Wprowadzenie do mechatroniki /

Podstawy mechatroniki

Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne. Podejście

mechatroniczne.

dr inż. Jarosław Adamiec

[e-mail]

pok. 736 (BM) tel. [phone]

konsultacje:

WT 11:30 - 12:30



Urządzenie mechatroniczne

jest to system programowalny
i samosterowny realizujący
funkcje użytkowe, do których
został stworzony.



Nazwa „system” została

użyta celowo, ponieważ nie
musi to być koniecznie produkt
mechaniczny. Funkcje
samosterowności i
programowanego działania mogą
być realizowane przez dowolne
urządzenie elektryczne lub
elektroniczne.



Rys . Struktura urządzenia

mechatronicznego oraz
powiązanie jego zespołów przez
przepływ energii, masy i
informacji .

Urządzenia mechatroniczne

2012-12-01 21:58

2

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne



Mówiąc o urządzeniach

mechatronicznych powinniśmy
cofnąć się do lat 50, kiedy
zaistniał termin
„mechatroniczny”, jako opis
układu automatycznego aparatu
małoobrazkowego. Dosyć
skomplikowane funkcje i
sposób w jaki je realizował,
pozwoliły na otrzymanie
nowego typu konstrukcji.
Współczesny sprzęt
fotograficzny, zarówno ten
klasyczny jak też cyfrowy, to
typowy przykład rozwoju
produktów mechatroniki.

Urządzenia powszechnego użytku

2012-12-01 21:58

3

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne



Pralka potrafi sama dozować

wodę, wyłączać i włączać
grzałkę, ale również
dopasowywać obroty wirowania
do obciążenia bębna, a nawet
rozkładać wirowane rzeczy na
obwodzie bębna, tak by nie
powodować jego nadmiernych
drgań.

Urządzenia powszechnego użytku

2012-12-01 21:58

4

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne



Robot wieloczynnościowy,

ekspres do kawy, kuchenka
mikrofalowa a nawet płyta
kuchenna, to znowu sprzęt
programowalny i w jakimś
stopniu obdarzony zdolnością
analizowania zmieniających się
warunków zewnętrznych.



Cechą współczesnych

produktów jest nie tylko ich
użytkowość, ale również forma
plastyczna.

Urządzenia powszechnego użytku

2012-12-01 21:58

5

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne



Po za kuchnią mechatronika wkroczyła do konstrukcji sprzętu audiowizualnego

oraz komputera. Ta grupa urządzeń zawiera przecież precyzyjne mechanizmy
odtwarzaczy i nagrywarek laserowych, układy dopasowujące i przeszukujące stacje
nadawcze zgodnie z założonymi parametrami wybranego programu.

Urządzenia powszechnego użytku

2012-12-01 21:58

6

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne



Współczesny samochód to

komputer sterujący:
- wtryskiem paliwa

- mocą silnika i optymalnym
zużyciem paliwa
- bezpiecznym hamowaniem
(ABS)

- bezpiecznym cofaniem (czujnik
ultradźwiękowy)
- nawigacją samochodu (mapa z
połączeniem GPS)
a nawet odmową uruchomienia
dla kierowcy nietrzeźwego.

Urządzenia powszechnego użytku

2012-12-01 21:58

7

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne



Współczesny

samolot to
całkowicie
zmieniony wygląd
kokpitu i tablicy
przyrządów. Szereg
czynności zostało
zautomatyzowane,
a o zagrożeniach
informuje układ
czujników i
program sterujący
komputera
pokładowego oraz
monitory, zamiast
klasycznych
przyrządów
pokładowych.

Urządzenia powszechnego użytku

2012-12-01 21:58

8

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne



Początkowo niezależne dziedziny techniki - automatyka i robotyka zbliżyły się

do mechatroniki, obdarzając swoje wyroby dużo większą samodzielnością.

