Mechatronika dla mechaników - Zakład Wytrzymałości Materiałów i

Transkrypt

Marian Ostwald
Instytut Mechaniki Stosowanej
Zakład Wytrzymałości Materiałów i Konstrukcji
MECHATRONIKA
PROJEKTOWANIE MECHATRONICZNE
PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE
Materiały uzupełniające do wykładów:
WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW
PODSTAWY OPTYMALNEGO
PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI
MECHANIKA I WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW
Poznań 2011
Mechatronika dla mechaników.dot
1
MECHATRONIKA
– synergiczna agregacja inżynierii mechanicznej, elektrycznej, elektronicznej i informacyjnej.
MECHATRONIKA – dział inżynierii systemów.
Inżynieria – działalność polegająca na projektowaniu, konstruowaniu,
rozwoju, utrzymaniu i modernizacji urządzeń w oparciu o wiedzę naukową (nauki techniczne). Całokształt niezbędnej wiedzy określa się także
terminem technologii.
INŻYNIERIA SYSTEMÓW – INTERDYSCYPLINARNA INŻYNIERIA
UKIERUNKOWANA NA ROZWIĄZYWANIU ZŁOŻONYCH PROBLEMÓW PROJEKTOWANIA I ZARZĄDZANIA.
Początki: 1975 –Japonia → Mechanics – Elektronics – Control
 Interdyscyplinarny obszar inżynierii.

Filozofia projektowania, wykorzystująca synergiczną interakcję mechaniki, elektroniki i technologii komputerowych
do otrzymywania zaawansowanych technologicznie systemów i urządzeń (HIGH TECHNOLOGY).

Technologia łącząca mechanikę, elektronikę i informatykę
dla tworzenia funkcjonalnie współdziałających wszystkich
elementów stanowiących systemy.

Kierunek (specjalność) studiów na uczelniach technicznych.
Mechatronika jest dyscypliną tworzącą obiekty multifunkcjonalne i strukturalnie złożone, działające inteligentnie w zmieniającym się otoczeniu. Od inżynierów – mechatroników wymagana jest umiejętność myślenia systemowego, łączenia abstrakcji
i konkretów, umiejętność kojarzenia danych z różnych dyscyplin
naukowych.
MECHATRONIKA JEST NOWĄ, DYNAMICZNIE
ROZWIJAJĄCĄ SIĘ DZIEDZINĄ TECHNIKI,
STAWIAJĄCĄ PRZED SPECJALISTAMI KONIECZNOŚĆ SPROSTANIA CORAZ BARDZIEJ ZŁOŻONYM
WYMAGANIOM WSPÓŁCZESNOŚCI.
2
Some definitions (Wikipedia):
"An interdisciplinary approach and means to enable the realization of successful systems" — INCOSE
handbook, 2004.
"Systems engineering is a robust approach to the design, creation, and operation of systems. In simple
terms, the approach consists of identification and quantification of system goals, creation of alternative
system design concepts, performance of design trades, selection and implementation of the best design, verification that the design is properly built and integrated, and post-implementation assessment
of how well the system meets (or met) the goals." — NASA Systems engineering handbook, 1995.
"The Art and Science of creating effective systems, using whole system, whole life principles" or "The
Art and Science of creating optimal solution systems to complex issues and problems" — Derek
Hitchins, Prof. of Systems Engineering, former president of INCOSE (UK), 2007.
"The concept from the engineering standpoint is the evolution of the engineering scientist, i.e., the scientific generalist who maintains a broad outlook. The method is that of the team approach. On largescale-system problems, teams of scientists and engineers, generalists as well as specialists, exert their
joint efforts to find a solution and physically realize it...The technique has been variously called the
systems approach or the team development method." — Harry H. Goode & Robert E. Machol, 1957.
"The Systems Engineering method recognizes each system is an integrated whole even though composed of diverse, specialized structures and sub-functions. It further recognizes that any system has a
number of objectives and that the balance between them may differ widely from system to system.
The methods seek to optimize the overall system functions according to the weighted objectives and to
achieve maximum compatibility of its parts." — Systems Engineering Tools by Harold Chestnut,
1965.
"An interdisciplinary approach and means to enable the realization of successful systems" — INCOSE
handbook, 2004.
"Systems engineering is a robust approach to the design, creation, and operation of systems. In simple
terms, the approach consists of identification and quantification of system goals, creation of alternative
system design concepts, performance of design trades, selection and implementation of the best design, verification that the design is properly built and integrated, and post-implementation assessment
of how well the system meets (or met) the goals." — NASA Systems engineering handbook, 1995.
"The Art and Science of creating effective systems, using whole system, whole life principles" OR
"The Art and Science of creating optimal solution systems to complex issues and problems" — Derek
Hitchins, Prof. of Systems Engineering, former president of INCOSE (UK), 2007.
"The concept from the engineering standpoint is the evolution of the engineering scientist, i.e., the scientific generalist who maintains a broad outlook. The method is that of the team approach. On largescale-system problems, teams of scientists and engineers, generalists as well as specialists, exert their
joint efforts to find a solution and physically realize it...The technique has been variously called the
systems approach or the team development method." — Harry H. Goode & Robert E. Machol, 1957.
Definitions of “MECHATRONICS”



