background image

Zagadnienia projektowania mechatronicznego 
 

przekształcanie układów konwencjonalnych (mechanicznych, 
elektromechanicznych, hydraulicznych) w układy mechatroniczne,  
– zachowanie, bądź rozszerzenie zakresu funkcjonalności 
– możliwości technologiczne 
– obniżenie kosztów – aspekt ekonomiczny 

 

Schematy funkcjonalne tworzone w konwencji schematów blokowych 
układów automatyki. Układy automatyki składają się z obiektów (członów) o 
znanych własnościach. Własności te określamy za pomocą: 

− 

transmitancji operatorowej, jeżeli człon jest członem liniowym, 

− 

charakterystyki statycznej, jeżeli mamy do czynienia z członem 
nieliniowym; w takim przypadku znajdujemy punkt pracy tej charakterystyki 
oraz dokonujemy jej linearyzacji w otoczeniu tego punktu. 

 

background image

Przykład. Konwencjonalny układ automatycznej regulacji siły F

C

 w taśmie nawijanej 

na bęben o promieniu R. Regulowana wartość siły ma istotne znaczenie, gdyż: 

− 

w przypadku gdy jej wartość będzie zbyt duża, może doprowadzić do powstania 

zbyt dużych naprężeń rozciągających, a nawet do zerwania taśmy. 

− 

w przypadku zbyt małej wartości F

C

  proces nawijania taśmy na bęben jest 

nierównomierny, co może doprowadzić do pofałdowania taśmy. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Zasada działania:   
Wartość zadana  F

r

  siły w taśmie F

C

 ustawiona jest na skali (liniowej albo cyfrowej) 

za pomocą wskazówki (1), której koniec  (A)  przyjmuje położenie (X). W rezultacie, 
dźwignia sterująca  (2)  momentem silnika T

 przyjmuje położenie opisane 

współrzędną  (E) , siła rzeczywista F

C

 wynika natomiast z równowagi statycznej 

momentów bębna (3). 
Ustawienie wartości zadanej siły w taśmie wymaga właściwego wyskalowania. 
 
1. wariant pracy:    gdy siła 

r

C

F

F

<

 

Rolka napinająca  (4)   opadnie w dół, co spowoduje ustawienie dźwigni  (6)  w takim 
położeniu, że jej lewy koniec (B) przemieszcza się do góry; przy założeniu, że punkt 
(A) jest nieruchomy, lewy koniec dźwigni sterującej (2) wędruje do góry co powoduje 
wzrost momentu 

M

T

 aż  do uzyskania żądanej wartości rzeczywistej siły 

C

F

 
2. wariant pracy:   gdy siła 

r

C

F

F

>

   

 
Rolka napinająca (4) wędruje do góry, lewy  koniec dźwigni 6 (B) wędruje do dołu zaś 
lewy koniec dźwigni (2) przemieszcza się w dół co powoduje zmniejszenie momentu  

M

T

aż do uzyskania wymaganej wartości siły 

C

F

background image

Do samodzielnego przestudiowania: 

 
1)  Zależność pomiędzy wielkościami X oraz 

r

F

 możemy przedstawić w postaci charakterystyki statycznej 

)

(

r

F

X

X

=

w ogólnym przypadku nieliniowej. Określamy punkt pracy tej charakterystyki za pomocą współrzędnych 

)

,

(

0

0

X

F

r

Dokonujemy linearyzacji tej charakterystyki w otoczeniu punktu pracy. Przyjmując oznaczenia  

0

X

X

x

=

0

r

r

r

F

F

f

=

 otrzymujemy: 

r

r

f

C

x

=

 

 

r

C

 - stały współczynnik wynikający z linearyzacji charakterystyki. 

 
 
 
 
 
 

2)  Poszukujemy zależności: 

)

;

(

B

X

X

E

E

=

 

 

a) 

X

b

a

b

E

X

a

B

+

=

=

0

 

 

b) 

B

b

X

b

a

a

E

X

+

=

=

0

 

background image

 

Stosując zasadę superpozycji, otrzymamy: 

 

B

b

a

X

b

a

a

X

b

a

b

E

E

E

+

+

=

+

=

 

 
 

Przyjmując współrzędne dla punktu pracy tzn. 

