Mechatronika. učebnice. Ladislav Maixner a kolektiv

Mechatronika učebnice Ladislav Maixner a kolektiv

Computer Press Brno 2006

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 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

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

5

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

36

Bc. Jindřich Král

3.

Senzory v mechatronických soustavách

37

3.1 Úvod 3.1.1 Definice senzoru

37 39

iii

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.

iv

Akční členy mechatronických soustav

89

4.1 Elektromechanické akční členy 4.1.1 Akční členy s magnetickým polem

90 91

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


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

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.

vi

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

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

209 210 210

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

OBSAH

Mechatronika Doc. Ing. František Kelča, DrSc.

9.

viii

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

Obsah 9.8 Závěr 9.8.1 Zhodnocení současného stavu 9.8.2 Směr dalšího vývoje

279 279 280


280

ix

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

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

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

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

strojírenství řídicí systémy

me

návrh

stabilita

výroba

kvalita Mechatronika

ika

algoritmy

tro

kro

lek

ele

áe ov

číslicová

sběr dat ktr on

n ko

vý

analogová

nik a

„smart“ materiály

Obr. 1.1 Oblasti mechatroniky

6

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

informatika

elektronika

mi

1

ÚVOD DO MECHATRONIKY

Mechatronika

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.

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

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

8

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

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

1


Mechatronika Parametry systému

Přenos w (s)

Přechodová funkce h (t)

M≠0 B≠0 D≠0

1 D M s2 B s + 1 D D

M≠0 B≠0 D≠0

1 B B s+1 D

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

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

0

t

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

Obr. 1.4 Mechanická kmitavá soustava II. řádu

10

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• 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

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

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

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

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

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

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

28

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

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

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

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

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

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

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

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

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 [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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

UA

IB

IA

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

3


Mechatronika

46

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

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

Senzory polohy prachových částic prochází paprskem téměř bez rušení. Senzory využívající infračervené světlo jsou také necitlivé vůči rušení vnějšími zdroji světla z viditelného spektra záření. a) Jednocestné světelné závory U jednocestných světelných závor jsou vysílače montovány proti přijímačům v optické ose. Jestliže je nějakým předmětem přerušena přímá cesta světla mezi vysílačem a přijímačem, změní se elektrické vlastnosti fototranzistoru (případně fotodiody). Tato změna je elektronickou jednotkou vyhodnocena a je signalizována změnou stavu výstupního stupně. Na obr. 3.17 jsou zobrazeny možnosti použití jednocestných světelných závor. Vysílač a přijímač vytvářejí vysílací, případně přijímací kužel. Jeho velikost je určována úhlem otevření optiky. Objekty, které mají být detekovány, musejí mít alespoň velikost aktivní zóny paprsku, aby mohly paprsek vysílaný směrem k přijímači úplně přerušit. Jednocestné světelné závory mají velký dosah (světlo probíhá pouze jednou z vysílače přímo do přijímače).

Obr. 3.17 Použití jednocestné světelné závory

b) Reflexní světelné závory Reflexní světelné závory (obr. 3.18) pracují na podobném principu jako závory jednocestné. Vysílač i přijímač jsou však umístěny v jednom pouzdře vedle sebe. Aby světlo vysílače mohlo dopadnout na přijímač, je odraženo zrcadlem (odrazkou) umístěným v určité vzdálenosti (podle typu reflexní světelné závory). Také u tohoto principu je vyhodnocováno přerušení světelného paprsku dopadajícího na přijímač.

indikační a nastavovací prvky Obr. 3.18 Reflexní světelná závora

49

Aby na přijímač dopadalo co nejvíce světla, je použita odrazka, složená z průhledných trojhranů, pomocí nichž je dopadající světelný paprsek odrážen vždy do toho směru, ze kterého byl vysílán (na rozdíl od rovinného zrcadla). c) Reflexní světelná závora s polarizačním filtrem Pro detekci zrcadlících se předmětů je vhodnější použít reflexní světelnou závoru s polarizačním filtrem. Světlo se z vysílače šíří všemi směry. Po průchodu polarizačním filtrem zůstanou ve světelném svazku pouze paprsky s jediným směrem polarizace, se společnou polarizační rovinou. Směr polarizační roviny je určen orientací filtru, takže jeho natáčením se naklání i polarizační rovina procházejícího světla. Předpokládejme vertikální polarizaci světla vysílaného vysílačem. Dopadne-li takto polarizované světlo na zrcadlící se objekt, pak bude beze změny polarizace odraženo směrem do přijímače. Před přijímačem je umístěn druhý polarizační filtr, jehož směr polarizace je vůči filtru vysílače otočen o 90°, a proto nemůže světlo dopadnout do přijímače. Senzor vyhodnotí přerušení světla. Jestliže však světlo dopadne až na depolarizující odrazku (obr. 3.19), bude odkloněno o 90° a může projít druhým polarizačním filtrem k přijímači. Senzor nezmění stav výstupu. Reflexní světelné závory s polarizačními filtry mají asi poloviční dosah než jednocestné světelné závory. Slouží k bezpečnému rozpoznávání předmětů zrcadlících se a neprůhledných.

3


Mechatronika

Obr. 3.19 Funkce polarizačních filtrů k reflexní optické závoře

d) Reflexní světelné snímače Reflexní světelný snímač má obdobnou konstrukci jako světelná závora. Také zde se nachází vysílač a přijímač v jednom kompaktním pouzdře, ovšem s odlišně orientovanou optikou. Stejně jako u světelné reflexní závory je k vyhodnocení použito odražené světlo, nikoli však od odrazky nebo reflexní fólie, ale přímo od detekovaného předmětu. Reflexní světelné snímače mají menší snímací vzdálenosti oproti světelným závorám a jejich snímací vzdálenost je závislá na reflexních vlastnostech detekovaných objektů. Obr. 3.20 Reflexní snímač

50

Senzory polohy e) Reflexní světelné snímače s potlačeným pozadím Pro potlačení rušivých vlivů pozadí u reflexních světelných snímačů se používají především metody křižující se optické osy vysílače a přijímače a metoda triangulační. Triangulační metoda je znázorněna na obr. 3.21. Senzor používá jeden vysílač a dvojici přijímačů PSD, přičemž optické osy vysílače a přijímačů vedou v různém směru. Průsečík optických os vysílače a přijímače vytváří blízkou snímací oblast, zatímco průsečík optických os vysílače a druhého přijímače vytváří vzdálenou snímací oblast. Snímače založené na této metodě mohou detekovat blízké i vzdálené předměty a detekční oblasti se mění mechanickým nastavováním úhlů optických os přijímačů. objekt v oblasti detekce

objekt v pozadí

oblast detekce

oblast potlačení

dopad paprsku z pozadí dopad paprsku z oblasti detekce dělený detektor Obr. 3.21 Princip funkce senzoru s potlačením pozadí

f) Optoelektronické vláknové senzory Pro zvláštní podmínky nasazení, např. do prostředí s vyšší teplotou či stříkající vodou nebo na špatně přístupná místa, byly vyvinuty zvláštní optoelektronické senzory s optickými vlákny (světlovody) tvořenými transparentními dielekoptické vlákno paprsek trickými vlákny, která jsou buď plastová odraz (pro nižší teploty), nebo skleněná (pro vyšší od rozhraní teploty). Světlovody umožňují zavést světelné paprsky do různých míst a tam detekovat i ty nejmenší objekty. Optická vlákna z hlediska konstrukce můžeme dělit na tři základní provedení: a) mnohovidové jádro Ø 100 až 600 μm (skoková změna indexu lomu); b) jednovidové jádro Ø 5 až 6 μm (šíří se pouze jediný vid); c) gradientní jádro Ø 50 μm (téměř stejná doba šíření jednotlivých vidů).

maximální úhel

Obr. 3.22 Vedení světla v optickém vlákně

Jádro optického vlákna je opatřeno pláštěm, např. z polyetylenu. Pro zvětšení mechanické a tepelné odolnosti se také opatřují sekundárním pláštěm, např. z kovů. Na obr. 3.23 je provedení optických vláken jako jednocestná světelná závora a difuzní snímač. Tyto páry optických vláken jsou z druhé strany připojeny do zesilovače s vyhodnocovací jednotkou. Optická vlákna jsou na 51

3


Mechatronika jednocestná závora (dvě oddělená vlákna)

difuzní snímač (dvě vlákna vedle sebe nebo soustředně, paprsek dopadá kolmo na snímanou plochu) Obr. 3.23 Senzory se světlovody

Vlákno Spojná dvojčočka

Emisní prvek

Obr. 3.24 Spojná čočka

svém výstupu opatřena hlavicí s čočkou. Na obr. 3.24 je provedení s dvojitou spojnou čočkou, čímž dojde k 50% zvýšení výkonu vyzařovaného světla do vlákna. 3.2.1.7 Clonicí senzor rozměrů Válcovitý objekt, jehož rozměr chceme určit, je umístěn v prostoru rovnoběžných světelných svazků. Laserový paprsek (obr. 3.26) je rozmítán rotujícím hranolem a kolimační optika vytváří pole paralelních optických paprsků. Při rozmítání vzniká na snímacím prvku pokles signálu odpovídající clonícímu účinku měřeného objektu. Šíře impulzu nese informaci o rozměru objektu. V případě, že je dodržena rovnoběžnost paprsků, údaj snímače nezávisí na poloze měřeného objektu.

52

Měřený objekt

Obr. 3.25 Provedení clonicího senzoru

Senzory polohy laser

spojka rotující hranol

detektor a předzesilovač cíl t dvojitá derivace

budič motoru

displej oscilátor systému

čítač

hradlo t

Obr. 3.26 Princip funkce clonicího senzoru rozměrů

3.2.1.8 Bezpečnostní světelné clony Bezpečnostní světelné clony (mříže) pracují na stejném principu jako jednocestné světelné závory. Používají však větší počet paralelních světelných paprsků (obr. 3.27). Mezi vysílací a přijímací jednotkou světelné clony vzniká chráněné pole, plošně monitorující přístup k nebezpečné části stroje, vstup do nebezpečného prostoru apod. Chráněné pole je definováno výškou, šířkou a rozlišením. Výška chráněného pole je určena velikostí světelné clony a jeho šířka vzdáleností mezi vysílací a přijímací jednotkou. Maximální vzdálenost obou jednotek se nazývá dosah světelné clony. Rozlišení je dáno roztečí světelných paprsků a určuje vlastně velikost nejmenších předmětů, které může světelná clona rozpoznat. Vysílací jednotka vysílá v celé výšce chráněného pole paralelní světelné paprsky, které přijímací jednotka zachycuje a synchronně vyhodnocuje. Jestliže je některý světelný paprsek přerušen překážkou, která vnikla do chráněného pole, vydá přijímač povel k zastavení stroje či k jeho nastavení do bezpečné polohy. V těchto případech se jedná se o redundantní systémy s automatickou kontrolou své funkce určené pro použití v prostorách vyžadujících bezpečné chování systému odpovídající příslušné kategorii podle EN 954-1.

Obr. 3.27 Ochrana před úrazem

53

3


Mechatronika 3.2.1.9 Laserový interferometr zrcadlo polopropustná plocha laser

detektor

Obr. 3.28 Princip laserového interferometru

měřený objekt

Interferometry mají vysoké rozlišení. Referenční částí systému je vlnová délka laserového paprsku např. s vlnovou délkou 633 nm. Tato vlnová délka je 10× jemnější než rastr typického skleněného měřítka, používaného v mnoha standardních optických odměřovacích systémech. To umožňuje laserovým systémům snadno dosahovat extrémně vysokých rozlišení bez interpolačních chyb běžných u konvenčních systémů.