Urządzenia powszechnego użytku

2012-12-01 21:58

9

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne



Podstawowym celem ładowarki, pokazanej na rys. a, jest podnoszenie palet i

umieszczanie ich zgodnie z potrzebami. Do wykonania takiego zadania konieczne jest
sterowanie pozycją wideł zamocowanych na końcu wysięgnika teleskopowego, który
może obracać się dokoła osi poziomej. Taka konstrukcja mechaniczna

− z

podstawowymi parametrami r i θ − jest stosowana przede wszystkim z powodu
dużego zasięgu przy stosunkowo małych rozmiarach maszyny.

Podejście mechatroniczne

Ładowarka palet

2012-12-01 21:58

10

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne



Konstrukcja taka nie nadaje się jednak zbyt dobrze do układania palet w stosy.

Operator zwykle chce wtedy poruszać widłami poziomo lub pionowo. Ruchy zadania
mają więc charakter kartezjański (x, y), w przeciwieństwie do biegunowego (r, θ)
charakteru ruchu konstrukcji. Oczywiście można skonstruować

ładowarkę w

układzie kartezjańskim (x, y) (rys. b). Będzie ona jednak mieć mniejszy zasięg przy
zwiększonych gabarytach.

2012-12-01 21:58

11

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne

Podejście mechatroniczne

Ładowarka palet



Podejście mechatroniczne pozwala zbudować pojazd (podobny do robota)

widziany jako zintegrowany system o 2 stopniach swobody. Zależność między
ruchami konstrukcji (przestrzenią konstrukcji) i ruchami zadania (przestrzenią
zadania) jest przetwarzana przez układ sterujący urządzenia. Takie mechatroniczne
sterowanie ruchem siłowników ładowarki pokazuje rys.

2012-12-01 21:58

12

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne

Podejście mechatroniczne

Ładowarka palet



Poprawna konstrukcja mechatroniczna w tym przypadku powinna od samego

początku zawierać pewien rodzaj siłownika „inteligentnego” (smart actuator). W takim
siłowniku

przetworniki

(sensory

pozycji

i

prędkości

tłoczyska),

zawory

elektromagnetyczne (serwozawory) i obwody interfejsowe umieszczone są w obudowie
siłownika. Taka filozofia konstruowania pozwala traktować siłownik hydrauliczny
podobnie jak urządzenia elektroniczne; jako coś, co może być prosto przyłączone do
standardowej magistrali (standard bus). Jedyna różnica polega na tym, że wymaga on
zarówno przyłączenia siłowego zasilania hydraulicznego jak i elektrycznego (rys.).

2012-12-01 21:58

13

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne

Podejście mechatroniczne

Ładowarka palet



Skutek

rozwiązania mechatronicznego jest dobitnie zilustrowany na rys.

Rysunek ten pokazuje poprawę skuteczności operatora w prowadzeniu wideł po
ścieżce prostokątnej. Ponieważ maszyna jawi się operatorowi jakby miała konstrukcję
kartezjańską (x, y), jest bezpieczniejsza i łatwiejsza do nauki. Operator może
operować jedną dźwignią (jedną ręką), pozostawiając drugą ręką do operowania
innymi sterowaniami.

2012-12-01 21:58

14

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne

Podejście mechatroniczne

Ładowarka palet



W przemyśle włókienniczym przędza jest

często dostarczana do maszyn w postaci
samych nawojów, bez nawinięcia jej na
cewki czy szpulki.



W

końcowym procesie wytwarzania

przędzy nawija się ją na stożek przy stałym
stosunku średnic zwojów (jak to ma miejsce
w

nowoczesnych

procesach

z

wolnym

końcem przędzy). Jak widać na rys. a
istnieje cyklicznie zmienne niedopasowanie
między zasilaniem i odbiorem przędzy.
Przyczyną

jest

różnica

prędkości

obwodowych, które występują na dużym i
małym końcu stożka. Zmieniające się
cyklicznie naprężenie przędzy powoduje złą
jakość nawojów i często zrywanie przędzy.

