Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nowym Sączu

Instytut Techniczny

Podstawy Układów Mechatronicznych

Nowy Sącz 2008

1. Wybrane definicje mechatroniki:

Mechatronika to sposób projektowania i wytwarzania, polegająca na synergicznym, czyli skuteczniejszym niż wskazywałaby na to suma ich cech, połączeniu podstawowych nauk technicznych: mechaniki, elektroniki, informatyki i automatyki.

Teorią mechanizmów i maszyn zajmuje się Międzynarodowa Federacja Mechanizmów i Maszyn (IFToMM), która powstała dnia 28.9.1969 roku na kongresie w Zakopanem. Utworzona z 16 komitetów Narodów, kongresy odbywają się co 4 lata. W Polsce istnieje Polski Komitet Teorii Mechanizmów i Maszyn należący do IFToMM-u.

Mechatronika jest interdyscyplinarną dziedziną nauki i techniki, która zajmuje się problemami mechaniki, elektroniki i sterowania programowalnego.

Według definicji sformułowanej przez IFToMM pod pojęciem mechatroniki rozumiemy synergiczną kombinację mechaniki, elektronicznego sterowania i systemowego myślenia przy projektowaniu wytworów i procesów produkcyjnych. Podobne merytorycznie definicje, pojęcia „mechatroniki” podają inne organizacje i instytucje naukowe, techniczne i normalizacyjne.
W tym także komisja doradcza Unii Europejskiej do Spraw Badawczo-Rozwojowych (po ang. Industrial Research and Development Advisory Committee of the European Community - IRDAC)

Synergia - z łac. Synergos - współpracujący, współdziałający
Ale w rozumieniu synergiczne współdziałanie całość jest większa niż suma części.

Historycznie po raz pierwszy terminem mechatronika nazwano mechatroniczny sterownik elektroniczny silnika elektrycznego opracowany w 1951 roku w japońskiej firmie Yaskawa Eletric Corporation przy czym nazwę tę chroniono znakiem handlowym. W 1982r zastrzeżenia patentowe zostają zdjęte, a w 1986 wprowadzono tę nazwę w język techniczny. W Polsce prof. Tyliński na Politechnice Warszawskiej należy do jednych z pierwszych, którzy wprowadzili ten termin w latach 80.

W 1996 roku w Warszawie powstaje pierwszy wydział Mechatroniki.

W 2005 roku Ministerstwo zatwierdza kierunek o nawie Mechatronika.

W 2008 roku Państwowej Wyższej Szkole Zawodowej w Nowym Sączu przyznano prawo kształcenia studentów na kierunku mechatronika.

• Urządzenia i maszyny mechatroniczne różnią się od innych maszyn mechanicznych lub elektronicznych o identycznym przeznaczeniu lub zasadzie działania, wyposażeniem:

1. Zintegrowany programowany sterownik mikroprocesorowy.

2. Przy czym najbardziej charakterystyczną cechą jest zmniejszona liczba i zakres działania elementów i zespołów mechanicznych systemu.

3. Wprowadzenie elektronicznych układów automatycznego sterowania i regulacji parametrów systemu rozwiązujących zadania prowadzenia, koordynacji, nadzoru i optymalizacji procesów realizowanych przez system.

4. Wykorzystywanie w możliwie największym zakresie niematerialnych możliwości kształtowania właściwości systemu.

5. Dążenie do wykorzystywania i ścisłej współpracy w systemie elementów i zespołów o różnych zasadach działania pochodzących z różnych dziedzin techniki

Stopniowym przechodzeniem od rozwiązań mechanicznych do mechatronicznych jest ewolucja urządzeń do zapisu i odtwarzania dźwięków od fonografu wynalezionego przez Tomasza Edisona w 1877 roku poprzez gramofony mechaniczne, elektryczne, magnetofony do odtwarzacza CD.
Wprawiający w ruch nośnik informacji - elementy mechaniczne zostały zredukowane do korpusu obudowy odtwarzacza oraz dotykowych sensorów sterujących jego działaniem.

