Mechatronika a automatizace Čestmír Serafín

Obsah Mechatronika vznik, vývoj a definice. Mechatronická soustava a systém. Charakteristické znaky mechatronického výrobku. Moderní technologie v mechatronice. Senzory (polohy, teploty, tlaku, rychlosti, průtoku apod.) Akční členy (elektromechanické, pneumatické, hydraulické) Řízení mechatronických soustav a automatizace, typy a algoritmy řízení. Přehled řídících systémů. Inteligentní řízení (Fuzzy logika, neuronové sítě) Spojité lineární řízení ( Laplaceova transformace, přímá a zpětná transformace) Statické a dynamické vlastnosti regulačních členů, diferenciální rovnice systému a přenos, impulsní funkce a charakteristika, přechodová funkce a charakteristika, frekvenční přenos a frekvenční charakteristika v komplexní rovině. Dopravní zpoždění. Regulátory – základy, dynamické vlastnosti, konstrukční principy, použití. Stabilita regulačních obvodů, kritéria stability (Hurwitzovo kritérium, Routh-Schurovo kritérium, Michajlov-Leonhardovo kritérium, Nyquistovo kritérium). Nastavení regulátorů metodou Ziegler-Nichols. Diskrétní řízení, diskrétní regulační obvod, Z – transformace, diferenční rovnice Číslicové regulátory a stabilita diskrétních obvodů

Literatura Mechatronika: Automatizace: MAIXNER, L. a kol. Mechatronika (učebnice). Brno : ComputerPress, 2006 VALÁŠEK, M. a kol. Mechatronika, Praha : ČVUT 1995 Automatizace: MAIXNER, L. a kol. Automatizace, automatizační technika. Díl I až IV. Brno : Computer Press 2000 PAVLOVKIN, J. – NOVÁK, D. Automatizácia a robotika. Banska Bystrica : UMB 1996. BALÁTĚ, J. Vybrané statě z automatického řízení. Brno : VUT 1990. SCHMID, D. a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Europa – Sobotáles, 2005 ŠVARC, I. Základy automatizace a regulace. Brno : VUT 1992. BALÁTĚ, J. - ŠVARC, I. Sbírka řešených příkladů z automatizace. Praha : SNTL 1975.

Doplňující literatura PAVELKA, J. a kol. Elektrické pohony. Praha : ČVUT 1996. ČERMÁK, T. Elektrické pohony. Ostrava : VŠB 1982. NEBORÁK, I.- VRÁNA, V. Elektrické pohony-sbírka řešených příkladů. Ostrava : VŠB 1990. BRANDŠTETTER, P. - NEBORÁK, I. - VRÁNA, V. Elektrické pohony - příklady návrhu logického řízení a simulace. Ostrava : VŠB, 1989. ČEŘOVSKÝ, Z. - GRIC, R. - PAVELKA, J. Výkonová elektronika. Praha : ČVUT 1996. ŠULC, B. – VÍTEČKOVÁ, M. Teorie a praxe návrhu regulačních obvodů. Praha ČVUT 2004 GVOZDJAK, L. - BORŠČ, M. - VITKO, A. Základy kybernetiky. Bratislava : Alfa 1990. CHVÁLA, B. - MATIČKA, R. - TALÁCKO, J. Průmyslové roboty a manipulátory. Praha : SNTL 1990. MALEC, Z. Servomechanismy pro robotiku. Brno : VUT 1986. PAVELKA, J. Cvičení z el.pohonů. Praha : ČVUT 2000. ZEHULA, K. Čidla robotů. Praha : SNTL 1990.

