielko

Otwarta (ła

cuch sterowania)

Zamkni

ta (obwód regulacji)

Droga (obwód)
działania

Sterowanie

Regulacja

Cechy

charakterystyczne

W układach sterowania, w których zakłócenia nie s

mierzone, wielko

ci wyj

ciowe (sterowane) mog

odbiega

od wielko

ci zadanych.

Natomiast w układach regulacji wszystkie działaj

ce na obiekt regulacji zakłócenia s

okre

lane przez

pomiar wielko

ci regulowanej. Jedynym problemem jest to,

e doregulowanie spowodowane działaniem

uchybu (odchylenia regulacji) odbywa si

po zadziałaniu zakłócenia na układ, a zatem z opó

nieniem.

Podział układów regulacji

Istnieje wiele mo

liwo

ci (kryteriów) klasyfikacji układów regulacji:

I tak układy regulacji mo

na dzieli

ze wzgl

du na rodzaj i liczb

wielko

ci stanowi

cych

sprz

ęŜ

enie zwrotne.

W przypadku regulacji z jedn

wielko

w obwodzie regulacji wyst

puje tylko jedna p

tla

sprz

ęŜ

enia zwrotnego. Spo

ród wyst

puj

cych zwykle wielu wielko

ci wyj

ciowych obiektu w

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

wówczas,

eby ta

wielko

ść

wystarczaj

co dokładnie opisywała obiekt regulacji ze wzgl

du na jego stan.

eli w układzie regulacji wyst

puje wiele p

tli sprz

ęŜ

enia zwrotnego, to wówczas jest to tzw.

regulacja z wieloma wielko

ciami. Struktury układów regulacji z wieloma podrz

dnymi

obwodami sprz

ęŜ

enia zwrotnego s

nazywane tak

e kaskadowymi układami regulacji.

Natomiast ze wzgl

du na rodzaj zadania regulacyjnego rozró

nia si

układy:

regulacji stałowarto

ciowej (stabilizuj

ce) oraz

układy regulacji nad

ąŜ

nej (

ledz

ce).

W układach regulacji stałowarto

ciowej warto

ść

zadana jest stała w długim okresie czasu.

Zadaniem układu regulacji jest minimalizacja oddziaływania na obiekt regulacji wyst

puj

cych

zakłóce

Natomiast w przypadku układów regulacji nad

ąŜ

nej wielko

ść

zadana nie jest stała w czasie i

e si

zmienia

w sposób z góry nieprzewidziany (jest nieznan

funkcj

czasu). Zadaniem

urz

dzenia regulacyjnego jest mo

liwie dokładne odwzorowanie przebiegu czasowego

wielko

ci zadanej na wyj

ciu obiektu (wielko

ci regulowanej).

Klasyfikacja układów regulacji

W układach regulacji wyst

puje wiele wymaga

, które mog

silnie uzale

nione od realizowanego zadania. Oprócz

tego s

tak

e wymagania dotycz

ce wi

kszo

ci układów.

Wymagania dotycz

ce układów regulacji

Układ regulacji powinien by

liwie nieczuły i odporny na zmiany dowolnych parametrów obiektu

regulacji.

Odporno

ść

Odpowied

układu regulacji na wyst

pienie zakłócenia wzgl. zmian

wielko

ci zadanej musi by

wystarczaj

cym stopniu tłumiona, tzn. powinno by

zapewnione ustalenie wielko

ci regulowanej i tym

samym stabilno

ść

układu.

Tłumienie

Układ regulacji musi by

wystarczaj

co szybki, tzn. dynamiczne przebiegi sygnałów w przypadku

wyst

pienia zakłócenia lub zmiany wielko

ci zadanej musz

zako

czone w okre

lonym czasie.

Własno

dynamiczne

Statyczne odchylenie regulacji (uchyb) e po wyst

pieniu zakłócenia wzgl. zmianie wielko

ci zadanej

powinno by

równe zeru lub nie przekracza

zadanych granic.

Dokładno

ść

statyczna

Układ regulacji musi by

stabilny. Oznacza to,

e wyst

puj

ce w tym układzie sygnały dynamiczne

musz

mie

odpowiednie przebiegi w czasie.

Stabilno

ść

Wyja

nienie

Kryterium

kszo

ść

problemów technicznych w układach regulacji wymaga rozpatrzenia ju

na pocz

tku projektowania

kryteriów i ich realizacji w aplikacji układu.

Podczas wykonywania zada

dotycz

cych budowy układów regulacji wyst

puj

nast

puj

ce działania:

• modelowanie obiektów regulacji,

• projektowanie układu regulacji,

• synteza układu regulacji,

• implementacja i weryfikacja.

Jako

ść

zbudowanego układu regulacji, pomimo dysponowania obecnie

rodkami wspomagaj

cymi (np. systemy

komputerowe) nadal w znacznym stopniu zale

y od wiedzy i do

wiadcze

osób wykonuj

cych aplikacj

Zasady sterowania i regulacji w mechatronice

W zale

ci od wymaganej jako

ci sterowania lub regulacji stosowane s

ró

ne struktury układów.

Sterowanie w obwodzie otwartym

Sterowanie w układzie otwartym charakteryzuje tym,

e oddziaływanie na wielko

ść

sterowan

y odbywa si

przez wielko

ść

zadan

w bez sprz

ęŜ

enia zwrotnego. Wskutek tego podczas takiego działania układu nie jest

liwe dopasowanie wielko

ci nastawiaj

cej u do „wyniku” sterowania.

Człon steruj

(sterownik)

Urz

dzenie nastawiaj

(nastawnik, aktuator)

Obiekt

sterowania

Urz

dzenie steruj

Urz

dzenie steruj

łó

Wyj

cie

Przykładami realizacji sterowania w układzie otwartym s

silniki krokowe. Silniki krokowe mog

stosowane

do bezpo

redniego pozycjonowania zespołów roboczych maszyn (urz

dze

) bez dodatkowego układu

pomiarowego lub obwodu regulacji. Stanowi

one klasyczne rozwi

zanie otwartego układu sterowania.

Zadania takiego urz

dzenia steruj

cego s

nast

puj

ce:

• wyprowadzanie odcinków drogi proporcjonalnie do liczby impulsów,

• rozdział impulsów na poszczególne fazy w zale

ci od kierunku ruchu,

• sterowanie cz

stotliwo

impulsów.

