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

2


Mechatronika zení a aktivní působení jsou součástí samostatných struktur. Koncepce smart materiálů se úspěšně prosazuje ve strojírenství i nestrojírenských disciplínách, přitom jednou ze slibných oblastí je aplikace různých materiálů, jako jsou např. slitiny a polymery s tvarovou pamětí, piezoelektrické materiály, magnetostrikční a elektroreologické kapaliny. Smart struktury představují takové soustavy, které umožňují snímat vnější podněty a aktivním řízením na ně reagovat v reálném čase. Představují integraci akčních členů, snímačů a řízení do materiálů nebo konstrukčních prvků. V současnosti jsou ve vývoji tyto smart materiály a struktury: I. Syntéza nových materiálů na molekulární úrovni s cílem produkovat nové materiály se smart funkcí. II. Vývoj nových materiálů syntézou kompozitních materiálů ze známých prvků. Aktivní prvky jsou buď implementovány, nebo připojeny na běžný skelet (strukturální smart). Elektroreologické kapaliny a jejich magnetické analogie ferokapalin představují pokročilou třídu kompozitních materiálů se samoladicími vlastnostmi. Viskozita těchto kyselin se mění při aplikaci elektrického pole. Typickým představitelem smart senzorů jsou piezokeramické materiály, optická vlákna a polymery. Smart struktury často pozůstávají z tenkých komponent jako jsou nosníky, desky, skořepiny, kompozitní materiály, které mají v mezivrstvách piezokeramické listy, vodiče pamatující si tvar nebo dutiny naplněné elektroreologickou kapalinou. Slitiny, pamatující si tvar (SMA – Shape Memory Alloys) – jsou kovové slitiny, které se po deformaci a následném ohřátí nad určitou teplotu deformují (vracejí) zpět do původní polohy. Nejznámější jsou slitiny Ni a Ti, tzv. nitinol slitiny (NiTiNOL – Ni-Nikl, Ti-Titan, NOL-Naval Ordonance Laboratory, přibl. 57 % Ni). Makroskopické chování SMA je následující: vzorek SMA se podrobí zkušební proceduře tak, že se nejprve namáhá tahem (dokud nevznikne plastická deformace), potom se odlehčí a nakonec se ohřeje na určitou teplotu. Po odlehčení je vzorek delší než byla původní délka (byla překročena mez kluzu), má tedy plastickou deformaci. Při ohřevu tohoto vzorku se vrátí do původního stavu. Toto typické chování materiálu se nazývá kvaziplastické nebo efekt tvarové paměti. Maximální vratné deformace prodloužením pro Ni-Ti je 8 % a pro slitiny mědi je mezi 4-5 %. Diagram napětí – deformace, na obr. 2.2, ukazuje, že pro určité hodnoty napětí existují dva definované stavy. Který z nich právě existuje, je dáno historií zatížení. Tento efekt se nazývá dvojcestný způsob chování SMA a může být použit pro mechanické přepínací funkce. Vlastnosti SMA jsou zobrazeny na obr. 2.3. Obecně se funkce, které mohou tyto slitiny vykonávat, dělí do pěti kategorií: 1) Volné znovunabytí tvaru nastává, když SMA má poměrnou deformaci až do 8 %. 2) Omezené znovunabytí tvaru je tehdy, když SMA nemůže měnit tvar, v důsledku toho se generují mechanická napětí až 800 MPa. 3) Akční nebo pracovní činnost je případ, při kterém se vykonává pohyb proti směru statické síly a tedy SMA koná práci (až do 5 J/kg). 4) Superelastické chování SMA je v podstatě izotermické a akumuluje potenciální energii. 20


23.10.2006 15:08:44

Inteligentní materiály v mechatronice 1 namáhání tahem 2 odlehčení 3 ohřev 1

2

napětí

a)

3

prodloužení 1 namáhání tahem 2 odlehčení 1

napětí

b)

2

prodloužení Obr. 2.2 Makroskopické chování SMA

5) Vysoké tlumení. Tento typ SMA vykazuje silnou závislost amplitudy na vnitřním tlumení materiálu. Při rázovém zatížení bývá poměrné tlumení až 90%. Transformace z vysoké teplotní fáze (austenit) na nízkoteplotní fázi (martenzit) vykazuje značnou hysterezi. Na změnu fáze je potřebné překonat energetickou bariéru. To se děje konáním mechanické práce nebo ohřevem. Důležité také je, že fyzikální charakteristiky SMA – např. modul pružnosti a elektrický odpor – se silně mění během této transformace.

A B

D

A C

ΔL T C

F

Obr. 2.3 a Jednocestný paměťový efekt,

B b – dvojcestný paměťový efekt

Většina průmyslových aplikací je v oblasti on/off, jako např. ventily chladicích obvodů, systém detekce požáru, upínací zařízení apod. On/off aplikace akčních členů jsou realizovány pro zatížení od 1 N až po cca 400 N. Jako akční členy se používají Ni-Ti SM. Výhody použití SMA:

• Jednoduchost, kompaktnost a spolehlivost mechanismu (obvykle akční člen tvoří elektricky aktivovaný drát SMA, respektive pružina).

• Vytvoření čistých, tichých, bezjiskrových a bezgravitačních pracovních podmínek. • Prostředí je bezprašné, neexistuje tření. Činnost je téměř bezhlučná – nejsou přítomny kmitající prvky. SMA akční členy reagují už na zrychlení několika μg (využití v kosmických aplikacích). 21


23.10.2006 15:08:44

• Vysoký koeficient výkon/hmotnost v nízkých hmotnostních oblastech (100g), z čehož vyplývá adaptivní použití jako mikroakční členy.

• Odolnost vůči korozi a biokompatibilita. Nevýhody použití SMA:

• Nízká energetická účinnost. Konverze tepla na mechanickou práci má podstatně menší účinnost, která je ve značné míře určena návrhem a tvarem SMA akčního členu.

• Limitovaný rozsah následkem restrikcí při ohřívání a chlazení. Ohřívání SMA akčních členů se realizuje radiací nebo vedením a použitím odporu. Nejrozšířenější je odporové ohřívání pro jeho rychlou odezvu. Rychlost ochlazování je omezena hlavně chladící kapacitou.

• Degradace a únava – parametry, které mají životnost, se dělí na interní (složení slitiny, způsob ohřevu a zpracování) a externí (čas, teplota napětí, prodloužení a počet cyklů).

• Komplexní řízení – SMA vykazují trojrozměrné termomechanické chování s hysterezí. Mezi teplotou a polohou nebo silou není lineární vztah a proto polohové nebo silové akční působení vyžaduje výkonné regulátory a experimentální určení řady údajů.

2


Mechatronika

Smart materiály se zapuštěnými SMA elementy – akční působení SMA se může uskutečňovat diskrétními SMA elementy, nebo SMA elementy, které jsou integrovány do základního nosného materiálu. V porovnání s běžnými materiály na snímání a akční působení SMA mají několik výhod:

• • • • •

značně větší vratné prodloužení až do 8 %; schopnost generovat velké napětí až do 800 MPa; velké vratné změny mechanických a fyzikálních charakteristik; velkou disipační schopnost; schopnost generovat postupně se zvětšující napětí a prodloužení.

Zapuštěním SMA elementů do základního polymerního materiálu, resp. kompozitu, lze vytvářet nové materiálové charakteristiky:

• zlepšené tvarově-paměťové charakteristiky (větší tvarově-paměťový efekt a menší degradační efekt);

• zlepšené strukturální charakteristiky (lepší únavové vlastnosti a stabilita); • kombinované charakteristiky (nastavitelný, laditelný tvar); • úplně nové charakteristiky (nastavitelná, laditelná tuhost, a tedy i úhlová frekvence). Piezoelektrické materiály Piezoelektricita je schopnost určitých krystalických materiálů vytvářet elektrický náboj, který je úměrný mechanickému napětí. Inverzní efekt vznikne tehdy, jestliže se při aplikaci elektrického napětí krystalický materiál deformuje. Tedy u piezomateriálu rozlišujeme přímý a inverzní piezoelektrický efekt. Vyskytuje se jen při teplotě nižší než je Curieova transformační teplota. V současnosti se místo názvu piezoelektrický krystal používá pojem piezoelektrická keramika. Nejčastěji používanými piezoelektrickými materiály jsou polykrystalické keramiky, složené z kompozic Pb-Zr-Ti a Ba-Ti. Přidáním specifických aditiv se potom specifikují dielektrické, piezoelektrické a fyzikální vlastnosti. Aplikováním silného statického elektrického pole se keramický materiál stane anizotropním, udrží si zbytkovou polarizaci a stane se piezoelektrickým. 22


23.10.2006 15:08:44

Inteligentní materiály v mechatronice prodloužení

napětí Obr. 2.4 Hysterezní křivka piezoelektrického materiálu

Tento materiál má nelineární chování. Průběh závislosti prodloužení piezoelementu na elektrickém napětí je na obr. 2.4. Při použití ve smart strukturách se využívají jako senzory a akční členy. Nejznámější piezokeramikou je PZT. Důvody používání piezoelektrických elementů:

• • • • •

přesné řízení polohy systému; deformace piezoelektrického akčního členu má malé ztráty; dlouhá životnost; vysoká účinnost transformace elektrické práce na mechanickou a naopak; existují už akční členy, které vytvoří síly do 50 kN.

