Rys historyczny
Rys historyczny
Mechatronika
Mechatronika
Rewolucja przemysłowa
Rewolucja przemysłowa
• Przewrót przemysłowy, całokształt przemian
technicznych, ekonomicznych i społecznych,
związanych z powstawaniem przemysłu fabrycznego i
nowoczesnej cywilizacji przemysłowej;
najwcześniej wystąpiła:
• w Anglii (1760–1830),
• w Królestwie Polskim ok. 1860;
U jej podstaw legły wynalazki techniczne związane z:
• wytopem żelaza przy użyciu węgla kamiennego,
• wynalezienie maszyny parowej,
Rozwój strategicznych
Rozwój strategicznych
gałęzi
gałęzi
gospodarczych
gospodarczych
• Parowej żeglugi śródlądowej (zapoczątkowana w USA)
i morskiej (napęd łopatkowy zastąpiony śrubą),
• Przemysłu stoczniowego (budowa statków wyłącznie o
konstrukcji stalowej od ok.1860r.),
• Otwarcie kanału Sueskiego – 17 listopada 1869r.
Rozwój strategicznych
Rozwój strategicznych
gałęzi
gałęzi
gospodarczych
gospodarczych
• Transportu kolejowego – rozwój dróg, budowa tuneli
i mostów,
Rozwój strategicznych
Rozwój strategicznych
gałęzi
gałęzi
gospodarczych
gospodarczych
Rozwój strategicznych
Rozwój strategicznych
gałęzi
gałęzi
gospodarczych
gospodarczych
• Kolej konna łącząca Linz z Czeskimi Budziejowicami – 1825r.
• Otwarcie linii kolejowej we Szwecji – 1864r.
• Rozwój przemysłu włókienniczego,
Rozwój strategicznych
Rozwój strategicznych
gałęzi
gałęzi
gospodarczych
gospodarczych
Fabryka tekstylna w Menchesterze
• Ciężkiego i lekkiego przemysłu metalowego,
Rozwój strategicznych
Rozwój strategicznych
gałęzi
gałęzi
gospodarczych
gospodarczych
Pokaz kultywatora – 1857r.
• Początki telekomunikacji (telegraf, telefon),
Rozwój strategicznych
Rozwój strategicznych
gałęzi
gałęzi
gospodarczych
gospodarczych
• Rozwój przemysłu papierniczego
Rozwój strategicznych
Rozwój strategicznych
gałęzi
gałęzi
gospodarczych
gospodarczych
Maszyna papiernicza w Filadelfii –
1876r.
• Początki przemysłu zegarmistrzowskiego -
(masowa produkcja zegarków kieszonkowych
od 1848 r.,
początek taniej mechaniki precyzyjnej),
• Początki przemysłu samochodowego – (silnik
spalinowy Benz i
Daimler – 1885 r.)
• Początki lotnictwa – (przelot na kanałem La Manche –
1909 r. Louis
Bleriot)
Rozwój strategicznych
Rozwój strategicznych
gałęzi
gałęzi
gospodarczych
gospodarczych
Strategiczne surowce
Strategiczne surowce
• Węgiel kamienny
Rok
Wielka
Brytan
ia
Niemc
y
USA
Francj
a
Rosja
1870
125
42
41
17
10
1900
185
89
143
26
27
1913
292
277
517
41
54
Strategiczne surowce
Strategiczne surowce
• Nafta (w tysiącach beczek – 1 beczka =130kg)
Rok
USA
Rosja
Indie
Rumun
ia
Meksyk
Persja
1870
5 261
204
-
84
-
-
1880
26 286
3 001
-
115
-
-
1890
45 824
23 691
-
383
-
-
1900
63 621
75 730
2 253
1 629
-
-
1910
209 577
70 337
11 031
9 724
3 634
-
1915
281 104
68 548
11 920
12 030
32 911
3 616
Strategiczne surowce
Strategiczne surowce
• Ruda żelaza ( w mln. ton)
Rok
Wielka
Niemc
y
USA
Francj
a
Rosja
1870
6,7
1,7
1,9
1,2
0,4
1890
8,0
4,7
9,4
2,0
0,1
1913
10,4
19,3
31,5
5,2
4,6
Strategiczne surowce
Strategiczne surowce
Rozwój gałęzi przemysłu skupionych
wokół
Górnictwa i Hutnictwa
Wiek XIX to okres promocji wszelkiego
Wiek XIX to okres promocji wszelkiego
rodzaju wynalazków
rodzaju wynalazków
• Wiek XIX to okres Międzynarodowych Wystaw
Wynalazków
• 1851 – Londyn,
• 1855 – Paryż,
• 1862 – Londyn,
• 1867 – Paryż (wystawę zwiedziło ponad 11 mln
osób).
