Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[50].O1.01. Definiowanie pojęcia „mechatronika” zawartego w programie nauczania dla ...
Typologia: Egzaminy
1 / 40
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
i NAUKI
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2005
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
Recenzenci: dr inż. Jerzy Gustowski dr hab. inż. Krzysztof Pacholski
Opracowanie redakcyjne: mgr inż. Katarzyna Maćkowska
Konsultacja: dr inż. Janusz Figurski
Korekta: mgr Joanna Iwanowska
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[50].O1.01. Definiowanie pojęcia „mechatronika” zawartego w programie nauczania dla zawodu technik mechatronik.
Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2005
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
Poradnik będzie Ci pomocny w poznaniu podstawowych pojęć, bloków funkcjonalnych, zastosowania oraz perspektyw rozwoju mechatroniki. W poradniku zamieszczono: − wymagania wstępne, wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane, abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika, − cele kształcenia, stanowiące wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem, − materiał nauczania - „pigułka” wiadomości teoretycznych niezbędnych do opanowania treści jednostki modułowej, − zestaw pytań przydatny do sprawdzenia, czy już opanowałeś podane treści, − ćwiczenia pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować umiejętności praktyczne, − sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań i pytań. Pozytywny wynik sprawdzianu potwierdzi, że dobrze pracowałeś podczas lekcji i że opanowałeś wiedzę i umiejętności z zakresu tej jednostki modułowej, − literaturę uzupełniającą. W razie wątpliwości zwróć się o pomoc do nauczyciela.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
Przystępując do realizacji programu nauczania jednostki modułowej powinieneś umieć: − stosować jednostki miary układu SI, − posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu statyki, dynamiki, kinematyki, takimi jak: masa, siła, prędkość, energia, − obsługiwać komputer na poziomie podstawowym, − korzystać z różnych źródeł informacji.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
Termin mechatronika powstał jako złożenie słów mechanika i elektronika. Większość publikacji wskazuje na pierwsze użycie terminu mechatronika w japońskiej firmie Yaskawa Elektric Co. w końcu lat siedemdziesiątych. Służyło określeniu komputerowego układu sterowania elektrycznego silnika. Jako pierwsze urządzenie mechatroniczne uznaje się obrabiarkę sterowaną numerycznie wyprodukowaną w USA w 1952 roku. Obecnie posługujemy się definicją przyjętą przez Międzynarodową Federację Teorii Maszyn i Mechanizmów, według której „mechatronika jest synergiczną kombinacją mechaniki precyzyjnej, elektronicznego sterowania i systemowego myślenia przy projektowaniu produktów i systemów produkcyjnych”. Synergia jest to współdziałanie, kooperacja czynników skuteczniejsza niż suma ich oddzielnych działań. Na rys. 1 przedstawiono mechatronikę jako połączenie mechaniki, elektroniki i informatyki.
Rys. 1. Mechatronika jako synergiczne połączenie mechaniki, elektroniki i informatyki
MECHATRONIKA
STEROWANIE
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
Mechtronika obejmuje nie tylko takie dziedziny techniki jak: mechanika, elektronika i informatyka. W mechatronice występują również zagadnienia związane z automatyką, inżynierią materiałową, optyką, biologią, medycyną. Mechatronika obejmuje synergiczną integrację elektroniki, mechaniki, techniki sterowania, technologii komputerowej i informatyki. Synergiczna integracja prowadzi do uzyskania optymalnego rozwiązania urządzenia czy też systemu. Cechą charakterystyczną mechatroniki jest występowanie inteligentnych systemów, których działanie wykazuje cechy dostosowania się do zmieniających się okoliczności i wymagań z uwzględnieniem