Politechnika Wrocławska
W y d z i a ł M e c h a n i c z n y
W y d z i a ł M e c h a n i c z n y
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Kierunek studiów: Mechatronika
Mechatronika
Studia I-stopnia, rok I, sem. 2
Materiały do wykładu  Wstęp do mechatroniki
Wstęp do mechatroniki
Dr in\
. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)
Część 1 (1  108)
Wrocław, 2009
Mechanika + Elektronika + Informatyka = Mechatronika
Mechatronika
Mechanika Układy elektryczne
Elektromechanika
Informatyka elektroniczna
Oprogramowanie sterujące
Informatyka Mikroelektronika
Mechatronika
Mechatronika
Oprogramowanie projektowe
Elektronika mocy
Teoria systemów
i teoria sterowania
Układy adaptacyjne
Teoria stanów
Systemy o większej zło\
oności
Mechatronika - podstawy
1
Początki mechatroniki:
pojęcie (termin) mechatronika zostało po raz pierwszy u\
yte w 1969 r. przez
japońską firmę Firma Yaskava Electric Cooperation,
od 1971 r. pojęcie  mechatronika było chronione przez tą firmę jako nazwa
handlowa (wtedy pierwotnie rozumiano pod tym uzupełnienie składników
mechanicznych przez układy elektroniczne w takim sprzęcie jak np. aparaty
fotograficzne z lustrzanką),
od1982 r. pojęcie mechatronika jest do swobodnego u\
ytku.
Definicje mechatroniki
Układ (system) mechatroniczny stanowi wyrób końcowy procesu optymalizacji, który
musi uwzględniać ograniczenia ekonomiczne, mechaniczne, wytwórcze, elektryczne,
elektroniczne i informatyczne (H. J. Herpel, 1996).
Mechatronika jest synergiczną kombinacją in\
ynierii mechanicznej, in\
ynierii
elektrycznej i technologii informatycznej w zintegrowanym projektowaniu
zaawansowanych (inteligentnych) układów technicznych w zespołach i maszynach
(IFToMM, 1995).
Jako system mechatroniczny określany jest funkcjonalny i przestrzennie
zintegrowany układ mechaniczno-elektryczny, w którym czujniki (sensory) przyjmują
informacje, układy mikroprocesorowe przetwarzają te informacje, a elementy
wykonawcze (aktuatory) w celowy sposób wytwarzają siły lub ruchy, które oddziałują
na system lub jego otoczenie.
Definicja pojęcia mechatroniki
Jest to interdyscyplinarny
obszar, w którym
współpracują ze sobą
następujące dyscypliny:
" układy mechaniczne
" układy mechaniczne
(budowa maszyn,
mechanika precyzyjna,
Elektronika
Elektronika
Mechanika Elektronika
Mechanika
Mechanika Elektronika
Mechanika
budowa aparatury),
" układy elektroniczne
" układy elektroniczne
Mecha tron ika
(mikroelektronika,
elektronika mocy, technika
pomiarowa, aktuatoryka),
Informatyka
Informatyka
Informatyka
Informatyka
" informatyka (teoria
" informatyka
systemów, automatyzacja,
in\
ynieria
oprogramowania, sztuczna
inteligencja).
Definicja pojęcia mechatroniki
2
Mechatronika to nauka istniejąca na styku pięciu innych dziedzin wiedzy: mechaniki,
elektroniki, informatyki, automatyki i robotyki.
Przedmiotem zainteresowań i zastosowań mechatroniki są między innymi:
" roboty przemysłowe,
" układy sterowania pojazdami,
" nowoczesne zabawki,
" zaawansowany sprzęt gospodarstwa domowego,
" urządzenia automatyki i robotyki,
" obrabiarki sterowane numerycznie CNC (ang. Computerized Numerical Control),
" aparatura medyczna,
" technologie mikrosystemów MEMS (ang. Micro-electro-mechanical System) i
MOEMS (ang. Micro-optical-electro-mechanical System),
" obszary pomiarów w zakresie nano,
" mikrotechnologia,
" optyka,
" informatyka.
Mechatronika - wstęp
Modelowanie
Czujniki
systemów
Elektronika
Mechanika
Elektromechanika
MECHATRONIKAUkłady
MECHATRONIKA
CAD/CAM
sterowania
Sterowanie cyfrowe
Oprogramowanie
Symulacja Sterowanie
Mikrosterowniki
Mechatronika jest synergią ró\
nych dziedzin.
Typowy diagram mechatroniki
3
Informatyka
Informatyka
Elektronika
Elektronika
Elektronika
Mechanika
Mechanika
Mechanika
Mechanika
Mechatronika
1970 1980 1990 2000 Rok
Historyczny rozwój mechatroniki na
przykładzie samochodów
Mikroelektronika
Technika systemów
Elektronika mocy
Przetwarzanie
ELEKTRO-
INFORMA-
sygnałów
Napędy elektryczne
TECHNIKA
TYKA
Technika regulacji
Układy
i automatyzacja
elektromechaniczne
Techniki
MECHATRONIKA
Systemy
komputerowe
mikromechaniczne
Sztuczna
Roboty
inteligencja
Technika pomiarowa
BUDOWA
Informatyka
MASZYN stosowana
Aktuatoryka
Pojazdy Mechanika techniczna
Silniki spalinowe Dynamika maszyn
Turbiny Mechanika płynów
Samoloty Wspomaganie komputerowe
projektowania
Mechatronika
4
Regulator Watta do maszyny parowej jest przykładem urządzenia, w którym funkcje ustawiania wartości zadanej,
pomiaru wielkości regulowanej i porównania jej z wartością zadaną (przetwarzanie informacji) oraz sterowanie są
realizowane w całości na drodze mechanicznej. Urządzenia mechaniczne, które mają znaczną ilość części
ruchomych są kosztowne i kłopotliwe w eksploatacji, a wzrost liczby części mechanicznych pogarsza ich
niezawodność. Alternatywą dla takich urządzeń są systemy mechatroniczne, w których przetwarzanie informacji i
sterowanie jest realizowane przez układy elektroniczne i mikroprocesory. Słowo mechatronika powstało z
połączenia części słów angielskich MECHAnism i elecTRONICS. Za datę powstania słowa mechatronika mo\
na
przyjąć rok 1969, gdy w firmie Yasakawa Electronic z Japonii wszczęto starania o uzyskanie międzynarodowej
ochrony dla nazwy mechatronics jako znaku towarowego (z ochrony tej nazwy zrezygnowano w 1982 r.).
W Europie pierwsze wykłady na temat  projektowania zło\
onych systemów (nazwy mechatronika jeszcze nie
u\
ywano) prowadzono ju\
w latach siedemdziesiątych XX w. w Szwecji.
Mechatronika jest to synergiczna integracja mechaniki, elektroniki, automatyki i informatyki w procesie
projektowania i wytwarzania produktów.
Marketing
Elektronika
Elektrotechnika
analogowa
Mechanika
Czujniki
Modelo-
wanie
Elektroniczne
MECHATRO- układy
MECHATRO-
Komputerowo
sterowania
wspomagane
NIKA
NIKA
projektowanie
CAD
Mikroste-
rowniki
Symulacja
Automatyka
Komputery
Sterowanie
cyfrowe
Wytwarzanie
Mechatronika to synergiczna integracja wielu obszarów wiedzy
Mechatronika oferuje wprawdzie znaczny potencjał rozwojowy, jednak stawia szczególne wymagania: układy
mechatroniczne ze względu na sieciowe współdziałanie ró\
nych dziedzin wiedzy odznaczają się wysoką
zło\
onością. Wynika ona, w porównaniu z układami mechanicznymi, z większej liczby połączonych elementów,
które ponadto są realizowane w ró\
nych specjalnościach (heterogeniczność). Dlatego te\
problematyka ta
powinna być uwzględniana ju\
we wczesnych fazach projektowania wyrobów, poniewa\
wzajemne
oddziaływanie składników mechanicznych, elektrotechnicznych i informatycznych ma wpływ na ukształtowanie
i przebiegi układu mechatronicznego jako całości.
Rozwój wyrobów odbywał się dotychczas najczęściej oddzielnie w poszczególnych dziedzinach na podstawie
przyjętych, specyficznych metod, które były ukształtowane przez własny sposób myślenia i doświadczenia.
Integracja heterogenicznych składników w układ mechatroniczny wymaga jednak wykraczającej poza
dziedziny komunikacji i kooperacji uczestniczących dyscyplin specjalistycznych, aby uzyskać wspólne
wyobra\
enie przyszłego wyrobu i opracować zoptymalizowane rozwiązanie. Wraz z rozwojem informatyki
powstało wiele narzędzi IT (ang. Information Technology), które wspomagają projektowanie. Narzędzia te
umo\
liwiają wczesne modelowe odwzorowanie i symulację układów mechatronicznych.
Dotychczas nie ma jednak ogólnie akceptowanej, jednolitej definicji pojęcia  mechatronika . Ponadto obserwuje
się ciągły rozwój tego pojęcia przez rozszerzanie technologii.
W 1989 r. Schweitzer zdefiniował:
"Mechatronika jest interdyscyplinarną dziedziną nauk in\
ynierskich, która powstała z klasycznych
dyscyplin takich jak budowa maszyn, elektrotechnika i informatyka. Typowy układ mechatroniczny
przyjmuje sygnały, przetwarza je i wyprowadza po to, aby zamienić je w siły i ruchy.
W ten sposób wszystkie postacie czujników, aktuatorów i składników mechanicznych zestawione w
zintegrowany funkcjonalny układ określa się jako mechatronikę. W 1996 r. Harashima, Tomizuka i Fukuda
rozszerzyli to pojęcie:
"[Mechatronika] ... jest synergiczną integracją in\
ynierii mechanicznej z elektroniką i zaawansowanym
sterowaniem komputerowym podczas projektowania i wytwarzania wyrobów przemysłowych i
procesów .
Mechatronika  pojęcia podstawowe
5
Dlatego mechatronika odnosi się nie tylko do integracji funkcyjnej i modułowej, ale tak\
e do
zintegrowanego projektowania oraz wytwarzania wyrobów mechatronicznych.
W 1996 r. Van Brussel zmodyfikował i podkreślił ponaddyscyplinowy sposób postępowania
podczas projektowania układów mechatronicznych: "[Mechatronics needs]... a synergetic
crossfertilization between the different engineering disciplines involved: mechanical
engineering, control engineering, microelectronics and computer science. This is
exactly what mechatronics is aiming at; it is a concurrent-engineering view on machine
design."
W obszarze niemieckojęzycznym występuje następująca definicja zaproponowana przez
Isermann a: "Mechatronika jest interdyscyplinarną dziedziną, w której współdziałają
następujące dyscypliny: układy mechaniczne i połączone z nimi układy elektroniczne
oraz technika informatyczna. Układ mechaniczny jest przy tym dominujący w
odniesieniu do funkcji. Oczekiwane są efekty synergii, które wnoszą więcej ni\
czyste
sumowanie dyscyplin."
Rdzeniem nowoczesnego rozumienia mechatroniki jest zatem efekt synergiczny ró\
nych
technologii. Rozstrzygające znaczenie mają zatem nie poszczególne technologie, lecz ich
kombinacja, która umo\
liwia to, \
e układ optymalnie spełnia swoje zadanie lub mo\
na
zrealizować nowe funkcjonalności. Integracja technologii musi nastąpić ju\
na początku
rozwoju wyrobu w pierwszej fazie specyfikacji.
Najkrótsza i najczęściej u\
ywana definicja - przyjęta przez IFToMM (International Federation
for the Theory of Machines and Mechanism) - określa mechatronikę jako synergiczną
kombinację mechaniki precyzyjnej, elektronicznego sterowania i systemowego
myślenia przy projektowaniu produktów i procesów produkcyjnych.
Mechatronika  pojęcia podstawowe c.d.
Obecnie przez mechatronikę rozumie się działalność in\
ynierską obejmującą
projektowanie, badania oraz eksploatację maszyn i urządzeń, w których
występuje wysoki poziom integracji funkcjonalnej układów mechanicznych z
elektroniką i sterowaniem komputerowym. Mechatronika jest dziedziną
interdyscyplinarną, łączącą w sposób synergiczny wiedzę z klasycznej
budowy maszyn, hydrauliki, pneumatyki, elektrotechniki, elektroniki, optyki i
informatyki.
Celem mechatroniki jest poprawianie (doskonalenie) funkcjonalności
systemów technicznych oraz tworzenie nowych koncepcji maszyn i urządzeń
z wbudowaną "sztuczną inteligencją".
W literaturze przedmiotu spotka się wiele definicji mechatroniki. Prawie we
wszystkich z nich kładzie się nacisk na funkcjonalną integrację
mechanicznych układów wykonawczych z elektroniką i sterowaniem
komputerowym.
I tak np. według Heimann B., Gerth W., Popp K.:  Mechatronika obejmuje
programowalne urządzenia elektroniczne i systemy elektromechaniczne
o wbudowanej, rozproszonej strukturze sensorów, przetwarzania
sygnałów, aktuatorów i komunikacji".
Mechatronika  pojęcia podstawowe c.d.
6
Pod koniec lat siedemdziesiątych XX w. dokonano w Japonii klasyfikacji
urządzeń mechatronicznych na 4 grupy ró\
niące się stopniem integracji
podsystemów elektronicznych i mikroprocesorowych z mechaniką:
1. urządzenia mechaniczne uzupełnione o układy elektroniczne dla poprawy
ich funkcjonalności,
2. znaczna poprawa funkcjonalności urządzeń mechanicznych (np. maszyny
szwalniczej) uzyskana przez wbudowanie układów elektronicznych, ale
bez zmiany ich tradycyjnego, mechanicznego interfejsu,
3. całkowite zastąpienie mechanizmów wewnętrznych urządzenia przez
układ elektroniczny (np. zegarek cyfrowy),
4. synergiczna integracja elementów mechanicznych i elektronicznych (w
tym sterowania) w nowych jakościowo urządzeniach (np. kserokopiarka).
Synergia to współdziałanie kilku czynników dające łączny efekt
skuteczniejszy ni\
suma ich oddzielnych działań.
Obecnie przewa\
a opinia, \
e urządzenia mechatroniczne powinny w pełni
spełniać warunki podane w punkcie (4). Oznacza to, \
e mechatronika
jest to synergiczna integracja mechaniki, elektroniki, automatyki i
informatyki w procesie projektowania i wytwarzania produktów.
Mechatronika  pojęcia podstawowe c.d.
Urządzenia mechatroniczne są zintegrowanymi zespołami elementów składowych i
podzespołów spełniających ró\
ne funkcje, działających na ró\
nych zasadach
fizycznych i wykorzystujących ró\
ne zjawiska. Ich głównym zadaniem jest
czynność mechaniczna, a istotą jest mo\
liwość reagowania na bodz
ce
zewnętrzne docierające do urządzenia poprzez system czujników. Pomiędzy
sensorami (czujnikami) a elementami wykonawczymi, znajdują się układy
przetwarzania i analizy sygnałów, jak równie\
element decyzyjny wyposa\
ony w
odpowiedni program działania urządzenia.
Urządzenia mechatroniczne charakteryzują się następującymi cechami:
" multifunkcjonalnością, oznaczającą łatwość realizacji ró\
nych zadań przez jedno
urządzenie, np. przez zmianę oprogramowania;
" inteligencją, oznaczającą mo\
liwość podejmowania decyzji i komunikacji z
otoczeniem;
" elastycznością, czyli łatwością modyfikacji konstrukcji na etapie projektowania,
produkcji oraz eksploatacji urządzenia, np. przez zastosowanie konstrukcji
modułowej;
" mo\
liwością niewidocznego dla operatora sposobu działania, co wymaga
zastosowania interfejsu u\
ytkownika dla komunikowania się z operatorem;
" zale\
nością od wymagań rynkowych i mo\
liwości technologicznych wykonania.
Mechatronika  podstawy
7
Jednak najwa\
niejszym aspektem mechatroniki jest to, \
e maszyny i
urządzenia mechatroniczne są wyrazem naśladownictwa przyrody
(bionika). W otoczeniu naturalnym takie układy są powszechne i
umo\
liwiają funkcjonowanie istot \
ywych w zmiennych warunkach
naturalnego środowiska.
Istotną cechą urządzeń mechatronicznych jest zdolność do wiernego
przetwarzania i przekazywania informacji (w formie sygnałów
mechanicznych, elektrycznych, pneumatycznych, optycznych i innych),
przy jednoczesnym wysokim stopniu automatyzacji tych urządzeń.
Systemy mechatroniczne wyposa\
one są w czujniki zbierające sygnały ze
swojego otoczenia, programowalne układy przetwarzania i interpretacji
tych sygnałów oraz zespoły komunikacyjne i urządzenia wykonawcze
oddziałujące odpowiednio na otoczenie. Ich inteligencja polega na
reagowaniu na polecenia człowieka i otoczenia oraz przekazywaniu
informacji zwrotnych i realizowaniu tych poleceń.
Projektowanie urządzeń mechatronicznych, ich budowa, u\
ytkowanie,
analiza pracy i diagnostyka eksploatacyjna, wymagają specjalnego
podejścia metodycznego i systemowego, niestosowanego w
konwencjonalnych dziedzinach techniki, np. w mechanice.
Mechatronika  podstawy
Mechatronika jest synergicznym połączeniem mechaniki precyzyjnej, elektronicznych układów sterujących i
informatyki w celu projektowania, wytwarzania i eksploatacji inteligentnych systemów automatyki.
Mechatronika nie jest to\
sama ani z automatyką, ani robotyką, czy te\
automatyzacją produkcji. Mechatronika
mo\
e być uznana za nowoczesne ujęcie technik automatyzacji dla szeroko rozumianych potrzeb in\
ynierii i
edukacji. Mo\
na przyjąć, \
e mechatronika jest interdyscyplinarną dziedziną nauki i techniki zajmującą się
generalnie problemami mechaniki, elektroniki i informatyki. Jednak zawiera ona tak\
e wiele obszarów para-
mechatronicznych, które tworzą fundament mechatroniki i pokrywają wiele znanych dyscyplin, takich jak:
elektrotechnika, energoelektronika, technika cyfrowa, technika mikroprocesorowa, techniki regulacyjne i inne.
Mechatronika zaczęła się dynamicznie rozwijać dopiero w latach 80. XX w. i to głównie ze względu na
wymagania rynku. Natomiast elementy elektryczne i elektroniczne w układach mechanicznych zaczęto
wprowadzać ju\
w latach czterdziestych XX w., a urządzenia z tego okresu mo\
na nazwać pierwszą
generacją mechatroniki. Rozwój informatyki od początku lat 70. XX w. spowodował, \
e logiczne i decyzyjne
elementy elektroniczne zaczęto zastępować mikroprocesorami z odpowiednim oprogramowaniem. Etap ten
mo\
na uznać za drugą generację mechatroniki. Lata 80. przyniosły dalszy jej rozwój, zmierzający w kierunku
uzyskania zintegrowanych elementów zapewniających funkcjonowanie skomplikowanych urządzeń, maszyn i
systemów.
Zapoczątkowało to rozwój mechatroniki trzeciej generacji, przedmiotem zainteresowania której są
urządzenia charakteryzujące się wielofunkcyjnością i du\
ą zło\
onością konstrukcji. Uwa\
a się, \
e pierwszym
wyrobem mechatronicznym była obrabiarka sterowana numerycznie NC (ang. Numerical Control) do produkcji
śmigieł helikoptera, skonstruowana w MIT (ang. Massachusetts Institute of Technology, USA) w 1952 r.
Do podstawowych produktów mechatronicznych mo\
na zaliczyć drukarki laserowe lub atramentowe,
kserokopiarki nowej generacji, sterowane cyfrowo maszyny do szycia i maszyny dziewiarskie, elektronicznie
sterowany silnik spalinowy, ró\
ne systemy (np. przeciwblokujące i przeciwpoślizgowe) w technice
samochodowej, obrabiarki sterowane numerycznie, roboty i manipulatory itp. Produktami mechatronicznymi
są miniaturowe kamery video, odtwarzacze CD i wiele mikromaszyn, ale równie\
du\
e maszyny rolnicze i
drogowe nowej generacji oraz wielkogabarytowe systemy i linie produkcyjne.
Mechatronika - podstawy
8
Mechatronika pozwala na uzyskanie o wiele większych efektów ani\
eli konwencjonalnie
realizowany rozwój i działanie elektromechanicznych lub elektroniczno-mechanicznych układów
z sumowanym i najczęściej dodatkowym uzupełnieniem biernych mechanicznych struktur za
pomocą wspomaganych programowo i elektronicznie sterowanych (regulowanych) składników.
Systemy mechatroniczne pozostają pod silnym wpływem realizowanego od początku
interdyscyplinarnego projektowania, konstrukcji i rozwoju zło\
onych urządzeń, systemów i
instalacji. Dzięki temu uzyskuje się całkowicie nowe, częściowo nawet zaskakujące mo\
liwości
techniczne, umo\
liwiające przesunięcie funkcjonalności z biernych struktur mechanicznych do
aktywnych, sterowanych programowo elektronicznych składników, w połączeniu z
zaawansowanymi (inteligentnymi) czujnikami i aktuatorami oraz elektronicznym przetwarzaniem
informacji z odpowiednim oprogramowaniem.