Zasady regulacji w mechatronice

Zasady regulacji
Obwody z jedn

regulacji nie zawsze s

wystarczaj

ce w praktyce. Dlatego te

sto spotyka si

powi

zanie

wielu obwodów regulacji. W wielu układach za pomoc

obwodów regulacji z jedn

nie mo

na uzyska

wymaganej

dokładno

ci działania w warunkach wyst

puj

cych zakłóce

i przebiegu wielko

ci zadanej. Za pomoc

dodatkowych

obwodów regulacji mo

na znacznie zwi

kszy

jako

ść

i szybko

ść

regulacji. Innym powodem stosowania wielu p

tli

regulacji jest to,

e konieczne jest uwzgl

dnienie kilku wielko

ci wyj

ciowych, albo te

oddziaływanie wielu wielko

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

Wł

czenie wielko

ci zakłócaj

cej do członu nastawiaj

cego

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

ść

zakłócaj

ca wyst

puje blisko wej

cia do

obiektu i mo

e by

gle mierzona i przewtarzania. Warunkiem wł

czenia sygnału zakłócaj

cego jest mierzalno

ść

wielko

ci zakłócaj

cej. Dzi

ki temu regulator otrzymuje informacj

o aktualnie działaj

cym zakłóceniu nie dopiero wtedy,

gdy wpływ zakłócenia zostanie zmierzony na wyj

ciu obiektu, lecz ju

wcze

niej jest informowany o wielko

ci i rodzaju

zakłócenia. Inforamcje te s

wykorzystywane do okre

lenia wielko

ci nastawiaj

cej, która kompensuje wpływ zakłócenia

łó

Człon

porównuj

Urz

dzenie

nastawiaj

Obiekt

regulacji

Urz

dzenie regulacyjne

Urz

dzenie regulacyjne

Miejsce

pomiaru

(wielko

ść

regulowana)

Regulator

Urz

dzenie pomiarowe

(sensor, czujnik)

Wł

czenie wielko-

ci zakłócaj

cej

Regulacja ze stabilizuj

wielko

pomocnicz

Warunkiem zastosowania pokazanego wcze

niej rozwi

zania układu regulacji z wł

czeniem

wielko

ci zakłócaj

cej jest mo

liwo

ść

pomiaru zakłócenia, który to warunek cz

sto nie jest

spełniony. Aby w takich przypadkach móc szybko reagowa

na wyst

puj

ce zakłócenia,

konieczny jest pomiar oddziaływania zakłócenia na obiekt mo

liwie blisko miejsca jego

działania. Ten pomiar odbywa si

dodatkowo do wielko

ci regulowanej y i jest okre

lany jako

pomocnicza wielko

ść

regulacji y

Układ regulacji ze stabilizuj

wielko

pomocnicz

łó

Obiekt regulacji

(cz

ęść

Obiekt regulacji

(cz

ęść

Miejsce

pomiaru

(wielko

ść

regulowana)

Regulator

Człon

kompensacyjny

Układ regulacji o strukturze kaskadowej

Regulacja kaskadowa jest wa

nym przypadkiem regulacji z wielko

pomocnicz

. Jest ona stosowana wtedy, gdy

główne zakłócenie wyst

puje blisko wej

cia obiektu i nie mo

e by

mierzone w sposób ci

gły. Wtedy zakłócenia, które

wyst

puj

blisko wej

cia obiektu mog

ęś

ciowo kompensowane ju

w obwodzie wewn

trznym. W kaskadowym

układzie regulacji mo

na stosowa

sprz

ęŜ

enie zwrotne wielu wielko

ci regulowanych w p

tlach (obwodach) regulacji.

Umo

liwia to pełny opis stanu obiektu i tym samym popraw

dynamicznych przebiegów całego układu.

łó

Obiekt regulacji

(cz

ęść

Obiekt regulacji

(cz

ęść

Miejsce

pomiaru

(wielko

ść

regulowana)

Regulator

pomocniczy

Jak to wida

z rysunku pomocnicza wielko

ść

regulowana y

jest wprowadzana do regulatora pomocniczego, który

otrzymuje wielko

ść

przewodni

z regulatora głównego. Regulator pomocniczy i cz

ęść

1 obiektu regulacji tworz

pomocniczy obwód regulacji. Jego głównym zadaniem jest usuwanie z wielko

ci regulowanej y działania zakłócenia

wyst

puj

cego w przedniej cz

ęś

ci obiektu. Zakłócenia te s

przyło

one do wyj

cia pierwszej cz

ęś

ci obiektu i uj

te jako

wielko

ść

z. Wielko

ść

zakłócaj

ca z działa w pomocniczym obwodzie regulacji jako wielko

ść

wyj

ciowa.

Klasycznym przykładem zastosowania regulacji kaskadowej jest regulacja pr

du i pr

dko

ci obrotowej w

serwonap

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

obrabiarkach sterowanych numerycznie i robotach przemysłowych.

Układ regulacji o strukturze kaskadowej

Regulacja z pomocnicz

wielko

nastawiaj

Regulacja z pomocnicz

wielko

nastawiaj

jest stosowana wtedy, gdy główna wielko

ść

zakłócaj

działa w pobli

u wyj

cia obiektu i mo

na zbudowa

drugi człon nastawiaj

cy blisko wyj

cia obiektu. Przez

działanie pomocniczej wielko

ci nastawiaj

cej blisko wyj

cia obiektu mo

na szybciej wyregulowa

uchyb

regulacji, co staje si

liwe w wyniku przenoszenia wielko

ci nastawiaj

cej u przez obiekt.

łó

Obiekt regulacji

(cz

ęść

Obiekt regulacji

(cz

ęść

Regulator

pomocniczy

Ten rodzaj regulacji przynosi korzy

ci w przypadku wyst

powania zakłóce

blisko wyj

cia obiektu (cz

ęść

obiektu regulacji) i przy zmianie wielko

ci zadanej.

Ze wzgl

dów technologicznych lub ekonomicznych wymaga si

eby pomocnicza wielko

ść

nastawiaj

ca u

zanikała w stanie stacjonarnym. W innym przypadku mogłaby znikn

ąć

wielko

ść

nastawiaj

ca u, a jej funkcj

przej

łaby wielko

ść

Regulacja z pomocnicz

wielko

nastawiaj

Regulacja z wysterowaniem (sterowanie wyprzedzaj

ce, forsowanie)

Istniej

obwody regulacji, w których wyst

puje konieczno

ść

zarówno dokładnego wyregulowania

zakłóce

jak i wymaga si

od nich tak

e dokładnych przebiegów regulacji. W niektórych

przypadkach nie jest mo

liwe nastawienie regulatora w jednakowym stopniu na optymalne

działanie zarówno na działanie zakłóce

jak i optymalne przebiegi regulacji. W takim przypadku

nale

y zapewni

takie rozwi

zanie układu, w którym regulator oddzielnie traktuje zakłócenia i

zmiany sygnału wielko

ci zadanej.

Jest to mo

liwe w układzie sterowania wyprzedzaj

cego za pomoc

sygnału wiod

cego

(zadanego), w którym nast

puje taka ingerencja w obwodzie regulacji,

e dodatkowo do wej

cia

obiektu regulacji jest wprowadzany sygnał zale

ny od wielko

ci zadanej.

