Niektóre zagadnienia na egzamin z Mechatroniki Nie ma

Niektóre zagadnienia na egzamin z Mechatroniki
Nie ma wypisanych danych z tabelek, schematów, rysunków, których było na wykładach
dużo, i które mogą znaleźć się na egz.
I to są tylko dane ze slajdów. Nie z notatek ;)
Mechatronika – jest synergiczna kombinacja mechaniki, elektrycznego sterowania i
systemowego myślenia przy projektowaniu produktów i procesów produkcyjnych. Samo
słowo mechatronika jest zbitką dwóch słów: mechaniki i elektroniki. Oznacza to w praktyce,
że nadal, jak w typowym systemie mechanicznym, głównymi wielkościami sterowanymi lub
regulowanymi systemu mechatronicznego mogą być m.in. położenie, prędkość i
przyspieszenie w ruchu liniowym lub obrotowym, siła i moment obrotowy związane z
realizacją ruchu lub będące jego skutkiem, ciśnienie i wynikający z niego przepływ cieczy lub
gazu, częstotliwość drgań mechanicznych, także akustycznych i optycznych, temperatura i
wywołana nią wymiana ciepła, ruch obszarów cieczy i gazów pod wpływem czynników
zewnętrznych, prąd elektryczny wywołujący ruch elementów mechanicznych w polu
magnetycznym. Czyli przede wszystkim wielkości mechaniczne lub elektromagnetyczne
związane z ogólnie rozumianym ruchem, siła lub momentem, Oznacza to także, że główna
różnica pomiędzy systemem mechanicznym i mechatronicznym polega na zmianie wielkości
sterującej lub zadającej (wielkości wejściowej lub nastawczej), w pierwszym przypadku są to
wielkości mechaniczne lub elektromechaniczne, w drugim – takie wielkości jak napięcie i
natężenie prądu elektrycznego oraz inne wielkości elektryczne związane z dwoma
wymienionymi.
Urządzenia i maszyny mechatroniczne różnią się od innych urządzeń i maszyn
mechanicznych lub elektromechanicznych, o identycznym przeznaczeniu lub zasadzie
działania, wyposażeniem w zintegrowany programowany sterownik mikroprocesorowy.
Cechy systemu mechatronicznego: zmniejszenie liczby i zakresu działania elementów i
zespołów mechanicznych systemu (rozwiązania mechaniczne są drogie, zawodne,
wymagające ciągłego nadzoru, konserwacji i obsługi, zarówno w trakcie uruchomienia jak i
podczas normalnej eksploatacji systemu), wprowadzenie elektronicznych układów
automatycznego sterowania i regulacji parametrów systemu, rozwiązujących problemy
prowadzenia, koordynacji, nadzoru i optymalizacji procesów realizowanych przez system
(ingerencja operatora-człowieka w system jest kosztowna, jej efektowność podlega silnym
okresowym wahaniom związanym z fizjologiczną gotowością człowieka do wykonywania
pracy, prowadzi do obciążeń fizycznych i psychicznych, których skutkiem są wypadki i
awarie systemu), wykorzystywanie w możliwie największym zakresie niematerialnych
możliwości kształtowania właściwości systemu (pozostawienie materialnych-mechanicznych
elementów i zespołów kształtujących właściwości systemu ogranicza możliwości ich zmiany,
wymiany lub optymalizacji. Oprogramowanie będące właśnie niematerialnym elementem
systemu mechatronicznego, w połączeniu z konsekwentnym zastosowaniem komputerowego
przetwarzania i przesyłania danych procesorowi zapewnia działanie systemu bez potrzeby
ingerencji w elementy mechaniczne), dążenie do wykorzystania i ścisłej współpracy w
systemie elementów i zespołów o różnych zasadach działania, pochodzących z różnych
dziedzin techniki (podejście systemowe pozwala, dzięki niekonwencjonalnemu ujęciu
problemu doboru i integracji elementów systemu na uzyskanie w systemie bądź nowych, bądź
bardziej korzystnych charakterystyk i właściwości, niż będzie to miało miejsce w przypadku
ograniczenia się do rozwiązań jednorodnych technicznie).