Przykładami systemów mechatronicznych w przemyśle samochodowym są: elektroniczne
zarządzanie silnikiem, układ zapobiegający blokowaniu kół podczas hamowania (ABS), układ
przeciwdziałający poślizgom (ASR) oraz układ regulacji dynamiki jazdy (FDR).
Natomiast przykładami układów mechatronicznych w budowie maszyn i instalacji są: pracujące
w znacznym stopniu autonomicznie roboty przemysłowe, urządzenia z samoczynnymi układami
mocowania, narzędzia z samoczynnym, automatycznym nastawianiem oraz bezstykowo
regulowane ło\
yska powietrzne i magnetyczne.
W przemyśle elektrotechnicznym, elektronicznym i komputerowym przykładami systemów
mechatronicznych są: nowe generacje przyrządów pomiarowych, układy pomiarowe, czujniki,
aktuatory, kamery wideo, comcordery, dyski twarde, drukarki, plotery i kserografy.
Rozwój tego rodzaju nowoczesnych wyrobów wią\
e się realizacją trudnych zadań o bardzo
wysokich wymaganiach dotyczących opanowania i stosowania najnowszych technologii z
obszaru: mechaniki, elektroniki/ mikroelektroniki i informatyki, aktuatoryki, sensoryki, optyki oraz
techniki mikrosystemów i fotoniki.
Mechatronika  podstawy
Klasyczna mechanika zajmuje się problemem, jaki ruch wykonuje ciało, je\
eli działa na nie
określona siła w warunkach występujących więzów. Jednak obecnie, w odniesieniu do układów
często rozpatruje się odwrotne sformułowanie problemu, tzn. jaka siła musi działać na ciało, aby
uzyskać określony jego ruch tak\
e w warunkach działania zakłóceń. Realizacja techniczna
takiego syntetycznego zadania wymaga włączenia do mechaniki tak\
e innych dyscyplin takich
jak elektrotechnika, elektronika i informatyka.
Wszystkie definicje mechatroniki łączy to, \
e określają ją jako interdyscyplinarny sposób
postępowania podczas rozwoju wyrobów oraz współdziałanie składników z poszczególnych
obszarów w celu uzyskania funkcjonalności tych wyrobów. Je\
eli jednak wcześniej na plan
pierwszy wysuwał się wyrób mechatroniczny, to obecnie z mechatroniką są równie\
związane
przebiegi i zale\
ności występujące podczas rozwoju i produkcji systemów mechatronicznych.
Mechatronika stanowi nowy rodzaj myślenia i działania, w którym wszystkie uczestniczące
dyscypliny muszą być wspólnie rozpatrywane i traktowane. Jest to zatem więcej ni\
tylko suma
tych obszarów.
Mo\
na zatem sformułować jeszcze następującą definicję mechatroniki:
Mechatronika jest największą z mo\
liwych integracją mechaniki, elektrotechniki,
elektroniki i informatyki w jednym nośniku funkcji. Obejmuje to zarówno integrację
funkcyjną, jak i sposób postępowania podczas rozwoju i produkcji wyrobów.
Integracja geometryczna nie jest \
adnym koniecznym warunkiem mechatroniki. Pod pojęciem
nośnika funkcji rozumie się zamknięty układ (system), który nie musi być koniecznie
umieszczony w jednej obudowie. Przykładem tego jest robot przemysłowy, który za pomocą
kabla jest połączony z układem sterowania.
Definicja pojęcia mechatronika
9
Pod pojęciem mechatroniki rozumie się interdyscyplinarny rozwój wyrobów, które
ukierunkowane mechanicznie zadania realizują przez wykorzystanie przestrzennej i
funkcjonalnej integracji składników mechanicznych, elektrycznych i informatycznych.
Wyroby mechatroniczne odznaczają się uproszczoną konstrukcją mechaniczną,
wy\
szą dokładnością, zintegrowanym samo-nadzorowaniem i diagnostyką błędów,
rozszerzonymi warunkami pracy oraz łatwiejszą obsługą. Uzyskiwana w ten sposób
rozszerzona funkcjonalność wyrobów jest często rozstrzygającym czynnikiem
przewagi konkurencyjnej na rynku.
Dzięki temu dają się wytwarzać w pełni nowe wyroby lub te\
wyroby ze znacznie
ulepszonymi własnościami, np. w samochodach - systemy do kierowania,
hamowania i zarządzania silnikiem oraz do aktywnego zapewniania bezpieczeństwa
(ABS, ESP), w obszarze artykułów konsumpcyjnych - kamery z napędami
piezoelektrycznymi, odtwarzacze CD z ultraszybkimi jednostkami pozycjonującymi, w
medycynie - inteligentne protezy i roboty (ang. human assistance) lub w technikach
wytwarzania - mikroroboty z elementami z pamięcią kształtu.
Wymagane kompetencje in\
ynierów uczestniczących w pracach nad rozwojem
wyrobów mechatronicznych, ze względu na pogłębiającą się specjalizację, wymagają
podejścia interdyscyplinarnego. Bardziej wskazana jest wiedza wykraczająca poza
poszczególne obszary w postaci wspólnych podstaw, aby umo\
liwić synergiczną (tzn.
korzystną) współpracę specjalistów z ró\
nych dziedzin dla zapewnienia optymalnego
ukształtowania wyrobu.
Co to jest mechatronika?
Pod pojęciem  mechatronika rozumie się funkcjonalną, a tak\
e przestrzenną integrację składników
mechanicznych i elektronicznych oraz oprogramowania w jednym obiekcie (systemie). Ta interdyscyplinarna
dziedzina specjalności stanowi pomost pomiędzy ró\
nymi obszarami. Nowoczesne wyroby techniczne
składają się bardzo często nie tylko ze składników czysto mechanicznych lub czysto elektrycznych/
elektronicznych. Wskutek tego problematyka mechatroniczna występuje wszędzie tam, gdzie przez
odpowiednie połączenie metod/ narzędzi poszczególnych dyscyplin mo\
na uzyskać poprawę budowanych
systemów.
Wcześniej elektronika pojawiała się jako dodatek podczas wyposa\
ania maszyn i instalacji i często słu\
yła
ona tylko do zwiększenia wygody obsługi. Jednak takie podejście w ostatnich latach zostało ju\
w znacznym
stopniu zarzucone. I tak np. wcześniej w maszynach drukarskich napęd i cykl pracy był realizowany w
sposób czysto mechaniczny za pomocą wału głównego, przekładni i sprzęgieł. Natomiast obecnie elektronika
jest integralną częścią całego procesu drukowania, co pozwala na w pełni automatyczny jego przebieg.
Największa zaleta takiego rozwiązania polega na tym, \
e takie systemy są tańsze, poniewa\
części
mechaniczne mo\
na zastąpić tańszą elektroniką, która jest ponadto bardziej niezawodna i lepsza w
pielęgnacji, gdy\
jest ona odpowiednia do samonadzorowania, a tak\
e dokładniejsza dzięki temu, \
e
precyzję uzyskuje się nie przez stabilność mechaniczną, a za pomocą elektronicznych pomiarów i regulacji.
Obecnie na rynek wchodzą coraz nowsze wyroby mechatroniczne. I tak np. nowy samochód osobowy
mercedes klasy S Coup� dysponuje aktywnym zawieszeniem, dzięki czemu komfort jazdy znacznie się
poprawił. Innymi przykładami systemów mechatronicznych są: odtwarzacz CD, system ABS w samochodach,
automatyczna przekładnia (skrzynia biegów), elektrownie wiatrowe, a nawet taki sprzęt AGD jak pralka
automatyczna. Systemy mechatroniczne pozwalają na to, \
e dzięki ścisłej interakcji budowy maszyn,
elektrotechniki/ elektroniki i informatyki podczas projektowania, wytwarzania i pielęgnacji w nowoczesnych
maszynach (wyrobach) będzie mo\
na wykorzystać wiele efektów synergii. Wa\
nym aspektem jest tak\
e
miniaturyzacja wyrobów, dzięki czemu ciągle coraz więcej funkcji i niezbędnych do tego celu składników
mo\
na umieścić wewnątrz małej objętości. System mechatroniczny zawiera zawsze składniki mechaniczne,
elementy elektroniczne w postaci standardowego sprzętu, łącznie z sensorami i aktuatorami, modułami
regulacji wraz z przetwarzaniem informacji oraz odpowiednie oprogramowanie. Całościowy sposób
rozpatrywania dotyczy zarówno rozwoju systemu mechatronicznego jak i jego technicznej realizacji.
Co to jest mechatronika?
10
Pierwotnie, tzn. na początku lat 70. XX w. termin mechatronika odnosił się do kombinacji mechaniki i
elektroniki. Jednak wskutek rosnącej integracji systemów wbudowanych ES (ang. Embedded Systems)
oprogramowanie stało się dodatkowym nośnikiem funkcji, który umo\
liwił uzyskanie w nowych wyrobach
prawie dowolnej funkcjonalności. Był to istotny przeskok w rozwoju wyrobów, który spowodował, \
e
mechatronika uzyskała strategiczne znaczenie w innowacyjności i konkurencji na rynku.
Składy zespołów
Współpraca
zmieniają się szybciej
pracowników
Mechatronika
Kwalifikacje
pracowników są
Technologie
wielostronne
mikrosystemów
Czujniki
Aktuatory
Mikro-
optyka
Elektronika
mocy Wskaz
niki innowacji
Mikro-
mechanika
Czasy rozwoju
Czas
Mechatronika - integracja mechaniki,
elektroniki i oprogramowania
Układy mechatroniczne łączą elementy mechaniczne, napędowe, czujnikowe jak równie\
pozostałe
składniki sprzętu i oprogramowania w jednej, zwartej jednostce funkcyjnej. Tak więc pojęcie mechatroniki
mo\
e być synonimem zaawansowanych jednostek funkcyjnych o wysokim stopniu integracji. Jednak
odpowiedzi na pytanie:  Jak szeroko powinno być ujmowane pojęcie układ mechatroniczny? - nie
jest prosto udzielić. Czy układ napędowy składający się z kombinacji takich urządzeń jak np.: silnik,
prowadnice liniowe i wyłączniki krańcowe jest ju\
systemem mechatronicznym? Nale\
ałoby na to
odpowiedzieć, \
e nie. Dla układu mechatronicznego charakterystyczna powinna być integracja funkcji
prowadząca do redukcji interfejsów u\
ytkownika. Zatem pojęcie układ mechatroniczny daje się
ograniczyć do zwartych i zaawansowanych (inteligentnych) jednostek funkcyjnych.
Przykładem mechatronicznego modułu napędowego jest kompaktowa jednostka, w której zintegrowano
silnik, układ pomiaru poło\
enia, przekładnię, elektronikę mocy oraz układ sterowania poło\
eniem z
ró\
nymi interfejsami miejscowych sieci komunikacyjnych (ang. Fieldbus). Ró\
norodne moduły napędowe
i regulacyjne tworzą idealne warunki do optymalnej realizacji ró\
nych aplikacji. Pozwala to na
zmniejszenie kosztów, zwiększenie elastyczności zastosowań dzięki większej funkcjonalności oraz
uproszczenie pielęgnacji. Mechatronika odpowiada trendowi większej integracji i efektywności, przy
równoczesnej poprawie niezawodności i zdolności komunikacyjnej. Wszystkie te czynniki upraszczają
wykorzystanie maszyn i instalacji.
Oczekiwania u\
ytkowników końcowych dotyczą szczególnie wzrostu wydajności i dokładności,
zwiększenia elastyczności, zmniejszenia zapotrzebowania na miejsce, a tak\
e poprawy struktury
kosztów. Rozwiązania mechatroniczne często tworzą tak\
e bazę innowacyjną dla technologicznego
rozwoju wyrobów zgodnie z oczekiwaniami klientów. Dzięki podejściu mechatronicznemu mo\
liwe jest
równie\
znaczne zredukowanie nakładów związanych z monta\
em i okablowaniem, co powoduje
znaczne zmniejszenie lub nawet wyeliminowanie szaf sterowniczych. I tak np. rozproszone
(zdecentralizowane) rozwiązania napędów zwiększają elastyczność, a często tak\
e szybkość
(wydajność) produkcji. Przeprowadzane dotychczas tylko w sposób ręczny czynności ustawiania i
justowania dzięki inteligentnym (zaawansowanym), kompaktowym napędom daje się w prosty sposób
zautomatyzować.
Cechy układów mechatronicznych
11
Mechatronik to in\
ynier poruszający się w dziedzinie nauki i techniki związanej z wytwarzaniem
wyrobów, które stanowią synergiczną kombinację mechaniki precyzyjnej, elektronicznego
sterowania oraz systemowego myślenia przy projektowaniu produktów i procesów
produkcyjnych. Mechatronika jest dziedziną interdyscyplinarną, bowiem oprócz mechaniki,
elektroniki i informatyki, obejmuje ona szereg innych dyscyplin, takich jak in\
ynieria materiałowa,
optyka, a nawet bioin\
ynieria.
Mechatronikowi niezbędne są predyspozycje ogólnoin\
ynierskie - ciekawość zasady działania
wszelkich urządzeń technicznych, szczególnie z zakresu automatyki. Musi on oczywiście
posiadać tak\
e pewne uzdolnienia matematyczne oraz być kreatywny technicznie. Musi te\
być
otwarty na wiedzę interdyscyplinarną - znać się na wielu dziedzinach: mechanice, elektronice,
sterowaniu, oprogramowaniu. A to z kolei wymusza na nim konieczność myślenia globalnego,
całościowego (pod kątem wielu u\
ytkowników danej konstrukcji). Wreszcie mechatronik musi
posiadać umiejętność pracy zespołowej i koordynacji oraz kierowania zespołami in\
ynierskimi.
Oznacza to tak\
e umiejętność łatwego nawiązywania kontaktów międzyludzkich.
Mechatronika jest jedną z młodszych dziedzin nauki i techniki. Jej rozwój rozpoczął się właściwie
dopiero w latach 80. XX w. Wzrastające zapotrzebowanie na automatyzację procesów
produkcyjnych i powtarzalność procesów technologicznych spowodowały próby zastąpienia w
wielu dziedzinach rąk ludzkich maszynami i urządzeniami (np. roboty przemysłowe czy
obrabiarki sterowane numerycznie). Zaczęto wprowadzać tak\
e manipulatory wielofunkcyjne,
programowalne roboty, specjalnie zaprojektowane urządzenia do przemieszczania części,
narzędzi i innych materiałów. Odtąd tworzy się dedykowane urządzenia o zaprogramowanym
ruchu, które wykonują określone prace i są wykorzystywane do obsługi całych
zautomatyzowanych linii produkcyjnych, np. w montowniach samochodów czy podczas
wytwarzania układów scalonych lub leków.
Mechatronik  wymagania i predyspozycje zawodu
Mechatronik jest często koordynatorem, który współpracuje z ró\
nymi specjalistami podczas realizacji
projektów dotyczących rozwoju wyrobów mechatronicznych. Przed in\
ynierem mechatronikiem otwierają
się następujące mo\
liwości działania:
Badania: opracowywanie matematycznych i fizycznych podstaw oraz metod. Wyroby są kształtowane od
nowa, wzgl. istniejące ju\
wyroby podlegają udoskonaleniu. Taka działalność wymaga pogłębionej wiedzy
z nauk podstawowych.
Rozwój: koncepcja, obliczanie i konstruowanie nowych systemów, maszyn i urządzeń w działach
rozwojowych (laboratoriach) i biurach projektowych. Opracowywanie programów dla sterowników
(mikrokomputerów), inteligentnych składników i systemów oraz rozwój oprogramowania do
wspomaganych komputerowo prac podczas rozwoju wyrobów.
Wytwarzanie: projektowanie technologiczne, wytwarzanie, sprawdzanie (kontrola) i badania wyrobów
mechatronicznych.
Projektowanie: projektowanie systemowe i planowanie wyrobów mechatronicznych we współpracy ze
zleceniodawcami i wytwórcami a\
do uzyskania dojrzałego wyrobu.
Sprzeda\
: dystrybucja i doradzanie techniczne klientom w zakresie komponentów mechatronicznych.
Eksploatacja: u\
ytkowanie maszyn i instalacji, pielęgnacja i utrzymanie ruchu.
Monta\
: składanie i uruchamianie maszyn i urządzeń mechatronicznych łącznie z ich przekazaniem do
zleceniodawcy.
Nadzorowanie: np. zapewnienie bezpieczeństwa pracy maszyn i instalacji. Kontrola i badania urządzeń
mechatronicznych itd.
Zawód in\
yniera mechatronika daje zatem wiele mo\
liwości pracy i działań. Wymaga to jednak ciągłego
nadą\
ania za rozwojem technicznym sprzętu i oprogramowania, a tak\
e metod i systemów
komputerowych wspomagających realizację projektów.
Zakres działania mechatronika
12
W wyniku kształcenia na kierunku Mechatronika absolwent politechniki powinien umieć:
" obliczać parametry charakteryzujące urządzenia i systemy mechatroniczne,
" wykonywać pomiary wielkości elektrycznych i nieelektrycznych oraz interpretować ich
wyniki,
" instalować i obsługiwać systemy sieciowe transmisji danych stosowane w mechatronice,
" projektować urządzenia i systemy mechatroniczne,
" programować urządzenia i systemy mechatroniczne,
" dozorować pracę maszyn, urządzeń i systemów mechatronicznych oraz oceniać ich stan
techniczny,
" prowadzić dokumentację techniczną, techniczno  ruchową urządzeń i systemów
mechatronicznych,
" przestrzegać przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpo\
arowej oraz
ochrony środowiska,
" organizować stanowisko pracy zgodnie z wymaganiami ergonomii,
" stosować przepisy prawa w zakresie wykonywanych zadań zawodowych,
" komunikować się w języku obcym w zakresie wykonywanych zadań,
" korzystać z ró\
nych z
ródeł informacji w celu doskonalenia się i aktualizowania wiedzy
zawodowej.
Mechatronik  wiedza i umiejętności
Mechatronika pojawiła się równie\
w naszym \
yciu codziennym, np. w postaci
automatycznie otwieranych drzwi, aparatów fotograficznych z autofocusem, czy
automatów sprzedających. Nastąpiła tak\
e szybka miniaturyzacja i zwiększenie
niezawodności elementów elektronicznych - logicznych i decyzyjnych. Szybko zaczęto
je zastępować mikroprocesorami z odpowiednim oprogramowaniem. Był to początek
rozwoju zaawansowanych metod sterowania.
Obecnie w mechatronice trwa udoskonalanie technik przekazywania informacji, co
wydatnie zwiększa mo\
liwości u\
ytkowe mikroprocesorów. W większości tych układów,
wykorzystujących w ró\
nym stopniu bazy danych, stosuje się układy zaawansowanego
(inteligentnego) sterowania. Nawet w urządzeniach powszechnego u\
ytku, takich jak
np. automatyczna pralka, instaluje się układy oparte na metodach i technikach
sztucznej inteligencji. Wiele wyrafinowanych układów mechatronicznych znalazło tak\
e
szerokie zastosowanie w przemyśle samochodowym. Systemy nawigacji, które tak
niedawno były rzadkością, obecnie instaluje się ju\
w pojazdach seryjnych.
W niedalekiej przyszłości na pewno wprowadzone zostaną jeszcze  inteligentniejsze
wyroby mechatroniczne, podnoszące komfort i bezpieczeństwo pojazdów.
W latach 80. XX w. do mechatroniki wkroczyła tak\
e optyka, w wyniku czego narodziła
się optomechatronika, a w latach 90. wprowadzono technikę komunikacji, słu\
ącą do
łączenia oddzielnych, konwencjonalnych układów. Wiele urządzeń ma równie\

mo\
liwość zdalnego sterowania, a rozpowszechnia się mechatronika z sieciowym
sterowaniem komputerowym.
Rozwój mechatroniki
13
Mobilne sieci ad-hoc Wizualizacja molekularna
Molekuły glukozy
Metody nano-kształtowania
(nanotechnologie)
Mechatronika
Nano-energia słoneczna
Grid Computing Komputery kwantowe
Automatyczna weryfikacja
Biosubstancje i
oprogramowania
technika komórkowa
Dziesięć technologii, które zmienią świat
Przykładami wyrobów mechatronicznych
są:
" układy kierowania, hamowania (ABS),
sterowania silnikiem, poduszki
powietrzne, aktywne zawieszenie,
stabilizacja toru jazdy i tempomat w
nowoczesnych samochodach,
" innowacyjne systemy wytwarzania takie
jak obrabiarki sterowane numerycznie
CNC (ang. Computerized Numerical
Control) i roboty przemysłowe,
" sprzęt elektroniczny taki jak kamery,
odtwarzacze CD itp.
Mo\
liwości wyrobów mechatronicznych
wynikają z zawansowanego
współdziałania składników
mechanicznych, elektrycznych/
elektronicznych i przetwarzania
informacji.
Przykłady wyrobów mechatronicznych
14
Konwencjonalny sposób postępowania podczas projektowania wyrobów odznacza się
sekwencyjnym przebiegiem, tzn. najpierw tworzona jest konstrukcja mechaniczna, a
następnie składniki elektryczne/ elektroniczne i ewentualnie oprogramowanie.