Przykładem regulacji z wysterowaniem jest sterowanie pr

dko

ruchu lub przyspieszeniami

dla silników pr

du stałego.

Obiekt

regulacji

Wysterowanie

Regulator

Regulacja z wysterowaniem (sterowanie wyprzedzaj

ce)

Porównanie wybranych zasad regulacji

Trudna w
projektowaniu

Poprawa przy
zmianach wielko

zadanych, a
równocze

nie lepsze

działanie przy
zakłóceniach.

Wielko

ść

zadana jest
wprowadzana
bezpo

rednio do

obiektu.

Dynamika obiektu
jest dokładnie
znana.

Regulacja z
wysterowaniem

Zwi

kszone nakłady

Poprawa jako

regulacji.

Zap

tlenie

obwodów
regulacji.

Istnienie wiele
(wewn

trznych)

wielko

regulowanych.

Regulacja
kaskadowa

Wpływ głównej
wielko

zakłócaj

cej musi by

znany; konieczne s

dodatkowe nakłady
zwi

zane z

pomiarem.

Główna wielko

ść

zakłócaj

ca nie musi

mierzona; regulacja

jest szybsza; uchyb jest
redukowany.

Regulacja jest
odci

ąŜ

ona od

głównej
wielko

zakłócaj

cej

Główna wielko

ść

zakłócaj

ca jest

znana; wpływ
głównej wielko

zakłócaj

cej jest

znany.

Regulacja z
stabilizuj

wielko

pomocnicz

Wpływ głównej
wielko

zakłócaj

cej musi by

znany; konieczne s

dodatkowe nakłady
zwi

zane z

pomiarem.

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

Regulacja jest
odci

ąŜ

ona od

głównej
wielko

zakłócaj

cej.

Główna wielko

ść

zakłócaj

ca jest

znana i mo

liwa

do pomiaru.
Znany jest wpływ
głównej wielko

zakłócaj

cej na

obiekt.

Wł

czenie

wielko

zakłócaj

cej

Wady

Zalety

Działanie

Wymagania

Zasada

Regulacja adaptacyjna

eli własno

ci obiektu regulacji zmieniaj

w sposób nieprzewidziany, to cz

sto nie mo

na uzyska

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

Jako regulacj

adaptacyjn

okre

la si

tak

regulacj

, w której samoczynnie zmieniaj

parametry lub

struktura regulatora w zale

ci od okre

lonych własno

ci obiektu, dzi

ki czemu uzyskiwane s

Ŝą

dane

przebiegi regulacji.

Obiekt

regulacji

Regulator

Proces

decyzyjny

Modyfikacja

Identyfikacja

Zasada regulacji adaptacyjnej opiera si

na rozpoznaniu lub identyfikacji obiektu regulacji, obliczeniu

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

eli zmienia si

wzmocnienie obiektu, to przez porównanie z modelem obiektu mo

na okre

wymagan

korekcj

(np. przez dzielenie) i wprowadzi

w członie wł

czonym szeregowo (np.

mno

enie) w urz

dzeniu regulacyjnym i w ten sposób zapewni

zachowanie stałego wzmocnienia

obwodu.

Istotnym problemem jest okre

lanie zmieniaj

cych si

parametrów i przetwarzanie w odpowiednich

algorytmach adaptacyjnych. Wskutek tego znacznie wzrastaj

nakłady zwi

zane z przetwarzaniem

informacji.

Porównanie sterowania z regulacj

Tak (wskutek

tego równie

stabilne układu

mog

sta

niestabilne)

Powolne

Wszystkich

Konieczny

Tak

Regulacja

Małe

Nie (poniewa

nie jest

przewidziane

zastosowania

w układach

niestabilnych)

Bardzo

szybkie

Tylko

znanych

Nie jest

konieczny

Nie

Sterowanie

Nakłady

obliczeniowe

(przetwarzania)

i sprz

towe

Problemy ze

stabilno

Zachowanie

przypadku

wyst

pienia

zakłóce

Eliminacja

zakłóce

Pomiar

wielko

wyj

ciowej

Sprz

ęŜ

enie

zwrotne

Układy sterowania maj

struktur

otwart

(nie maj

sprz

ęŜ

enia zwrotnego).

Natomiast układy regulacji maj

struktur

zamkni

z p

sprz

ęŜ

enia zwrotnego

(ujemnego).

ynieria systemów i produktów mechatronicznych w przemy

le samochodowym,

obrabiarkowym czy lotniczym stosuje zwykle w odniesieniu do mechatroniki takie podej

cie,

które opiera si

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

której zintegrowane systemy ko

cowe buduje si

z technik jednorodnych podsystemów

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

współbie

nie, ze szczególnym uwzgl

dnieniem ich interfejsów. Dopiero gdy te interfejsy s

zaprojektowane, to ka

dy z komponentów projektuje si

w dotychczasowy, tradycyjny sposób.

Oznacza to,

e punkt ci

ęŜ

ci spoczywa na multidyscyplinarnym porozumieniu si

ynierów

o ró

nej specjalno

ci w celu wła

ciwego zdefiniowania interfejsów.

W podej

ciu komponentowym nie istnieje

adna potrzeba opracowania jakiej

nowej techniki

jako wyniku

lejszej integracji z pozostałymi technikami, np.

cisłej integracji automatyki z

informatyk

. Mo

liwo

ci systemu mechatronicznego s

tutaj raczej wynikiem poprawnej

integracji technik istniej

cych. Podej

cie komponentowe dominuje w literaturze z zakresu

mechatroniki. I tak ksi

ąŜ

ki mechatroniczne po

caj

zwykle pierwszy rozdział zdefiniowaniu

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

t komputerowy, interfejsy,

komunikacja, modelowanie itp.

Podej

cie komponentowe jest ci

gle znacz

cym krokiem w stosunku do czasów, gdy

mechanicy najpierw konstruowali system mechaniczny, który nast

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

liwe do wykonania zadanie zaprojektowania i implementacji zło

onego sterownika do

nieprzystosowanej konstrukcji mechanicznej i zbyt wolnego systemu komputerowego.