Internetové zdroje http://www.iautomatizace.cz/ http://www.e-automatizace.cz/ http://www.fs.vsb.cz/books/cislicovaregulace/

Témata semestrálních prací Akční členy - Elektromechanické, pneumatické, hydraulické. Automatizace, vznik, vývoj, historie. Číslicové regulátory a stabilita diskrétních obvodů. Diskrétní řízení, diskrétní regulační obvod. - Z transformace, diferenční rovnice. Inteligentní řízení (Fuzzy logika, neuronové sítě). Mechatronická soustava a systém. - Charakteristické znaky mechatronického výrobku. Mechatronika vznik, vývoj, historie. Moderní technologie v mechatronice. Přehled řídících systémů. - Typy a algoritmy řízení. Regulátory - dynamické vlastnosti, konstrukční principy, použití. Řízení mechatronických soustav. Senzory - Senzory polohy, teploty, tlaku, rychlosti, průtoku apod. Spojité lineární řízení - Laplaceova transformace, přímá a zpětná transformace. Statické a dynamické vlastnosti regulačních členů.

Vznik mechatroniky Výraz „mechatronics“ poprvé použil Tetsuro Mori, inženýr japonské firmy Yaskawa, v roce 1969. Jedná se o spojení slov „Mechanical systems“ a „Electronics“ Ve svém překladu znamená strojnictví a elektroniku. Integruje poznatky několika inženýrských oborů – mechanika (strojítrenství) , elektrotechnika a informatika. Cílem je vývoj jednodušších, ekonomičtějších, spolehlivějších a víceúčelových systémů. Důležitou součástí je také nauka o strategii a plánování výroby a metodologii projektování tzv. mechatronických výrobků. V ČR se pojem mechatronika začal užívat kolem r. 1985.

Vývoj mechatroniky Vývoj ve třech obdobích: ETAPA: vývoj mechatroniky spojen s návrhem a výrobou NC-obráběcích strojů a později s roboty. Je charakterizována strojem s řízeným mechanismem a elektronickými mikroprocesorovými obvody. ETAPA: koncept mechatroniky se rozšířil a byl úspěšně využit pro návrhy řady výrobků a označoval širší oblast na rozhraní mezi mechanikou a elektronikou. ETAPA: koncipuje se mechatronika jako vědní obor a současně se aplikuje do praxe.

Definice mechatroniky Existuje několik přístupů k definici mechatroniky: Sinergická integrace strojního inženýrství s elektronikou a inteligentním počítačovým řízením při návrhu a výrobě a procesů. Návrhová integrace vede k produktu, který zlepšuje předchozí úrovně přidáním nové dimenze funkčnosti. Návrh a výroba výrobků a zařízení, majících jak mechanickou funkčnost, tak integrované algoritmické řízení. Zde je kladen důraz na odlišení mezi mechatronikou a ostatními protínajícími se obory, jako je informační technologie a elektromechanický návrh. Navrhování inteligentních strojů, zde je kladen důraz na typickou vlastnost mechatronických produktů – jistou míru jejich inteligence.

Definice mechatroniky Obecně lze mechatroniku vymezit jako technický vědní obor, zabývající se analýzou, syntézou, výrobou a provozem počítačově řízených a programovatelných mechatronických systémů. Jde o soubor idejí, metod, přístupů a prostředků k vytváření moderních, přednostně elektronicky řízených elektromechanických soustav s technologickým působením, tj. strojů, zařízení nebo technologických procesů, navrhovaných jako elektro-mechanicko-technologická transformace pro optimální přeměnu vstupní energie ve výstupní technologický účinek.

Mechatronická soustava a její komponenty Mechatronická soustava je řízená elektromechanická soustava s technologickým působením – pracovní zařízení nebo stroj, navrhované jako elektro-mechanicko-technologická transformace pro optimální přeměnu vstupní elektrické energie ve výstupní technologický účinek. Obvykle chápeme mechatronickou soustavu jako kombinovanou, tj. např. elektromechanickou, elektrohydraulickou, elektropneumatickou. Dochází přitom k transformaci a přenosu jednotlivých druhů energie. Blokové schéma transformace a přenosu energie je na obrázku: i1 i2 Q Elektronický zesilovač Elektromechanikcý převodník Mechanickohydraulický převodník u1 u2 u2 p Blokové schéma transformace a přenosu energie

