Upload
sadullah-avdiu
View
32
Download
5
Embed Size (px)
Citation preview
1
Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci
Zavod za konstruiranje u strojarstvu
OSNOVE MEHATRONIKE
1. Uvod u mehatroniku
Pojašnjenje i definicije pojma mehatronike
SADRŽAJ PREDAVANJA
Razvoj mehatronike/mehatroničkih sustava
Mehatronički sustavi
Proširenje pojma mehatronike – mehatronički pristup razvoju i dizajnu novih proizvoda
Trendovi i budući razvoj
2
(Modeliranje i simuliranje mehatroničkih sustava -software)
2
ŠTO JE MEHATRONIKA?
UVOD
Mehatronika je sinergijska*
Harashima, Tomizuka, Fukada (1996):
Mehatronika je sinergijska* integracija strojarstva, elektronike, elektrotehnike, računalne tehnologije i upravljanjau projektiranju i izradi industrijskih proizvoda i procesa.
3
Mehatronika ne postoji kao samostalna tehnička disciplina ili posebni industrijski sektor - nastala je objedinjavanjem više njih.
sinergija* (grč. syn-ergos – zajednički rad, napor) = učinak uzajamno komplementarnog djelovanja nekoliko faktora veći je od zbroja pojedinačnog djelovanja svakog od njih
ŠTO JE MEHATRONIKA?
UVOD
??4
3
Pojam MEHATRONIKA (MECHATRONICS)
UVOD
MECHANISM – MEHANIZAMMECHANISM MEHANIZAM
ELECTRONICS – ELEKTRONIKA
Tetsuro Mori 1969.
5
YASKAWA ELECTRIC COMPANY (japanski proizvođač elektromotora i sustava za kontrolu gibanja)
UVOD
Auslander i Kempf (1996):
“Mehatronika je način donošenja kompleksnih odluka u
djelovanju fizičkih sustava”
Shetly i Kolk (1997):
“Mehatronika je metodologija koja se koristi u
optimiranju konstrukcije mehatroničkih proizvoda”
W. Bolton (1999)
“Mehatronika nije samo brak električnih i mehaničkih
6
Mehatronika nije samo brak električnih i mehaničkih sustava, više je i od kontrole sustava – to je kompletna integracija svega toga”
Definicije se razlikuju ovisno o vremenu nastanka i o području interesa i djelovanja njihovog/ih autora.
4
MEHATRONIKA
Mehatronika predstavlja okvir i metodologiju za integraciju tehnologija (strojarstvo, elektronika i elektrotehnika, kontrola i upravljanje, informacijska i računalna tehnologija) koje su tradicionalno bile razdvojene.
energetska elektronikamikroelektronikasenzoriaktuatori
teorija sustavamodeliranjeautomatizacijasoftwareumjetna inteligencija
MEHATRONIKA
ELEKTROTEHNIKAELEKTRONIKA
INFORMACIJSKA TEHNOLOGIJA
7mehanički elementi, strojevi, precizna mehanika,…
STROJARSTVO
MEHATRONIKA
Sve veća primjena u brojnim postojećim područjima i industrijskim sektorima:
• Biotehnologija
• Zdravstvo
• Rudarstvo i srodne industrije
• Naftna i kemijska industrijaZdravstvo
• Elektronička oprema
• Računalna oprema
• Industrija zabave
• Telekomunikacije i informacijske usluge
• Transport i logistika
• Građevinarstvo
Naftna i kemijska industrija
• Transportna oprema
• Industrijska oprema i strojevi
• Poljoprivreda
• Prehrambena industrija
• Zrakoplovna i svemirska tehnologija
• Osiguranje i obrana
8
• Građevinarstvo
Mehatronika je tzv. omogućujuća (engl. enabling) komponenta u nastajanju i razvoju brojnih novih proizvoda, procesa i tehnologija/industrija koji dosad nisu postojali poput mikro- i nano- proizvodnih postupaka, kibernetike itsl.