wg http://mechatronics.colostate.edu/definitions.html:
Chico State University
"field of study that combines the fundamentals of Mechanical, Electrical, and Computer Engineering"
Clemson University
"the blending of software [and] hardware for the design [and] analysis of advanced control techniques"
Design with Microprocessors for Mechanical Engineers (book)
"science that integrates mechanical devices with electronic controls"
3

















Industrial Research and Development Advisory Committee of the European Community
"synergistic combination of precision engineering, electronic control and systems thinking in the
design of products and manufacturing processes."
Introduction to Mechatronics and Measurement Systems (book)
"the interdisciplinary field of engineering dealing with the design of products whose function relies on the integration of mechanical and electronic components coordinated by a control architecture."
Journal of Mechatronics
"the synergistic combination of precision mechanical engineering, electronic control and systems
thinking in the design of products and manufacturing processes"
Loughborough University (United Kingdom)
"Mechatronics is a design philosophy that utilizes a synergistic integration of Mechanics, Electronics and Computer Technology (or IT) to produce enhanced products, processes or systems."
ME Magazine
"the synergistic use of precision engineering, control theory, computer science, and sensor and actuator technology to design improved products and processes"
"simply the application of the latest techniques in precision mechanical engineering, controls theory, computer science, and electronics to the design process to create more functional and adaptable products."
Mechatronics - Electromechanics and Controlmechanics (book)
"crossdisciplinary [field] ... that simultaneously involves mechanics, electronics, and control of
computer-integrated electromechanical systems"
Mechatronics - Electronic Control Systems in Mechanical Engineering (book)
"integration of electronics, control engineering and mechanical engineering"
Mechatronics - Electronics in products and processes (book)
"an integrating theme within the design process [combining] electronic engineering, computing
and mechanical engineering"
Mechatronics - Mechanical System Interfacing (book)
"the application of complex decision making to the operation of physical systems"
Mechatronics Engineering (book)
"preplanned activity to consider electrical, mechanical, and software constraints over the product
life cycle in a simultaneous manner early in the development process"
Mechatronics System Design (book)
"methodology used for the optimal design of electromechanical products"
North Carolina State University Course
"the synergistic integration of precision mechanical engineering, electronic control and systems
thinking in the design of intelligent products and process."
Rensselaer Polytechnic Institute
"the synergistic combination of mechanical engineering, electronics, control systems and computers,
all integrated through the design process."
University of California at Berkeley
"a flexible, multi-technological approach in the integration of Mechanical Engineering, Computer
Engineering, Electronics, and Information Sciences"
University of Linz
"technical systems operating mechanically with respect to at least some kernel functions but with
more or less electronics supporting the mechanical parts decisively"
University of Washington
"the integrated study of the design of systems and products in which computation, mechanization,
actuation, sensing, and control are designed together to achieve improved product quality and performance."
Virginia Polytechnic Institute
"Mechatronics is concerned with the blending of mechanical, electronic, software, and control
theory engineering topics into a unified framework that enhances the design process."
4
Historyczny rozwój systemów mechanicznych, elektrycznych i elektronicznych
Ewolucja mechatroniki z techniki mechanicznej
5
DEFINICJE MECHATRONIKI
1. Zastosowanie mikroelektroniki w inżynierii mechanicznej
(Japonia, 1969)
2. Integracja różnych z natury rzeczy systemów konstrukcyjnych: mechanizmów, obwodów elektrycznych i oprogramowania, szczególnie widoczna w robotach (1983).
3. System, w którym zaawansowany ruch i rozwinięte sterowania łączone są metodycznie w celu otrzymania systemu
o wysokiej użyteczności, który może wykonywać zaplanowane złożone działania (1986).
4. Interdyscyplinarny obszar nauk inżynierskich, który opiera
się na klasycznych dyscyplinach budowy maszyn, elektroniki
i informatyki. Typowy system mechatroniczny odbiera sygnały, przetwarza je i wydaje sygnały, które z kolei są przetwarzane np. jako ruch i siły (1989).
5. Programowalne urządzenia i systemy mechaniczne z sensoryką, aktuatoryką i komunikacją (1994).
6. Synergiczna integracja inżynierii mechanicznej z elektroniką
i inteligentnym sterowaniem komputerowym w projektowaniu
i wytwarzaniu produktów i procesów (UE 1995).
7. Projektowanie i wytwarzanie produktów i systemów wskazujących zarówno funkcjonalność mechaniczną jak i zintegrowane sterowanie algorytmiczne (1995).
8. Projektowanie maszyn inteligentnych (1995).
DEFINICJA MIĘDZYNARODOWEJ FEDERACJI TEORII MASZYN I MECHANIZMÓW:
MECHATRONIKA JEST SYNERGICZNĄ KOMBINACJĄ
MECHANIKI, ELEKTRONICZNEGO STEROWANIA
I SYSTEMOWEGO MYŚLENIA PRZY PROJEKTOWANIU
PRODUKTÓW I PROCESÓW PRODUKCYJNYCH.
SYNERGIA

