Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

Introducere. Definiţii. Privire generală

Definiţii. Elemente fundamentale ale mecatronicii. Istoric şi evoluţie. Perspectivele mecatronicii

Există câteva domenii tehnice în care poate fi remarcată integrarea produselor sau proceselor electronice. Mai ales în ingineria mecanică, după anii 1980, fenomenul a fost extrem accentuat. Aceste sisteme s-au modificat, din electro-mecanice, cu componente distincte mecanice şi electrice, au devenit sisteme integrate electronico-mecanice, cu senzori, elemente de acţionare şi microelectronică digitală. Aceste sisteme integrate sunt acum cunoscute ca sisteme mecatronice.

În anul 1969, un inginer al firmei japoneze Yasakawa Electric Company a introdus pentru prima oară conceptul de mecatronică, definit în felul următor:

The word mechatronics is composed of ‘mecha” from mechanism and the “tronics’ from electronics. In other words, technologies and developed products will be incorporating more and more into mechanisms, intimately and organically, and making it impossible to tell where one ends and the other begins.

(Cuvântul mecatronică este compus din “meca”, de la mecanisme şi „tronica”, de la electronică. Cu alte cuvinte, tehnologiile şi produsele realizate vor încorpora în structurile mecanice din ce în ce mai mult componentele electronice, în mod intim şi organic, astfel încât să fie imposibil de spus unde se sfârşeşte unul şi începe celălalt. )

După definiţia Yasakawa, cea mai cunoscută definiţie este cea adoptată la IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1996, formulată de Harashima, Tomizuka şi Fukud, [Bi08] astfel:

“the synergistic integration of mechanical engineering, with electronics and intelligent computer control in the design and manufacturing of industrial products and processes”.(Mecatronica este integrarea sinergetică1 a ingineriei mecanice cu controlul electronic şi cel inteligent cu calculatoare în proiectarea şi fabricaţia produselor şi proceselor.)

Auslander şi Kempf, tot în 1996,[Bi08] au dat următoare definiţie:

Mechatronics is the application of complex decision making to the operation of physical systems.(mecatronica este utilizarea deciziilor complexe în acţionarea sistemelor fizice.)

În 1997Shetty şi Kolk, elaborează o altă definiţe:

Mechatronics is a methodology used for the optimal design of electromechanical products.(mecatronica este o metodologie utilizată pentru proiectarea optimă a produselor electromecanice).

W. Bolton avansează definiţia:1 Sinergie (din gr. Synergia - conlucrare) –( s.f., fiziol.) asociaţie a mai multor organe sau ţesuturi pentru îndeplinirea aceleiaşi funcţiuni

1

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

A mechatronic system is not just a marriage of electrical and mechanical systems and is more than just a control system; it is a complete integration of all of them.(un sistem mecatronic nu este doar un mariaj dintre sisteme electrice şi mecanice şi e mai mult decât doar un sistem de control; este integrarea completă a tuturor acestora.)

Definiţiile de mai sus sunt informative şi nici una dintre ele nu este completă. Deşi permanent se încercă clasificarea produselor mecatronice şi dezvoltarea unui curriculum standard al mecatronicii, nu există încă un consens asupra a „ce este mecatronica?”. Acest fapt este, paradoxal, îmbucurător, întrucât arată tinereţea domeniului şi faptul că este în continuă dezvoltare şi creştere. Chiar şi fără o definiţie consensuală, inginerii înţeleg din cele de mai sus precum şi din experienţa proprie care este esenţa mecatronicii : o ştiinţă inginerească interdisciplinară care are ca scop optimizarea performanţelor sistemelor tehnice prin îmbinarea armonioasă a elementelor mecanice, electronice şi informatice.

Aşa cum există mai multe definiţii, tot aşa există şi mai multe modele, intersecţii de domenii, care sugerează obiectul mecatronicii. Cel mai cunoscut este cel din Figura 1.