Podej

cie komponentowe w mechatronice

Podej

cie interakcyjne i paradygmat oprogramowania

Post

p w elektronice cyfrowej otworzył nowe mo

liwo

ci rozwoju systemów, których podstaw

komponenty mechaniczne. Mo

liwo

ci te dotycz

przede wszystkim ogromnego wzrostu

przepływu informacji, który mo

e by

wykorzystany do po

Ŝą

danego sterowania komponentami

mechanicznymi. Mo

na stwierdzi

e nast

piła zmiana paradygmatu w projektowaniu tych

komponentów. Polega ona na tym,

e funkcje systemu nie s

fizycznie wbudowane w

komponent mechaniczny, lecz w oprogramowanie komputerowe. Innymi słowy nast

puje

przesuni

cie implementacji funkcjonalno

ci z mechaniki do oprogramowania, przy czym

najwa

niejsze komponenty systemu pozostaj

gle mechaniczne. Wyst

puje tutaj

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

to wła

nie oprogramowanie dostarcza nowej i szerokiej elastyczno

oraz swobody w projektowaniu i konstruowaniu. W wielu przypadkach wła

ciwe projektowanie

oprogramowania jest implementowaniem go w sprz

t elektroniczny.

Stosowanie paradygmatu oprogramowania powoduje,

e stare, sprawdzone teorie i poj

cia

projektowania mechanicznego zast

puje si

młodym, niedojrzałym oprogramowaniem,

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

stwo. Kluczowa cecha oprogramowania, jak

jest

jego ró

norodno

ść

i elastyczno

ść

, łatwo prowadzi do problemów wynikaj

cych z du

zło

ono

ci. In

ynieria mechaniczna, in

ynieria oprogramowania, in

ynieria sterowania i

ynieria komputerowa musz

c by

stosowane współbie

nie i w sposób zintegrowany. Na

tej podstawie s

identyfikowane, formułowane i prowadzone nowe prace. Podej

cie interakcyjne

na wi

c traktowa

jako doskonalenie dotychczasowych dyscyplin, technik i ich

integracji/interakcji. Mechatronika w takim uj

ciu jest wymy

laniem i rozwojem nowych teorii,

modeli, poj

ęć

i narz

dzi w odpowiedzi na potrzeby wyrastaj

ce z interakcji dyscyplin

naukowych.

ABS jako przykład systemu mechatronicznego

Przykładem urz

dzenia mechatronicznego jest stosowany powszechnie w samochodach

system zapobiegaj

cy blokowaniu kół podczas hamowania na

liskiej nawierzchni

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

do poprawy bezpiecze

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

cia do wprowadzenia kolejnych, coraz bardziej

rozbudowanych urz

dze

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

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

Poniewa

system ABS u

ywany jest ju

powszechnie, to zwykle znane jest jego

wyobra

enie funkcjonalne. Kierowcy wiedz

najcz

ęś

ciej,

e chodzi o pulsowanie ci

nienia w

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

Natomiast ogólnie mniej znana jest budowa systemu ABS, poniewa

jest ona ukryta w

podwoziu samochodu i pod mask

silnika. Chodzi tutaj o poszczególne jego elementy

(cz

ęś

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

hydrauliczn

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

przewody elektryczne i hydrauliczne.

Niektóre z tych elementów s

zintegrowane w jednej obudowie (zawory, pompa, silnik,

elektronika) i przez to niedost

pne gołym okiem. Dlatego te

spróbujmy przedstawi

istot

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

Zwykły hamulec hydrauliczny w samochodzie

W zwykłym tarczowym hamulcu hydraulicznym siła zaciskaj

ca szcz

ki (klocki) na powierzchni

tarczy hamulcowej powstaje przez działanie ci

nienia cieczy na tłoczek zwi

zany z jedn

szcz

k, umieszczonych w obudowie hamulca. Ci

nienie to powstaje przez przesuwanie tłoczka

pompy hamulcowej podczas naciskania na pedał hamulca.

Taki hamulec, podczas hamowania na podło

u o małej

przyczepno

ci (

liskim, piaszczystym), szybko zatrzymuje

(blokuje) koło. Mała przyczepno

ść

powoduje zmniejszenie

momentu hamowania, a wi

c szybkie zatrzymanie koła.

Przestaje si

ono obraca

wokół własnej osi, a z kolei

mała przyczepno

ść

powoduje,

e samochód nie reaguje

wła

ciwie na próby zatrzymania i staje si

niesterowalny.

Siła bezwładno

ci niesie go w dotychczasowym kierunku

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

cym ze skr

cenia kierownicy.

Rozwi

zaniem tego problemu jest przeciwdziałanie

blokowaniu. Mo

na to uzyska

przez szybk

(kilkadziesi

razy na sekund

) pulsacj

nienia hamowania od chwili,

gdy koło przestało si

obraca

. Tak szybkiej pulsacji

człowiek nie jest jednak w stanie wytworzy

swoj

nog

, a

ponadto nie jest w stanie bezpo

rednio wyczu

chwili

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

zbyt powolne w stosunku do dynamiki

zjawiska, nad którym musi zapanowa

. Dlatego musi go w

tym wyr

czy

urz

dzenie techniczne.

W systemie ABS układ hamulcowy jest

rozszerzony o trzy funkcje:

• funkcj

„wyczuwania” chwili zablokowania koła.

Realizatorem (no

nikiem) tej funkcji jest czujnik

(sensor) ruchu tarczy hamulcowej (koła),

• funkcj

szybkiego pulsowania ci

nienia płynu

hamulcowego. No

nikiem tej funkcji jest

urz

dzenie wykonawcze (aktuator) w postaci

szybko wył

czanego i wł

czanego zaworu

elektromagnetycznego,

• funkcj

odbierania i oceniania sygnałów z

czujnika oraz szybkiego naprzemiennego
wł

czania i wył

czania (sterowania) zaworu

elektromagnetycznego. No

nikiem tej funkcji

jest sterownik w postaci mikroprocesora,
mikrokontrolera lub mikrokomputera.

Dalszy rozwój systemów ABS jest zwi

zany z

działaniami maj

cymi na celu skrócenie drogi

hamowania, co mo

na osi

ąć

przez

zwi

kszenie szybko

ci reakcji elementów

układu hamulcowego.

ABS jako przykład systemu mechatronicznego

zawór elektromagnetyczny do
modulacji ci

nienia (aktuator)

dzy XVII a XIX wiekiem powstało wiele wa

nych urz

dze

(np. regulatory temperatury, regulatory ci

nienia

oraz mechaniczne maszyny licz

ce), na których mo

na prze

ledzi

wkład do rozwoju automatyki i mechatroniki.

Milowym krokiem był tu od

rodkowy regulator Watt’a do regulacji pr

dko

ci maszyny parowej. Przez pomiar

dko

ci obrotowej wału wyj

ciowego i u

ycie ruchu obrotowego kul do sterowania zaworem odbywało si

sterowanie ilo

pary wpływaj

cej do silnika. Gdy pr

dko

ść

silnika rosła, to kule aparatu ruchowego podnosiły

, poci

gaj

c za sob

kołnierz z ci

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

sprz

ęŜ

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

ęŜ

enia zwrotnego (sensoryka) i działanie steruj

(aktuatoryka) s

realizowane całkowicie przez urz

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

niej krosno Jackard’a ze sprz

ęŜ

eniem uprzedzaj

cym (ang.

feedforward). Pod koniec XIX w. Maxwell przez analiz

układu równa

ró

niczkowych opisuj

cych regulator

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

podstaw

działania silnika elektrycznego i pr

dnicy elektrycznej. Nast

pnie w latach 80. XIX w. Tesla wynalazł

silnik indukcyjny pr

du przemiennego.