Mezi další materiály patří elektrostrikční materiály, u kterých je elektrický náboj rozložen symetricky. V každém dielektrickém materiálu zavedením elektrického pole vzniká deformace. Směr deformace nezáleží na orientaci pole. Magnetostrikční materiály se deformují vlivem magnetického pole. Naopak – působí-li síla na takový materiál, mění se magnetická indukce B materiálu. Nejběžnějším magnetostrikčním materiálem je Terfenol-D. Vykazuje nelineární chování s hysterezí. Pro malé deformace platí rovnice

ε = sσ + kH

B = kσ + μH

ε – poměrná deformace s – tuhost materiálu σ – mechanické napětí k – magnetostrikční koeficient μ – permeabilita prostředí H, B – intenzita a indukce magnetického pole Optická vlákna – využívají se jako senzory. Skládají se ze středového jádra, které je ovinuto jednou nebo dvěma vrstvami ochranného obalu. Kvůli lepší ochraně životního prostředí se vlákna vkládají do kabelů. Optická vlákna, zapuštěná do smart materiálů, přenášejí údaje takto:

• přenášejí ustálený světelný signál do senzoru; • sledují důležité parametry světla (intenzitu, polarizaci, fázi). Optická vlákna lze využít pro měření deformací, zrychlení nebo magnetických polí. 23


23.10.2006 15:08:45

2


Mechatronika Elektroreologické (ER) kapaliny – mění viskozitu při použití elektrického pole. Vznikají různé stavy této kapaliny, např. při intenzitě pole 3 kV/mm lze dosáhnout smykového napětí až 2 kPa. Při aplikaci elektrostatického pole se elektroreologická (ER) kapalina mění z viskózního oleje až na téměř tuhý gel a velikost komplexního modulu ve smyku se změní o několik řádů. Elektroreologický efekt je založen na vzájemném působení mezi elektrickými náboji na elektrodách a náboji na částicích kapaliny (s průměrem 1–100 μm). Při nulovém napětí mezi elektrodami je ER kapalina neutrální. Připojením elektrického napětí mezi elektrody náboje v částicích kapaliny reagují posunutím záporného náboje na tu stranu částice, která je nejbližší ke kladné elektrodě a naopak. Částice se po reorientaci seřadí do „řetězu“. Jestliže na tento „řetěz“ působí smyková síla, náboje částic se budou stále přitahovat, přestože se částice od sebe vzdálí. Toto přitahování je základem ER efektu a představuje odpor proti smyku. Velikost napětí na elektrodách určuje velikost náboje, který se pohybuje v částicích a je přímo úměrný odporu vůči smyku. Jestliže jsou řetězce natažené za hranicí jejich přitažlivých sil, roztrhnou se, zreformují a znovu roztrhnou. Mez kluzu představuje hranici, kdy cykly reformování a trhání jsou v rovnováze. Chování ER kapaliny je idealizovaně vyjádřeno na obr. 2.5a, b. Ze závislosti smykového napětí τ na smykové deformaci γ a závislosti smykového napětí σ na rychlosti smykové deformace dγ/dt je vidět, že při malých smykových deformacích ER materiály zůstávají pod mezí kluzu τk. Řídit vlastnosti ER materiálů můžeme nad mezí kluzu, kdy lze chování aproximovat Binghamovým plastickým modelem:

τ = τk + η

dγ dt

τk – dynamická mez kluzu η – dynamická viskozita ER materiálu δ τy

η

τy

G a) γy

b) γ

Obr. 2.5a, b Idealizované chování ER materiálů

Základní princip pro interakci mezi ER materiálem a elektrodami je na obr. 2.6a, b. Řízení smart struktur Řízení představuje jeden z nejdůležitějších aspektů u smart materiálů (obr. 2.7) z důvodů neurčitosti materiálových vlastností i samotné dynamiky soustavy. Jedním z parametrů, který charakterizuje činnost regulátoru je „robustnost“. Ta vyjadřuje, že stabilita a činnost řízeného systému není citlivá na neurčitosti, pocházející z chyb modelování nelinearit, neuvažované dynamiky, případně jiných náhodných poruch. Čím méně je řízený systém citlivý na neurčitosti, tím je „robustnější“. Problémy vznikají při řízení systému s velkým počtem snímačů a akčních členů. Řízení 24


23.10.2006 15:08:45

Inteligentní materiály v mechatronice L b

elektroda

tlak proudění ER materiál +

Z

Y

–

elektroda

V

X

a)

L rychlost

b síla

Y

+

Z

–

V

X

b)

Obr. 2.6a, b Základní konfigurace mezi ER materiálem a elektrodou a – s pevnou elektrodou b – s pohyblivou elektrodou

Procesor a paměť

Senzor

Signál Efektor 0.001–1 ps

Efektor Stimulace

Logika a rozhodnutí Senzor

Zesílení

Signál

Senzor Stimulace a)

b)

Obr. 2.7 Schematické znázornění základních forem inteligentního materiálu

těchto rozsáhlých struktur vyžaduje vývoj nových, tzv. inteligentních řídicích algoritmů, např. genetický algoritmus, algoritmy neuronových sítí a fuzzy logika. Rychlý vývoj mikroprocesorové techniky umožnil, že regulátory mohou pracovat v reálném čase. Mezi hlavní cíle regulátorů při aplikaci inteligentních materiálů patří:

• zpracování signálů, naměřených vícefunkčními snímači; • generování optimálních akčních signálů pro vícefunkční akční členy. V případech, kdy se parametry struktur mění nebo nejsou přesně identifikované, je třeba použít adaptivní nebo samočinně se seřizující regulátory. Ty jsou schopny adaptovat své chování vzhledem k okolí na základě požadovaného kritéria. Jsou složeny z číslicového filtru a z odpovídajícího adaptivního algoritmu. 25


23.10.2006 15:08:46

2


Mechatronika

2.4 Moderní technologie používané v mechatronice Existují mechatronické výrobky, ve kterých je 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 od submilimetrových součástek v náramkových hodinkách. Makrostroje měří několik stovek metrů (letadla, tankery). Pravděpodobně největším strojem na světě je urychlovač částic v CERNu v Ženevě, který má průměr 27 km. Submilimetrová hranice stupnice je ohraničena miniaturizací, kterou jsou schopné realizovat konvenční technologie třískového obrábění. Mikrostroj – představuje velikost stroje nebo zařízení od 10 mm až do 1 μm, vyrobeného montáží extrémně malých funkčních částí. U mikrosystémů jejich výroba, montáž, materiály, dodávky energie vyžadují nové techniky a přístupy, vhodné pro miniaturizaci strojů. Technologie mikrostrojů formuje nový základ v průmyslu, protože její použití je významné v mnoha průmyslových oblastech. V současnosti této technologie úspěšně využíváme hlavně v informačně-komunikační a automobilní oblasti ve formě mikrosenzorů. Nanostroj – pomocí nanotechnologií se vytvářejí struktury o velikosti 1.10-7–10-9 m. Pro ilustraci, rozměry jednotlivých atomů jsou řádově 10-10 m. V těchto rozměrech se již významně uplatňují kvantové vlastnosti hmoty. Mezi základní technologie mikrostrojů patří technologie mikroobrábění (Mikromachining Technology) – tabulka 2.1. Typ technologie

Popis a hlavní charakteristika

Křemíkové technologie (Silicon Process)

Kombinuje litografii a umožňuje hromadnou výrobu.

LIGA technologie (LIGA technology)

Kombinuje rozšířenou litografii, elektrolytické pokovování a lisování. Umožňuje výrobu částí s vysokým poměrem stran (High Aspect Ratio).

LIRIE technologie (LIRIE technology)

Kombinace litografie a iontového reaktivního leptání.

Technologie obrábění paprskem (Beam Machining)

Přímé obrábění pomocí obráběcího laserového, elektronového nebo iontového paprsku. Bezmaskové obrábění umožňuje trojrozměrné tvary.

Technologie elektrojiskrového obrábění (Electro-Discharge Machining)

Drátové jiskrové broušení ve spojení s elektrojiskrovým obráběním. Umožňuje obrábění kovů do libovolného trojrozměrného tvaru.

Technologie fotoformování (Photoforming)

Lokální polymerizace tekuté živice pomocí laserových paprsků. Umožňuje formování jakéhokoliv trojrozměrného tvaru.

Technologie vstřikovacího tvarování (Injection Molding)

Tekutá živice nebo kovový prášek smíchaný s živicí je vstřikován do formy a tam vytvrdne. Umožňuje hromadnou výrobu trojrozměrných komponentů.

Konvenční obrábění (Conventional Machining)

Založeno na mechanickém odebírání třísky ze základního materiálu. Umožňuje výrobu většiny potřebných trojrozměrných tvarů.

Ostatní

Elektromechanické obrábění, obrábění iontovým paprskem.

Tab. 2.1 – Hlavní metody technologie mikroobrábění

Toto rozdělení není konečné, protože technologie jsou průběžně doplňovány novými, které poskytují větší možnosti a často dochází i k jejich překrývání. Křemíková technologie je též nazývána technologií integrovaných obvodů. Později byla tato technologie použita na miniaturizaci mechanických částí tlakových senzorů a senzorů zrychlení

26


23.10.2006 15:08:48

Moderní technologie používané v mechatronice a byla dále aplikována na výrobu mikromotorů a dalších mikrostrojů. 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 (pozitivní nebo negativní fotorezist).

