1

Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci

Zavod za konstruiranje u strojarstvu

OSNOVE MEHATRONIKE

1. Uvod u mehatroniku

Pojašnjenje i definicije pojma mehatronike

SADRŽAJ PREDAVANJA

Razvoj mehatronike/mehatroničkih sustava

Mehatronički sustavi

Proširenje pojma mehatronike – mehatronički pristup razvoju i dizajnu novih proizvoda

Trendovi i budući razvoj

2

(Modeliranje i simuliranje mehatroničkih sustava -software)

2

ŠTO JE MEHATRONIKA?

UVOD

Mehatronika je sinergijska*

Harashima, Tomizuka, Fukada (1996):

Mehatronika je sinergijska* integracija strojarstva, elektronike, elektrotehnike, računalne tehnologije i upravljanjau projektiranju i izradi industrijskih proizvoda i procesa.

3

Mehatronika ne postoji kao samostalna tehnička disciplina ili posebni industrijski sektor - nastala je objedinjavanjem više njih.

sinergija* (grč. syn-ergos – zajednički rad, napor) = učinak uzajamno komplementarnog djelovanja nekoliko faktora veći je od zbroja pojedinačnog djelovanja svakog od njih

ŠTO JE MEHATRONIKA?

UVOD

??4

3

Pojam MEHATRONIKA (MECHATRONICS)

UVOD

MECHANISM – MEHANIZAMMECHANISM MEHANIZAM

ELECTRONICS – ELEKTRONIKA

Tetsuro Mori 1969.

5

YASKAWA ELECTRIC COMPANY (japanski proizvođač elektromotora i sustava za kontrolu gibanja)

UVOD

Auslander i Kempf (1996):

“Mehatronika je način donošenja kompleksnih odluka u

djelovanju fizičkih sustava”

Shetly i Kolk (1997):

“Mehatronika je metodologija koja se koristi u

optimiranju konstrukcije mehatroničkih proizvoda”

W. Bolton (1999)

“Mehatronika nije samo brak električnih i mehaničkih

6

Mehatronika nije samo brak električnih i mehaničkih sustava, više je i od kontrole sustava – to je kompletna integracija svega toga”

Definicije se razlikuju ovisno o vremenu nastanka i o području interesa i djelovanja njihovog/ih autora.

4

MEHATRONIKA

Mehatronika predstavlja okvir i metodologiju za integraciju tehnologija (strojarstvo, elektronika i elektrotehnika, kontrola i upravljanje, informacijska i računalna tehnologija) koje su tradicionalno bile razdvojene.

energetska elektronikamikroelektronikasenzoriaktuatori

teorija sustavamodeliranjeautomatizacijasoftwareumjetna inteligencija

MEHATRONIKA

ELEKTROTEHNIKAELEKTRONIKA

INFORMACIJSKA TEHNOLOGIJA

7mehanički elementi, strojevi, precizna mehanika,…

STROJARSTVO

MEHATRONIKA

Sve veća primjena u brojnim postojećim područjima i industrijskim sektorima:

• Biotehnologija

• Zdravstvo

• Rudarstvo i srodne industrije

• Naftna i kemijska industrijaZdravstvo

• Elektronička oprema

• Računalna oprema

• Industrija zabave

• Telekomunikacije i informacijske usluge

• Transport i logistika

• Građevinarstvo

Naftna i kemijska industrija

• Transportna oprema

• Industrijska oprema i strojevi

• Poljoprivreda

• Prehrambena industrija

• Zrakoplovna i svemirska tehnologija

• Osiguranje i obrana

8

• Građevinarstvo

Mehatronika je tzv. omogućujuća (engl. enabling) komponenta u nastajanju i razvoju brojnih novih proizvoda, procesa i tehnologija/industrija koji dosad nisu postojali poput mikro- i nano- proizvodnih postupaka, kibernetike itsl.

5

MEHATRONIKA I MEHATRONIČKI SUSTAVI

MEHANIČKI SUSTAVI

MEHANIČKI SUSTAVI S ELEKTRIČNIM POGONOM

<1900

1920

Pojava i povećanje primjene električnih pogona

Razvoj i povećanje

ELEKTROMOTORI (istosmjerni i izmjenični)

MEHANIČKI SUSTAVI S AUTOMATSKOM KONTROLOM

MEHANIČKI SUSTAVI S

1935

MEHANIČKI SUSTAVI S ELEKTRONIČKIM (ANALOGNIM) I

SEKVENCIJALNIM UPRAVLJANJEM1955

1975

Razvoj i povećanje primjene automatskog upravljanja

Povećanje stupnja automatizacije, primjena računala, minijaturizacija

Industrijski roboti, alatni strojevi,

MIKROPROCESOR, REAL-TIME

SOFTWARE, MIKRORAČUNALO

TRANZISTORI, TIRISTORI

9

DIGITALNIM UPRAVLJANJEM

MEHATRONIČKI SUSTAVIintegracija mehanike i elektronike

software definira funkcijunovi alati za projektiranje

sinergijski efekti

1975

Povećanje stupnja integracije procesa i mikroračunala

1985Mobilni roboti, CIM, magnetski ležajevi, automobilski sustavi (ABS, ESP)

j ,industrijska postrojenja

MIKROKONTROLERI, OSOBNA RAČUNALA,

NOVI AKTUATORI I SENZORI,

INTEGRACIJA KOMPONENTI

MEHATRONIKA I MEHATRONIČKI SUSTAVI

Faze u razvoju:

• 1970 - 1980 (neposredno nakon pojave pojma mehatronika)

Tehnologije koje se koriste u mehatroničkim sustavima ij j i k i t i j d d drazvijaju se i koriste nezavisno jedna od druge

• 1980 - 1990

Početak sinergijske integracije različitih tehnologija u mehatroničkim proizvodima. Hardware/software ko-dizajn, embedded sustavi

• 1990 -

10

Značajno povećanje računalne inteligencije u mehatroničkim proizvodima i sustavima. Minijaturizacija komponenti (mikroaktuatori i mikrosenzori).

Inteligentni sustavi (Machine Inteligence Quotient), MEMS, NEMS

6

MEHATRONIČKI SUSTAVI

MEHATRONIČKI SUSTAV

SPREMNIK AKTUATOR PRETVARAČ REDUKTOR KORISNIK

AKTUATOR

Osnovna značajka mehatroničkog sustava (ujedno i razlika

ENERGIJEAKTUATOR PRETVARAČ REDUKTOR

SNAGE

REGULATOR SENZOR

11

u odnosu na konvencionalne sustave):

- tipični mehatronički sustav u mogućnosti je primati signale iz okoline, obraditi ih te na osnovu njih i upravljačkog algoritma generirati izlazne signale ili djelovanje (sila, pokret, itsl.)

OSNOVNI ELEMENTI MEHATRONIČKOG SUSTAVA

MEHANIČKI SUSTAV

AKTUATORIsolenoidi

SENZORIsklopke potenciometri PRIPREMA I

MEHATRONIČKI SUSTAV

solenoidi,DC motori,

koračni motori,servo motori,

hidraulika, pneumatika,…

sklopke, potenciometri, fotoelektrične

komponente, digitalni enkoderi, elektrootporne

trake, termoparovi, akcelerometri,…

PRIJENOS ULAZNIH SIGNALA

pojačala, filteri, A/D, D/D,…

12

GRAFIČKI PRIKAZ

LED, LCD, CRT, digitalni ekrani

OBRADA i PRIJENOS

IZLAZNIH SIGNALA

D/A, D/D, pojačala, PWM, tranzistori snage,

power op pojačala

DIGITALNO UPRAVLJANJE

logički krugovi, mikrokontroleri, PLC, upravljačka logika i

aritmetika, upravljački algoritmi, komunikacija

7

ZNAČAJKE/PREDNOSTI MEHATRONIČKIH SUSTAVA

TRADICIONALNI SUSTAVI MEHATRONIČKI SUSTAVI

centralizirano procesiranje i upravljanje

hibridna kontrola, decentralizacija i distribucijaupravljanje distribucija

kontrola kvalitete na kraju proizvodnog procesa

automatska provjera kvalitete i točnosti proizvodnog tijekom procesa

veliki, višekomponentni sustavi

kompaktni integrirani sustavi

precizna kontrola pomaka putemnedostatak točnosti, zračnost

precizna kontrola pomaka putem adaptivnih sustava provjere i servo

motora

složeni mehanizmizamjena mehaničkih

komponenti/sustava elektroničkim, računalnim, programskim

ZNAČAJKE/PREDNOSTI MEHATRONIČKIH SUSTAVA

TRADICIONALNI SUSTAVI MEHATRONIČKI SUSTAVI

ručna kontrola i prikupljanje automatizirana kontrola i prikupljanje p p j jpodataka

p p j jpodataka

pogoni s konstantnom brzinom

pogoni s promjenjivom brzinom

mehanički sustavimehanički/računalni/elektronički/progr

amski sustavi; mrežno sučelje;

nepromjenjivi parametri radautjecanje na funkcioniranje sustava na osnovi podataka prikupljenih tijekom

rada

8

Automobil i njegovi podsustavi

AUTOMOBIL KAO PRIMJER MEHATRONIČKOG SUSTAVA

2009.

ABS

ESP

1960.

"Engine management"

Klimatizacijski podsustav

Ispušni podsustav

ESP

TCS

ABF

ACC

ETC

CS

Podsustav ovjesa (prilagođavanje krutosti)

Kočioni podsustav

15

ADR

LDW

HC“drive by wire”

ABS sustav – primjer mehatroničkog sustava

AUTOMOBIL KAO PRIMJER MEHATRONIČKOG SUSTAVA

• Konvencionalne komponente kočionog sustava

Hidraulički sustav (glavniHidraulički sustav (glavni cilindar, rezervoar hidrauličke tekućine, ventili, cijevi i priključci), kočiona kliješta, pločice/obloge, diskovi.