doświadczeń z przeszłości. Systemy inteligentne występujące w układach mechatronicznych oparte są na rozumieniu ludzkim i na systemach biologicznych. Systemy te występują w układach sterowania i są to: − logika rozmyta, − sztuczne sieci neuronowe, − algorytmy genetyczne. Logika rozmyta – działanie urządzeń pracujących jako urządzenia rozmyte (fuzzy logic) oparte na naśladowaniu procesu dedukcji charakterystycznej dla człowieka. Sztuczne sieci neuronowe – działanie jest wzorowane na działaniu sieci neuronowych mózgu człowieka. Algorytm genetyczny – to metoda wyszukiwania i optymalizacji, wykorzystująca teorię Darwina (ewolucja genetyczna i selekcja naturalna). W wielu publikacjach występuje klasyfikowanie urządzeń mechatronicznych według
kolejnych generacji:
I generacja to urządzenia mechaniczne sterowane przez elektryczne układy logiczne, II generacja to urządzenia mechaniczne sterowane przez układy mikroprocesorowe, III generacja zawierające jako układy sterowania wielofunkcyjne układy mikroprocesorowe o dużej skali integracji. Urządzenia i systemy mechatroniczne charakteryzują się następującymi cechami: − multifunkcjonalnością, oznaczającą łatwość realizacji różnych zadań przez jedno urządzenie, na przykład. przez zmianę oprogramowania, − inteligencją, oznaczającą możliwością podejmowania decyzji i komunikacji z otoczeniem, − elastycznością, czyli łatwością modyfikacji konstrukcji na etapie projektowania, produkcji oraz eksploatacji urządzenia, np. przez zastosowanie konstrukcji modułowej, − możliwością niewidocznego dla operatora sposobu działania, co wymaga zastosowania interfejsu użytkownika dla komunikowania się z operatorem.
Budowa typowego układu mechatronicznego. Urządzenia mechatroniczne charakteryzują się modułowością konstrukcji. Podstawowymi modułami (blokami) funkcjonalnymi w urządzeniach są: − zespół sensorów (czujników), − układ sterujący, − aktuator (układ wykonawczy). Na rys. 2 przedstawiony jest schemat typowego układu mechatronicznego z obwodem automatycznej regulacji, złożony z układu podstawowego sensora(ów), jednostki przetwarzania informacji i aktuatora(ów)[5].
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
− przystosowywanie się do zmiennych warunków środowiska lub − przeprowadzanie samodiagnozy z możliwą samokorekturą. Układ mechaniczny za pomocą sensorów (czujników) uzyskuje informacje o otoczeniu. Informacje te są przetwarzane i na tej podstawie układ sterujący wytwarza odpowiednie sygnały, które działają na aktuatory (człony wykonawcze). Zmierzone przez sensory wielkości są przetwarzane na postać cyfrową. Sygnał cyfrowy doprowadzony jest do jednostki sterującej, która odpowiednio przetwarza sygnały wejściowe i zgodnie ze swoim algorytmem wytwarza sygnały wyjściowe, których postać fizyczna i wartości dopasowywane są do zastosowanego w urządzeniu układu wykonawczego. Układem wykonawczym mogą być wszelkiego rodzaju siłowniki, silniki. Jednostka centralna otrzymuje również sygnały z innych jednostek (system komunikacji), które również mają wpływ na sygnały wyjściowe z jednostki sterującej. Sygnały z układów wykonawczych wprowadzane są do układu podstawowego. Ogólnie urządzenie mechatroniczne można określić jako programowalne urządzenia elektromechaniczne wyposażone w czujniki i zespoły wykonawcze Układ mechatroniczny naśladuje przyrodę. Wprowadzane inteligentne systemy do sterowania (sztuczne sieci neutronowe, logika rozmyta) wzorowane są na sieciach neuronowych i sposobie myślenia człowieka. Przedstawione w następnych rozdziałach urządzenia lub zespoły mechatroniczne noszą nawet nazwy: sztuczne owady, sztuczna ręka, sztuczna skóra, sztuczne oko. Systemowe projektowanie urządzeń mechatronicznych Tradycyjny sposób projektowania konstrukcji polegał na etapowości prac projektowych. Na pierwszym etapie projektowania tworzono konstrukcję mechaniczną, w następnym dodawano do niej elementy sterujące. Z kolei elementy sterujące wymagały doprowadzenia odpowiednich sygnałów informacyjnych, czyli układ wzbogacano o urządzenia pomiarowe i na końcowym etapie o człony wykonawcze. Oczywiście skonstruowane w oparciu o tak stworzony projekt urządzenie działało prawidłowo, ale miało jeden podstawowy mankament