• Fotorezist 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). Pro vytvoření vícevrstvové struktury je série těchto kroků opakována a části oxidačního filmu SiO2 jsou odebrány leptáním v prostoru fází. Podrobněji je tento problém popsán na obr. 2.8a–e. Sio2 film

Si substrát

a) Rotor Sio2 film

Polysilikon

b)

Obr. 2.8 a Oxidační film je vytvořený pomocí tepelné izolace, šablona je vytvořena reaktivním iontovým zářením Obr. 2.8 b Polykrystalický křemík je navrstven chemickým napařováním SiO2 se použije jako maska pro vytvoření rotoru pomocí iontového záření

Obr. 2.8 c SiO2 film je leptán použitím plynného trifluormethanu (CHF3); vytvoření díry pro výrobu hřídele

c) Uzávěr

Obr. 2.8 d Polykrystalický křemík je napařen na vytvoření hřídele a uzávěru (víka)

d) Rotor

Hřídel Rotor Obr. 2.8 e SiO2 film je rozpustný pomocí kyseliny fluorovodíkové (HF)

e) Hřídel je upevněna

Obr. 2.8a–e Typická procedura pro výrobu křemíkového mechanismu

Na obr. 2.9 je elektrostatický motor, vyrobený křemíkovou metodou. Jeho rotor, ložisko a pevné elektrody jsou vyrobeny z niklu. Křemíková technologie sehrává hlavní úlohu v technologii mikrostrojů, avšak tento proces má i některé nevýhody. Výsledný produkt je tenký a křehký. Průměr běžného motoru vyrobeného křemíkovým procesem je přibližně roven průměru vlasu, ale jeho tloušťka je asi 1/100 průměru. 27


23.10.2006 15:08:49

2


Mechatronika

Obr. 2.9 Elektrostatický motor vyrobený křemíkovým procesem [7]

Vhodnými metodami pro řešení problémů s tloušťkou a tuhostí jsou tzv. LIGA technologie, mikrojiskrové obrábění, fotoformovací a konvenční obrábění. LIGA (zkratka z německých slov pro litografii, elektrolytické pokovování a lisování) je technologie mikrostrojů, vyvinutá v Jaderném výzkumném centru Karlsruhe v Německu. Při této technologii rovnoběžné rentgenové záření ze synchrotronu dopadá na vhodně upravenou šablonu s příslušným vzorem. Šablona je upravena tak, aby na určitých místech – plochách – zabránila pronikání záření. V otevřených plochách masky záření prochází a exponuje ochrannou látku – PMMA resist (polymethylmethakrylát). Resist je potom vyvolán a výsledkem je PMMA forma, použitá na výrobu kovových součástek pomocí elektrolytického pokovování ve vyvolávaných oblastech. LIGA technologie 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). a)

b)

c)

Obr. 2.10 a, b, c Etapy LIRIE technologie

LIRIE technologie (Litography 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 (wafer) na obr. 2.10. 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. Mikrojiskrové obrábění (Microelectro-Discharge Machining – EDM) je metoda, při které se roztavuje a rozstřikuje část obrobku proti nástroji pomocí

28


23.10.2006 15:08:49

Moderní technologie používané v mechatronice jiskření mezi obrobkem a elektrodou – nástrojem. Obvykle jsou obrobek i nástroj ponořeny do izolační tekutiny (deionizovaná voda, petrolej). Dojde-li k průrazu dielektrika, vzniká jiskra, která roztaví část obrobku, a současně se rychle vypaří tekutina a roztavená část je okamžitě rozstříknuta. Nevýhodou je, že lze opracovávat pouze elektricky vodivé materiály, ale polovodiče (např. křemík) je možné opracovávat pouze v závislosti na jejich vodivosti. Výhoda této metody je bezkontaktní práce; nejsou použity žádné velké síly mezi materiálem a pracovním nástrojem, a je tak možno vyrobit jemný a tenký produkt. Existují tři základní typy této technologie:

• Drátová EDM metoda (Wire EDM) používá drátovou elektrodu na řezání tvaru, určeného speciálním programem.

• Hloubení matricí (Die Sinking) sestává z použití tvarované elektrody na opracování dutin ve tvaru (negativním) nástroje.

• EDM frézování (Milling EDM), které se používá pro výrobu komplexních tvarů pomocí jednoduché válcové elektrody. Elektrické obrábění není omezeno tvrdostí kovu. Materiály s vysokou tvrdostí povrchu je možno lehce obrábět. EDM technologie je tzv. beznapěťovou metodu, a materiál se tedy v procesu obrábění nevlní a nedeformuje. Na obr. 2.11 je klasický příklad rotoru vzduchové mikroturbíny,

Obr. 2.11 Vzduchová mikroturbína [7]

29


23.10.2006 15:08:50

2


Mechatronika vyrobené pomocí elektrojiskrového obrábění [7]. Je zřejmé, že vyrobit tento tvar pomocí LIGA technologie by bylo velmi náročné. Fotoformování (Photoforming Process) znamená vytváření struktur pomocí fotopolymerizujících látek, tekuté živice, která tvrdne po exponování laserovým paprskem nebo jiným zastřeným zářením. V tomto procesu (obr. 2.12) je tenký film fotopolymerizující látky nejprve natvarován nastavením výšky podstavce pod hladinou tekuté živice a pak exponován paprskem, který rozkládá povrch do křivek, formujících tenkovrstevnou strukturu. Proces je opakován při sestavování dalších vrstev tvrdnoucí živice na vytvarování libovolné trojrozměrné geometrie. Minimální možné rozměry a přesnost při této technologii závisí především na průměru paprsku a na tloušťce vrstvy tvrdnoucí živice. Paprsek

Paprsek

Rozklad Tuhnoucí živice

Tekutá živice

Roztavená živice

Podstavec Obr. 2.12 Fáze fotoformování

Obrábění paprskem (Beam Machining Process) je metodou lokálního obrábění, kde je plocha materiálu ozářena pomocí energetického paprsku světla, elektronů nebo iontů. Tedy v širokém smyslu představuje kombinaci elektrojiskrového obrábění a fotoformování. Paprskové obrábění lze využít např. při výrobě otvorů – křemíkový plátek (wafer), umístěný v reaktivní plynné atmosféře (SiH4), je exponován laserovým paprskem na vynucení lokálního růstu křemíkových krystalů, které tak vytvoří 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. Tato metoda umožňuje hromadnou výrobu. Z ostatních technologií při výrobě se často používají povrchové úpravy materiálů součástek, což umožňuje zlepšit vlastnosti používaného materiálu. Jedním z nejnovějších trendů jsou tzv. duplexní povrchové úpravy. Tento typ představuje postupnou aplikaci dvou nebo více povrchových technologií na vytvoření povrchového kompozitu s kombinovanými vlastnostmi. Duplexní povrchová úprava však není jen směs dvou povrchových úprav, které mohou industriálně vytvářet požadované vlastnosti. Dochází spíše k jejich synergii. Existuje však mnoho dalších vhodných metod mikroobrábění a v budoucnu budou určitě vznikat další technologie. Každá z nich má svoje výhody a nevýhody a je důležité vybrat pro daný typ součástky vhodnou technologii a přitom zohlednit možnosti a její ekonomický dopad. Součástky mikrostrojů nemusejí mít jen danou specifickou trojrozměrnou geometrii, ale musejí mít i dostatečnou mechanickou pevnost a trvanlivost. Proto jsou vývoj a zlepšování uvedených technologií důležité pro další vývoj v oblasti mikromechatronických výrobků. Současně s vývojem technologií mikrosoučástek se musí rozvíjet i technologie jejich pájení a mikromontáže. 30


23.10.2006 15:08:50

Moderní technologie používané v mechatronice Nanotechnologie Nanotechnologie se zabývá vytvářením struktur o velikosti 10-7–10-9 m, rozměry jednotlivých atomů jsou řádově 10-10 m, což znamená, že se již výrazně uplatňují kvantové vlastnosti hmoty. Nanotechnologie, pracující v rozměrech 103krát menších než mikroelektronika, zahrnuje postupy využívané při výrobě elektrotechnických součástek, ale i výzkum a vývoj nových materiálů (polymery, uhlíkové nanotrubice). Umožňuje vytváření monomolekulárních vrstev, ale i návrh a realizaci vhodných měřících sond a zařízení. Podle optimistických předpokladů se v roce 2049 dosáhne velikosti křemíkových struktur asi 30 nm. Tím se dospěje na samou hranici, za níž již nanoelektronika přechází v kvantovou elektroniku. Vzdálenost 30 nm odpovídá již jen 128 atomům křemíku, kdy jsou izolační vrstvy silné jen několik atomových vrstev. Bylo dokázáno, že s dnes nejrozšířenější technologií CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconducter) lze zvládnout struktury menší než 5 nm, takže je pravděpodobnost, že tato technologie bude rozhodující ještě alespoň 10 let. Očekává se, že využitím kvantových jevů budou překonány hranice klasické fyziky. Jestliže mikroelektronika je založena na pohybu nosičů elektrického náboje v elektrickém poli v polovodičových strukturách s nehomogenním rozložením koncentrace aktivních příměsí, potom nanoelektronika je založena na spínacích efektech a ukládání informace na molekulární úrovni. Očekává se uplatnění koncepce nanosystémů s extrémně malou spotřebou, napájených palivovými články, zhotovených metodami mikromechaniky MEMS. Využití nanoelektroniky je teprve v počátcích. Její další vývoj bude podmíněn jiným přístupem k návrhu integrovaných systémů, kdy se pravděpodobně nebude postupovat shora dolů (top-down) od makroskopických krystalů a zákonitostí zjemňování struktur, ale obráceně – zdola nahoru (bottom-up). Protože se bude vycházet z atomů a jejich uspořádání, budou vytvářeny umělé molekulární nanosystémy se speciálními vlastnostmi. Stereolitografie Během uplynulých let vznikla řada metod pro rychlou výrobu prototypů (Rapid Prototyping & Manufacturing – RP&M). Nejúspěšnější a nejčastěji používanou metodou je stereolitografie (uvedená na trh americkou firmou 3D Systems Inc.). Využívá kombinace laserové techniky, počítačem řízeného mechanismu a vlastností speciálních fotopolymerů. Princip metody Výrobní proces lze rozdělit do tří etap: a) příprava modelu, b) vlastní výroba stereolitografického (SL) modelu, c) dokončení. Základem pro výsledný SL model je jeho matematický popis. Toho se dosahuje modelováním objektu v trojrozměrném CAD systému (např. Pro/Engineer). Transformovaná data modelu jsou předána do výpočetní části stereolitografického zařízení a dále zpracována. Model je softwarově „rozřezán“ na tenké vrstvy o tloušťce 0,1 mm a každou takto vytvořenou vrstvu uloží. Proces probíhá automaticky. Tato část je rozhodující pro výslednou přesnost modelu. Na jeho orientaci v prostoru (a tedy směru vytváření rovinných řezů) závisí vytvoření geometricky správných tvarů