• Nove komponente

ABS kontroler (računalo),senzori brzine ožičenje

16

senzori brzine, ožičenje, konektori.

Napomena:

Put kočenja se ne skraćuje već se poboljšava upravljivost vozila u uvjetima u kojima bi inače došlo do proklizavanja.

9

MEHATRONIČKI SUSTAVI

Mehatronički sustav općeg tipa

(sačinjen od niza mehatroničkih proizvoda)

Hijerarhijski strukturiran kompleksni automatizirani sustav

fleksibilna industrijska proizvodna linija

proizvoda)

Mehatronički proizvodi

(skupovi modula i komponenata koji mogu obavljati zaokružene

funkcije

industrijski robot, numerički upravljan obradni centar

programabilni logički kontroler

17

Mehatronički podsustavi

Mehatroničke komponente

programabilni logički kontroler, regulator momenta

senzori, aktuatori s upravljačko-regulacijskom logikom,

pojačala,…

MEHATRONIKA U RAZVOJU I KONSTRUIRANJU PROIZVODA

• poseban način razmišljanja i filozofija sveobuhvatnog pristupa stvaranju tehničkih sustava i proizvoda

Mehatronički pristup razvoju i dizajnu novih proizvoda

• sustavni “TOP-DOWN” pristup

• multidisciplinarnost

• paralelno konstruiranje mehaničkih, električnih, upravljačkih i “embedded software” dijelova sustava

18

TRADICIONALNI PRISTUP

MEHATRONIČKI PRISTUP

10

Mehatronički pristup razvoju i dizajnu novih proizvoda

Tradicionalni pristup

• loša komunikacija između grupa

• dugo vrijeme razvojarazvoja

• neoptimirani dizajn

• kraći i jeftiniji

Mehatronički pristup

kraći i jeftiniji razvojni ciklus

• poboljšana kvaliteta

• veća pouzdanost i bolje performanse

• prednosti mehatroničkih sustava su brojne (jednostavnija konstrukcija, veća pouzdanost, veća isplati ost mog ćnost prilagodbe) i prepo nate s

Uvod u mehatroniku

TRENDOVI ili ŠTO SLIJEDI?

isplativost, mogućnost prilagodbe) i prepoznate su u cijelom nizu industrija

• trend zamjene postojećih čisto mehaničkih mehanizama inteligentnim sustavima traje već oko 30 godina i nastavlja se sve većim intenzitetom

• ubrzani daljnji razvoj i sve šira primjena mehatroničkih rješenja – sve veća potreba za interdisciplinarnimrješenja sve veća potreba za interdisciplinarnim znajima i sposobnostima njihovog povezivanja

20

11

TRENDOVI ili ŠTO SLIJEDI?

Što se može očekivati?

• Daljnji napredak i pojeftinjenje mikroprocesora i mikrokontrolera, senzora i aktuatora

• Napredak u razvoju i primjeni MEMS-a, adaptivnih kontrolnih metodologija i metoda programiranja u realnom vremenu.

• Razvoj mrežnih i bežičnih tehnologija, primjena interneta u kombinaciji s bežičnom tehnologijom

• Unaprijeđenje CAE tehnologije – sustavno

21

Unaprijeđenje CAE tehnologije sustavno, multi-domain modeliranje i analiziranje, izrada virtualnih prototipova, virtualno testiranje

• Napredak u ugradnji implantata u vidu senzora i aktuatora

• Vrlo intenzivan razvoj mikro- i nanomehatronike

TRENDOVI ili ŠTO SLIJEDI?

Anketa (Texas, 2007):

Većina tehničara zaposlenih posljednjih godina morali su steći određena “mehatronička” znanja (uglavnom tijekom rada – “On-The Job Training”) kako bi ostali kompetentni za obavljanje svog posla

22

Uopće se ne slaže

Ne slaže se

Bez mišljenja

Slaže se Potpuno se slaže

Pristup i stav “ja svoje znam” neće biti dovoljan – sve veći naglasak na važnosti i potrebi cjeloživotnog obrazovanja i

usvajanju novih, multidisciplinarnih vještina

12

Materijali na web stranici kolegija:

• Mechatronics: Getting Your Act Together - White Paper, Technology Future Inc.

• Mechatronics: A Technology Forecast - Executive Summary, TSTC

Bi h R H Th M h t i H db k (P l lj 1 i 2)

Izvori i resursi

• Bishop R.H.: The Mechatronics Handbook (Poglavlja 1 i 2)

• Predavanje 1 – (Tekst predavanja - pdf)

Dodatni izvori i resursi:

• Mechatronics: A Technology Forecast - Texas State Technical College Emerging Technologies (LINK)

• Bishop R H : The Mechatronics Handbook (LINK)Bishop R.H.: The Mechatronics Handbook (LINK)

23