Synergia różnych zasad działania urządzeń zintegrowanych w systemie mechatronicznym.
Optymalizację zachowania urządzenia, maszyny lub ogólnie systemu mechanicznego, która
jest głównym celem działań inżynierskich nazywanych mechatronizacją, osiąga się przez
połączenie zespołów elektrycznych, elektronicznych i komputerowych z zespołami
mechanicznymi w nawy, powiązany sprzętowo i sygnałowo system mechatroniczny. Ten
zintegrowany fizycznie system odbiera za pomocą sensorów (czujników i przetworników
pomiarowych) sygnały ze środowiska roboczego (otoczenia) oraz sygnały wytwarzane przez
własne zespoły, przetwarza je i interpretuje we własnym procesorze (sterowniku, układzie
sterowania) i następnie- odpowiednio do stanu środowiska i własnych zachowań-reaguje na
nie przy pomocy aktuatorów ( elementów i urządzeń wykonawczych)
System mechatroniczny – zbiór elementów mechanicznych i elektronicznych powiązanych
prze funkcję, strukturę i hierarchię.
Funkcje systemu: zamierzone działanie, cel; także przeprowadzenie wielkości wejściowych w
wyjściowe.
Struktura systemu – powiązanie elementów, ich właściwości i zależności,
Hierarchia systemu - ustopniowanie powiązanych elementów z ich otoczeniem
(podsystemem-systemem-nadsystemem).
Podstawowe funkcje w systemie mechatronicznym:
Kinematyczne – przygotowanie właściwego aparatu ruchowego, który spełnia wymaganą
funkcję. Zadanie to przypada obszarowi kinematyki (mechanika, dynamika maszyn, teoria
maszyn i mechanizmów) i zawiera geometryczny opis postawionego problemu.
Kinetyczne- uwzględnienie sił i momentów, jakie konieczne są do wykonania postawionego
zadania. Problem ten może być rozważany za pomocą równań ruchu.
Mechatroniczne – powiązanie sensoryki, algorytmów regulacji i aktoryki, jak również
dalszych komponentów. W ten sposób opis funkcjonalny zostaje uzupełniony i
skompletowany.
Konwencjonalnie – dodawanie części składowych, zajmowanie dużo miejsca, złożone
mechanizmy, problemu z kablami, połączone części składowe, proste sterowanie, sztywna
konstrukcja, sterowanie wg prognozy, liniowe, analogowe, precyzja przez małe tolerancje,
wielkości niemierzalne zmieniają się dowolnie, proste monitorowanie, własności ustalone,
niezmienialne,
Mechatroniczne – integracja części składowych, kompaktowość, proste mechanizmy,
magistrale, bezprzewodowość, jednostki autonomiczne, integracja przez przetwarzanie
informacji, elastyczne konstrukcja z tłumieniem elektronicznym, sterowanie wg sprzężenia
zwrotnego programowalne, nieliniowe, cyfrowe, precyzja przez pomiary i sterowanie ze
sprzężeniem zwrotnym, sterowanie oszacowanymi wielkościami niemierzalnymi, nadzór z
diagnostyką uszkodzeń, zdolność uczenia się.
Teoria mechanizmów
Człon – człon mechanizmu, część materialna i zwykle metalowa, wytworzona sztucznie,
odpowiednio ukształtowana, np korpus maszyny, wał, koło zębate, korbowód, ramię
manipulatora itp. Rozróżnia się człony sztywne (ciała stałe, których odkształcenia można w
rozwiązaniach pominąć) i podatne (np. sprężyny, resory, gaz w cylindrze pneumatycznym) ,
których odkształcalność ma wyraźny wpływ na ruch mechanizmu.