Mechatronický systém a jeho struktura Mechatronický systém je celek tvořený akčními členy, snímači, mikroelektrickými obvody. Znaky mechatronického systému: alespoň jeden z podsystémů s přímou energetickou interakcí je mechanický; Strategie řízení obsahuje koncept odpovídající odezvy na dynamický stav procesu a jeho okolí; Systém jako celek disponuje jistou mírou inteligence. Mechatronický systém lze charakterizovat: Interakcí mezi elektronickými, mechanickými, informačními a řídícími podsystémy; Prostorovou interakcí modulů v rámci jednoho kompaktního (fyzického) bloku;

Mechatronický systém a jeho struktura Vyznačuje se: flexibilní možností modifikace funkcí a struktury při měnících se podmínkách; existencí „neviditelných funkcí“, realizovatelných softwarově; stupněm globální inteligence a autonomnosti. Řídící podsystém Akční členy Řízená soustava Řídící podsystém

Mechatronický výrobek Výrobky, které jsou výsledkem postupů podle principů mechatroniky. Vyznačují použitím pokrokových materiálů, novými technologickými účinky, špičkovými technickými vlastnostmi a účelovou strojovou inteligencí, umožňující jim buď autonomní činnost, nebo racionální včlenění do nadřazeného řídícího systému. Charakteristika mechatronického výrobku: oproti mechanickým, vykazují určitý stupeň „inteligence“. Jsou programovatelné, disponují možnostmi: poskytování rad uživatelům, diagnostika vlastních chyb, opravování se pomocí vlastní rekonfigurace, spolupráce s jinými inteligentními stroji.

Dělení mechatronických výrobků a) mechanická zařízení s integrovanou elektronikou (vysuté vznášející se systémy, tlumiče vibrací, převodovky, zubové, řetězové a řemenové pohony, třecí nebo elastické spojky) b) přesné přístroje s integrovanou elektronikou (telekomunikační zařízení, předměty spotřební elektroniky, zařízení spravovávající data, senzory a akční členy, přístroje pro medicínu) c) stroje s integrovanou elektronikou (stroje vytvářející energii – vodní, parní nebo plynové turbíny, spalovací motory apod.; stroje spotřebovávající energii – generátory, čerpadla, kompresory, obráběcí stroje, roboty, dopravní prostředky)

Metodické kroky při návrhu mechatronického výrobku Životní cyklus každého výrobku se skládá ze šesti následujících navazujících fází: Vytvoření specifikace a plánování – cílem je formulovat požadavky, kladené na výrobek v podobě funkcí a výkonů, parametrů, časové dostupnosti, potřebných investic a dalších. Koncepční návrh – je vytvořena základní představa o funkci výrobku. Je provedena studie realizovatelnosti výrobku. Uplatní se návrhová tvořivost. Konstrukce výrobku a technická příprava výroby – časově nejnáročnější etapa technické přípravy výroby. Základní metodou řešení je tzv. paralelní navrhování. Snahou je, aby všechny potřebné kroky prováděl tým současně. Výroba výrobku - jde o technologické operace při vlastní výrobě konkrétního výrobku. Důležité je snižování nákladů a řízení kvality. Použití výrobků – výrobek se dostává na trh. Důležitá je zákazníkova zpětná vazba. Likvidace výrobku – možnost recyklace původního výrobku

Moderní technologie patrný trend směrem k miniaturizaci, spolehlivosti a vyšší funkčnosti. Při klasifikaci strojů, senzorů nebo mechanismů podle jejich rozměrů používáme různé modifikace termínů pomocí vkládaných předpon – MAKROSTROJ, MIKROSTROJ, NANOSTROJ. Mezi základní technologie mikrostrojů patří technologie mikroobrábění.

