Pytania na egzamin z Elementów Mechatroniki.

Kierunek Mechatronika.

1. Co to jest mechatronika?

Odp.

Mechatronika jest synergiczną kombinacją inżynierii mechanizmów precyzyjnych, elektronicznego sterowania i myślenia systemowego w projektowaniu, procesie produkcji - wytwarzaniu.

Mechatronika jest właściwie połączeniem mechaniki, elektroniki i elektromagnetyzmu stosowanego w maszynach i systemach, które nie mogą istnieć i pracować bez wewnętrznego sprzężenia elektronicznego i elektromagnetycznego.

2. Wymień aktualne „Mechatroniczne Trendy” i krótko opisz jeden z nich.

Odp.

1. Aktuatory

2. Ciecze magnetyczne

3. Łożyska magnetyczne - lewitacja magnetyczna

4. Materiały z pamięcią kształtu

5. MEMS

3. Struktura urządzenia mechatronicznego.

Odp.

4. Napisać równania dla układu dwóch mas jak na rysunku:

Odp.

Przyjęcie dwóch współrzędnych niezależnych:

Energia kinetyczna układu:

Energia potencjalna układu:

Obliczanie pochodnych potrzebnych do równania Lagrange'a:

Podstawiając obliczone pochodne to równania Lagrange'a otrzymujemy:

5. Dla podanego schematu wyznaczyć:
   ,
   ,
   ,
   , przy czym założyć, że:

1. Masę „m” możemy traktować jako punktową

2. Masa „m” może wykonywać ruch postępowy
   wzdłuż prowadnicy

3. Prowadnica ma znikomo małą masę
   w porównaniu do masy „m”

gdzie q₁ to zmienna reprezentującą wydłużenie sprężyny, a q₂ zmienna związaną z wychyleniem całego wahadła.

Odp.

Wprowadzając prędkość styczną do trajektorii ruchu masy „m”

Całkowita energia kinetyczna wynosi:

Energia potencjalna wynosi:

Do równania Lagrange'a podstawiamy wzory na E_p i E_k

I po obliczeniu wychodzi:

Powyższe równania sprowadzamy do postaci kanonicznej:

I ostateczne wyniki wyglądają następująco:

6. Z jakich silników składa się system wrzecionowy dysków twardych?

Odp.

• Silnik wrzecionowy (z ang. Spindle Motor - SM) - czyli bezszczotkowy silnik prądu stałego BLDC (z ang. Brushless DC) wzbudzony od magnesów trwałych. To napęd stosu talerzy.

• Układ łożyskowania - łożyska kulkowe bądź hydro- lub aerodynamiczne,

• Wrzeciono - element na którym umieszczane są talerze,

• Zatrzaski, klamry - elementy blokujące, przytwierdzające talerze do wrzeciona

• Talerze - nośniki danych

7. Jak można zwiększyć pojemność dysków twardych?

Odp.

• Poprzez zwiększanie powierzchni na której dane będą zapisywane. W praktyce sprowadza się to do zwiększania liczby talerzy (nośników danych),

• Poprzez zwiększanie liniowej gęstości bitów zapisywanych na ścieżce z danymi. W praktyce prowadzi to do zmniejszania wymiarów geometrycznych (długości) bitów,

• Poprzez zwiększenie liczby ścieżek przypadających na jednostkę długości liczonej wzdłuż promienia nośnika danych (talerza).

8. Budowa silnika SM i klasyfikacja silników SM.

Odp.

Budowa: piasto, wrzeciono, jarzmo wirnika, wał, łożysko, uzwojenie, blachy stojana, pierścień z magnesami trwałymi.

Klasyfikacja:

• Ze względu na sposób umieszczenia wirnika wobec stojana (silnik z wirnikiem wewnętrznymi i zewnętrznym)

• Ze względu na umieszczenie wirnika wobec piasty (z wirnikiem umieszczonym w dolnej części piasta, w piaście, i podwieszony pod piastą)

• Ze względu na konstrukcję uzwojenia stojana (bez uzwojeń pomocniczych i z uzwojeniami pomocniczymi)

• Ze względu na konfigurację obwodu magnetycznego (z osiowo symetrycznym i niesymetrycznym układem zębów stojana, ze szczeliną osiową - jedno i dwu stronną)

• Ze względu na łożyskowanie wałów (z łożyskami kulkowymi i hydrodynamicznymi)

9. Wymień założenia upraszczające system elektromagnetyczny.

Odp.

• obwód magnetyczny jest liniowy,

• pomija się wpływ prądów wirowych
  (w silnikach wrzecionowych prądy wirowe mają poważny udział w całkowitych stratach cieplnych),

• uzwojenia stojana są elektrycznie symetryczne,

• osie faz uzwojenia stojana są rozmieszczone co 120º elektrycznych,

• uzwojenia są sinusoidalnie rozłożone wzdłuż obwodu stojana,

• strumień wzbudzenia jest sinusoidalny,

• napięcie indukowane jest sinusoidalne.

10. Wymień tryby pracy aktuatora głowic i silnika VCM.

Odp.

1. Zasilanie silnika łukowego (VCM) przebiegami o niskiej częstotliwości. Głowice osiągają pozycję na pożądanym sektorem (ścieżką). W tym trybie pracy głowica pokonuje duże odległości,

2. Częstotliwość napięcia zasilającego stopniowo rośnie jak głowice osiągają pożądaną ścieżkę.

3. Jeśli głowica osiągnie zadany sektor częstotliwość napięcia zasilania staje się bardzo duża
   
   
   
   
   

11. Drganie rezonansowe aktuatora głowic może być modelowane poprzez słabo tłumiony biegun zespolony. Napisz wzór na transmitancję Hd(s) któremu odpowiada pojedynczy biegun.

Odp.

12. Siła Lorentz'a i Siła Amper'a. Napisz wzory opisujące przewodnik znajdujący się w jednorodnym polu magnetycznym.

Odp.

• 
  Siła Lorentz'a: Siła ta nie zmienia wartości prędkości ładunku ale tylko kierunek ruchu. Oznacza to, że energia kinetyczna ładunku w polu magnetycznym nie zmienia się, pole nie wykonuje pracy nad ładunkiem.
  

• Siła Amper'a:
  

• Przewodnik znajdujący się w jednorodnym polu magnetycznym:

13. Narysuj i opisz łańcuch kinematyczny z rozlokowanymi układami współrzędnych aktuatora głowic o 3Dof

Odp.

q_2,, ₂

x₁, v₁ ,q₁

m

k

q₁

q₂

q₁

m

q₁

kq₁

l=q₁cos(q₂)

mg

q₂

m

k

2

1

3