Wiek XIX to okres promocji wszelkiego
Wiek XIX to okres promocji wszelkiego
rodzaju wynalazków
rodzaju wynalazków
Wiek XIX sprzyja
rozwojowi Inżynierii Mechanicznej
Wiek XIX i początek XX to lata
Wiek XIX i początek XX to lata
intensywnego rozwoju:
intensywnego rozwoju:
MECHANIKI
Inżynierii Mechanicznej
Druga połowa XX wieku to lata
Druga połowa XX wieku to lata
intensywnego rozwoju
intensywnego rozwoju
• ELEKTRYKI,
• ELEKTRONIKI,
• TELEKOMUNIKACJI,
• LOTNICTWA,
• INFORMATYKI,
• NUMERYCZNEJ TECHNIKI OBLICZENIOWEJ
Rewolucja INFORMACYJNA
Jak rysuje się dalszy postęp w
Jak rysuje się dalszy postęp w
Mechanice?
Mechanice?
• Postęp w Mechanice:
• mikroprocesory,
• komputery,
• zaawansowane oprzyrządowanie pomiarowe,
• ??
• czyli wprowadzanie elementów związanych z
inżynierią elektryczną, elektroniczną itd.
F-16
F-16
Magazyn
CHIP
04_2003
Wymagania stawiane współczesnym
Wymagania stawiane współczesnym
inżynierom
inżynierom
• Ważne i potrzebne zadanie, wymóg – to umiejętność
łączenia różnych obszarów wiedzy z zakresu:
– budowy maszyn,
– sterowania,
– wibracji, akustyki,
– techniki mikroprocesorowej,
– obróbki sygnałów,
– gromadzenia i przetwarzania informacji
• W celu dostarczenia lub rozwiązania
interdyscyplinarnego Problemu Projektowego, który
łączy:
– mechanikę,
– elektronikę,
– sterowanie,
– i zintegrowane komputerowo systemy elektromechaniczne
Co zatem łączy wszystkie te dziedziny
Co zatem łączy wszystkie te dziedziny
wiedzy
wiedzy
?
?
PRODUKT
MOŻLIWIE DOSKONAŁY
J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and
Development Laboratories of the Swatch Group,
Switzerland
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Problem:
- dokładność odmierzania czasu,
- ograniczone źródła energii,
- częsta wymiana baterii może powodować utratę
wodoszczelności,
J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and
Development Laboratories of the Swatch Group,
Switzerland
Stare rozwiązanie:
- Ruch ręki źródłem energii,
Wada:
- czasami należy nakręcać i
korygować wskazanie,
Problem:
- duże gabaryty i duże masy,
Zaleta:
- bardzo duża trwałość
W rozwiązaniach klasycznych dokładność zegarka
można poprawić poprzez:
- Zastąpienie elementu rezonansowego, czyli sprężyny i
koła zamachowego układami:
- rezonatora kwarcowego, silnikiem skokowym i baterią
zasilającą,
- rezonatorem kwarcowym i mikrogeneratorem (brak baterii)
J-J Born, R. Dinger,
P-A Farine.