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

w przemysłach procesowych. Jednak a

do 1940 r. projektowanie

systemów sterowania odbywało si

metod

prób i bł

dów. Post

p w zakresie metod matematycznych i

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

ynierii sterowania

(automatyki) jako niezale

nej dyscypliny in

ynierskiej. Szczególnie istotny post

p w teorii i praktyce sterowania

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

gni

to w okresie II Wojny

wiatowej. Po wojnie zacz

ły dominowa

techniki dziedziny cz

stotliwo

ciowej,

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

miejsc

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

ęŜ

eniem zwrotnym zach

ciły

Bode’go, Nyquist’a i Black’a do u

ycia sprz

ęŜ

enia zwrotnego w laboratoriach Bella. Działanie wzmacniaczy ze

sprz

ęŜ

eniem zwrotnym zostało opisane w dziedzinie cz

stotliwo

ci, a powstałe z tego praktyki projektowania i

analizy s

dzi

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

pił rozwój modeli w

dziedzinie czasu za pomoc

reprezentacji w postaci zmiennych stanu.

Rys historyczny rozwoju automatyki i automatyzacji

W obszarze komercyjnym, gdzie niskie koszty osi

ga si

dzi

ki produkcji masowej, automatyzacja

procesu produkcji stawała si

najwy

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

mechanizmów wieloczłonowych i nap

dów ła

cuchowych spowodowało wprowadzenie nowych

technologii produkcji. Przykładem tego s

maszyny włókiennicze, drukarskie i papiernicze, a tak

maszyny do szycia. Rzeczywisto

stało si

precyzyjne wytwarzanie masowe. I tak np.

automatyczna maszyna do wytwarzania pudełek papierowych wykonywała 200 pudełek na minut

nie zawierała

adnego niemechanicznego podsystemu poza silnikiem elektrycznym.

Rozwój mikroprocesorów w ko

cu lat 60. XX w. doprowadził do powstania pierwszych

komputerowych układów sterowania w maszynach wytwórczych. Przykładem tego s

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

cie ery kosmicznej. Rakiety i sondy

kosmiczne wymusiły rozwój zło

onych, wysoce dokładnych systemów sterowania. Konieczno

ść

minimalizacji masy satelity (to znaczy minimalizacji ilo

ci paliwa pobieranego dla misji), przy

zapewnianiu dokładnego sterowania, zach

ciła do post

pów w wa

nym obszarze sterowania

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

ły zlewa

w jeden system, w

którym obie dyscypliny s

wymagane ze wzgl

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

terminu firma pozbyła si

znaku w

1982 r. Na pocz

tku mechatronika odnosiła si

tylko do systemów zawieraj

cych systemy

mechaniczne z komponentami elektronicznymi, bez

adnego sterowania komputerowego.

Przykładami takich systemów były drzwi automatyczne przesuwane, maszyny sprzedaj

ce,

otwieracze drzwi gara

owych.

Rys historyczny rozwoju automatyki i automatyzacji

System techniczny jest okre

lany jako zwarty układ, który umo

liwia u

ytkownikowi celowy przebieg i

sterowanie procesu technicznego. Ma on wyra

ne granice z otoczeniem, które mog

przekracza

tylko

wielko

ci wej

ciowe i wyj

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

Wewn

trz tych granic mo

na wydzieli

podsystemy (komponenty, składniki), które s

powi

zane

przepływem materiałów, energii i sygnałów.
Systemy mechatroniczne s

systemami technicznymi. Stanowi

one dalszy rozwój klasycznych układów

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

w sposób

czysto mechaniczny za pomoc

składników mechanicznych. Potrzebna do tego celu energia była

dostarczana np. w postaci siły mi

ęś

ni. Nast

pnym stopniem rozwoju były układy elektromechaniczne,

które miały dodatkowo zintegrowane rozwi

zania i składniki elektryczne, aby wspomaga

mechanik

Najcz

ęś

ciej odzwierciadlało si

to zastosowaniem energii elektrycznej, np. nap

dów elektrycznych, do

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

. Analogowe i cyfrowe obwody przepływu sygnałów steruj

funkcjami. Obecne systemy

mechatroniczne s

czwartym stopniem tego rozwoju. Zintegrowane przetwarzanie informacji jest

realizowane przez mikroprocesory i oprogramowanie.
Systemy mechatroniczne daj

charakterystyczn

struktur

wyrobów. Składaj

one z cz

ęś

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

podstawow

struktur

mechaniczn

. Nieograniczona funkcjonalno

ść

całego systemu jest uzyskiwana przez współdziałanie wszystkich składników. Realizacja funkcjonalno

przez poszczególne składniki nie jest mo

liwa. Mikroprocesor odgrywa przy tym centraln

rol

. Czujniki

mierz

wielko

ci stanu systemu i otoczenia. S

one nast

pnie przetwarzane za pomoc

oprogramowania

i elektroniki cyfrowej. Dzi

ki algorytmom steruj

cym i regulacyjnym s

okre

lane konieczne oddziaływania

na układ mechaniczny i przekazywane w postaci sygnałów nastawiaj

cych do aktuatorów. Aktuatory

przetwarzaj

te sygnały w celowe ruchy i oddziałuj

na układ mechaniczny i tym samym wielko

ci stanu.

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

pnie s

zamieniane np. w siły i ruchy.

Systemy mechatroniczne

W ko

cu lat 70. XX w. Japo

skie Towarzystwo Przemysłu Maszynowego (JSPMI) sklasyfikowało

produkty mechatroniczne w cztery kategorie:

1. Klasa I: Pierwotnie mechanicznie produkty z elektronik

wbudowan

w celu rozszerzenia

funkcjonalno

ci. Przykłady: obrabiarki sterowane numerycznie, nap

dy o zmiennej pr

dko

w maszynach wytwórczych.

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

dzeniami

wewn

trznymi, zawieraj

cymi elektronik

. Przykłady: nowoczesna maszyna do szycia,

zautomatyzowane systemy wytwórcze.

3. Klasa III: Systemy z zachowan

funkcjonalno

tradycyjnych systemów mechanicznych, ale

z elektronik

w miejsce wewn

trznych mechanizmów. Przykład: zegarek cyfrowy.

4. Klasa IV: Produkty zaprojektowane przez synergiczn

integracj

techniki mechanicznej i

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

piece automatyczne.