Para kinematyczna – dwa człony połączone ze sobą ruchowo, mogą być oba ruchome bądź
jeden z nich może być nieruchomy.
Klasa pary kinematycznej – liczba odebranych stopni swobody ruchu względnego członów
połączonych rozpatrywaną parą. Numeracja klas par kinematycznych przebiega w odwrotnym
porządku do liczby stopni swobody.
W zależności od styku członów – pary niższe (styk powierzchniowy), pary wyższe (styk
punktowy lub liniowy)
W zależności od toru względnych ruchów członów – obrotowe, postępowe (przesuwne)
śrubowe, kuliste, walcowe i płaszczyznowe.
I cecha – pierwszą istotną cechą systemu mechatronicznego jest więc zintegrowanie sensorów
z realizowanym przez system procesem. Procesy te, a więc i pobierana przez sensory
informacja (dane procesowe), mogą mieć bardzo różną postać fizyczną: mechaniczną,
elektryczną, pneumatyczną, hydrauliczną, także optyczną, chemiczną, a nawet biologiczną
oraz różny charakter ciągły (analogowy) i nieciągły (przerywany, dyskretny) w czasie.
Sensory powinny zapewnić możliwie wierne przetworzenie tej informacji w ujednolicone
sygnały elektryczne, akceptowane przez własna (lokalna) sieć linii przesyłowych oraz przez
procesor systemu.
Ze względu na cyfrowy sposób przetwarzania tych sygnałów w układzie sterowania ta
ujednolicona postacią sygnałów powinna być również postać cyfrowa.
II cecha – Kolejne zadanie systemu mechatronicznego, jakim jest przetwarzanie i
interpretowanie zebranych przez sensory informacji procesowych, powinno charakteryzować
się trzema głównymi cechami:
- działaniem w czasie rzeczywistym, a więc z możliwie najmniejszymi opóźnieniami
pomiędzy zaistnieniem nowej sytuacji procesowej i reakcja na te sytuacje,
- realizacja programowa przetwarzania zapewniającą niematerialna zdolność kształtowania
właściwości i zachować systemu mechatronicznego,
- osiągnięciem takiego stopnia inteligencji przetwarzania, który pozwala na przejecie przez
system mechatroniczny od jego użytkownika przynajmniej części odpowiedzialności za
realizację przewidzianych zadań,
Generalnie wyróżnia się trzy poziomy zadań przewidzianych dla procesora systemu
mechatronicznego:
- sterowanie i regulacja wielkości procesowych – jest to tzw. Najniższa lub dolna warstwa
działania.
- kontrola wartości granicznych, meldowanie sytuacji awaryjnych, zapewnienie działania lub
zatrzymanie pracy systemu w przypadku pojawienia się wybranych uszkodzeń
II cecha – trzecią cechą systemu mechatronicznego jest podobnie jak w przypadku sensorów.
Zintegrowanie aktuatorów z realizowanym przez system procesem. Tu także ponowne
zbliżenie się do wielkości procesowych skutkuje koniecznością wyboru różnych zasad
działania elementów i urządzeń wykonawczych oraz różnych sposobów ich działanie w czasie
(działania ciągłe, przerywane itd.). Jednocześnie działania wykonawcze wymagają w
zdecydowanej większości procesów:
-wzmocnienia energetycznego sygnałów, a więc podania energii pomocniczej, najczęściej w
postaci elektrycznej, pneumatycznej lub hydraulicznej.
- przetworzenia elektrycznych sygnałów cyfrowych procesora na akceptowaną przez dany
aktuator postać (analogowa, cyfrowa, binarna) i wielkość fizyczna sygnału (prąd, ciśnienie,
przepływ itd.)
- dobrej jakości przetworzenia sygnałów wejściowych aktuatora na sygnał procesowe – może
to wymagać potraktowania urządzenia wykonawczego jako cząstkowego systemu (lub
podsystemu) mechatronicznego z własnymi sensorami, procesorem i aktuatorami.