Research and
Development
Laboratories of
the Swatch Group,
Switzerland
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Funkcje mikrogeneratora:
- Wytwarzanie energii do zasilania układu rezonatora i
układów elektronicznych,
- Napięcie indukowane (częstotliwość) jest informacją ot
tym, czy zegarek się spieszy czy spóźnia,
- Regulacja prędkości zębatek,
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Budowa mikrogeneratora:
- Brak ferromagnetyka w obwodzie
magnetycznym (stale niemagnetyczne
na konstrukcję nośną),
- Wirnik zawiera 6 magnesów trwałych
(Samar-Kobalt),
- Stojan zawiera 3 bezrdzeniowe cewki
(umocowane na płytce wraz z innymi
elementami elektronicznymi),
J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and Development Laboratories of the Swatch Group,
Switzerland
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Dane elektryczne mikrogeneratora:
- 3500 zwoi na 1 cewkę,
- Amplituda napięcia indukowanego:
- Stała elektromagnetyczna =17,5
mVs/rad,
- Moc mikrogeneratora P=480nW,
- Amplituda napięcia indukowanego przy
7,11 obr./s U
i
=1,56V,
J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and Development Laboratories of the Swatch Group,
Switzerland
m
i
dt
d
d
d
N
U
Zegarek bez bateryjki ?
Zegarek bez bateryjki ?
Schemat blokowy mechanizmu zegarka z
Schemat blokowy mechanizmu zegarka z
mikrogeneratorem i z układem sterowania
mikrogeneratorem i z układem sterowania
J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and Development Laboratories of the Swatch Group,
Switzerland
Technologia HCMOS –
1,9 um
3600 tranzystorów / 4,5
mm
2
Prąd pobierany 180
nA/1,3V
Względny błąd czasu
Względny błąd czasu
J-J Born, R. Dinger, P-A Farine. Research and Development Laboratories of the Swatch Group,
Switzerland
Jak nazwać dziedzinę inżynierii łączącą
Jak nazwać dziedzinę inżynierii łączącą
te różne nauki?
te różne nauki?
• Pan Ko Kikuchi – prezes Yasakawa Electric Co w Tokio
zaproponował termin
MECHA+TRONIKA
MECHAnika + elekTRONIKA
Mechatronika jest drogą projektowania produktów
elektromechanicznych z zapewnieniem optymalnych ich
osiągów i podnosząca wartość układów mechanicznych
przez zastosowanie mikroelektroniki i techniki
komputerowej
Transformacja Mechatroniki w
Transformacja Mechatroniki w
dyscyplinę uniwersytecką
dyscyplinę uniwersytecką
lata 70
lata 70
(XX wieku)
(XX wieku)
Japonia, Europa, USA
Japonia, Europa, USA
• Mechatronika to nowa zintegrowana technologia
podwyższająca wartość ukł. mechanicznych przez
zastosowanie mikroelektroniki i techniki komputerowej
• Mechatronika jest pomocniczą dyscypliną związaną z
projektowaniem, wytwarzaniem i operacjami
czyniącymi maszyny inteligentne w działaniu,
Ostatecznie komitet techniczny
Ostatecznie komitet techniczny
Międzynarodowej Federacji Teorii
Międzynarodowej Federacji Teorii
Maszyn i Mechanizmów opracował
Maszyn i Mechanizmów opracował
definicję:
definicję:
• Mechatronika jest synergiczną kombinacją inżynierii
mechanizmów precyzyjnych, elektronicznego
sterowania i myślenia systemowego w projektowaniu,
procesie produkcji - wytwarzaniu.
• Mechatronika jest właściwie połączeniem mechaniki,
elektroniki i elektromagnetyzmu stosowanego w maszynach
i systemach, które nie mogą istnieć i pracować bez
wewnętrznego sprzężenia elektronicznego i
elektromagnetycznego.