5
MEHATRONIKA I MEHATRONIČKI SUSTAVI
MEHANIČKI SUSTAVI
MEHANIČKI SUSTAVI S ELEKTRIČNIM POGONOM
<1900
1920
Pojava i povećanje primjene električnih pogona
Razvoj i povećanje
ELEKTROMOTORI (istosmjerni i izmjenični)
MEHANIČKI SUSTAVI S AUTOMATSKOM KONTROLOM
MEHANIČKI SUSTAVI S
1935
MEHANIČKI SUSTAVI S ELEKTRONIČKIM (ANALOGNIM) I
SEKVENCIJALNIM UPRAVLJANJEM1955
1975
Razvoj i povećanje primjene automatskog upravljanja
Povećanje stupnja automatizacije, primjena računala, minijaturizacija
Industrijski roboti, alatni strojevi,
MIKROPROCESOR, REAL-TIME
SOFTWARE, MIKRORAČUNALO
TRANZISTORI, TIRISTORI
9
DIGITALNIM UPRAVLJANJEM
MEHATRONIČKI SUSTAVIintegracija mehanike i elektronike
software definira funkcijunovi alati za projektiranje
sinergijski efekti
1975
Povećanje stupnja integracije procesa i mikroračunala
1985Mobilni roboti, CIM, magnetski ležajevi, automobilski sustavi (ABS, ESP)
j ,industrijska postrojenja
MIKROKONTROLERI, OSOBNA RAČUNALA,
NOVI AKTUATORI I SENZORI,
INTEGRACIJA KOMPONENTI
MEHATRONIKA I MEHATRONIČKI SUSTAVI
Faze u razvoju:
• 1970 - 1980 (neposredno nakon pojave pojma mehatronika)
Tehnologije koje se koriste u mehatroničkim sustavima ij j i k i t i j d d drazvijaju se i koriste nezavisno jedna od druge
• 1980 - 1990
Početak sinergijske integracije različitih tehnologija u mehatroničkim proizvodima. Hardware/software ko-dizajn, embedded sustavi
• 1990 -
10
Značajno povećanje računalne inteligencije u mehatroničkim proizvodima i sustavima. Minijaturizacija komponenti (mikroaktuatori i mikrosenzori).
Inteligentni sustavi (Machine Inteligence Quotient), MEMS, NEMS
6
MEHATRONIČKI SUSTAVI
MEHATRONIČKI SUSTAV
SPREMNIK AKTUATOR PRETVARAČ REDUKTOR KORISNIK
AKTUATOR
Osnovna značajka mehatroničkog sustava (ujedno i razlika
ENERGIJEAKTUATOR PRETVARAČ REDUKTOR
SNAGE
REGULATOR SENZOR
11
u odnosu na konvencionalne sustave):
- tipični mehatronički sustav u mogućnosti je primati signale iz okoline, obraditi ih te na osnovu njih i upravljačkog algoritma generirati izlazne signale ili djelovanje (sila, pokret, itsl.)
OSNOVNI ELEMENTI MEHATRONIČKOG SUSTAVA
MEHANIČKI SUSTAV
AKTUATORIsolenoidi
SENZORIsklopke potenciometri PRIPREMA I
MEHATRONIČKI SUSTAV
solenoidi,DC motori,
koračni motori,servo motori,
hidraulika, pneumatika,…
sklopke, potenciometri, fotoelektrične
komponente, digitalni enkoderi, elektrootporne
trake, termoparovi, akcelerometri,…
PRIJENOS ULAZNIH SIGNALA
pojačala, filteri, A/D, D/D,…
12
GRAFIČKI PRIKAZ
LED, LCD, CRT, digitalni ekrani
OBRADA i PRIJENOS
IZLAZNIH SIGNALA
D/A, D/D, pojačala, PWM, tranzistori snage,
power op pojačala
DIGITALNO UPRAVLJANJE
logički krugovi, mikrokontroleri, PLC, upravljačka logika i
aritmetika, upravljački algoritmi, komunikacija
7
ZNAČAJKE/PREDNOSTI MEHATRONIČKIH SUSTAVA
TRADICIONALNI SUSTAVI MEHATRONIČKI SUSTAVI
centralizirano procesiranje i upravljanje
hibridna kontrola, decentralizacija i distribucijaupravljanje distribucija
kontrola kvalitete na kraju proizvodnog procesa
automatska provjera kvalitete i točnosti proizvodnog tijekom procesa
veliki, višekomponentni sustavi
kompaktni integrirani sustavi
precizna kontrola pomaka putemnedostatak točnosti, zračnost
precizna kontrola pomaka putem adaptivnih sustava provjere i servo
motora
složeni mehanizmizamjena mehaničkih
komponenti/sustava elektroničkim, računalnim, programskim
ZNAČAJKE/PREDNOSTI MEHATRONIČKIH SUSTAVA
TRADICIONALNI SUSTAVI MEHATRONIČKI SUSTAVI
ručna kontrola i prikupljanje automatizirana kontrola i prikupljanje p p j jpodataka
p p j jpodataka
pogoni s konstantnom brzinom
pogoni s promjenjivom brzinom
mehanički sustavimehanički/računalni/elektronički/progr
amski sustavi; mrežno sučelje;
nepromjenjivi parametri radautjecanje na funkcioniranje sustava na osnovi podataka prikupljenih tijekom
rada
8
Automobil i njegovi podsustavi
AUTOMOBIL KAO PRIMJER MEHATRONIČKOG SUSTAVA
2009.
ABS
ESP
1960.
"Engine management"
Klimatizacijski podsustav
Ispušni podsustav
ESP
TCS
ABF
ACC
ETC
CS
Podsustav ovjesa (prilagođavanje krutosti)
Kočioni podsustav
15
ADR
LDW
HC“drive by wire”
ABS sustav – primjer mehatroničkog sustava
AUTOMOBIL KAO PRIMJER MEHATRONIČKOG SUSTAVA
• Konvencionalne komponente kočionog sustava
Hidraulički sustav (glavniHidraulički sustav (glavni cilindar, rezervoar hidrauličke tekućine, ventili, cijevi i priključci), kočiona kliješta, pločice/obloge, diskovi.
