SŁAWOMIR WIAK (redakcja)

Transkrypt

1

2 SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT

3 Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 1, 2, 10) Dr inż. Krzysztof Smółka (rozdz. 1, 2, 10) Mgr inż. Anna Firych-Nowacka (rozdz. 2) Prof. Zbigniew Kołaciński (rozdz. 3, 5, 6, 13) Mgr inż. Andrzej Kubiak (rozdz. 4) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 4) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr inż. Michał Szermer (rozdz. 8, 9) Dr inż. Przemysław Sękalski (rozdz. 8, 9) Prof. Andrzej Napieralski (rozdz. 8, 9) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 11) Dr hab. inż. Paweł Witczak, prof. PŁ (rozdz. 12) Podręcznik akademicki przygotowany w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie Wzmocnienie potencjału dydaktycznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2009

4 Wstęp Mechatronikę należy traktować jako dziedzinę inżynierii związaną z modelowaniem, projektowaniem, wytwarzaniem i eksploatacją zintegrowanych systemów mechatronicznych zdolnych do inteligentnych zachowań. Mechatronika łączy takie dyscypliny jak: mechanika, automatyka i robotyka elektronika, mikroelektronika, informatyka, optyka, inżynieria biomedyczna, inżynieria produkcji, inżynieria wiedzy oraz szereg innych dyscyplin. Mechatronika wymaga zmiany filozofii w podejściu do projektowania i wytwarzania systemów mechatronicznych, jako multifunkcyjnych produktów o złożonej strukturze wewnętrznej, ale o jednolitych właściwościach funkcjonalnych. Połączenie nowoczesnych technologii projektowania i wytwarzania Inteligentnych Systemów i Mikrosystemów oraz Mechatroniki stwarza nowe możliwości wytwarzania produktów, które działają inteligentnie w zmieniającym się środowisku, produktów, które mogą komunikować się z człowiekiem za pomocą dedykowanych języków. Wykształcenie na kierunku Mechatronika umożliwia zdobycie umiejętności projektowania, modelowania, programowania, badania oraz obsługi systemów wyposażonych w zintegrowane inteligentne systemy sterowania. Cechą charakterystyczną systemów mechatronicznych jest ich modułowa struktura, zawierająca zespoły mechaniczne, elektromechaniczne, elektroniczne oraz mikroprocesorowe układy sterowania. Systemy mechatroniczne wyposażone w systemy czujników (sensorów) dają możliwości rejestracji sygnałów i programowania układów przetwarzających te sygnały. Integralną częścią tego typu inteligentnych mechatronicznych mikrosystemów są zespoły komunikacyjne i urządzenia wykonawcze. Zróżnicowany charakter sygnałów (mechaniczne, elektryczne, optyczne, biologiczne, chemiczne, itp.) oraz szeroki zakres zastosowań systemów mechatronicznych (przemysł, technika, medycyna, multimedia i inne, w tym przemysł informatyczny, motoryzacyjny, kosmiczny i zbrojeniowy) powoduje, że specyfiką Mechatroniki jest interdyscyplinarność. 1

5 Interdyscyplinarność kierunku umożliwia absolwentom rozwiązywanie problemów technicznych i organizacyjnych, szczególnie w zakresie projektowania urządzeń o różnym stopniu zaawansowania technicznego, automatyzacji i informatyzacji procesów i technologii występujących w nowoczesnych społeczeństwach informacyjnych. Absolwenci uzyskują praktyczną wiedzę inżynierską, umożliwiającą efektywne działanie w sektorach gospodarki oraz zaplecza badawczego, a także podjęcie własnej działalności gospodarczej. Należy podkreślić, iż przyszły inżynier powinien być przygotowany do rozwiązywania nie tylko złożonych zagadnień technicznych, ale także nowych nadchodzących wyzwań, w tym w zakresie jakości, kompatybilności, niezawodności, ochrony środowiska, ergonomii. Będzie to możliwe w przypadku ciągłego uzupełniana wiedzy. Wymagania te spełnia kształcenie na kierunku Mechatronika. O interdyscyplinarności tego kierunku świadczy również liczba przedmiotów oferowanych w procesie kształcenia na różnych uczelniach; liczba ta przekracza 150 przedmiotów z wielu dyscyplin. Należy stwierdzić, iż połączenie takich działów wiedzy jak Inteligentne Mikrosystemy i Mechatronika to także, a w przypadku uczelni przede wszystkim, sposób kształcenia specjalistów, zajmujących się projektowaniem, produkcją i eksploatacją zintegrowanych inteligentnych mikrosystemów (IMEMS - Inteligent Micro Electromechanical Systems), ale również układów mechatronicznych. Do zastosowań w mechatronice należy dodać systemy klasy BIO-MEMS wraz z zagadnieniami mikro i nanotechnologii. Takie rozumienie mechatroniki oznacza innowacyjność zarówno w zakresie badawczym, jaki i w procesie kształcenia inżynierów. Jest to proste droga do wzrostu kokurencyjności naszych uczelni na międzynarodowym rynku edukacyjnym. Nowoczesne kształcenie inżyniera nie może być ograniczone tylko do jednego obszaru techniki. Współczesne wykształcenie inżynieria musi być wielokierunkowe. Kształcenie na kierunku Mechatronika spełnia to wymaganie stawiane absolwentowi Uczelni, gdyż uczy systemowego myślenia. Absolwenci kierunku uzyskują w czasie studiów wiedzę potrzebną do twórczego działania w zakresie projektowania i eksploatacji systemów mechatronicznych. W świetle współczesnych wymagań pragniemy, aby absolwent kierunku Mechatronika był w stanie twórczo stosować w swojej 2