W zakresie projektowania konwencjonalnego i mechatronicznego występują istotne różnice w projekcie konwencjonalnym - ma tradycyjną koncepcje rozwiązania, w projekcie mechatronicznym studium wiele możliwych rozwiązań powstałych na podstawie niekonwencjonalnych metod uwzględniających synergię podukładów mechanicznych, elektronicznych.

Klasycznie otrzymujemy przedmiot ciężki łączący okablowanie, różne kadłuby w projekcie mechatronicznym zwarty, zamknięty we wspólnym kadłubie produkt powstały ze zintegrowanych elementów.

Jest to możliwe dzięki współdziałaniu specjalistów różnych dziedzin wynikającej ze struktury mechatronicznego podejścia.

• Zastosowanie mikroelektroniki w inżynierii mechanicznej

• Programowalne urządzenia i systemy mechaniczne z sensoryką, aktoryką i komunikacją.

• Projektowanie systemów, urządzeń i produktów zorientowanych na osiągnięcie optymalnej równowagi między podstawą strukturalną, mechaniczną i jej całkowitym sterowaniem

• Synergiczna integracja inżynierii mechanicznej, inżynierii elektrycznej i techniki informacyjnej dla zintegrowanego projektowania inteligentnych systemów - w szczególności mechanizmów i maszyn.

2. Ewolucja mechatroniki z inżynierii mechanicznej

Ewolucja mechatroniki ma ogromny wpływ na strukturę nowych maszyn, oraz na sposób ich projektowania i konstruowania. Dokumentacja maszyny powstaje już nie tylko w biurze konstrukcyjnym, Lecz także w laboratorium mikroprocesorowym i laboratorium oprogramowania. Bardzo ważnym elementem staje się wzajemne porozumiewanie się konstruktorów, mechaników z elektronikami i informatykami.

Rys.1 Ewolucja mechatroniki z techniki mechanicznej

W 1926 roku angielski inżynier Constantinesco pochodzenia rumuńskiego, wprowadził pojęcie neomechaniki ( nowa mechanika) formułując zasadę przepływu energii wyróżniając 3 rodzaje:

• Mechaniczną

• Płynną

• Elektryczną

Synergizm tych układów nazwał neomechaniką.

Można stwierdzić, że neomechanika była pierwszym etapem formułowania się układów sterowanych a więc układów mechatronicznych.

3. 
   Rozwój mechaniki

Rys.2 Rozwój systemów technicznych jako ubywanie funkcji operacyjnych, wykonywanych przez człowieka-operatora

4. Mechatronika - przykłady:

Rys. 3 i Rys. 4 Samochód układy - ABS, ASR, ESP

5. Ćwiczenie:


Układ o podwójnym krążku utrzymywany jest podpórką p i pozostaje w pionie. Wyznaczyć z jakim a₁ będzie poruszać się Q₁ po usunięciu podpórki p oraz wyznaczyć napięcie S₁ w linie podwieszającej ciężar Q₁.

Rysunek 1




Wynika z tego, że ruch będzie się odbywał następująco: ciężarek Q₂ będzie się poruszał do góry, a ciężarek Q₁ w dół.

W rozwiązywaniu zagadnień posiłkujemy się … oznacza to, że dany układ zastępujemy 3 podukładami a przecięcia siłami:

Korzystamy z zasady d'Alamberta, która mówi: jeżeli do układu sił zewnętrznych dodamy siłę wartości to możemy zastosować warunek równowagi (nie uwzględniamy masy krążka)

Aby rozwiązać takie zadanie musimy rozwiązać układ 4 równań:




Z równań więzów wiemy, że:




Rozwiązujemy układ równań 1) - 4) :




6. Własne Wnioski

Mechatronika jest bardzo ważnym przedmiotem w dzisiejszych czasach ponieważ:

- Pozwala wykorzystać w większej mierze pracę umysłową człowieka

- W wielu rzeczach ułatwia nam życie

Strona 3 z 5

Wykład przeprowadził:

prof. dr hab. inż. J. Wojnarowski

Dnia:

20.10.2008r

Dane:

Q₁,r_1,Q₂,r₂
oraz



---