MECHATRONIKA – OPRACOWANIE

1. Pochodzenie słowa mechatronika, historia mechatroniki

Słowo mechatronika jest wynikiem połączenia dwóch słów: Mechanika i elektronika. Po raz pierwszy to słowo zostało użyte w japońskiej firmie Yaskawa Electric w 1969r. i jest od 1971r. chronione przez tę firmę jako nazwa handlowa. Oznaczało ono wtedy zastosowanie mikroprocesorów do sterowania maszynami. 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. Pojawiły się pierwsze roboty przemysłowe czy obrabiarki sterowane numerycznie.

2. Urządzenia mechatroniczne

3. Budowa i działanie aktory

Aktory: pracują w trybie binarnym, pracujace w trybie ciaglym-sygnal wyjsciowy jest proporcjonalny do sygnalu przeslanego ze stanowiska podstaowym sygnalem wyjsciowym jest sila lub moment obrotowy. zostaja one zamienione na przyspieszenie a=F/m przyspieszenie zamienia sie na predkosc, a predkosc na zmiane przemieszczenia aby moc sterowac aktorami nnalezy wykorzystac komputer procesowy, a zdolnosc ich funkcjonowania wymaga odpowiedniej do tego energii pomocniczej

4. urządzenia wykonawcze w mechatronice

- silniki elektryczne, pneumatyczne albo hydrauliczne, piezoelektryczne, magnetostrykcyjne albo elementy z pamięcią kształtną.

- pozostałe elementy wykonawcze to: grzałki, elektrozawory, sprzęgła i hamulce, elektromagnesy.

5. Transmisja szeregowo-cyfrowa

Komunikacja z innymi urządzeniami cyfrowymi odbywa się za pomocą transmisji szeregowej. Słowo to jest bit po bicie do nadajnika i wysyłane do odbiornika. Transmisja zaczyna się od 1 bitu startu. Bit parzystości(stopu) dodawany jest w celu poprawienia transmisji i przyjmuje 0 lub 1 w taki sposób aby liczba 1 była parzysta w słowie. Dzięki tej metodzie używamy tylko 2 przewodów: sygnału i masy. Aby transmisja mogła zajść poprawnie, nadajnik jak i odbiornik musi pracować z tą samą częstotliwością.

6. Mikrokontrolery

- W urządzeniach mechatronicznych stosuje się mikrokontrolery(układ scalony), zawierają w sobie prawie kompletny komputer. Zawiera mikroprocesor CPU będący jednostka centralna. Zawiera również nie wielka pamięć, moduły we/wy pozwalające na dołączenie czujników jak i elementów wykonawczych, dzięki temu po dodaniu kilku elementów, mikrokontroler może być wbudowany do sterowanego urządzenia np. pralka, zmywarka. Mikrokontrolery są bardzo tanie, Pierwsze mikrokontrolery powstały na początku lat 80, pierwszy był Intel 8048. Najbardziej popularne są mikrokontrolery 8 bitowe, ale dostępne są również 16 i 32-bitowe. Wynalezienie mikrokontrolerów pozwoliło na wprowadzenie elektroniki do mechaniki. Mikrokontrolery programuje się w jeżyku C, z oprogramowanymi specjalnymi bibliotekami. Mikrokontrolery posiadają porty które są wielobitowymi pamięciami, zwykle 8bitowymi. Mikrokontroler jest taktowany tzw. Zegarem, w rzeczywistości zegar to generator sygnału prostokątnego, symetrycznego 0 i 1. Mikroprocesor wykonuje rozkazy w takt tego zegara, dlatego mówimy że jest to układ synchroniczny. Mikrokontrolery 8 bitowe taktowane są od 8 do 16MHz natomiast Mikrokontrolery 32 bitowe taktowane są od 100 do 1GHz. Wykonanie jednego rozkazu zajmuje mikroprocesorowi od 1 do 18 taktów. Średnia częstotliwość pracy to ok. miliona rozkazów na sekundę.

7. Pamięci

- ROM ( tylko do odczytu - stałą )

- RAM ( Do zapisanie i odczytu - po wyłączeniu zasilania informacja ginie bezpowrotnie )

- EEPROM ( to pamięć programowalna elektrycznie za pomocą specjalnych programatorów które stosują podwyższone napięcie 16-18V. Sam mikroprocesor jest zasilany 3-5V. W pamięci EEPROM zapisuje się program działania mikroprocesora. Informacja zapisana w pamięci EEPROM po odliczeniu zasilania nie ginie.