31


23.10.2006 15:08:51

2


Mechatronika (zaoblení, úkosů, přechodů apod. a dodržení tolerancí rozměrů). V daném modulu aplikačního softwaru jsou doplněny údaje o fotopolymeru a vygeneruje se program pro řídicí jednotku stereolitografického zařízení. Vlastní zařízení se skládá z nízkoenergetického laseru, soustavy zrcátek řízených servopohony a pracovní komory s pracovní deskou opět poháněnou servopohonem. Součástí je též řídicí PC s patřičným softwarem. Pracovní komora je vybavena nádrží s fotopolymerem. V ní se pohybuje pracovní deska, na níž dochází k růstu modelu. Vlastní proces probíhá takto: Na základě dat předaných z PC vykreslí laserový paprsek usměrněný na hladinu kapaliny soustavou zrcátek plochu jedné vrstvy rozřezaného modelu. Poté se pracovní deska ponoří do nádrže s fotopolymerem tak hluboko, aby došlo k úplnému smočení vytvořené vrstvy a vynoří se zpět, takže mezi vytvrzeným polymerem a hladinou zůstane kapalina o tloušťce právě jedné vrstvy, a celý proces se opakuje. Převedením třírozměrného objektu na dvojrozměrný lze vytvářet libovolné složité útvary. Vytvrzení laserovým paprskem není dokonalé. K dotvrzení a osušení povrchu modelu od zbytků pryskyřice dochází v ultrafialové peci. Hotové modely lze dobře upravovat. Vzhledem k vlastnostem materiálů lze povrch brousit a leštit. Modely lze snadno obrábět klasickými metodami, lze do nich vrtat otvory nebo řezat závity apod. Protože řada modelů je určena pro marketing a do oblasti designu, je důležitá možnost modely barvit běžnými barvami na epoxydové pryskyřice nebo máčením v práškových materiálech. Potřebou současných designérů a konstruktérů je pracovat s fyzickým modelem, kontrolovat ergonomii, smontovatelnost, opravitelnost a jiné

Obr. 2.13 PC myš vyrobená stereolitografií

32


23.10.2006 15:08:51

Moderní technologie používané v mechatronice vlastnosti. Výhody fyzického modelu vedou ke zrychlení celého procesu vývoje výrobku. Výroba modelů a prototypů klasickými technologiemi je velmi náročná a zdlouhavá. Rapid Prototyping umožňuje přímou vazbu na vývojové prostředí (CAD/CAM), proto je nejvhodnější cestou ke splnění většiny požadavků konstruktéra. Kromě již zmíněných technologií mikroobrábění jsou pro výrobu mechatronických dílů vhodné a) technologie svařování tenkých plechů mikroplazmou, b) řezání vysokotlakým vodním paprskem a c) moderní postupy lepení: a) Pro svařování tenkých plechů lze výhodně využít technologii, u které regulaci tepelného příkonu můžeme provést plynule, s vysokou hustotou energie plazmy. Plazma vzniká v plazmovém hořáku při průchodu plazmového plynu stabilizovaným elektrickým obloukem. V důsledku vysoké teploty a z toho plynoucí vysoké energie srážek atomů dochází k ionizaci. Tato ionizační energie se v místě dopadu paprsku plazmatu uvolňuje a využívá k tavení materiálu. Fokusaci paprsku plazmatu na výstupu z trysky zajišťuje fokusační plyn (Ar, Ar+H2, Ar+N2). Pro nižší výkony je fokusace provedena vodíkem, který se přivádí v množství do 10 % v ochranné atmosféře. Plyn obklopuje paprsek plazmatu a chrání roztavenou lázeň před účinky atmosférického kyslíku. Svařování mikroplazmové při svařovacím proudu 0,1–15A je technologie zvlášť dobře využitelná pro svařování tenkých plechů. Kvalita spoje závisí také na dalších parametrech svařování, např. na průměru wolframové elektrody a trysky, rychlosti proudu, čistotě a průtoku plazmového plynu – argonu. b) Dominantním rysem technologie vysokoenergetického kapalinového paprsku (VKP) je studený řez, který dělený materiál teplotně neovlivňuje. Při obrábění nedochází ke změně struktury, a tím ke znehodnocení materiálu v oblasti řezu, jako u všech tepelných dělicích metod, ani k extrémnímu silovému zatížení, známému z konvenčních metod dělení nebo obrábění. Princip metody spočívá v působení vysokého tlaku (běžně až 380 Mpa) kapalinoVysokoenergetický kapalinový paprsek

Vysokoenergetický kapalinový paprsek s abrazivem

Zásobník abraziva

Kapalinový paprsek

Stlačená kapalina Směšovací komůrka Kapalinová tryska Kapalinový paprsek

Přívod abraziva

Dělený materiál

Hydroabrazivní tryska

Hydroabrazivní paprsek

Obr. 2.14 Technologie vysokoenergetického kapalinového paprsku VKP

33


23.10.2006 15:08:51

vého paprsku na dělený materiál, resp. v kombinaci tohoto tlaku s hmotnostním a brusným působením abrazivních částic nesených paprskem (viz obr. 2.14 – schéma). Řez vodním paprskem je velmi úzký, což je předností při řezání tvarově komplikovaných výrobků nebo v případě úspory drahých polotovarů. Technologií VKP lze využít při řezání všech druhů ocelí včetně nástrojových, nerezových a speciálních ve stavu žíhaném, ale i po konečném tepelném zpracování. Běžně se obrábějí slitiny hliníku, mědi nebo titanu. Ve strojírenství se dnes uplatňují i další druhy materiálů (lamináty, umělé hmoty, kompozity, keramika – tepelné a elektrické izolanty), pro které je často VKP jedinou vhodnou dělicí technologií. Dalšími výrobními obory, kde je časté uplatnění VKP, jsou automobilní, papírenský, gumárenský a dřevařský průmysl a průmysl umělých hmot. Na fotografiích můžete vidět některé typické představitele materiálů, resp. výrobků, realizovaných technologií vysokotlakého kapalinového paprsku – obr. 2.15.

2


Mechatronika

Obr. 2.15 Polotovary řezané technologií VKP

c) Rozvoj technologie lepení je v posledních 40 letech překvapivě prudký. Výhodou speciálních lepidel je možnost spojovat různé konstrukční materiály – nesvařitelné a různorodé: plasty, kovy, pryž a sklo. Lepit lze i velmi tenké a křehké materiály, a protože je namáhání rozloženo na celou plochu spoje, je možné používat i tenčí plechy. Lepit je možné i v prostředí s nebezpečím výbuchu, nebo kde nelze svařovat z jiných bezpečnostních důvodů. Neexistuje však univerzální lepidlo. Množství faktorů, které ovlivňují vlastnosti spoje – typ lepidla, lepeného podkladu a okolní prostředí – činí každou aplikaci unikátní. Ve strojírenství, automobilovém a leteckém průmyslu, v kosmonautice, se využívají především speciální kyanoakrylátová jednosložková lepidla, která mohou zatuhnout za méně než 10 s při pokojové teplotě. Rozměrné magnety urychlovačů jaderných částic lze vyrobit v podstatě jen vrstvením magnetizovaných plechů, které se lepí pomocí epoxydových lepidel, vytvrzovaných do 40 °C, aby se neovlivnily magnetické vlastnosti celého zařízení. Lepidla jsou tvořena polymery, které představují tepelný i elektrický izolant. Avšak pro mnohé důležité průmyslové účely je nezbytné, aby lepidlo bylo schopno vést buď proud, nebo teplo. Vodivá lepidla vytvoříme vnesením určitého množství kovového (stříbrného nebo zlatého) prášku a dalších speciálních plnidel. Lepidlo z epoxidových polymerů se už dlouho užívá ke spojování logických obvodů a komunikačních částí. Používalo se i v optických spojích. S pokrokem v optoelektronice se podařilo vyvinout 34


23.10.2006 15:08:52

Příklady a ukázky mechatronických výrobků spolehlivé a stabilní optické lepidlo, které snížilo útlum signálu při průchodu spoji. Jsou známa i přírodní lepidla a tzv. biolepidla, využívaná v medicíně. Ještě před 40 lety se říkalo, že strojaři k sobě součásti prostě nepřilepují. Dnes to však již neplatí. Lepení podstatně snižuje výrobní náklady i ve strojírenství: lze přejít na jednodušší stavebnicové díly, odpadají pracovní postupy spojené s připevňovacími prvky, snižují se náklady na odlitky a jejich opracování a zmenšuje se množství zmetků. Lepit mohou i méně kvalifikované síly, pracuje se s většími tolerancemi, odpadá použití drahých nástrojů, speciálních zařízení a strojů. Pozn.: V této kapitole neuvádíme rozsáhlou oblast informačních a řídících technologií, jež tvoří samostatný obor. Jejich využití je však samozřejmou součástí mechatronických výrobků. Některé poznatky budou uvedeny v kap. 5, 6 a 8.