Pojawiaj

ce si

nowoczesne technologie dla ka

dej klasy produktu mechatronicznego ilustruj

wzrost

produktów elektromechanicznych w tempie odpowiadaj

cym rozwojowi teorii sterowania, technologii

informacyjnej i mikroprocesorów. Produkty klasy I były mo

liwe dzi

ki technice serwomechanizmów,

elektronice mocy i teorii sterowania. Produkty klasy II - dzi

ki dost

pno

ci wczesnych urz

dze

obliczania i zapami

tywania oraz dzi

ki mo

liwo

ciom projektowania obwodów na zamówienie.

Produkty klasy III polegały głównie na mikroprocesorach i obwodach scalonych zast

puj

cych systemy

mechaniczne. Produkty klasy IV dały pocz

tek prawdziwym systemom mechatronicznym, przez

integracj

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

z rozwojem konstrukcji mikroprocesora przez firm

Intel, praktyk

stała si

integracja systemów

komputerowych w systemy mechaniczne.

Klasy systemów mechatronicznych

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

ciem teorii sterowania „krzepkiego” (ang.

robust control theory). Obecnie na ogół akceptuje si

taki stan,

e in

ynieria sterowania w

analizie i projektowaniu systemów sterowania musi si

zajmowa

jednocze

nie

obydwoma podej

ciami, tzn. podej

ciem w dziedzinie czasu i podej

ciem w dziedzinie

stotliwo

ci. Ponadto zastosowanie komputerów jako integralnych komponentów

systemów sterowania, stało si

rutyn

. Dzi

ki temu miliony zainstalowanych

mikrokomputerów słu

y do cyfrowego sterowania procesami. Bez wzgl

du na to, jak

definicj

mechatroniki przyjmiemy, zawsze jest oczywiste,

e nowoczesna mechatronika

zawiera komputer jako element centralny systemu. A to dlatego,

e istot

urz

dze

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

y ogólnej funkcji urz

dzenia

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

dzenie

realizuje) i do zmian otoczenia (w jakim urz

dzenie pracuje). Poniewa

dopasowanie jest

jedn

z cech inteligencji, to urz

dzenia mechatroniczne nazywa si

sto

zaawansowanymi (inteligentnymi) (ang. intelligent) lub zmy

lnymi (ang. smart).

Nale

y tak

e wspomnie

o nowej dyscyplinie jak

jest adaptronika, która wła

nie

dopasowywanie uczyniła sw

istot

. W szerokim uj

ciu mechatronika i adaptronika

wydaj

dwiema stronami tego samego medalu. O ile mechatronika jest nazw

strukturaln

, o tyle adaptronika jest nazw

funkcjonaln

. Ta pierwsza wskazuje z czego

urz

dzenie jest zbudowane, druga za

– po co jest budowane. W tym kontek

cie

nale

ałoby wspomnie

o jeszcze strukturotronice, usiłuj

cej zajmowa

inteligentnymi

strukturami konstrukcyjnymi.

Mechatronika, adaptronika i strukturotronika

eli układy elektroniczne s

stosowane po to, aby zoptymalizowa

działania zespołów mechanicznych

(np. w maszynie lub poje

dzie), to mówi si

obecnie o systemie mechatronicznym. Działanie elektroniki

jest przy tym okre

lone przez oprogramowanie. Wa

ne jest przy tym to,

Ŝą

dany wynik mo

uzyska

tylko przez wspólne działanie zespołów mechanicznych, elektronicznych i oprogramowania.

System mechatroniczny składa si

z czterech nast

puj

cych cz

ęś

ci:

mechanicznych, które wykonuj

okre

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

ci mechaniczne (siła, moment

obrotowy),

sensoryki, które okre

laj

stan zespołów mechanicznych (pr

dko

ść

, przyspieszenie, poło

enie) i

przekazuj

je do urz

dze

elektronicznych.

Mechatronika odgrywa wa

rol

wtedy, gdy optymalizacja działania (procesów) jest realizowana przez

oprogramowanie. Przykładami tego s

samochody, w których stosowane s

układy elektronicznej

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

kszego

znaczenia nabiera nap

d hybrydowy, który umo

liwia oszcz

dno

ść

paliwa.

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

stwo i

komfort jazdy w samochodach byłyby obecnie znacznie ni

sze, a zu

ycie paliwa wi

ksze. Szacuje si

e obecnie prawie 80% potencjału ulepsze

w samochodach zawiera si

w elektronice i tym samym

wykorzystaniu systemów mechatronicznych.

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

swoich

zada

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

zaawansowanej interdyscyplinarnej współpracy jak w budowie samochodów.

Rozwój systemów mechatronicznych

Etapy rozwojowe na drodze do multi-technologicznych

systemów

Wcze

niej:

Wcze

niej:

rozpatrywanie systemowe poszczególnych technologii, kooperacja jednostek

Obecnie:

integracja ró

norodnych obszarów technologii (mechatronika)

W przyszło

ci:

W przyszło

ci:

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

Wraz z post

pem techniki i szybkim rozwojem sprz

tu komputerowego i komunikacji sieciowej systemy

mechatroniczne s

w coraz wi

kszym stopniu wyposa

ane w procesory, elektronik

, czujniki i aktuatory.

Coraz wy

szy stopie

integracji i coraz silniejsze poł

czenie sieci

ze sob

ró

norodnych komponentów

prowadz

do wzrostu zło

ono

ci systemów. Charakteryzuj

one wieloma interfejsami z ich

otoczeniem, w tym tak

e z człowiekiem, co wymaga uwzgl

dnienia tego,

e obsługa, sterowanie i

nadzorowanie nie zawsze musz

niezawodne. Wysokie wymagania dotycz

ce niezawodno

ci maszyn,

urz

dze

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

dze

bezpiecze

stwa i

interakcji człowiek-maszyna powoduj

konieczno

ść

rozwoju odpowiednich metod i technik do analizy

niezawodno

ci. Je

eli jeszcze przed kilkoma laty były rozpatrywane oddzielnie współpracuj

ce ze sob

poszczególne jednostki ka

dego z obszarów technologicznych, to obecnie w systemach

mechatronicznych jest coraz wi

ksza integracja komponentów z zaz

biaj

cych si

ze sob

obszarów

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

dalej w kierunku miniaturyzacji technologicznej a

do „stopienia si

”

poszczególnych obszarów technologicznych. Rozpatrywane dotychczas oddzielnie, technologicznie
ró

norodne podsystemy do oceny niezawodno

ci musz

rozpatrywane, projektowane, zestawiane i

optymalizowane cało

ciowo i w sposób odniesiony do systemu.

Historyczny rozwój

systemów

mechanicznych,

elektrycznych

i elektronicznych

Czyste układy mechaniczne

Systemy mechaniczne z nap

dami

elektrycznymi

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

Systemy mechaniczne ze sterowaniem

automatycznym

←

silnik pr

du stałego 1870 r.