2.737 Mechatronics
Dept. of Mechanical Engineering, MIT
Course Overview
This course teaches the design of mechatronic systems which
integrate mechanical, electrical, and control systems
engineering. A computer hard disk drive is an example of a
complex mechatronic system discussed in the class. Laboratories
form the core of the course. They cover topics such as aliasing,
quantization, electronic feedback, power amplifiers, digital logic,
encoder interfacing, and motor control. The labs make extensive
use of Simulink, a Matlab toolbox which allows for graphical
simulation and programming of real-time control systems. The
new lab facilities feature dSPACE digital signal processors which
are programmed through Simulink. Each student builds circuits
on a breadboard kit (shown above) which is issued to them.
Mechatronika w Medycynie
Mechatronika w Medycynie
Mechatronika w Medycynie
Mechatronika w Medycynie
Mechatronika w Medycynie
Mechatronika w Medycynie
Mechatroniczne Trendy
Mechatroniczne Trendy
• Aktuatory
• Ciecze magnetyczne
• Łożyska magnetyczne – lewitacja
magnetyczna
• Materiały z pamięcią kształtu
• MEMS
Aktuatory
Aktuatory
• Z silnikami o kilku stopniach swobody
ruchu i nietypowych konstrukcjach
• Z przetwornikami piezoelektrycznymi
• Z przetwornikami elektrostatycznymi
Silniki o nietypowych
Silniki o nietypowych
konstrukcjach
konstrukcjach
Silniki o nietypowych
Silniki o nietypowych
konstrukcjach
konstrukcjach
Silniki o nietypowych
Silniki o nietypowych
konstrukcjach
konstrukcjach
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
Piezoelektryki
MEMS
MEMS
Micro-Electro-Mechanical System
Micro-Electro-Mechanical System
MEMS
MEMS
Micro-Electro-Mechanical System
Micro-Electro-Mechanical System
Aktuatory elektrostatyczne
Aktuatory elektrostatyczne
Łożyska magnetyczne
Łożyska magnetyczne
Electro-Mechanical Systems
•
Mechanics-Electronics-Controltechnology
•
Mechanics-Electronics-Informationtechnology
1970
1980
1990
2000
Microprocessor Microcomputer
LED
Fotodiode/Fototransistor
Electronics
Controltheory
Methods of Design
Optical Fibres
Signalprocessor
Fault Detection
Systems for Diagnosis
Laserdiode
Fuzzy Control
Smart Sensor
Local Networks
Sensors / Actuators
Microsystems
Simulation of Circuits / Layout
Digital Control
Discrete Systems
Workstation / PC
CAD
Internet
Neuronal Nets
Smart Card
Informationtechnics
Soft Computer Skills
Nanosystems
Wireless Communication
Optical Datatransmission
New Storage Elements
2000
1990
1980
1970
E
le
c
tr
o
m
e
c
h
a
n
ic
s
•
C
o
n
tr
o
m
e
c
h
a
n
ic
s
•
•
M
e
c
h
a
t
r
o
n
i
c
s
Tematyka Wykładów z Mechatroniki
Tematyka Wykładów z Mechatroniki
• Definicja urządzenia mechatronicznego. System
mechatroniczny: analiza, projektowanie i przykłady.
• Metody modelowania systemów mechatronicznych.
• Budowa dysku twardego HDD.
• Drgania w dyskach twardych HDD. Powierzchniowa
gęstość zapisu danych: szerokości ścieżek a
długość bitu i ich skutki, co do wymagań
stawianych napędom talerzy i napędom głowic.
Drgania własne elementów konstrukcyjnych
dysków twardych, drgania talerzy a błędy
pozycjonowania głowic.
• Silniki wrzecionowe. Silniki VCM.
• Aktuatory głowic.
• Układy zasilania i sterowania silnikami
wrzecionowymi i VCM.