Fig. 1 Mecatronica - integrarea completă a sistemelor

Principalele subsisteme ale componentelor mecatronicii sunt:Electronica

o Microelectronicao Electronică de putereo Senzori

Mecanica

ElectronicaTehnologie informatică

Mecatronică

ElectromecanicaSoftware pentru partea mecanică

Software pentru partea electrică

2

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

o ActuatoareTehnologia informatică

o Teoria sistemeloro Modelareo Automatizărio Softwareo Inteligentă artificială

Mecanicao Elemente constructive mecaniceo Maşinio Mecanică fină

Evoluţia istorică a sistemelor mecanice, electrice şi electronice

De-a lungul istoriei au existat tentative de a construi sisteme mecanice automate. Pentru prima oară însă termenul de automatizare a fost folosit în anii 1940, de compania Ford Motor pentru a defini un proces în cadrul căruia o maşina transporta un subansamblu de la o staţie de lucru la alta şi îl poziţiona precis în vederea următoarei operaţii de asamblare. Dar cu mult înainte introducerea termenului, apăruseră sisteme mecanice automate. De exemplu, se consideră ca primul sistem de control automat din tehnică a fost introdus de Ktesibios, (300 BC, şcoala din Alexandria ) care a inventat primul regulator de debit cu plutitor. Două exemple ce pot fi date sunt clepsidra lui Ktesibios şi lampa cu ulei a lui Philon, care de asemenea folosea un regulator pentru a menţine constant nivelul uleiului. În sec. I A.C., Heron din Alexandria a publicat cartea Pneumatica care folosea diverse mecanisme ce utilizau regulatorul cu flotor.În evul mediu, Cornelis Drebbel (1572-1633), din Olanda, a realizat regulatorul de temperatură, unul din primele sisteme de feed-back (legătură inversă) ale timpului său. Apoi, Dennis Papin, (1647-1712) a inventat un regulator de presiune de siguranţă, în 1681, pentru cazanul cu aburi sub presiune, care seamănă foarte mult cu valva de siguranţă de la vasele de gătit sub presiune din zilele noastre. În 1642, Pascal a inventat prima maşină de calculat, mecanică.În 1765, în Rusia, Polzunov se remarcă prin realizarea unui regulator de apă cu flotor pentru boiler. În 1769, Watt marchează un punct important al automatizării prin inventarea regulatorului cu bile care îi poartă numele, regulatorul Watt. Acesta controlează viteza, şi Watt l-a utilizat în controlul vitezei motorului cu abur. Regulatorul măsoară viteza de rotaţie a arborelui de ieşire şi mişcarea bilelor este utilizată în controlul valvelor, astfel fiind controlată cantitatea de abur care intră în motor. Dacă turaţia arborelui creşte, sferele metalice ale aparatului se ridică şi se îndepărtează de axa arborelui, astfel închizând valva. Acesta este un exemplu de control prin feed-back în care semnalul de feed-back şi acţionarea de control sunt complet cuplate în hardware-ul mecanic. Aceste prime automatizări au fost realizate punctual, de către ingineri talentaţi, experimentaţi şi foarte dedicaţi profesiei. Următorul pas în evoluţia automatizărilor a fost elaborarea unei teorii de control automat. Precursorul maşinilor controlate numeric (NC) pentru manufacturare automatizată a apărut în anii 1800 prin invenţia lui Joseph Jacquard (Franţa), şi anume maşina de tricotat cu modele, cu benzi perforate. În ultimii ani ai secolului XIX, J.C.Maxwell a iniţiat teoria care astăzi este cunoscută ca teoria controlului, plecând de la analiza (un set de ecuaţii diferenţiale) regulatorului lui Watt. În anii 1830, Michael Faraday descrie legea inducţiei care va sta la baza motorului electric şi a dinamului electric. Ulterior, Nikola Tesla a inventat motorul cu