Laserový interferometr pracuje na principu skládání dvou vln – měrné a referenční. Svazek rovnoběžných paprsků dopadá pod úhlem 45 ° na polopropustnou plochu, od níž se část paprsků odrazí k měřenému objektu a část k referenčnímu zrcadlu. Odražené paprsky se na polopropustné ploše sčítají a vytvářejí interferenční kroužky tak, že při posunu o vlnovou délku záření λ se objeví na výstupu dva impulzy. Citlivost senzorů je impulz/0,5 λ. Znamená to, že signál násobený hodnotou 0,5 λ určuje odměřenou vzdálenost. Laserové interferometry jsou zařízení poskytující vysokou úroveň přesnosti, ale také zařízení drahá a zařízení, která vyžadují velký zástavbový prostor. Pro překonání těchto nevýhod vyvinula firma Renishaw novou generaci interferometrických systémů s distribucí laserového paprsku pomocí skleněných optických vláken. Hlavice, které tvoří zakončení optických vláken, jsou vybaveny možností přesného nasměrování paprsku a výstupem systému jsou signály ve standardních průmyslových formá- Obr. 3.29 Nový vláknový laserový tech. Vláknový laser naproti tomu přivádí paprsek přímo interferometr pro měření ve dvou osách do osy měření a umožňuje flexibilně ustavit hlavici mimo prostor ovlivněný tepelným vyzařováním laseru. Vláknová optika redukuje dobu nezbytnou pro instalaci a umožňuje využívat jeden zdroj laserového záření až pro dvě nezávislé osy. 3.2.1.10 Laserový difuzní senzor Jde o laserový snímač pro měření vzdálenosti. Pracuje na principu vysílání krátkých světelných impulzů a zaznamenává čas, který potřebuje paprsek k návratu zpět k senzoru. Za milisekundu změří průměrnou dobu mezi vysláním a příjmem 1 000 impulzů, z ní spočítá vzdálenost a příslušnou hodnotu postoupí na výstup. Velký dosah senzoru umožňuje měřit vzdálenost malých částí nebo málo nápadných objektů či těles, dokonce i tehdy, když je senzor umístěn s velkým odstupem od nebezpečné oblasti výrobního procesu. Jasně a dobře viditelné světlo emitované laserovým paprskem usnadňuje uvedení senzoru do provozu. Senzor pracuje v difuzním modu s odrazem od povrchu identifikovaného předmětu.

54

Senzory polohy

Obr. 3.30 Laserový difuzní senzor

3.2.1.11 Kamerové systémy Kamerové systémy (systémy strojového vidění) se uplatňují v různých odvětvích. Slouží k vizuální kontrole objektů a výrobních procesů, v lékařství, letectví, ve vesmírných programech atd. V současnosti to jsou tzv. inteligentní kamery, sdružující funkce klasické kamery a vyhodnocovacího systému s komunikačním rozhraním. Inteligentní kamery dnes již zvládnou i náročnější operace, jako je detekce a rozpoznání objektu, využívané v dopravě pro čtení registračních značek nebo v průmyslu pro kontrolu typu zboží. Vyhodnocují jednotlivé objekty a porovnávají je s předepsaným vzorem nebo skupinou vzorů. Stejné nároky klade i funkce měření rozměrů. Funkce kontroly kvality v sobě zahrnuje všechny výše zmíněné metody. Vyhodnocují se rozměry, povrchové vady, kontroluje se vzhled výrobků a archivují se případné vady výrobku pro pozdější použití. Správa zdrojů a hodin

ADC, VGA Řízení zisku upínání a ofsetu

Procesor DSP, CPU SoC

ASIC FPGA

Paměť Flash SDRAM

IOs& Bus

CCD/CMOS Časování řídicích signálů čipu

Obr. 3.31 Vnitřní uspořádání inteligentní kamery

Limitujícím parametrem snímacího prvku je počet obrazových plošek (pixelů), které je schopen rozlišit. Podle geometrického uspořádání se senzory dělí na plošné a řádkové. Řádkový senzor

55

3


Mechatronika má obvykle jeden řádek. Díky jednoduché konstrukci dosahuje rozlišení řádku až několika desítek tisíc bodů. Plošné senzory jsou uspořádány do sloupců a řádků v předem definovaném poměru, nejčastěji 4 : 3. Rozlišení podle normy PAL je 752 × 582 obrazových bodů. To znamená, že výsledný obrázek je sestaven ze dvou půlsnímků o velikosti 752 × 291 obrazových bodů. Plocha snímacího elementu ovlivňuje citlivost senzoru a schopnost reagovat na různé vlnové délky. V současné době se využívají pro výrobu senzorů dvě technologie. Jedná se technologie CCD a CMOS. Typ použitého senzoru ovlivňuje parametry nejen obrazu, ale také kamery.

Obr. 3.32 Inteligentní, programovatelná 2D kamera

Dalším prvkem v řetězci zpracování signálu v kameře je obvod starající se o zpracování dat ze snímacího prvku. V jednodušších kamerách to bývá obvod bez procesoru na bázi zákaznických obvodů.

Vlastnosti komunikačního rozhraní určují, v jakém rozsahu a objemu lze přenášet data získaná kamerou. Některé kamery mají pouze sériová rozhraní typu RS-232C a RS-485 rozšířená o doplňující sadu vstupů/výstupů, které mohou být galvanicky odděleny. Dalším sériovým rozhraním je Ethernet. Rozhraní může bez problémů přenášet obrazovou informaci a řídicí informace 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. Software pro kamery se obvykle skládá z operačního systému a aplikačního a uživatelského softwaru. Operační systém zajišťuje služby na nejnižší úrovni, např. inicializaci služeb, zavedení aplikačního a uživatelského softwaru, správu paměti, komunikaci kamery s periferiemi a okolním světem, zaznamenávání stavu systému a chybových stavů, podporu při ladění cílové aplikace i vzdálenou správu kamery. Dnes se nejvíce využívají operační systémy postavené na prostředích UNIX, Windows CE anebo systémy psané na zakázku pro daný typ zařízení.

3.2.2 Kapacitní senzory 3.2.2.1 Kapacitní senzory dotykové Základem kapacitního senzoru je dvou- nebo víceelektrodový systém, jehož parametr se mění pomocí měřené neelektrické veličiny X. Pro kapacitu jednotlivých použitých variant deskového kondenzátoru platí vztah uvedený na obr. 3.34. Kapacita 56

Měřená veličina

Obr. 3.33 Princip kapacitního senzoru

Výstup senzoru

Senzory polohy kondenzátorů (čidel) bývá řádově jednotky až stovky pF. Je proto velmi důležité eliminovat vznikající parazitní kapacity. Čidlo je spojeno měřenou neelektrickou veličinou a vlivem její změny (např. natočení rotoru) se může změnit mezera mezi deskami, plocha desek a dielektrikum, a tím výsledná kapacita. Jako měřící obvod se používají:

• • • •

střídavé můstky; zpětnovazební obvody; diferenční můstky; rezonanční obvody.

Senzory na kapacitním principu se používají na měření síly materiálu, polohy, přítomnosti předmětu, deformace, hladiny vlhkosti atd. 3.2.2.2 Kapacitní senzory bezdotykové Základem kapacitního bezdotykového senzoru je vysokofrekvenční RC oscilátor. Senzor reaguje na změnu kapacity, která vznikne přiblížením snímaného objektu do elektrického pole kondenzátoru. Elektrody senzoru vytvářejí elektrostatické pole. Aktivní plocha kapacitního senzoru je složena ze dvou soustředně umístěných kovových elektrod, podobných elektrodám otevřeného

Jednoduchý deskový s proměnnou mezerou

C=ε S d(x)

Deskový diferenční s proměnnou mezerou

C1 = ε S d(x)

Deskový s vrstvou dielektrika s proměnnou mezerou

C=

Deskový s proměnnou plochou překrytí

C = ε S(x) d

Válcový s proměnnou plochou překrytí

Diferenční s proměnnou plochou překrytí

ε1S dε d1(x) + ε2 1 2

C = ε 2πl(x) D ln 1 D2

C = ε S(α) d

Obr. 3.34 Principy a funkční vztahy kapacitních senzorů

57

kondenzátoru (viz obr. 3.35a). Elektrody A a B jsou umístěny v uzavřeném elektrickém poli vysokofrekvenčního oscilátoru (viz obr. 3.35b). Není-li přítomen žádný objekt, kapacitní reaktance senzoru je nízká, proto je amplituda kmitání malá. Přibližuje-li se objekt k tělu senzoru, vstupuje do elektrického pole vytvořeného elektrodami. To způsobuje vzrůst vazební kapacity mezi elektrodami A a B, a obvod začíná oscilovat. Amplituda kmitání je sledována komparátorem, který zajišťuje spínací výstupní signál. Pokud chceme výstupní signál analogový, není v obvodu zapo-

A+

A+

A+

B-

B-

B-

Obr. 3.35a Vytváření aktivní plochy elektrod

N Elektrody

Oscilátor

Komparátor

Zesilovač

A B Sn

3


Mechatronika

Obr. 3.35b Kapacitní senzor

jen komparátor. Kapacitní senzory reagují na kovové i nekovové materiály. Vzhledem k rozdílné dielektrické konstantě snímaného materiálu je v senzoru zavedena nastavitelná zpětná vazba. Tato proměnná vazba umožňuje selektivní výběr materiálu. Na obr. 3.36 a, b jsou uvedeny mož-

a) Obr. 3.36 Použití kapacitních senzorů

58

b)

c)

Senzory polohy nosti využití kapacitních bezdotykových senzorů při měření úrovně hladiny v nádržích (nekovových). Obrázek 3.36c ukazuje možnosti využití selektivních vlastností kapacitních senzorů pro kontrolu přítomnosti etiket.

3.2.3 Odporové senzory 3.2.3.1 Odporové senzory analogové Odporové senzory patří mezi pasivní senzory. Měřená neelektrická veličina je senzorem spojitě převedena na změnu odporu. Čidla pracující na odporovém principu, jsou většinou zapojena do měřícího můstku. Čidlo je s vyhodnocovací částí senzoru připojeno pomocí spojovacího vedení. Propojení Obr. 3.37 Princip měření polohy pomocí drátového potenciometru je dvou-, tří- nebo čtyřvodičové. Tří nebo čtyřvodičové připojení eliminuje vliv odporu přívodu. Odporovým snímačem polohy je potenciometr, jehož běžec je mechanicky spojen se sledovaným objektem (obr. 3.37). Odporová dráha je vrstvová, drátová nebo z vodivého plastu CP (Conductive Plastic). Rozdělení odporových snímačů Obr. 3.38 Výchylková metoda měření se může provést podle tvaru dráhy (lineární, logaritmické a exponenciální), pohybu běžce (rotační jednootáčkový, víceotáčkový nebo posuvný) a podle materiálu dráhy. Vlastnosti jsou ovlivňovány hodnotou TKR (teplotní koeficient odporu), životností, rozlišovací schopností, třídou přesnosti, linearitou a šumem. Zvláštností jsou lankové senzory, kdy odměřovaný objekt je s běžcem spojen lankem (obr. 3.39).

