Ladislav Maixner a kolektiv

Ladislav Maixner a kolektiv



M

J C

K

P 28

48

635 0 B O @ B 80 5 513

N ISBN 80 251 291 3 PRODEJN K D

KU054

D

D

Bez názvu-1 1

29 K

39 S

6.12.2013 8:43:28

Mechatronika učebnice Ladislav Maixner a kolektiv

Computer Press Brno 2006

KU0054_mechatronika_final.indd i

23.10.2006 15:08:10

Mechatronika učebnice Ladislav Maixner a kolektiv © Computer Press, Brno, 2006. Vydání první. Vydalo nakladatelství Computer Press, a. s., jako svou 2402. publikaci. Všechna práva vyhrazena. ISBN 80-251-1299-3 Prodejní kód: KU0054 Lektorovali: Prof. Ing. Jaroslav Talácko, CSc., Prof. Ing. Bořivoj Hanuš, DrSc.

Odpovědný redaktor: Vít Šebor Technický redaktor: Zuzana Kopúnová Vnitřní úprava a sazba: Zuzana Kopúnová

Jazyková korektura: Jana Otevřelová Obálka: Martin Sodomka Produkce: Petr Baláš

Žádná část této publikace nesmí být publikována a šířena žádným způsobem a v žádné podobě bez výslovného svolení vydavatele. Computer Press, a. s., nám. 28. dubna 48, 635 00 Brno tel.: 546 122 111, fax: 546 122 112 Bezplatná telefonní linka: 800 555 513 http://knihy.cpress.cz Dotazy k vydavatelské činnosti směřujte na adresu [email protected]. Máte-li zájem o pravidelné zasílání informací o knižních novinkách do vaší e-mailové schránky, zašlete nám zprávu, obsahující váš souhlas se zasíláním knižních novinek, na adresu [email protected].

Kompletní produkci nakladatelství najdete na www.knihy.cpress.cz

KU0054_mechatronika_final.indd ii

23.10.2006 15:08:36

Obsah

Předmluva Úvod

1 3

Ing. Gunnar Künzel

1.

Úvod do mechatroniky

5

1.1 Vznik, vývoj a definice mechatroniky

5

1.2 Mechatronická soustava a její komponenty

9

1.3 Mechatronický systém a jeho struktura

11

1.4 Příklady a ukázky aplikací principů mechatroniky

14

1.5 Slovníček základních pojmů

14

1.6 Kontrolní otázky a úlohy

16

Ing. Gunnar Künzel

2.

Mechatronický výrobek

17

2.1 Mechatronický výrobek 2.1.1 Charakteristika mechatronického výrobku

17 17

2.2 Metodické kroky při návrhu mechatronického výrobku

19

2.3 Inteligentní materiály v mechatronice

19

2.4 Moderní technologie používané v mechatronice

26

2.5 Příklady a ukázky mechatronických výrobků

35

2.6 Kontrolní otázky a úlohy

36

2.7 Použitá literatura (kapitoly 1 a 2)

36

Bc. Jindřich Král

3.

Senzory v mechatronických soustavách

37

3.1 Úvod 3.1.1 Definice senzoru

37 39

iii

KU0054_mechatronika_final.indd iii

23.10.2006 15:08:36

OBSAH

Mechatronika 3.1.2 Inteligentní senzory 3.1.3 Struktura inteligentních senzorů

40 41

3.2 Senzory polohy 3.2.1 Optoelektronické senzory 3.2.2 Kapacitní senzory 3.2.3 Odporové senzory 3.2.4 Dotykové maticové senzory 3.2.5 Indukčnostní senzory 3.2.6 Magnetostrikční senzory 3.2.7 Magnetické senzory 3.2.8 Fluidní senzory 3.2.9 Ultrazvukové senzory

41 42 56 59 61 63 65 66 68 70

3.3 Senzory teploty 3.3.1 Dotykové senzory teploty 3.3.2 Bezdotykové senzory (pyrometry) 3.3.3 Indikátory teploty

71 71 76 78

3.4 Senzory síly, tlaku a hmotnosti 3.4.1 Odporové tenzometry 3.4.2 Deformační členy 3.4.3 Piezoelektrické senzory 3.4.4 Kapacitní senzory 3.4.5 Optoelektronické vláknové senzory (OVS) 3.4.6 Senzory momentu síly 3.4.7 Mechatronický přístup

78 78 80 81 82 82 83 83

3.5 Senzory zrychlení 3.5.1 Kapacitní akcelerometr MEMS 3.5.2 Rotační akcelerometr 3.5.3 Elektrodynamický akcelerometr

84 84 85 86

3.6 Senzory průtoku 3.6.1 Objemové senzory 3.6.2 Rychlostní senzory

86 86 87

Prof. Ing. Jaroslav Nosek, CSc.

4.

Akční členy mechatronických soustav

89

4.1 Elektromechanické akční členy 4.1.1 Akční členy s magnetickým polem

90 91

iv

KU0054_mechatronika_final.indd iv

23.10.2006 15:08:36

Obsah 4.1.2 Akční členy s elektrickým polem 4.1.3 Akční členy využívající vlastností inteligentních materiálů

113 113

4.2 Pneumatické akční členy

128

4.3 Hydraulické akční členy

129

4.4 Srovnání elektromechanických, pneumatických a hydraulických akčních členů

131

4.5 Inteligentní mikroelektromechanické systémy (MEMS)

133

4.6 Použitá literatura

135

Ing. Ladislav Šmejkal, CSc.

5.

Řízení mechatronických soustav, automatizace a řídicí systémy 137 5.1 Význam řídicí techniky pro mechatroniku

137

5.2 Řízení a automatizace v našem životě

139

5.3 Programovatelnost řídicích systémů a její důsledky

140

5.4 Řídicí systém a komunikace s okolím

141

5.5 Typy a algoritmy řízení 5.5.1 Řízená soustava 5.5.2 Algoritmus řízení 5.5.3 Dopředné a zpětnovazební řízení 5.5.4 Číslicové, logické a hybridní algoritmy 5.5.5 Statické a dynamické, kombinační a sekvenční systémy 5.5.6 Příklady regulačních algoritmů 5.5.7 Logické řízení

145 145 146 146 148 149 149 151

5.6 Distribuovanost a integrace v automatizaci 5.6.1 Distribuované systémy 5.6.2 Integrovaná a globální automatizace

154 154 154

5.7 Přehled řídicích systémů 5.7.1 Řídicí systém – úvaha o terminologii 5.7.2 Řízená soustava 5.7.3 Programovatelný automat, PLC (Programmable Logic Controller) 5.7.4 SoftPLC 5.7.5 Programovatelný logický modul, chytré relé 5.7.6 Průmyslový počítač 5.7.7 Distribuovaný řídicí systém 5.7.8 Operátorské rozhraní 5.7.9 Regulace a regulátory

156 156 157 157 159 160 160 162 162 163 v

KU0054_mechatronika_final.indd v

23.10.2006 15:08:37

OBSAH

Mechatronika 5.7.10 Distribuovaný regulační systém IRC 5.7.11 Regulátory pohonů 5.7.12 Systémy NC a CNC 5.7.13 Řízení pohybu, polohy a dráhy v PLC, Motion Control

164 165 166 168

Ing. Ladislav Šmejkal, CSc.