Rzeczywisty wyrób (maszyna, urządzenie) po zakończeniu fazy projektowania jest
budowana jako prototyp i dopiero wtedy poddawana testom.
Natomiast cechą nowego (mechatronicznego) sposobu postępowania podczas rozwoju
np. maszyny jest to, \
e od początku równolegle (współbie\
nie) współpracują ze sobą
projektanci zespołów mechanicznych i elektrycznych (elektronicznych), tworząc
wirtualną maszynę przy wspomaganiu przez ekspertów od mechatroniki.
Testy wirtualnej maszyny są zatem realizowane ju\
na początku jej rozwoju. Dzięki
równoległej (współbie\
nej) pracy wspólnie uzyskiwany jest \
ądany wynik oraz wspólnie
ponosi się odpowiedzialność.
Dalszą cechą jest pewność, \
e wyniki rozwoju mo\
na zweryfikować za pomocą
symulacji, a więc jeszcze zanim maszyna zostanie rzeczywiście zbudowana.
Trzecim rozstrzygającym aspektem zastosowania mechatronicznego podejścia jest to,
\
e tego rodzaju nowe sposoby rozwoju są związane ze znacznie ni\
szymi kosztami i
szybszym wprowadzaniem wyrobów na rynek.
Ka\
dy wyrób powstaje na podstawie pomysłu i celów, które z jego pomocą powinny być
uzyskane. Wyraz
ne zdefiniowanie celu jest rozstrzygające dla właściwie
zorganizowanego przebiegu, aby przyjąć wspólną odpowiedzialność za postęp i wynik
prac konstrukcji mechanicznej i elektrycznej oraz oprogramowania.
Mechatroniczny rozwój wyrobów
Otoczenie
Otoczenie
Wielkości
(środowisko)
(środowisko)
fizyczne
Czujniki
Typowy układ
Struktura
Struktura
mechatroniczny
mechaniczna
mechaniczna
Wielkości
mierzone
przyjmuje sygnały,
Przetwarzanie wielkości
przetwarza je, a
mierzonych
następnie
Komputer
wyprowadza
Jednostka mocy
sygnały, które są
Wielkości nastawiające
przetwarzane np.
Meldunki zwrotne
na siły i ruchy.
Aktuatory
Przekładnie
Siły
i
Ruchy
prowadnice Ruchy
Mechatronika - wprowadzenie
15
Mechatronika rozszerza układy mechaniczne przez sensory, mikrokomputery, oprogramowanie i
aktuatory. Takie zintegrowane rozwiązania przyjmują sygnały ze swojego otoczenia, przetwarzają
je i wykonują odpowiednie działania uzale\
nione od zadań i sytuacji. Dzięki połączeniu
zawansowanych (inteligentnych) składników sprzętu (hardware) i oprogramowania (software)
znacznej poprawie ulegają mo\
liwości konwencjonalnych układów oraz staje się mo\
liwa
realizacja w pełni nowych funkcji.
Stopień integracji układów mechatronicznych jest często tak znaczny, \
e pełną funkcjonalność
mo\
na uzyskać tylko przez perfekcyjne współdziałanie ró\
nych składników. I tak np. wysokie
wymagania dotyczące dokładności obróbki mechanicznej lub zautomatyzowanego monta\
u
mo\
na efektywnie zrealizować dopiero wtedy, gdy niedokładności mechaniczne zostaną
rozpoznane przez odpowiednie sensory i skompensowane przez zaawansowane przetwarzanie
informacji. Powoduje to znaczą redukcję nakładów związanych z rozwojem i wytwarzaniem
maszyn. Mechatronika stanowi tutaj podstawę zwiększonej funkcjonalności i lepszej
produktywności.
Ponadto mechatronika w nowoczesnych koncepcjach budowy maszyn umo\
liwia racjonalizację
rozwiązań automatyzacji przez zaawansowaną decentralizację (rozproszenie). Albo te\
na odwrót
 rozproszona inteligencja umo\
liwia indywidualne sterowanie komputerowe poszczególnych
zespołów. Zadania sterownicze nie muszą ju\
być wykonywane przez nadrzędny układ
sterowania, lecz dają się realizować bezpośrednio na miejscu przez inteligentne aktuatory.
Decentralizacja w automatyzacji przyczynia się tak\
e w znacznym stopniu do tego, \
e poprawia
się efektywność monta\
u i serwisu. Znacznie redukuje się równie\
zapotrzebowanie miejsca w
szafach sterowniczych i nakłady związane z okablowaniem. Do sterowania takich rozwiązań
wystarczają kable zasilania elektrycznego i magistrala. Inteligentne aktuatory realizują
samodzielnie np. zadania pozycjonowania.
Cechy układów mechatronicznych
Systemy mechatroniczne, w porównaniu z czysto mechanicznymi rozwiązaniami, mają cały
szereg zalet:
są one tańsze i l\
ejsze, poniewa\
części mechaniczne zostały zastąpione tańszą
elektroniką (przykład: drukarka komputerowa),
są one niezawodne i bardziej u\
yteczne, poniewa\
są one przystosowane do
samonadzorowania, a nawet często tak\
e do zdalnej diagnostyki (przykład: komputer
pokładowy samochodu),
są one dokładniejsze, poniewa\
uzyskują precyzję nie w wyniku mechanicznej
stabilności, ale za pomocą elektronicznej techniki pomiarowej i regulacyjnej (przykład:
robot),
są one efektywniejsze w zu\
yciu energii, poniewa\
dzięki wbudowanej  inteligencji
mogą pracować w pobli\
u optymalnego stopnia działania (przykład: regulacja ogrzewania),
są one dłu\
sze w u\
ytkowaniu, poniewa\
przez prostą wymianę oprogramowania mogą
one mieć inne, lub nawet w pełni nowe własności (przykład: nowoczesna pralka),
tym samym są one równie\
przyjazne dla u\
ytkownika, a tak\
e odporne na błędy
obsługi, poniewa\
wiele wskaz
ników, pokręteł i dz
wigni zostało zastąpionych kilkoma
klawiszami i monitorem komputerowym i w ten sposób system mo\
e się  bronić przed
błędami obsługi (przykład: nowoczesna instalacja produkcyjna),
wreszcie jest wiele urządzeń, do których \
eśmy się od dawna przyzwyczaili, a których bez
mechatroniki nie mo\
na sobie nawet wyobrazić (przykład: odtwarzacz wideo, ABS).
Zalety wyrobów mechatronicznych
16
Mechatronika jako nowa, interdyscyplinarna dziedzina wiedzy in\
ynierskiej i
technologii łączy w sobie elementy konwencjonalnych dyscyplin, takich jak
mechanika, elektronika i informatyka. Jest ona stosowana przede wszystkim tam,
gdzie przez zaawansowane (inteligentne) połączenie poszczególnych dyscyplin
mo\
na uzyskać znaczny wzrost całkowitej funkcjonalności.
W nowych, mechatronicznych wyrobach układy mechaniczne, czujniki, aktuatory i
mikrokomputery oraz odpowiednie oprogramowanie tworzą działający system
techniczny - system mechatroniczny.
Stopień integracji systemów mechatronicznych jest tak znaczny, \
e poszczególne
układy (podsystemy) bez udziału innych układów nie mogą pracować, a całkowitą
funkcjonalność mo\
na uzyskać tylko przez idealne współdziałanie wszystkich
funkcji cząstkowych. I tak np. w obrabiarkach wysoką dokładność obróbki mo\
na
ekonomicznie uzyskać dopiero wtedy, gdy wszystkie niedokładności w układach
mechanicznych zostaną rozpoznane przez odpowiednie czujniki i następnie
skorygowane przez zaawansowane przetwarzanie informacji. Dzięki takim
działaniom mo\
na znacznie zredukować nakłady związane z rozwojem i
wytwarzaniem obrabiarek.
Mechatronika jest zatem podstawą dla rozwoju i produkcji nowych, w sposób
zaawansowany (inteligentny) sterowanych i regulowanych wyrobów, o większej
funkcjonalności, wy\
szej niezawodności oraz bardziej ekonomicznych.
Mechatronika  nowa dziedzina wiedzy in\
ynierskiej
Mechatronika:
1969 r., firma Yaskava (Japonia):
�! Mechatronika = Mechanika + Elektronika
�!
�!
�!
Lata 80. XX w., rozszerzenie definicji:
Mechanika
Mechanika
�! Mechatronika = Mechanika + Elektronika + Informatyka
�!
�!
�!
Całościowe rozpatrywanie trzech dyscyplin:
�! Wykorzystanie potencjału mechatroniki!
�!
�!
�!
Elektronika
Elektronika
Interdyscyplinarne postępowanie i współdziałanie
ró\
nych składników:
�! uzyskanie funkcjonalności wyrobów
�!
�!
�!
Informatyka
Informatyka
Mo\
liwa tylko realizacja systemowa:
Funkcja cząstkowa + funkcja cząstkowa + funkcja
cząstkowa = funkcja całkowita
Przykłady: roboty, obrabiarki, samoloty
Rozwój mechatroniki
17
Kamera filmowa:
Przed 30. laty małoobrazkowa kamera filmowa była wyłącznie wyrobem mechaniki precyzyjnej z
układami optycznymi. Z tego okresu w obecnych kamerach pozostała obudowa, soczewki i
migawka. Natomiast nowoczesna kamera zawiera czujniki, które określają stopień oświetlenia
obiektu, ostrość obrazu i czułość filmu. Zawiera ona tak\
e aktuatory, a zatem elektromagnesy i
silniki, które transportują film, uruchamiają przysłonę i migawkę, nastawiają ostrość i ogniskową.
Kamera taka zawiera procesor, który wg zapamiętanego programu steruje funkcjami tego
urządzenia. Nastąpił tak\
e dalszy rozwój kamer przez zastąpienie błony filmowej czujnikiem
obrazu i pamięcią elektroniczną.
Spalinowy silnik wysokoprę\
ny (Diesel):
Nowoczesne silniki wysokoprę\
ne pojazdów są zaawansowanymi wyrobami budowy maszyn.
Równie\
w nich znalazła zastosowanie mechatronika: wtrysk paliwa i doładowanie są obecnie
sterowane i regulowane przez elektroniczny układ zarządzania silnikiem. Do tego celu są
stosowane: czujniki, aktuatory, procesory i oprogramowanie. Dzięki temu silniki tych generacji są
tak efektywne, ekonomiczne i przyjazne dla środowiska jak nigdy wcześniej. Ponadto w celu
dopasowania do warunków pracy w specyficznych zastosowaniach w wielu przypadkach
wystarcza prosta modyfikacja oprogramowania.
Wyroby mechatroniczne odznaczają się tym, \
e w maszynach i urządzeniach istotne funkcje nie
są ju\
realizowane konwencjonalnie w sposób mechaniczny, lecz ze wspomaganiem
elektronicznym (sprzętu i oprogramowania). W wyniku postępów w rozwoju mikroelektroniki takie
nowe rozwiązania wyrobów są tańsze, a przede wszystkim o wiele efektywniejsze i łatwiejsze w
dopasowaniu do potrzeb ni\
dotychczasowe.
Przykłady wyrobów mechatronicznych
Ró\
nego rodzaju systemy techniczne mogą być układami mechatronicznymi.
Mają one ogólnie następujące cechy:
" wysoka zło\
oność,
" wysoki stopień integracji składników mechanicznych, elektrycznych i
przetwarzania informacji,
" optymalizacja systemu jako całości.
W wyrobach mechatronicznych stopień powiązania poszczególnych składników
jest tak wysoki, \
e ich optymalne projektowanie wymaga realizacji
równoległego działania dla wszystkich składników, przy czym system od
początku musi być rozpatrywany jako funkcjonalnie i przestrzennie
zintegrowany układ całkowity.
Podstawowe zasady mechatroniki:
" optymalizacja całości zamiast optymalizacji poszczególnych elementów,
" przestrzenna integracja składników,
" wielofunkcjonalność zamiast monofunkcjonalności,
" rozpatrywanie systemowe zamiast liniowego sposobu postępowania,
" zastosowanie symulacji.
Własności układów mechatronicznych
18
Ogólnie obowiązującą zasadą panującą na rynku jest to, \
e wyroby muszą być jednoznacznie
ukierunkowane na wymagania (potrzeby) klientów. Dotyczy to np. trwałości (\
ywotności) wyrobów, a
tak\
e takich ich cech jak małe nakłady na ich pielęgnację, cicha praca, szybkość, a tak\
e
wielofunkcyjność dzięki integracji dodatkowych funkcji.
Jednym z istotnych zadań realizowanych w wielu zło\
onych wyrobach jest ciągłe nadzorowanie stanu
(ang. Condition Monitoring) ich istotnych zespołów. Dzięki integracji w takich zespołach czujników
uzyskuje się informacje dotyczące np. temperatury lub zu\
ycia. Na tej podstawie mo\
na wcześnie
rozpoznawać stany przedawaryjne, zwiększać niezawodność wyrobów, a tak\
e znacznie wydłu\
ać
okresy przeglądów serwisowych. I tak np. w elektrowniach wiatrowych czynnikiem rozstrzygającym o ich
dyspozycyjności i rentowności, a tak\
e warunkiem ich ubezpieczenia jest zastosowanie nadzorowania
stanu w trybie on-line.
W budowie maszyn tak\
e obserwuje się rosnące zastosowanie układów nadzorowania stanu w trybie
on-line. Jednak ze względu na mniejsze serie produkcyjne, a tak\
e większą zło\
oność maszyn proces
ten przebiega wolniej. Wraz z rozwojem mechtronicznego podejścia w budowie maszyn tak\
e nale\
y
oczekiwać istotnych zmian.
Mechatroniki nie nale\
y jednak rozpatrywać w sposób wyizolowany lecz systemowy, co szczególnie
wyraz
nie widocznie jest na przykładzie budowy maszyn. Je\
eli dotychczas były to poszczególne
składniki, to obecnie spotyka się ju\
określone moduły, np. elektrowrzeciona obrabiarek z bezpośrednim
napędem, układami pomiarowymi oraz zintegrowanym układem nadzorowania. Innymi takimi
rozwiązaniami są moduły zespołów posuwu z prowadnicami tocznymi i napędami z bezpośrednimi
silnikami liniowymi. Ponadto moduły te, w zale\
ności od wymagań klientów, mogą zawierać dodatkowe
funkcje, takie jak np. magnetyczne przyrostowe układy pomiarowe, osłony, zespół doprowadzenia
energii, tłumik i hamulce pneumatyczne. Zatem klient uzyskuje bardzo zwartą i kompletnie wyposa\
oną
jednostkę, za pomocą której mo\
na realizować dokładne i powtarzalne ruchy. Wielofunkcjonalność
modułów jest podstawą sukcesu.
Wa\
nym warunkiem rosnącej integracji mechatronicznych modułów w budowie maszyn jest
zacieśnienie współpracy klientów (przedsiębiorstw budowy maszyn) z dostawcami podzespołów.
Cechy wyrobów mechatronicznych
Maszyny, urządzenia i instalacje mechatroniczne
charakteryzują się:
multifunkcjonalnością, oznaczającą łatwość realizacji ró\
nych
zadań przez jedno urządzenie, np. przez zmianę
oprogramowania;
inteligencją, oznaczającą mo\
liwość podejmowania decyzji
komunikacji z otoczeniem;
elastycznością, czyli łatwością modyfikacji konstrukcji na
etapie projektowania, produkcji oraz eksploatacji maszyny czy
urządzenia, np. przez zastosowanie konstrukcji modułowej;
mo\
liwością niewidocznego dla operatora sposobu działania,
co wymaga zastosowania interfejsu u\
ytkownika dla
komunikowania się z operatorem;
zale\
nością od wymagań rynkowych i mo\
liwości
technologicznych wykonania.
Cechy systemów mechatronicznych
19
Dzięki funkcjonalnej integracji urządzeń elektrycznych, elektroniki i informatyki w układzie
mechanicznym systemy ze składnikami mechatronicznymi, w porównaniu z układami konwencjonalnej
budowy maszyn, mają zmienione własności. Te własności mo\
na podzielić na: strukturalne wzgl.
geometryczne i funkcjonalne. Własności funkcjonalne mo\
na dalej podzielić na poprawiające funkcje
oraz rozszerzające funkcje.
Strukturalne wzgl. geometryczne własności uzyskuje się z tego, \
e cząstkowe funkcje systemu ze
składnikami mechatronicznymi są realizowane na ró\
nych poziomach fizycznych (heterogeniczność). Ta
heterogeniczność prowadzi do większej liczby połączonych ze sobą elementów i tym samym większej
zło\
oności struktury wyrobu. Pomimo tej bardziej zło\
onej budowy w takim systemie, przy porównywalnej
liczbie funkcji, uzyskuje się zmniejszenie ilości mechanicznych elementów składowych, a rośnie liczba
wielofunkcyjnych składników. Efektem tego jest redukcja objętości systemu i jego cię\
aru.
Strukturalne / geometryczne
Funkcjonalne
poprawiające funkcje: rozszerzające funkcje:
- heterogeniczne,
- zwiększenie parametrów - określanie stanów
- bardziej zło\
one,
funkcjonalnych (np. bezpośrednio
dokładność, niemierzalnych,
- mniej mechanicznych elementów,
przyspieszenie itp.),
- wy\
sza niezawodność
- wielofunkcyjne składniki,
- automatyzacja funkcji, systemu,
- mniejsze gabaryty,
- przyjazność dla - elastyczne dopasowanie
- l\
ejsze.
u\
ytkownika. do wymagań.
Porównanie własności systemów mechatronicznych
z konwencjonalnymi układami mechanicznymi
Własności funkcyjne systemów mechatronicznych, w porównaniu z konwencjonalnymi układami
mechanicznymi, zmieniają się przede wszystkim dlatego, \
e pierwotne mechaniczne zasady rozwiązań zostały
uzupełnione lub zastąpione przez połączenie zespołów elektrycznych, elektronicznych i informatycznych.
Funkcje systemu mogą być przy tym realizowane albo przez sprzęt albo oprogramowanie. Dzięki temu
poprawiają się funkcje systemu lub są generowane nowe. Są one w du\
ej mierze określone przez elementy
niematerialne takie jak oprogramowanie. Oprogramowanie mo\
e być nawet traktowane jako element maszyny.
Dzięki temu otwierają się znacznie bardziej elastyczne mo\
liwości kształtowania systemów mechatronicznych.
Przy poprawie funkcji często wymagające znacznych nakładów lub niewystarczające rozwiązania
mechaniczne są wspomagane lub zastępowane przez zastosowanie elektroniki i informatyki. Dzięki temu
polepszają się graniczne wartości parametrów i rozszerza obszar pracy. I tak np. wysoką dokładność
pozycjonowania mo\
na uzyskać nie za pomocą samej precyzji mechanicznej, ale przez regulacyjne
porównywanie wartości rzeczywistej z wartością zadaną w obwodzie sprzę\
enia zwrotnego. Zastosowanie
elektroniki i informatyki umo\
liwia równie\
wy\
szy stopień automatyzacji funkcji wyrobu (np. autofokus w
aparacie fotograficznym). Równocześnie występująca zwiększona zło\
oność funkcyjna jest ułatwiona przez
prosto obsługiwane sterowanie systemu lub staje się przejrzysta dzięki automatyzacji i przyjazności obsługi.
Ponadto mechatronika umo\
liwia rozszerzenie funkcyjne systemu, które bez mechatroniki nie byłoby
mo\
liwe. Celowe odpytywanie o stany systemu i następnie przetwarzanie tych wielkości mierzonych umo\
liwia
określanie bezpośrednio niemierzalnych wielkości w systemie. Za pomocą regulacji mo\
na na te wielkości w
sposób celowy oddziaływać. Przykładami tego są takie zmienne zale\
ne od czasu jak temperatura, lub
parametry takie jak sztywność. Dzięki zastosowaniu elektroniki i informatyki daje się równie\
wygenerować
funkcje nadzorowania z wczesnym rozpoznawaniem błędów i natychmiastową reakcją w postaci
przeciwdziałania. Właśnie w coraz bardziej zło\
onych strukturach zapewniają one wysoką niezawodność
systemu. Elastyczne i szybkie dopasowanie do zmieniających się wymagań jest mo\
liwe dzięki temu, \
e część
funkcji systemu jest programowalna i tym samym szybsza i prostsza do zmiany. W ju\
skonfigurowanych
własnościach systemu mo\
e się to odbywać przez zastosowanie ró\
norodnych modułów programowych, które
wymagane funkcje dołączają lub niepo\
ądane funkcje blokują.
Własności systemów mechatronicznych
20
Innowacyjne produkty powstają najczęściej przez zastosowanie wiedzy i
doświadczeń (ang. Know How) z ró\
nych obszarów specjalności. Właśnie
przykładem takiej przekrojowej dziedziny jest mechatronika. Rozwój
mechatroniki spowodował, \
e stała się ona kluczową technologią XXI w.
Przykłady tego, na co pozwala mechatronika mo\
na znalez
ć prawie wszędzie.
Są to autopiloty w samolotach, przekładnie elektroniczne, składniki urządzeń
Hi-Fi lub aktywne zawieszenia w pojazdach. Du\
e mo\
liwości wią\
ą się tak\
e
z rozwojem zastosowań robotów.
