PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE

INSTRUKCJA DO ZAJĘĆ PROJEKTOWYCH Z

PRZEDMIOTU MECHATRONIKA/

PROJ

O EKT

K

PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE

WYTYCZNE DOTYCZĄCE PROJEKTU URZĄDZENIA

MECHATRONICZNEGO

PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE

Przedmiot: PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE (zaję cia projektowe)

Katedra Robotyki i Mechatroniki AGH

I. CEL ZAJĘĆ DYDAKTYCZNYCH:

Celem ćwiczeń projektowych jest praktyczne zapoznanie się z metodami projektowania urządzeń mechatronicznych z użyciem narzędzi komputerowych i przy zastosowaniu procedur projektowania mechatronicznego w zespołach. Studenci na zajęciach zdobywają wiedzę z zakresu:

- Pracy zespołowej nad urządzeniem mechatronicznym

- Podejścia zorientowanego koncepcyjnie – od idei do konkretnego funkcjonalnego projektu

- Używania specjalistycznego oprogramowania w procesie projektowania

- Wirtualnego prototypowania urządzeń mechatronicznych

- Tworzenia dokumentacji projektowej w obszarze mechanicznym, elektroniczno-elektrycznym,

programowym oraz blokowo-ideowym.

Studenci zdobywają praktyczne umiejętności użycia programów w interdyscyplinarnym procesie projektowania urządzeń mechatronicznych na różnych etapach procesu projektowania. Wymiernym wynikiem prowadzonych zajęć projektowych jest gotowy projekt wybranego urządzenia mechatronicznego, zawierający pełną dokumentację techniczną. W wybranych przypadkach będzie można podjąć próby praktycznej realizacji projektów.

II. ZAGADNIENIA BĘDĄCE TEMATAMI PRACY:

W ramach zajęć projektowych studenci uczą się obsługi wybranych programów wspomagających projektowanie mechatroniczne. Poznają techniki projektowania, modelowania, prowadzenia badań symulacyjnych oraz zapoznają się z aspektami dotyczącymi sterowania oraz wirtualnego prototypowania urządzeń mechatronicznych z naciskiem na tworzenie pełnej dokumentacji inżynierskiej. Zagadnienia będące tematami zajęć przedstawione są następująco:

1. Projektowanie z użyciem programów CAD,

2. Modelowanie urządzeń mechatronicznych (modele: geometryczny, kinematyczny, statyczny,

dynamiczny),

3. Wirtualne prototypowanie urządzeń mechatronicznych,

4. Synteza układów sterowania urządzeniami mechatronicznymi,

5. Programowanie układów elektronicznych,

6. Szybkie prototypowanie,

7. Wykonywanie projektu i dokumentacji wykonawczej urządzenia mechatronicznego,

8. Sformułowanie wniosków, uwag oraz kierunków dalszych prac badawczych.

III.

STOSOWANE OPROGRAMOWANIE

Oprogramowanie podzielone zostało na grupy tematyczne. W każdej grupie tematycznej można znaleźć

odpowiedniki i zamienniki różnych producentów oprogramowania. W miarę możliwości można stosować oprogramowanie, które jest znane przez studenta. Grupy tematyczne są następujące:

1. Oprogramowanie do projektowania części mechanicznej urządzeń (CAD): na przykład: Autodesk Inventor, CATIA, Solid Works, Mechanical Desktop.

2. Oprogramowanie do modelowania kinematyki na przykład: moduły oprogramowania CAD (w miarę dostępności), Visual Nastran.