6.

Inteligentní řízení mechatronických soustav

171

6.1 Motivační úvod

171

6.2 Chytrost a inteligence

175

6.3 Minimum o fuzzy logice 6.3.1 Důvody pro fuzzy logiku 6.3.2 Zjednodušený výklad 6.3.3 Fuzzy zobecnění logických výrazů 6.3.4 Fuzzy diagnostický systém 6.3.5 Typický postup a struktura fuzzy systému 6.3.6 Fuzzy zobecnění AND, OR, NOT 6.3.7 Typické použití fuzzy algoritmů

176 176 178 179 180 181 182 184

6.4 Neuronové sítě 6.4.1 Od prahových funkcí k neuronům 6.4.2 Umělé neuronové sítě

184 184 187

6.5 Genetické algoritmy

189

6.7 Použitá literatura (kapitoly 5 a 6)

191

Doc. Ing. Vladislav Singule, CSc., Doc. RNDr. Ing. Tomáš Březina, CSc.

7.

Návrh mechatronické soustavy

193

7.1 Mechatronický přístup k procesu návrhu soustavy 7.1.1 Tradiční metodika konstruování strojních soustav 7.1.2 Mechatronický způsob konstruování strojních soustav

193 194 195

7.2 Struktura mechatronických soustav a základní principy jejich návrhu 7.2.1 Základní struktura 7.2.2 Modularizace a hierarchizace 7.2.3 Integrace činností a prostorová integrace

196 196 198 199

7.3 Speciální hlediska vývoje a konstruování mechatronických soustav 7.3.1 Komunikace a kooperace mezi experty z jednotlivých oborů

200 200

vi

KU0054_mechatronika_final.indd vi

23.10.2006 15:08:37

Obsah 7.3.2 Větší složitost soustavy 7.3.3 Tvorba virtuálních prototypů

201 202

7.4 Metodika mechatronického návrhu 7.4.1 Postup 7.4.2 Cyklus návrhu na mikroúrovni (mikrocyklus) 7.4.3 Cyklus návrhu na makroúrovni (makrocyklus) 7.4.4 Pracovní postup pro opakující se pracovní kroky

202 202 203 204 206

7.5 Návrh soustavy založený na modelu 7.5.1 Modelování 7.5.2 Postup návrhu soustavy založený na modelu

209 209 211

7.6 Nástroje

212

7.7 Příklady návrhu mechatronických soustav 7.7.1 Návrh a optimalizace konstrukce humanoidního robotu 7.7.2 Návrh vícesouřadnicového pohonu

216 216 223

7.8 Slovník pojmů

229


231

Ing. Jaroslav Svoboda

8.

Mechatronické systémy

233

8.1 Uživatelé a klíčové trhy 8.1.1 Uživatelé 8.1.2 Klíčové trhy

233 233 233

8.2 Výrobní systém 8.2.1 Strojírenská výroba a informační technologie 8.2.2 Výrobní stroje

234 234 236

8.3 Nevýrobní systém 8.3.1 Telekomunikace a síťové produkty 8.3.2 Lékařství 8.3.3 Technické vybavení budov 8.3.4 Spotřební zboží

238 238 238 239 241

8.4 Dopravní systémy 8.4.1 Doprava silniční 8.4.2 Doprava kolejová, lodní a letecká

242 242 247

8.5 Odborné školství

247

vii

KU0054_mechatronika_final.indd vii

23.10.2006 15:08:37

OBSAH

Mechatronika Doc. Ing. František Kelča, DrSc.

9.

Spolehlivost a diagnostika mechatronických soustav

253

9.1 Úvod 9.1.1 Definice technické diagnostiky 9.1.2 Spolehlivost 9.1.3 Předpověď poruch – predikce 9.1.4 Význam technické diagnostiky pro mechatroniku

253 253 253 253 254

9.2 Spolehlivost 9.2.1 Spolehlivost funkcí strojů, zařízení a systémů 9.2.2 Základy pravděpodobnosti a spolehlivosti 9.2.3 Výpočet spolehlivosti a pravděpodobnosti

254 254 254 257

9.3 Údržba strojů a zařízení 9.3.1 Způsoby údržby a její organizace 9.3.2 Údržba po poruše 9.3.3 Údržba v plánovaném čase 9.3.4 Údržba dle skutečného času

257 257 258 258 259

9.4 Metody technické diagnostiky 9.4.1 Metoda provozní diagnostiky 9.4.2 Metoda operativní diagnostiky 9.4.3 Metoda preventivní diagnostiky 9.4.4 Diagnostika vibrační, hluková, tribo a thermo

261 261 262 262 264

9.5 Automatická diagnostika 9.5.1 Základní principy 9.5.2 Hardwarová automatická technická diagnostika 9.5.3 Softwarová automatická technická diagnostika 9.5.4 Sběr dat

268 268 270 271 271

9.6 Technická diagnostika mechatronických a pružných výrobních systémů 9.6.1 Diagnostika mechatroniky strojů 9.6.2 Diagnostika řídících systémů a ovládání strojů 9.6.3 Autodiagnostika

272 272 273 273

9.7 Expertní systémy pro technickou diagnostiku 9.7.1 Aplikace principů umělé inteligence (A. I.) 9.7.2 Predikce 9.7.3 Příklad expertního systému 9.7.4 Moderní metody údržby a technické diagnostiky

273 273 274 276 278

viii

KU0054_mechatronika_final.indd viii

23.10.2006 15:08:38

Obsah 9.8 Závěr 9.8.1 Zhodnocení současného stavu 9.8.2 Směr dalšího vývoje

279 279 280


280

ix

KU0054_mechatronika_final.indd ix

23.10.2006 15:08:38

KU0054_mechatronika_final.indd x

23.10.2006 15:08:38

Předmluva

Pojem mechatronika doprovází již řadu let vývoj a výrobu technických systémů. Jde především o souvislost se skutečností, že například stroje se postupně z původní monoprincipiální koncepce staly kombinovanými systémy s účastí mechanické, hydraulické, pneumatické, elektrické, elektronické složky v jejich struktuře, do které dále s rostoucím vlivem zasahuje programové vybavení v rámci realizace řídicích funkcí. Mechatronika je přístup, filozofie tvorby a provozu těchto moderních systémů, jejímž cílem je optimalizace uvedené multioborové struktury již ve fázi návrhu a dále optimalizace zajištění provozu s prioritou spolehlivosti a hospodárnosti. Uvedené důvody byly motivem pokusů o vznik nových oborů na vzdělávacích institucích jednotlivých stupňů. Problémem mechatroniky, a to jak metody projektování strojů, tak i metodiky výuky, jsou obtíže s propojením dílčích zúčastěných oborů, které se dlouhou dobu vyvíjely odděleně s přímo nesrovnatelnými veličinami, terminologií, symbolikou. Tímto problémem jsou poznamenány i publikace, které do této doby vznikly. V tomto pohledu je třeba vnímat a přijmout nově vzniklou publikaci na téma mechatronika, která je jedním z dalších pokusů o vstup do stále ještě neurčitého prostoru. Publikace navazuje na úspěšně vydanou učebnici Automatizace pro střední školy.