Jedną z cech nowoczesnych urządzeń, pojazdów, maszyn, instalacji i środków
wytwarzania jest to, \
e zawierają one równocześnie składniki mechaniczne,
elektroniczne i programowe. Takie mechatroniczne układy występujące np. w
odtwarzaczach CD, drukarkach atramentowych, czy systemach
bezpieczeństwa samochodów stały się częścią codziennego \
ycia. Tak\
e
roboty czy zautomatyzowane obrabiarki są zaliczane do obszaru mechatroniki.
Ta szeroka paleta obiektów mechatronicznych w przyszłości znacznie się
jeszcze rozszerzy. I tak np. w technice medycznej dzięki małym, lekkim
sterowanym sensorycznie robotom będą mo\
liwe operacje z minimalną
ingerencją. W samochodach mechaniczne układy kierownicze i hamulcowe
zostaną zastąpione zespołami mechatronicznymi, co zapewni większą
funkcjonalność i wzrost bezpieczeństwa.
Rozwój i opłacalna produkcja takich nowych i innowacyjnych wyrobów ma
równie\
istotne znaczenie dla zapewnienia konkurencyjności przedsiębiorstw.
Typowe działanie mechatroniczne wią\
e się z niekonwencjonalnym,
całościowym i wielostronnym podejściem w realizacji projektów dotyczących
rozwoju wyrobów.
Mechatroniczne wyroby
Składniki mechatroniczne upraszczają konstrukcję (budowę) wyrobów. Je\
eli stosuje się je w produkcji, to
uzyskuje się szybsze uruchamianie oraz zmniejszenie spraw koordynacyjnych dotyczących
oprogramowania.
Konwencjonalna budowa maszyn rozpatruje składniki mechaniczne, elektryczne i oprogramowanie jako oddzielne
jednostki. Do takiego podejścia są tak\
e dostosowane struktury pracowników w działach konstrukcji mechanicznej i
konstrukcji elektrycznej (elektronicznej) oraz opracowywaniu oprogramowania. Ka\
dy konstruktor opracowuje
konstrukcję części (zespołów) maszyny w projektowaniu poziomym. Wydaje się to sensowne, je\
eli przyjmie się, \
e
mechanik-konstruktor buduje maszyny, a projektowanie układów elektryczno-elektronicznych lub opracowywanie
oprogramowania nie nale\
ą do zakresu jego prac. Projektowanie poziome ma jednak wiele wad. Nale\
ą do nich
m.in. problemy dotyczące uzgodnień między konstruktorami i technologami, mo\
liwość realizacji rozwiązań, a tak\
e
określenie nakładów. Ponadto wskutek poziomego projektowania nie ma wspomagania w zakresie ponownego
zastosowania modułów, gdy\
cząstkowe rozwiązania takie jak mechaniczny Layout, planowanie układów
elektryczno-elektronicznych oraz oprogramowanie są realizowane w ró\
nych systemach. Projektowanie pionowe, w
którym części (zespoły) maszyny rozpatruje się w sposób przelotowy dla wszystkich dyscyplin daje wiele korzyści.
Jednostki mechatroniczne są konsekwencją pionowego projektowania, które powinno słu\
yć przede wszystkim do
tego, \
eby w coraz bardziej zło\
onych funkcjach maszyn uprościć konstrukcję tych maszyn. Im prostsza jest
konstrukcja, tym mniejsze nakłady i błędy powstają w jej budowie, co poprawia konkurencyjność przedsiębiorstwa.
Cechą układów (wyrobów) mechatronicznych jest najczęściej przestrzenna i przede wszystkim funkcjonalna
integracja modułów, w których czujniki mierzą sygnały, procesory przetwarzają informacje, a aktuatory (zespoły
wykonawcze) elektryczne, hydrauliczne lub pneumatyczne są stosowane po to, aby oddziaływać na układ
mechaniczny.
Elementy mechatroniczne pochodzą obecnie często od znaczących dostawców napędów i składników
mechanicznych. Wynika to z rozwoju, w którym części mechaniczne i napędy tworzą platformę, do której wstawiane
jest coraz więcej elektroniki i oprogramowania, a zatem funkcjonalności. Silniki, falowniki i przekładnie ju\
od
dłu\
szego czasu stanowią całkowite jednostki w budowie maszyn. Zainstalowane w takiej jednostce czujniki słu\
ą
do właściwego sterowania mechanicznymi funkcjami tej jednostki. Na tej bazie integrowane jest sterowanie pracą
maszyn za pomocą sterowników komputerowych, np. sterowników swobodnie programowalnych PLC (ang.
Programmable Logical Controller), czy układów sterowania numerycznego CNC (ang. Computerized Numerical
Control).
Mechatronika w budowie maszyn
21
Zastosowanie elementów i układów mechatronicznych wią\
e się w praktyce z koniecznością zmiany paradygmatów,
np. w budowie maszyn. Powody, dla których rozpatruje się zastosowanie składników mechatronicznych w
maszynach i innych wyrobach nie zawsze były widoczne. Padają argumenty, \
e równie\
bez mechatroniki były i są
budowane niezawodne maszyny. Wytwórcy maszyn chętnie przenoszą swoje doświadczenia do praktyki, aby szybko
i efektywnie modyfikować istniejące projekty (rozwiązania) i w ten sposób budować nowe, niezawodne maszyny.
Zmiana na elementy mechatroniczne spowodowałaby zwiększenie ceny maszyn, transfer wiedzy i doświadczeń
(Know-how) do wytwórców takich elementów i wymiany z producentami maszyn.
Takie obawy są często podnoszone jako argumenty przeciwko stosowaniu mechatroniki. Jednak zastosowania
elementów mechatronicznych nie da się powstrzymać, poniewa\
coraz częściej przewa\
ają korzyści. Maszyny dzięki
mechatronice są szybciej konstruowane, szybciej wytwarzane oraz są one prostsze. Koncepcja mechatronicznej
budowy modułowej obejmuje równie\
przestrzenne zale\
ności w maszynie. Są to zalety, które niwelują wy\
sze ceny
w porównaniu z konwencjonalnymi składnikami. Równie\
producenci maszyn odnoszą korzyści z krótszych cykli
innowacyjnych elementów mechatronicznych. Tak\
e w przyszłości maszyny nie będą się składały wyłącznie z
elementów mechatronicznych. We wszystkich obszarach zastosowań konieczna jest analiza zalet i wad, które wnosi
zastosowanie mechatroniki. Wcześniej budowa maszyn była określona aspektami mechanicznymi. Przeprowadzone
niedawno badania wykazały, \
e oprogramowanie stanowi ju\
połowę funkcjonalności i kosztów w budowie maszyn.
Ten udział stale wzrasta. W niektórych przedsiębiorstwach budowy maszyn działy opracowujące oprogramowanie są
ju\
większe ni\
działy konstrukcji mechanicznych. Niektórzy producenci maszyn we własnym zakresie wykonują
tak\
e układy sterowania, \
eby nie mo\
na ich było skopiować.
Interesującą alternatywą dla tworzenia w przedsiębiorstwie własnych działów opracowywania oprogramowania jest
zastosowanie elementów mechatronicznych. Obejmują one bowiem zło\
one funkcje cząstkowe, które mo\
na kupić w
gotowej postaci. Zestawienie i synchronizacja pracy takich elementów jest prostsza ni\
samodzielna realizacja
zło\
onej funkcji maszyny. Mo\
na kupić specjalny Know-how i nie trzeba go samemu tworzyć. Konfiguracja i
parametryzacja poszczególnych funkcji dla realizacji procesów w maszynie i tym samym Know-how dotyczący
procesu, pozostaje u producenta maszyny.
Porównując to z obecnym sposobem postępowania, np. przy zastosowaniu napędów do pozycjonowania, nakłady
nie zmieniają się zbyt wiele. Falownik, silnik i przekładnia są często dostarczane od jednego oferenta, co określa cały
układ. Mechatronika integruje te składniki w jeden moduł, zamiast umieszczania elektroniki w szafie sterowniczej.
Dzięki temu uzyskuje się zwarte maszyny. To co jeszcze zostaje, to włączenie elementów mechatronicznych do
zasilania elektrycznego i informacji sterujących.
Mechatronika w budowie maszyn
istnieją proste elementy mechatroniczne, które są wbudowywane mechanicznie w maszynę i
muszą być one zasilane energią elektryczną. Za pomocą swoich czujników i programów mogą
one realizować swoje procesy. Aby w maszynie uzyskać większą elastyczność, sensowne jest
jednak połączenie ze sobą elementów mechatronicznych tak\
e w zakresie wymiany danych.
Do tego celu słu\
ą sieci komunikacyjne takie jak np. Profibus, Interbus, Profinet czy Ethernet.
System sieciowy słu\
y do transmisji nowego oprogramowania, zmienionych zestawów
parametrów, wskazywania statusu i błędów lub synchronizacji ruchów. Konstruktor maszyny
mo\
e obecnie u producentów układów mechatronicznych często wybrać rodzaj interfejsu do
włączenia w sieć. Wa\
niejsze z takich interfejsów (otwarte rozwiązania sieci komunikacyjnych)
występują w wielu elementach mechatronicznych dostępnych na rynku. Takie sieci wymagają
instalacji magistrali (komunikacja przewodowa).
Jednak w przyszłości coraz większą rolę właśnie w elementach mechatronicznych będą
odgrywały bezprzewodowe technologie komunikacyjne, a zatem połączenia z wykorzystaniem
fal radiowych lub promieni podczerwonych. Ju\
obecnie wiele firm oferuje elementy
mechatroniczne, umo\
liwiające ich włączenie w sieć za pomocą bezprzewodowej technologii.
Dzięki temu maszyny mogą być jeszcze prostsze, je\
eli elementy mechatroniczne będą
wymagały jedynie zasilania elektrycznego oraz tego, \
eby były one umieszczone w
odpowiednim miejscu. Przez zastosowanie elementów mechatronicznych oraz mechatronicznej
koncepcji budowy łatwiej będzie opanować coraz większą zło\
oność produkowanych maszyn.
Zło\
one procesy i funkcje muszą być tak dalece zamknięte wewnątrz jednostek
mechatronicznych, \
e konstruktor na podstawie ich opisu mo\
e je w prosty sposób
wykorzystywać.
Przepisem na sukces mechatroniki mo\
e być uproszczenie budowy maszyn, poniewa\
właśnie
tutaj jest obecnie zawarty największy potencjał racjonalizacyjny.
Mechatronika w budowie maszyn
22
Elastyczność takich maszyn jak np. maszyny do pakowania, szczególnie w przyszłości będzie
miała co najmniej takie znaczenie jak szybkość ich działania. Czasy przezbrajania maszyn muszą
być zredukowane, a maszyny muszą mieć mo\
liwość produkcji (pakowania) ró\
nych wyrobów.
Obecnie w znacznej części maszyn do pakowania są stosowane tzw. wały królewskie, które
sprzęgają wszystkie ruchome zespoły maszyny za pomocą mechanicznych składników ze
zło\
onymi funkcjami ruchu. Takie skomplikowane elementy i zespoły mechaniczne jak krzywki,
sprzęgła i hamulce oraz przekładnie zapewniają funkcjonalność maszyny. W większości
przypadków do budowy takich maszyn wymagane są specjalnie dla nich wykonane części
mechaniczne. Takie maszyny są sztywne w mo\
liwościach swoich zastosowań i ju\
po krótkim
czasie stają się one technicznie przestarzałe.
I tak np. w nowoczesnych maszynach pąkujących trzeciej generacji zamiast krzywek i sprzęgieł
stosuje się serwonapędy. Taki  wirtualny wał królewski zapewnia synchronizację poszczególnych
ruchomych zespołów (osi) maszyny. Dowolnie synchronizowane taktowo i kątowo ruchy są
(zadawane) generowane przez centralny układ sterowania. Równie\
nieplanowane stany maszyny,
takie jak np. sytuacje zatrzymania i stopu awaryjnego oraz ruchy inicjujące mo\
na realizować w
sposób zsynchronizowany kątowo. Dynamiczne zmiany materiału opakowania lub pakowanych
wyrobów, np. ściskanie wyrobów lub odkształcenia materiału pąkującego, mogą być określane
podczas pracy maszyny za pomocą czujników, a ich skutki eliminowane w przebiegach ruchów.
Ponadto na rynku wymaga się maszyn bardziej przyjaznych w obsłudze.
Tak\
e w tym zakresie zastosowania urządzeń elektronicznych otwierają się nowe mo\
liwości. I tak
np. w przypadku zakłóceń podczas pracy maszyn mo\
na im szybko ponownie przywrócić zdolność
do działania dzięki temu, \
e ich oparte na PC układy sterowania w trybie dialogowym informują
operatora o wewnętrznych stanach. Wspomagają one zarówno działania podczas ustawiania
parametrów maszyny jak i przy diagnozowaniu błędnych stanów, przyczyniając się w ten sposób do
maksymalnej dyspozycyjności maszyny. Natomiast za pomocą Internetu istnieje tak\
e mo\
liwość
zdalnej diagnostyki.
Zastosowanie mechatroniki w budowie maszyn
Ogromna większość produkowanych obecnie mikroprocesorów nie znajduje zastosowania w
komputerach, ale stanowi część innych urządzeń technicznych, takich jak samochody, samoloty,
domy, układy sterowania maszyn, satelity, telefony komórkowe, pralki, automaty do gry czy
kamery. Są to głównie mikrosterowniki (mikrokontrolery). Szacuje się, \
e w 2000 r.
wyprodukowano około 150 mln mikroprocesorów do komputerów i ponad 7 mld
mikrokontrolerów. Mikrokontrolery stanowiły więc ponad 90% wszystkich procesorów. Temu
fascynującemu rozwojowi techniki mikroprocesorowej towarzyszy równocześnie większa
wydajność, miniaturyzacja i dyspozycyjność innych komponentów do konstrukcji urządzeń
mechatronicznych: silników, przekładni, baterii, połączeń, sensorów itp.
Obserwujemy coraz większą  mechatronizację konwencjonalnych systemów technicznych.
Samoloty, statki i satelity od dawna mają ju\
autopiloty. W samochodach osobowych pracuje się
intensywnie nad wspomaganiem zmysłów kierowcy w krytycznych dla niego sytuacjach.
Oznacza to, \
e samochody za kilka lat mogą stać się robotami mobilnymi. Równie\
w tym
kierunku rozwijają się urządzenia techniki procesowej i technika domowa. Maszyny, urządzenia,
aparaty i instalacje spostrzegają swoje otoczenie, mają elastyczny  magazyn sposobów
zachowania , mogą się dopasowywać do zmieniających się warunków otoczenia, podejmują
decyzje na podstawie kilku opcji działania i na koniec wykonują działanie.
Główne obszary badawcze mechatroniki mo\
na podzielić na dwie grupy: (1) badania
ukierunkowane na produkt mechatroniczny i (2) badania zorientowane na proces
projektowania i wytwarzania produktów mechatronicznych. Wśród tych drugich niezwykle
wa\
ny staje się rozwój interdyscyplinarnego podejścia do projektowania, często po prostu
uto\
samianego z mechatroniką czy projektowaniem mechatronicznym. Nie jest to zadanie łatwe.
Próby osiągnięcia większej integracji w poprzek dyscyplin prowadzą bowiem często do rosnącej
rozbie\
ności metod i narzędzi.
Rozwój mechatroniki
23
Dotychczasowe, specyficzne metody projektowania w mechanice, automatyce, elektronice i
informatyce opierają się na specyficznym dla dziedziny świecie pojęć, na specyficznych
doświadczeniach nabytych przez dziesiątki lat oraz na specyficznych metodach i środkach
opisu. Doprowadziło to w wielu dziedzinach do specyficznego sposobu myślenia
konstruktorów, a w praktyce przemysłowej do odpowiedniej funkcjonalnej struktury
organizacyjnej. Wychodząc z tej struktury, w praktyce przemysłowej często próbuje się za
pomocą podobnego sposobu myślenia i takiej samej struktury organizacyjnej rozwijać
urządzenia mechatroniczne. Konstruktorzy jednej z dziedzin określają w znacznym stopniu
sposób postępowania i rozdzielają konieczne, ze swego punktu widzenia, zadania i
problemy na grupy konstruktorów z innych dziedzin, bez wczesnego i integracyjnego
uwzględnienia mo\
liwości innych dyscyplin fachowych. Jest to mentalność typu  ja .
Wynikiem takiego postępowania są produkty optymalizowane częściowo, powstające przez
\
mudne, czasochłonne i kosztowne dochodzenie do rozwiązania końcowego. Nie
wykorzystuje się potencjału koncepcji systemowej, ukazującej korzyści pozadyscyplinowe.
Próby wczesnego modelowania urządzenia mechatronicznego skazywane są na
niepowodzenie często z powodu braku sformalizowanego opisu lub braku środków opisu
wykraczających poza daną dyscyplinę. A urządzenia mechatroniczne stają się coraz bardziej
zło\
one. Ich dynamiczne zachowanie bierze się z wzajemnego powiązania
wyspecjalizowanych komponentów: mechaniki, hydrauliki, pneumatyki, elektryki, elektroniki,
elektroniki, automatyki i informatyki. Je\
eli do projektowania takiego urządzenia podchodzi
się w sposób tradycyjny, sekwencyjny, to zachowanie urządzenia i u\
yteczność przyjętego
rozwiązania koncepcyjnego mo\
na potwierdzić dopiero w póz
nej fazie projektowania. Wtedy
jednak nawet niewielkie zmiany konstrukcyjne są bardzo kosztowne.
Mechatronika - interdyscyplinarne podejście
Konwencjonalne metody projektowania in\
ynierskiego nie wystarczają do racjonalnego
projektowania urządzeń mechatronicznych. Są dwie główne przyczyny takiego stanu rzeczy:
" zmieniają się obiekty projektowania oraz
" zmieniają się narzędzia projektowania.
Obiekty rozwa\
ane w konwencjonalnych metodach projektowania są zwykle
jednodyscyplinowymi (mechanicznymi, elektronicznymi), podczas gdy urządzenia
mechatroniczne są obiektami wielodyscyplinowymi. Konwencjonalne podejście do
projektowania nie jest wystarczające do multidyscyplinarnej wiedzy in\
ynierskiej, która jest
istotna w warunkach konkurencji na rynku. Obecnie in\
ynier w swojej pracy projektowej u\
ywa
coraz więcej oprogramowania. Od edytora tekstu do in\
ynierskiej bazy danych, od 2D/3D
CAD (ang. Computer Aided Design) do analizy metodą elementów skończonych. Poprawia to
nie tylko skuteczność jego pracy, ale zmienia równie\
sposób pracy in\
yniera. Dlatego te\

poszukuje się nowych rozwiązań integrujących modelowanie systemu mechatronicznego.
Z koncepcji integrujących na uwagę zasługują:
" integrowanie na płaszczyz
nie oprogramowania komponentów systemu,
" oparcie się na oprogramowaniu komputerowym, integrującym wiedzę ró\
nych ekspertów,
" wykorzystanie języków in\
ynierii oprogramowania,
" podejście in\
ynierii współbie\
nej nazywane kompilatorem.
Nale\
y przy tym pamiętać o tym, \
e podczas syntezy produktów mechatronicznych wa\
na jest
nie tyle integracja nowoczesnych metod analizy (narzędzia CAD), ile rozumienie i
doświadczenie konstruktora.
Integracja dyscyplin w mechatronice
24
Głównymi powodami wbudowywania mikroprocesorów w urządzenia mechaniczne są:
1) poszerzenie własności, 2) uproszczenie, 3) innowacyjność.
Ad 1. Zasadnicza konstrukcja urządzenia pozostaje taka sama, a często jest ju\
nawet
przestarzała. Dodanie mikroprocesora mo\
e rozszerzyć lub poprawić dokładność, szybkość pracy
czy elastyczność zastosowania, zredukować wymagania eksploatacyjne i poprawić
niezawodność. Typowym tego przykładem jest układ sterowania silnikiem samochodowym. Układ
ten zwiększa ekonomiczność silnika, daje łagodniejszy bieg jałowy i dłu\
sze okresy między
kolejnymi przeglądami technicznymi.
Ad 2. System mikroprocesorowy mo\
e zastąpić jeden lub kilka skomplikowanych mechanizmów.
Przykładem tego mo\
e być modernizacja nacinania gwintów na tokarce. W tokarce tradycyjnej do
napędu wrzeciona i śruby pociągowej słu\
y ten sam silnik. Do zapewnienia mo\
liwości nacinania
gwintów o ró\
nym skoku konieczne jest wykorzystanie zestawu wymiennych kół zębatych i
przekładni wielostopniowej o bardzo du\
ej liczbie przeło\
eń. Natomiast rozwiązanie
mechatroniczne (tokarka CNC) polega na zastosowaniu oddzielnych silników do napędu śruby
pociągowej i wrzeciona tokarki, a przekładnia zębata staje się zbyteczna. Elektroniczne
sterowanie jest wygodniejsze, poniewa\
 przekładnia elektroniczna jest bezstopniowa i umo\
liwia
nacinanie gwintów o dowolnym skoku. Konstrukcja mechaniczna takiej tokarki jest uproszczona, a
jej zespoły mogą być u\
ywane bardziej elastycznie, co sprzyja oszczędności kosztów.
