projektowanie układów...

Literatura1. B. Heimann, W. Gerth, K. Popp.: Mechatronika –komponenty, metody,

przykłady. PWN 2001.

2. M. Gawrysiak: Mechatronika i projektowanie mechatroniczne. Wyd.

Politechniki Białostockiej 1997.

3. J. Wojnarowski: Wprowadzenie do mechatroniki. Wyd. PWSZ, Nowy Sącz,

2012.

4. Devdas Shetty: Mechatronics System Design. PWS Publishing Company,

Boston 1997

5. W. Bolton: Mechatronics. Longman, New York 1999.

6. D. K. Miu: Mechatronics – electromechanics and contromechanics. Springer-

Verlag, New York 1993,

7. T. Uhl: Projektowanie mechatroniczne - zagadnienia wybrane, Wydawnictwo

AGH, 2008.

Projektowanie Układów Mechatronicznych

3

W znaczeniu technicznym maszyna jest to urządzenie

(najczęściej złożone z wielu mechanizmów), służące do przekształcania energii lub wykonujące pracę

mechaniczną, poprzez ruch swoich części.

Maszyna

4

Maszyna

5

Maszyna

q1(t)

Mechanizm klasyczny: układ z jednym napędem =>

układ jednobieżny o jednym stopniu swobody Wt = 1.

xA(t) = f1(q1)

yA(t) = f1(q1)

j20(t) = f2(q1)

w20(t) = f2(q1)

A

20

6

Maszyna

7

Maszyna i mechanizm

Maszyna

. . .

Mechanizm 1

W=1

Mechanizm 2

W=1

Mechanizm n

W=1

8

Roboty i manipulatory przemysłowe

Unimate - pierwszy

przemysłowy robot (1954-63)

Wyprodukowany przez firmę UNIMATION

założoną przez konstruktora George’a

Devola.

Robot w roku 1961 został użyty przez

General Motors do prac montażowych w

fabryce w Ewing Township, New Jersey.

9

Manipulatory równoległe

10

Manipulatory równoległe

m2

Punkt M(xM, yM, zM) może

przyjmować dowolne

położenie w strefie roboczej.

q1(t)

M Liczba stopni swobody Wt = 3

q2(t)

q3(t)

m1

11

Manipulatory równoległe – planowanie trajektorii

m2

q2

M1q3 x0

z0

y0

A

C

B

M

D

q1

M2

M3

12

Manipulatory równoległe – układ sterowania

13

14

Mechatronika = Robotyka ?

15

Mechatronika w pojazdach - wczoraj i dziś

16

Mechatronika w pojazdach - dzisiaj

Układ hamulcowy

Silnik

Zawieszenia

kół

Układ

kierowniczy

17

Mechatronika w pojazdach - w przyszłości

Układ rozrządu – mechaniczne sterowanie

zaworami

Mechatroniczny rozrząd:

sterowanie zaworami

„by-wire”

18

Mechatronika w pojazdach - w przyszłości

Mechatroniczny rozrząd: sterowanie zaworami „by-wire”

19

Mechatronika w pojazdach - w przyszłości

Mechaniczny układ kierowniczy ze

wspomaganiemMechatroniczny

układ kierowniczy

„by-wire”

20

Mechatronika w pojazdach - w przyszłości

Mechatroniczny układ kierowniczy „by-wire”

21

Mechatronika w pojazdach - jutro

Mechatroniczny napęd przepustnicy

„by-wire”

22

Mechatronika w pojazdach - w przyszłości

Hydrauliczny układ

hamulcowy z systemami

ABS, ASR, ESP

Mechatroniczny układ hamulcowy

„by-wire”