Aktory nowego rodzaju
Aktory piezoelektryczne - przy przyłożeniu napięcia elektrycznego do plasterkowatego
piezokryształu występuje zmiana grubości ( na podstawie odwrotnego efektu
piezoelektrycznego);; dane techniczne - napięcie znamionowe 800-1500V znamionowa droga
nastawiania 70-200 mikrom, , sztywność do 2000 N/mikrom, częstotliwość własna 2-50
kHZ;; zastosowanie - translatory sztaplowe (stosowe) i pasmowe, elementy gnące, silnik
falowy, silnik naddźwiękowy, wytwarzanie kropli atramentu w drukarce
Aktory magnetostrykcyjne – przy przyłożeniu pola magnetycznego do kryształów
ferromagnetycznych występuje zmiana długości, przy niezmiennej objętości ( na podstawie
efektu magnetostrykcyjnego);; dane techniczne – prąd 2A, wzbudzenie 50kA/m, znamionowa
droga nastawiania 50 mikrom, obciążenia 500N, częstotliwość własna> 1kHZ,;; zastosowanie
– translatory (nie jest wymagana budowa sztaplowa), silnik falowy (robaczkowy), zawór
wtryskowy do dieslowskiego, aktywne tłumiki drgań
Aktory elektroreologiczne – przy przyłożeniu pola elektrostatycznego niektóre ciecze
wykazują podwyższenie lepkości.;; dane techniczne – napięcie tnące na natężenie pola 600800 Pa/(kV/mm),;; zastosowanie – sprzęgła przełączające, zawory, łożyska silników, tłumiki
uderzeń,
Aktory magnetoreologiczne – przy przyłożeniu pola magnetycznego niektóre ciecze wykazują
podwyższenie lepkości,;; zastosowanie – podobnie jak Aktory elektroreologiczne
Aktory termobimetaliczne - dwa sztywno połączone ze sobą metale o różnych
rozszerzalnościach cieplnych przy podgrzewaniu wykrzywiają się,;; dane techniczne –
wykrzywienie jednostkowe 28.5*10^-6 1/K, moduł sprężystości 170*10^3 N/mm^2,
dopuszczalne naprężenie zginające 200 N/mm^2.;; zastosowanie – przełączniki termiczne
wszystkich rodzajów dla małych sił nastawiania,
Aktory ze stopów z pamięcią kształtów – nadane w pokojowej temperaturze odkształcenie
części konstrukcyjnej, wykonanej ze stopu z pamięcią kształtu, znika podczas podgrzewania,
;; dane techniczne – możliwy jest efekt jedno- i dwukierunkowy, temperatura przemiany 100C co +100C, przegrzanie około -160C do +400C,;; zastosowanie – przełączniki termiczne
wszelkiego rodzaju, człony nastawcze o małej dynamice,
Aktory z materiałów rozszerzalnych termicznie – podczas podgrzewania materiału występuje
silne zwiększenie jego objętości,;; dane techniczne – temperatura pracy około -20C do
+120C, skok 5-25mm, siła nastawcza 250-500N, czas reakcji 8-50s,;; zastosowanie – proste
napędy nastawcze dla grzejników, urządzenia startowe dla silników gaźnikowych,
Aktory elektrochemiczne
Liniowe Aktory elektromagnetyczne – zalety – prosta charakterystyka przenoszenia, duży
zakres częstotliwości, Wady – duże masy, relatywnie małe siły;; <1000Hz
Liniowe Aktory hydrauliczne – zalety – sprzyjający stosunek mocy do ciężaru, duże siły,
wady – charakterystyka przenoszenia zależna od dynamiki cieczy,;; <250Hz,
Liniowe Aktory piezoelektryczne – zalety – prosta charakterystyka przenoszenia, średni
zakres częstotliwości, wady – relatywnie duże długości zabudowy, drogi wzmacniacz
wysokiego napięcia,;; <500 Hz
Profesor patrzy… patrzy… więc uczcie się… uczcie… :D