Ad 3. Zastosowanie mikroprocesorów umo\
liwia wytwarzanie takich produktów czy systemów,
które dotychczas nie mogły być zrealizowane. Chodzi tutaj przede wszystkim o roboty i maszyny,
które wymagają zaawansowanych technologii sensorycznych, jak np. rozpoznawania obrazu.
Dwa pierwsze powody nie wykluczają się wzajemnie. W wielu przypadkach zastosowanie
mikroprocesorów daje podwójną korzyść: poprawia osiągi i obni\
a koszty.
Powody integrowania mikroprocesorów z maszynami
Ze względu na rosnącą konkurencję na rynku pozostaną na dłu\
ej ze swoimi wyrobami tylko te
przedsiębiorstwa produkcyjne, które lepiej od konkurentów przystosują się do wymagań krótszych
cykli rozwoju oraz innowacyjnych wyrobów i technologii.
Mechatroniczne wyroby, integrujące elementy mechaniczne, elektryczne i elektroniczne oraz
informatyczne, wnoszą lepszą i rozszerzoną funkcjonalność, przy równocześnie zredukowanej
wielkości i zapotrzebowaniu na zasoby oraz mniejszych kosztach produkcji. Jednak mechatronika
stawia tak\
e nowe wymagania dotyczące projektowania wyrobów, ich monta\
u, organizacji i
logistyki.
Interdyscyplinarność mechatroniki otwiera tym samym przed wyrobami nowe perspektywy w
rywalizacji o spełnienie oczekiwań klientów. Skuteczne przeniesienie tych potencjalnych mo\
liwości
wią\
e się jednak z koniecznością zintegrowanego myślenia i działania związanych z tym
uczestników.
Przedsiębiorstwa, które wytwarzają wyroby mechatroniczne pozostają zwykle pod silnym wpływem
nawyków związanych ze stroną mechaniczną i elektrotechniczną. Mechatroniczne wyroby
wymagają jednak zupełnie innego podejścia, przebiegów i zadań podczas rozwoju, zarówno
wyrobów jak i procesów ich wytwarzania, ani\
eli układy (systemy) czysto mechaniczne czy
elektroniczne.
Ju\
podczas rozwoju wyrobu konieczne jest uwzględnienie i ocena mo\
liwości zastosowania w
systemie rozwiązań pochodzących z ró\
nych dziedzin. Oznacza to, \
e ze względów zarówno
technicznych jak i ekonomicznych musi być określona najlepsza z mo\
liwych koncepcja wyrobu.
W opartych na tym kolejnych procesach rozwojowych interfejsy wyrobu wymagają intensywnej
integracji dotyczącej synchronizacji tych procesów w zakresie mechaniki, elektroniki i
oprogramowania.
Wymagania dotyczące wytwarzania wyrobów
mechatronicznych
25
Energia
Energia Interfejs człowiek-
System
zasilania
zasilania maszyna
komunikacji
Informatyczne
Przetwarzanie
Człowiek
urządzenia
informacji
współpracujące
Wielkości cyfrowe
(głównie przepływ
informacji)
Przetwarzanie
Obróbka
analogowo-
wstępna
cyfrowe
Przetwarzanie
Dopasowanie/
analogowo-
wzmocnienie
cyfrowe
Energia Energia
Aktuatory
Sensory
zasilania zasilania
Wielkości
analogowe (głównie
przepływ energii i
Przepływ informacji
materiału)
Przepływ energii
Otoczenie
Przepływ materiałów
System podstawowy
(struktura
mechaniczna)
Struktura urządzenia mechatronicznego oraz powiązanie
jego zespołów przez przepływ energii, masy i informacji
A5
A4 A6
Otoczenie
A7
A1
A2 A8
System
A3 A9
(wejście) (wyjście)
A10 A11 A12
System: jest to w pewien sposób
System
Ka\
dy system względem otoczenia
wyodrębniona z otoczenia część,
ma określone własności (cechy),
a jej ograniczenia wynikają ze
które są nazywane atrybutami.
atrybutam
sformułowania problemu.
Atrybuty, które nie są wielkościami
wejściowymi (ang. Input) i
wielkościami wyjściowymi (ang.
Output), lecz opisują zachowanie
się systemu nazywa się stanami.
stanami
System i jego własności
26
A1 A2
System
System
Podsystem 1
Funkcja F: A1 A2



Relacja R12 Relacja R13
Pomiędzy atrybutami systemu
Podsystem 3
występują zale\
ności w postaci funkcji.
Je\
eli funkcja F nie jest znana, to taki
Relacja R32 Relacja R23
system określa się jako czarną
skrzynkę (ang. Black box).
Podsystem 2
System zwykle zawiera podsystemy,
których wzajemne zale\
ności są
opisane relacjami R. Liczbę relacji
nazywa się strukturą systemu.
Funkcje i struktura systemu
Definicja systemu:
 & ograniczony układ wzajemnie oddziałujących elementów,
& jest wyodrębniony z otoczenia przez warstwę oddzielającą.
Warstwa oddzielająca tworzy połączenia systemu z otoczeniem & 
(przepływ materiałów, energii i informacji).
Otoczenie
Energia Energia
Materiał Materiał
Informacje
Informacje
Wejście: u(t) Stan wewnętrzny: x(t) Wyjście: y(t)
Definicja systemu
27
Fizycznie/ technicznie lub matematycznie/ logicznie powiązana
jednostka.
Zamknięty wewnętrzny stan, w którym odwzorowana jest
fizyczna lub logiczna pamięć.
Reprezentuje zasadę przyczyna-skutek, przy czym zewnętrzne
wejścia są przyczynami, a wyjścia na zewnątrz są widocznymi
skutkami (oddziaływaniem).
Pojedyncze systemy nadają się jako moduły do budowy bardziej
zło\
onych struktur. Natomiast system mo\
e się składać z
podsystemów.
System
Proste wyroby (urządzenia)
Sprzęt AGD ( gorące wyroby )
Sprzęt domowy ( brązowe wyroby )
Samochody (pojazdy)
Technika medyczna
Technika lotnicza i kosmiczna
Przykłady systemów mechatronicznych
28
Systemy mechaniczne
Mechanika Mikro-
Zespoły Środki
Maszyny
precyzyjna mechanika
mechaniczne komunikacji
Składniki Składn. Urządz.
Zespoły Układy
Elementy Maszyny Maszyny Samo-
realizujące Pojazdy Pociągi mech. mech.
mikro- mikro-
maszyn siłowe robocze loty
siły i ruchy precyz. precyz. mechan. mechan.
- samol.
- ło\
yska - połączenia - silniki - generatory - samoch. - ło\
yska - odtwarz. - ło\
yska - czujniki
pasa\
.
kinematyczne elektrycz. elektryczne osobowe
- przeguby
- przeguby - drukarki - przeguby - aktuatory
- łańcuchy
- samol.
- silniki - turbo- - samoch.
napędowe - połącz, - urządz. - połącz. - silniki
wojsk.
tłokowe generatory cię\
arowe
kinemat.
komunikac.
kinemat.
- składniki - pompy
- turbiny - silniki - pojazdy
hydraul./ - łąńcuchy - urządz. - łańcuchy
tłokowe wojskowe
napędów
końcowe
pneumat. napędów
- obrabiarki
- składniki - wyłączniki - urządz.
optyczne
elektro- - maszyny
- przekaz
n.
mechaniczne wytwórcze
- urządz.
- czujniki
medyczne
- maszyny
rolnicze - aktuatory
Układy mechatroniczne  podział z przykładami
Przykłady systemów mechatronicznych  artykuły konsumpcyjne:
odtwarzacz CD,
aparat fotograficzny z autofocusem,
odtwarzacz wideo,
kamera wideo,
odtwarzacz MP3,
telefon komórkowy,
drukarka,
pralka automatyczna,
suszarka,
robot kuchenny (domowy),
&
Przykłady systemów mechatronicznych
29
Walkman
Odtwarzacz CD
Aparat
fotograficzny z
autofokusem
Odtwarzacz wideo
Kamera wideo
Odtwarzacz MP3
Telefon
komórkowy z
aparatem
fotograficznym
Grafika: Canon
Mechatronika w artykułach
konsumpcyjnych
Elektromechanika
Elektromechanika
Innowacyjne własności
Innowacyjne własności
" Mechanika
" Wy\
sza funkcjonalność
" Elektrotechnika
" Rozproszona inteligencja
" Bezpieczeństwo
Mikroelektronika
Mikroelektronika
" Elastyczność
" Informatyka elektroniczna
" Rozszerzalna
" Elektronika mocy
funkcjonalność
Teoria systemów i teoria
Teoria systemów i teoria
Nowoczesne projektowanie
Nowoczesne projektowanie
sterowania
sterowania
" Teoria stanów
" Metody
" Układy adaptacyjne
" Narzędzia
" Układy o wysokiej
" Środowisko rozwojowe
zło\
oności
Poziomy wyrobów
Poziomy wyrobów
Informatyka
Informatyka
mechatronicznych
mechatronicznych
" Poziom maszyny
" Oprogramowanie
sterowania
" Poziom fabryki
" Oprogramowanie
" Poziom modułu
projektowe
" Poziom składnika
" Systemy ekspertowe
Mechatronika - podejście interdycyplinarne
30
MECHATRONIKA
Interfejs
System
człowiek-maszyna
komunikacyjny
Przetwarzanie
Przetwarzanie Człowiek
informacji
informacji
Zasilanie
w energię
Aktuatory Czujniki Otoczenie
Całkowity
układ
Przepływ informacji
Jednostka niezbędna
Przepływ energii
Jednostka opcjonalna
Przepływ materiałów
Podstawowa struktura układu mechatronicznego
Zakłócenia
Siły/ momenty Ruchy
Układ podstawowy
Wielkości Wielkości mierzone
nastawiające (najczęściej mechaniczny) wzgl. zakłócające
Urządzenie pomiarowe
Aktuator
(sensor)
Sygnały
Sygnały mierzone
nastawiające
Układ sterowania
Wielkości zadane
Meldunki zwrotne (wiodące )
i regulacji
Struktura układu mechatronicznego
31
Obsługa
Wielkości zadane
Wielkości mierzone
Przetwarzanie
informacji
Strumień informacji
Strumień energii
Układ mechaniczny
i przetwarzanie
Aktuatory Sensory
energii
Pierwotny
Strumień
strumień energii
wykorzystywanej energii
Pomocniczy
Zasilanie Odbiornik
strumień energii
w energię energii
mechanicznie
hydraulicznie
termodynamicznie
elektrycznie
Proces mechaniczny i przetwarzanie energii
rozwinęły się do układów mechatronicznych
Komponenty (składniki) systemu mechatronicznego są ze sobą powiązane przepływem materiałów, energii i
sygnałów. Celem całego systemu jest m.in. kontrola przepływu materiałów i energii w układzie mechanicznym.
Układ mechaniczny styka się z otoczeniem właśnie przez przepływ materiałów i energii. Pomiędzy tym
układem oraz czujnikami i aktuatorami przepływa zarówno energia do pomiarów i oddziaływania na zespoły
mechaniczne, jak równie\
informacje pomiarowe i sterujące. Układ przetwarzania informacji ma przepływy
informacji do aktuatorów i z sensorów (interfejs procesu). Jest on równie\
powiązany z otoczeniem, aby móc
się komunikować z innymi układami sterowania (interfejs komunikacyjny) lub u\
ytkownikiem (interfejs
u\
ytkownika).
Zewnętrzne
Procesor U\
ytkownik
procesory
(informatyka)
Sensory
Sensory
Mechanika
(struktura
podstawowa)
Przepływ informacji:
Przepływ materiałów: Przepływ energii:
Z ogólnej struktury systemu mechatronicznego wywodzą się równie\
układy, które nie zawierają wszystkich
typowych składników. I tak mo\
na sobie wyobrazić systemy z czujnikami (sensorami) i oprogramowaniem,
ale bez aktuatorów.
Struktura systemu mechatronicznego
32
�ł
�ł
�ł
�ł
�ł
�ł
�ł
�ł
�ł
�ł
�ł
�ł
Zamiana fizycznych wielkości Fizyczne wielkości
Fizyczne wielkości
wejściowych w fizyczne wejściowe do innych
wejściowe z innych
wielkości wyjściowe systemów (ciągłe w czasie)
systemów (ciągłe w czasie)
Granica systemu
Techniczny
Techniczny
system docelowy
Działanie zwrotne Sprzę\
enie zwrotne
system docelowy
wielkości fizycznych wielkości fizycznych
wewnątrz systemu wewnątrz systemu
Aktuator
(ciągłe w czasie) (ciągłe w czasie)
Sensor
Aktuator
Sensor
Dominuje energia
Zamiana sygnałów z
Zamiana wielkości
Dominuje informacja
dominacją informacji
fizycznych na
w wielkości fizyczne
sygnały dominujące
z dominacją energii
informacyjnie
System IT
System IT
Sygnały do aktuatora Sygnały z sensora
(dyskretne / ciągłe w (dyskretne / ciągle w
czasie) czasie)
Wyjście sygnałów Wejście sygnałów
Zamiana sygnałów
komunikacyjnych do innych komunikacyjnych z innych
wejściowych w
systemów lub meldunki zwrotne systemów lub z ingerencji
sygnały wyjściowe
do u\
ytkownika (dyskretne / u\
ytkownika
ciągłe w czasie)
Model odniesienia (referencyjny) mechatroniki
Układ podstawowy:
składa się ze struktury zawierającej elementy mechaniczne, hydrauliczne lub
pneumatyczne, albo ich kombinacji, w której realizowane jest określone
działanie (np. ruch, siła, itp.).
Czujnik (sensor):
słu\
y do określania stanu wybranych wielkości systemu, zwykle przetwarza
wielkości fizyczne w sygnały elektryczne, które następnie są przetwarzane jako
informacje.
Przetwarzanie informacji:
określa konieczne oddziaływania, aby w określony sposób wpływać na stan
wielkości systemu i który obecnie jest najczęściej wykonany jako cyfrowy.
Aktuator (element wykonawczy):
słu\
y do realizacji oddziaływań bezpośrednio na układ podstawowy; dostarcza
(nastawia) siły i momenty, które prowadzą do ruchu systemu.
Wa\
niejsze określenia stosowane w systemach
mechatronicznych
33
Cel podró\
y
Automat biletowy
Informacje
Informacje
Zadanie: wydanie biletu po
Zadanie:
Czujniki, procesor,
Obszar taryfowy
podaniu celu podró\
y lub
aktuatory z modułami:
Monety, banknoty
obszaru taryfowego i
Materiały mechanicznymi
Materiały
Wejście
zapłaceniu nale\
ności w
elektrycznymi
Karty kredytowe
informatycznymi postaci monet, banknotów i
Energia
Energia
optycznymi
Zasilanie karty kredytowej; wydawanie
elektryczne Informacja o reszty
Automat biletowy
cenie dla
Wprowadzanie
Wprowadzanie
wybranego
" Touch screen
Informacji:
Informacji:
Dotykowe
Dotykowe
" mikrokomputer celu
Cel podró\
y
wprowa-
wprowa-
" pamięć danych
Obszar taryfowy
dzanie
dzanie Wybór biletu
" wyświetlacz informacji
informacji
informacji
(taryfy, ceny, itp.)
Czujniki do sprawdzania monet
" cię\
ar monety:
Monety, banknoty
elektroniczny moduł wa\
ący
Wprowadzanie
Wprowadzanie
Odblokowanie
" grubość monety:
materiałów: drukowania biletu
materiałów:
czujnik optoelektroniczny
Karty kredytowe " stop, z którego wykonano monety:
czujnik magneto-elektroniczny
" czujnik rozpoznawania banknotów
Pamięć monet i sortownik monet
Czytnik kart kredytowych i moduł
wydawania kart
Moduły drukowania, formatowania i
Wyjście:
Wyjście:
Sterowanie
wydawania:
Bilet drukowaniem,
" elektromechaniczna drukarka biletów
formatowaniem
Reszta " mechaniczny moduł cięcia biletów
i wydawaniem
" aktuator wydawania biletów
biletu
" moduł informatyczny do obliczania wydania reszty
" aktuator do wydawania reszty
Automat biletowy jako przykład układu mechatronicznego
W systemach technicznych (np. technologicznych) bardzo często występuje konieczność
realizacji takich działań, \
eby zmienne w czasie wielkości systemu miały określone przebiegi.
W najprostszym przypadku wielkości te powinny mieć stałe wartości, pomimo działających na
system zakłóceń. Tego rodzaju zadania mo\
na realizować przez zastosowanie sterowania i
regulacji. Nale\
y zatem wyjaśnić ró\
nicę między oboma tymi pojęciami.
Sterowanie
I tak sterowanie jest działaniem, w którym nale\
y zrealizować \
ądany przebieg czasowy
własnej wielkości układu albo bez pośrednictwa dalszych własnych (wewnętrznych) wielkości
tego układu, albo przy pomocy innych zewnętrznych wielkości. Wielkość, na którą się
oddziałuje nie jest mierzona.
w
u
z
Wyjście
Człon sterujący Urządzenie nastawiające
Obiekt
(sterownik) (nastawnik, aktuator)
sterowania
y
Urządzenie sterujące
Urządzenie sterujące
Cechą charakterystyczną sterowania jest otwarty przebieg działania. Nie ma sprzę\
enia
zwrotnego wielkości wyjściowej układu z jego wejściem. Otwarty sposób działania jest często
określany jako sterowanie w obwodzie otwartym.
Sterowanie i regulacja
34
Zakłócenie
Regulacja
Pod pojęciem regulacji rozumie się natomiast takie działanie, w którym wielkość regulowana
jest ciągle mierzona i porównywana z wielkością zadaną (wiodącą). Za pomocą wyniku tego
porównania (ró\
nicy), uchybu regulacji, realizowane jest takie oddziaływanie na wielkość
regulowaną, \
eby była ona równa wielkości zadanej.
Miejsce
pomiaru
(wielkość
w e u z
regulowana)
Człon Urządzenie nastawiające
Obiekt
Regulator
porównujący (nastawnik, aktuator)
regulacji
y
Urządzenie pomiarowe
(sensor, czujnik)
Urządzenie regulacyjne
Urządzenie regulacyjne
Tego rodzaju działanie odznacza się występowaniem sprzę\
enia zwrotnego (ujemnego)
wyjścia układu z jego wejściem. Zbudowany w taki sposób zamknięty obwód jest określany
jako obwód regulacji.
Regulacja
Obiekt regulacji jest tą częścią układu technicznego, który podlega oddziaływaniu. Obiekt rozpoczyna się w miejscu
nastawiania układu, w którym wielkość nastawiająca u opuszcza regulator, a kończy się w miejscu pomiaru, a zatem
tam gdzie wielkość regulowana opuszcza obiekt regulacji.
Urządzenie regulacyjne jest najwa\
niejszym składnikiem układu regulacji. Zawiera ono takie elementy, które realizują
zadania wymagane podczas regulacji. Nale\
y do niego m.in. urządzenie pomiarowe. Słu\
y ono do tego, aby w
sposób ciągły dokonywać pomiaru wielkości regulowanej y w miejscu pomiaru. Człon porównujący (komparator) jest
y
potrzebny po to, aby zmierzoną wielkość regulowaną (rzeczywistą) porównywać z wielkością zadaną w i tworzyć
w
ró\
nicę, która stanowi uchyb regulacji e. Regulator przekształca uchyb regulacji e w wielkość wyjściową z regulatora.
e e
Urządzenie nastawiające jest ostatnią częścią urządzenia regulacyjnego, które wyprowadza wielkość nastawiającą u
u
do obiektu regulacji i tym samym jest odpowiedzialne za oddziaływanie na wielkość regulowaną y.
y
Punktami granicznymi pomiędzy obiektem regulacji i urządzeniem regulacyjnym są miejsce pomiaru i miejsce
nastawiania. W miejscu pomiaru urządzenie regulacyjne określa stan wielkości regulowanej, a w miejscu nastawiania
oddziałuje na obiekt.
Wielkości charakterystyczne obwodu regulacji
Wielkość zadana w jest wielkością, na którą podczas regulacji bezpośrednio się nie oddziałuje, jest ona wprowadzana
w
z zewnątrz i pozostaje w zale\
ności z wielkością regulowaną. Wielkość zadana mo\
e być stała w czasie lub te\
ulegać
zmianie.
Uchyb regulacji e uzyskuje się jako ró\
nicę pomiędzy wielkością zadaną w a zmierzoną wielkością regulowaną y
e w y
(wielkość rzeczywista obiektu regulacji). Sygnał uchybu jest wprowadzany do regulatora, który zgodnie z określonymi
funkcyjnymi zale\
nościami tworzy wielkość nastawiającą u.
u
Wielkość nastawiająca u jest wielkością wyjściową z urządzenia regulacyjnego oraz wielkością wejściową obiektu
u
regulacji. Realizuje ona działanie sterujące urządzenia regulacyjnego na obiekt.