Współdziałanie, współpraca

Tworzenie dodatkowych możliwości (wartości),
działanie synergiczne → definicja wg teorii systemów
6
AKSJOMATY SYSTEMOWE
(Aksjomaty – ogólne stwierdzenia, niewymagające udowadniania)
1. Aksjomat synergii: system przejawia cechę synergii
Synergia – efekt współdziałania dwóch lub więcej czynników (elementów składowych, części itp.) w jakimś procesie lub układzie. Przykładem efektu synergii jest
praca zespołowa: w odróżnieniu od pracy grupowej, zespół wspólnie pracuje nad
pewnym zagadnieniem, dążąc do wspólnego rezultatu, natomiast członkowie grupy
pracują równolegle („współbieżnie”), ale każdy ma swój cel i zadanie. Całość, czyli
system, nie jest prostą sumą części: nabiera właściwości, jakich nie mają jej poszczególne części. Synergizm jest uważany za uniwersalne prawo przyrody.
2. Aksjomat kontekstu: na każdy system oddziałuje jego otoczenie.
Każdy system jest wyselekcjonowaną częścią rzeczywistości. Innymi słowy, zrozumienie systemu nie może ograniczać się wyłącznie do niego samego – do jego
elementów składowych i relacji między nimi. Otaczająca nas rzeczywistość jest ciągła. A zatem każdy system musi być traktowany jako element pewnej szerszej całości. W takim razie każdy system musi być podporządkowany owej szerszej całości,
czyli podlegać określonym oddziaływaniom innych elementów, które – w razie traktowania go jako samodzielnej całości – stanowią jego otoczenie.
3. Aksjomat równoważności systemów: różne systemy mogą prowadzić do tego samego celu.
Oznacza to, że systemy mogą być równoważne pod względem osiąganych rezultatów (celów, funkcji, właściwości). Każdy z nich może jednak charakteryzować się
inną miarą skuteczności i efektywności oraz innymi kosztami budowy i funkcjonowania.
4. Aksjomat różnorodności Ashby’ego – każda różnorodność może
być zrównoważona tylko przez inną różnorodność.
Stopień różnorodności i elastyczności elementów systemu zależy od różnorodności i zmienności wejść do systemu. Miarą trwałości systemu staje się wystarczający
stopień różnorodności elementów składowych systemu oraz ich elastyczności w konfrontacji z otoczeniem. Elastyczność każdego elementu wchodzącego w skład systemu musi być zbilansowana i skorelowana z elastycznością wszystkich pozostałych
elementów: system musi być zbilansowany, aby żaden z elementów nie stał się „wąskim gardłem” systemu pod względem jego funkcjonalności. Z kolei nadmierna elastyczność któregoś z jednostkowych elementów staje się jedynie przyczyną wzrostu
kosztów funkcjonowania systemu: wprowadzenie i utrzymanie elastyczności kosztuje
zarówno podczas konstruowania systemu oraz podczas jego funkcjonowania.
5. Aksjomat sprawności systemu: sprawność systemu pod względem kryterium K zależy od sprawności jego najsłabszego elementu pod względem tegoż kryterium K.
Kryterium K może oznaczać niezawodność systemu, jego dynamikę, odporność
na zakłócenia ze strony otoczenia, elastyczność, o której wspomina aksjomat Ashby’ego, siłę oddziaływania na otoczenie i każdą inną cechę, jaką obserwator przypisuje danemu systemowi.
7
FUNKCJE MECHATRONIKI