3

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

inducţie de curent alternativ. Astfel, până la sfârşitul sec XIX, ideile fundamentale ale controlului automatizat al unui sistem mecanic erau bine fundamentate. Apoi, în secolul XX, automatizarea a cunoscut o evoluţie foarte rapidă, ajungând până la nivele de autonomie din ce în ce mai ridicate. Caracteristica esenţială a sistemelor tehnice de până la 1900 este faptul că erau sisteme pur mecanice, unele dintre acestea adevărate bijuterii, cum ar fi maşina de calcul a lui Charles Babbage, precursoarea computerului de astăzi, sau maşina de scris mecanică. Între anii 1930-1940 s-a dezvoltat mult, mai ales în SUA, controlul cu elemente pneumatice apoi cu sisteme telefonice şi cu amplificatoare electronice de feed-back. Din punct de vedere teoretic, teoria controlului s-a dezvoltat puternic în Rusia, matematicienii ruşi dominând formularea modelelor sistemelor de control. Dezvoltări ulterioare au condus la formularea în anii 1960 la ceea ce astăzi este cunoscut ca şi controlul modern Cel de-al doilea război mondial a determinat evoluţii teoretice şi practice în domeniul controlului automat dat fiind efortul de a construi pilotul automat de aviaţie, sistemele de poziţionare a armelor, sistemele de control ale antenelor radar şi alte sisteme militare. În ceea ce priveşte bunurile de consum, la începutul anilor 1940 automatizarea proceselor de producţie a deveni t prioritară datorită costurilor scăzute în cazul producţiilor de masă. În anii 1950, aplicarea unor invenţii precum came, mecanisme, transmisii cu lanţuri, au condus la asamblări precizie şi producţie de masă, eficientă. Aici se pot da ca exemple maşinile de tipărit, de tricotat, de cusut, de prelucrat hârtia. Dezvoltarea microprocesoarelor în anii 1960 a condus la forme timpurii de control computerizat în procesare şi proiectarea de produs. Ca exemple se pot da maşinile cu comandă numerică (NC machines) şi sistemele de control ale aparatelor de zbor. Matematicienii sovietici din nou deţin supremaţia în dezvoltarea metodelor de control precum şi a teoriilor de control optim şi acestea se completează cu disponibilitatea crescândă a computerelor performante şi a noilor limbaje de programare. La începutul anilor 1960 sunt realizaţi primii roboţi industriali, practic telemanipulatoare. Din 1960-roboţii industriali şi apoi cei din aparatura medicală se dezvoltă permanent. Anii 1970 sunt caracterizaţi de introducere de roboţii umanoizi - Japonia.Dezvoltarea electronicii prin introducerea semiconductorilor şi a circuitelor integrate a condus la dezvoltarea unei noi clase de produse care incorporau în sistemul lor elemente mecanice şi electronice şi pentru funcţionare aveau nevoie de ambele tipuri de elemente. Astfel , a apărut termenul de mecatronică, cum s-a arătat mai sus. După anii 1980, utilizarea computerelor digitale ca şi componente integrate ale sistemelor de control a devenit rutină. Este evident că sistemele mecatronice moderne presupun computerul ca şi element central, încorporarea microprocesorului pentru a modula precis puterea şi pentru a adapta sistemul la schimbările de mediu fiind esenţială în mecatronica modernă.

4

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

Figura Primul regulator de debit cu plutitor(Clepsidra si primul mecanism de control automat - Flotor cu valvă -Ktesibios, 300 B.C.,Alexandria)

Fig. Regulator de debit – (Heron din Alexandria, aprox 1 A.C.- Sifonul pentru clepsidra cu apă)

5

Plutitor (flotor)

Valva de control pentru clepsidra cu apa a lui Ktesibios

valva

Plutitor (flotor)

Clepsidra

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

Tabel Sinteza evoluţiei sistemelor mecanice, electrice şi electronice [Bi08]Sistem Implementarea in sisteme

a noilor invenţii-exemplaProgrese, invenţii

Sisteme pur mecanice <1900

1870 motorul de curent continuu1889 motorul de curent alternativ

1860 motorul cu abur1870 dinamul1880 pompe circulare1880 motaore cu combustie internă Maşina de scris Maşini unelte Pompe

<1900

Dezvoltarea acţionărilor cu motoare electrice

Sisteme mecanice cu acţionare electrică

1920 Relele, solenoiziAmplificatoare electrice, hidraulice, pneumaticePI controlere

Maşina de scris electrică

Sisteme mecanice cu control automat

1935 Tranzistor 1948Tiristor 1955

Turbine cu abur pentru aviaţie 1935-1955

Creşterea controlului automat

Sisteme mecanice cuo Control analog

electronico Control secvenţial

1955 Calculatoare digitale1955Calculatoare de process1959Real time software1966Microcomputere1971Automatizare digitală descentralizată 1975

Lifturi controlate electronic

Sisteme mecanice cuo Control digital continuuo Control secvenţial

digital

1975 Microcontrolere 1978Computere personale 1980magistrale de processNoi senzori şi actuatoriIntegrarea componentelor

Maşini unelte cu comandă numericăRoboţi industrialiPeriferice de calculator

1955-1975Creşterea controlului automat cu calculatoare de proces şi miniaturizare

Sisteme mecatroniceo Integrare mecanică şi

hardware electronico Softwareo Noi unelte de proiectare

pentru inginerie simultană

o Efecte sinergetice

1985 Roboţi mobiliRulmenţi magneticiControlul electronic al autovehiculelor (ABS, TCS)Unităţi CD-ROM

1975-1985Creşterea integrării proceselor şi microcomputereleo

6

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

Fig. Regulator al nivelului de apă

Fig. Regulatorul centrifugal Watt

Conceptul de sistem mecatronic : un sistem mecatronic este un sistem tehnic care integrează într-o configuraţie flexibilă, componente mecanice, electronice şi de comandă cu sisteme numerice de calcul, pentru generarea unui control inteligent al mişcărilor, în vederea obţinerii unei multitudini de funcţii.