8. Moduły we/wy (Porty)

- Porty to rejestry zwykłe 8bitowe wprowadzone na zewnątrz. Porty oznaczona są literami np. A0. Każdy bit portu może być zapisany jak i odczytany wewnątrz przez mikroprocesor oraz zapisywany i odczytywany zewnątrz przez urządzenie we/wy

9. Licznik/Timer

- elementy te służą do liczenia impulsów zadań, a przykładowe zastosowanie to układ zliczający towar na taśmie, po wyzerowaniu włącza ponownie. Timer - pozwala na realizacje funkcji zależnych od czasu.

10. Przetworniki AC/CA

Przetwornik CA - przyrząd elektroniczny przetwarzający sygnał cyfrowy (zazwyczaj liczbę binarną w postaci danych cyfrowych) na sygnał analogowy w postaci prądu elektrycznego lub napięcia o wartości proporcjonalnej do tej liczby. Innymi słowy jest to układ przetwarzający dyskretny sygnał cyfrowy na równoważny mu sygnał analogowy.

Zadaniem przetworników cyfrowo-analogowych ( CA) jest zamiana wielkości wyrażonej w kodzie cyfrowym na proporcjonalną do niej wielkość analogową, którą może być napięcie, prąd lub inna wielkość fizyczna. Sygnał wejściowy może być podany w różnym kodzie. Najczęściej jest to zwykły kod binarny (ze względu na największą efektywność) lub kod BCD. Wartość analogowa sygnału wyjściowego zależy od wejściowego słowa cyfrowego podanego w odpowiednim kodzie oraz od wartości sygnału odniesienia. Przetwornik c/a stanowi, więc w istocie układ mnożący dwa sygnały: jeden cyfrowy, drugi analogowy i dający wynik w postaci analogowej.

Przetwornik analogowo-cyfrowy AC - to układ służący do zamiany sygnału analogowego (ciągłego) na reprezentację cyfrową (sygnał cyfrowy). Dzięki temu możliwe jest przetwarzanie ich w urządzeniach elektronicznych opartych o architekturę zero-jedynkową oraz gromadzenie na dostosowanych do tej architektury nośnikach danych. Proces ten polega na uproszczeniu sygnału analogowego do postaci skwantowanej (dyskretnej), czyli zastąpieniu wartości zmieniających się płynnie do wartości zmieniających się skokowo w odpowiedniej skali (dokładności) odwzorowania. Przetwarzanie AC tworzą 3 etapy: próbkowanie, kwantyzacja i kodowanie.

Zadaniem przetwornika AC jest przetworzenie analogowej postaci sygnału, zwykle napięciowego, na równoważną mu wartość cyfrową. Ogólnie metody przetwarzania można podzielić na metody bezpośrednie i pośrednie. W układach opartych na metodach bezpośrednich następuje od razu porównanie wielkości przetwarzanej z wielkością odniesienia. Do tej grupy zalicza się przetworniki z bezpośrednim porównywaniem oraz przetworniki kompensacyjne. Przy metodach pośrednich najpierw odbywa się zmiana wielkości przetwarzanej na pewną wielkość pomocniczą ( np. czas lub częstotliwość), porównywaną następnie z wielkością odniesienia. W zależności od rodzaju wielkości pomocniczej wyróżnia się metodę częstotliwościową i metodę czasowa ( prostą lub z dwukrotnym całkowaniem).

11. Układ sterowania

??????????????????

12. Napędy (rodzaje, cechy)

Rodzaje napędów: - elektryczne; - hydrauliczne; - pneumatyczne.

Napęd elektryczny – przetwarza energię elektryczną na mechaniczną. Przetwornikiem jest maszyna elektryczna wirująca lub poruszająca się liniowo. Zaletą jest: szeroka dostępność napędów o różnych mocach i prędkościach obrotowych, łatwość sterowania i podłączenia. Wadą natomiast jest to że najczęściej oferowane są tylko silniki obrotowe. Rodzaje silników elektrycznych: 1. silniki prądu stałego (DC MOTORS): - obcowzbudne, - samowzbudne; 2. silniki prądu zmiennego (AC MOTORS): -silniki synchroniczne( bez szczotkowe, z magnesami, krokowe ); - silniki asynchroniczne ( pierścieniowe albo klatkowe: - 3fazowe, 1 lub 2fazowe )

Napęd hydrauliczny jest to napęd wywołany ruchem cieczy pod ciśnieniem, oparty na prawie Pascala. Sterowanie hydrauliczne jest kierowaniem pracą maszyny lub urządzenia za pomocą cieczy pod ciśnieniem.

Rodzaje napędów hydraulicznych: - hydrostatyczne - wykorzystują energię ciśnienia cieczy, stosujemy w mechanizmach o ruchu obrotowym, jak i postępowym; - hydrokinetyczne - wykorzystują energię kinetyczną cieczy, stosujemy w przypadku ruchu obrotowego. Napęd pneumatyczny jest to napęd mechanizmów maszyn i urządzeń przy wykorzystaniu energii sprężonego gazu - zazwyczaj tym gazem jest powietrze.