…filozofia projektowania wykorzystująca synergiczną interakcję różnych dziedzin techniki dla otrzymywania technologicznie zaawansowanych urządzeń i
systemów (HIGH-TECH, High-Technology – technika wysoko zaawansowana
np. przemysł kosmiczny i lotniczy, telekomunikacja, nanotechnologia, biotechnologia, elektronika i informatyka, sztuczna inteligencja, fizyka nuklearna i wiele innych dziedzin techniki)
…interdyscyplinarny obszar inżynierii, łączący różne dziedziny techniki z różnymi systemami sterowania
…technologia, łącząca mechanikę, elektronikę i informatykę dla tworzenia funkcjonalnego współdziałania i integracji różnych elementów i systemów w jedną
całość
…metodyka optymalizująca projektowanie urządzeń elektromechanicznych
…obszar studiów (połączenie inżynierii mechanicznej, elektrycznej, komputerowej i in.)
[wg http://www.studuij.pl]
CECHY URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH







MULTIFUNKCJONALNOŚĆ – możliwość realizacji przez jedno urządzenie wielu
różnorodnych zadań (np. poprzez zmianę oprogramowania).
ELASTYCZNOŚĆ – możliwość modyfikacji urządzeń poprzez zastosowanie idei
konstrukcji modułowej w procesie projektowania, wytwarzania i eksploatacji.
INTELIGENCJA – zastosowanie oprogramowania umożliwiającego podejmowanie decyzji i komunikacji z otoczeniem.
NOWA JAKOŚĆ PRACY – komunikacja z operatorem poprzez interfejs użytkownika (odpowiednie oprogramowanie). Mniejsze zmęczenie fizyczne, znacznie
zwiększone obciążenie psychiczne związane z odpowiedzialnością za pracę.
RYNKOWOŚĆ – zależność urządzenia od wymagań rynku.
NOWOCZESNOŚĆ – związane urządzeń z możliwościami technologicznymi wielu dziedzin techniki.
INNOWACYJNOŚĆ – konieczność szukania nowych rozwiązań dla spełnienia
coraz szerszych wymagań użytkowników.
BENEFICJENCI MECHATRONIKI






Użytkownicy urządzeń spełniających w zadowalającym stopniu ich potrzeby.
Projektanci i konstruktorzy praktycznie ze wszystkich dziedzin techniki.
Operatorzy maszyn i urządzeń (obrabiarki, pojazdy, maszyny robocze, transport,
sprzęt medyczny, ochrona środowiska).
Monterzy i operatorzy linii produkcyjnych.
Pracownicy dozoru technicznego różnych szczebli.
Remontowcy, serwisanci i diagnostycy urządzeń technicznych.
BENEFICJENTAMI MECHATRONIKI SĄ OPERATORZY MASZYN I URZĄDZEŃ,
ŚREDNI PERSONEL TECHNICZNY, KADRA INŻYNIERSKA, KADRA ZARZĄDZAJĄCA WE WSZYSTKICH DZIEDZINACH GOSPODARKI I PRAKTYCZNIE WE
WSZYSTKICH ZAWODACH (NIE TYLKO TECHNICZNYCH – patrz MEDYCYNA).
8
LEKCJA NATURY
MECHATRONIKA JAKO INTEGRACJA RÓŻNYCH DZIEDZIN NAUKI I TECHNIKI
Wymiary i perspektywy poznawcze mechatroniki jako części inżynierii systemów
9
Integracja modeli i systemów specjalistycznych
10
WIELKOŚCI WEJŚCIOWE I WYJŚCIOWE
SYSTEMU MECHATRONICZNEGO:
 Położenie, prędkość i przyspieszenie w ruchu liniowym i obrotowym
 Siła i moment obrotowy związany z wykonywaniem ruchu lub będący