←

silnik pr

du przemiennego 1889 r.

Systemy mechaniczne ze sterowaniem:
- ci

głym (cyfrowym),

- sekwencyjnym cyfrowym.

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

la funkcje,

- efekty synergiczne.

<1900 r.

←

cewki, przeka

niki

←

wzmacniacze hydrauliczne,

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

dnica pr

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

dy dysków

roboty mobilne

komputerowa integracja

wytwarzania (CIM)

ło

yska magnetyczne

automatyzacja pojazdów

(ABS, ESP)

Rozwój urz

dze

elektrycznych

Rozwój systemów

automatyki

Rozwój systemów

sterowanych

komputerowo,

miniaturyzacja

systemów

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

tkack

, Jacquard, 1805

• generator elektryczny pr

du zmiennego, Pixii, 1832

• telegraf elektromagnetyczny, Morse, 1837

• silnik spalinowy, Lenoir, 1860

• silnik elektryczny, 1870

• tłumienie drga

pomieszcze

na statku, Bessemer, 1874

• elektryczne nap

dy: transport i przemysł, Siemens, 1879

• koncepcja regulatora PID dla statku, Minorskij, 1885

• silnik pr

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

nieniowy zawór bezpiecze

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

zykach tekstowych i graficznych, 1993

• OPC (OLE for Process Control) - standard mechanizmu komunikacji

pomi

dzy

ródłami danych w systemach wytwarzania, 1997

1990 ...

• systemy mechatroniczne z synergi

• 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.

Mechatronika jest te

trendem w interdyscyplinarnym podej

ciu do procesu

projektowania, który rozpocz

ł si

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

wzgl

du na

Ŝą

dania rynku rozwin

ł si

dynamicznie w latach osiemdziesi

tych XX w.

W tym okresie Japonia oraz Stany Zjednoczone stanowiły dwa przoduj

ce kraje w

dziedzinie zastosowa

mechatroniki. Wykorzystanie zaawansowanych technologii i

nowatorskie podej

cie w okre

laniu funkcji nowego wyrobu mo

e istotnie zwi

kszy

szans

sukcesu na rynku, ale wymaga interdyscyplinarnego podej

cia przy

projektowaniu wyrobu i opracowaniu technologii jego produkcji. Pojawienie si

łatwo

dost

pnych i tanich mikroprocesorów było istotnym warunkiem ich zastosowania na

szerok

skal

zarówno w urz

dzeniach przemysłowych, jak i w wyrobach

mechatronicznych powszechnego u

ytku (magnetowidy kasetowe, odtwarzacze CD,

pralki „fuzzy” z mikroprocesorowym programatorem).

Istot

mechatroniki jest interdyscyplinarne podej

cie do projektowania ju

na etapie

przygotowania specyfikacji wymaga

wyrobu. Te działania s

wspierane przez

wykorzystanie odpowiedniego oprogramowania, w tym narz

dzi CAD/CAM, CAE i

CASE (ang. Computer Aided System Engineering). Narz

dzia CASE istotnie zwi

kszaj

efektywno

ść

i produktywno

ść

projektantów, pozwalaj

c na odpowiedni

organizacj

pracy zespołowej i skrócenie czasu tworzenia ko

cowego produktu. Ułatwiaj

wprowadzenie zarz

dzania jako

oraz identyfikacj

odpowiedzialno

ci, zgodnie z

normami ISO 9000.

System komputerowo wspomaganego projektowania w rozwoju systemów
mechatronicznych musi uwzgl

dnia

wszystkie etapy procesu projektowania,

interdyscyplinarno

ść

konstrukcji, jak równie

powinien przykłada

szczególn

wag

do procesu budowy i badania wirtualnego prototypu.

Systemy mechatroniczne

OBIEKTY MECHATRONICZNE

Urz

dzenia (układy)

Systemy

Aktuatory (elementy
wykonawcze)

Aparat słuchowy

Urz

dzenia

peryferyjne

Czujniki (sensory)

Mikroprocesory

Magistrale

Robot-piesek AIBO

Robot

Obrabiarka z komputerowym
sterowaniem numerycznym

Wie

owiec w strefie sejsmicznej

z aktywnym tłumieniem drga

Aktywne zawieszenie pojazdu

ABS, ASR, EPS, VDC, ...

Silnik spalinowy z „common rail”

Twardy dysk

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

dy, narz

dzia, zabawki itp.

Przykłady urz

dze

i systemów mechatronicznych

Perspektywy rozwoju urz

dze

mechatronicznych

Dalszy rozwój mechatroniki b

dzie si

odbywał coraz bardziej w kierunku urz

dze

„inteligentnych”. Wzrasta

dzie znaczenie oprogramowania i algorytmów. Konkretne

przetworzenie „inteligentnie” zaplanowanych akcji b

dzie wymaga

rozszerzenia zdolno

ruchowych. Na znaczeniu zyska mikrotechnika. Przyszłe zastosowania mechatroniki mo

podzieli

na nast

puj

ce:

mechatronizowanie urz

dze

konwencjonalnych we wszystkich zwykłych obszarach ich

ytkowania w celu zwi

kszenia osi

gów, uproszczenia mechanizmów i obni

enia kosztów,

w obszarach, w których człowiek w ogóle nie mo

e pracowa

lub sam nie mo

e pracowa

, np. w

nanoobszarach, pod wod

, pod ziemi

i w przestrzeni kosmicznej. Roboty i inne urz

dzenia

mechatroniczne b

wspiera

ludzi w pracach, które s

niebezpieczne lub nieprzyjemne.

Chodzi tu przede wszystkim o ci

ęŜ

kie prace w budownictwie, zadania nadzorcze w

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

bie ratowniczej z automatycznymi aparatami lataj

cymi dla celów

ratowniczych i ga

niczych.

w obszarach, gdzie nie wystarcza zr

czno

ść

człowieka, jego wytrwało

ść

, zdolno

ść

koncentracji

czy niezawodno

ść

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

oczu, przemysłowej technice monta

u, mikrotechnice. Do tego nale

y zaliczy

zastosowanie

robotów jako pomocy w rehabilitacji medycznej w celu odtworzenia ograniczonych mo

liwo

ruchowych i zachowania przez człowieka niezale

ci fizycznej.

w obszarach rozrywki i zabawy. Natura ludzka raduje si

zwykle czym

nowym i

niespodziewanym. Dlatego roboty i inne urz

dzenia mechatroniczne spotyka si

jako przedmioty

zabawy, jako zabawki, jako co

ga na siebie spojrzenie. Poniewa

niezawodno

ść

i cena

nie s

w tym przypadku najwa

niejszymi priorytetami, ten obszar zastosowania mo

e by

nawet

pionierski dla bardziej wymagaj

cych zada

Cele i granice rozwi

mechatronicznych

Celami rozwi

mechatronicznych s

• realizowanie nowych funkcji,

• poprawa sposobów zachowania si

systemu przez sterowanie lub regulacj

bez ingerencji z

zewn

trz,

• rozszerzenie granic zastosowania,

• samoczynne nadzorowanie systemu i/lub diagnostyki uszkodze

• osi

gni

cie integracji struktury w małej przestrzeni,

• mo

liwo

ść

doł

czenia podsystemów mechatronicznych jako sprawdzalnych podzespołów lub

zespołów,

• poprawa pewno

ci działania.