23

Mechatronika w pojazdach - w przyszłości

Adaptacyjne zawieszenie mechaniczne

lub hydropneumatyczne

Mechatroniczne adaptacyjne

zawieszenie z predykcją

przeszkód

24

Mechatronika w pojazdach - w przyszłości

Mobilne sieci komunikacyjne

nawiązywane ad hoc

Tworzenie kanałów dla pojazdów

uprzywilejowanych i informacja o niebezpiecznych

sytuacjach

Zgłaszanie wypadków

Inteligentne skrzyżowania

Poprawianie płynności i natężenia ruchu

Mechatronika wczoraj i dziś

Mechatronika wczoraj i dziś

Mechatronika wczoraj i dziśMechatronika wczoraj i dziś

Powstawanie układów

mechatronicznych

- produkty oparte na czysto mechanicznej zasadzie

działania

- pojawianie się produktów, w których występują

układy elektroniczne, ale nie mają wpływu na

podstawowe działanie produktu

np. samochód –> radio, wyświetlacze elektroniczne,

sterowniki klimatyzacji

samolot ->radio, radar, wspomaganie, nawigacja

- pojawianie się produktów w których układy

elektroniczne są ściśle połączone z

realizowanie podstawowych zadań

np. samochód -> elektroniczny zapłon

obrabiarka numeryczna -> sterownik

robot -> sterownik

Powstawanie układów

mechatronicznych

Układ Mechatroniczny

Układ (system) mechatroniczny zbudowany jest z systemów

częściowych:

- systemu podstawowego – mechanicznego

- aktorów,

- sensorów,

- układu sterowania (procesory i oprogramowanie).

System mechatroniczny rejestruje sygnały (sensory),

przetwarza je (układ sterowania) i wydaje sygnały, które

przetwarza w siły i ruchy (aktory), które poprzez układ

mechaniczny wpływają na realizowany proces techniczny.

Rozwój systemów technicznych

Rozwój elektroniki

• 1943-46 – komputer ENIAC

• 1947 – tranzystor - Bell Telephone Lab.

• 1969 – sterowniki PLC w GM

• 1971 – mikroprocesor 4004

• 1976 – video VHS – JVC

• 1982 – płyty CD

• 1997 – płyty DVD

• 2002 – płyty BlueRay (2008) – HD-DVD

• 2006 – TV HD w Polsce – platforma N

• 2012 – naziemna TV cyfrowa DVB (mpeg4)

Rozwój mikroprocesorów Intela

1971 – intel 4004 (4 bitowy do kalkulatorów)

1972 – intel 8008 (8 bitowy)

1974 – intel 8080 (8 bitowy)

1978 – intel 8088/8086 (16 bitowy) – IBM PC

1982 – intel 80286 – IBM PC AT

1985 – intel386 (32 bitowy)

1989 – intel486

1993 – intel Pentium

1997 – intel Pentium II

1999 – intel Pentium III

2000 - intel Pentium 4

2002 - intel Dual Core

Charakterystyka produktów uzyskanych na drodze projektowania mechatronicznego:

- podstawowe funkcje można zrealizować tylko przez współdziałanie komponentów mechanicznych, elektronicznych i informatycznych,

- występuje w tych układach przemieszczenie funkcji z mechaniki w kierunku, elektroniki i przetwarzania informacji,

- właściwości takich produktów są w dużej mierze określone przez elementy niematerialne (oprogramowanie)

Powstawanie układów

mechatronicznych

Powstawanie układów

mechatronicznychPrzyczyny rozwoju mechatroniki:

- zastosowanie układów półprzewodnikowych (tranzystory, diody...) zamiast układów lampowych,

- opracowanie i rozwój układów scalonych,

Przyczyny rozwoju mechatroniki cd.:

- rozwój i zastosowanie w przetwarzaniu sygnałów technik

cyfrowych,

- powstanie układów programowalnych,

- powstanie i rozwój technik mikroprocesorowych

Powstawanie układów

mechatronicznych

1969 – pojęcie MECHATRONICS zostało zdefiniowane

przez firmę Yasakwa Electric Corporation

1971 – 1982 - chronione jako nazwa handlowa

1982 – dostępne dla wszystkich

1987 – mechanotronika – pierwsza polska próba definicji

MECHAnika+elekTRONIKA

1995 – przyjęcie oficjalnej definicji Komisji

Unii Europejskiej

2006/7 – utworzenie kierunku studiów mechatronika

Powstawanie mechatroniki

Mechatronika - definicje

1 Integracja naturalnie różnych systemów konstrukcyjnych: mechanizmów,obwodów elektrycznych i oprogramowania. Ta konieczność integracji jestjasno widoczna w robotach. [ISHII 1983]

2. Zastosowanie mikroelektroniki w inżynierii mechanicznej. [Oryginalnadefinicja Japońskiego Ministerstwa Przemysłu i Handlu (MITI)]

3. System, w którym rozwinięty ruch i rozwinięte sterowanie łączone sąsystematycznie w celu otrzymania systemu o wysokiej wartości, który możewykonywać rozwinięte funkcje zamierzone. [KAJITANI 1986]