3. Oprogramowanie do modelowania dynamiki na przykład: moduły oprogramowania CAD (w miarę możliwości), Visual Nastran.

4. Oprogramowanie do budowania systemów sterowania na przykład: AMESIM, MATLAB/SIMULINK.

5. Oprogramowanie do wirtualnego prototypowania: kombinacja SIMULINK+Visual Nastran.

6. Oprogramowanie do modelowania MES na przykład: Nastran, Visual Nastran, ANSYS.

2

Przedmiot: PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE (zaję cia projektowe)

Katedra Robotyki i Mechatroniki AGH

7. Oprogramowanie do testowania i doboru napędów (dedykowane oprogramowanie od producentów napędów na przykład pneumatycznych, hydraulicznych lub elektrycznych) AMESim, Automation

Studio,

8. Oprogramowanie do programowania układów FPGA (QUARTUS + NIOS IDE)

9. Oprogramowanie do symulowania układów mechatronicznych: AMESim

10. Urządzenie do szybkiego prototypowania (dSPACE + Control Desk)

IV. PLAN WYKONANIA PROJEKTU

Plan wykonania zadań został podzielony na następujące etapy, które należy wykonać a następnie szczegółowo opisać w projekcie. Należy zwrócić uwagę, że plan ma charakter poglądowy i bardziej ogólny i należy go we własnym zakresie zastosować do projektowanego urządzenia mechatronicznego w zależności od tego czy urządzenie będzie w swojej budowie bardziej nastawione na rozwiązania mechaniczne, elektroniczne czy softwareowe.

1. Wybrać dowolne urządzenie mechatroniczne.

2. Pokazać istniejące na rynku rozwiązania techniczne podobne lub identyczne funkcjonalnie lub koncepcyjnie.

3. Określić podstawowe założenia do wybranego urządzenia dobierając także poziom istotności danego założenia (np.: wybrać najważniejsze kryterium: mała masa, duża funkcjonalność niska cena).

4. Zbudować tablicę morfologiczną do danego urządzenia mechatronicznego.

5. Na bazie tablicy morfologicznej wyznaczyć podstawowe własności części mechanicznej urządzenia i uzasadnić wybór.

6. Na bazie tablicy morfologicznej określić elektroniczna platformę sprzętową urządzenia i uzasadnić wybór.

7. Na bazie tablicy morfologicznej określić funkcjonalność softwareową urządzenia uwzględniając takie czynniki jak dostępna platforma sprzętowa, interfejs użytkownika oraz użyte sensory do interakcji z otoczeniem.

8. Zbudować uproszczony model urządzenia mechatronicznego i przeprowadzić symulację istotnych elementów składowych urządzenia używając odpowiedniego oprogramowania.

9. Na bazie uzyskanych wyników symulacji oraz wstępnego modelu urządzenia zbudować wirtualny prototyp urządzenia mechatronicznego mając na uwadze interakcję i synergię części mechanicznej elektronicznej oraz programowej.

10. Dokonać niezbędnych obliczeń matematycznych (np. określających kinematykę ruchu członów urządzenia lub określających istotne aspekty integracji programów z zastosowanymi sensorami a także określających poprawność doboru elementów napędowych).

11. Utworzyć wirtualny prototyp urządzenia mechatronicznego z użyciem dedykowanego oprogramowania.

12. Używając wirtualnego prototypu sprawdzić poprawność zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego.

We wnioskach umieścić wady i zalety, które wynikają z takiego rozwiązania.

13. Przetestować zastosowane algorytmy sterujące i kody programu na elektronicznych platformach sprzętowych.

14. Zaproponować procedurę implementacji algorytmu do układu docelowego

15. W przypadku braku pozytywnych wyników symulacji wrócić do poprzednich kroków procedury i zmodyfikować budowę/zweryfikować przyjęte założenia oraz dokonać niezbędnych zmian, tak aby urządzenie działało poprawnie.

16. W przypadku pozytywnych wyników uzyskanych z symulacji wykonać pełną dokumentację techniczną

urządzenia mechatronicznego w tym:

−

Dokumentację części mechanicznej: rysunki wykonawcze części, rysunki złożeniowe, widoki oraz istotne przekroje, kinematykę ruchu w przypadku łańcuchów kinematycznych oraz tabelę elementów standardowych (śruby, nakrętki, pierścienie osadcze, profile oraz inne elementy złączne i zabezpieczające),

3

Przedmiot: PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE (zaję cia projektowe)

Katedra Robotyki i Mechatroniki AGH

−

Dokumentację techniczną części elektronicznej obejmującą: schemat ideowy oraz poszczególne schematy funkcjonalne podzespołów i układów elektronicznych,

−

Dokumentację rysunkową płytek drukowanych,

−

Schematy blokowe zastosowanych algorytmów sterowania

−

Wizualizację całościowa projektu (widoki renderowane)

17. Całość podsumować wnioskami i uwagami.

18. We wnioskach należy uwzględnić podstawowe różnice związane z opracowanym rozwiązaniem w odniesieniu do rozwiązań już istniejących na rynku.