Prof. Ing. Jaroslav Talácko, CSc., předseda Českomoravské společnosti pro automatizaci

1

KU0054_mechatronika_final.indd Odd1:1

23.10.2006 15:08:38


23.10.2006 15:08:39

Úvod

Mechatronika je relativně mladý obor, který vznikl implementací stále dokonalejších prvků výpočetní techniky do původních pouze elektromechanických výrobků. Napojením inteligentních prvků dosahují výrobky nové kvality. Vlastnosti takových výrobků i metodika jejich vzniku je charakteristickou náplní právě oboru mechatronika. Vzhledem k rychlému průniku oboru do naší vzdělávací soustavy jak na úrovni středních odborných škol, tak technických univerzit, se do jistého zpoždění dostala příprava učebních pomůcek. Tvorbu učebních textů, především pro středoškolské studenty, sleduje už nejméně 10 let ČMSA. S pozitivními zkušenostmi se zpracováním učebních textů Automatizace a automatizační technika byla zvažována příprava učebních textů i pro tento rozvíjející se obor. Brzy se ukázalo, že problémy vznikají už při tvorbě základních definic a další při úvahách o optimální náplni učebních textů, tak aby organicky navazovaly na předchozí publikaci. Všechny tyto problémy byly obsáhle diskutovány na semináři s tímto záměrem uspořádaném a ve skupině autorů, kterou se podařilo pro tento účel sestavit. Erudovaným autorům ze dvou středních škol, fakulty mechatroniky T U Liberec, strojní fakulty VUT Brno, ČZU Praha a TECO Kolín se ve spolupráci s lektory podařilo připravit učební text, který podle našeho názoru může být dobrou pomůckou při výuce na technických středních školách. Současně předpokládáme jistý vývoj náplně učebního textu v souvislosti s vývojem oboru a s využitím zkušeností s jeho praktickým uplatňováním.

Doc. Ing. Ladislav Maixner, CSc., koordinátor učebního textu a lektor

3


23.10.2006 15:08:39


23.10.2006 15:08:39

Úvod do mechatroniky

1

1.1 Vznik, vývoj a definice mechatroniky Pojem mechatronika se začal používat poprvé v Japonsku v polovině 70. let a v roce 1976 se objevil na titulní straně časopisu zabývajícího se stavem japonského průmyslu. Název vznikl ze slov MECHAnical systems and elecTRONICS. Japonci si uvědomili, že při projektování moderních inteligentních výrobků lze dosáhnout nejlepších výsledků postupem „shora dolů“ (vertikálně), vycházejícím ze specifikace projektovaného výrobku a zabývajícím se stále podrobnějšími detaily. Pro tento účel vytvořili nový obor, integrující poznatky nejen z mechaniky, elektrotechniky a informatiky, ale i z dalších současných oborů. Za důležitou součást tohoto nového oboru, nazvaného později „mechatronika“, považovali i nauku o strategii plánování výroby a o metodologii projektování tzv. mechatronických výrobků. Technické i obchodní úspěchy Japonců v oblasti mechatroniky vyvolaly rychlou odezvu ve vyspělých průmyslových zemích, především v USA, Anglii, Německu, Francii a ve skandinávských zemích – zejména ve Finsku. V USA to vedlo k radikálním zásahům do organizace průmyslového výzkumu, výroby i osnov amerického školství. Poradní komise pro průmyslový výzkum a rozvoj (IRDAC) při EU označila mechatroniku již v r. 1986 za jednu z nejpotřebnějších složek evropských výzkumných a vzdělávacích programů. V ČR se pojem mechatronika začal vyskytovat asi od r. 1985, kdy v Japonsku již existovaly výzkumné ústavy (např. Centrum mechatroniky fy Yaskawa Chiba) zabývající se speciálními problémy mechatroniky v úzkém spojení s robotikou a začaly vycházet první učebnice tohoto oboru a Praktická příručka mechatroniky. Pokrokové tendence, u nás uplatňované především v oblasti lineárních pohonů s kmitavým pohybem (např. Škoda Plzeň, VÚSE Běchovice), nezřídka přijímané více než rezervovaně, se ukázaly být v souladu s dnes prosazovanými přístupy mechatroniky. Zatímco ve vyspělých zemích, kde byl význam a praktické dopady mechatroniky pochopeny, v ČR zatím výraznější podpora státních i privátních institucí chybí. Přitom rozvoj „mechatronického průmyslu“ vyžaduje relativně malé prostorové nároky a energetické vstupy, což je pro naše národní hospodářství výhodou. Podstatným znakem mechatroniky je orientace na kvalitní výrobek s vysokou užitnou hodnotou. Proto musí být výuka vedena tak, aby jednotlivé předměty směrovaly studenty k integraci a kompatibilitě získaných poznatků ve prospěch optimálního výsledku při návrhu konkrétních zařízení. Důležitá je též týmová spolupráce při řešení projektu mechatronického systému od počátku jeho vývoje. V současné době se mechatronika jako obor vyučuje na VUT FS Brno, FS ČVUT Praha, ZČU Plzeň, TU v Ostravě a v Liberci, kde zřídili Fakultu mechatroniky a mezioborových inženýrských studií při TU. Významně se rozšířilo studium mechatroniky také na Slovensku. 5