Obr. 3.39 Rotační senzor s lanovodem

Vyhodnocovací obvody používají výchylkové nebo můstkové metody známé z metod měření odporů. Na obrázku 3.38 je použita výchylková metoda potenciometrického zapojení odporového čidla polohy. Potenciometr je zapojen jako zatížený dělič. Pokud R = RZ, pak nelinearita průběhu dosahuje 12 %. V případě že R/RZ = 0,1, nelinearita klesne na 1,5 %. Pro měření lineárního posunutí sledovaného objektu se používají posuvné potenciometry. Při měření úhlu natočení vykonává jezdec rotační pohyb. Pro měření s velkou rozlišitelností se používají potenciometry se spirálovým pohybem. Rotační senzory s lanovodem jsou výhodným a jednoduchým řešením pro méně přesné měření délky (obr. 3.40). K dispozici jsou senzory např. v rozsahu od 1 do 15 m s rozlišením 0,1 mm, a to inkrementální s výstupem TTL nebo RS-442 a absolutní s výstupem SSI, paralelním, proudovým nebo napěťovým výstupem. 59

3


Mechatronika měřicí lankový senzor

lineární motor

lanko testované dveře

Obr. 3.40 Aplikace senzoru s lanovodem pro testování dveří

3.2.3.2 Odporové senzory kontaktové Pracují na principu skokové změny odporu v závislosti na změně polohy nebo posunutí neelektrické veličiny. Na konstrukci kontaktů závisí spolehlivá činnost. Kontakt má mít odpovídající tvar, být uložen v pouzdře a má být použit vhodný materiál (např. Au, Pt, W). Tím zajistíme malý přechodový odpor, dlouhodobou stálost a nezávislost na prostředí. Jako kontakt se také využívá rtuť (obr. 3.41). Kontakty se ovládají mechanicky nebo magnetickým polem. Na principu změny magnetického pole spínají Hallovy sondy, Wiegandovy senzory a jazýč- Obr. 3.41 Rtuťový kontakt Obr. 3.42 Princip jazýčkového relé ková relé. Jako kryt se u jazýčkových relé používá skleněná baňka, ve které jsou zataveny kontakty. Působením vnějšího magnetického pole se jazýčky zmagnetují, na jejich volných koncích se objeví opačné magnetické póly (obr. 3.42). Ty se pak vzájemně přitáhnou. Tento princip se používá u senzorů detekujících polohu pístu pneumatických motorů. Součástí pístu těchto motorů je permanentní kruhový magnet. Přes hliníkový plášť válce pak snímá senzor polohy pístů (obr. 3.44). Hallovy sondy se používají všude tam, kde potřebujeme senzor s bezkontaktním spínáním. Obr. 3.43 Polohové spínače s variantami ovládacích hlavic 60

Senzory polohy

Obr. 3. 44 Provedení a montáž senzorů na válce

3.2.4 Dotykové maticové senzory Dotykové (taktilní) maticové senzory jsou mimořádně vhodné především k použití v automatizovaných montážních systémech. Jedná se například o montáž, kdy je k manipulaci s objekty zapotřebí znát velikost a tvar objektu, sílu potřebnou k uchopení objektu a vlastnosti povrchu materiálu. Pro realizaci dotykových maticových senzorů DMS existují různé fyzikální principy a konstrukční řešení, lišící se rozměry, vlastnostmi a použitím. Mezi nejznámější a nejčastěji používané patří využití matice hrotů, princip optický, piezorezistivní, piezoelektrický, tenzometrický a ultrazvukový. 3.2.4.1 Hrotové maticové senzory Matice hrotů představuje pravděpodobně nejstarší typ taktilního senzoru (obr. 3.45). Skládá se z matice čidel posunutí s poměrně velkým měřicím rozsahem. Podle typu použitých senzorů posunutí lze rozlišit dva základní typy – analogový a binární. Analogový senzor se používá tak, že pevným přitlačením senzoru ke zkoumanému objektu Obr. 3.45 Maticové čidlo tvořené maticí hrotů se struktura povrchu objektu přenese na matici hrotů snímače. Posunutí hrotů se měří vhodnými analogovými snímači polohy každého hrotu. Nejčastěji se používají snímače indukční a kapacitní, ale lze se setkat i s optickými. V případě binárního maticového senzoru se k hrotům připojují dvouhodnotové snímače polohy. Lze tak získat dvojrozměrný obraz měřeného objektu. Trojrozměrný obraz se získává jen při použití analogového snímače, měří-li se současně i velikost posunutí jednotlivých hrotů. 3.2.4.2 Piezorezistivní a piezoelektrické maticové senzory Jako piezorezistivní je označován materiál, který v závislosti na působícím zatížení mění svůj elektrický odpor. Základem tohoto materiálu je zpravidla silikonová pryž nebo kaučuk s vydatnou příměsí vodivých částic. Jejich průměrný podíl se pohybuje v rozsahu 15 až 20 %. Závislost vodivosti takto vzniklého materiálu na jeho napjatosti je obvykle nelineární, ale v omezené oblasti použití ji lze dostatečně linearizovat. Při nulovém zatížení je elektrický odpor téměř nekonečný (tj. vodivost nulová). Při zatížení se vodivé částice k sobě přibližují až k vzájemnému dotyku, a tím odpor klesá. Změna elektrického odporu tak dosahuje řádově několika 61

3


Mechatronika dekád. Obvykle se ale neměří odpor přímo, ale prostřednictvím změn napětí nebo proudu. Princip maticového senzoru je ukázán na obr. 3.46. F působící síla vrchní elektroda

piezorezistivní materiál

spodní elektroda výstupní signál Obr. 3.46 Piezorezistivní princip maticového senzoru

Jako čidlo se může použít na sílu citlivý rezistor FSR (Force Sensitive Rezistor). Změna síly působí na změnu odporu. Měří složku síly kolmou na povrch senzoru a s rostoucí silou se zmenšuje odpor. Obvykle je dimenzován tak, aby změna působící síly z 0.1 N na 10 N změnila odpor z 1M Ω na 2k Ω. Tento režim se často využívá pro spínače na dotek prstu. Základem odporového čidla síly je tedy rezistivní element vyrobený technologií tlustých vodivých polymerových vrstev PTF (Polymer Thick Film). Působením síly na povrchu vrstvy se vodivé částice vzájemně dotýkají, vytvářejí paralelně působící vodivé dráhy (můstky), takže odpor vrstvy s rostoucí silou klesá. Kontakní vodiče a plošky vytvářejí propojení vodičů s rezistivní vrstvou. Mohou být nejrůznějšího tvaru, ale často se využívá tzv. meandru. Velmi dobrým řešením jsou také piezoelektrické polymery – materiál je poddajný, houževnatý a má malou měrnou hmotnost. 3.2.4.3 Optoelektronické maticové senzory Princip optických dotykových (taktilních) senzorů síly spočívá ve sledování změny intenzity paprsku odraženého od dotykového povrchu senzoru. Protože intenzita paprsku závisí na vzdálenosti fotocitlivého prvku a na taktilním povrchu senzoru, lze určit rozložení působícího zatížení. Schematicky je optický dotykový senzor znázorněn na obr. 3.47. Při odrazu světelného paprsku závisí intenzita odraženého světla zachyceného fotocitlivým prvkem na vzdálenosti odrazné plochy (obr. 3.47a). Konkrétní řešení optického taktilního senzoru je ukázáno na obr. 3.47 b. Senzor je sestaven z tenké odrazné vrstvy 1, vrchní 62

a)

b) 2 1 3

6 c)

5 10

8

11

9

7

Obr. 3.47 Optické dotykové senzory: a) princip, b) senzor s optickými vlákny, c) senzor s clonkou

4

Senzory polohy krycí vrstvy 2, tvořené tlustší mechanicky odolnou pružnou hmotou, a spodní krycí vrstvy 3, která je vytvořena z průhledného materiálu. Ke spodní krycí vrstvě se připojí homogenní pole optických vláken, zabezpečující přímou projekci světelného paprsku na odraznou plochu. Pevnou část senzoru tvoří zdroj světla, polopropustný dělič a fotocitlivé čidlo. Pevná část se může posouvat podle požadavků na konstrukci snímače. Světlo se ze zdroje 4 šíří skrz polopropustný dělič 5 ke svazku optických vláken 6. Optickými vlákny se vede k odrazné ploše, odráží se od ní a skrze polopropustný dělič 5 dopadá na fotocitlivé čidlo 7. Fotocitlivým čidlem je nejčastěji snímač CCD, který buď obsáhne celý svazek vláken v jednom obraze, nebo je třeba zabezpečit skenování do několika obrazů. Protože intenzita přijatého paprsku závisí na vzdálenosti přijímače od odrazné plochy, bude do kamery dopadat rastrovaný obraz úměrný rozložení zatížení senzoru. Tento rastrovaný obraz lze dále zpracovat např. s použitím mikroprocesoru. Jiný princip řešení optického dotykového senzoru ukazuje obr. 3.47c. Jestliže se podložka elastomeru 10 prohne v citlivém bodě, přesune se také překážka 11 mezi zdrojem světla 8 a fotocitlivým prvkem 9. Posunutí překážky je úměrné zatížení. Tyto principy se využívají i u senzorů síly a tlaku (kap. 3.4).

3.2.5 Indukčnostní senzory Tyto senzory jsou pasivní a pracují na principu, kdy měřená veličina je převáděna na změnu indukčnosti L, nebo vzájemné indukčnosti M. Indukčnost je připojena do měřícího obvodu se střídavým napájením nejčastěji můstkového nebo rezonančního. Senzory pracující na idukčnostním principu se používají i pro měření dalších neelektrických veličin. 3.2.5.1 Indukčnostní senzory binární Jsou to pasivní, binární nebo analogové senzory, reagující pouze na kov. Základem senzoru je trvale pracující oscilátor, nejčastěji LC, jehož kmitočet je běžně 0,1 až 1 MHz. V aktivní zóně senzoru se uzavírá elektromagnetické pole cívky. Pokud se do tohoto prostoru (obr. 3.48) přiblíží elektricky vodivý předmět, vzniknou v něm vířivé proudy, které vytvoří magnetické pole působící proti poli, které je vyvolalo (potlačené pole). Jedná se o využití Lenzova pravidla. Tím se zmenšuje oscilační amplituda. Pokud dále přibližujeme vodivý předmět, sníží se amplituda natolik, že její snížení vyhodnotí klopný obvod a změní svůj stav. Tím také změní svůj stav výstupní obvod, který podle zapojení sepne nebo rozepne spínač. V případě analogového senzoru je schéma zapojení upraveno. Je vynechán klopný obvod a oscilátor je realizován tak, aby nemohlo dojít k vysazení oscilací. Amplituda oscilací musí klesat lineárně v závislosti na vzdálenosti. Výho-

objekt senzor

amplituda oscilátoru

výstup komparátoru úroveň spínání

úroveň vypínání

ON výstupní signál

OFF

OFF

Obr. 3.48 Princip činnosti

63

dou indukčnostních senzorů je malá spotřeba energie pouze v mW, vf magnetické pole nepodléhá rušení, neinterferuje s ostatními a magnetický jev na povrchu předmětu je nevýznamný. Senzor je odolný vůči prachu, vibracím a vlhkosti, má vysokou spínací rychlost s jednoznačným sepnutím či rozepnutím díky použití bezkontaktního polovodičového spínače. Pro třídění drobných součástek, např. šroubů, nýtů, matic atd., je možné využít indukční kruhový senzor (obr. 3.50) s výstupem 0 až 10 V. Senzor je možné využít i pro měření polohy. V tom případě se používá měřicí komolý kužel, který se zasouvá do senzoru.