4. Interdyscyplinarny obszar nauk inżynierskich, który wspiera się na klasycznychdyscyplinach budowy maszyn, elektrotechniki i informatyki. Typowy systemmechatroniczny odbiera sygnały, przetwarza je i wydaje sygnały, które z koleiprzetwarza np. w siły i ruchy. [SCHWEITZER 1989]

5. Programowalne urządzenia i systemy mechaniczne z sensoryka, aktoryką ikomunikacją. [HANSON 1994]

5. Synergiczna integracja inżynierii mechanicznej z elektroniką i

inteligentnym sterowaniem komputerowym w projektowaniu i

wytwarzaniu produktów i procesów. [komisja Wspólnoty Europejskiej,

wg KING 1995]

6. Projektowanie i wytwarzanie produktów i systemów wykazujących

zarówno funkcjonalność mechaniczną jak i zintegrowane sterowanie

algorytmiczne. [HEWIT 1995, KING 1995]

7. Projektowanie maszyn inteligentnych. [HEWIT 1995]

Mechatronika - definicje

Synergiczna integracja inżynierii mechanicznej z elektroniką

inteligentnym sterowaniem komputerowym (informatyką) w

projektowaniu i wytwarzaniu produktów i procesów.

Mechatronika jest interdyscyplinarna i obejmuje następujące dziedziny:

- mechanikę (mechanikę techniczną, budowę maszyn, mechanikę

precyzyjną)

- elektronikę/elektrotechnikę (mikroelektronikę, elektronikę siłową,

technikę pomiarów, aktorykę)

- informatykę (teorie systemów, przetwarzanie informacji,

przetwarzanie danych procesowych, sztuczną inteligencję)

Mechatronika - definicje

41

MechatronikaSynergiczna integracja inżynierii mechanicznej z elektroniką i inteligentnym sterowaniem komputerowym w projektowaniu i wytwarzaniu produktów i procesów

[komisja Unii Europejskiej].

MechanikaElektronika

Informatyka

Mechatronika

Ogólny model Mechatroniki

Zastosowania urządzeń

mechatronicznych

- zastępowanie konwencjonalnych urządzeń

mechanicznych,

- dołączanie elektronicznych urządzeń

sterowniczych do maszyn konwencjonalnych,

- tworzenie nowych rozwiązań układów

mechatronicznych,

Układ mechaniczny i mechatroniczny

Układy mechatroniczne -

przykłady

Waga – klasyczna i elektroniczna

Układy mechatroniczne -

przykłady

Układy poziomowania wody

Układy mechatroniczne -

przykłady

Mechatronika - nauka

• uczy jak integrować urządzenia mechaniczne

ze sterowanie komputerowym

• zajmuje się badaniem i rozwojem nowych

systemów mechaniczno-elektronicznych

cechujących się pewnym stopniem

inteligencji – możliwość rozstrzygania

• uczy projektowania zespołowego

Mechatronika - projektowanie

Klasyczny sposób projektowania – szeregowy.

Projektowanie w ujęciu mechatronicznym –

zespołowe, równoległe.

Mechatronika – obszar zastosowania

• produkty techniczne (zegarki, komputery, telefony, agd, rtv, samochody, samoloty, ...)

• urządzenie wytwórcze (obrabiarki numeryczne, roboty, systemy wytwórcze, systemy magazynowe,...)

• zespoły i elementy maszyn (sensory, silniki, elektryczne, elementy pomiarowe, wyświetlacze,...)

Powody stosowania układów

meechatronicznych w maszynach

1) Poszerzenie charakterystyk (konstrukcja mech. bez zmian – nowe sterowanie – lepsza wydajność dokładność, szybkość, elastyczność, niezawodność – np. silnik samochodowy)

2) Uproszczenie złożonych mechanizmów (modułowy układ mechatron. zastępuje kilka złożonych mechanizmów - np. obrabiarka numeryczna, maszyny offsetowe drukarskie,...)

3) Inowacyjność (możliwość tworzenia układów, które bez elektroniki byłyby niemożliwe –układy analizy wizji, sztuczna inteligencja ...)

Pozatechniczna rola Mechatroniki

• Moda – jako przyczyna rozwoju mechatroniki

• Rozwój potrzeb konsumenckich – wideo, kamery, pralki

automatyczne, ...

• Konkurencja na rynku – potrzeba ciągle nowych

produktów