Wielkość regulowana y jest wielkością występującą na wyjściu obiektu i jest ona mierzona za pomocą urządzenia
y
pomiarowego. Celem regulacji jest określone oddziaływanie na tą wielkość. Jest ona równocześnie wielkością
wyjściową obiektu regulacji i wielkością wejściową urządzenia regulacyjnego.
Do wielkości zakłócających z są zaliczane przede wszystkim wielkości działające z zewnątrz, które powodują
z
niepo\
ądane oddziaływania na obiekt. W większości układów technicznych występuje więcej ni\
jedno zakłócenie,
które ponadto mogą mieć ró\
ną naturę fizyczną. Jednak za pomocą układu pomiarowego w sposób pośredni jest
zawsze wykrywany tylko wpływ wszystkich zakłóceń na obiekt regulacji. Zakłóceniom mogą równie\
podlegać elementy
urządzenia regulacyjnego, np. regulator.
Elementy układu regulacji
35
Zakłócenie
Śruba do
nastawiania
Wielkość b a
zadana
Para
Maszyna parowa
Obcią\
enie
n
Wielkość regulowana
Regulator odśrodkowy Watt a maszyny parowej (1778 r.)
Cechy Regulacja Sterowanie
charakterystyczne
Droga (obwód) Zamknięta (obwód regulacji) Otwarta (łańcuch sterowania)
działania
Pomiar i porównywanie Wielkość regulowana jest mierzona i Wielkość sterowana nie jest
nastawianej wielkości porównywana (z wielkością zadaną). mierzona i porównywana.
Reakcja na zakłócenia Występuje przeciwdziałanie wszystkim Jest reakcja tylko na te
(ogólnie) zakłóceniom, które wpływają na regulowany zakłócenia, które są mierzone i
układ. przetwarzane w układzie.
Reakcja na zakłócenia Reaguje dopiero wtedy, gdy zmienia się ró\
nica Reaguje szybko, je\
eli
(czasowo) pomiędzy wartością zadaną i wartością zakłócenie jest bezpośrednio
regulowaną. mierzone.
Nakłady techniczne Małe nakłady: Wysokie nakłady, je\
eli musi
być uwzględnionych wiele
" pomiar wielkości regulowanej,
zakłóceń.
" porównywanie wartości zadanej z rzeczywistą,
Małe nakłady, je\
eli nie
" wzmocnienie sygnału.
występują \
adne zakłócenia.
Przebiegi dla W niestabilnych układach musi być Sterowanie jest nieprzydatne
niestabilnych układów zastosowana regulacja. w przypadku niestabilności.
W układach sterowania, w których zakłócenia nie są mierzone, wielkości wyjściowe (sterowane) mogą
odbiegać od wielkości zadanych.
Natomiast w układach regulacji wszystkie działające na obiekt regulacji zakłócenia są określane przez
pomiar wielkości regulowanej. Jedynym problemem jest to, \
e doregulowanie spowodowane działaniem
uchybu (odchylenia regulacji) odbywa się po zadziałaniu zakłócenia na układ, a zatem z opóz
nieniem.
Porównanie regulacji ze sterowaniem
36
Podział układów regulacji
Istnieje wiele mo\
liwości (kryteriów) klasyfikacji układów regulacji:
I tak układy regulacji mo\
na dzielić ze względu na rodzaj i liczbę wielkości stanowiących
sprzę\
enie zwrotne.
W przypadku regulacji z jedną wielkością w obwodzie regulacji występuje tylko jedna pętla
sprzę\
enia zwrotnego. Spośród występujących zwykle wielu wielkości wyjściowych obiektu w
układzie, do regulacji jest wykorzystywana tylko jedna z nich. Wymaga się wówczas, \
eby ta
wielkość wystarczająco dokładnie opisywała obiekt regulacji ze względu na jego stan.
Je\
eli w układzie regulacji występuje wiele pętli sprzę\
enia zwrotnego, to wówczas jest to tzw.
regulacja z wieloma wielkościami. Struktury układów regulacji z wieloma podrzędnymi
obwodami sprzę\
enia zwrotnego są nazywane tak\
e kaskadowymi układami regulacji.
Natomiast ze względu na rodzaj zadania regulacyjnego rozró\
nia się układy:
regulacji stałowartościowej (stabilizujące) oraz
układy regulacji nadą\
nej (śledzące).
W układach regulacji stałowartościowej wartość zadana jest stała w długim okresie czasu.
Zadaniem układu regulacji jest minimalizacja oddziaływania na obiekt regulacji występujących
zakłóceń.
Natomiast w przypadku układów regulacji nadą\
nej wielkość zadana nie jest stała w czasie i
mo\
e się zmieniać w sposób z góry nieprzewidziany (jest nieznaną funkcją czasu). Zadaniem
urządzenia regulacyjnego jest mo\
liwie dokładne odwzorowanie przebiegu czasowego
wielkości zadanej na wyjściu obiektu (wielkości regulowanej).
Klasyfikacja układów regulacji
W układach regulacji występuje wiele wymagań, które mogą być silnie uzale\
nione od realizowanego zadania. Oprócz
tego są tak\
e wymagania dotyczące większości układów.
Kryterium Wyjaśnienie
Stabilność Układ regulacji musi być stabilny. Oznacza to, \
e występujące w tym układzie sygnały dynamiczne
muszą mieć odpowiednie przebiegi w czasie.
Dokładność Statyczne odchylenie regulacji (uchyb) e po wystąpieniu zakłócenia wzgl. zmianie wielkości zadanej
statyczna powinno być równe zeru lub nie przekraczać zadanych granic.
Własności Układ regulacji musi być wystarczająco szybki, tzn. dynamiczne przebiegi sygnałów w przypadku
dynamiczne wystąpienia zakłócenia lub zmiany wielkości zadanej muszą być zakończone w określonym czasie.
Tłumienie Odpowiedz
układu regulacji na wystąpienie zakłócenia wzgl. zmianę wielkości zadanej musi być w
wystarczającym stopniu tłumiona, tzn. powinno być zapewnione ustalenie wielkości regulowanej i tym
samym stabilność układu.
Odporność Układ regulacji powinien być mo\
liwie nieczuły i odporny na zmiany dowolnych parametrów obiektu
regulacji.
Większość problemów technicznych w układach regulacji wymaga rozpatrzenia ju\
na początku projektowania
kryteriów i ich realizacji w aplikacji układu.
Podczas wykonywania zadań dotyczących budowy układów regulacji występują następujące działania:
" modelowanie obiektów regulacji,
" projektowanie układu regulacji,
" synteza układu regulacji,
" implementacja i weryfikacja.
Jakość zbudowanego układu regulacji, pomimo dysponowania obecnie środkami wspomagającymi (np. systemy
komputerowe) nadal w znacznym stopniu zale\
y od wiedzy i doświadczeń osób wykonujących aplikację.
Wymagania dotyczące układów regulacji
37
W zale\
ności od wymaganej jakości sterowania lub regulacji stosowane są ró\
ne struktury układów.
Sterowanie w obwodzie otwartym
Sterowanie w układzie otwartym charakteryzuje tym, \
e oddziaływanie na wielkość sterowaną y odbywa się
przez wielkość zadaną w bez sprzę\
enia zwrotnego. Wskutek tego podczas takiego działania układu nie jest
mo\
liwe dopasowanie wielkości nastawiającej u do  wyniku sterowania.
w
u
z
Wyjście
Człon sterujący Urządzenie nastawiające
Obiekt
(sterownik) (nastawnik, aktuator)
sterowania
y
Urządzenie sterujące
Urządzenie sterujące
Przykładami realizacji sterowania w układzie otwartym są silniki krokowe. Silniki krokowe mogą być stosowane
do bezpośredniego pozycjonowania zespołów roboczych maszyn (urządzeń) bez dodatkowego układu
pomiarowego lub obwodu regulacji. Stanowią one klasyczne rozwiązanie otwartego układu sterowania.
Zadania takiego urządzenia sterującego są następujące:
" wyprowadzanie odcinków drogi proporcjonalnie do liczby impulsów,
" rozdział impulsów na poszczególne fazy w zale\
ności od kierunku ruchu,
" sterowanie częstotliwością impulsów.
Zasady sterowania i regulacji w mechatronice
Zasady regulacji
Obwody z jedną pętlą regulacji nie zawsze są wystarczające w praktyce. Dlatego te\
często spotyka się powiązanie
wielu obwodów regulacji. W wielu układach za pomocą obwodów regulacji z jedną pętlą nie mo\
na uzyskać wymaganej
dokładności działania w warunkach występujących zakłóceń i przebiegu wielkości zadanej. Za pomocą dodatkowych
obwodów regulacji mo\
na znacznie zwiększyć jakość i szybkość regulacji. Innym powodem stosowania wielu pętli
regulacji jest to, \
e konieczne jest uwzględnienie kilku wielkości wyjściowych, albo te\
oddziaływanie wielu wielkości
zadanych.
Przy wyborze rodzaju układu regulacji miarodajne jest miejsce oddziaływania zasadniczych zakłóceń.
Włączenie wielkości zakłócającej do członu nastawiającego
Ten rodzaj struktury układu regulacji jest stosowany wtedy, gdy główna wielkość zakłócająca występuje blisko wejścia do
obiektu i mo\
e być ciągle mierzona i przewtarzania. Warunkiem włączenia sygnału zakłócającego jest mierzalność
wielkości zakłócającej. Dzięki temu regulator otrzymuje informację o aktualnie działającym zakłóceniu nie dopiero wtedy,
gdy wpływ zakłócenia zostanie zmierzony na wyjściu obiektu, lecz ju\
wcześniej jest informowany o wielkości i rodzaju
zakłócenia. Inforamcje te są wykorzystywane do określenia wielkości nastawiającej, która kompensuje wpływ zakłócenia.
Włączenie wielko- Miejsce
ści zakłócającej pomiaru
(wielkość
z regulowana)
w
e
u
Człon Urządzenie
Obiekt
Regulator
porównujący nastawiające
regulacji
y
Urządzenie pomiarowe
(sensor, czujnik)
Urządzenie regulacyjne
Urządzenie regulacyjne
Zasady regulacji w mechatronice
38
Zakłócenie
Zakłócenie
Regulacja ze stabilizującą wielkością pomocniczą
Warunkiem zastosowania pokazanego wcześniej rozwiązania układu regulacji z włączeniem
wielkości zakłócającej jest mo\
liwość pomiaru zakłócenia, który to warunek często nie jest
spełniony. Aby w takich przypadkach móc szybko reagować na występujące zakłócenia,
konieczny jest pomiar oddziaływania zakłócenia na obiekt mo\
liwie blisko miejsca jego
działania. Ten pomiar odbywa się dodatkowo do wielkości regulowanej y i jest określany jako
pomocnicza wielkość regulacji yp.
Miejsce
pomiaru
(wielkość
w e
regulowana)
u
z
+
Obiekt regulacji
Obiekt regulacji
Regulator
(część 1)
(część 2)
-
y
yp
Człon
kompensacyjny
+
Układ regulacji ze stabilizującą wielkością
pomocniczą
Układ regulacji o strukturze kaskadowej
Regulacja kaskadowa jest wa\
nym przypadkiem regulacji z wielkością pomocniczą. Jest ona stosowana wtedy, gdy
główne zakłócenie występuje blisko wejścia obiektu i nie mo\
e być mierzone w sposób ciągły. Wtedy zakłócenia, które
występują blisko wejścia obiektu mogą być częściowo kompensowane ju\
w obwodzie wewnętrznym. W kaskadowym
układzie regulacji mo\
na stosować sprzę\
enie zwrotne wielu wielkości regulowanych w pętlach (obwodach) regulacji.
Umo\
liwia to pełny opis stanu obiektu i tym samym poprawę dynamicznych przebiegów całego układu.
Miejsce
pomiaru
(wielkość
w e
u z regulowana)
+
Regulator
Obiekt regulacji
Obiekt regulacji
Regulator
pomocniczy
(część 1)
(część 2)
-
-
y
yK
Jak to widać z rysunku pomocnicza wielkość regulowana yK jest wprowadzana do regulatora pomocniczego, który
otrzymuje wielkość przewodnią z regulatora głównego. Regulator pomocniczy i część 1 obiektu regulacji tworzą
pomocniczy obwód regulacji. Jego głównym zadaniem jest usuwanie z wielkości regulowanej y działania zakłócenia
występującego w przedniej części obiektu. Zakłócenia te są przyło\
one do wyjścia pierwszej części obiektu i ujęte jako
wielkość z. Wielkość zakłócająca z działa w pomocniczym obwodzie regulacji jako wielkość wyjściowa.
Klasycznym przykładem zastosowania regulacji kaskadowej jest regulacja prądu i prędkości obrotowej w
serwonapędach. Zasada regulacji kaskadowej jest zatem stosowana do realizacji sterowania torem ruchu w
obrabiarkach sterowanych numerycznie i robotach przemysłowych.
Układ regulacji o strukturze kaskadowej
39
Miejsce
zakłócenia
Zakłócenie
Regulacja z pomocniczą wielkością nastawiającą
Regulacja z pomocniczą wielkością nastawiającą jest stosowana wtedy, gdy główna wielkość zakłócająca
działa w pobli\
u wyjścia obiektu i mo\
na zbudować drugi człon nastawiający blisko wyjścia obiektu. Przez
działanie pomocniczej wielkości nastawiającej blisko wyjścia obiektu mo\
na szybciej wyregulować uchyb
regulacji, co staje się mo\
liwe w wyniku przenoszenia wielkości nastawiającej u przez obiekt.
w e
u z
Obiekt regulacji
Obiekt regulacji
Regulator
(część 1)
(część 2)
-
+ y
uP
Regulator
pomocniczy
Ten rodzaj regulacji przynosi korzyści w przypadku występowania zakłóceń blisko wyjścia obiektu (część 2
obiektu regulacji) i przy zmianie wielkości zadanej.
Ze względów technologicznych lub ekonomicznych wymaga się, \
eby pomocnicza wielkość nastawiająca up
zanikała w stanie stacjonarnym. W innym przypadku mogłaby zniknąć wielkość nastawiająca u, a jej funkcję
przejęłaby wielkość uP.
Regulacja z pomocniczą wielkością nastawiającą
Regulacja z wysterowaniem (sterowanie wyprzedzające, forsowanie)
Istnieją obwody regulacji, w których występuje konieczność zarówno dokładnego wyregulowania
zakłóceń jak i wymaga się od nich tak\
e dokładnych przebiegów regulacji. W niektórych
przypadkach nie jest mo\
liwe nastawienie regulatora w jednakowym stopniu na optymalne
działanie zarówno na działanie zakłóceń jak i optymalne przebiegi regulacji. W takim przypadku
nale\
y zapewnić takie rozwiązanie układu, w którym regulator oddzielnie traktuje zakłócenia i
zmiany sygnału wielkości zadanej.
Jest to mo\
liwe w układzie sterowania wyprzedzającego za pomocą sygnału wiodącego
(zadanego), w którym następuje taka ingerencja w obwodzie regulacji, \
e dodatkowo do wejścia
obiektu regulacji jest wprowadzany sygnał zale\
ny od wielkości zadanej.
Wysterowanie
w e
u
+
Obiekt
Regulator
regulacji
- y
Przykładem regulacji z wysterowaniem jest sterowanie prędkością ruchu lub przyspieszeniami
dla silników prądu stałego.
Regulacja z wysterowaniem (sterowanie wyprzedzające)
40
Zakłócenie
Zasada Wymagania Działanie Zalety Wady
Włączenie Główna wielkość Regulacja jest Regulacja jest znacznie Wpływ głównej
wielkości zakłócająca jest odcią\
ona od szybsza, a uchyb e jest wielkości
zakłócającej znana i mo\
liwa głównej szybko redukowany. zakłócającej musi być
do pomiaru. wielkości znany; konieczne są
Znany jest wpływ zakłócającej. dodatkowe nakłady
głównej wielkości związane z
zakłócającej na pomiarem.
obiekt.
Regulacja z Główna wielkość Regulacja jest Główna wielkość Wpływ głównej
stabilizującą zakłócająca jest odcią\
ona od zakłócająca nie musi wielkości
wielkością znana; wpływ głównej być mierzona; regulacja zakłócającej musi być
pomocniczą głównej wielkości wielkości jest szybsza; uchyb jest znany; konieczne są
zakłócającej jest zakłócającej redukowany. dodatkowe nakłady
znany. związane z
pomiarem.
Regulacja Istnienie wiele Zapętlenie Poprawa jakości Zwiększone nakłady
kaskadowa (wewnętrznych) obwodów regulacji.
wielkości regulacji.
regulowanych.
Regulacja z Dynamika obiektu Wielkość Poprawa przy Trudna w
wysterowaniem jest dokładnie zadana jest zmianach wielkości projektowaniu
znana. wprowadzana zadanych, a
bezpośrednio do równocześnie lepsze
obiektu. działanie przy
zakłóceniach.
Porównanie wybranych zasad regulacji
Je\
eli własności obiektu regulacji zmieniają się w sposób nieprzewidziany, to często nie mo\
na uzyskać
wymaganych przebiegów układu regulacji i wtedy konieczne jest zastosowanie regulacji adaptacyjnej.
Jako regulację adaptacyjną określa się taką regulację, w której samoczynnie zmieniają się parametry lub
struktura regulatora w zale\
ności od określonych własności obiektu, dzięki czemu uzyskiwane są \
ądane
przebiegi regulacji.
Proces
decyzyjny
Modyfikacja Identyfikacja
e
w u
y
Obiekt
Regulator
regulacji
-
z
Zasada regulacji adaptacyjnej opiera się na rozpoznaniu lub identyfikacji obiektu regulacji, obliczeniu
pewnej dopasowanej do niego nastawy regulatora i odpowiedniego dopasowania parametrów regulatora.
Je\
eli zmienia się wzmocnienie obiektu, to przez porównanie z modelem obiektu mo\
na określić
wymaganą korekcję (np. przez dzielenie) i wprowadzić ją w członie włączonym szeregowo (np.
mno\
enie) w urządzeniu regulacyjnym i w ten sposób zapewnić zachowanie stałego wzmocnienia
obwodu.
Istotnym problemem jest określanie zmieniających się parametrów i przetwarzanie w odpowiednich
algorytmach adaptacyjnych. Wskutek tego znacznie wzrastają nakłady związane z przetwarzaniem
informacji.
Regulacja adaptacyjna
41
Układy sterowania mają strukturę otwartą (nie mają sprzę\
enia zwrotnego).
Natomiast układy regulacji mają strukturę zamkniętą z pętlą sprzę\
enia zwrotnego
(ujemnego).
Sprzę\
enie Pomiar Eliminacja Zachowanie Problemy ze Nakłady
zwrotne wielkości zakłóceń w stabilnością obliczeniowe
wyjściowej przypadku (przetwarzania)
wystąpienia i sprzętowe
zakłóceń
Sterowanie Nie Nie jest Tylko Bardzo Nie (poniewa\
Małe
konieczny znanych szybkie nie jest
przewidziane
do
zastosowania
w układach
niestabilnych)
Regulacja Tak Konieczny Wszystkich Powolne Tak (wskutek Du\
e
tego równie\

stabilne układu
mogą się stać
niestabilne)
Porównanie sterowania z regulacją
In\
ynieria systemów i produktów mechatronicznych w przemyśle samochodowym,
obrabiarkowym czy lotniczym stosuje zwykle w odniesieniu do mechatroniki takie podejście,
które opiera się na podsystemach (komponentach). Jest to strategia rozwoju produktu, w
której zintegrowane systemy końcowe buduje się z technik jednorodnych podsystemów
(mechanika, elektronika, automatyka, oprogramowanie). Te podsystemy opracowuje się
współbie\
nie, ze szczególnym uwzględnieniem ich interfejsów. Dopiero gdy te interfejsy są
zaprojektowane, to ka\
dy z komponentów projektuje się w dotychczasowy, tradycyjny sposób.
Oznacza to, \
e punkt cię\
kości spoczywa na multidyscyplinarnym porozumieniu się in\
ynierów
o ró\
nej specjalności w celu właściwego zdefiniowania interfejsów.
W podejściu komponentowym nie istnieje \
adna potrzeba opracowania jakiejś nowej techniki
jako wyniku ściślejszej integracji z pozostałymi technikami, np. ścisłej integracji automatyki z
informatyką. Mo\
liwości systemu mechatronicznego są tutaj raczej wynikiem poprawnej
integracji technik istniejących. Podejście komponentowe dominuje w literaturze z zakresu
mechatroniki. I tak ksią\
ki mechatroniczne poświęcają zwykle pierwszy rozdział zdefiniowaniu
mechatroniki, a pozostałe rozdziały poszczególnym komponentom, takim jak sensory,
aktuatory (człony wykonawcze), układ sterowania, sprzęt komputerowy, interfejsy,
komunikacja, modelowanie itp.
Podejście komponentowe jest ciągle znaczącym krokiem w stosunku do czasów, gdy
mechanicy najpierw konstruowali system mechaniczny, który następnie był przekazywany
automatykom w celu opracowania projektu sterowania, w tym samym czasie system
komputerowy był projektowany przez elektryków, a na koniec programistom dawano
niemo\
liwe do wykonania zadanie zaprojektowania i implementacji zło\
onego sterownika do
nieprzystosowanej konstrukcji mechanicznej i zbyt wolnego systemu komputerowego.