jego skutkiem
Ciśnienie związane z przepływem cieczy lub gazu
Częstotliwość drgań mechanicznych (akustycznych, optycznych),
Temperatura i związana z nią wymiana ciepła,
Ruch płynów (cieczy, gazów) pod wpływem czynników zewnętrznych
Prąd elektryczny powodujący ruch elementów mechanicznych w polu
magnetycznym (silniki, pola magnetyczne)
URZĄDZENIA MECHANICZNE: wielkości mechaniczne lub elektromechaniczne związane z ogólnie rozumianym ruchem, siłą lub momentem.
URZĄDZENIA MECHATRONICZNE: napięcie i natężenie prądu elektrycznego oraz inne wielkości związane z prądem (STEROWNIK MIKROPROCESOROWY)
ZALETY SYSTEMU MECHATRONICZNEGO:
1. Zmniejszenie liczby i zakresu działania drogich, zawodnych i wymagających stałego nadzoru elementów i zespołów mechanicznych
(konserwacja, remonty, obsługa).
2. Zastosowanie elektronicznych układów automatycznego sterowania
i regulacji parametrów systemu, umożliwiających prowadzenie, koordynację, nadzór i optymalizację działania systemu.
Ograniczenie roli człowieka jako najsłabszego ogniwa każdego systemu:
11
3. Wykorzystywanie niematerialnych możliwości kształtowania właściwości systemu poprzez właściwe oprogramowanie związane z zastosowaniem komputerowego przesyłania i przetwarzania danych wpływających na pracę systemu.
4. Możliwość wykorzystania elementów i zespołów o różnych zasadach
działania, pochodzących z różnych dziedzin techniki, umożliwienie
ich współpracy w celu uzyskania nowych charakterystyk i właściwości.
Warstwy działań sterujących i regulacyjnych systemu mechatronicznego:
 Sterowanie i regulacja wielkości procesowych (warstwa najniższa)
 Kontrola wartości granicznych, nadzór i diagnoza uszkodzeń, reakcja
na awarie i uszkodzenia (w krańcowych sytuacjach – zatrzymanie
pracy)
 Koordynacja pracy systemów cząstkowych składających się na system złożony, zarządzanie systemem złożonym
SENSORY: czujniki i przetworniki pomiarowe sygnałów z otoczenia
i z systemu
AKTUATORY (aktory): elementy i urządzenia wykonawcze
STEROWNIKI KOMPUTEROWE: przetwarzanie i interpretowanie
sygnałów
12
SENSORY REAGUJĄ NA INFORMACJE MECHANICZNE,
ELEKTRYCZNE, PNEUMATYCZNE, HYDRAULICZNE, OPTYCZNE, CHEMICZNE, BIOLOGICZNE.
SENSORY POBIERAJĄ INFORMACJĘ CIĄGŁĄ (ANALOGOWĄ) I NIECIĄGŁĄ (DYSKRETNĄ, PRZERYWANĄ)
I PRZETWARZAJĄ JĄ W MOŻLIWIE WIERNY SPOSÓB
W SYGNAŁY ELEKTRYCZNE. W DALSZEJ KOLEJNOŚCI
SYGNAŁY TE SĄ PRZETWARZANE W INFORMACJĘ CYFROWĄ ZGODNĄ Z ODPOWIEDNIMI STANDARDAMI.
SENSORY – przetworniki nieelektrycznych wielkości fizycznych na proporcjonalny sygnał elektryczny:




sensory położenia, odległości i kąta obrotu
PARAMETRY
sensory przyspieszenia
MECHANICZNE
sensory siły, momentu obrotowego
sensory ciśnienia, przepływu, temperatury, natężenia światła itd.
Sensory pasywne i aktywne
Sensory potencjometryczne, pojemnościowe, indukcyjne, ultradźwiękowe, tensometryczne, piezoelektryczne, światłowodowe itd.
Aktuatory elektromagnetyczne – przetworniki zamieniające sygnały
elektryczne na ruch (energię elektryczną na energię mechaniczną).
Aktuator liniowy – generowanie siły
Aktuator obrotowy – generowanie momentu obrotowego
Aktuatory – maszyny eklektyczne o dwukierunkowym przetwarzaniu
(maszyny odwracalne): silniki indukcyjne, komutatorowe, z magnesem
trwałym, reluktancyjne, skokowe, liniowe, synchroniczne itp.
Motoreduktory
Informacje cyfrowe związane z działaniem systemu mechatronicznego powinny charakteryzować się następującymi
cechami:
 Działanie w czasie rzeczywistym (minimalizacja opóźnień
między sygnałem i reakcją na sygnał).
 Działanie zgodne z oprogramowaniem komputerowym systemu.
 Zastosowanie oprogramowania umożliwiającego przejęcie przez
komputer odpowiedzialności za działanie systemu (SZTUCZNA
INTELIGENCJA).
13
PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW MECHATRONICZNYCH
Wprowadzenie w zagadnienia
interdyscyplinarne mechaniki
Zasadnicze
pomiędzy projektem
konwencjonalnym
Dlaczegoróżnice
współczesne
problemy
mechaniki
i mechatronicznym
są interdyscyplinarne?
Przepływ informacji
CZUJNIKI
ELEMENTY
MECHANICZNE
UKŁAD KONDY
CJONOWANIA I
PRZETWARZANIA
MIKROKOMPUTER
PRZETWARZANIA
CZŁONY
WYKONAWCZE
UKŁAD
MOCY
OPROGRAMOWANIE
Przepływ energii
Współczesne problemy mechaniki
są PROBLEMAMI INTERDYSCYPLINARNYMI
14
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA
URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH
Mapy myśli komputerowego wspomagania cyklu życia
systemu technicznego
15
List of computer-aided technologies


