• Dodatkowe przetworniki napędzające głowice:
przetworniki elektrostatyczne, piezoelektryczne i
elektromagnetyczne.
• Przetworniki elektrostatyczne grzebieniowe.
• Przetworniki piezoelektryczne pochylające się.
Modele matematyczne przetworników
piezoelektrycznych.
• Łożyska kulkowe w dyskach twardych. Łożyska
hydrodynamiczne.
• Zjawiska aerodynamiczne w dyskach twardych
HDD, plater talerzy, poduszka powietrzna pod
ślizgaczem głowic HDD.
Tematyka Wykładów z
Tematyka Wykładów z
Mechatroniki
Mechatroniki
• Rozwiązania układowe ślizgaczy.
• Metody diagnostyki drganiowej dysków twardych.
• Mikrosystemy MEMS. Technologie wykonania
mikrosystemów MEMS. Obszary zastosowań
mikrosystemów: optyka, medycyna, czujniki
pomiarowe, mikrozawory, przełączniki wiązki
świetlnej w technice światłowodowej, czujniki
przyśpieszeń.
Tematyka Wykładów z
Tematyka Wykładów z
Mechatroniki
Mechatroniki
• Ciecze magnetyczne. Klasyfikacja i
charakterystyka. Przegląd zastosowań (hamulce,
sprzęgła, tłumiki, zawory). Analiza dynamiki
przetworników metodami polowo-obwodowymi.
• Materiały z pamięcią kształtu - rys historyczny.
Stopy z pamięcią kształtu (SMA). Przegląd
stopów z pamięcią kształtu, własności stopu NiTi.
• Łożyska magnetyczne. Zasada działania.
Klasyfikacja. Aktywna lewitacja magnetyczna.
Konstrukcja i sterowanie.
Tematyka Wykładów z
Tematyka Wykładów z
Mechatroniki
Mechatroniki
•
Analiza porównawcza drgań dysków twardych HDD starej i
nowej generacji.
•
Wyznaczanie parametrów silnika VCM napędzającego głowice
w HDD.
•
Badanie silnika wrzecionowego napędzającego talerze w dysku
twardym.
•
Modelowanie matematyczne i symulacje układu serwonapędu
głowic w HDD.
•
Wyznaczanie współczynników tłumienia łożysk stosowanych w
dyskach twardych HDD.
•
Wyznaczanie parametrów silników wrzecionowych SM.
•
Badania mikroaktuatora piezoelektrycznego napędzającego
zawieszenie głowic w HDD.
•
Badanie tłumika liniowego z cieczą magnetyczną.
•
Badanie hamulca obrotowego z cieczą magnetyczną.
•
Modelowanie matematyczne układów elektromechanicznych i
ich symulacja komputerowa.
•
Badania drgań własnych układu elektromechanicznego
złożonego z elektromagnesu, sprężyny liniowej i masy.
•
Badania drgań własnych układu elektromechanicznego
złożonego z elektromagnesu, sprężyny wykonanej z materiału z
pamięcią kształtu i masy.
Tematyka Laboratorium z
Tematyka Laboratorium z
Mechatroniki
Mechatroniki
Warunki Zaliczenia
Warunki Zaliczenia
sem.
ECT
S
W
Ć
L
P
S
VII
2
VIII
–
2
e
–
–
egza
min
Literatura
Literatura
Praca zbiorowa: Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych.
WNT, Warszawa, 1996.
Tomaszewski K.: Roboty przemysłowe. Projektowanie układów
mechanicznych. WNT, Warszawa, 1993.
Denn K. Miau: Mechatronics – Electromechanics and
Contromechanics., Splinger Verlag,
Heimann B.,Gerth W., Popp K.: Mechatronika - komponenty, metody,
przykłady., PWN, 2001.
Trimmer W. S.: Mechatronics and Mems: Classic and Seminal Papers to
1990., ISDN 0-7803-1085-3, Wiley-IEEE Press, 1997.
INTERNET