Obr. 3.49 Hlídání polohy pomocí kvádrových indukčnostních senzorů Obr. 3.50 Prstencový senzor s analogovým výstupem

Uv

kovová clona S

S

3


Mechatronika

Uvmax

nezapustitelné do kovu

Uvmax

zapustitelné do kovu S

Obr. 3.51 Válcové a štěrbinové provedení tělesa senzoru. Nominální spínací vzdálenost Sn závisí na velikosti průměru cívky a na tom zda je senzor vestavný (zapustitelný do kovu) nebo nevestavný (nedovoluje montáž do kovu)

3.2.5.2 Lineární senzor polohy FLDT (Fast Linear Displacement Transducer) Jedná se o indukčnostní senzor, pracující na principu vířivých proudů. Funkce senzoru vychází ze změny vlastní indukčnosti cívky, v závislosti na poloze feromagnetického jádra spojeného s odměřovaným objektem. Jedná se o rychlý lineární senzor polohy. Skládá se z válcové cívky s feritovým pláštěm. Do cívky zajíždí jádro, hliníková trubička. Cívka je buzena střídavým proudem o kmitočtu kolem 100 kHz. Vytvořené vysokofrekvenční magnetické pole vyvolává ve vnitřní vrstvě vířivé proudy. Výsledná indukčnost závisí pouze na té části cívky, kde není zasunuta hliníková trubička, kde vystupuje magnetické pole. 64

Senzory polohy Al

L Obr. 3.52 Senzor na principu vířivých proudů

3.2.5.3 Lineární senzor polohy LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Lineární rozdílový transformátor LVDT je tvořen transformátorem s primárním vinutím N1, dvěma symetrickými sekundárními vinutími N2, N3, zapojenými v protifázi. Změnou polohy feromagnetického jádra se mění vzájemná indukčnost primárních a sekundárních cívek. Komparátor Fázový posun LVDT

Synchronní usměrňovač N2

G

Filtr

U2

U1 N1

U4 N3

U3

Obr. 3.53 Lineární rozdílový transformátor

3.2.6 Magnetostrikční senzory Pro odměřování vzdálenosti a nastavování polohy jsou určeny senzory lineárního posunutí, obr. 3.54. Lze se s nimi setkat v širokém spektru aplikací v obráběcích, vstřikovacích, licích, rovnacích, dřevoobráběcích, řezacích a balicích strojích, lisech a zvedacích, tvarovacích, válcovacích a slévárenských zařízeních, dopravních systémech, portálových robotech, letových trenažérech, výtazích atd. Tyto senzory polohy pracují na magnetostrikčním principu (obr. 3.55). Vlnovod uvnitř senzoru je torzně rozkmitán vysokofrekvenčním pulzním signálem. Magnetické pole permanentního magnetu, umístěného ve snímacím prvku, způsobí ve vlnovodu proudový impulz. Časová prodleva mezi počátky torzního a proudového impulzu je přímo úměrná vzdálenosti snímacího prvku. Elektronický převodník pak mění naměřený čas na odpovídající analogový signál. Protože pracovní princip je bezdotykový, senzory se neopotřebovávají a vyžadují skutečně jen minimální údržbu. Senzory jsou k dispozici s měřícími rozsahy nastavitelnými požadovaným krokem. Různé výstupy umožňují připojit senzory k tradičním vyhodnocovacím i řídicím jednotkám. Výborná linearita, reprodukovatelnost a rozlišovací schopnost zaručují přesné měření, popř. nastavení polohy. Měření je absolutní, bez nutnosti vracet se po výpadku napětí do referenčního bodu. 65

Obr. 3.54 Příklady použití magnetostrikčních senzorů posuvu

elektronika senzoru permanentní magnet rotační pulzy proudový pulz

3


Mechatronika

vodič vlnění tlumící element zpětný vodič

Obr. 3.55 Princip činnosti magnetostrikčního senzoru

3.2.7 Magnetické senzory 3.2.7.1 Rotační magnetické senzory a) Senzor s Hallovými sondami Na výstupu Hallových sond (obr. 3.56) je generováno napětí závislé na intenzitě magnetického pole B, měnícího se v závislosti na otáčení hřídele se zmagnetovaným diskem. Výstupní signál Hallových sond je tvarován pomocí komparátoru, získáme tak obdélníkový průběh. Vzhledem k tomu, že signál kanálu A je oproti kanálu B posunut o 90°, můžeme po úpravě určit směr přírůstku signálu. Hustota impulzů je u malých rozměrů magnetického disku omezena na několik desítek impulzů na otáčku minimálními použitelnými rozměry pólů, které musejí vytvořit poměrně silné magnetické pole. 66

Senzory polohy A

B

Hallovy sondy kanál A hřídel motoru

N S

S

N

N S

kanál B zmagnetovaný disk

Obr. 3.56 Princip inkrementálního snímání s Hallovou sondou

Příkladem dalšího řešení je rotační senzor (obr. 3.57), jenž se skládá ze dvou základních dílů – malý dvoupólový magnet a čip s maticí Hallových sond. Sondy v čipu snímají změny magnetického toku při rotaci inicializačního magnetu a vytvářejí Hallovo napětí úměrné této změně. Snímače reagují pouze na složku kolmou k povrchu čipu. Důmyslným návrhem matice snímacích Hallových sond se podařilo velmi omezit vliv externích magnetických polí a snímač je schopen pracovat i v prostředí s vysokou úrovní magnetického rušení a také se vyrovnat s nedokonalostmi magnetického pole inicializačního magnetu. Hallovo napětí z jednotlivých sond snímací matice je zpracováno dalšími obvody čipu do požadovaného formátu výstupu. Způsob výroby čipu umožňuje v jenom typu čipů integrovat analogový, inkrementální i absolutní formát.

Obr. 3.57 Snímací čip AM 512 s inicializačním magnetem

b) Senzor s magnetorezistory Tyto senzory využívají ke své činnosti magnetorezistory, nad kterými se pohybuje permanentní magnet. Magnetorezistor je prvek, jehož odpor závisí na hodnotě indukce magnetického pole. Jsou vyráběny buďto jako feromagnetické AMR (Anizotropic Magneto Resistance), nebo polovodičové. Pokud požadujeme výstup v diskrétní formě, můžeme použít např. inkrementální senzor, který je použit u motorů firmy Maxon. Využívá změnu odporu ve slabé vrstvě magnetorezistivního čidla ze slitiny NiFe, která je vyvolána změnou směru magnetického pole, ve kterém se čidlo nachází. Jedná se o anizotropní vrstvu ve tvaru pásku s průřezem 50 nm × 5 μm. Velmi malý průřez zajišťuje dostatečně velký

magnetické pole disku aktivní prostor čidla

magnetické póly magnetické pole na povrchu čidla

Obr. 3.58 Magnetické pole zmagnetizovaného disku

67

elektrický odpor pro další elektroniku. Senzor má malou citlivost na nepřesnost montáže a na otřesy. Potřebuje podstatně menší prostor pro zástavbu než optické senzory nebo senzory s Hallovými sondami. Pro jeho činnost postačuje slabé magnetické pole. Během otáčení permanentního magnetu ve tvaru kotouče (obr. 3.58) se zmagnetovanými 16 až 64 póly se mění odpor magnetorezistivního čidla přesně Obr. 3.59 Zapojení magnetorezistivních prvků podle druhé mocniny sinu úhlu mezi směrem magnetického pole a směrem proudu v pásku NiFe. Přesnou interpolací je možno vytvořit na výstupu až 1024 impulzů na jednu otáčku. Pásky pro dva fázově posunuté kanály a pro referenční signál jednou za otáčku jsou součástí čipu senzoru. Závislost senzoru na teplotě byla vyřešena zapojením čtyř pásků (rezistorů) do Wheatstonova můstku (obr. 3.59), takže je eliminován vliv teploty na odpor měřícího pásku. 3.2.7.2 Magnetické senzory lineární K odměřování vysunutí pístnice pneumotoru využijeme pístní tyče jako odměřovacího pravítka tím, že na tyči vytvoříme rastr z magnetických značek (obr. 3.60). Posunováním pístnice s magnetickými značkami pod dvojicí magnetorezistorů dostáváme průběh 1. Po úpravě přichází do čítače signál 2. Citlivost senzoru je 0,1 mm. amplitudová interpolace

čítač

3


Mechatronika

magnetorezistivní odpor pístnice

průběh 1 0.1

měřicí pravítko magnetické značky

průběh 2

0.2

0.3

kanál A kanál B

Obr. 3.60 Odměřování polohy pístní tyče

Obr. 3.61 Měření výšky obrobku

3.2.8 Fluidní senzory Základem těchto senzorů jsou pneumatické můstky, využívající ke své činnosti aerohydrodynamických jevů. Většinou neobsahují pohyblivé mechanické části a jsou vhodné i pro velmi těžké 68

Senzory polohy pracovní podmínky. Jsou používány v upínacích mechanismech nástrojů pro obráběcí stroje, v tvářecích strojích, v lisovnách a v automatizovaných montážních systémech výrobních linek. Obr. 3.62 Princip funkce pneumatického můstku

Nastavovací kolečko ventilu S3

Obr. 3.63 Provedení pneumatického senzoru

Obr. 3.64 Hlídání polohy tvářecího nástroje připojením dvou pneumatických senzorů SMC

Vlivem změny vzdálenosti měřeného povrchu vůči dýze dochází k jejímu zaclonění, a tedy změně efektivního průřezu S4. Tato změna průřezu způsobí změnu tlaku P2. Zabudovaný diferenční snímač tlaku pomocí spínacích bodů, odvozených z tlakového signálu, bezpečně a reprodukovatelně rozpozná nastavené vzdálenosti od 0,01 do přibližně 0,5 mm. Při pneumatickém měření je vzduchem unikajícím z dýzy současně očištěna dosedací plocha kontrolovaného předmětu. Otvor pro přívod tlakového vzduchu je v bloku rozveden do dvou základních větví (obr. 3.62). Pomocí pevných clon S1 a S2 je omezen průtok přívodního vzduchu, a tím dochází k tlakovému spádu. Velikost tohoto spádu je funkcí vstupního tlaku vzduchu, efektivnímu průřezu vstupní clony a efektivnímu průřezu výstupní clony z příslušné větve. Vstupní tlak a efektivní průřez vstupních clon S1 a S2 jsou pro obě větve stejné, tudíž rozdíl tlaků P1 a P2 vzniká rozdílem efektivního průřezu výstupních clon S3 a S4. Větev P2 je přivedena do jednoho vstupu diferenčního snímače tlaku a ke vzduchové dýze, která plní funkci škrticího ventilu S4. Dýza je umístěna v základně, na kterou je ukládán předmět, jehož poloha má být zjišťována. Další větev, tzv. referenční, je přivedena do druhého vstupu diferenčního snímače tlaku a škrticího ventilu S3, omezujícího výstup vzduchu z referenční větve. Otáčením nastavovacího kolečka je 69

možné stupňovitě měnit průřez výstupu tlakového vzduchu z referenční větve S3. Je-li v obou základních větvích stejný tlak, působí na membránu diferenčního snímače tlaku z obou stran rovněž stejný tlak a můstek je vyvážen. Tlak vzduchu přicházející k tryskám je stejný jako tlak vzduchu před regulačním ventilem. Výhoda této metody spočívá v tom, že můstek je nezávislý na kolísání tlaku vstupního vzduchu.

3.2.9 Ultrazvukové senzory Ultrazvukové senzory pracují na principu odrazu ultrazvukových pulzů od detekovaného objektu. Senzor vyšle krátkou sekvenci zvukových pulzů, 10 až 20 period (obr. 3.65) s kmitočtem daným rezonancí ultrazvukového měniče (řádově desítky kHz). Poté se přepne do přijímacího ultrazvukový převodník

vyhodnocovací jednotka

výstupní obvod

cílový objekt amplituda

vysílané pulzy

odražené pulzy

vysílané pulzy

čas připraven pro příjem perioda vysílání

3


Mechatronika

vysílaný impulz

odražený impulz Obr. 3.65 Průběhy signálů

režimu a očekává odraz od nějakého objektu. Jestliže snímač zachytí ultrazvukový signál, porovnáním vyslané a přijaté sekvence zjistí, zda opravdu jde o odraz vyslaného signálu. Jestliže ano, je na základě délky časového intervalu mezi vyslaným pulzem a přijatým odrazem a rychlostí šíření zvuku v daném prostředí vypočítána vzdálenost od sledovaného objektu. V případě binárního výstupu, zda došlo ve sledované vzdálenosti k odrazu vyslaného signálu. Senzor může být realizován i s odděleným vysílačem (reproduktorem) a přijímačem (mikrofonem).