6 pracy te elementy wiedzy technicznej, sztucznej inteligencji i inżynierii komputerowej, które będą mu najbardziej przydatne do rozwiązania praktycznych zadań, np. projektowania i wdrażania inteligentnych systemów przetwarzania informacji. W trakcie realizacji programu studiów na proponowanym kierunku nacisk położony jest na nowoczesne techniki przetwarzania informacji w celu wspomagania decyzji. Student tego kierunku zdobywa również konkretną wiedzę programistyczną, dotyczącą praktycznego tworzenia inteligentnych systemów mechatronicznych. Tak interdyscyplinarnie wykształcony inżynier proponowanego kierunku spełnia wszystkie wymagania stawiane sylwetce współczesnego inżyniera w Europie i na świecie. Mówiąc o definicji mechatroniki należy przytoczyć dwie przykładowe filozofie sformułowane przez J. Turowskiego: "Mechatronika jest nową zintegrowaną (synergiczną) techniką o nierozłącznym, organicznym powiązaniu mechaniki, elektroniki, informatyki i elektrodynamiki technicznej, w układach i maszynach elektrycznych, które nie mogą działać samoistnie bez wewnętrznego sprzężenia obwodów elektrycznych i magnetycznych z elementami elektronicznymi i vice-versa oraz G. Rzevskiego "Mechatronika jest nową dyscypliną w zakresie inżynierii związaną z projektowaniem, wytwarzaniem i eksploatacją maszyn zdolnych do inteligentnych zachowań". Ze względu na otrzymane ogólne wykształcenie inżynierskie i informatyczne, absolwenci będą mogli podjąć pracę w firmach komputerowych, centrach badawczych, projektowych i wytwórczych systemów mechatronicznych, w przedsiębiorstwach, w zakładach produkcyjnych i w administracji jako programiści i projektanci w zespołach informatycznych. Uzyskane wykształcenie stwarza również możliwości podjęcia pracy jako specjaliści do spraw obsługi i eksploatacji zaawansowanych systemów informatycznych. Absolwenci mogą podjąć pracę w firmach projektowych i produkcyjnych z dziedziny tzw. HIG-TECH oraz zapleczu badawczym. Absolwent jest przygotowany do podjęcia pracy wszędzie tam gdzie wykorzystywane są zaawansowane narzędzia technik informatycznych. Absolwent może podjąć pracę związaną z projektowaniem, produkcją, eksploatacją bądź dystrybucją narzędzi i zintegrowanych systemów informatycznych. 3

7 W szczególności może on podjąć pracę w różnego rodzaju firmach krajowych i zagranicznych, jak również może podjąć własną działalność gospodarczą. Mechatronika jest ważnym elementem rozwoju cywilizacyjnego społeczeństw. Powoduje to konieczność tworzenia rynku pracy dla specjalistów o różnych poziomach kwalifikacji; poczynając od średniego personelu technicznego, aż do kadry inżynierskiej i zarządzającej. Tak obszerne opracowanie, dostępne po raz pierwszy na polskim rynku wydawniczym jest skierowane głównie do studentów kierunków technicznych, szczególnie do studentów kierunków mechatroniki, elektrotechniki, informatyki, automatyki i robotyki, mechaniki oraz inżynierów pracujących w zakresie projektowania, sterowania i wytwarzania urządzeń i systemów mechatronicznych, zajmujących się procesami przemysłowymi oraz problemami robotyki. Książka jest przeznaczona również dla nauczycieli przedmiotów mechatronicznych w zakresie szkolnictwa zawodowego średniego oraz nauczycieli akademickich. Przedstawiając niniejszą pozycję wyrażamy nadzieję, iż będzie ona pomocna w zrealizowaniu założeń w zakresie wymagań dotyczący procesu kształcenia na kierunkach technicznych, w tym w szczególności na kierunku Mechatronika. Książka zawiera szerokie spektrum wiadomości z niezwykle dynamicznie rozwijającej się dziedziny wiedzy jaką stała się mechatronika. Uwzględniono w niej takie podstawowe zagadnienia jak: podstawowe pojęcia z mechatroniki, specyfikę dydaktyki w zakresie mechatroniki, podstawy mikro- i nanotechnologii, mikrosensory i mikroaktuatory, mikrosystemy i ich modele, komputerowe modele inteligentnych mikrosystemów, systemy eksperckie, zagadnienia sztucznej inteligencji (w tym logikę rozmytą i sztuczne sieci neuronowe), metody i narzędzia wizualizacji układów mechatronicznych, zagadnienia wibroakustyczne w systemach mechatronicznych. Podjęto również tematykę: systemów przetwarzania i transmisji sygnałów optycznych, układy mechatroniki samochodowej, podstawowych informacji z zakresu informatyki, zagadnień komputerowo wspomaganego tworzenia dokumentacji technicznej, metod statystycznego przetwarzania danych w przemysłowych 4

8 systemach sterowania, procesowych systemów sterowania maszyn przemysłowych, systemów rozproszonych w mechatronice, algorytmów i systemów DSP, przemysłowych interfejsów komunikacyjnych, automatyki i robotyki, teorii sterowania, sterowników programowalnych, współczesnych układów napędowych oraz informatycznych systemów zarządzania. Niniejsze opracowanie jako wydawnictwo dwutomowe powstało jako praca zbiorowa pracowników Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Politechniki Łódzkiej i jest wynikiem wieloletnich doświadczeń tej grupy pracowników, zarówno w zakresie badawczym jak i dydaktycznym. Sławomir Wiak 5

9 6