Napędy pneumatyczne najczęściej stosuje się w maszynach i urządzeniach technologicznych, głównie do realizacji przesuwów mechanizmów oraz wywoływania określonego nacisku statycznego.

13. Napęd pneumatyczny ( budowa)

- Ściśliwość powietrza ma zasadniczy wpływ, powoduje że taki napęd charakteryzuje się nie wielką precyzją, regulacją prędkości i pozycjonowania. Najczęściej stosowany jest do szybkich ruchów z jednej pozycji do drugiej. Wadą jest hałaśliwość a zaletą dostępność. (zeszyt)

Napęd pneumatyczny- przetwarza energie pneumatyczna(energię sprężonego powietrza) na energię mechaniczną.

Silnik pneumatyczny – posiada napęd obrotowy o nieograniczonym zakresie obrotu

1. Element przetwarzający powietrze atmosferyczne na medium energetyczne

2. Układ uzdatniania sprężonego powietrza

3. Element sterujący

4. Element przetwarzający energię sprężonego powietrza na energię

mechaniczną

14. Napęd hydrauliczne ( budowa)

- Podstawową cechą jest uzyskiwanie bardzo dużych sił i momentów. Możliwość uzyskiwania sił w Meganiutonach. Hydraulika jest budowana wszędzie tam gdzie są wymagane bardzo duże siły. W hydraulice ciśnienia robocze zaczynają się od 8MPa a kończą do 40MPa, typowo 16MPa. Wadą hydrauliki jest konieczność pracy z olejem który jest kłopotliwy w użyciu i utylizacji. Prawo Pascala p=F1/A1=F2/A2 F1=A1/A2*F2

Napęd hydrauliczny- napęd uruchamiany przepływem cieczy pod ciśnieniem. 

15. Wzmacniacz hydrauliczny czterokrawędziowy

????????????

16. Podział maszyn elektrycznych

?????????????

17. Budowa silnika prądu stałego:

Obecnie silniki prądu stałego dużej mocy są stosowane w lokomotywach (3000V) i tramwajach (600V) w innych przypadkach stosowane są tylko silniki małej mocy np. autach.

18. Charakterystyki silników prądu stałego i jego sterowanie

Charakterystyka silnika – prędkość wirnika jest proporcjonalna do prędkości stojana. Prędkość wirnika można zmieniać wyłącznie zmieniając częstotliwość zasilania stojana. Aby zmieniać kierunek wirowania należy zmienić zasilanie 2 faz. Aby móc sterować silnikami asynchronicznymi musimy mieć układ falownika.

19. Budowa silnika asynchronicznego

Budowa silnika Asynchronicznego - na stojanie wirnika są 3 lub 6 uzwojeń przesunięte geometrycznie względem siebie o 120^◦. Uzwojenia te mogą być połączone w trójkąt bądź w gwiazdę i są zasilane z sieci trójfazowej prądu zmiennego. Wirnik zbudowany jest z prętów osiowo włożonych zawartych na końcu pierścieniami. Stad druga nazwa – silnik klatkowy zwarty. Jak odkrył A.Wolta w wyniku takiego ułożenia uzwojenia zasilania powstaje wypadkowe wewnątrz silnika pole magnetyczne wirujące wokół osi. To pole wiruje z częstotliwością równa częstotliwości naszej sieci. Jeśli uzwojeń mamy 6 to wtedy mamy 2 pary biegunów. Jeśli uzwojenia są zasilane mamy w silniku pole wirujące. Od stojana indukuje się w wirniku wyindukowane w prętach napięcia, skutkami tego jest przepływ prądu elektrycznego w prętach, ten przepływ jest źródłem pola magnetycznego wirnika. Wirnik zaczyna podążać za polem stojana czyli się obracać, jego prędkość musi być zawsze mniejsza od prędkości pola stojana stad nazwa silnik asynchroniczny. Warunkiem indukowania się pola w wirniku jest opóźnianie do pola stojanu. To opóźnienie w trakcie pracy nominalnej jest rzędu 10%.

20. Falownik (sterowanie prędkością)

Sterowanie prędkością: Prędkość obrotowa jest proporcjonalna do wielkości napięciowego lub prądowego sygnału wejściowego. Falownik często posiada wejścia cyfrowe umożliwiające rozruch silnika, zmianę kierunku obrotów lub wybór predefiniowanej częstotliwości. Zastosowanie falownika zapewnia sterowanie procesem rozruchu i hamowania napędu oraz zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem, zwarciem, przegrzaniem.