70

Senzory teploty Základní dělení ultrazvukových senzorů: vysílač + přijímač

• pro přímou detekci s kombinovaným vysílačem a přijímačem – jednohlavé systémy (obr. 3.66) měřící rozsah 0–6 000 mm (v závislosti na typu), nastavitelný.

• pro přímou detekci s odděleným přijímačem a vysílačem – dvouhlavé systémy (obr. 3.67);

objekt Obr. 3.66 Reflexní jednohlavý

• jednocestná ultrazvuková závora – dvouhlavé systémy (obr. 3.68) pro velké vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem.

vysílač

přijímač

objekt

Obr. 3.67 Reflexní dvouhlavový

přijímač

vysílač

objekt Obr. 3.69 Jednohlavý reflexní senzor pro bezdotykové snímání hladiny vody.

Obr. 3.68 Jednocestná závora

3.3 Senzory teploty Ke stanovení teploty se využívá závislosti určitých fyzikálních veličin na teplotě, neboť teplotu měříme pouze nepřímo. Měření teploty pak spočívá v tom, že porovnáváme teplotu daného tělesa s definovanou stupnicí. Mezinárodní teplotní stupnice ITS 90 (The International Temperature Scale of 1990) stanovuje 17 přesně definovaných bodů. Základní jednotkou termodynamické teploty je stupeň Kelvina (K). Je definován zvolením termodynamické teploty trojného bodu vody na pevně stanovenou hodnotu T = 273,16 K. Současně definuje i teplotu (t) ve stupních Celsia (°C) jako t = T – T0 = T – 273,15. Senzory teploty můžeme podle fyzikálního principu rozdělit na odporové, termoelektrické, polovodičové monokrystalické a termistory, dilatační, optické, radiační, chemické, magnetické atd. Podle styku s měřeným prostředím se dělí na dotykové a bezdotykové. Dále je rozdělujeme na aktivní (generátorového typu), termoelektrické články a na pasivní, kdy teplotu měříme nepřímo transformací na jinou fyzikální veličinu.

3.3.1 Dotykové senzory teploty 3.3.1.1 Odporové senzory Senzory s odporovým čidlem teploty patří v současnosti mezi nejrozšířenější prostředky pro měření teploty. K jejich hlavním výhodám patří stabilita, přesnost a tvar signálu. 71

3


Mechatronika Odporová čidla teploty využívají závislost odporu materiálu na teplotě. Nejčastěji se k jejich výrobě využívá čistých kovových materiálů. U těchto materiálů je teplotní součinitel odporu α kladný. Odpor při teplotě vypočítáme: Rϑ = R0 . (1+αΔϑ) [Ω]. Odporová čidla teploty rozdělujeme podle druhu odporového materiálu čidla na kovová (platina, nikl a měd‘) a polovodičová monokrystalická (křemíkové a termistory). Elektrickým signálem těchto čidel je úbytek napětí, které vzniká na teplotně závislém odporu čidla průchodem měřicího proudu. 1. Ochrana drátového spoje skleněným povlakem 2. Připojovací dráty 3. Připojovací podložky 4. Ochranná skleněná vrstva 5. Tenká vrstva platiny 6. Keramika

V konstrukci čidel v minulosti převažovala čidla teploty v drátkovém provedení, ale v současnosti se již dává přednost čidlům vrstvovým (obr. 3.70). Na povrch nosné keramické destičky je nanesena vrstva odporového materiálu (platina, nikl, měd‘). Vlastní nanesení se provádí různými metodami, např. metodou sítotisku, napařováním nebo naprašováním přes masku ve vakuu. Nastavení základního odporu se obvykle provádí vypalováním odporové dráhy laserem.

Polovodičová odporová čidla bez PN přechodů mají monokrystalické nebo polykrystalické struktury. Mezi čidla s monokrystalickou strukturou řadíme např. křemíková čidla. Jejich teplotní rozsah použití je v rozmezí −50 až +150 °C, střední součinitel odporu křemíku je řádově 10−2 K−1. Monokrystalické čidlo teploty pracuje na principu kuželovitého rozptylu proudu mezi dvěma elektrodami, přičemž odpor struktury závisí na pohyblivosti volných nosičů náboje, a je proto funkcí teploty (obr. 3.72).

Obr. 3.70 Odporové čidlo platinové

R R0

(–80 °C až +200 °C)

105 105

NTC

PTC

4

10

Si 103 Pt(–200 °C až +1000 °C)

Pt

102 101 –100

0

100

200

ϑ [°C]

Obr. 3.71 Statické charakteristiky odporových čidel

72

Obr. 3.72 Odporové monokrystalické Si čidlo

Senzory teploty Velmi rozšířenými polovodičovými čidly jsou termistory. Ty se dělí na skupinu s negativním součinitelem odporu – NTC (negastory) – a na skupinu s pozitivním součinitelem odporu – PTC (pozistory). Negastory se vyrábějí práškovou technologií z kysličníků kovů. Vylisovaná čidla se zpevňují slinováním za vysokých teplot. Jsou vyráběny v širokém rozsahu odporových hodnot R0 (100 ÷ 106 Ω) pro teploty v rozmezí (−80 ÷ +200 °C). Základní nevýhodou je nelineární průběh charakteristiky a její individuálnost. Pozistory mají kladný teplotní součinitel odporu. Vyrábějí se z polykrystalické feroelektrické keramiky, např. titaničitanu barnatého BaTiO3. Používají se pro přesná měření v definovaných úzkých rozsazích, tepelné ochrany atd. V rozsahu teplot od –100 °C do 450 °C se používá čidlo SiC. Vyrábí se tenkovrstvovou technologií na základně Al2O3 (obr. 3.75). Charakteristika je obdobná jako u negastoru.

Obr. 3.73 Struktura a charakteristika čidla SiC

Odporová čidla se do měřícího obvodu připojují pomocí dvou, tří nebo čtyř vodičů. Pro přesná měření se zásadně požaduje čtyřvodičové zapojení. Měřící odpor je v tomto případě vybaven dvěma proudovými a dvěma napěťovými vodiči. Měří se úbytek napětí na měřícím odporu napájeného konstantním proudem ze zdroje IST (obr. 3.74). Podmínkou je dostatečně vysoký vstupní odpor zesilovače (RVST > 106Ω). Konstantní proud IST ze zdroje stabilizovaného proudu (Ri >> RV) vytvoří na teplotním snímači Rϑ úbytek napětí IST . Rϑ úměrný jeho odporu. Při uvedených dvou podmínkách proto nezávisí napětí IST . Rϑ na změnách odporu vedení RV. Pro eliminaci úbytku

0–20 mA (4 mA–20 mA)

Obr. 3.74 Čtyřvodičové připojení čidla do měřícího obvodu (RV = RCU)

73

3


Mechatronika napětí v počátku rozsahu, a tím i nulového napětí na vstupu zesilovače je zapojen zdroj napětí U = IST . Rϑ0. Integrované obvody řady XTR (obr. 3.75) jsou převodníky firmy Burr-Brown (Texas Instruments). Tyto obvody jsou určeny pro připojení teplotních čidel, například platinová čidla Pt100 nebo termočlánky. Velkou výhodou je možnost napájení vzdáleného senzoru přímo z dvouvodičové analogové proudové smyčky 4–20 mA. Ig Ig

VUN VREG +

7,5 V to 36 V VPS 4-20 mA

XTR112 XTR114

RG

V0 R1

RTG – XTR112: IR = 250 μA XTR114: IR = 100 μA Obr. 3.75 Připojení integrovaného obvodu k čidlu teploty

3.3.1.2 Termoelektrické senzory Funkce termoelektrického čidla (termočlánku) teploty je založena na vzniku termoelektrického napětí ve styku dvou různých kovů, resp. polovodičů, jejichž konce jsou umístěny v prostředích s různými teplotami. Na následující straně je tabulka 3.1 nejčastěji používaných typů termočlánků a jejich značení. Provedení čidel závisí na typu měření a jsou většinou vložena do pouzdra. Neizolovaný, otevřený spoj se doporučuje pro měření teploty statického nebo proudícího plynu, kde se vyžaduje rychlá odezva (obr. 3.76). Izolovaný spoj se doporučuje pro měření v korozním prostředí, kde je žádoucí, aby termočlánek byl elektricky izolován a odstíněn od pouzdra. Zemněný spoj se doporučuje pro měření teploty statického nebo proudícího plynu či kapaliny a pro aplikace při vysokém tlaku. Kontakt je svařen s ochranným pouzdrem. Měřicí obvody termoelektrických článků 74

Jednoduchý uzemněný

Jednoduchý izolovaný

Jednoduchý otevřený

Obr. 3.76 Typy provedení čidel

srovnávací spoje

+

ϑS

měřicí spoj ϑM

Cu U

větve Cu

-

termoel. článek

prodlužovací vedení

Obr. 3.77 Připojení termočlánku

spojovací vedení

Senzory teploty musí potlačit rušivé signály, tj. především kolísání srovnávací teploty a dále vliv odporů prodlužovacího a spojovacího vedení (obr. 3.77). Vliv kolísání srovnávací teploty srovnávacího spoje se eliminuje dvojím způsobem, vložením kompenzační krabice pro jeden obvod, nebo dodržením konstantní teploty srovnávacího spoje termostatem regulujícím teplotu na vyšší hodnotě. Obr. 3.78 Tvary tyčových sond se závitem pro odporová a termoelektrická čidla

kombinace slitin ANSI kód

max. rozsah teplot

EMS (mV) V daném rozsahu teplot

+ vývod

– vývod

J

ŽELEZO Fe (magnetic)

CONSTANTAN Měd‘-Nikl Cu-Ni

0 až 750 °C Termočlánek 0 až 200 °C Kompenzační vedení

-8,095 až 69,553

K

CHROMEGA Nikl-Chrom Ni-Cr

ALOMEGA Nikl-Hliník Ni-Al (magnetic)

-200 až 1250 °C Termočlánek 0 až 200 °C Kompenzační vedení

-6,458 až 54,886

T

Měd‘ Cu

CONSTANTAN Měd‘-Nikl Cu-Ni

-200 až 350 °C Termočlánek -60 az 100 °C Kompenzační vedení

-6,528 až 20,872

Tab. 3.1 Tabulka vybraných typů termočlánků

3.3.1.3 Polovodičové senzory PN Čidla využívající teplotní závislosti PN přechodů jsou termometrické diody a tranzistory. Měřenou veličinou je úbytek napětí na přechodu PN poIC IC lovodičové diody (emitorová dioda tranzistoru) při konstantním proudu. Výstupní napětí obvodu je lineární funkcí změny napětí přechodu diody báze-emitor ΔUBE, které je dané teplotou přechodu (obr. 3.79). Např. pro vztažnou teplotu T0 = 298 K a křemík je UBE UBE poměr přírůstku napětí na diodě a změny teploty -1 Obr. 3.79 Princip tranzistorové emitorové diody vyjádřen δUD/δT = –(2,0 až 2,5) mV.K . Tato čidla jsou využívána v integrovaných obvodech, kde čidlo a elektronický obvod tvoří monolit. Čidlo je tvořeno dvojicí bipolárních tranzistorů, napájených ze zdrojů proudu. Toto uspořádání se nazývá PTAT (Proportional To Absolute Temperature) 75

3


Mechatronika obvod a je využito v monolitickém senzoru teploty (obr. 3.80b) s integrovaným sigma-delta modulátorem. Výstupní signál má impulzně šířkovou modulaci. Pro určení velikosti teploty t platí vztah na obr. 3.80a.