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
Ważne jest, aby na każdym etapie projektowania stosować modelowanie i symulację. Stworzenie jak najwierniejszego modelu układu rzeczywistego, a następnie symulacja jego pracy jest zdecydowanie tańsza niż testowanie obiektu rzeczywistego i dopiero na podstawie badań wprowadzanie do konstrukcji istotnych poprawek. Projektowanie układów polega na wprowadzaniu więzów przez każdą dyscyplinę. Projektowanie w obrębie konstrukcji prowadzi do uzyskania układu fizycznego, projektowanie w obrębie układu przetwarzania danych prowadzi do uzyskania inteligentnego układu sterowania. Układ sterowania jest projektowany tak, aby polecenia były wydawane w czasie rzeczywistym. Umożliwia to wybór najlepszego sposobu działania układu fizycznego. Im bardziej stworzony model układu fizycznego oraz układu sterowania są zbliżone do układu rzeczywistego, tym symulacja działania modelu układu mechatronicznego będzie wierniej oddawała działanie układu rzeczywistego. Systemowe podejście do projektowania układów mechatronicznych gwarantuje najpełniejsze i najefektywniejsze wykorzystanie współpracujących ze sobą elementów układu. Na schemacie rys. 3 przedstawiono podstawowe cykle występujące w trakcie opracowywania nowego wyrobu mechatronicznego.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
Podział cykli:
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
Ćwiczenie 1 Wymień podstawowe dyscypliny naukowe wchodzące w skład mechatroniki i określ, czym się zajmują.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
Wyposażenie stanowiska pracy: − karty katalogowe urządzeń mechatronicznych, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia_._
Ćwiczenie 2 Urządzenia mechatroniczne uszereguj według zastosowanych w nich różnych inteligentnych systemów sterowania.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
Wyposażenie stanowiska pracy: − literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia, − karty katalogowe urządzeń mechatronicznych.
Ćwiczenie 3 Wskaż bloki funkcjonalne urządzeń mechatronicznych.
Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:
Wyposażenie stanowiska pracy: − karty katalogowe urządzeń, − literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
4.2. Podstawowe zjawiska fizyczne w elektrotechnice, mechanice,
pneumatyce oraz hydraulice
Charakterystyczną cechą urządzeń mechatronicznych jest przetwarzanie i przekazywanie sygnałów: mechanicznych, elektrycznych, pneumatycznych, hydraulicznych optycznych, chemicznych, biologicznych.
Części i zespoły urządzenia mechatronicznego są ze sobą powiązane zespołami komunikującymi się i wpółpracującymi. Powiązanie struktury mechanicznej, sensorów, aktuatorów i przetwarzania informacji następuje w wyniku przepływu strumieni masy, energii i informacji (rys. 2).
W zależności, jakiego czynnika roboczego dotyczy, materia przyjmuje postać: przemieszczających się mechanizmów, przepływającego czynnika roboczego (płyny), przepływającego prądu, rozchodzących się fal.
W układach mechatronicznych wstępuje zamiana jednej postaci energii. w drugą.
W układach mechanicznych energię opisuje zależność:
m ٠ V² E = ――― – energia kinetyczna, 2 E = m· g · h – energia potencjalna
gdzie:
m – masa.
V – prędkość,
g – przyspieszenie ziemskie,
h – wysokość wzniesienia ciała nad poziom odniesienia.
W układach pneumatycznych i hydraulicznych energię przepływającego płynu opisuje zależność:
E = Q · p· t
Q – natężenie przepływu, ilość przepływającego czynnika w jednostce czasu,
p – ciśnienie,
t – czas
W układach elektrycznych:
E = u· i· t,
u – napięcie,
i – natężenie przepływającego prądu,
t – czas.