CAx tools in the context of product lifecycle management
CAD
 Computer-aided architectural design (CAAD)
 Computer-aided design and drafting (CADD)
 Computer-aided drafting (CAD)
 Computer-aided electrical and electronic design (ECAD)
 Computer-aided industrial design (CAID)
Computer-aided diagnostics (CAD/NDE)
Computer-aided engineering (CAE);
Computer-aided issue resolution (CAIR);
Computer-aided manufacturing capability (CAMC);
Computer-aided manufacturing (CAM);
Computer-aided material information (CAMI);
Computer-aided package selection (CAPS);
Computer-aided process planning (CAPP)
Computer-aided quality assurance (CAQ)
Computer-aided reporting(CAR);
Computer-aided requirements capture (CAR);
Computer-aided rule definition (CARD);
Computer-aided rule execution (CARE);
Computer-aided software engineering (CASE);
Component information system (CIS);
Coordinate measurement (CMM);
Electronic design automation (EDA);
Enterprise resource planning (ERP);
Knowledge-Based Engineering (KBE)
Manufacturing Process Management (MPM)
Manufacturing process planning (MPP);
Manufacturing resource planning (MRP);
Product data management (PDM)
Product lifecycle management (PLM)
Reverse engineering (RE)
Komputerowe wspomaganie projektowania CAD – proces projektowania, w którym komputer wykorzystywany jest na każdym etapie jako podstawowe narzędzie
pracy projektanta (opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej w postaci grafiki dwuwymiarowej (2D) oraz grafiki trójwymiarowej (3D), analizy kinematyczne, analizy wytrzymałościowe oraz termiczne z zastosowaniem najczęściej MES (metody elementów skończonych), optymalizacja itp.
Komputerowe wspomaganie prac inżynierskich CAE – oprogramowanie wspomagające sterowanie procesami technologicznymi, analiz, testów oraz symulacji pracy układów.
Komputerowe wspomaganie wytwarzania CAM – system komputerowy integrujący projektowanie i wytwarzanie.
Komputerowe Zintegrowane wytwarzanie CIM (Computer Integrated Manufacturing) – system integrujący wszystkie aspekty wytwarzania komputerowego (CAD,
CAE, CAM, CAPP, CAQ).
16
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DECYZJI
Rozwój technologii informatycznych umożliwił zastosowanie systemów komputerowych w procesach decyzyjnych, szczególnie tam, gdzie do podjęcia decyzji konieczne jest szybkie przetworzenie ogromnych ilości danych lub gdzie
charakterystyka sytuacji decyzyjnej wymaga zastosowania skomplikowanych
obliczeniowo modeli.
TEORIA DECYZJI – obszar zainteresowań wielu różnych dziedzin nauki,
obejmujący analizę i wspomaganie procesu podejmowania decyzji. Korzystają
z niej i rozwijają ją: kognitywistyka, matematyka, statystyka, psychologia, socjologia, ekonomia, zarządzanie, filozofia, informatyka, medycyna. Wyróżnia
się:

klasyczną inżynieryjną teorię decyzji – szukanie rozwiązań optymalnych
(najlepszych) w dziedzinie problemów dobrze sformalizowanej, tzw. well
defined problems (modele matematyczne).

kognitywistyczne teorie decyzji – które szukają rozwiązań wystarczających (skutecznych) dla tzw. real world problems i ill defined problems (modele rozmyte, nieprecyzyjne, opisowe).
Klasyczna teoria decyzji zajmuje się:

analizą decyzji – rozpatrywanie konkretnych przypadków decyzji podjętej
przez osobę lub grupę osób w celu wyznaczenia decyzji optymalnej oraz,
jeśli podjęta decyzja nie była optymalna, znalezieniu przyczyn pomyłki.