2012-12-01 21:58

15

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne

Podejście mechatroniczne

Kompensator naprężenia przędzy w nawijarce



Przy

małych

prędkościach

przędzy

problem

może

być

rozwiązany

przez

zastosowanie

prostego

kompensatora

sprężynowego,

używającego

miękkiej sprężyny do utrzymania
odpowiednio

stałego

naprężenia

przędzy czy nici (podobnie jak
naprężacz nici w maszynie do
szycia). System taki pokazany jest
na rys. b. Dwa kołki, wokół których
przechodzi przędza, przymocowane
są do talerzyka oscylującego wokół
swej osi.

2012-12-01 21:58

16

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne

Podejście mechatroniczne

Kompensator naprężenia przędzy w nawijarce



Gasi on wahania naprężenia gdy przędza nawijana jest od małego do dużego końca

stożka. Przy małych prędkościach nawijania to bierne urządzenie kompensacyjne
pracuje bez zarzutu, przy dużych – zawodzi. Doprowadziło to do rozwoju nowych
mechanizmów kompensacji naprężenia.



Na pierwszy rzut oka wydaje się

to

być

łatwe.

Można

sobie

wyobrazić, wychodząc z prostej
geometrii stożka,

że wymagany

ruch kompensatora będzie

łatwo

zrealizować

wyłącznie

środkami

mechanicznymi. W praktyce nie ma
do tego środków. Po pierwsze, kąt
wzniosu linii

śrubowej, wzdłuż

której przędza jest nawijana,

2012-12-01 21:58

17

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne

Podejście mechatroniczne

Kompensator naprężenia przędzy w nawijarce

zmienia się w skomplikowany sposób, częściowo wskutek praktycznych ograniczeń
wytwarzania krzywki poprzecznej, rozdzielającej przędzę wzdłuż stożka. Po drugie,
wymagana kompensacja zmienia się z biegiem operacji nawijania i ze wzrostem
rozmiarów cewki (rys.c). Te problemy nie wykluczają rozwiązań czysto
mechanicznych. Są one jednak zbyt złożone i kosztowne oraz z reguły zawierają
powierzchnie ślizgowe (np. krzywki), które muszą być dokładnie uszczelnione przed
dostępem włókien i kurzu jaki jest w przędzalni.



Mechanika

mechatronicznego
kompensatora
naprężenia

może

być

znacznie

prostsza.

Rysunek pokazuje takie
urządzenie.

Prosta

dwukołkowa

zasada

biernego

kompensatora

sprężynowego pozostała,
ale ruch talerzyka jest
wymuszany przez mały
silnik

krokowy,

sterowany
mikroprocesorem.
Strategia

sterowania w

obwodzie otwartym jest

2012-12-01 21:58

18

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne

Podejście mechatroniczne

Kompensator naprężenia przędzy w nawijarce

podyktowana niedostępnością jakiejkolwiek taniej i niezawodnej metody pomiaru
naprężenia biegnącej przędzy.



System

sterowania.

Ruch

tarczy jest zsynchronizowany z
oscylacjami

poprzecznej

prowadnicy przędzy za pomocą
czujnika optycznego (enkodera),
zamocowanego

na

czopie

krzywki poprzecznej. Impulsy
wyjściowe

z

enkodera

są

zliczane a talerzyk z kołeczkami
obraca się o małe przyrosty
zawsze wtedy, gdy odpowiednia
liczba

impulsów

zostanie

zliczona.

Liczby

impulsów,

które muszą być znane zanim
nastąpi kolejny krok silnika,
gromadzone

są

w

tablicy

danych w pamięci sterownika
mikroprocesorowego. W efekcie
spełnia to funkcje „krzywki”
elektronicznej.

2012-12-01 21:58

19

Podstawy mechatroniki Wykład 2 Urządzenia mechatroniczne

Podejście mechatroniczne

Kompensator naprężenia przędzy w nawijarce