0

E

E

e

=

0

X

X

x

=

0

B

B

B

X

X

x

=

 

 

otrzymamy: 

 

B

x

b

a

a

x

b

a

b

e

+

+

=

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

3)   silnik elektryczny generuje moment 

M

T

 

 

)

(E

T

T

M

M

=

- jest to charakterystyka statyczna wyznaczana doświadczalnie 

 

 

Dokonujemy linearyzacji w otoczeniu punktu pracy o współrzędnych 

)

;

(

0

0

M

T

E

 

W rezultacie otrzymujemy zależność: 
 

e

C

t

e

M

=

0

 ,  gdzie 

0

E

E

e

=

;  

0

0

M

M

M

T

T

t

=

 

 
 
 
 
 
 
 
4) Bęben o promieniu R  
 
Z warunku równowagi bębna (3) wynika : 
 

C

M

F

R

T

=

 

 

Zapisujemy tę zależność we współrzędnych mierzonych względem punktu pracy 

)

;

(

0

0

C

M

F

T

. Otrzymamy: 

 

background image

0

1

C

C

C

M

C

F

F

f

t

R

f

=

=

 

 
 

5)  dźwignia (6) 

 

Przyjmując średnicę rolki (4) znacznie mniejszą od wymiarów dźwigni (6) otrzymamy jej równanie równowagi 

w następującej postaci: 

 

d

F

X

kc

X

c

d

c

X

c

d

X

d

F

X

kc

X

d

c

C

B

B

t

B

D

C

B

D

t

=

+

=

=

+

2

2

2

&

&

 

 
Po dokonaniu przekształcenia Laplace’a otrzymujemy zależność: 
 
 

)

(

2

)

(

2

s

F

kc

s

c

d

c

d

s

X

C

t

B

+

=

 

 
Przedstawiając to równanie w postaci przyrostów względem współrzędnych odpowiadających punktowi pracy otrzymamy: 
 

background image

)

(

2

)

(

2

s

f

kc

s

c

d

c

d

s

x

c

t

B

+

=

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Schemat funkcjonalny – wersja konwencjonalna 

 
 
 
 
 
 
 
 

Schemat funkcjonalny – wersja mechatroniczna 

 
 
 
 
 
 

SILNIK 

PRĄDU 

STAŁEGO 

CZUJNIK 

PRZEMIESZCZEŃ 

MIKRO-

STEROWNIK 

WZMACNIACZ 

MOCY 

x

f

u

 

Moment na wale silnika 

sterowany dźwignią 

- rozwiązanie przestarzałe - 

Moment na wale silnika 

sterowany napięciem 

background image

 
 

Projekt oryginalnego urządzenia/procesu mechatronicznego, na bazie 
zdefiniowanej zasady działania (funkcji celu) 

  

– integracja elementów składowych rozwiązań mechatronicznych 
– preferowane rozwiązania nowoczesne (unikanie wszelkich 

anachronizmów) 

– aspekt ekonomiczny poszukiwanych rozwiązań 
 
Rezultat: schemat funkcjonalny urządzenia/procesu 

mechatronicznego 

 
 
 
 

background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Funkcja celu:  minimalizacja błędu położenia punktu A w trakcie ruchu 

płaskiego robota po zadanym torze 

 
Wymagania:  pomiar położenia punktu A na torze co 

t = 0,005 s 

(

czas próbkowania

) 

 
Realizacja: –  pomiar przyrostowy przemieszczenia kątowego 

α

1

 i 

α

2

 

kół robota za pomocą enkoderów 

 

–  transformacja przemieszczeń kątowych do 

współrzędnych xy opisujących położenie punktu A 

 

–  porównania uzyskanego położenia punktu A z zadanym 

 

–  wygenerowanie napięcia U

1

 i U

2

 zasilającego silniki 

prądu stałego 

 

–  wygenerowanie momentów M

1

 i M

2

 napędzających koła 

robota  

background image

SCHEMAT FUNKCJONALNY UKŁADU MECHATRONICZNEGO  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Układ mechatroniczny stwarza jedyną możliwość realizacji funkcji celu 
Rozwiązanie niskokosztowe – spełnia kryterium ekonomiczne 
 

KOŁA 

ROBOTA 

SILNIKI 

PRĄDU 

STAŁEGO 

PRZEKŁADNIE 

PLANETARNE 

ENKODERY 

MIKROSTEROWNIK 

STEROWNIK 

MOCY 

AKUMULATOR  

α

1

 

α

2

 

M

1

 

M

2

 

Równanie zadanego 

toru robota f(x,y

ZASILANIE  

U

1

 

U

2

 

MODELOWANIE 

SYMULACJA 

Ocena zgodności 

modelu  

(walidacja) 

α

1S

 

α

2S