2.5 Příklady a ukázky mechatronických výrobků Mechatronika přináší řadu nových podnětů jak v mechanice (např. vyšší rychlosti pohybů, extrémně malé a přesné výchylky a polohy mechanismů, tzv. aktivní tlumení, používání řízených magnetických ložisek při uložení hřídelů rychloběžných pohonů), tak i v elektrotechnice a elektronice (rozvoj nových mikroprvků, mikrosenzorů na jediném čipu, komunikace a přenos informací uvnitř mechatronických výrobků pomocí optických vláken). Podle charakteru objektu, na který se aplikuje mechatronický přístup, se lze setkat s těmito oblastmi aplikací:

• Inženýrská mechatronika, u které je aplikačním objektem technické zařízení nebo technologický proces. Jako příklady uvádíme robotické soustavy, redundantní paralelní roboty, lesní roboty, roboty v zemědělství (pro sklizeň ovoce a zemědělských plodin, stříhání ovcí, mechatronické zemědělské stroje), v jaderné energetice, v chemickém průmyslu a ve vojenství, vozidla s počítači v místech realizace určitých činností (např. brzdové soustavy ABS, řízení spalovacího procesu v motorech), řízené pérování vozidel, systémy kosmických sond, systémy autopilota, navigace a zbraňových systémů, nekývající se portálový jeřáb, řízené tlumení vibrací strojů. Dnes sem patří i přístroje pro vybavení kanceláří či domácností, např. mobilní telefony, holicí strojky či mechatronické výrobky pro oddech a volný čas – hudební soupravy, fotografické aparáty apod.

• Mikro- a nanomechatronika. • Biomechatronika, jsou-li aplikačními okruhy bioobjekty, především lidé. Sem patří např. biomechatronické soustavy, poznávací, klinické, rehabilitační, ale i sportovní a pro invalidy, např. „inteligentní” protézy. Za příklady mechatronických výrobků mohou sloužit číslicově řízené obráběcí stroje, průmyslové roboty, fotokamery, programovatelné automaty, bezobslužné kamery, polygrafické stroje, lékařské přístroje, umělé satelity, systémy pro řízení letadel počítačem, inteligentní pračky, holící strojky apod.

35


23.10.2006 15:08:52

2


Mechatronika

2.6 Kontrolní otázky a úlohy 1. Uveďte základní znaky mechatronického výrobku. 2. Vysvětlete typické fáze při návrhu mechatronického výrobku. 3. Uveďte příklady výrobků, které lze označit jako mechatronické, a vysvětlete proč. 4. Uveďte moderní materiály používané v mechatronických výrobcích. 5. Uveďte moderní technologie používané v mechatronických výrobcích. 6. Co jsou nanomateriály a nanotechnologie? 7. V čem spočívá inteligence materálů? Uveďte příklady. Elektromagnet Úderový třmen

Spouštěcí třmen

Návnada

Světelná závora

Západka

Úderový třmen

Pružina Klapka návnady

Pružina

Jádro

Návnada Řízení

Obr. 2.16 Klasické a nevhodné mechatronické provedení pastičky na myši

2.7 Použitá literatura (kapitoly 1 a 2) [1] VALÁŠEK, M. a kol. Mechatronika. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1995. [2] GMITERKO, A. Mechatronika – hnací faktory, charakteristika a koncipovanie mechatronických sústav. Košice: Strojnícka fakulta TU, 2004. [3] PEŇÁZ, V. – BENŽA, D. Tekutinové mechanismy. Brno: SF VUT, 1990. [4] RAAB, M. Materiály a člověk (Netradiční úvod do současné materiálové vědy). Praha: Encyklopedický dům, s. r. o., 1999. [5] DOVICA, M. Komponenty a moduly mini- a mikromechanizmov. Košice: Strojnícka fakulta TU, 2002. [6] ALCIATORE, D. Definitions of „Mechatronics” [online]. URL: <www.engr.colostate.edu/~dga/ /mechatronics/definitions.html>. [7] Micromachine center, Japan. URL: .

36


23.10.2006 15:08:52

Senzory v mechatronických soustavách

3

3.1 Úvod Senzory (snímače)1 jsou důležitou součástí většiny moderních elektronických zařízení. Používají se ve stále větším počtu v mnoha průmyslových odvětvích a produktech. Jejich prvořadým úkolem je zjišťovat přítomnost různých fyzikálních, většinou neelektrických veličin, a umožnit další zpracování získaných údajů. Rychle postupující vývoj mikroelektroniky napomohl rozšíření systémové schopnosti senzorů. Ty se postupně mění na tzv. inteligentní a kompaktní měřicí systémy s vestavěnými funkcemi zpracování signálu a specifickými možnostmi komunikace.

Obr. 3.1 Použití senzorů v průmyslu

Účelné využití špičkové techniky umožnilo dříve netušený rozvoj hromadné výroby senzorů. Stále více funkcí souvisejících se zpracováním signálu se uskutečňuje přímo v senzorech. Pro tyto senzory nové konstrukce, vybavené mikroelektronickými obvody, se někdy používá název inteligentní senzor (smart sensor). Tento pojem není zatím normován a v důsledku toho se používá různě. Inteligentní senzor by měl integrovat kromě systému pro získání a zpracování měronosné informace i elektroniku, umožňující komunikaci přes standardizované rozhraní a standardizovaným komunikačním protokolem po sériové dvou- nebo čtyřvodičové sběrnici s dalšími inteligentními senzory a nadřazeným řídicím členem. Kromě toho elektronika musí umožnit i dálkové nastavení parametrů senzoru, jeho diagnostiku a hlášení o stavu nadřazenému členu. V neposlední řadě se od něj očekává i zpracování naměřené informace.

37


23.10.2006 15:08:54

3

SENZORY V MECHATRONICKÝCH SOUSTAVÁCH

Mechatronika Senzory můžeme dělit podle:

• měřené veličiny na senzory teploty, tlaku, průtoku, radiačních veličin ve viditelném, infračerveném a jiném spektru, mechanických veličin (posunutí, polohy, rychlosti, zrychlení, síly, mechanického napětí aj.), senzory elektrických a magnetických veličin aj.;

• fyzikálního principu na senzory odporové, indukčnostní, indukční, kapacitní, magnetické, piezoelektrické, fluidikové, pyroelektrické, optoelektronické, optické vláknové, chemické, biologické aj.;

• • • •

styku senzoru s měřeným prostředím na bezdotykové, dotykové (proximitní a taktilní); transformace signálu na aktivní (generátorového typu) a pasivní; tvaru dráhy pohyblivé části, jejíž pohyb sledujeme, na lineární (přímočaré) a úhlové; tvaru výstupní veličiny na spojité (analogové) a nespojité (diskrétní).

Vlastnosti senzorů lze srovnávat na základě různých kritérií (přesnost, rozsah, výstupní signál, parazitní vlivy apod.). Shrnutím těchto srovnání dostaneme skupiny senzorů, které se od sebe kvalitativně liší. Vytváříme tak jednotlivé generace. V současné době lze uvést tyto generace senzorů: 1. generace – pro konstrukci senzorů se využívají základní fyzikální jevy. Jsou to především senzory odporové, indukčnostní, kapacitní, ionizační, indukční, termoelektrické, piezoelektrické apod. Jejich vývoj je v podstatě ukončen. Výjimečně se u této generace senzorů setkáváme s novými technologiemi, použitím nových materiálů a konstrukcí. Zcela výjimečně se setkáváme s použitím nových fyzikálních jevů. O tuto generaci se opírá především současná automatizační technika. 2. generace – typické pro tuto skupinu senzorů je využití polovodičů a fyzikálních jevů s polovodiči spojených. Jejich nástup úzce souvisí s rozvojem polovodičové techniky. Senzory druhé generace se vyznačují výrazně lepšími parametry, především pokud jde o citlivost, miniaturní rozměry, dynamické vlastnosti, přesnost a další. Hledají se nové fyzikální jevy, nové materiály. Dochází k částečnému nebo úplnému sloučení elektronické části informačního řetězce s čidlem. Vytvářejí se senzory hybridní nebo integrované. Vývoj této generace senzorů není ukončen. Proto je dále věnována pozornost především této generaci senzorů. 3. generace – u předcházejících dvou generací senzorů je na výstupu vždy elektrický výstupní signál. Rychlý vývoj v optických systémech (větší rozsah použitelných frekvencí, terabitová rychlost přenosu dat na jednom vlákně) si žádá dokonalejší senzory. Tyto senzory s možností napojení optických vláken na jiné vlnovody nebo na laserové paprsky souhrnně nazýváme mikro-elektro-mechanickými systémy (MEMS). Název MEMS se využívá i mimo optoelektroniku; čistě optoelektronické systémy nazýváme MOEMS (mikro-opto-elektro-mechanické systémy). Třetí generace je reprezentována senzory optoelektrickými nebo světlovodnými (optické vláknové senzory). Na jejich výstupu je světelný tok. Tato generace senzorů navazuje na přenos signálu pomocí světlovodů a využívá výhody z toho vyplývající. Jde především o problém rušení senzo1) Výraz senzor[1] (snímač) se užívá jak pro označení prvku pro převod neelektrické veličiny na elektrickou, tak pro celou fyzickou jednotku včetně obvodů pro zpracování (úpravu) a vyhodnocení signálu a také krytu a přívodů. Jednou z možností jak vyloučit nejednoznačnost je přidání dalšího slova, nejčastěji přídavného jména. Pro senzor jako celek by další výraz měl popsat veličinu, kterou má senzor měřit, např. senzor tlaku, senzor teploty. Pro senzor jako převodník neelektrické veličiny na elektrickou by přídavný výraz měl vystihnout výstupní elektrickou veličinu senzoru (např. kapacitní senzor, odporový senzor, indukčnostní senzor), případně princip převodu (např. optoelektronický senzor, elektrochemický senzor).