wspomaganiem decyzji – próba wyznaczenia rozwiązania najlepszego
przy danym zasobie wiedzy i informacji o możliwych konsekwencjach. Dotyczy to również podejmowania decyzji grupowych.
SYSTEMY WSPOMAGAJĄCE PODEJMOWANIE DECYZJI (Decision
Support Systems DSS) – systemy tworzące raporty i zestawienia, które dostarczane są kierownictwu w ramach systemów informowania kierownictwa
EIS (Executive Information Systems).
Kilka kryteriów oceny decyzji –wielokryterialna analiza decyzyjna (optymalizacja wielokryterialna). Dwa nurty analizy decyzyjnej: Wielokryterialne podejmowanie decyzji oraz wspomaganie decyzji.
SZTUCZNA INTELIGENCJA – dział informatyki badający reguły rządzące inteligentnymi zachowaniami człowieka w celu tworzenia programów komputerowych symulujących te zachowania.
SIECI NEURONOWE – komputerowe modele symulujące działanie ludzkiego
mózgu, przydatne w rozpoznawaniu wzorców, ich klasyfikacji, analizie itp.,
przydatne w procesach sterowania i podejmowania decyzji (sieci samouczące). Przykładowe zastosowania – medycyna, planowanie remontów, optymalizacja działań, programy OCR).
SYSTEMY EKSPERTOWE – program (zestaw programów) wspomagających
wykorzystanie wiedzy zawartej w bazach wiedzy, opartej o wiedzę ekspertów,
dostarczające zaleceń, diagnoz i ułatwiające podejmowanie decyzji (medycyna).
17
Mapa myśli na temat systemu mechatronicznego
Porównanie układu mechanicznego i układu mechatronicznego
Typowy robot przemysłowy i jego zastępczy model kinematyczny
18
NOWOCZESNE KSZTAŁCENIE W ZAKRESIE MECHATRONIKI POWINNO INTEGROWAĆ KSZTAŁCENIE W ZAKRESIE
MECHANIKI, ELEKTROTECHNIKI,
ELEKTRONIKI I INFORMATYKI
Struktura wiedzy absolwenta specjalności
NOWA JAKOŚĆ W EDUKACJI ZAWODOWEJ
19
MECHATRONICZNE
POJAZDY
HYBRYDOWE
Autobus miejski SOLARIS URBINO HYBRID
20
Współczesne urządzenie mechatroniczne
Mechatronic System Elements Presented in the Book:
Introduction to Mechatronics and Measurement Systems
by David G. Alciatore and Michael B. Histand
Department of Mechanical Engineering, Colorado State University
Third Edition (2007
mechatronics.colostate.edu
21
Przykład ewolucji rozwiązań mechanicznych w urządzeniu mechatroniczne: Urządzenia do zapisu i odtwarzania dźwięku
PATEFON → ADAPTER → MAGNETOFON SZPULOWY
→ MAGNETOFON KASETOWY → ODTWARZACZ CD → MP3
Schematy technologii projektowania
Mechanika
80
Sterowanie
Komputer
Projektowanie
Projektowanie
Projektowanie
Projektowanie
Wytwarzanie
Wytwarzanie
Wytwarzanie
Wytwarzanie
Sterowanie
Komputer
Mechanika
90
Elektronika
Projektowanie
+
Wytwarzanie
Mechanika
Elektronika
Projektowanie
+
Wytwarzanie
Elektronika
Projektowanie
+
Wytwarzanie
Sterowanie
Projektowanie
+
Wytwarzanie
Komputer
Projektowanie
Obecnie
Wytwarzanie
Mechanika
Przyszłość
Elektronika
Sterowanie
Komputer
Projektowanie
+
Wytwarzanie
Uwagi końcowe
Zastosowanie interdyscyplinarnego
podejścia;
- daje nowe możliwości badawcze bardziej
efektywne do rozwiązywania złożonych
problemów, które wydawałoby się, że są
już rozwiązane.
- wymaga pracy zespołowej, szerokiego
wykształcenia oraz zastosowania
zaawansowanych narzędzi wspomagania
projektowania i wytwarzania
22
Roboty, chwytaki, manipulatory
Roboty przemysłowe i systemy robotyczne. Roboty edukacyjne i badawczorozwojowe, podwodne, humanoidalne, militarne, zwiadowcze i policyjne, latające, inspekcyjne, medyczne i rehabilitacyjne, egzoszkielety, chwytaki
i manipulatory
Automatyka
Sterowniki PLC, układy sterujące, uniwersalne regulatory i kontrolery, regulatory i sterowniki temperaturowe. Systemy bezprzewodowej komunikacji sieciowej. Interfejsy komunikacyjne, terminale dialogowe. Wyświetlacze. Automatyka laboratoryjna
Czujniki, sensory, przetworniki pomiarowe
Czujniki zbliżeniowe, fotoelektryczne, optyczne, laserowe, enkodery kątowe
i liniowe, czujniki ciśnienia, temperatury, przepływu, poziomu, masy, siły,
przyspieszenia, akustyczne, czujniki gazów
Pneumatyka
Zawory i elektrozawory, zawory elektromagnetyczne, siłowniki pneumatyczne, napędy pneumatyczne, sprężarki śrubowe i tłokowe, złączki układów
pneumatyki, przewody do układów pneumatyki, filtry pneumatyczne, urządzenia obsługi sprężonego powietrza, zbiorniki, regulatory przepływu, przyssawki