Podejście komponentowe w mechatronice
42
Postęp w elektronice cyfrowej otworzył nowe mo\
liwości rozwoju systemów, których podstawą
są komponenty mechaniczne. Mo\
liwości te dotyczą przede wszystkim ogromnego wzrostu
przepływu informacji, który mo\
e być wykorzystany do po\
ądanego sterowania komponentami
mechanicznymi. Mo\
na stwierdzić, \
e nastąpiła zmiana paradygmatu w projektowaniu tych
komponentów. Polega ona na tym, \
e funkcje systemu nie są ju\
fizycznie wbudowane w
komponent mechaniczny, lecz w oprogramowanie komputerowe. Innymi słowy następuje
przesunięcie implementacji funkcjonalności z mechaniki do oprogramowania, przy czym
najwa\
niejsze komponenty systemu pozostają ciągle mechaniczne. Występuje tutaj
paradygmat oprogramowania, a nie o paradygmat mikroelektroniki, czy paradygmat
mikroprocesora, poniewa\
to właśnie oprogramowanie dostarcza nowej i szerokiej elastyczności
oraz swobody w projektowaniu i konstruowaniu. W wielu przypadkach właściwe projektowanie
oprogramowania jest implementowaniem go w sprzęt elektroniczny.
Stosowanie paradygmatu oprogramowania powoduje, \
e stare, sprawdzone teorie i pojęcia
projektowania mechanicznego zastępuje się młodym, niedojrzałym oprogramowaniem,
wbudowanym w młode, niedojrzałe komputery. Ma to ogromne znaczenie w tych
zastosowaniach, gdzie decyduje bezpieczeństwo. Kluczowa cecha oprogramowania, jaką jest
jego ró\
norodność i elastyczność, łatwo prowadzi do problemów wynikających z du\
ej
zło\
oności. In\
ynieria mechaniczna, in\
ynieria oprogramowania, in\
ynieria sterowania i
in\
ynieria komputerowa muszą więc być stosowane współbie\
nie i w sposób zintegrowany. Na
tej podstawie są identyfikowane, formułowane i prowadzone nowe prace. Podejście interakcyjne
mo\
na więc traktować jako doskonalenie dotychczasowych dyscyplin, technik i ich
integracji/interakcji. Mechatronika w takim ujęciu jest wymyślaniem i rozwojem nowych teorii,
modeli, pojęć i narzędzi w odpowiedzi na potrzeby wyrastające z interakcji dyscyplin
naukowych.
Podejście interakcyjne i paradygmat oprogramowania
Przykładem urządzenia mechatronicznego jest stosowany powszechnie w samochodach
system zapobiegający blokowaniu kół podczas hamowania na śliskiej nawierzchni
ABS (niem. Antiblockierungs-System), który przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa
jazdy.
System ABS zastosowano po raz pierwszy w 1967 r., od 1978 r. jest on produkowany
seryjnie, a od 1991 r. jest znormalizowany.
System ABS stanowił punkt wyjścia do wprowadzenia kolejnych, coraz bardziej
rozbudowanych urządzeń mechatronicznych w samochodach, takich jak ASR (niem. Anti-
Schlupf-Regelung), ESP (niem. Elektronisches Stabilit�tsprogramm) i VDC (ang. Vehicle
Dynamics Control).
Poniewa\
system ABS u\
ywany jest ju\
powszechnie, to zwykle znane jest jego
wyobra\
enie funkcjonalne. Kierowcy wiedzą najczęściej, \
e chodzi o pulsowanie ciśnienia w
układzie hamulcowym w tych przypadkach, gdy koło podczas hamowania zostanie
zablokowane.
Natomiast ogólnie mniej znana jest budowa systemu ABS, poniewa\
jest ona ukryta w
podwoziu samochodu i pod maską silnika. Chodzi tutaj o poszczególne jego elementy
(części, komponenty), takie jak czujniki obrotu kół, zawory elektromagnetyczne, pompę
hydrauliczną, silnik elektryczny, układ elektroniczny (sterownik mikroprocesorowy), czy
przewody elektryczne i hydrauliczne.
Niektóre z tych elementów są zintegrowane w jednej obudowie (zawory, pompa, silnik,
elektronika) i przez to niedostępne gołym okiem. Dlatego te\
spróbujmy przedstawić istotę
działania układu hamulca z ABS w porównaniu ze zwykłym układem hamulcowym.
ABS jako przykład systemu mechatronicznego
43
W zwykłym tarczowym hamulcu hydraulicznym siła zaciskająca szczęki (klocki) na powierzchni
tarczy hamulcowej powstaje przez działanie ciśnienia cieczy na tłoczek związany z jedną ze
szczęk, umieszczonych w obudowie hamulca. Ciśnienie to powstaje przez przesuwanie tłoczka
pompy hamulcowej podczas naciskania na pedał hamulca.
Taki hamulec, podczas hamowania na podło\
u o małej
przyczepności (śliskim, piaszczystym), szybko zatrzymuje
(blokuje) koło. Mała przyczepność powoduje zmniejszenie
momentu hamowania, a więc szybkie zatrzymanie koła.
Przestaje się ono obracać wokół własnej osi, a z kolei
mała przyczepność powoduje, \
e samochód nie reaguje
właściwie na próby zatrzymania i staje się niesterowalny.
Siła bezwładności niesie go w dotychczasowym kierunku
jazdy, a nie w kierunku zgodnym z zamiarami kierowcy,
wynikającym ze skręcenia kierownicy.
Rozwiązaniem tego problemu jest przeciwdziałanie
blokowaniu. Mo\
na to uzyskać przez szybką (kilkadziesiąt
razy na sekundę) pulsację ciśnienia hamowania od chwili,
gdy koło przestało się obracać. Tak szybkiej pulsacji
człowiek nie jest jednak w stanie wytworzyć swoją nogą, a
ponadto nie jest w stanie bezpośrednio wyczuć chwili
zablokowania koła. Siły i ruchy człowieka oraz reakcje jego
zmysłów są zbyt powolne w stosunku do dynamiki
zjawiska, nad którym musi zapanować. Dlatego musi go w
tym wyręczyć urządzenie techniczne.
Zwykły hamulec hydrauliczny w samochodzie
W systemie ABS układ hamulcowy jest
rozszerzony o trzy funkcje:
" funkcję  wyczuwania chwili zablokowania koła.
Realizatorem (nośnikiem) tej funkcji jest czujnik
(sensor) ruchu tarczy hamulcowej (koła),
" funkcję szybkiego pulsowania ciśnienia płynu
hamulcowego. Nośnikiem tej funkcji jest
zawór elektromagnetyczny do urządzenie wykonawcze (aktuator) w postaci
modulacji ciśnienia (aktuator)
szybko wyłączanego i włączanego zaworu
elektromagnetycznego,
" funkcję odbierania i oceniania sygnałów z
czujnika oraz szybkiego naprzemiennego
włączania i wyłączania (sterowania) zaworu
elektromagnetycznego. Nośnikiem tej funkcji
jest sterownik w postaci mikroprocesora,
mikrokontrolera lub mikrokomputera.
Dalszy rozwój systemów ABS jest związany z
działaniami mającymi na celu skrócenie drogi
hamowania, co mo\
na osiągnąć przez
zwiększenie szybkości reakcji elementów
układu hamulcowego.
ABS jako przykład systemu mechatronicznego
44
Między XVII a XIX wiekiem powstało wiele wa\
nych urządzeń (np. regulatory temperatury, regulatory ciśnienia
oraz mechaniczne maszyny liczące), na których mo\
na prześledzić wkład do rozwoju automatyki i mechatroniki.
Milowym krokiem był tu odśrodkowy regulator Watt a do regulacji prędkości maszyny parowej. Przez pomiar
prędkości obrotowej wału wyjściowego i u\
ycie ruchu obrotowego kul do sterowania zaworem odbywało się
sterowanie ilością pary wpływającej do silnika. Gdy prędkość silnika rosła, to kule aparatu ruchowego podnosiły
się, pociągając za sobą kołnierz z cięgnami, które zamykały zawór pary. Jest to przykład systemu sterowania ze
sprzę\
eniem zwrotnym (ang. feedback), w którym sygnał sprzę\
enia zwrotnego (sensoryka) i działanie sterujące
(aktuatoryka) są realizowane całkowicie przez urządzenia mechaniczne (ang. mechanical hardware).
Dalszy etap rozwoju automatyzacji wymagał opracowania teorii sterowania automatycznego. Prekursorem
sterowanych numerycznie (NC) obrabiarek do zautomatyzowanego wytwarzania (opracowanych w połowie XX
w.) było wynalezione ponad sto lat wcześniej krosno Jackard a ze sprzę\
eniem uprzedzającym (ang.
feedforward). Pod koniec XIX w. Maxwell przez analizę układu równań ró\
niczkowych opisujących regulator
odśrodkowy, zainicjował rozwój teorii sterowania. W latach 30. XIX w. Faraday opisał prawa indukcji, będące
podstawą działania silnika elektrycznego i prądnicy elektrycznej. Następnie w latach 80. XIX w. Tesla wynalazł
silnik indukcyjny prądu przemiennego.
Rozwój automatyzacji znacznie przyspieszył w XX w. I tak opracowanie pneumatycznych elementów sterowania
w latach 30. XX w. dojrzało do zastosowań w przemysłach procesowych. Jednak a\
do 1940 r. projektowanie
systemów sterowania odbywało się metodą prób i błędów. Postęp w zakresie metod matematycznych i
analitycznych, jaki miał miejsce w latach 40. ubiegłego wieku, doprowadził do powstania in\
ynierii sterowania
(automatyki) jako niezale\
nej dyscypliny in\
ynierskiej. Szczególnie istotny postęp w teorii i praktyce sterowania
automatycznego (np. pilot automatyczny, systemy pozycjonowania dział czy sterowania antenami radarów)
osiągnięto w okresie II Wojny Światowej. Po wojnie zaczęły dominować techniki dziedziny częstotliwościowej,
rosło zastosowanie transformaty Laplace a i projektowanie systemów sterowania za pomocą miejsc
biegunowych.
W USA rozwój systemów telefonicznych i elektronicznych wzmacniaczy ze sprzę\
eniem zwrotnym zachęciły
Bode go, Nyquist a i Black a do u\
ycia sprzę\
enia zwrotnego w laboratoriach Bella. Działanie wzmacniaczy ze
sprzę\
eniem zwrotnym zostało opisane w dziedzinie częstotliwości, a powstałe z tego praktyki projektowania i
analizy są dziś klasyfikowane jako  sterowanie klasyczne . W latach 60. XX w. nastąpił rozwój modeli w
dziedzinie czasu za pomocą reprezentacji w postaci zmiennych stanu.
Rys historyczny rozwoju automatyki i automatyzacji
W obszarze komercyjnym, gdzie niskie koszty osiąga się dzięki produkcji masowej, automatyzacja
procesu produkcji stawała się najwy\
szym priorytetem. W latach 50. XX w. zastosowanie krzywek,
mechanizmów wieloczłonowych i napędów łańcuchowych spowodowało wprowadzenie nowych
technologii produkcji. Przykładem tego są maszyny włókiennicze, drukarskie i papiernicze, a tak\
e
maszyny do szycia. Rzeczywistością stało się precyzyjne wytwarzanie masowe. I tak np.
automatyczna maszyna do wytwarzania pudełek papierowych wykonywała 200 pudełek na minutę i
nie zawierała \
adnego niemechanicznego podsystemu poza silnikiem elektrycznym.
Rozwój mikroprocesorów w końcu lat 60. XX w. doprowadził do powstania pierwszych
komputerowych układów sterowania w maszynach wytwórczych. Przykładem tego są obrabiarki
sterowane numerycznie (NC) i systemy sterowania samolotów. Procesy wytwarzania były jednak
nadal w swej naturze całkowicie mechaniczne, a systemy sterowania i automatyzacji
wbudowywano dopiero po wykonaniu maszyny. Nowym impulsem w rozwoju sterowanych
systemów mechatronicznych było wystrzelenie sputnika i nadejście ery kosmicznej. Rakiety i sondy
kosmiczne wymusiły rozwój zło\
onych, wysoce dokładnych systemów sterowania. Konieczność
minimalizacji masy satelity (to znaczy minimalizacji ilości paliwa pobieranego dla misji), przy
zapewnianiu dokładnego sterowania, zachęciła do postępów w wa\
nym obszarze sterowania
optymalnego. Rozwój wytwarzania półprzewodników i obwodów scalonych doprowadził do
powstania nowej klasy produktów. Mechanika i elektronika zaczęły zlewać się w jeden system, w
którym obie dyscypliny są wymagane ze względów funkcjonalnych.
Dla takich systemów firma Yaskawa wprowadziła w 1969 r. termin  mechatronika . Firmie tej został
przyznany znak handlowy w 1972 r., ale po upowszechnieniu się terminu firma pozbyła się znaku w
1982 r. Na początku mechatronika odnosiła się tylko do systemów zawierających systemy
mechaniczne z komponentami elektronicznymi, bez \
adnego sterowania komputerowego.
Przykładami takich systemów były drzwi automatyczne przesuwane, maszyny sprzedające,
otwieracze drzwi gara\
owych.
Rys historyczny rozwoju automatyki i automatyzacji
45
System techniczny jest określany jako zwarty układ, który umo\
liwia u\
ytkownikowi celowy przebieg i
sterowanie procesu technicznego. Ma on wyraz
ne granice z otoczeniem, które mogą przekraczać tylko
wielkości wejściowe i wyjściowe w postaci przepływu materiałów, energii i informacji wzgl. sygnałów.
Wewnątrz tych granic mo\
na wydzielić podsystemy (komponenty, składniki), które są powiązane
przepływem materiałów, energii i sygnałów.
Systemy mechatroniczne są systemami technicznymi. Stanowią one dalszy rozwój klasycznych układów
mechanicznych w wielu stopniach. W pierwszym stopniu realizacja funkcji odbywała się w sposób
czysto mechaniczny za pomocą składników mechanicznych. Potrzebna do tego celu energia była
dostarczana np. w postaci siły mięśni. Następnym stopniem rozwoju były układy elektromechaniczne,
które miały dodatkowo zintegrowane rozwiązania i składniki elektryczne, aby wspomagać mechanikę.
Najczęściej odzwierciadlało się to zastosowaniem energii elektrycznej, np. napędów elektrycznych, do
realizacji funkcji. W trzecim stopniu układ elektromechaniczny został uzupełniony i rozszerzony o
elektronikę. Analogowe i cyfrowe obwody przepływu sygnałów sterują funkcjami. Obecne systemy
mechatroniczne są czwartym stopniem tego rozwoju. Zintegrowane przetwarzanie informacji jest
realizowane przez mikroprocesory i oprogramowanie.
Systemy mechatroniczne dają charakterystyczną strukturę wyrobów. Składają się one z części
mechanicznej (struktura podstawowa), aktuatorów, sensorów i przynajmniej jednego układu
mikroprocesorowego z oprogramowaniem do przetwarzania informacji. Układy elektryczne i elektroniczne
oraz informatyczne uzupełniają podstawową strukturę mechaniczną. Nieograniczona funkcjonalność
całego systemu jest uzyskiwana przez współdziałanie wszystkich składników. Realizacja funkcjonalności
przez poszczególne składniki nie jest mo\
liwa. Mikroprocesor odgrywa przy tym centralną rolę. Czujniki
mierzą wielkości stanu systemu i otoczenia. Są one następnie przetwarzane za pomocą oprogramowania
i elektroniki cyfrowej. Dzięki algorytmom sterującym i regulacyjnym są określane konieczne oddziaływania
na układ mechaniczny i przekazywane w postaci sygnałów nastawiających do aktuatorów. Aktuatory
przetwarzają te sygnały w celowe ruchy i oddziałują na układ mechaniczny i tym samym wielkości stanu.
Zatem typowy system mechatroniczny przyjmuje sygnały, przetwarza je i przekazuje dalej sygnały, które
następnie są zamieniane np. w siły i ruchy.
Systemy mechatroniczne
W końcu lat 70. XX w. Japońskie Towarzystwo Przemysłu Maszynowego (JSPMI) sklasyfikowało
produkty mechatroniczne w cztery kategorie:
1. Klasa I: Pierwotnie mechanicznie produkty z elektroniką wbudowaną w celu rozszerzenia
funkcjonalności. Przykłady: obrabiarki sterowane numerycznie, napędy o zmiennej prędkości
w maszynach wytwórczych.
2. Klasa II: Tradycyjne systemy mechaniczne z istotnie udoskonalonymi urządzeniami
wewnętrznymi, zawierającymi elektronikę. Przykłady: nowoczesna maszyna do szycia,
zautomatyzowane systemy wytwórcze.
3. Klasa III: Systemy z zachowaną funkcjonalnością tradycyjnych systemów mechanicznych, ale
z elektroniką w miejsce wewnętrznych mechanizmów. Przykład: zegarek cyfrowy.
4. Klasa IV: Produkty zaprojektowane przez synergiczną integrację techniki mechanicznej i
elektronicznej. Przykłady: fotokopiarki, inteligentne pralki i suszarki, garnki do gotowania ry\
u,
piece automatyczne.
Pojawiające się nowoczesne technologie dla ka\
dej klasy produktu mechatronicznego ilustrują wzrost
produktów elektromechanicznych w tempie odpowiadającym rozwojowi teorii sterowania, technologii
informacyjnej i mikroprocesorów. Produkty klasy I były mo\
liwe dzięki technice serwomechanizmów,
elektronice mocy i teorii sterowania. Produkty klasy II - dzięki dostępności wczesnych urządzeń do
obliczania i zapamiętywania oraz dzięki mo\
liwościom projektowania obwodów na zamówienie.
Produkty klasy III polegały głównie na mikroprocesorach i obwodach scalonych zastępujących systemy
mechaniczne. Produkty klasy IV dały początek prawdziwym systemom mechatronicznym, przez
integrację systemów mechanicznych i elektroniki. Nie miało to miejsca do lat 70. XX w., od kiedy to wraz
z rozwojem konstrukcji mikroprocesora przez firmę Intel, praktyką stała się integracja systemów
komputerowych w systemy mechaniczne.
Klasy systemów mechatronicznych
46
Podział na sterowanie konwencjonalne i sterowanie nowoczesne został znacznie
zredukowany w latach 80. XX w. wraz z nadejściem teorii sterowania  krzepkiego (ang.
robust control theory). Obecnie na ogół akceptuje się taki stan, \
e in\
ynieria sterowania w
analizie i projektowaniu systemów sterowania musi się zajmować jednocześnie
obydwoma podejściami, tzn. podejściem w dziedzinie czasu i podejściem w dziedzinie
częstotliwości. Ponadto zastosowanie komputerów jako integralnych komponentów
systemów sterowania, stało się rutyną. Dzięki temu miliony zainstalowanych
mikrokomputerów słu\
y do cyfrowego sterowania procesami. Bez względu na to, jaką
definicję mechatroniki przyjmiemy, zawsze jest oczywiste, \
e nowoczesna mechatronika
zawiera komputer jako element centralny systemu. A to dlatego, \
e istotą urządzeń
mechatronicznych jest zastosowanie mikroprocesora do precyzyjnego modulowania
energii mechanicznej. To precyzyjne modulowanie energii słu\
y ogólnej funkcji urządzenia
mechatronicznego  dopasowaniu (adaptowaniu) do zmian procesu (jaki urządzenie
realizuje) i do zmian otoczenia (w jakim urządzenie pracuje). Poniewa\
dopasowanie jest
jedną z cech inteligencji, to urządzenia mechatroniczne nazywa się często
zaawansowanymi (inteligentnymi) (ang. intelligent) lub zmyślnymi (ang. smart).
Nale\
y tak\
e wspomnieć o nowej dyscyplinie jaką jest adaptronika, która właśnie
dopasowywanie uczyniła swą istotą. W szerokim ujęciu mechatronika i adaptronika
wydają się dwiema stronami tego samego medalu. O ile mechatronika jest nazwą
strukturalną, o tyle adaptronika jest nazwą funkcjonalną. Ta pierwsza wskazuje z czego
urządzenie jest zbudowane, druga zaś  po co jest budowane. W tym kontekście
nale\
ałoby wspomnieć o jeszcze strukturotronice, usiłującej zajmować się inteligentnymi
strukturami konstrukcyjnymi.
Mechatronika, adaptronika i strukturotronika
Je\
eli układy elektroniczne są stosowane po to, aby zoptymalizować działania zespołów mechanicznych
(np. w maszynie lub pojez
dzie), to mówi się obecnie o systemie mechatronicznym. Działanie elektroniki
jest przy tym określone przez oprogramowanie. Wa\
ne jest przy tym to, \
e \
ądany wynik mo\
na
uzyskać tylko przez wspólne działanie zespołów mechanicznych, elektronicznych i oprogramowania.
System mechatroniczny składa się z czterech następujących części:
mechanicznych, które wykonują określone zadania (np. obróbka przedmiotów lub transportowanie),
elektronicznego sterowania lub regulacji, zwykle mikrokomputer lub procesor sygnałowy z
odpowiednim oprogramowaniem,
aktuatoryki, która przetwarza sygnały elektroniczne na wielkości mechaniczne (siła, moment
obrotowy),
sensoryki, które określają stan zespołów mechanicznych (prędkość, przyspieszenie, poło\
enie) i
przekazują je do urządzeń elektronicznych.