38


23.10.2006 15:08:54

Úvod rů elektrickými nebo magnetickými poli, možnost přenosu signálu na větší vzdálenosti, velká šířka pásma a některé další výhody. Senzory této generace jsou ve stadiu výzkumu a vývoje. Některé typy se však již sériově vyrábějí. Velmi zajímavou skupinu této generace představují senzory světlovodné. U nich působí měřená neelektrická veličina na parametry světlovodu tak, že je přímo ovlivňován světelný tok. Senzory tohoto typu mohou mít výrazně větší citlivost a podstatně menší rozměry než senzory pracující s převodem na elektrický signál.

Obr. 3.2 Optický senzor se světlovody

3.1.1 Definice senzoru Senzor je funkční prvek tvořící vstupní blok měřicího řetězce, který je v přímém styku s měřeným prostředím. Senzor je ekvivalentním pojmem k pojmům snímač, převodník nebo detektor. Citlivá část senzoru se označuje jako čidlo. Senzor snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo biologickou veličinu a tu podle určitého principu transformuje na měřenou veličinu (ve většině případů je touto veličinou elektrická veličina). Existují také senzory, které neelektrickou veličinu přímo transformují na číslicový signál. Měřicí veličina je pak dále zpracována dalšími funkčními bloky měřicího řetězce. Na konci tohoto řetězce je indikační zařízení, které nás informuje o stavu sledované veličiny, nebo navazující regulační systém, který podle předem daných pravidel ovlivňuje sledovanou veličinu. Měřicí řetězec je zobrazen na obr. 3.3. Transformovaný měřicí signál je obvykle nutné zesílit a také zajistit dostatečný odstup měřeného signálu od šumu (může se projevovat šum senzoru, šum zesilovače a parazitní šumy – například vliv elektromagnetického pole, působení zemních smyček a podobně). Další zpracování naměřeného signálu provádějí obvody pro zpracování signálu (provádění různých matematických operací, linearizace atd.). Analogový signál je možné transformovat převodníkem A/D na digitální signál a ten pak pomocí mikropočítače dále upravovat (například provést korekce naměřených hodnot).

Čidlo

Měřicí obvod a zesilovač

Obvody zprac. signálu

A/D

μP

Rozhraní

Obr. 3.3 Blokové schéma měřicího řetězce se senzorem

Ve většině případů číslicového zpracování naměřeného signálu je výstup tvořen buď číslicovým měřicím přístrojem, který je vybaven rozhraním pro dálkové zpracování dat, nebo na výstupu je přímo rozhraní umožňující přenos naměřených dat. Rozhraní je společná hranice, která má 39


23.10.2006 15:08:55

3


Mechatronika přesně definované charakteristiky propojení jak fyzického, tak signálového, funkčního i procedurálního. U senzorů se nejčastěji používá sériové rozhraní (tj. se sériovým přenosem dat) dle evropského doporučení CCITT a amerického doporučení EIA, a to RS-232-C a RS-485. Zatímco u rozhraní RS-232-C je dosah přenosu dat při rychlosti 20 kb/s 15 m, u RS-485 je to do vzdálenosti 1 200 metrů s maximální rychlostí 20 Mb/s. PC – kalibrace přístrojů – statistika využití výrobní linky atd.

PLC

HART/DP

distribuované I/O

provozní přístroje HART

PA/DP

provozní přístroje Profibus PA

Obr. 3.4 Připojování na sběrnici

Dalším sériovým rozhraním je Ethernet. Rozhraní může bez problémů přenášet informaci velmi vysokými rychlostmi od 10 Mb/s do 1 000 Mb/s po kroucené dvoulince i po optickém vláknu. Poslední skupinou jsou rozhraní pro bezdrátový přenos dat, kam patří Bluetooth, WiFi a IrDA. Pro náročná měření lze použít paralelní rozhraní jako je IEEE 488.

3.1.2 Inteligentní senzory Vzhledem k rychlému vývoji elektroniky, který usnadnil vývoj nových prvků a systémů, došlo k rozvoji elektronických obvodů pro zpracování signálů získaných z čidel neelektrických veličin. Díky nutnosti slučitelnosti senzorů a navazujících analogových obvodů, došlo k vývoji inteligentních senzorů, které vycházejí z technologie spojení čidla s navazujícími integrovanými analogovými obvody na stejném křemíkovém čipu. Inteligentní senzor (viz obr. 3.5) v sobě zahrnuje Číslicový výstup RS 232 (RS 485) Čidlo

Elektrické obvody

A/D převodník

μP

Neelektrická veličina (např. tlak)

Komunikační rozhraní Analogový výstup

Napájecí zdroj UB Obr. 3.5 Blokové schéma inteligentního senzoru

čidlo měřené veličiny, obvody pro úpravu signálu, A/D převodník, mikroprocesor pro zpracování a analýzu signálu (linearizace charakteristiky čidla, uchování signálu) a obvody pro obousměrnou komunikaci s okolím atd. 40


23.10.2006 15:08:55

Senzory polohy

3.1.3 Struktura inteligentních senzorů Strukturu inteligentních senzorů lze rozdělit na tři základní části: 1. Vstupní část – zajišťuje vstup měřených veličin, převádí je na elektrickou veličinu a tu převádí na vhodný, případně i normovaný elektrický signál a zajišťuje ochranu senzoru proti působení nežádoucích vstupních veličin či vlivů okolí. Mohou ji tvořit převodníky, membrány, zesilovače, stabilizátory atd. Jeden inteligentní senzor může obsahovat více čidel různých veličin – hlavní veličina tak může být korigována vzhledem k rušivým veličinám, např. teplotě. Může také zajišťovat přepínání více vstupních veličin, adresování v řadě, smyčce či poli měřených bodů. 2. Vnitřní část – zpracovává vstupní signál, zajišťuje nastavení nulové hodnoty, kompenzaci vlivů okolí (např. teploty), linearizaci v celém rozsahu vstupních veličin, autokalibraci měřicí funkce, autodiagnostické funkce. Je tvořena A/D a D/A převodníky, paměťmi, komparátory, generátory, mikroprocesory. U nejvyšších stupňů inteligentních senzorů se využívá prostředků umělé inteligence. 3. Výstupní část – zajišťuje komunikaci senzoru s následnými zařízeními, signalizaci vlastní funkce a stavu, případně převod číslicového signálu na normalizovaný analogový výstupní signál, signalizaci měřené veličiny. Podle měřené veličiny rovněž může vydávat řídicí signál pro výkonová zařízení. Může umožňovat místní i dálkové ovládání. Důležitým úkolem je ochrana před působením nežádoucích jevů na výstupu (zkraty, odpojení, přepětí aj.). Je tvořena obvody elektrických signálů. Požadavky na inteligenci v jednotlivých částech senzoru: 1. Ve vstupní části – převod fyzikální, chemické nebo biologické veličiny na elektrickou, zesílení a filtrace signálu, linearizace převodní charakteristiky, normování signálu, ochrana proti působení parazitních vlivů atd. 2. Ve vnitřní části – analogově-číslicový převod, autokalibrace elektrické a v některých případech i neelektrické části měřicího řetězce, aritmetické operace, číslicová linearizace, statistické vyhodnocování naměřených dat, hlídání mezí, možnost přidání umělé inteligence, kdy je senzor schopen na základě modelu a učících se principů rozeznat, jestli dílčí naměřená data jsou věrohodná, nebo ne. 3. Ve výstupní části – unifikace analogových výstupních signálů (ve většině případů je unifikace standardizována na hodnoty 0–10 V, 0–20 mA a 4–20 mA), komunikace prostřednictvím integrovaného rozhraní se sběrnicovým systémem, číslicově-analogový převod apod.

3.2 Senzory polohy Na přesném rotačním nebo lineárním posunu závisí parametry celé řady automatizovaných systémů. Víceosé obráběcí stroje, jednoúčelové stroje, stroje pro technologii povrchové montáže a další podobná zařízení používají pro zjištění polohy lineární, rotační nebo úhlový senzor. Při volbě senzoru vycházíme z přesnosti a rozlišení. Posuzujeme rychlost přenosu dat, rozměry senzoru, jeho složitost a cenu. Typ senzoru volíme podle materiálu sledovaného objektu, podle podmínek prostředí (tlak, vlhkost, teplota, prašnost, magnetické a elektrické pole) a podle typu detekce (dotyková nebo 41


23.10.2006 15:08:56

bezdotyková). Musíme zohlednit bezpečnou funkci a technické požadavky na senzor, jako je napájení (=/~), typ výstupu (výstup PNP nebo NPN, analogový nebo binární), vzdálenost detekce mezi objektem a senzorem, citlivost, přesnost, teplotní stabilita, hystereze, maximální spínací proud a kmitočet.