Hydraulika
Zawory i elektrozawory, zawory elektromagnetyczne, siłowniki hydrauliczne,
pompy hydrauliczne, napędy hydrauliczne, wymienniki ciepła i akumulatory
hydrauliczne, zasilacze hydrauliczne, złączki układów hydraulicznych, przewody do układów hydrauliki, filtry hydrauliczne, zbiorniki, regulatory przepływu
Urządzenia pomiarowe
Ciśnieniomierze, termometry, termostaty, urządzenia pomiaru siły i momentu
obrotowego, urządzenia pomiaru wilgotności, analizatory gazów, lepkościomierze, reometry, chromatografy, spektrometry, woltomierze, mierniki napięcia, urządzenia pomiarów optycznych, oscyloskopy, multimetry
Elektryczność
Zasilacze AC/DC, falowniki, przetworniki, zasilacze UPS, ogniwa paliwowe,
baterie, transformatory mocy, rezystory, kondensatory, bezpieczniki, przekaźniki, styczniki, kable, kable do transmisji danych, siłowniki elektryczne i
mechaniczne, elektromagnesy
23
Elektronika
Tranzystory, diody, tyrystory,LED, fotodiody, rezystory, kondensatory, potencjometry, przetworniki akustyczne, oscylatory, miniaturowe przekaźniki i
przełączniki, sterowniki peryferyjne, bramki logiczne, płyty główne, wzmacniacze, procesory i kontrolery, pamięci, magazynowanie danych
Silniki, napędy
Silniki elektryczne synchroniczne, silniki krokowe, serwonapędy, silniki elektryczne asynchroniczne i prądu stałego, silniki liniowe, mikrosilniki, układy
kontroli ruchu i osi, rozruszniki, napędy hydrauliczne, napędy pneumatyczne
Elementy mechaniczne
Śruby, sworznie, nity, zawleczki, podkładki, mocowania, łączniki, zawiasy,
przeguby, zatrzaski, pokrętła, uchwyty i dźwignie, elementy blokujące, zaciskowe i centrujące, sprężyny amortyzatory, kółka zębate, uszczelnienia ruchowe i spoczynkowe
Prowadnice liniowe, łożyska
.
Łożyska kulkowe, wzdłużne, igłowe, walcowe, łożyska magnetyczne i hydrodynamiczne, łożyska ślizgowe, wałki łożysk, prowadnice liniowe, szyny, prowadnice teleskopowe, prowadnice śrubowe, tuleje kulkowe, mechanizmy
pozycjonujące i mikropozycjonujące
Optyka, wizja maszynowa
Kamery przemysłowe, lasery, soczewki optyczne, filtry optyczne, pryzmaty,
polaryzatory, źródła światła, diody, kable i połączenia technologii światłowodowych, przetworniki sygnałów optycznych, przemysłowe systemy wizyjne
Przekładnie, siłowniki
Przekładnie planetarne, równoległe, kątowe, sprzęgła, hamulce, pasy, koła
pasowe, łańcuchy do przekładni, wałki zębate do łańcuchów, przeguby uniwersalne, koła zębate, ograniczniki momentu obrotowego, prowadnice liniowe
Pompy, sprężarki
Pompy tłokowe, śrubowe, nurnikowe, odśrodkowe, zębate, łopatkowe,
membranowe, przewodowe, głębinowe, hydrauliczne, próżniowe, magnetyczne, sprężarki tłokowe, śrubowe, dmuchawy, wentylatory
Komputery, oprogramowanie, komunikacja
Komputery przemysłowe, komputery panelowe, ekrany i monitory przemysłowe, płyty i karty komputerowe, obudowy komputerów, akcesoria komputerowe, oprogramowanie inżynierskie CAD, oprogramowanie modelowania
komputerowego, oprogramowanie sterujące
Filtry, obsługa powietrza
Filtry pneumatyczne, filtry hydrauliczne, układy obsługi powietrza, filtry powietrza, filtry cieczy, wentylatory, układy ssące, układy usuwania oparów
Zawory, rury, łączniki rurowe
Zawory kulkowe, kurkowe, zawory nożowe i zasuwowe, zawory igłowe, suwaki tłoczkowe, rozruszniki zaworowe, zawory elektromagnetyczne, elektrozawory pneumatyczne i hydrauliczne, złączki, rury grubościenne i cienkościenne
http://www.asimo.pl/index.php
24
Literatura (wybrane pozycje):
[1]
Gawrysiak M.: Analiza systemowa urządzenia mechatronicznego. Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 2003.
[2]
Heiman B., Gerth W., Popp K.: Mechatronika – komponenty, metody, przykłady.
Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.
[3]
Olszewski M. (red): Podstawy mechatroniki. REA, Warszawa 2007.
[4]
Schmid D. (red): Mechatronika. Europa-Lehrmittel – REA, Warszawa 2002.
[5]
www.asimo.pl/index.php
[6]
www.engr.colostate.edu/~dga/mechatronicsresources.html
[7]
www.mechatronic.org/
[8]
Internet
25

Mechatronika dla mechaników - Zakład Wytrzymałości Materiałów i

Transkrypt

Podobne dokumenty