23.10.2006 15:08:39

1

ÚVOD DO MECHATRONIKY

Mechatronika Od roku 2000 jsou na některých středních školách ve vzdělávacím programu Mechatronika připravováni technici, systémoví specialisté, kteří se uplatní při stavbě, montáži, uvádění do provozu, seřizování, údržbě, diagnostice, servisní péči a obchodně-technických službách složitých strojů, výrobních strojů CNC, robotů a dalších zařízení mechatronické povahy. Ve vývoji mechatroniky lze vysledovat tři období: V I. etapě byl vývoj mechatroniky úzce spojen s návrhem a výrobou NC-obráběcích strojů a později s roboty. Je charakterizována strojem s řízeným mechanismem a elektronickými mikroprocesorovými obvody. Tato první mechatronika sedmdesátých let vzniká kombinací slov MECHAnismus a elekTRONIKA, je nazývána mechatronikou v užším smyslu a někdy se Japonsku chápe jako synonymum robotiky. V 80. letech (II. etapa) se koncept mechatroniky rozšířil a byl úspěšně využit pro návrhy řady výrobků a označoval širší oblast na rozhraní mezi mechanikou a elektronikou, mluvíme o mechatronice v širším smyslu. Ve III. etapě koncem 80. let už dochází k vytvoření ustálené metodiky při návrhu mechatronických výrobků, koncipuje se mechatronika jako technický a vědní obor a současně dochází k jeho aplikaci na nejrůznější technické objekty. /1/ Definice mechatroniky Přesto, že o pojmu mechatronika bylo v posledních letech mnoho řečeno a napsáno, obsah tohoto pojmu se stále vyvíjí a prozatím neexistuje shoda na vymezení mechatroniky. Uveďme několik přístupů k jejímu definování:

• Synergická integrace strojního inženýrství s elektronikou a inteligentním počítačovým řízením při návrhu a výrobě výrobků a procesů (zde je položen důraz na synergii jako pojem zdůrazňující, že mechatronika přináší více, než jen pouhý součet částí v celku). 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 (viz obr. 1.1), jako je informační technologie a elektromechanický návrh. Mechatronické výrobky plní nějaké mechanické funkce oproti pouhému zpracování dat a jsou algoritmicky řízeny, a to nikoliv jen pomocí klasických analogových PID regulátorů. senzory

akční členy

• Navrhování inteligentních strojů, zde je

cha

niz my

ory ces pro kro mi

me

strojírenství řídicí systémy návrh

stabilita

výroba

kvalita Mechatronika

elektronika

kladen důraz na typickou vlastnost mechatronických produktů – jistou míru jejich inteligence (programovatelnost, samoregulovatelnost, adaptivita, samodiagnostika, komunikace, samoopravitelnost, učení a samoorganizace).

informatika

ika

algoritmy

tro

kro

lek

ele

áe ov

číslicová

sběr dat ktr on

n ko

vý

analogová

mi

nik a

„smart“ materiály

Právě inteligence je nejdůležitější důsledek technologických změn, vedoucích k mechatronice. Obecně lze mechatroniku vymezit jako technický vědní obor, zabývající se analýzou, syntézou, výrobou a provozem počítačově řízených a programovatelných mechatronických systémů.

Obr. 1.1 Oblasti mechatroniky

6


23.10.2006 15:08:39

Vznik, vývoj a definice mechatroniky 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. V tomto pojetí jde zpravidla o elektronické řízení pomocí programovatelných prostředků, o užití elektromechanické energetické přeměny (i např. se zprostředkujícím pneumatickým nebo hydraulickým přenosem) a přímé doplňkové transformace elektrické energie v technologické působení (např. přeměny elektrodynamické, elektrotepelné, elektrooptické, elektrochemické apod.). Elektrická část kompletuje v systémové vazbě ostatní neelektrické skupiny zařízení, přítomné z důvodu jeho konstrukční a technologické funkční celistvosti. Mechatronické inženýrství a mechatronický přístup Paralelní inženýrství vzniklo v USA (1988) a je označováno jako Concurrent Engineering. V protikladu k paralelnímu inženýrství stojí inženýrství klasické, které se označuje jako sériové, postupné, sekvenční. Paralelní inženýrství představuje centrálně řízený, systémový a týmový přístup k vývoji nových inovací a existujících technických objektů. V návrhové etapě se realizuje komplexní návrh technického objektu týmem pracovníků ze všech podstatných fází technického života technického objektu, který využívá rozpracovaných metod a je usměrňován koordinátorem projektu. Nezastupitelnou úlohu mají informační technologie v podobě počítačových podpor, inženýrských databází a počítačových sítí. Základní charakteristikou paralelního inženýrství je, že do oblasti návrhu jsou koncentrovány všechny podstatné rozměrové, tvarové, spolehlivostní, technologické, výrobní, testovací, diagnostické, manipulační, servisní a další požadavky a funkce. Technický objekt je tedy navrhován ze všech podstatných hledisek, čímž se pravděpodobnost opakované rekonstrukce technického objektu po jeho otestování prakticky snižuje na nulu. Je pochopitelné, že technický objekt realizovaný paralelním inženýrstvím bude na trhu dříve, než objekt, realizovaný klasickým přístupem s využitím metod CA (computer aided). Takovýto výrobek bude pravděpodobně technicky i komerčně úspěšnější. Mechatronika má dva specifické rysy – zvýšený význam inženýrského návrhu, tvořivosti návrhářské a týmové práce a užší spojení mezi návrhem a analýzou trhu. Návrhář vytváří řešení, která dosud neexistovala. Mechatronický tým musí kombinovat různé návrhářské metodiky pro strojní, elektronické a softwarové technologie. Dosud neexistuje speciální návrhová metodika pro mechatroniku. Existují jen návrhové postupy tradičních oblastí – elektroniky, strojního inženýrství a softwaru. Pro jejich spojení je japonskými autory pouze zdůrazňováno systémové pojetí, systémový model, systémový koncept a koncept různých rozhraní mezi komponenty, optimální poměr mezi mechanikou, elektronikou a softwarovými částmi výrobku. V posledních letech se začíná objevovat pojem mechatronický přístup. Používá se zejména v souvislosti s návrhy výrobků, jejichž struktura je složena z několika heterogenních (smíšených) podsoustav. Typickým zástupcem takových technických objektů je mechatronický výrobek, který jako celek vykazuje ve svém chování určitý stupeň inteligence. Na obr. 1.2 je zobrazen vývoj od klasického sériového inženýrství až po moderní integrované inženýrství. Poslední vývojové stadium znamená, že návrh technického objektu je integrován komplexně, tedy jako průnik horizontální a vertikální integrace. Komplexní integrace při návrhu umožňuje dosahovat synergického efektu 7


23.10.2006 15:08:39

1


Mechatronika a vykazuje přednosti paralelního inženýrství. Výstižně lze tedy konstatovat, že mechatronický přístup představuje paralelní inženýrství, umocněné synergickým efektem, dosahovaným při návrzích mechatronických výrobků. Jde o systematický pohled na integrovaný souběžný návrh výrobků a na procesy, které při nich probíhají, a to včetně jejich výroby, provozu a údržby. To nutí vývojáře zamýšlet se nad tím, jak do návrhu zahrnout všechny podstatné náležitosti ve všech etapách technického života výrobku – od jeho ideového návrhu až po likvidaci včetně hledisek výroby – funkčnosti, kvality, nákladů, plánování, požadavků zákazníků, údržby. Mechatronické inženýrství syntetizuje mechatronické komponenty, moduly, systémy a produkty. Tuto disciplínu rozvíjejí především mechatronici – odborníci, kteří disponují následnými schopnostmi a dovednostmi:

• Interdisciplinárnost – všeobecné znalosti o produktu a výrobních principech ze širokého spektra technologií, zahrnujících mechaniku, elektroniku a informatiku.