• Nove komponente
ABS kontroler (računalo),senzori brzine ožičenje
16
senzori brzine, ožičenje, konektori.
Napomena:
Put kočenja se ne skraćuje već se poboljšava upravljivost vozila u uvjetima u kojima bi inače došlo do proklizavanja.
9
MEHATRONIČKI SUSTAVI
Mehatronički sustav općeg tipa
(sačinjen od niza mehatroničkih proizvoda)
Hijerarhijski strukturiran kompleksni automatizirani sustav
fleksibilna industrijska proizvodna linija
proizvoda)
Mehatronički proizvodi
(skupovi modula i komponenata koji mogu obavljati zaokružene
funkcije
industrijski robot, numerički upravljan obradni centar
programabilni logički kontroler
17
Mehatronički podsustavi
Mehatroničke komponente
programabilni logički kontroler, regulator momenta
senzori, aktuatori s upravljačko-regulacijskom logikom,
pojačala,…
MEHATRONIKA U RAZVOJU I KONSTRUIRANJU PROIZVODA
• poseban način razmišljanja i filozofija sveobuhvatnog pristupa stvaranju tehničkih sustava i proizvoda
Mehatronički pristup razvoju i dizajnu novih proizvoda
• sustavni “TOP-DOWN” pristup
• multidisciplinarnost
• paralelno konstruiranje mehaničkih, električnih, upravljačkih i “embedded software” dijelova sustava
18
TRADICIONALNI PRISTUP
MEHATRONIČKI PRISTUP
10
Mehatronički pristup razvoju i dizajnu novih proizvoda
Tradicionalni pristup
• loša komunikacija između grupa
• dugo vrijeme razvojarazvoja
• neoptimirani dizajn
• kraći i jeftiniji
Mehatronički pristup
kraći i jeftiniji razvojni ciklus
• poboljšana kvaliteta
• veća pouzdanost i bolje performanse
• prednosti mehatroničkih sustava su brojne (jednostavnija konstrukcija, veća pouzdanost, veća isplati ost mog ćnost prilagodbe) i prepo nate s
Uvod u mehatroniku
TRENDOVI ili ŠTO SLIJEDI?
isplativost, mogućnost prilagodbe) i prepoznate su u cijelom nizu industrija
• trend zamjene postojećih čisto mehaničkih mehanizama inteligentnim sustavima traje već oko 30 godina i nastavlja se sve većim intenzitetom
• ubrzani daljnji razvoj i sve šira primjena mehatroničkih rješenja – sve veća potreba za interdisciplinarnimrješenja sve veća potreba za interdisciplinarnim znajima i sposobnostima njihovog povezivanja
20
11
TRENDOVI ili ŠTO SLIJEDI?
Što se može očekivati?
• Daljnji napredak i pojeftinjenje mikroprocesora i mikrokontrolera, senzora i aktuatora
• Napredak u razvoju i primjeni MEMS-a, adaptivnih kontrolnih metodologija i metoda programiranja u realnom vremenu.
• Razvoj mrežnih i bežičnih tehnologija, primjena interneta u kombinaciji s bežičnom tehnologijom
• Unaprijeđenje CAE tehnologije – sustavno
21
Unaprijeđenje CAE tehnologije sustavno, multi-domain modeliranje i analiziranje, izrada virtualnih prototipova, virtualno testiranje
• Napredak u ugradnji implantata u vidu senzora i aktuatora
• Vrlo intenzivan razvoj mikro- i nanomehatronike
TRENDOVI ili ŠTO SLIJEDI?
Anketa (Texas, 2007):
Većina tehničara zaposlenih posljednjih godina morali su steći određena “mehatronička” znanja (uglavnom tijekom rada – “On-The Job Training”) kako bi ostali kompetentni za obavljanje svog posla
22
Uopće se ne slaže
Ne slaže se
Bez mišljenja
Slaže se Potpuno se slaže
Pristup i stav “ja svoje znam” neće biti dovoljan – sve veći naglasak na važnosti i potrebi cjeloživotnog obrazovanja i
usvajanju novih, multidisciplinarnih vještina
12
Materijali na web stranici kolegija:
• Mechatronics: Getting Your Act Together - White Paper, Technology Future Inc.
• Mechatronics: A Technology Forecast - Executive Summary, TSTC
Bi h R H Th M h t i H db k (P l lj 1 i 2)
Izvori i resursi
• Bishop R.H.: The Mechatronics Handbook (Poglavlja 1 i 2)
• Predavanje 1 – (Tekst predavanja - pdf)
Dodatni izvori i resursi:
• Mechatronics: A Technology Forecast - Texas State Technical College Emerging Technologies (LINK)
• Bishop R H : The Mechatronics Handbook (LINK)Bishop R.H.: The Mechatronics Handbook (LINK)
23