Mechatronika odgrywa wa\
ną rolę wtedy, gdy optymalizacja działania (procesów) jest realizowana przez
oprogramowanie. Przykładami tego są samochody, w których stosowane są układy elektronicznej
regulacji silnika, system ABS, elektroniczna stabilizacja toru jazdy ESP. Obecnie coraz większego
znaczenia nabiera napęd hybrydowy, który umo\
liwia oszczędność paliwa.
Bez systemów mechatronicznych, których działanie jest oparte na oprogramowaniu, bezpieczeństwo i
komfort jazdy w samochodach byłyby obecnie znacznie ni\
sze, a zu\
ycie paliwa większe. Szacuje się,
\
e obecnie prawie 80% potencjału ulepszeń w samochodach zawiera się w elektronice i tym samym
wykorzystaniu systemów mechatronicznych.
Sytuacja w budowie maszyn jest podobna  obecnie wiele maszyn nie jest w stanie spełniać swoich
zadań bez elektronicznego sterowania. Jednak w budowie maszyn nie ma zwykle jeszcze tak
zaawansowanej interdyscyplinarnej współpracy jak w budowie samochodów.
Rozwój systemów mechatronicznych
47
Wraz z postępem techniki i szybkim rozwojem sprzętu komputerowego i komunikacji sieciowej systemy
mechatroniczne są w coraz większym stopniu wyposa\
ane w procesory, elektronikę, czujniki i aktuatory.
Coraz wy\
szy stopień integracji i coraz silniejsze połączenie siecią ze sobą ró\
norodnych komponentów
prowadzą do wzrostu zło\
oności systemów. Charakteryzują się one wieloma interfejsami z ich
otoczeniem, w tym tak\
e z człowiekiem, co wymaga uwzględnienia tego, \
e obsługa, sterowanie i
nadzorowanie nie zawsze muszą być niezawodne. Wysokie wymagania dotyczące niezawodności maszyn,
urządzeń, pojazdów i instalacji, ich sterowania, regulacji, nadzorowania, urządzeń bezpieczeństwa i
interakcji człowiek-maszyna powodują konieczność rozwoju odpowiednich metod i technik do analizy
niezawodności. Je\
eli jeszcze przed kilkoma laty były rozpatrywane oddzielnie współpracujące ze sobą
poszczególne jednostki ka\
dego z obszarów technologicznych, to obecnie w systemach
mechatronicznych jest coraz większa integracja komponentów z zazębiających się ze sobą obszarów
technologicznych (mechanika, elektrotechnika, elektronika, sensoryka, aktuatoryka, systemy wbudowane
oraz rozproszone komputery/ sterowniki). Aktualne prace badawcze i rozwojowe pod hasłem
 adaptronika prowadzone są ju\
dalej w kierunku miniaturyzacji technologicznej a\
do  stopienia się
poszczególnych obszarów technologicznych. Rozpatrywane dotychczas oddzielnie, technologicznie
ró\
norodne podsystemy do oceny niezawodności muszą być rozpatrywane, projektowane, zestawiane i
optymalizowane całościowo i w sposób odniesiony do systemu.
W przyszłości:
W przyszłości:
technologiczna miniaturyzacja i  stopienie obszarów technologii (adaptronika, nanotechnika)
Obecnie:
Obecnie:
integracja ró\
norodnych obszarów technologii (mechatronika)
Wcześniej:
Wcześniej:
rozpatrywanie systemowe poszczególnych technologii, kooperacja jednostek
Etapy rozwojowe na drodze do multi-technologicznych
systemów
silnik parowy 1860
prądnica prądu stałego 1870
Czyste układy mechaniczne
<1900 r.
pompa wirowa 1880
�! silnik prądu stałego 1870 r.
silnik spalinowy 1880
Rozwój urządzeń
�! silnik prądu przemiennego 1889 r.
mechaniczna maszyna do pisania
elektrycznych
Systemy mechaniczne z napędami
obrabiarki
1920 r.
elektrycznymi
pompy
�! cewki, przekaz
niki
�! wzmacniacze hydrauliczne,
elektryczna maszyna do pisania
zz pneumatyczne i elektryczne
�! regulatory PI, 1930 r.
Rozwój systemów
Systemy mechaniczne ze sterowaniem turbiny parowe
1935 r.
automatyki
automatycznym lotnictwo
�! tranzystor 1948 r.
�! tyrystor 1955 r.
Systemy mechaniczne ze sterowaniem:
windy sterowane elektrycznie
- elektronicznym (analogowym),
1955 r.
- sekwencyjnym.
�! komputer cyfrowy 1955 r.
Rozwój systemów
�! komputer procesowy 1959 r.
sterowanych
�! oprogramowanie czasu rzeczywistego 1966 r.
�! mikrokomputer 1971 r. komputerowo,
�! cyfrowa zdecentralizowana automatyzacja 1959 r.
miniaturyzacja
obrabiarki
Systemy mechaniczne ze sterowaniem:
systemów
roboty przemysłowe
- ciągłym (cyfrowym),
1975 r.
zakłady przemysłowe
- sekwencyjnym cyfrowym.
napędy dysków
�! mikrokontroler 1978 r.
Historyczny rozwój
�! komputery osobiste 1980 r.
�! systemy proces/magistrala
�! nowe człony wykonawcze (aktuatory), sensory
systemów
�! integracja komponentów
roboty mobilne
mechanicznych,
Systemy mechatroniczne:
komputerowa integracja
- integracja mechaniki i elektroniki,
wytwarzania (CIM)
1985 r.
- oprogramowanie określa funkcje, elektrycznych
ło\
yska magnetyczne
- efekty synergiczne.
automatyzacja pojazdów
(ABS, ESP) i elektronicznych
48
III w. p.n.e. " stabilizacja poziomu cieczy w zegarze wodnym, Ktesibos
" stabilizacja poziomu cieczy w lampie oliwnej, Philon
XVII w. n.e. " ciśnieniowy zawór bezpieczeństwa, Papin 1681
XVIII w. n.e. " regulator obrotów wiatraka, Lee 1745
" maszyna parowa, Watt 1765
" regulator Watta, 1769
XIX w. n.e. " sterowanie maszyną tkacką, Jacquard, 1805
" generator elektryczny prądu zmiennego, Pixii, 1832
" telegraf elektromagnetyczny, Morse, 1837
" silnik spalinowy, Lenoir, 1860
" silnik elektryczny, 1870
" tłumienie drgań pomieszczeń na statku, Bessemer, 1874
" elektryczne napędy: transport i przemysł, Siemens, 1879
" koncepcja regulatora PID dla statku, Minorskij, 1885
" silnik prądu zmiennego, Tesla, 1889
1920 ... " pompy elektryczne
" elektryczna maszyna do pisania
" wzmacniacze elektryczne, pneumatyczne i hydrauliczne
" regulator PI, 1930
" turbiny parowe
" samolot braci Wright, 1903
" komputer Mark I Colossus, Anglia, 1943
" tranzystor (1948), tyrystor, 1955
Wybrane przykłady konstrukcji technicznych i standardów
1959 - 70 " sterowanie komputerowe procesem polimeryzacji w TEXACO Port Artur,
USA, 1959
" laser, Maiman 1960
" sterowanie komputerem Ferranti Argus w ICI, Anglia, 1962
" modułowy minikomputer do sterowania, MODICON 084, 1969
1970 ... " mikrokomputer, 1971
" cyfrowe sterowanie rozproszone, 1975
" Intel 8080 w sterowniku produkcji Allan Bradley, USA, 1977
" mikrosterownik, 1978
" komputer IBM PC, 1979
1985 ... " systemy mechatroniczne z synergią
" roboty mobilne
" systemy hamowania ABS
" grafika komputerowa, systemy CAD/CAM, CAE
1990 ... " standard IEC1131: model programowy, komunikacyjny oraz
programowanie w językach tekstowych i graficznych, 1993
" OPC (OLE for Process Control) - standard mechanizmu komunikacji
pomiędzy z
ródłami danych w systemach wytwarzania, 1997
Wybrane przykłady konstrukcji technicznych i standardów c.d.
49
Mechatronika jest te\
trendem w interdyscyplinarnym podejściu do procesu
projektowania, który rozpoczął się wiele lat temu (p. tabele z poprzednich slajdów) i ze
względu na \
ądania rynku rozwinął się dynamicznie w latach osiemdziesiątych XX w.
W tym okresie Japonia oraz Stany Zjednoczone stanowiły dwa przodujące kraje w
dziedzinie zastosowań mechatroniki. Wykorzystanie zaawansowanych technologii i
nowatorskie podejście w określaniu funkcji nowego wyrobu mo\
e istotnie zwiększyć
szansę sukcesu na rynku, ale wymaga interdyscyplinarnego podejścia przy
projektowaniu wyrobu i opracowaniu technologii jego produkcji. Pojawienie się łatwo
dostępnych i tanich mikroprocesorów było istotnym warunkiem ich zastosowania na
szeroką skalę zarówno w urządzeniach przemysłowych, jak i w wyrobach
mechatronicznych powszechnego u\
ytku (magnetowidy kasetowe, odtwarzacze CD,
pralki  fuzzy z mikroprocesorowym programatorem).
Istotą mechatroniki jest interdyscyplinarne podejście do projektowania ju\
na etapie
przygotowania specyfikacji wymagań wyrobu. Te działania są wspierane przez
wykorzystanie odpowiedniego oprogramowania, w tym narzędzi CAD/CAM, CAE i
CASE (ang. Computer Aided System Engineering). Narzędzia CASE istotnie zwiększają
efektywność i produktywność projektantów, pozwalając na odpowiednią organizację
pracy zespołowej i skrócenie czasu tworzenia końcowego produktu. Ułatwiają te\

wprowadzenie zarządzania jakością oraz identyfikację odpowiedzialności, zgodnie z
normami ISO 9000.
System komputerowo wspomaganego projektowania w rozwoju systemów
mechatronicznych musi uwzględniać wszystkie etapy procesu projektowania,
interdyscyplinarność konstrukcji, jak równie\
powinien przykładać szczególną wagę
do procesu budowy i badania wirtualnego prototypu.
Systemy mechatroniczne
OBIEKTY MECHATRONICZNE
OBIEKTY MECHATRONICZNE
Urządzenia (układy)
Systemy
Aparat słuchowy
Robot
Obrabiarka z komputerowym
Czujniki (sensory)
sterowaniem numerycznym
Aktuatory (elementy
wykonawcze) Wie\
owiec w strefie sejsmicznej
z aktywnym tłumieniem drgań
Mikroprocesory
Aktywne zawieszenie pojazdu
Magistrale
Urządzenia
ABS, ASR, EPS, VDC, ...
peryferyjne
Silnik spalinowy z  common rail
Twardy dysk
Robot-piesek AIBO
Inne obiekty, maszyny, budowle,
budynki, instalacje, aparaty,
przyrządy, narzędzia, zabawki itp.
Przykłady urządzeń i systemów mechatronicznych
50
Dalszy rozwój mechatroniki będzie się odbywał coraz bardziej w kierunku urządzeń
 inteligentnych . Wzrastać będzie znaczenie oprogramowania i algorytmów. Konkretne
przetworzenie  inteligentnie zaplanowanych akcji będzie wymagać rozszerzenia zdolności
ruchowych. Na znaczeniu zyska mikrotechnika. Przyszłe zastosowania mechatroniki mo\
na
podzielić na następujące:
mechatronizowanie urządzeń konwencjonalnych we wszystkich zwykłych obszarach ich
u\
ytkowania w celu zwiększenia osiągów, uproszczenia mechanizmów i obni\
enia kosztów,
w obszarach, w których człowiek w ogóle nie mo\
e pracować lub sam nie mo\
e pracować, np. w
nanoobszarach, pod wodą, pod ziemią i w przestrzeni kosmicznej. Roboty i inne urządzenia
mechatroniczne będą wspierać ludzi w pracach, które są niebezpieczne lub nieprzyjemne.
Chodzi tu przede wszystkim o cię\
kie prace w budownictwie, zadania nadzorcze w
elektrowniach i instalacjach chemicznych, prace konserwacyjne w kanalizacji, sortowanie
odpadów, zadania w słu\
bie ratowniczej z automatycznymi aparatami latającymi dla celów
ratowniczych i gaśniczych.
w obszarach, gdzie nie wystarcza zręczność człowieka, jego wytrwałość, zdolność koncentracji
czy niezawodność; np. w technice operacji chirurgicznych (chirurgia małoinwazyjna), operacjach
oczu, przemysłowej technice monta\
u, mikrotechnice. Do tego nale\
y zaliczyć zastosowanie
robotów jako pomocy w rehabilitacji medycznej w celu odtworzenia ograniczonych mo\
liwości
ruchowych i zachowania przez człowieka niezale\
ności fizycznej.
w obszarach rozrywki i zabawy. Natura ludzka raduje się zwykle czymś nowym i
niespodziewanym. Dlatego roboty i inne urządzenia mechatroniczne spotyka się jako przedmioty
zabawy, jako zabawki, jako coś co ściąga na siebie spojrzenie. Poniewa\
niezawodność i cena
nie są w tym przypadku najwa\
niejszymi priorytetami, ten obszar zastosowania mo\
e być nawet
pionierski dla bardziej wymagających zadań.
Perspektywy rozwoju urządzeń mechatronicznych
Celami rozwiązań mechatronicznych są:
" realizowanie nowych funkcji,
" poprawa sposobów zachowania się systemu przez sterowanie lub regulację bez ingerencji z
zewnątrz,
" rozszerzenie granic zastosowania,
" samoczynne nadzorowanie systemu i/lub diagnostyki uszkodzeń,
" osiągnięcie integracji struktury w małej przestrzeni,
" mo\
liwość dołączenia podsystemów mechatronicznych jako sprawdzalnych podzespołów lub
zespołów,
" poprawa pewności działania.
Ograniczeniami rozwiązań mechatronicznych mogą być:
" zbyt wysoka temperatura otoczenia pracy lub obcią\
enie mechaniczne, np. drgania, które
szkodzą komponentom elektronicznym. Wtedy te ostatnie nie dają się zintegrować,
" niemo\
liwość lub niecelowość napraw. Wymagana jest wymiana systemu mechatronicznego
lub jego komponentu,
" zbyt wysoki stosunek osiągów (mo\
liwości) do ceny w danej sytuacji rynkowej, gdy\

określone sensory i aktuatory, albo cały system są (jeszcze) za drogie.
Cele i granice rozwiązań mechatronicznych
51
1. Dla samych systemów:
a) funkcje, które były dotychczas realizowane w sposób
mechaniczny są lepiej wykonywane przez układy
elektroniczne i oprogramowanie (przesunięcie funkcji),
b) powstają nowe (realizowane niematerialnie) funkcje
systemu przez samo sprzę\
enie informatyczne
podsystemów (rozszerzenie funkcji),
c) systemy mogą być włączane w sieci do przetwarzania
informacji.
2. Dla metodyki projektowania systemu:
Wzrost będącej do dyspozycji mocy obliczeniowej
komputerów umo\
liwia zastosowanie efektywniejszych
narzędzi obliczeniowych i symulacyjnych.
Konsekwencje rozwoju systemów mechatronicznych
Wymagania dotyczące wytwarzanych wyrobów (np. maszyn) obejmują często ich elastyczność,
wysoką wydajność i dokładność, zwartość konstrukcji oraz mo\
liwie niskie koszty. Dzięki
zastosowaniu rozwiązań mechatronicznych mo\
liwe jest np. znaczne zredukowanie nakładów
związanych z monta\
em i instalacją okablowania. Szafy sterownicze są znacznie mniejsze lub
te\
całkowicie wyeliminowane (sterownik i inne zespoły są zintegrowane z maszyną).
Rozproszone rozwiązania napędów sprawiają, \
e instalacje są elastyczne i osiągają wysokie
prędkości. Ponadto mechatronika upraszcza justowanie maszyn, poniewa\
zastosowanie
inteligentnych napędów powoduje zautomatyzowanie ich nastaw (dobór parametrów), co
dotychczas musiało być realizowane manualnie.
Przejście z tradycyjnego, sekwencyjnego procesu projektowania (rozwoju) do
mechatronicznego, równoległego (współbie\
nego) daje oszczędności rzędu 20% kosztów.
Ró\
nica, w porównaniu z konwencjonalnymi pracami in\
ynierskimi, występuje tak\
e podczas
realizacji zleceń, a poszczególne działy nie pracują ju\
kolejno po sobie, ale dział mechaniczny,
elektroniczny i informatyczny ściśle od początku ze sobą współpracują. Opracowując ciągle
nowe rozwiązania wyrobów w mechatronicznym systemie modułowym, ze standardowych
komponentów łatwo uzyskuje się wiele ich wariantów dostosowanych do wymagań klientów.
Poszczególne zespoły nie muszą ju\
być od nowa konstruowane dla ka\
dego projektu. Pozwala
to na zaoszczędzenie podczas rozwoju wiele czasu i pieniędzy.
Ponadto zaawansowane narzędzia programowe wspomagają konstruktorów podczas realizacji
projektów. Pozwalają one na automatyczne generowanie dokumentacji dotyczącej projektu,
takiej jak np. rysunki konstrukcyjne, a tak\
e dokumentowanie całego procesu projektowania.
Dalszą korzyścią jest mo\
liwość wykonywania wirtualnych testów zespołów, maszyn i instalacji
ju\
podczas procesu projektowania. Dzięki temu mo\
na wcześnie wykryć i usunąć błędy, a
tak\
e mo\
na zrezygnować z budowy prototypu wyrobu.
Efekty zastosowania rozwiązań mechatronicznych
52
WY
Mechanicz. Elektrycz. Magnet. Termicz. Optycz.
WE
Człony przenoszące i przetwarzające
Wielk. Elem.
Elementy umieszczone na przekątnej są
mechanicz. mechanicz.
członami przenoszącymi z wielkościami
Wielk. Elem.
wejściowymi i wyjściowymi tego samego
elektrycz. elektron.
charakteru fizycznego. Wszystkie inne
Elem.
Wielk.
grupy są przetwornikami:
magnet.
magnet.
" sensory są to przetworniki (czujniki)
Wielk.
Elem.
nieelektryczne elektryczne
termicz.
termicz.
" aktuatory są to przetworniki
Wielk. Elem.
elektr../nieelektryczne mechaniczne
optycz. optycz.
" Elementy strukturalne (sztywność, elastyczność)
Elementy mechaniczne
" Połączenia (materiał/ siła, zamknięcie kształtu)
" Pręty " Płyty " Wałki " Sprę\
yny " Tłumiki " Zderzaki " Blokady " Uszczelki
" Przeguby " A
o\
yska " Prowadnice " Przekładnie " Sprzęgła " Hamulce
" Mechanizmy przełączające " Regulatory " Elementy płynowo-prowadnicowo-regulacyjne
" Oporniki " Kondensatory " Cewki " Diody " Tranzystory " Tyrystory " Mostki
Elementy elektroniczne
" Wzmacniacze operacyjne " Układy scalone " Procesory " Pamięci
" Magnesy " Elektromagnesy " Elementy magneto-mechaniczno-optyczne
Elementy magnetyczne
" Przewodniki ciepła " Transmitery ciepła " Wymienniki ciepła " Elementy grzejno-
Elementy termiczne
chłodzące " A
ączniki ciepło/siła
" Optyczne z
ródła promieniowania " LASERY " Zwierciadła " Pryzmaty " Soczewki
Elementy optyczne
" Siatki optyczne " Obiektywy " Kondensory " Okulary " Elementy światłowodowe
" Elementy opto-elektroniczne
Moduły i elementy stosowane w budowie wyrobów
mechatronicznych
Program sterujący
cyfrowe
Moduły I/O
PC
analogowe
Wizualizacja
Sterownik
System operacyjny
Sieć
Ethernet
komunikacyjna
...
mechaniczne
Korpusy
indukcyjne
Śruby pociągowe
Sensory
Sensory
Mechanika
Mechanika
System
System
pojemnościowe
Prowadnice
mechatroniczny
mechatroniczny
elektryczne
A
o\
yska
ślizgowe
A
o\
yska
A
o\
yska
toczne
Prąd przemienny
Prąd stały
Silnik
Wejście Moc
Wzmacniacz
Kabel
Wyjście Sygnały
System mechatroniczny  jednostka automatyzacji
53
Technika
Technika
komputerowa
komputerowa
Elektrotechnika
Elektrotechnika
Koszty wytwarzania w %
100
Oprogramowanie
80
60
40
Zespoły mechaniczne
20
1970 1980 1990 2000 Rok
Zmiana udziału składników w kosztach
wytwarzania systemów mechatronicznych
Robot przemysłowy Obrabiarka
(firma KUKA)
Aparat fotograficzny Samochód osobowy
(BMW)
(lustrzanka)
Przykłady systemów mechatronicznych
54
U
k
ł
a
d
y
e
l
e
k
t
r
y
c
z
n
e
/
e
l
e
k
t
r
o
n
i
c
z
n
e