Falownik- to urządzenie składające się z: prostownika(który prostuje napięcie przemienne pobierane z sieci dostarczając napięcie stałe), 2stopień pośredni, 3 stopień układ mocy który za pomocą tranzystorów zamienia napięcie stałe na napięcie przemienne 3fazowe o regulacji częstotliwości od 0 do 400Hzi sterownik całego falownika

21. Silnik synchroniczny (budowa charakterystyka )

Budowa silnika Synchronicznego – ma na stojanie także 3 uzwojenia, podobnie jak asynchroniczny ale na wirniku znajdują się magnes trwały, jeśli zasilanie bez uzwojenia stojana wytworzy się wirujące pole magnetyczne które będzie reagowało z polem magnetycznym wirnika. Jednak w tym przypadku wirnik będzie prawie dokładnie podążał za polem stojana, czyli będzie się poruszał synchronicznie z tym polem. W przypadku silnika synchronicznego konieczne jest takie sterowanie polem stojana gdy wirnik nie wypadał z synchronizmu. Do pomiaru położenia wirnika zastosowane są czujniki. Napędy z silnikami synchronicznymi zapewniają najlepsze parametry z pośród wszystkich napędów. Ich układ sterowania obejmuje 3pętle. Pętle regulacji momentu obrotowego, w tej pętli mierzy się natężenie prądu płynącego do silnika i na tej podstawie wyznacza się moment obrotowy generowany na wale. W układzie zastosowany jest również Enkoder który dostarcza informacji o aktualnym położeniu kątowym wirnika, pomiaru ϕ na podstawie zamian tego położenia wyznacza się prędkość obrotowa wirnika oraz aktualne położenie biegunów magnetyzujących wirnika.

22 Układ sterowania silnika synchronicznego

Ich układ sterowania obejmuje 3pętle. Pętle regulacji momentu obrotowego, w tej pętli mierzy się natężenie prądu płynącego do silnika i na tej podstawie wyznacza się moment obrotowy generowany na wale. W układzie zastosowany jest również Enkoder który dostarcza informacji o aktualnym położeniu kątowym wirnika, pomiaru ϕ na podstawie zamian tego położenia wyznacza się prędkość obrotowa wirnika oraz aktualne położenie biegunów magnetyzujących wirnika.

23. Mechanizm przerwań

- przerwanie może być porównane do sygnału dzwonka w telefonie. Przerwanie nosi nazwę INT. Przerwania obsługiwane są przez programy obsługi, każde przerwanie ma swój priorytet. Największy priorytet ma RESET, zwykle wszystkie przerwania można zablokować z wyjątkiem RESET.

24. Schemat blokowy pralki, jako urządzenia mechatronicznego

System jest układem oddziałujących na siebie podsystemów lub elementów

Pralka:

-zadajnik – programy prania będą stąd wychodziły , są one zaimplementowane w sterowniku pralki, sygnały „w ”wchodzą do sterownika który nadzoruje proces prania

- sterownik wysyła sygnał „x” do pralki – ‘zamknij drzwi’ ‘otwórz wodę do odpowiedniego poziomu’

- na wyjściu „y” czujnik sprawdza czy drzwi są zamknięte, poziom wody mierzy PREZOSTAT(mierzy ciśnienie na dnie bębna), zawór do detergentu,

PROOCES PRANIA : włączenie grzałki , (temp wody kontrolowana przez termistor), w czasie grzania bęben wykonuje obroty w prawo i w lewo . obroty uzyskujemy dzięki silnikowi. Po zakończeniu prania pompka wypompowuje wodę, włączone zostają obroty w jedną stronę – wirowanie. Następnie płukanie.

Konstrukcja mechaniczna: zawiasy drzwi, obudowa z blachy, bęben, silnik, przekładnia pasowa

Wejścia do czujników:

Hydrostat –mierzy poziom wody

Termostat –mierzy temperaturę

Wyłącznik Aqua STOP, czujnik zmaknięcia drzwi i prędkości wirowania.

Wyjścia do czujników:

-zawory elektromagnetyczne, grzałki, silniki, napowietrzanie.

Termistor(NTC, PTC, PCR) – elementy półprzewodnikowe, są to rezystory które zmieniają swoją rezystancje.

Presostat – mówi o ciśnieniu w membranie, do mierzeni przepływu wody.

25. Czujniki - do pomiarów urządzeń wykorzystujemy czujniki które zmieniają pomiar wielkości mechanicznej na elektryczną. fakt że sterownikami są dzisiaj komputery które wymiotły zmianę sygnału analogowego na sygnał cyfrowy. Klasyfikacja czujników: A) ze względu na rodzaj:- analogowe ( inaczej ciągły )- binarne ( 0, 1) - cyfrowe 9 stosowany w urządzeniach ) B) ze względu na mierzony pomiar - położenie, odległość, siły, przyspieszenia, temperatury, natężenia światła, przepływ. C) ze względu na zespół działania