• Systémové myšlení – systematický postoj ve vztahu ke kombinování principů na rozdíl od technologií, které formují optimální koncepci.

• Kreativita – odvaha navrhnout a experimentovat s dosud neznámou kombinací technologií. Obchodní (podnikatelské) stanovisko – podnikatelský postoj, orientovaný směrem k vývoji koncepce návrhu v soutěžním kontextu. elektronika

mechanika

řízení

informatika

návrh

návrh

návrh

návrh

výroba

výroba

výroba

výroba

klasická koncepce (sériová)

elektronika

mechanika

řízení

informatika

návrh + výroba

návrh + výroba

návrh + výroba

návrh + výroba

mechanika

řízení

informatika

paralelní koncepce

elektronika +

návrh

+

+

+

výroba

mechatronická koncepce Obr. 1.2 Vývojové fáze inženýrství

Návrhové přístupy jsou podpořeny dnes již zavedenými a osvědčenými softwarovými prostředky. Kromě programového vybavení CAD se dnes nejčastěji využívá profesionální univerzální matematický systém MATLAB pro inženýrské výpočty, vývoj algoritmů, modelů, simulaci a vývoj prototypů, analýzu dat a jejich vizualizaci, grafiku a pro vývoj aplikací včetně tvorby grafického uživatelského rozhraní (http://www.mathworks.com). Pro simulaci rozsáhlých zpětnovazebních soustav lze s výhodou využít nadstavbu MATLABu pro numerické řešení soustav obecně nelineárních diferenciálních rovnic s grafickým zadáváním řešené soustavy, připomínající zapojení v klasických analogových počítačích, tzv. SIMULINK. Byly vytvořeny též nové toolboxy – verze pro modelování pohonů Sim Power Systems a Sim Mechanics pro modelování složitých mechanických, mechatronických a robotických soustav kombinovaných struktur (obsahuje bohaté knihovny komponent a dílčích subsystémů). Na ČVUT byl vyvinut programový produkt DYNAST, který je k dispozici na http://virtual.cvut.cz/dyn/ a je

8


23.10.2006 15:08:39

Mechatronická soustava a její kopmonenty využíván i v zahraničí. Dále jsou známy programové soubory pro modelování vazebních grafů – DYMOLA (http://www.dynasim.se), Twente SIM (http://www.nt.el.utwente.nl). Pro střední školy může být vhodný např. systém FAMULUS, vyvinutý na MFF Karlovy univerzity, produkt MATHCAD a také již zmíněný DYNAST.

1.2 Mechatronická soustava a její komponenty Mechatronická soustava je řízená elektromechanická soustava s technologickým působením – pracovní stroj nebo zařízení, 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 při tom k transformaci a přenosu jednotlivých druhů energie. Blokové schéma transformace a přenosu energie je na obr. 1.3. i1 u1

i2 elektronický zesilovač

u2

v elektromechanický převodník

F

Q mechanickohydraulický převodník

p

Obr. 1.3 Blokové schéma transformace a přenosu energie

Způsoby popisu struktury a chování těchto soustav Struktura soustavy různé fyzikální povahy je tvořena vzájemnými vazbami mezi tzv. zobecněnými prvky a lze ji popsat např. maticí struktury. Její význam spočívá v tom, že popisuje všechny rovnice pro uzly (větve) – tedy v elektrických obvodech pomocí Kirchhoffových zákonů, analogicky v mechanických obvodech vyjadřuje silovou rovnováhu Newtonův zákon, příp. momentová rovnice pro rotační pohyb. V teorii řízení zavádíme tzv. typové dynamické členy P, I, D, setrvačný (aperiodický I. řádu) a kmitavý II. řádu. Rozborem chování těchto členů lze dospět k závěru, že nejdůležitější roli ve zobecněné struktuře dynamické soustavy hraje integrační člen I (v přírodě má většina prvků sice proporcionální vlastnosti s časovým zpožděním, to však nastává, když se k jednoduché struktuře I zavede záporná zpětná vazba). Tabulka 1.1 nám ukazuje zásadní význam dynamické struktury kmitavého členu II. řádu (vznikne vlastně dvojnásobnou integrací vstupní veličiny s uzavřením vnější a vnitřní zpětné vazby).

9


23.10.2006 15:08:40

1


Mechatronika Parametry systému

Přenos w (s)

M≠0 B≠0 D≠0

1 D M s2 B s + 1 D D

M≠0 B≠0 D≠0

Přechodová funkce h (t)

Váhová funkce g(t) = dh(t)/dt

Název článku

h 0

t

0

t

0

t

t

0

t

0

t

0

t

0

t

0

t

0

t

1 B B s+1 D

0

t

B≠0 M≠0 D≠0

1 B M s2 + 1 D

0

t

D≠0 B≠0 M≠0

1 B s M s + 1 D

0

D≠0 M≠0 B≠0

1 Bs

B≠0 M≠0 D≠0

1 D

B≠0 D≠0 M≠0

1 M s2

kmitavý

setrvačný

konzervační (kmitavý bez tlumení)

integrační se zpožděním

integrační

proporcionální

t

0

0

t

dvojnásobně integrační (parabolický)

Tab. 1.1 Charakteristiky mechanické soustavy

Tabulka 1.1 je sice odvozena pro mechanickou soustavu s parametry M, B, D (viz též obr. 1.3), ale na základě fyzikálních analogií platí také pro jinou fyzikální soustavu, s odpovídajícími si veličinami. +F

F (t)

+y

g y

FD y0

FT D

B

Modelování dynamických soustav s využitím fyzikální analogie vychází z izomorfie různých fyzikálních soustav – elektrických, mechanických, hydraulických, pneumatických apod. V každé z nich lze definovat dvojici komplementárních veličin extenzivních (průtokových) i(t) a intenzivních (rozdílových) e(t), jejich součin představuje okamžitý výkon.

P(t) = i(t) e(t) Tyto analogie jsou shrnuty v tabulce 1.2 na následující straně.