19. Wskazać kierunki dalszego rozwoju zaproponowanej konstrukcji

V. PODZIAŁ ZADAŃ W INTERDYSCYPLINARNYM ZESPOLE

Projektowanie mechatroniczne odbywa się w interdyscyplinarnym zespole składającym się z

mechaników, elektroników, programistów oraz osób odpowiedzialnych za marketing i zarządzanie projektem.

Ponadto, jeżeli projekt wkracza szeroko poza ramy mechaniczno-elektroniczne uwzględnia się współpracę osób z innych obszarów nauki i techniki (na przykład: optyków, biologów, chemików, medyków, fizyków itp.).

Każda grupa osób ma wybrane zadania związane z projektem. Dla podstawowego zespołu mechatronicznego zadania te można podzielić następująco:

- Nadzór merytoryczny nad projektem, bez wchodzenia w szczegóły techniczne

- Nadzór finansowy nad projektem

- Koordynacja pracy w zespole

- Kontakty z kontrahentami

- Zapewnienie źródeł finansowania i poparcia dla projektu

IK

- Starania o dofinansowanie

- Zapewnienie rynków zbytu

WNO - Zapewnienie współpracy ze specjalistami z dziedzin specjalistycznych

R

- Zapewnienie współpracy na zasadzie umów, licencji i konsorcjów

IE

- Bezpośrednia komunikacja z szefostwem oraz innymi strukturami i działami w firmie

K

- Nawiązywanie umów z podwykonawcami oraz innymi zespołami mechatronicznymi lub

interdyscyplinarnymi a także z jednostkami badawczo-rozwojowymi (R&D)

- Rozwiązywanie spraw spornych na wysokim szczeblu

- Zapewnienie płynności współpracy i szybkości wymiany informacji pomiędzy wszystkimi osobami w

zespole

4

Przedmiot: PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE (zaję cia projektowe)

Katedra Robotyki i Mechatroniki AGH

- Ogólna analiza techniczna istniejących rozwiązań na rynku

- Szczegółowa analiza cenowa istniejących rozwiązań na rynku

- Analiza potrzeb klientów (odbiorców) docelowych opracowywanego rozwiązania

- Wyszukiwanie rozwiązań prototypowych oraz nowych pomysłów, które zaczynają się pojawiać na

rynku

- Analizy opłacalności przedsięwzięcia dla skali ogólnej (cały projekt) a także dla skali lokalnej G

(konkretny podzespół lub stosowana technologia)

INT - Analiza problemu „kupić, czy zrobić samemu” w zastosowaniu do poszczególnych etapów projektu a E

także do poszczególnych rozwiązań konstrukcyjnych

KR - Analiza patentów związanych z danym rozwiązaniem

A

- Badania zdolności patentowej (o ile nie zostały zlecone rzecznikom patentowym)

M

- Wyszukiwanie konkretnych technologii lub podzespołów na zlecenie konstruktorów mechaników lub

elektroników

- Wyszukiwanie dostawców określonych podzespołów mechanicznych, elektronicznych i

informatycznych

- Negocjacje w obszarze czasowo-cenowym z poddostawcami elementów i podzespołów do projektu

- Zlecanie kooperacji w zakresie poddostawy i innych usług dotyczących projektu

- Opracowanie założeń technicznych od strony mechanicznej dla projektu (przy współpracy z pozostałymi członkami zespołu mechatronicznego i na podstawie założeń ogólnych dotyczących projektu)

- Opracowanie projektu części mechanicznej

IK

- Przeprowadzanie badań symulacyjnych elementów i podzespołów mechanicznych urządzenia