Śledząc dowolny układ mechatroniczny obserwujemy przepływ informacji. Nośnikiem informacji jest sygnał Sygnał jest to przebieg dowolnej wielkości fizycznej. Informacją może być wartość sygnału lub charakter jego przebiegu. Ze względu na strukturę wyróżniamy sygnały: − analogowe
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
− cyfrowe − binarne Sygnały analogowe są sygnałami o charakterze ciągłym, na przykład temperatura, wilgotność, napięcie. Informacja może być zawarta w wartości temperatury, wartości prądu, napięcia, częstotliwości. W sygnałach cyfrowych (dyskretnych) informacja przyjmuje skończoną liczbę wartości, którym przyporządkowane są symbole najczęściej liczby W sygnałach binarnych występują tylko dwie wartości sygnału cyfrowego 0 i 1. Urządzenia pomiarowe wskazówkowe przedstawiają informacje w sposób analogowy (wychylenie wskazówki jest proporcjonalne do wielkości mierzonej). Urządzenia pomiarowe cyfrowe wskazują wartość liczbową mierzonej wielkości. W przypadku sygnalizacji przekroczenia zakresu na przykład przez zapalenie diody sygnalizacyjnej mamy do czynienia z sygnałem binarnym. Sterowanie posuwem narzędzia skrawającego podczas toczenia na tokarce klasycznej jest sterowaniem analogowym. Włączenie i wyłączenie tokarki jest sterowaniem binarnym. W układach mechanicznych sygnały mogą mieć postać: − siły F = m a, − prędkości V, − przyśpieszenia a, − przesunięcia l W układach elektrycznych sygnały najczęściej mają postać: − natężenia prądu i, − napięcia u, W pneumatyce i hydraulice: − ciśnienia p, − natężenia przepływu Q.
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
Ćwiczenie 1 W danym urządzeniu mechatronicznym wskaż rodzaje występujących sygnałów.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
4.3. Przykłady zastosowań urządzeń mechatronicznych
Urządzenia mechatroniczne można spotkać we wszystkich dziedzinach techniki oraz w naszym życiu codziennym. W rozdziale 4.1.1 podano, że za pierwsze urządzenie mechatroniczne uznaje się obrabiarkę cyfrową skonstruowaną w 1950 roku. W 1952 roku [3], 6 lat po uruchomieniu pierwszego komputera elektronicznego ENIAC, fima Cincinati współpracująca z Massachusetts Institute of Technology uruchomiła pierwszą frezarkę ze sterowaniem numerycznym NC (Numerical Control). Około roku 1970 opracowano pierwszą obrabiarkę ze sterowaniem CNC (Computer Numerical Control). Była to wiertarko-frezarka sterowana w 5 osiach. Później pojawiły się maszyny manipulacyjne ze sterowniem cyfrowym. W 1962 r. w USA zbudowano pierwsze dwa roboty do zastosowań przemysłowych: Unimate 1900 i Versatran Model C. Urządzenia i systemy mechatroniczne ze względu na zastosowanie można podzielić na następujące podstawowe grupy:
Przykłady urządzeń powszechnego użytku Obserwując własne otoczenie możemy stwierdzić, że urządzenia mechatroniczne takie jak: pralki automatyczne, telefony, kuchenki mikrofalowe, samochody, urządzenia grzewcze, cyfrowe aparaty fotograficzne, kamery wideo, komputery są wszechobecne. a)
b) c)
Rys. 4. Mechatroniczne urządzenia powszechnego użytku: a) telefon komórkowy, b) telefon, c) komputer
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
Urządzenia mechatroniczne zastosowane w samochodach służą przede wszystkim do zwiększenia bezpieczeństwa, komfortu jazdy, sprawności i niezawodności. Na rys. 5 zaznaczono urządzenia mechatroniczne w samochodzie zwiększające bezpieczeństwo podróżnych.
Rys. 5. Urządzenia mechatroniczne w samochodzie zwiększające bezpieczeństwo podróżnych [7]
Niektóre rozwiązania prześledzimy na przykładzie samochodu BMW Z 22. Na rys. 6 przedstawiono elektroniczny układ kierowniczy. Układ kierowniczy składa się z modułu kierownicy, przekładni kierowniczej (funkcję tę pełni bezszczotkowy silnik elektryczny z systemem nadawania sygnałów zwrotnych), jednostki sterującej i oddzielnego akumulatora. W przedstawionym układzie bez trudu można wyróżnić charakterystyczne moduły (bloki) występujące w typowym układzie mechatronicznym: czujniki, jednostkę sterującą oraz układ wykonawczy. Zastosowanie zmiennego przełożenia układu kierowniczego pozwala na dostosowanie kąta skrętu kół do warunków jazdy i prędkości jazdy.