Ograniczeniami rozwi

mechatronicznych mog

• zbyt wysoka temperatura otoczenia pracy lub obci

ąŜ

enie mechaniczne, np. drgania, które

szkodz

komponentom elektronicznym. Wtedy te ostatnie nie daj

zintegrowa

• niemo

liwo

ść

lub niecelowo

ść

napraw. Wymagana jest wymiana systemu mechatronicznego

lub jego komponentu,

• zbyt wysoki stosunek osi

gów (mo

liwo

ci) do ceny w danej sytuacji rynkowej, gdy

okre

lone sensory i aktuatory, albo cały system s

(jeszcze) za drogie.

Konsekwencje rozwoju systemów mechatronicznych

1. Dla samych systemów:

a) funkcje, które były dotychczas realizowane w sposób

mechaniczny s

lepiej wykonywane przez układy

elektroniczne i oprogramowanie (przesuni

cie funkcji),

b) powstaj

nowe (realizowane niematerialnie) funkcje

systemu przez samo sprz

ęŜ

enie informatyczne

podsystemów (rozszerzenie funkcji),

c) systemy mog

wł

czane w sieci do przetwarzania

informacji.

2. Dla metodyki projektowania systemu:

Wzrost b

cej do dyspozycji mocy obliczeniowej

komputerów umo

liwia zastosowanie efektywniejszych

narz

dzi obliczeniowych i symulacyjnych.

Wymagania dotycz

ce wytwarzanych wyrobów (np. maszyn) obejmuj

sto ich elastyczno

ść

wysok

wydajno

ść

i dokładno

ść

, zwarto

ść

konstrukcji oraz mo

liwie niskie koszty. Dzi

zastosowaniu rozwi

mechatronicznych mo

liwe jest np. znaczne zredukowanie nakładów

zwi

zanych z monta

em i instalacj

okablowania. Szafy sterownicze s

znacznie mniejsze lub

całkowicie wyeliminowane (sterownik i inne zespoły s

zintegrowane z maszyn

Rozproszone rozwi

zania nap

dów sprawiaj

e instalacje s

elastyczne i osi

gaj

wysokie

dko

ci. Ponadto mechatronika upraszcza justowanie maszyn, poniewa

zastosowanie

inteligentnych nap

dów powoduje zautomatyzowanie ich nastaw (dobór parametrów), co

dotychczas musiało by

realizowane manualnie.

Przej

cie z tradycyjnego, sekwencyjnego procesu projektowania (rozwoju) do

mechatronicznego, równoległego (współbie

nego) daje oszcz

dno

ci rz

du 20% kosztów.

Ró

nica, w porównaniu z konwencjonalnymi pracami in

ynierskimi, wyst

puje tak

e podczas

realizacji zlece

, a poszczególne działy nie pracuj

kolejno po sobie, ale dział mechaniczny,

elektroniczny i informatyczny

le od pocz

tku ze sob

współpracuj

. Opracowuj

c ci

gle

nowe rozwi

zania wyrobów w mechatronicznym systemie modułowym, ze standardowych

komponentów łatwo uzyskuje si

wiele ich wariantów dostosowanych do wymaga

klientów.

Poszczególne zespoły nie musz

od nowa konstruowane dla ka

dego projektu. Pozwala

to na zaoszcz

dzenie podczas rozwoju wiele czasu i pieni

dzy.

Ponadto zaawansowane narz

dzia programowe wspomagaj

konstruktorów podczas realizacji

projektów. Pozwalaj

one na automatyczne generowanie dokumentacji dotycz

cej projektu,

takiej jak np. rysunki konstrukcyjne, a tak

e dokumentowanie całego procesu projektowania.

Dalsz

korzy

jest mo

liwo

ść

wykonywania wirtualnych testów zespołów, maszyn i instalacji

podczas procesu projektowania. Dzi

ki temu mo

na wcze

nie wykry

i usun

ąć

bł

dy, a

tak

e mo

na zrezygnowa

z budowy prototypu wyrobu.

Efekty zastosowania rozwi

mechatronicznych

Człony przenosz

ce i przetwarzaj

Elementy umieszczone na przek

tnej s

członami przenosz

cymi z wielko

ciami

wej

ciowymi i wyj

ciowymi tego samego

charakteru fizycznego. Wszystkie inne
grupy s

przetwornikami:

• sensory s

to przetworniki (czujniki)

nieelektryczne

→

elektryczne

• aktuatory s

to przetworniki

elektr../nieelektryczne

→

mechaniczne

Mechanicz. Elektrycz.

Magnet.

Termicz. Optycz.

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

czenia (materiał/ siła, zamkni

cie kształtu)

• Pr

ty • Płyty • Wałki • Spr

ęŜ

yny • Tłumiki • Zderzaki • Blokady • Uszczelki

• Przeguby • Ło

yska • Prowadnice • Przekładnie • Sprz

gła • Hamulce

• Mechanizmy przeł

czaj

ce • Regulatory • Elementy płynowo-prowadnicowo-regulacyjne

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

• Magnesy • Elektromagnesy • Elementy magneto-mechaniczno-optyczne

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

ce • Ł

czniki ciepło/siła

• Optyczne

ródła promieniowania • LASERY • Zwierciadła • Pryzmaty • Soczewki

• Siatki optyczne • Obiektywy • Kondensory • Okulary • Elementy

wiatłowodowe

• Elementy opto-elektroniczne

Moduły i elementy stosowane w budowie wyrobów

mechatronicznych

System mechatroniczny – jednostka automatyzacji

System

mechatroniczny

Wej

cie

Wyj

cie

Wzmacniacz

Silnik

Kabel

d przemienny

d stały

Moc

Sygnały

Ło

yska

mechaniczne

indukcyjne

pojemno

ciowe

elektryczne

Sensory

Mechanika

Ło

yska

lizgowe

Ło

yska

toczne

Prowadnice

ruby poci

gowe

Korpusy

Ethernet

...

Sie

komunikacyjna

Sterownik

Moduły I/O

cyfrowe

analogowe

Program steruj

Wizualizacja

System operacyjny