Obr. 3.80 Monolitický senzor teploty s PTAT čidlem: a) vztah pro výpočet a tvar výstupního signálu, b) blokové schéma senzoru

3.3.2 Bezdotykové senzory (pyrometry) Bezdotykové senzory teploty měří povrchovou teplotu tělesa na základě vysílaného elektromagnetického záření tělesem. Přijímací detektor (čidlo) přijímá záření ve vlnové délce od 0,4 μm do 25 μm. Jedná se o rozsah teplot od –40 °C do +10 000 °C. Senzory dělíme podle použitého principu interakce fotonů na:

• tepelné (termoelektrické, bolometrické a pyroelektrické); • kvantové (PIN diody, QWIP detektory atd). Plošné detektory se používají v maticovém uspořádání FPA (Focal Plane Array). Pro bezdotykové senzory teploty se používá název pyrometry. Rozdělují se na:

• • • •

úhrnné pyrometry (měří celý rozsah tepelného záření); monochromatické pyrometry (spektrálně selektivní pyrometr); poměrové pyrometry (poměr dvou září při dvou vlnových délkách); pyrometry s optickými vlákny v infračervené oblasti.

Dalším typem bezdotykového senzoru teploty je termovizní systém, který můžeme rozdělit na:

• termovizní systémy s opticko-mechanickým rozkladem; • termovizní systémy s maticovým detektorem. 3.3.2.1 Termovizní systémy s maticovým detektorem Informace o zobrazovaném objektu a prostředí tvořící základní parametrické pole je systémem zobrazujícím infračervené záření rozložena na jednotlivé elementární plošky a v určitém časovém intervalu zobrazena jako tepelný obraz – termogram. Podle způsobu rozkladu základního parametrického pole v prostoru a čase se termografické systémy využívající rozklad dělí na systémy s úplným rozkladem či s částečným rozkladem (skenování v řádku nebo sloupci). Jinou možností jak získat termogram je použít systém bez rozkladu vstupní informace (neskenovací systémy, systémy s maticovým detektorem – viz obr. 3.81). Rychlost, s jakou systém dokáže transformo76

Senzory teploty vat základní parametrické pole na jeho obraz (termogram), rozděluje termografické systémy na tzv. rychlé, pracující v „reálném čase“, a pomalé (obrazovou frekvenci představují jednotky či méně obrazů za sekundu). Rychlost vzorkování obrazového toku je u infračervených systémů dána časovou konstantou detektoru a konstrukcí kamery a u systémů používajících optickomechanický rozklad také mechanickými vlastnostmi rozkládacího mechanismu. Základním prvkem termografického systému je detekční čidlo, resp. infradetektor. Detektory používané v současné době lze přibližně rozdělit na:

clonka

infračervený detektor v teplotně stabilizovaném pouzdře

zaostřovací čočka

clona čelní čočka

filtr k měření vysokých teplot

Obr. 3.81 Kamera s maticovým detektorem

• fotonové, které radiační tok objektu mění přímo na elektrický signál;

• tepelné, v nichž radiační tok vyvolává změnu teploty a změna teploty změnu odporu;

• feroelektrické a pyroelektické, u nichž změny radiačního toku způsobují změny kapacity detektoru;

• chlazené fotokonduktivní detektory QWIP (Quantum Well Infrared Photon), v současnosti již s maticí až 640 × 480 obrazových bodů (pixel).

Obr. 3.82 Termogram z rozvodny vvn

měřicí hlavice měří teplotu ve středu plechovky a tuto drží do příchodu další plechovky

fotobuňka identifikující příchod plechovky monitor

směr p

ohybu rese iniciali t pro vzorko zaci nové vací pe riody

nastav iteln period á a vzorku systémové zpoždě ní

Obr. 3.83 Příklad použití pyrometru pro bezkontaktní měření teploty plechovek

77

3


Mechatronika

3.3.3 Indikátory teploty Jedná se o prvky, které slouží k přibližnému stanovení teploty těles. Indikátor změní svůj vzhled, barvu nebo tvar na základě změny kritické teploty. Používají se barevné indikátory teploty ve formě laků a stmelených prášků, teploměrových nálepek, luminiscenčních indikátorů a kapalných krystalů. Indikátory mohou být vratné (po zchladnutí mají původní barvu) a nevratné. Pro vysoké teploty se vyrábějí keramické žároměrky ve tvaru trojbokých jehlanů, tyčinek nebo kroužků. Teploměrové kapaliny, což jsou nevratné indikátory, se nanášejí štětcem (vytvoří se značka). Použijí se např. ke kontrole teploty u elektronických součástek. Po dosažení kritické teploty se značka rozteče. U indikátorů z kapalných krystalů (obr. 3.84) odpovídá jmenovitá teplota většinou barvě středně zelené 15 °C. Modrá barva Obr. 3.84 Barevná indikační nálepka s kapalnými krystaly odpovídá 10 °C a červená 20 °C.

3.4 Senzory síly, tlaku a hmotnosti Tyto senzory v převážné většině používají princip převodu síly, tlaku a tíhy na deformaci. Využívají fyzikálních účinků síly. Časově proměnná síla vyvolá zrychlení a hmotnosti m. Znamená to, že F(t) = m.a. Jednotkou síly je 1 N, což je síla udílející hmotě 1 kg zrychlení 1 ms-2. Tlak je síla působící kolmo na jednotku plochy p = F/ S [Pa, N/m2]. Jednotkou síly je pascal (Pa). Je to tlak, který vytvoří síla 1 N působící na plochu 1 m2 (1 Pa = 1 N.m 2). Vzhledem k tomu, že je to velmi malá jednotka, používají se další jednotky např. 1 bar = 105 Pa. Při určování hmotnosti břemene m, na které působí tíhové zrychlení g, vycházíme z F = G = m.g. Senzory síly a tlaku jsou konstruovány na stejném principu. Jednotlivá provedení se liší především podle měřicího rozsahu, požadované přesnosti, frekvenčního rozsahu a přípustných rozměrů. Velmi často se využívají kovové fóliové tenzometry v můstkovém zapojení. Pro měření síly v rozsahu od zlomků newtonu po desítky kilonewtonů se používají polovodičové tenzometry. Při měření mechanického napětí se využívá jeho závislost na deformaci. Používá se celá řada tenzometrických principů. Nejčastěji se jedná o tenzometry kapacitní, rezonanční, s metastabilními magnetickými slitinami a odporové. Obr. 3.85 Provedení senzorů hmotnosti

3.4.1 Odporové tenzometry Tenzometry se používají na měření deformace, změny rozměru části stroje, konstrukce budov aj. Příklad použití na křídle letadla je na obr. 3.86. Odporové tenzometry se vyrábějí ve dvou základních provedeních, a to kovovém a polovodičovém (křemíkovém). Uplatňují se v senzorech mechanických veličin. Kovové i polovodičové 78

Senzory síly, tlaku a hmotnosti σ tah

σ tlak

σ tah

σ tlak

Obr. 3.86 Tenzometry na křídle letadla

tenzometry mění ohmický odpor, jsou-li vystaveny mechanické deformaci způsobené měřenou veličinou. U kovových tenzometrů je změna ohmického odporu způsobena změnou průřezu drátku (fólie) měřicí mřížky a její délky. Mřížka kovového tenzometru, resp. tyčinka polovodičového tenzometru, má sledovat deformaci měřeného povrchu, s nímž je spojena. Kovové tenzometry se uplatňují tam, kde je vyžadována velká přesnost, zatímco polovodičové tam, kde je třeba velká citlivost. Velikost odporu R je určena konstrukčním provedením a tvarem tenzometru. Tenzometry určené pro přesná měření jsou zapojovány do můstkových obvodů. Měřicí mřížky kovových tenzometrů jsou nejčastěji vinuty ze slabého konstantanového drátku, nebo jsou leptány z konstantanové fólie. Zpravidla jsou přitmeleny k papírové podložce. Vedle tenzometrů pro měření povrchové deformace v tahu a tlaku v určeném směru jsou vyráběny tenzometry s mřížkami vzájemně pootočenými o 45° určené k měření povrchové deformace, např. hřídelů zatěžovaných krouticím momentem. Základní provedení fóliových měřicích mřížek kovových tenzometrů demonstruje obr. 3.87. Kovové tenzometry jsou často využívány k měření povrchových deformací kriticky namáhaných součástek.

a)

b)

c)

Obr. 3.87 Fóliové mřížky kovových tenzometrů pro měření deformací v tahu a tlaku: a) deformací v rovině b) krouticího momentu c) torzní povrchové deformace

79

U polovodičových tenzometrů je změna hodnoty způsobena především změnou jejího měrného odporu. Využívá se piezorezistivní jev. Polovodičové tenzometry jsou v současné době vyráběny z křemíku ve tvaru tyčinek (obr. 3.88) s vhodnou krystalografickou orientací jejich podélné měřicí osy. Nejčastěji jsou dotovány bórem nebo aluminiem a vykazují vodivost typu P. U polovodičů typu P ohmický odpor s tahovým napětím vzrůstá, u polovodičů typu N naopak klesá. Polovodičové tenzometry jsou téměř výhradně používány Obr.3.88 Polovodičový tenzometr v senzorech mechanických veličin. Předností polovodičových tenzometrů je vysoká citlivost – přibližně 60× větší než kovových tenzometrů, která umožňuje konstruovat senzory (síly, krouticího momentu, dráhy, tlaku, zrychlení a výjimečně poměrné deformace v extenzometrech) velmi malých rozměrů s vysokou tuhostí jejich měřicích členů. Při aplikaci polovodičových tenzometrů je nutno vždy teplotní závislost kompenzovat vhodným zapojením měřicího můstku nebo pomocným obvodem. Vhodným umístěním tenzometrů na zařízení, jakož i vhodným uspořádáním tenzometrů do měřicího můstku, je možno zvýšit citlivost měření a potlačit nelinearitu snímače a vliv ostatních ovlivňujících veličin. Příklad základního zapojení tzv. polovičního můstku je na obr. 3.89. RS

R1

3


Mechatronika

RM R2

F

U0

Obr. 3.89 Tenzometry RS a RM s R1, 2 tvoří poloviční můstek (dva tenzometry)

3.4.2 Deformační členy Podle činnosti lze senzory síly a tlaku rozdělit na přímé a nepřímé. V případě, kdy deformaci způsobenou sílou detekujeme pomocí principu piezoelektrického, optického, magnetického nebo odporového, mluvíme o přímém způsobu. Při nepřímém způsobu deformační člen (membrána, vlnovec, nosník aj.) převádí deformaci (tah, tlak, smyk aj.) na změnu polohy nebo mechanického napětí. Velmi často využívaným zařízením je siloměrný člen, tvořený vetknutým nosníkem, na němž jsou nalepeny tenzometry (obr. 3.90). Sílou působící na volný konec

80

Senzory síly, tlaku a hmotnosti

F

tah A

F

R1 R

2

B tlak

R3 a)

R4

b)

Obr. 3.90 Nosník s tenzometry

Obr. 3.91 Membrána

nosníku je nosník namáhán v oblasti pružných deformací. Vlivem pružné deformace jsou povrchová vlákna nosníku namáhána na straně působící síly F tahem a na straně odvrácené tlakem. Tenzometr A se tedy natahuje a tenzometr B se smršťuje. Zapojením tenzometrů do různých větví můstku dochází ke zvýšení citlivosti měření a současně ke kompenzaci teplotní závislosti odporu. Pro nejpřesnější laboratorní měření hmotnosti v rozsahu gramů až stovek gramů se nejčastěji používají čidla kapacitní, čidla využívající vláknovou optiku nebo piezorezistivní.

3.4.3 Piezoelektrické senzory podélný piezoelektrický jev

příčný piezoelektrický jev

Obr. 3.92 Princip funkce piezoelektrického čidla

Jsou založeny na tzv. piezoelektrickém jevu. Působením mechanických deformací dochází u některých druhů krystalů ke vzniku elektrického náboje. Tento děj je reciproký; přiložením střídavého elektrického pole se krystal mechanicky rozkmitá. Tyto vlastnosti vykazuje např. křemen, titaničitan barnatý a olovnatý, některé makromolekulární látky a jiné. V praxi se nejčastěji využívá vlastností SiO2 a BaTiO3.

Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla Fx ve směru elektrické osy X (obr. 3.92), hovoříme o tzv. podélném piezoelektrickém jevu a velikost náboje Q nezávisí na rozměrech krystalového výbrusu. Působí-li na krystal síla Fy ve směru mechanické osy Y, vznikají náboje opět na plochách kolmých na elektrickou osu, avšak směr polarizačního vektoru je záporný a velikost náboje Q závisí na geometrických rozměrech krystalu. Piezoelektrické snímače se používají především pro měření dynamických tlaků od frekvencí např. 3 až 5 Hz. Jejich výhodou jsou miniaturní rozměry, jednoduchost, a umožňují měřit v nejširším frekvenčním rozsahu, např. do 100 KHz. Používají se zejména k měření tlaku, tlakové síly, zrychlení, výchylky a mechanického napětí. Příklad řešení je ukázán na obr. 3.93. 81

3


Mechatronika vodiče

vodiče nosná deska

křemíková měřicí destička

sklo

silikonový olej těleso měřicí membrána

oddělovací membrána

Obr. 3.93 Řez konstrukcí piezoelektrického senzoru

3.4.4 Kapacitní senzory Vývody Elektrody kondenzátoru Měřící membrána

Základem kapacitního senzoru je dvou- nebo několikaelektrodový systém, jehož parametry se mění v důsledku působení měřené neelektrické veličiny. Uvažujeme-li jednoduchý deskový kondenzátor, budou pro jeho kapacitu C platit vztahy uvedené na obr. 3.34.

Sklo Kapalná náplň

Oddělovací membrána

Změnu kapacity lze způsobit změnou plochy S elektrod, vzdáleností elektrod d nebo změnou dielektrika (relativní permitivity εr). Pro měření tlaku se využívá kapacitního snímače, u něhož dochází ke změně vzdálenosti mezi elektrodami. Jedna elektroda kondenzátoru je pevná a druhá je tvořena membránou. Je zřejmé, že změny kapacity (a tím i citlivost) budou největší při malých vzdálenostech elektrod (d).

Těsnící svary

Obr. 3.94 Kapacitní senzor tlaku

3.4.5 Optoelektronické vláknové senzory (OVS) Pro měření tlaku a síly se také využívá čidel, jejichž princip vychází např. z útlumu světelného paprsku Φ1 procházejícího optickým vláknem. Útlum zvětšíme deformací vlákna pomocí hřebínku (obr. 3.96 a) nebo změnou polohy reflexní membrány (obr. 3. 96 b). Další možností je změna překrytí dvou vláken (obr. 3.95). Jiné využitelné principy na obr. 3.47. p

Φ1

a)

p

Φ1

p

b)

Φ2

Φ2 Obr. 3.95 Překrytí vláken pomocí clony

82

Obr. 3.96 Vláknový senzor: a) deformační hřebínek b) změna polohy clony

Φ1

Φ2

Senzory síly, tlaku a hmotnosti

3.4.6 Senzory momentu síly Měření momentu síly se využívá v celé řadě strojírenských oborů, většinou v souvislosti s přenosem mechanické energie a při určování výkonu strojů. Pro měření momentu síly (kroutícího momentu) se využívá deformačních členů, nejčastěji hřídele s kruhovým průřezem. Tento měřící člen namáháme momentem síly. Deformaci hřídele měříme pomocí tenzometrů nebo snímačem výchylky. Moment síly je vektorová fyzikální veličina a je roven vektorovému součinu vzdálenosti d od osy otáčení a působící síly F. Velikost momentu síly se určí ze vztahu M = F.d.sinα, kde α je úhel, který svírá síla F se vzdáleností d od osy otáčení. Vektor momentu síly leží v ose otáčení, M = F.d. Orientace se určí pravidlem pravé ruky (pravotočivého šroubu). Jednotkou momentu síly je newtonmetr (N.m). Newtonmetr je moment síly 1 newtonu.

1

2

3

4

5

Obr. 3.97 Princip snímače momentu síly s odporovými tenzometry

Základní principy senzorů momentu síly jsou mechanické, optické a elektrické. Jako měřícího deformačního členu senzorů nejčastěji využívají deformaci hřídele a změny magnetických vlastností hřídele. Senzor může obsahovat měřicí hřídel nebo se připojuje k hřídeli měřeného stroje. Pro měření se využívají principy nepřímé (moment síly můžeme určit z naměřených hodnot poháněného elektromotoru – proudu, napětí a rychlosti otáčení) a přímé (odporové, magnetoelastické, indukčnostní a kapacitní).

Senzor pracující na odporovém principu využívá tenzometry. Použití tenzometrů je velmi časté a je vhodné pro dynamická měření. Jako deformačního prvku se užívá většinou hřídele. Na jeho povrchu jsou ve směru maximálních smykových napětí, tj. pod úhlem 45 ° vzhledem k ose hřídele, nalepeny odporové tenzometry, které vytvářejí celý můstek. Je nutno vyloučit vliv ohybových a tahových napětí. Na obr. 3.97 je zobrazen princip snímače momentu síly s odporovými tenzometry. Na měřicí části hřídele 1 jsou do můstku nalepeny odporové tenzometry. Signál z měřicích a napájecích bodů můstku je veden přes sběrací kroužky 3 a sběrače 4 na svorkovnici 5 na statorové části. Celý snímač je uzavřen krytem 2. Aby nedocházelo k opotřebení sběračů v době, kdy se neměří, je možno sběrače od kroužků pákovým mechanismem odklonit.

3.4.7 Mechatronický přístup Při tomto pojetí konstrukce se senzory se přímo integrují do mechanických konstrukcí výrobků – mechatronický přístup (obr. 3.98). Mechatronická konstrukce senzoru hmotnosti nemusí být náročnější v porovnání s konstrukcí klasického senzoru a jeho elektrických kompenzačních obvodů. Instalace senzorů s mechatronickým přístupem zpravidla vykazuje rozhodující výhody:

• minimální, případně žádné nároky na stavební prostor; • minimální, případně žádné nároky na konstrukční změny okolí; 83

3


Mechatronika

• odpadají upevňovací elementy potřebné pro klasický senzor;

• příznivé předpoklady pro dynamické měření (dávkování);

• zaměnitelnost mechatronického senzoru je zpravidla rychlejší a za nižší náklady než u klasického senzoru. Obr. 3.98 Příklad senzoru integrovaného do mechanické konstrukce

3.5 Senzory zrychlení Senzory pro měření statického nebo dynamického zrychlení – akcelerometry – jsou vhodné nejen pro měření odstředivých a setrvačných sil, ale i pro určování pozice tělesa, jeho naklonění nebo vibraci. Nejznámější uplatnění je patrně v automobilovém průmyslu. Jedná o senzory měřící dynamické zrychlení (akceleraci) nebo sílu vzniklou změnou rychlosti pohybujícího se předmětu, případně statické zrychlení, resp. sílu vzniklou působením gravitace (přitažlivosti) Země. Mezi měření dynamického zrychlení patří i detekce vibrací. Statické zrychlení je již ze svého principu neustále přítomné, a je tedy nutné ho při měření dynamického zrychlení ve výsledcích odstranit filtrací. Akcelerometry lze použít v mnoha aplikacích, jako například: senzory pro airbagy, zařízení pro řízení jízdní stability vozidla (ESP), měření vibrací náklonu akcelerace odstředivé síly a zrychlení. Prakticky veškerý mechanický pohyb, který lze fyzikálně vztáhnout ke gravitaci, lze těmito senzory měřit s dostatečně velkou přesností a hlavně vysokou rychlostí odezvy na změny.

3.5.1 Kapacitní akcelerometr MEMS Díky patentované technologii MEMS firmy Analog Devices je celá mechanická struktura senzoru spolu s vyhodnocovacími obvody na jednom monolitickém integrovaném obvodu. Princip měření je založen na změně kapacity vnitřního proměnného integrovaného kondenzátoru vlivem působící síly vzniklé zrychlením pouzdra senzoru. Struktura obvodu obsahuje polykrystalické mikromechanické čidlo a technologií BiMOS vytvořené integrované obvody pro zpracování signálu ze senzoru. Struktura senzoru umožňuje měřit kladná i záporná statická i dynamická

nosník střední deska

nosník střední deska pevné desky

pevné desky CS1 = CS2 CS1

CS2

ukotvení

Obr. 3.99 Struktura senzoru: a) při zrychlení 0 g

84

CS1 < CS2 CS1 CS2 b) při působení zrychlení

ukotvení

Senzory zrychlení zrychlení. Samotný integrovaný senzor je vlastně povrchová mikromechanická polykrystalická struktura (nosník, pružiny, pevné úchyty) „plovoucí“ na povrchu křemíkového monokrystalu (obr. 3.99). Křemíkové pružiny umožňují pohyb celé mechanické struktury po povrchu monokrystalu a zároveň poskytují mechanický odpor síle vzniklé zrychlením, jak je vidět na obr. 3.99 b. Prohnutí a deformace takovéto struktury je převedena na změnu kapacity diferenciálního kondenzátoru.Ten je složen z dvou pevných desek a prostřední desky pevně spojených s deformujícím se nosníkem. Diferenciální kondenzátor tvoří dělič pro dva obdélníkové signály stejné amplitudy vzájemně posunuté ve fázi o 180°, které budí jeho pevné desky. Působícím zrychlením dojde k posunutí prostřední desky, a tím dojde ke změně dělícího poměru diferenciálního kondenzátoru. Na výstupu se objeví obdélníkový signál o amplitudě úměrné hodnotě zrychlení a fázi, která nese informaci o směru pohybu nosníku, tedy o směru působícího zrychlení. Interní zpětná vazba vyvolává vnitřní elektrostatickou sílu, která vrací nosník do původní pozice.

Obr. 3.100 Dvou- a tříosý akcelerometr

Pro aplikace využívající statického zrychlení (gravitace), například měření náklonu, můžeme použít dvouosý akcelerometr ADXL202 s rozsahem ±2g. Pokud potřebujeme měřit ve třech osách, použijeme tzv. triaxiální akcelerometr.

3.5.2 Rotační akcelerometr Použití rotačního akcelerometru oproti akcelerometru s inkrementálním čidlem je výhodnější vzhledem k tomu, že nezpracováváme množství neužitečných dat. Při ustálených stavech rotačního akcelerometru je jeho signál nulový. Pouze při změně rychlosti, tj. vzniku přechodového stavu, se na jeho výstupu objeví signál. listěné jho (vnější)

snímací cívka

listěné jho (vnitřní) ustavující svorník vnitřní PM kostra kostra Obr. 3.101 Šestipólový akcelerometr s vnitřními magnety

kostra

Akcelerometr na obr. 3.101 pracuje na Ferrarisově principu. Ten je založen na silovém účinku mezi proudem ve statoru – elektromagnetu – a vířivými proudy indukovanými ve vodivém kotouči. Otáčky jsou úměrné elektrickému proudu protékajícímu vinutími elektromagnetu, v podstatě obdobně jako klasický elektroměr. Permanentní magnety 85

3


Mechatronika vytvoří magnetické pole, v němž se otáčí (nejčastěji hliníkový) rotor akcelerometru. V rotoru tím vznikají vířivé proudy. Pokud je rychlost rotoru stálá, mají i vířivé proudy stálou hodnotu a do snímacích cívek se neindukuje žádný signál. Nastane-li změna rychlosti, změní se i velikost vířivých proudů. Právě tato změna naindukuje napětí do snímacích cívek. Na výstupu akcelerometru je k dispozici signál úměrný zrychlení.

