Projektowanie Układów Mechatronicznych Literatura 1. 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.
Maszyna W znaczeniu technicznym maszyna jest to urządzenie (najczęściej złożone z wielu mechanizmów), służące do przekształcania energii lub wykonujące pracę mechaniczną, poprzez ruch swoich części. 3
4 Maszyna
Maszyna Mechanizm klasyczny: układ z jednym napędem => układ jednobieżny o jednym stopniu swobody W t = 1. q 1 (t) A x A (t) = f 1 (q 1 ) y A (t) = f 1 (q 1 ) j 20 (t) = f 2 (q 1 ) w 20 (t) = f 2 (q 1 ) 20 5
Maszyna 6
Maszyna i mechanizm Maszyna Mechanizm 2 W=1 Mechanizm 1 W=1... Mechanizm n W=1 7
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. 8
9 Manipulatory równoległe
Manipulatory równoległe m 1 Punkt M(x M, y M, z M ) może przyjmować dowolne położenie w strefie roboczej. m 2 M Liczba stopni swobody W t = 3 q 3 (t) q 2 (t) q 1 (t) 10
Manipulatory równoległe planowanie trajektorii m 2 M D M 2 q 2 B z 0 C q 3 x 0 M 3 y 0 A M 1 q 1 11
12 Manipulatory równoległe układ sterowania
13
14 Mechatronika = Robotyka?
15 Mechatronika w pojazdach - wczoraj i dziś
Mechatronika w pojazdach - dzisiaj Układ hamulcowy Układ kierowniczy Silnik Zawieszenia kół 16
Mechatronika w pojazdach - w przyszłości Układ rozrządu mechaniczne sterowanie zaworami Mechatroniczny rozrząd: sterowanie zaworami by-wire 17
Mechatronika w pojazdach - w przyszłości Mechatroniczny rozrząd: sterowanie zaworami by-wire 18
Mechatronika w pojazdach - w przyszłości Mechaniczny układ kierowniczy ze wspomaganiem Mechatroniczny układ kierowniczy by-wire 19
Mechatronika w pojazdach - w przyszłości Mechatroniczny układ kierowniczy by-wire 20
Mechatronika w pojazdach - jutro Mechatroniczny napęd przepustnicy by-wire 21
Mechatronika w pojazdach - w przyszłości Hydrauliczny układ hamulcowy z systemami ABS, ASR, ESP Mechatroniczny układ hamulcowy by-wire 22
Mechatronika w pojazdach - w przyszłości Adaptacyjne zawieszenie mechaniczne lub hydropneumatyczne Mechatroniczne adaptacyjne zawieszenie z predykcją przeszkód 23
Mechatronika w pojazdach - w przyszłości Tworzenie kanałów dla pojazdów uprzywilejowanych i informacja o niebezpiecznych sytuacjach Mobilne sieci komunikacyjne nawiązywane ad hoc Poprawianie płynności i natężenia ruchu Zgłaszanie wypadków Inteligentne skrzyżowania 24
Mechatronika wczoraj i dziś
Mechatronika wczoraj i dziś
Mechatronika wczoraj i dziś Mechatronika 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
Powstawanie układów mechatronicznych - pojawianie się produktów w których układy elektroniczne są ściśle połączone z realizowanie podstawowych zadań np. samochód -> elektroniczny zapłon obrabiarka numeryczna -> sterownik robot -> sterownik
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
Powstawanie układów mechatronicznych 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 Przyczyny rozwoju mechatroniki: - zastosowanie układów półprzewodnikowych (tranzystory, diody...) zamiast układów lampowych, - opracowanie i rozwój układów scalonych,
Powstawanie układów mechatronicznych Przyczyny rozwoju mechatroniki cd.: - rozwój i zastosowanie w przetwarzaniu sygnałów technik cyfrowych, - powstanie układów programowalnych, - powstanie i rozwój technik mikroprocesorowych
Powstawanie mechatroniki 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
Mechatronika - definicje 1 Integracja naturalnie różnych systemów konstrukcyjnych: mechanizmów, obwodów elektrycznych i oprogramowania. Ta konieczność integracji jest jasno widoczna w robotach. [ISHII 1983] 2. Zastosowanie mikroelektroniki w inżynierii mechanicznej. [Oryginalna definicja Japońskiego Ministerstwa Przemysłu i Handlu (MITI)] 3. System, w którym rozwinięty ruch i rozwinięte sterowanie łączone są systematycznie w celu otrzymania systemu o wysokiej wartości, który może wykonywać rozwinięte funkcje zamierzone. [KAJITANI 1986] 4. Interdyscyplinarny obszar nauk inżynierskich, który wspiera się na klasycznych dyscyplinach budowy maszyn, elektrotechniki i informatyki. Typowy system mechatroniczny odbiera sygnały, przetwarza je i wydaje sygnały, które z kolei przetwarza np. w siły i ruchy. [SCHWEITZER 1989] 5. Programowalne urządzenia i systemy mechaniczne z sensoryka, aktoryką i komunikacją. [HANSON 1994]
Mechatronika - definicje 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 Synergiczna integracja inżynierii mechanicznej z elektroniką i inteligentnym sterowaniem komputerowym w projektowaniu i wytwarzaniu produktów i procesów [komisja Unii Europejskiej]. Mechanika Mechatronika Elektronika Informatyka 41
Ogólny model Mechatroniki
Zastosowania urządzeń mechatronicznych - zastępowanie konwencjonalnych urządzeń mechanicznych, - dołączanie elektronicznych urządzeń sterowniczych do maszyn konwencjonalnych, - tworzenie nowych rozwiązań układów mechatronicznych,
Układy mechatroniczne - przykłady Układ mechaniczny i mechatroniczny
Układy mechatroniczne - przykłady Waga klasyczna i elektroniczna
Układy mechatroniczne - przykłady Układy poziomowania wody
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