N

mechatronicznego

AH - Wirtualne prototypowanie mechaniki w połączeniu z układami sterującymi (współpraca na poziomie CE równoległym z elektronikami i programistami)

M

- Wykonywanie dokumentacji technicznej oraz dokumentacji rysunkowej części mechanicznej urządzenia ale z uwzględnieniem podzespołów elektronicznych

- Opracowanie technologii wykonania i montażu w przypadku podzespołów nietypowych

- Nadzór nad poprawnością wykonania elementów mechanicznych urządzenia mechatronicznego

- Opracowanie założeń technicznych od strony elektronicznej dla projektu (przy współpracy z

pozostałymi członkami zespołu mechatronicznego i na podstawie założeń ogólnych dotyczących projektu)

- Opracowanie projektu części elektronicznej

IK

- Przeprowadzanie badań symulacyjnych i prototypowych elementów i podzespołów elektryczno-

N

elektronicznych urządzenia mechatronicznego

OR - Wirtualne prototypowanie elektroniki w połączeniu z układami sterującymi i układami mechanicznymi T

(współpraca na poziomie równoległym z programistami i mechanikami)

KE - Wykonywanie dokumentacji technicznej oraz dokumentacji rysunkowej części elektronicznej LE urządzenia

- Pisanie programów na poziomie sprzętowym dla układów elektroniki

- Synteza układów sterowania na poziomie sprzętowym urządzeni amechatronicznego

- Nadzór nad poprawnością wykonania elementów mechanicznych urządzenia mechatronicznego

- Opracowanie zało

żeń technicznych od strony programistycznej dla projektu (przy współpracy z

A

pozostałymi członkami zespołu mechatronicznego i na podstawie założeń ogólnych dotyczących projektu) T

- Opracowanie poprawnie działających algorytmów sterowania i programów

IS

M

- Opracowanie protokołów komunikacji w warstwie programowej i w odniesieniu do stosowanych

A

interfejsów zewnętrznych

RG - Integracja funkcjonalna i programowa poszczególnych podzespołów elektronicznych

O

- Testowanie programów i algorytmów sterujących pod kątem niezawodności

RP - Pisanie programów na wyższych poziomach (w warstwie zarządzania aplikacjami i podzespołami)

- Opracowanie szczegółowej dokumentacji programowej wraz z opisami.

5

Przedmiot: PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE (zaję cia projektowe)

Katedra Robotyki i Mechatroniki AGH

VI. WYMAGANIA EDYTORSKIE DOTYCZĄCE PISEMNEGO PROJEKTU

Format projektu: A4

Ilość stron: tyle ile będzie niezbędne, aby wyczerpać temat

Czcionka: 12 lub mniejsza

Odstęp: pojedynczy

Marginesy: 12mm z każdej strony

Spis treści: przejrzysty maksymalnie 3 poziomy zagłębienia tematów

Szablon projektu (szczegółowo opisany w punkcie: IV):

1.

Wstęp

2.

Założenia projektowe i TABLICA MORFOLOGICZNA

3.

Wykonane modele i przeprowadzone symulacje wraz z obliczeniami analitycznymi

4.

W pełni udokumentowany projekt urządzenia mechatronicznego

5.

Własne wnioski i uwagi oraz określenie kierunków dalszych prac badawczych.

Wnioski proszę sformułować w sposób następujący:

- Krótko opisać, dlaczego została wybrana taka a nie inna struktura manipulatora,

- Przeanalizować przeprowadzone badania symulacyjne oraz użyte narzędzia komputerowe,

- Opisać napotkane problemy podczas wykonywania poszczególnych zadań,

- Opisać sposób, w który problem rozwiązano/ominięto,

- Opisać, co można/ należałoby jeszcze zrobić (dodatkowe modele, symulacje, większa dokładność),

- Wskazać dalsze kierunki rozwoju/ulepszania zaprojektowanej konstrukcji.

Ż yczymy miłej i owocnej pracy na przedmiocie PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE

Prowadzą cy zaję cia,

dr inż . Daniel Prusak

dr inż . Grzegorz Karpiel

6