Obr. 1.4 Mechanická kmitavá soustava II. řádu

10


23.10.2006 15:08:40

Mechatronický systém a jeho struktura

1.3 Mechatronický systém a jeho struktura Mechanický systém můžeme definovat jako dynamický systém zabezpečující pohyb nebo transformaci sil a momentů. Řízení polohy, rychlosti nebo sil se realizuje analogovým způsobem již mnoho let. S rozvojem číslicové techniky vznikly další možnosti pro vznik nových funkcí, které umožňují zvýšit kvalitu a zavést nové prvky řízení a diagnostiky. Současný vývoj mechatroniky ukazuje, že mechanické systémy, akční členy, snímače a mikroelektrické obvody mohou být integrovány do jednoho celku – mechatronického systému. Tato integrace může být buď hardwarová, kdy se do mechanické části zabudují inteligentní senzory, akční členy a mikropočítače nebo softwarová, která je založena na zpracování informací. Vedle základní zpětnovazební smyčky je další vliv na mechatronickou soustavu (řízený systém) vykonáván pomocí existujících znalostí a průběžným zpracováním informací, které se využijí na vyšší hierarchické úrovni řízení ke zlepšení celkové výkonnosti mechatronického systému. To může zahrnovat úkoly jako dozor, kontrolu, diagnózu závad, optimalizaci a adaptivní řízení. V širším smyslu lze mechatronický systém chápat jako integraci kombinované soustavy (např. elektromechanické, elektropneumatické, elektrohydraulické, elektro-magnetické, technickobiologické aj.), elektroniky (mikroelektronických obvodů, obvodů výkonové elektroniky a akčních členů), informačních a řídících technologií (senzory, software, umělá inteligence, měření a diagnostika, přístupy teorie systémů a automatizace). Mechatronické systémy tvoří třídu objektů, která je kvalitativně vymezena uměle vytvářenými systémy s účelovým – inteligentním chováním, přitom se takové chování dosahuje řízeSoustava

Fyzikální veličina

Impedance

extenzivní

intenzivní

odpor

kapacita

indukčnost

i(t)

e(t)

e(t) i(t)

i(t) de(t) dt

e(t) di(t) dt

Elektrická

Elektrický proud i(t) [A]

Elektrické napětí u(t) [V]

Elektrický odpor R [Ω]

Elektrická kapacita C [F]

Elektrická indukčnost L [H]

Mechanická

Síla F(t) [N]

Rychlost v(t) [m/s]

Translační vodivost 1 G= b [kg.s]

Hmotnost m [kg]

Mechanická poddajnost 1 δ= k [m/N]

Hydraulická

Průtok Q(t) [m3/s]

Tlak p(t) [Pa]

Hydraulický odpor R [Pa.s.m-3]

Hydraulická kapacita C [m3.Pa-1]

Hydraulická indukčnost H [m3.Pa-1.s-3]

Pneumatická

Průtok Q(t) [m3/s]

Tlak p(t) [Pa]

Pneumatický odpor R [Pa.s.m-3]

Tepelná

Tepelný tok Φ(t) [W]

Absolutní teplota T(t) [K]

Tepelný odpor R [K.s.J-1]

Pneumatická kapacita C [m3.Pa-1] Tepelná kapacita C [J.K-1]

Pneumatická indukčnost H [m3.Pa-3.s-1]

–

Tab. 1.2 Fyzikální analogie soustav

11


23.10.2006 15:08:40

1


Mechatronika ním pohybu částí objektu a řízením vzájemné energetické interakce nosičů energie různého druhu (mechanická tuhá a pružná tělesa, elektromagnetické pole, kapalina, plyn). Mechatronický systém můžeme definovat jako integraci: • mechanických částí (strojírenské systémy a mechanická zařízení, mechanismy); • elektronických částí (mikroelektronika, výkonová elektronika, měřící technika a technologie pohonů); • informačních technologií (přístupy teorie systémů, automatizace, softwarového inženýrství, umělé inteligence). Podstatné znaky mechatronického systému: • alespoň jeden z podsystémů s přímou energetickou interakcí je mechanický; • podsystém řízení je zpravidla distribuovaný; • strategie řízení obsahuje koncept odpovídající odezvy na dynamický stav procesu a jeho okolí; • systém jako celek disponuje jistou mírou inteligence. Mechatronický systém (obr. 1.5) lze charakterizovat: • funkcionální interakcí mezi elektronickými, mechanickými, informačními a řídícími podsystémy; • prostorovou interakcí modulů v rámci jednoho kompaktního fyzického bloku; • flexibilní možností modifikace funkcí a struktury při měnících se podmínkách; • existencí „neviditelných funkcí“, realizovaných softwarově – např. fault tolerance, adaptace apod.; • jistým stupněm globální inteligence a autonomnosti; • inteligentní (znalostní) řídicí systém moderního mechatronického systému je v podstatě online expertní systém. řídicí podsystém

akční členy

úprava a předzpracování signálů

řízená soustava

snímací elementy informační a senzorický podsystém

Obr. 1.5 Mechatronický systém

Automatizované elektrické pohony představují důležitou skupinu akčních členů mechatronických systémů. Ukázka technologické výrobní linky je na obr. 1.6. Typický mechatronický systém se zpravidla skládá z pěti typů prvků, které je možno relativně přesně vyčlenit i na NC/CNC obráběcích strojích, tj.: • snímače (senzory), • akční členy (výkonové členy), • výkonové obvody, • mechanismy, • řídicí počítač (CNC). 12


23.10.2006 15:08:41

Mechatronický systém a jeho struktura Žádané hodnoty technologických veličin

Automatizační technika

NADŘAZENÝ ŘÍDICÍ SYSTÉM TECHNOLOGICKÉHO PROCESU ŘÍDICÍ SYSTÉM ELEKTROMECHANICKÉHO PODSYSTÉMU

Elektrický pohon 1

Výkonový polovodič. měnič 1

Senzory pohonu 1

senzory technologického procesu

Senzory pohonu 2

Motor 1

Řídící část

Výkonový polovodič. měnič n

Akční členy a senzory

Senzory mechanického podsystému

Řízení pohonu n

Mechatronický systém

Elektrický pohon n Řízení pohonu 1

Motor n

MECHANICKÝ PODSYSTÉM TECHNOLOGICKÉHO ZAŘÍZENÍ

Mechanická část

TECHNOLOGICKÝ PROCES Obr. 1.6 Mechatronický systém technologické výrobní linky

Dokonalejším zpracováním informací lze vytvořit mechatronické systémy s inteligentními vlastnostmi. Používáme dvě formy vyjádření struktury mechatronického systému: a) obecná struktura, b) modulární struktura.