Prin integrare se înţelege:o Integrarea spaţială, realizată în mod fizic prin întrepătrunderea constructivă a

subsistemelor mecanice, electronice şi de comandăo Integrarea funcţională, realizată prin intermediul software-ului.

7

Arbore de ieşire

motor

valvă

abur

boilerTuraţiemăsurată

Sferă metalică

regulator

apă

valvă

flotor curent

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

Inteligenţa este atribuită funcţiei de control şi este caracterizată de comportare adaptivă, bazată pe percepţie, raţionament, autoînvăţare, diagnosticarea erorilor şi reconfigurarea sistemului (de. ex, comutarea pe module intacte în cazul unei defecţiuni).

Flexibilitatea se referă la uşurinţa cu care sistemul poate fi adaptat sau chiar se poate adapta singur, la un nou mediu, pe parcursul ciclului său de funcţionare; acest fapt implică doar schimbarea adecvată a programelor de control (software), şi nu a structurii sale mecanice sau electronice (hardware).

Studiul sistemelor mecatronice poate fi făcut urmărind următoarele domenii de bază (cu subdomeniile corespunzătoare):

1. modelarea sistemelor fiziceo Mecanica solideloro Mecanica fluideloro Sisteme electriceo Sisteme termiceo Micro şi nano sisteme

2. senzori şi actuatorio senzori

o senzori de translaţie şi de rotaţieo senzori de acceleraţieo senzori de forţă, moment şi presiuneo senzori de debito senzori de temperaturăo senzori de domeniu şi proximitateo senzori de lumină, sisteme de imagineo dispozitive cu fibre opticeo micro şi nanosenzori

o actuatorio actuatori electro mecanicio motoare de CC, CA, motoare pas cu paso actuatori piezoelctricio actuatori pneumatici şi hidraulicio micro si nano actuatori

3. semnale şi sistemeo modelare mecatronicăo semnale şi sisteme în mecatronicăo răspunsul sistemelor dinamiceo metode de răspuns în frecvenţăo metode ale variabilelor de stareo stabilitate, control şi observabilitateo observatori şi filtre

8

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

o proiectarea filtrelor digitaleo proiectarea controlului optimo proiectarea controlului neliniar şi adaptivo reţele neurale şi sisteme fuzzyo control inteligent pentru mecatronicăo identificare şi optimizare de design

4. computere şi sisteme logiceo logică digitalăo sisteme de comunicareo detecţia eroriloro proiectarea sistemelor logiceo logică secvenţială asincronă şi sincronăo arhitectura computerelor şi microprocesoareo interfeţe ale sistemeloro controllere logice programabileo computere integrate pentru control

5. software şi achiziţie de dateo sisteme de achiziţii de dateo sisteme de măsurare şi traductoareo conversii A/D şi D/A o amplificatoare de semnalo sisteme de măsurare computerizateo softwareo înregistrarea datelor

Schema bloc a unui sistem mecatronic

9

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

Domenii de aplicare a sistemelor mecatronice

Industrie lagare magnetice elemente constructive ale maşinilor cu electronica integrata sisteme de injecţie electronice sisteme automate pentru comanda vehiculelor masini unelte cu comanda numerică roboţi industriali roboţi mobili si păşitori vehicule cu ghidare automată avioane militare autonome rachete autoghidate sisteme pentru condiţionarea aerului imprimante laser şi plottere sisteme pentru citirea/redarea informaţiei etc.

Agricultură roboţi agricoli roboţi pentru industria alimentarea maşini agricole autonome sisteme de irigaţii comandate prin calculator etc.

Medicină şi biomecanică roboţi medicali organe artificiale dispozitive chirurgicale aparate pentru investigaţii

Pentru uz general camere foto aparatura video antene TV cu poziţionare automata automate comerciale automate bancare aparatura electrocasnică inteligentă

o maşini de cusuto maşini de spălato diverşi roboţi (de ex: robotul de pâine)

Construcţii roboţi pentru construcţii sisteme de securitate automată automatizarea locuinţelor si clădirilor etc.

10

Curs 1 Bazele sistemelor mecatronice

11