Moderní technologie Typ technologie Popis a hlavní charakteristika Křemíkové technologie (silicon process) Kombinuje litografii a umožňuje hromadnou výrobu. LIGA technologie Kombinuje rozšířenou litografii, elektrolitické pokovování a lisování. Umožňuje výrobu částí s vysokým poměrem stran. LIRIE technologie Kombinace litografie iontového reaktivního leptání Technologie obrábění paprskem Obrábění pomocí laseru, elektronového nebo iontového paprsku Konvenční obrábění Založeno na mechanickém odebírání třísky ze základního materiálu. Umožňuje výrobu vetšiny potřebných trojrozměrných strojů. Technologie vstřikovacího tvarování Tekutá živice nebo kovový prášek smíchaný s živicí je vstřikován do formy a tam vytvrdn. Umožňuje hromadnou výrobu trojrozměrných komponentů.

Křemíková technologie Často nazývána technologií integrovaných obvodů. Později byla tato metoda použita na miniaturizaci mechanických částí tlakových senzorů a senzorů zrychlení. Základní procedura pro výrobu mikrostrojů spočívá v těchto následujících krocích: Povrch křemíkového plátku je naoxidovaný vytvořením extrémně tenkého filmu SiO2. Tenký oxidační film je pokrytý pomocí tenké fotocitlivé živice. Fotorezistor je exponovaný (vystavený UV záření) přes masku, která má žádaný vzor. Exponované části rezistoru jsou odebrané z křemíkového plátku pomocí procesu vyvolávání (v případě pozitivního rezistu). Tenký film SiO2 v exponovaných částech kde není rezist je leptaný na odkrytí křemíkové plochy. Křemíkový nebo kovový tenký film je vytvořen na této ploše pomocí chemického napařovacího nanášení (Chemical Vapour Depositon – CVD)

Liga technologie Lithographie, Galvanoformung, Abformung (Lithography, Electroplating, and Molding) Je to technologie mikrostrojů, vyvinutá v Jaderném výzkumném centru Karlsruhe v Německu. Rovnoběžné rentgenové záření ze synchrotronu dopadá na vhodně upravenou šablonu s příslušným vzorem. Šablona je upravena tak, aby na učitých místech – plochách – zabránila pronikání záření. V otevřených plochách masky záření prochází a exponuje ochrannou látku – PMMA rezist. Rezist je potom vyvolán a výsledkem je PMMA forma, použitá na výrobu kovových součástek pomocí elektrolytického pokovování ve vyvolávaných oblastech. LIGA technologie dále umožňuje výrobu struktur, které mají vertikální rozměry od 100 mikrometrů až do milimetrů a horizontální rozměry mohou být několik mikrometrů. Jsou to trojrozměrné struktury, definované dvojrozměrnou litografickou šablonou (maskou).

Lirie technologie Lithography and Reactive Ion Etching Je založena na hloubkovém suchém leptání nebo elektrochemickém mokrém leptání a využívá odstraňování vrstev, které je kompatibilní s technologií integrovaných obvodů. Pomocí této technologie je možno vyrobit mikroakční členy a elektronické obvody na jednom čipu. V první etapě jsou nepohyblivá osa nebo stator leptány v monolitickém křemíkovém plátku. Pohyblivé části jsou připraveny z elektrochemicky leptané křemíkové membrány. Tloušťka membrány je definována pomocí zastavení procesu elektrochemického leptání v určitém stupni. Po dokončení tohoto procesu je pohyblivá část odebrána z křemíkové membrány a vložena do křemíkového plátku, připraveného v první etapě.

Technologie obrábění paprskem Je to metoda lokálního obrábění, kde je plocha materiálu ozářena pomocí energetického paprsku světla, elektronů nebo iontů. Představuje kombinaci eletrojiskrového obrábění a fotoformování. Paprskové obrábění lze např. využít i při výrobě otvorů – křemíkový plátek (wafer), umístěný v reaktivní plynné atmosféře, je exponován laserovým paprskem na vynucení lokálního růstu křemíkových krystalů, které tak tvoří mikrostrukturu. Často používaným je obrábění iontovým paprskem /focused Ion Beam - FIB), kdy např. velmi malá písmena na ploše diamantového vroubkovače jsou vyryta pomocí této FIB technologie.