KVALITA

DIAGNOSTIKA

INFORMAČNĚ-ŘÍDICÍ PODSYSTÉM

PANEL OPERÁTORA

DISTRIBUOVANÝ ŘÍDICÍ PODSYSTÉM REGULÁTORY S

S

S A

LOGICKÉ ŘÍZENÍ S

A

S A

S A

S A

S A

SENZORICKÝ PODSYSTÉM AKČNÍ ČLENY

MECHANIZMY

ENERGETICKÁ ČÁST

MONITOROVÁNÍ A VIZUALIZACE

PROSTŘEDÍ, materiály, polotovary Obr. 1.7 Obecná struktura mechatronického systému

13


23.10.2006 15:08:41

V mechatronických systémech se spojují mechanické struktury, akční členy, senzory a mikroprocesorové řídicí systémy do jednoho funkčního celku. Funkce mechatronického systému se vyznačuje koordinovanou transformací energie a transformací informace, energetickými a informačními interakcemi s prostředím mechatronického systému. Součástí technického a programového vybavení mechatronického systému bývá průběžná diagnostika a identifikace poruch. Řídicí systém výrobních strojů může obsahovat automatické vyhodnocování kvality realizace technologických, montážních nebo jiných operací a kvality meziproduktů a produktů výrobního procesu. Informačně-řídicí systém je zastřešen systémem monitorování a vizualizace, který dává informace o procesu operátorovi nebo vyššímu řídicímu systému. Modulární struktura mechatronického systému je uvedena na obr. 1.8.

Modul interface

Softwarový modul Procesorový modul

1


Mechatronika

Komunikační modul Modul akčních členů

Měřící modul Výkonný modul Modul styku s okolím

Obr. 1.8 Modulární struktura mechatronického systému

1.4 Příklady a ukázky aplikací principů mechatroniky Jako příklady mechatronických systémů lze uvést např. CNC stroje, roboty, technologické automaty a linky, mobilní stroje, dopravní a manipulační prostředky a přístroje, speciální techniku, spotřební výrobky. Velkou skupinu tvoří technologické automaty (třídění polotovarů a výrobků, vrtání otvorů do desek plošných spojů, osazování součástek do desek plošných spojů, dávkování a míchání materiálů, montážní linky a automaty apod.

1.5 Slovníček základních pojmů adaptivita – přizpůsobivost akční člen (aktuátor) – výkonový člen, dodávající energii do soustavy analogie – podobnost chování nebo struktury prvků a systémů analýza mechatronického systému – rozklad systému na podstatné prvky a rozbor chování mechatronického systému autodiagnostika – vnitřní diagnostika systému autokorekce – vnitřní úprava dynamických vlastností systému 14


23.10.2006 15:08:42

Slovníček základních pojmů autonomní mobilní robotický systém (AMRS) – samostatný, pohybující se systém robota biomechanismus – mechanismus s biologickými prvky biomechatronika – mechatronika technicko-biologických objektů bionika – technický obor, hledající vzory v živé přírodě biorobotika – teoretická věda o biologických robotech dekompozice systému – rozklad systému na části distribuovaný systém – systém, rozložený v prostoru a čase elektromechanický převodník (měnič) – zařízení pro transformaci elektrické energie na energii mechanickou elektrotechnologická přeměna energie – přeměna elektrické energie na výstupní technologický účinek expertní systém – softwarový znalostní systém, nahrazující odborníka fuzzy řízení – řízení pomocí fuzzy (rozmazaných) množin a lingvistických proměnných genetický algoritmus – postup, zahrnující prvky dědičnosti biologického organismu inteligence stroje – účelová vlastnost, daná využitím inteligentních materiálů, moderního softwaru, informačních a komunikačních technologií interakce energetická a silová – vzájemné energetické a silové působení mezi prvky nebo systémy interdisciplinarita (mnohooborovost) – působení více oborů vědy a techniky kognitivní robotický systém – poznávací systém robota kompatibilita – slučitelnost komponenta (element) – prvek, ohraničená část systému lokomoční podsystém – biologický pohybový podsystém mechatronická soustava – elektromechanická nebo kombinovaná soustava s technologickým působením mechatronické inženýrství – integrované, souběžné navrhování výrobků a procesů včetně výroby, provozu a údržby mechatronický přístup – paralelní inženýrství, umocněné synergickým efektem, dosahovaným při návrzích mechatronických výrobků mechatronický systém – zahrnuje soustavu, senzorický, informační a řídicí podsystém mechatronický výrobek (objekt) – realizovaný mechatronický systém mechatronika – vědní a technický obor, zahrnující analýzu, syntézu, výrobu a provoz počítačově řízených a programovatelných mechatronických systémů MEMS – mikroelektromechanické systémy, vyráběné technologií integrovaných obvodů mikro- a nanotechnologie – moderní technologie, používané v mechatronice modelování – metoda poznávání objektivní reality pomocí fyzikálních a matematických modelů monitorování a vizualizace – dlouhodobé sledování dat a zviditelnění procesu neuronové sítě – propojení modelů neuronů do adaptabilních sítí paralelní inženýrství – řízený systémový a týmový přístup k vývoji inovací technických objektů robotika – teoretická věda o robotech signal processing – zpracování signálu SMART senzory (inteligentní) – inteligentní senzory synergický efekt (synergie) – technologický účinek celku je více než součet technologických účinků jednotlivých částí syntéza mechatronického systému – návrh struktury mechatronického systému virtuální realita – zdánlivá skutečnost 15


23.10.2006 15:08:42

1.6 Kontrolní otázky a úlohy 1. Charakterizujte principy mechatroniky. 2. Vysvětlete pojem mechatronická soustava. 3. Uveďte příklady mechatronických soustav. 4. Vysvětlete pojem mechatronický systém. 5. Nakreslete schéma obecné struktury mechatronického systému. 6. Nakreslete schéma modulární struktury mechatronického systému. 7. Vysvětlete, v čem spočívá inteligence mechatronických systémů a co rozumíme synergickým efektem. Uveďte příklady. 8. Vysvětlete pojmy mechatronický objekt, soustava, systém a výrobek.

1


Mechatronika

16


23.10.2006 15:08:43

Mechatronický výrobek

2

2.1 Mechatronický výrobek Výrobky, které jsou výsledkem postupů podle principů mechatroniky, se vyznačují použitím pokrokových materiálů, novými technologickými účinky, špičkovými technickými vlastnostmi a účelovou strojovou inteligencí, umožňující jim buď autonomní činnost, nebo racionální včlenění do nadřazeného řídicího systému. Takové výrobky označujeme jako mechatronické.

2.1.1 Charakteristika mechatronického výrobku • Nelze směšovat mechatronické výrobky s mechanickými, i když i ty mohou obsahovat elektronické prvky (usměrňovače, zesilovače, regulátory). Mechatronickými se stávají teprve tehdy, vykazují-li navíc i určitý stupeň „inteligence“, který byl umožněn teprve rozvojem mikroelektroniky (programovatelnost, samoregulovatelnost).

• Pro mechatronické výrobky jsou typické takové mikroelektronické prvky, jako např. mnohasmyčkové, především číslicové regulátory, signálové procesory, neuronové sítě apod. Snímače a měniče energie jsou často velmi nekonvenční, neboť využívají nové principy i materiály (např. kompozity, slitiny s tvarovou pamětí apod.).