3.2.1 Optoelektronické senzory Pro detekci objektů v průmyslové automatizaci se vedle ostatních typů senzorů ve velké míře uplatňují optoelektronické a laserové senzory. Je to způsobeno jejich stále rostoucími výkony, ale zmenšujícími se rozměry. Jsou používány především tam, kde jsou potřeba větší vzdálenosti mezi senzorem a snímaným objektem. Mohou tak být bezdotykově detekovány objekty ve vzdálenosti i desítek metrů. 3.2.1.1 Optoelektronické zdroje Nejobvyklejšími zdroji optického záření v senzorové technice jsou luminiscenční diody a laserové diody. Je pro ně typická malá energetická náročnost i malé rozměry a váha. a) Luminiscenční diody LED (Light Emitting Diode) Luminiscenční diody jsou polovodičové prvky, které mají jeden PN přechod. Princip činnosti je založen na rekombinaci volných nosičů náboje (elektronů a děr) v oblasti přechodu při průtoku proudu diodou v propustném směru. Tento proces způsobuje v aktivní oblasti uvolnění energie ve světelné formě.

vlákno

Epoxy kov n-GaAs substrát n-AlGaAs

3


Mechatronika

p-AlGaAs aktivní 40 μm

p-AlGaAs p-AlGaAs SiO2 kov

Obr. 3.6 Konstrukce luminiscenční diody

Luminiscenční diody LED jsou zdrojem nekoherentního záření. Uplatňuje se u nich spontánní emise – tzn. rekombinace nastává při průtoku proudu diodou samovolně. Vlnová délka optického záření závisí na materiálu a souvisí s energií. Typickým představitelem používaného materiálu pro přímou rekombinaci je GaAs a pro nepřímou rekombinaci materiál GaP. Volbou materiálu a příměsí se určí vlnová délka záření (barva). Podle způsobu vyzařování a navázání optické energie zdroje do optického vlákna rozlišujeme dva typy LED diod, luminiscenční diody vyzařující z plochy a z hrany. Konstrukce této diody s připojením optického vlákna je znázorněna na obrázku č. 3.6. Příklad zde použitých materiálů odpovídá zdroji s vlnovou délkou 850 nm. Ve většině aplikací pracuje dioda v nespojitém, binárním režimu, tzn. že dioda svítí nebo nesvítí.

b) Polovodičový laser (Light Amplification with Stimulated Emission of Radiation) Základem polovodičového laseru je vysoce dotovaný PN přechod GaAs, který tvoří aktivní prostředí. Je zdrojem koherentního optického záření. Koherence znamená, že všechny vlny (kvanta) mají stejnou frekvenci, polarizaci a fázi. Princip funkce polovodičového laseru je založen na vynucené emisi fotonů. Znamená to, že záření je vynuceno existencí fotonu stejné frekvence, polarizace a fáze jako má emitovaný foton. 42


23.10.2006 15:08:56

Senzory polohy Pokud má k vynucené emisi docházet, musí existovat aktivní prostředí s dostatečně velkým zesílením fotonů. Lasery, u kterých je aktivní prostředí (emise) z pevné látky, jsou nejen polovodičové, ale mohou také být např. rubínové nebo neodynové. Dále jsou lasery plynové (např. Helium-Neonové, CO2) aj. Aby generování fotonů po určité době neustalo, musí část emitovaného záření zůstávat v aktivním prostředí a vyvolávat vynucenou emisi u dalších fotonů. Existenci této kladné zpětné vazby zajišťují dvě planparalelní zrcadla (tvořící rezonátor), od nichž se část fotonů odráží zpět do aktivního prostředí. Po několika odrazech i tyto fotony vyletí polopropustným zrcadlem a přispívají k celkovému zářivému toku laseru. Podmínkou také je, aby v aktivním prostředí převládla vynucená emise nad ostatními protipůsobícími jevy, např. absorbce apod. První fotony vždy vznikají na principu spontánní emise. Takto vzniklý foton stimuluje přechody dalších elektronů, přičemž při dostatečném buzení (proudu laserovou diodou) tento proces narůstá a dochází ke generaci koherentního optického záření. Obě vrstvy PN přechodu musejí být velmi silně dotovány. Přesáhne-li koncentrace injektovaných nosičů určitou mez, stimulovaná emise natrvalo překoná absorbci a v aktivní oblasti PN přechodu se dosáhne ustálené generace velkých kontakt hustot fotonů. Nad prahovým proudem dochází N typ k nasazení stabilních laserových oscilací, tzn. ke generování koherentního záření. P typ

aktivní vrstva zrcadla koherentní záření

Obr. 3.7 Laserová dioda, vyzařovací charakteristika

Na rozdíl od luminiscenční diody vyzařuje laserová dioda vždy z hrany. Výstupní výkon běžných laserových diod bývá 1 až 10 mW. Ve srovnání s LED diodou je u laseru vyzařovací charakteristika vždy nesymetrická a vyzařování je směrováno do menšího prostorového úhlu. Typický příklad vyzařovací charakteristiky je na obr. 3.7.

3.2.1.2 Optoelektronické detektory Přijímače, optické detektory (čidla), mají za úkol detekovat optický signál a převést jej na signál elektrický. Nejběžnějším optickým detektorem je PN nebo PIN fotodioda, lavinová fotodioda APD (avalanche photodiode), fototranzistor a pro speciální aplikace optoelektronické prvky PSD, CCD a CMOS. a) Fotodiody PIN Úkolem fotodiod je transformace světla na elektrický proud. Jedná se tedy o opačnou funkci luminiscenční diody. Fotony vstupující do polovodiče s dostatečnou energií jsou absorbovány, přičemž vznikající páry elektrony–díry vytvářejí v polovodiči napětí (fotovoltaický jev) nebo zvětšují jeho vodivost (fotovodivostní jev). Spektrální citlivost, která udává závislost citlivosti detektoru na vlnové délce, závisí na materiálu PIN diody. Ve čtvrtém kvadrantu obr. 3.8a pracují fotodiody v tzv. hradlovém režimu – tzn. vlivem dopadajících fotonů se vytváří fotoelektrické napětí, které se využívá jednak k realizaci slunečních článků, jednak jako detektory s vysokou citlivostí. Ve třetím kvadrantu (fotovodivostní režim) se dioda chová jako pasivní prvek, elektrický odpor klesá s intenzitou světla. Proto 43


23.10.2006 15:08:57

3


Mechatronika je fotodioda v sérii s ochranným rezistorem připojena ke zdroji napětí, který ji polarizuje do závěrného směru. Dopadající fotony generují volné elektrony a díry stejně jako ve fotovoltaickém režimu, ale vzhledem k závěrné polarizaci PN přechodu je na něm vyšší intenzita elektrického pole, a proto i rychlost driftujících elektronů a děr je vyšší. S rostoucí rychlostí nosičů roste i maximální kmitočet. Proto se mezi vrstvu P a N polovodiče obr. 3.8b vkládá oblast I s vlastní (intrinsickou) vodivostí o velkém odporu, kde se dosahuje vysoké intenzity elektrického pole, a tím i vysoké rychlosti nosičů. I a –20

–15

–10

IR

–n

b U

Izolace

–5

P

–

I

–

N

– Fotovodivostní Dopadající optický výkon (μW)

Hradlový režim

Kontakt

Obr. 3.8 VA charakteristika a konstrukce PIN fotodiody

b) Lavinové fotodiody APD (Avalanche Photo Diode) Nedostačuje-li citlivost PIN fotodiod, je možné použít tzv. lavinových fotodiod, které vykazují vlastní zesílení. Konstrukcí se podobají PIN fotodiodám, také materiály jsou obdobné. Jejich struktura obsahuje vrstvu, kde dochází k násobení nosičů náboje. Toto zesílení fotoproudu je způsobeno přiložením velkého závěrného napětí, které urychluje dopadajícími fotony vzniklé nosiče náboje natolik, že při srážce s mřížkou krystalu polovodiče dochází k vyražení dalších (sekundárních) elektronů. Takto lavinovitě narůstá počet nosičů náboje způsobený jedním absorbovaným fotonem. Proto se tento jev nazývá lavinový a odtud plyne i název lavinová fotodioda. c) Polohově citlivé optoelektronické detektory PSD (Position Sensitive Photo Detector) Jedná se o optoelektronické detektory, které umožňují přesně určit pozici dopadajícího světelného paprsku na odporovou fotocitlivou plochu detektoru. Umožňují tak na dálku detekovat pohyb, změřit velikost nebo určit tvar nějakého předmětu. Dovoluje na mikrometry přesně určit pozici dopadajícího světelného paprsku na aktivní fotocitlivou plochu detektoru. Pozice se určuje porovnáním velikostí proudů z kontaktů detektoru, jejichž velikost se spojitě mění v závislosti na pozici dopadajícího paprsku na citlivou plochu. Jedná se vlastně o zvláštní variantu PIN diody s fotocitlivou odporovou vrstvou ve tvaru pásku nebo plošky. V případě jednorozměrné struktury (obr. 3.9) je svrchní strana součástky opatřena dvěma kontakty X1 a X2 a mezi nimi je již zmíněná aktivní odporová fotocitlivá vrstva. Třetí kontakt je substrát, na obrázku vyveden ve spodu struktury. V zapouzdřeném stavu má tedy detektor tři vývody. Místo, kam dopadne paprsek světla, generuje elektrický proud I, který se v ose X rozdělí na dvě složky I1 a I2 úměrné pozici bodu dopadajícího světla. To je dáno odporem R1 a R2 plochy mezi již zmíněným bodem, 44


