Wykład:

Mechatronika - synergiczna integracja inżynierii mechanicznej z elektroniką i inteligentnym sterowaniem komputerowym w projektowaniu i wytwarzaniu produktów.

Czy zawsze mechatronizacja ma sens?

Nie zawsze zastosowanie mechatroniki ma sens. Bardzo dobrze to można pokazać na może nieco satyrycznym przykładzie pułapki na myszy [RODDECK 1997]. To wszystkim znane proste urządzenie (rys. a) ma wiele cech mechatronicznych. Ma ruchomą klapkę przynęty (sensor), która wyczuwa ciężar myszy. W sprężynie mamy zmagazynowaną energię do napędu pałąka uderzającego (aktor). Sensor i aktor są wzajemnie powiązane za pomocą pałąka zabezpieczającego (sterowanie mechaniczne), który zwalnia aktor wtedy, gdy siła na sensorze przekroczy określoną wartość. Za pomocą tego prostego systemu mechanicznego od stuleci myszy są „łapane”, a właściwie uśmiercane.

Klasyczna (a) i „mechatroniczna” (b) pułapka na myszy

Spróbujmy ten zadziwiający w swej prostocie system mechaniczny „uzbroić” w mechatronikę (rys. b). Zastąpmy sensor mechaniczny fotokomórką i zaryglujmy pałąk zabezpieczający za pomocą zatrzasku elektromagnetycznego. Fotokomórkę i zatrzask powiążmy wzajemnie za pomocą sterownika elektronicznego, który przy przerwaniu strumienia świetlnego przez mysz odrygluje zatrzask, aby pałąk uderzający mógł zrealizować swe zadanie. Funkcja użyteczna takiej pułapki mechatronicznej jest więc dokładnie taka sama jak mechanicznej; z jedną różnicą - pułapka mechatroniczna będzie co najmniej kilkadziesiąt razy droższa od mechanicznej.

Czy, wobec tego, mechatronizowanie pułapki na myszy jest pozbawionym sensu? Nie. Mechatronizacja zaczyna nabierać sensu wtedy, gdy od pułapki zaczniemy wymagać funkcji bardziej użytecznej, a mianowicie złapania myszy żywej. Jednak i tu istnieje także rozwiązanie czysto mechaniczne, choć bardziej złożone. Mysz jest łapana w klatkę po naciśnięciu swym ciężarem na klapkę uruchamiającą klapę wejściową. Wszystkie elementy funkcjonują znowu prosto i mechanicznie. Także w tym przypadku „dozbrojenie” mechatroniczne (fotokomórka, zatrzask elektromagnetyczny) nie przynosi nic nowego oprócz wzrostu kosztów wytwarzania pułapki.

Dopiero gdy zaczniemy wymagać, aby urządzenie mogło łapać kolejne myszy, bez ingerencji człowieka, system czysto mechaniczny okaże się zawodny lub będzie bardzo złożony. I tu z pomocą przychodzi mechatronika. Przednią i tylną stronę pułapki możemy wyposażyć w drzwi z napędem elektrycznym. Na początku przednie drzwi są otwarte a tylne zamknięte. Jeżeli mysz zostanie skuszona przynętą i wejdzie do środka, to uruchomi fotokomórkę, której sygnał z kolei uruchomi napęd drwi i je zamknie. Równocześnie otworzą się drzwi tylne, prowadzące do pojemnika na żywe myszy. Elektrycznie uruchamiany głośnik, z którego płynie dźwięk przestraszający, spowoduje, że mysz opuści klatkę przez drzwi tylne i znajdzie się w pojemniku. Wtedy znowu drzwi tylne, sterowane przez fotokomórkę, zamkną się, a przednie zostaną otwarte. Pułapka znajdzie się w stanie początkowym i może łapać i „magazynować” kolejne żywe myszy. W ten sposób powstał system mechatroniczny, który jest prawie niemożliwy do zastąpienia przez proste rozwiązanie mechaniczne, ponieważ realizuje on dodatkowo wymagane funkcje.

Mechaniczna (a) i mechatroniczna (b) pułapka do łapania myszy żywych

Sterowniki swobodnie programowalne (PLC) - komputery przemysłowe, które pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego:

• zbierają dane pomiarowe,

• wykonują programy aplikacyjne,

• transmitują dane,

• generują sygnały sterujące,

• realizują funkcje diagnostyki programowej i sprzętowej.

Zasada działania:

Podstawową zasadą pracy sterowników jest praca cykliczna, w której sterownik wykonuje kolejno po sobie pojedyncze rozkazy programu w takiej kolejności, w jakiej są one zapisane w programie. Na początku każdego cyklu program odczytuje "obraz" stanu wejść sterownika i zapisuje ich stany (obraz wejść procesu). Po wykonaniu wszystkich rozkazów i określeniu (wyliczeniu) aktualnego dla danej sytuacji stanu wyjść, sterownik wpisuje stany wyjść do pamięci będącej obrazem wyjść procesu a system operacyjny wysterowywuje odpowiednie wyjścia sterujące elementami wykonawczymi. Tak więc wszystkie połączenia sygnałowe spotykają się w układach (modułach) wejściowych sterownika, a program śledzi ich obraz i reaguje zmianą stanów wyjść w zależności

od algorytmu.

Cykl programowy sterownika:

Języki programowania:

1. Języki graficzne:

1. drabinkowy,

2. funkcyjnych schematów blokowych.

2. Języki tekstowe:

1. lista instrukcji,

2. strukturalny.

Wykonanie programu

Diagnostyka, komunikacja

Uaktualnianie wyjść

Odczyt wejść

---