• Perspektivně lze u mechatronických produktů očekávat inteligentní chování vyššího stupně, jako je: – poskytování rad uživatelům; – diagnostika vlastních chyb; – opravování se pomocí vlastní rekonfigurace; – učení se na základě získaných zkušeností s cílem zlepšit vlastní chování v příštích podobných situacích; – organizace vlastní spolupráce s jinými inteligentními stroji; – reorganizování se s cílem zlepšení vlastních schopností přizpůsobit se změnám okolí.

• Zvyšováním inteligenční úrovně výrobku lze zajistit jeho vyšší univerzálnost, přizpůsobivost, provozní bezpečnost i ekologičnost. S inteligencí lze zlepšit i ergonomičnost výrobku – může být snáze ovladatelný, udržovatelný i opravitelný. Konečný cíl všech těchto změn vlastností výrobku je ovšem ekonomický – poskytnutím dokonalejší nabídky zákazníkům dosáhnout lepšího uplatnění výrobku na trhu. Rozdělení mechatronických výrobků Bez nároku na úplnost lze mechatronické výrobky rozdělit na: a) mechanická zařízení s integrovanou elektronikou – visuté vznášející se systémy, tlumiče vibrací, převodovky, zubové, řetězové a řemenové pohony, mechanická nebo magnetická ložiska, třecí nebo elastické spojky. 17


23.10.2006 15:08:43

b) přesné přístroje s integrovanou elektronikou – telekomunikační zařízení, předměty spotřební elektroniky, zařízení zpracovávající data, senzory a akční členy, přístroje pro medicínu. c) stroje s integrovanou elektronikou – stroje vytvářející energii (pohony elektrické, pneumatické a hydraulické, vodní, parní nebo plynové turbíny, spalovací motory apod.); – stroje spotřebovávající energii (generátory, čerpadla, kompresory, obráběcí stroje, roboty, tiskařské stroje, dopravní prostředky apod.). Životní cyklus výrobku Technický život výrobků sestává z etap, které můžeme vyjádřit podle obr. 2.1. Při vytváření technického systému se vyskytují činnosti algoritmizovatelné, ale i činnosti, jejichž výsledek do značné míry závisí na intuici. Vysoce kreativní činnosti, vyžadující invenci, schopnosti intuice, se vyskytují především v prvních etapách technického života produktu – při vzniku první myšlenky, stanovení a rozpracování úkolu a hledání nových koncepcí.

2

MECHATRONICKÝ VÝROBEK

Mechatronika

Informační určitost

Základní rozpor technické tvůrčí práce Rozhodovací významnost

Stanovení úkolu

Koncepce

Návrh

Realizace

Provoz

Likvidace

Technický život produktu Obr. 2.1 Životní cyklus výrobku

Obr. 2.1 také ukazuje, proč se v současnosti věnuje velká pozornost počátečním etapám. Jde o tzv. základní rozpor technické tvůrčí práce, spočívající ve značné významnosti rozhodnutí vykonaných tvůrčími pracovníky v této etapě pro konečný výsledek projektu (dosažení plánovaných funkcí, parametrů, nákladů, spolehlivosti aj.), při velmi malé informační určitosti (při návrhu nových produktů, kdy neexistuje žádné srovnání a zkušenosti s podobným zařízením). Transformace počátečních informací do komplexní a vyčerpávající informace o nově navrženém produktu (jeho úplná struktura), ať již zachycená ve výkresové dokumentaci nebo v počítačovém modelu, je obecně činností s vysokým podílem rizika. Složitost vztahů mezi požadovanými vlastnostmi technického systému vyžaduje většinou vícenásobné opakování iteračního cyklu, na základě postupné konkretizace, přičemž se postupuje od neúplných údajů k úplným a od předběžných hodnot ke konečným.

18


23.10.2006 15:08:43

Metodické kroky při návrhu mechatronického výrobku

2.2 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 specifikací. Úspěch v následujících fázích je závislý na dosažených výsledcích právě zde. Také pro trh je tvorba specifikace výrobku základním požadavkem.

• Koncepční návrh – je vytvořena základní představa o funkci výrobku. Je provedena studie realizovatelnosti výrobku. V této etapě se plně projeví vlastní návrhová tvořivost. Kromě investice se uplatní i metody pro podporu tvořivosti.

• Konstrukce výrobku a technická příprava výroby – jde obvykle o časově nejnáročnější etapu technické přípravy výroby navrženého výrobku. Základní metodou řešení je tzv. paralelní (concurrent) navrhování. Snahou je, aby všechny potřebné kroky prováděl tým současně (tj. urychlená výměna informací a vzniklých mezivýsledků mezi konstruktéry a technology, např. z hlediska obrobitelnosti částí konstrukce).

• Výroba výrobku – jde o technologické operace při vlastní výrobě konkrétního výrobku. Z hlediska mechatroniky jsou důležité poznatky o řízení kvality, snižování nákladů a o postupech výrobků v hromadné výrobě.

• Použití výrobků – výrobek se vyskytuje na trhu a po zakoupení u zákazníka – uživatele. Musí se zde uplatňovat zpětná vazba od trhu ke specifikaci výrobku (daného nebo budoucího).

• Likvidace výrobku – každý konkrétní výrobek po určitém čase zastarává a je na trhu nahrazen jiným. Z hlediska ekologie je zajímavá možnost recyklace původního výrobku.

2.3 Inteligentní materiály v mechatronice Nová generace technologií – technologie smart materiálů a struktur, představuje sofistikovanou síť snímačů a akčních členů, schopnost vyhodnocování a řízení v reálném čase a hostitelskou strukturu. Nutnost syntézy materiálů a struktur se samoadaptabilními a samokorekčními charakteristikami je dána požadavkem dosažení optimálního chování během proměnných podmínek provozu. Existuje několik vlastností smart materiálů a struktur, které se staly cílem výzkumů. Jsou to: změna rozložení a hmotnosti, tuhosti a disipačních charakteristik, např. na účely řízeného kmitání. Lze tak navrhovat soustavy s řiditelnou amplitudou kmitání, velikostí frekvence a přechodovou charakteristikou. Dalším cílem je změna geometrické struktury. Smart struktury a inteligentní materiálové systémy Smart materiál je materiál, který zabezpečuje funkci snímání a akčního působení, přitom jednotlivé prvky jsou velmi dobře integrovány v rámci samotné materiálové struktury. Jde vlastně o biologicky inspirovaný materiál, který dokáže detekovat stav okolního prostředí. Informace o něm zpracovává v řídícím obvodu a reaguje na něj daným způsobem, který zlepšuje chování struktury s ohledem na náš cíl řízení. Je to vysoký stupeň integrace na mikromateriálové úrovni, který činí smart materiály zajímavou komoditou. Překonává hlavní nevýhodu běžných řízení struktur, které spočívá ve velké nekompaktnosti, kdy jednotlivé prvky zabezpečující snímání, ří19


23.10.2006 15:08:43

Ladislav Maixner a kolektiv

Recommend Documents