23.10.2006 15:08:57

Senzory polohy kam dopadá světlo, a kontakty X1 a X2. X1 – proud I1 X2 – proud I2 Čím blíže je bod kontaktu, tím menší odDopadající světlo Aktivní plocha délky L por mezi ním je kladen vrstvou, a tím odpor R2 odpor R1 větší proud je odebírán z daného kontaktu. Porovnáním proudů I1 a I2 kontaktů X1 a X2 lze určit pozici paprsku v ose X. Častěji se však určuje pozice od středu senzoru, protože paprsek dopadající do středu (těžiště) generuje stejný proud pro oba výstupní kontakty. Tento detektor je jednou Vývod substrátu z možností, jak velmi rychle a přesně určit i malou změnu pozice libovolného objek- Obr. 3.9 Průřez strukturou PSD tu. V průmyslu se často využívají ve spojení s měřením vzdálenosti triangulační metodou. Popisovaná jednorozměrná struktura se dá rozšířit na dvojrozměrnou. Je tak možné snímat polohu i v rovině. d) Nábojově vázané senzory CCD (Charge Coupled Device) Tyto senzory používají pro snímání světelného záření kapacitory MOS nebo na PN přechod ve fotodiodě. Pro snímání plošného obrazu se nejčastěji používají CCD snímače typu interline transfer. Jako detektory se používají fotodiody, které akumulují náboj vytvořený dopadajícím světlem. Po jisté době se tyto náboje najednou přesunou do nábojově vázaných CCD vertikálních posuvných registrů, obr. 3.10. Fotodiody akumulují další nábojový obraz, a ten opět přesunou ve vertikálním posuvném registru o jednu polohu dolů. Tak se náboje ze spodního konce vertikálního registru přesunou paralelně do horizontálního CCD posuvného registru. Odtud jsou v rytmu hodinových impulzů přesouvány náboje k výstupnímu nábonábojový detektor jovému detektoru. Na něm se objevují napěťovýstupní vé impulzy, jejichž velikost je úměrná velikosti fotodiody zesilovač osvícení příslušné fotodiody. Po vyprázdnění horizontálního registru se do něj přesune další UOUT sada nábojů z vertikálních registrů. Proces po- přesun kračuje tak dlouho, dokud se nevyčtou všechny CCD posuvný registr vertikální registry. Po skončení pokračuje přesun nábojů z fotodiod do vertikálních registrů. Obr. 3.10 Přesun náboje v analogovém posuvném registru e) Obrazové senzory CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Tyto senzory jsou levnější a rychlejší než senzory CCD. Nejjednodušší CMOS senzory jsou pasivní (PPS – Passive Pixel Sensors), které generují elektrický náboj úměrný energii dopadajících paprsků. Náboj jde přes zesilovač do analogově-digitálního převodníku. V praxi však dávají tyto pasivní CMOS špatný obraz. Proto se přešlo na aktivní CMOS senzory (APS – Active Pixel Sensors). Jejich základem je pole fotodiodových prvků vyrobených technologií používanou při výrobě CMOS obvodů. Fotodiody se vyrábějí s proudem závislým na osvětlení a proměnným v rozsahu fA až nA. Jako pracovní odpor fotodiody slouží tranzistor typu MOSFET s pracovním napětím těsně nad prahovým napětím. Každá fotodioda je doplněna analytickým obvodem, který aktivně eliminuje šum. Nevýhodou dosavadních CMOS je jejich malá citlivost na světlo. Je to dáno tím, že obvody omezující šum jsou uvnitř buněk. Nedostatek se řeší přidáním miniaturních čoček ke každé buňce a další miniaturizací kompenzačních obvodů. 45


23.10.2006 15:08:57

f) fotoodpory MSM (Metal Semiconductor Metal) Jejich podstatou je mikrovlnné páskové vedení, tvořené dvěma proužky na polovodičovém podkladu (Si, GaAs). Elektrody jsou přerušeny úzkou mezerou (10 až 14 μm). Dopadající impulzy laserového svazku zvýší vodivost podkladu, odpor při ozáření klesne na několik Ω. Tyto prvky mají nejkratší dobu odezvy (přibližně 12 ps), a jsou tak vhodné pro senzory s extrémně krátkou dobou reakce. 3.2.1.3 Optoelektronické inkrementální senzory Princip těchto senzorů spočívá v clonění světelného toku mezi zdrojem světla a detektorem světelného toku, např. fotodiodami PIN, pravítkem nebo kotoučkem pravidelně rozděleným na úseky pro světlo průhlednými nebo reflexními ryskami (obr. 3.11). Posun pravítka 4 s rastrem o jeden krok λ je snímán pomocí fotodiod 5, které jsou osvětlovány luminiscenční diodou 1. Aby bylo možné zaručit dostatečnou přesnost snímače, je nutné v optické cestě instalovat pevnou, Obr. 3.11 Princip funkce optického senzoru s clonícím nepohyblivou clonu 3. Její rozteč musí odpovídat pravítkem rozteči rysek na pohyblivém kotouči. V praxi se používají čtyři takovéto vícenásobné clony, které příslušejí čty360˚d řem fotodiodám. Rysky každé jednotlivé clony jsou vůči ryskám 180˚d 90˚d sousední clony posunuty o čtvrtinu periody dělení. Na aktivních plochách fotodiod D1 až D4 (obr. 3.13) se tak při pohybu D1 D2 kotouče vůči cloně objeví světelný tok sinusového průběhu. Je to způsobeno tím, že hrany rysek nejsou absolutně ostré a jejich poloha a šířka nejsou zcela přesné s amplitudou od nuly do 50 % D3 D4 světelného toku luminiscenční diody. Nejjednodušší metoda, jak zpracovat modulovaný světelný tok, je z dvojic fotodiod přia vést signály, které jsou navzájem posunuté o 180° elektrických, p na komparátor, jehož výstupem bude pravoúhlý signál. Tímto λ způsobem vzniknou ze čtveřice diod na dvou komparátorech dva pravoúhlé signály posunuté o 90° (obr. 3.12). Posunutí umožňuje rozeznat směr otáčení hřídele. Signály se připojují t k čítači, který vyhodnocuje, podle použitého logického vzorce, jeden, dva nebo čtyři impulzy na otáčku (tj. jen vzestupné, nebo i sestupné hrany jednoho nebo obou komparátorů). Další možt ností konstrukce inkrementálního senzoru polohy je modulace odrazem od značek na pravítku, která je výhodná zejména proto, že zdroj a přijímač světelného toku je možno umístit na jedné straně. Další využívanou možností (obr. 3.13) je modulace vyvolaná vzájemným působením ohybu světla na mřížce t pravítka a ve vhodné vzdálenosti nad pravítkem umístěné mřížce clonky. Světelné svazky získané ohybem od obou mřížek pak interferují a odpovídající interferenční obrazce jsou převáděny t Obr. 3.12 Komparace signálu na elektrický signál. UB

UA

IB

IA

3


Mechatronika

46


23.10.2006 15:08:58

Senzory polohy Fotodetektor LED dioda Okénko čtecí hlavice

Výstup fotoelektrického proudu

Profil měřítka RGS20

Pozlacené fazety měřítka Ochranná laková vrstva měřítka

Difrakční mřížka

Měřítko Rozteč Obr. 3.13 Reflexní princip měření

3.2.1.4 Optoelektronické absolutní senzory Absolutní úhlové senzory poskytují pro každou úhlovou polohu určitou číselnou hodnotu. Tato kódová hodnota je k dispozici okamžitě po zapnutí. Na hřídeli je namontován kódový kotouč, který je rozdělen na jednotlivé segmenty. Pro senzory s rozlišením do 10 bitů (1 024 poloh na otáčku) lze použít jednoduchou clonku pro každý bit – stopu kotouče (obr. 3.14). Pro senzory s vyšším rozlišením je třeba hledat jiné cesty jak signál vyhodnotit.V absolutním senzoru s rozlišením 12 bitů je např. možné použit kotouč se speciálním kódováním a integrovaný obvod pro dekódování polohy.

Obr. 3.14 Absolutní senzor

3.2.1.5 Triangulační senzory polohy Bezdotykové optoelektronické senzory vzdálenosti využívají princip optické triangulace. Laserový paprsek vytváří na měřeném objektu nepatrný světelný bod. Detekcí úhlu odrazu této skvrny je pak vypočtena vzdálenost. Senzory automaticky kontrolují intenzitu světla. Odražený signál dopadá na CCD nebo PSD snímací prvek s vysokým rozlišením a pro další použití je digitálně zpracován. Díky tomu není měření téměř ovlivněno změnami povrchu materiálu, jeho barvou a strukturou. Tloušťka může být měřena dvěma senzory umístěnými proti sobě.

47


23.10.2006 15:08:59

3


Mechatronika

laserová dioda čočka vysílače

CCD čočka přijímače

sledovaný objekt

Obr. 3.15 Princip činnosti

3.2.1.6 Optoelektronické senzory binární Tyto senzory lze rozdělit do několika skupin: a) jednocestné světelné závory, a)

b) reflexní světelné závory, d)

c) reflexní světelné závory s laserovou diodou, d) reflexní světelné snímače, e) reflexní světelné snímače s potlačeným pozadím nebo popředím,

b)

c)

e)

Obr. 3.16 Některé používané grafické značky pro rozlišení senzorů s binárním výstupem

Výhoda optoelektronických senzorů oproti senzorům pracujícím na dalších fyzikálních principech spočívá v necitlivosti vůči rušení elektromagnetickými poli a vůči hluku. Optoelektronické senzory jsou však citlivější na vlhkost, vnější světlo a infračervené záření. Mají výhodu v širokém rozsahu vzdáleností, ve kterých jsou schopny detekovat objekty. Další předností jsou jejich malé rozměry při poměrně velkém dosahu. Jako zdroje světla se v současné době nejvíce používají luminiscenční diody LED a polovodičové laserové diody. Jako přijímače světla jsou používány fotodiody, případně fototranzistory. Vysílače přeměňují elektrický proud na elektromagnetické záření o vlnové délce světelného spektra, zatímco přijímače naopak převádějí světlo na elektrický proud. Jako vysílané světlo se nejčastěji používá světlo infračervené o, vlnové délce λ = 880 nm, případně 950 nm a světlo ve viditelném spektru o vlnové délce 660 nm. Důvody, pro které se používá infračervené světlo spočívají v tom, že fotodiody mají v infračerveném rozsahu největší citlivost, že světlo s vlnovou délkou větší než je průměr velmi malých 48


23.10.2006 15:08:59

Toto je pouze náhled elektronické knihy. Zakoupení její plné verze je možné v elektronickém obchodě společnosti eReading.

Ladislav Maixner a kolektiv

Recommend Documents