3.5.3 Elektrodynamický akcelerometr Možné řešení elektrodynamického senzoru je na obr. 3.102. Elektrodynamický senzor využívá Faradayův indukční zákon. V magnetickém poli o indukci B se pohybuje vodič (cívka) délky l rychlostí v. Na vývodech 1, 2 cívky se indukuje elektrické napětí u, podle vztahu u = B.l.v kde:

• B je magnetická indukce, • l je délka vodiče cívky, • v je rychlost kmitání.

membrána cívka permanentní magnet Obr. 3.102 Elektrodynamický akcelerometr

Mezi pólovými nástavci permanentního magnetu je vzduchová mezera ve tvaru mezikruží. Zde se v poli permanentního magnetu, který tvoří hmotnost senzoru, pohybuje měřicí cívka. V cívce se při kmitání přenášeném z měřeného objektu na pouzdro senzoru indukuje elektrické napětí.

3.6 Senzory průtoku Senzory používané k měření průtoku a proteklého množství tekutin lze rozdělit podle různých kritérií. Rozdělit je můžeme podle použité měřicí metody, podle použitého fyzikálního principu, druhu měřené tekutiny atd. Základní měřicí metody průtoku tekutin jsou v principu dvě: objemová a rychlostní. Objemová metoda měření průtoku je založena na definici průtoku QV, popř. Qm jako objemového množství V, popř. hmotnostního množství m tekutiny proteklého za jednotku času, tedy QV = V/t, popř. Qm = m/t, popř. Qm = QV.ρ, kde ρ je hustota měřené tekutiny. Průtokoměry pracující objemovou metodou se nazývají objemové průtokoměry. Používají se především při přesných měřeních (při kalibraci apod.) a v provozech při bilančních měřeních kapalin i plynů. Rychlostní metoda měření průtoku vychází z definice průtoku jako součinu střední rychlosti w proudění a průtočného průřezu S, tedy QV = wS, popř. Qm = Sw.ρ. Průtokoměry měřící rychlostní metodou se nazývají rychlostní průtokoměry.

3.6.1 Objemové senzory Z objemových průtokoměrů jsou pro provozní měření zajímavé především spojitě pracující senzory, jejichž odměrné nádoby se samočinně střídavě plní a vyprazdňují. Protože potřebnou energii dodává samotná proudící tekutina, vzniká zde trvalá tlaková ztráta. Objemové (jinak 86

Senzory průtoku také dávkovací) průtokoměry mají velmi často impulzní výstup, což je jejich velkou výhodou. Všechny jejich konstrukce jsou ale velmi náročné na přesnost výroby mechanických částí. Podle konstrukce jsou objemové průtokoměry zvonové, bubnové a pístové.

3.6.2 Rychlostní senzory Rychlostní průtokoměry jsou v provozech nejpoužívanější. Používají se průtokoměry:

• Plováčkové – s kuželovitou trubicí a rotujícím plovákem nebo s válcovitou trubicí a kuželovitým trnem a dutým plovákem, trubice musí být orientována pouze svisle.

• Turbínové – pro kapaliny, snímání otáček lopatkového rotoru bezdotykově, např. indukčně. • Lopatkové a šroubové – pro kapaliny (vodoměry): snímají se otáčky rotoru s lopatkami, a to dotykově (mechanické převody) nebo bezdotykově (Hallova čidla, indukční čidla apod.).

• Vířivé, vírové a fluidikové – především pro páry a plyny. Vírové průtokoměry jsou jednoduché, s velkou přesností, velkým měřicím rozpětím, velmi malou trvalou tlakovou ztrátou, dlouhodobou stabilitou a dlouhou dobou života a výstupem frekvenčním nebo proudovým.

• Indukční – pouze pro elektricky vodivé kapaliny, včetně tekutých kovů. Neobsahují pohyblivé části, mohou pracovat v libovolné poloze a měří při obou směrech proudění.

• Ultrazvukové – dotykové a bezdotykové, hlavně pro kapaliny ve velkých potrubích. Využívá se unášení ultrazvukového signálu proudící tekutinou, změny rychlosti šíření tohoto signálu tekutinou (pro relativně čisté tekutiny), popř. odrazu signálu od překážky v proudu tekutiny (např. vzduchových bublin nebo nečistot – Dopplerův jev).

• Průřezové (škrticí orgány) – normovaná clona, dýza, Venturiho dýza, Venturiho trubice, čtvrtkruhová dýza, dvojitá clona a pro znečištěné tekutiny a kaly segmentová clona (obr. 3.104).

• Rychlostní sondy – Pitotova a Prandtlova trubice k měření okamžité rychlosti proudění a výpočtu střední rychlosti.

• Hmotnostní (Coriolisovy) – pro kapaliny, páry i plyny. • Tepelné – kalorimetrické, pro plyny. tělo z korozivzdorné oceli

topný prvek

proud plynu

skleněná pasivační vrstva

čidla teploty

křemíkový čip

mezera pro vyrovnání tlaku

asi 2,8 mm Obr. 3.103 Zjednodušený průřez senzorem CMOSens

Obr. 3.104 Průtoková clona

87

Novou generací kalorimetrických senzorů průtoku plynů je senzor, kde čidlo, spolu s vyhodnocovacím obvodem, vyrobené technologií CMOS, je umístěno na jediný křemíkový čip. Součástí senzoru s označením CMOSens je také doplňkové čidlo teploty, umožňující přesně kompenzovat její vliv, a přídavné inteligentní obvody pro zlepšení funkce a zajištění vnitřní diagnostiky přístroje. V křemíkovém čipu je leptáním vytvořena membrána, pasivovaná skleněnou vrstvou. V jejím středu se nachází topný prvek a souměrně k němu, vzdálena jen zlomky milimetru po a proti směru proudění plynu, jsou umístěna dvě čidla teploty (obr. 3.103). Jakýkoliv pohyb plynu v kanálku o průřezu 0,8 × 1,2 mm, který přiléhá k membráně, znamená deformaci teplotního pole kolem topného prvku. Toto pole v čidle generuje přesně měřitelný signál, jenž je přímo úměrný hmotnostnímu průtoku plynu. Senzor reaguje na změny průtoku plynu téměř okamžitě. Na výstupu polovodičového senzoru hmotnostního průtoku CMOSens je k dispozici signál buď v analogovém tvaru, nebo jako pulzně šířkový výstup (Pulse Width Modulation – PWM). Pro aplikace, kdy pouze chceme znát, zda např. plnící kapalina proudí, stačí použít dvoustavové senzory průtoku (proudoznaky), obr. 3.105. U těchto senzorů pouze nastavíme prahovou hodnotu průtoku. Typickou oblastí nasazení těchto senzorů je hlídání chladící kapaliny pro nástroje, ochrana čerpadel před chodem bez dopravovaného média atd.

3


Mechatronika

Obr. 3.105 Senzor průtoku kalorimetrický

88

Obr. 3.106 Příklad použití senzoru průtoku

Akční členy mechatronických soustav

4

Mechatronická soustava se vyznačuje synergickým působením vyspělé elektrotechniky, mechaniky a řízení, ale též inteligencí a pokročilou konstrukcí. Akčními členy takové soustavy nazýváme výkonové převodníky, realizující převod vstupní (řídicí) veličiny na mechanický výstup. Začlenění takových převodníků ukazuje obr. 4.1.

Obr. 4.1 Začlenění akčních členů do řízené mechatronické soustavy

89

4

AKČNÍ ČLENY MECHATRONICKÝCH SOUSTAV

Mechatronika Je zřejmé, že jde o regulovanou soustavu se zpětnými vazbami. V našem případě provádějí akční zásah do regulované mechatronické soustavy akční členy (aktuátory), skutečné hodnoty na výstupu regulované soustavy zjišťují senzory. Signály senzorů jsou po úpravách zpracovávány v řídicí, obvykle digitální, jednotce (soustavě). Řídicí soustava porovnává signálovou informaci v(t) o skutečných stavech na výstupu regulované soustavy s požadovanými hodnotami w(t). Poté zpracovává regulační odchylku e(t). Řídicí soustava má implementovány řídicí a regulační algoritmy a další nezbytné funkce (sekvenční, časové, logické, aritmetické). V této kapitole se budeme zabývat akčními členy, které realizují převod vstupní veličiny na mechanickou výstupní veličinu. Vstupní (řídicí) veličinou může být elektrické, teplotní, magnetické nebo jiné fyzikální pole. Podle typu převodu lze pak akční členy dělit na: • elektromechanické akční členy (řízené elektrickým polem); • pneumatické akční členy (řízené tlakovým plynným médiem); • hydraulické akční členy (řízené tlakovým kapalným médiem); • speciální akční členy (řízené teplotním polem, magnetickým polem či světlem). Každý z uvedených typů převodu má své výhody, nevýhody a omezení, ale jejich vzájemná kombinace může přinést lepší výsledné vlastnosti mechatronické soustavy. Inteligence mechatronické soustavy může spočívat v řídicí jednotce s procesorem, ale žádaný pohyb vykoná např. pneumatický či hydraulický obvod. Sekvenční řízení takových soustav bývá realizováno elektromechanickým akčním členem, který pomocí ventilů řídí toky médií. Mluvíme pak o elektropneumatických či elektrohydraulických akčních členech. Podle typu mechanického výstupu lze akční členy dělit na: • akční členy s posuvným (translačním) pohybem; • akční členy s rotačním pohybem (motory); • akční členy s větším počtem stupňů volnosti (např. s pohybem po ploše).

4.1 Elektromechanické akční členy Elektromechanické akční členy jsou patrně nejvýznamnější vstupní el. signály mechanický skupinou výkonových převodníakční člen (z řídicí soustavy) výstup ků – akčních členů mechatronických soustav. Realizují převod signálů řídicí soustavy na akční Obr. 4.2 Akční člen s převodní elektromechanickou funkcí mechanickou veličinu (síla, mechanické posunutí, moment, otáčky, výkon). Poněvadž je výstupní veličina spojena s pohybem, je děj spojen s přeměnou elektrické energie na mechanickou. Vlastní řízení převodu uskutečňuje řídicí jednotka s jistou inteligencí. Ta je dána vlastnostmi a programovým vybavením řídicího procesoru a nadřazeného řídicího počítače. Některé akční členy se vyznačují inteligencí materiálovou, danou vlastnostmi použité látky. Zvláště v posledních letech jsou pro konstrukci

90

Elektromechanické akční členy velmi rychlých a přesných převodníků aplikovány nové krystalické, polykrystalické a kompozitní, případně magnetostrikční materiály, všeobecně nazývané inteligentními materiály. Přeměna elektrické energie na mechanickou využívá vlastností: • magnetických polí (skupinu označíme jako akční členy s magnetickým polem); • elektrických polí (akční členy s elektrickým polem); • materiálů pevné fáze (piezoelektrické akční členy či aktuátory aj.). V praxi jsou nejrozšířenější akční členy s magnetickým polem, ale také pneumatické a hydraulické akční členy, které jsme poznali v předchozím studiu. Jsou to klasické, průmyslově významné akční členy.

4.1.1 Akční členy s magnetickým polem Podstatná výhoda akčních členů využívajících pro převod vlastností magnetického pole spočívá v tom, že převádějí energii o velké hustotě. Na výstupu lze tak získat velký silový účinek. To je významné jak u převodníků s posuvným (translačním) pohybem, tak u převodníků s rotačním pohybem a velkým výstupním momentem. Pozn.: Připomeňme, že schopnost vyvinout velké síly a momenty mají též elektricky řízené hydraulické, případně pneumatické akční členy. Ve srovnání s akčními členy s magnetickým polem může být nevýhodou posledních dvou akčních členů relativně delší doba odezvy na řídicí signál. Průmyslové akční členy, založené na převodu s magnetickým polem, jsou velmi rozšířené a konstrukčně vyzrálé. Jsou to: • jednotky s posuvným pohybem; • elektrické motory s rotačním nebo posuvným pohybem (lineární motory); • servomotory (pracující jako akční členy řízené soustavy se zpětnými vazbami); • speciální jednotky se složeným, např. kývavým pohybem. 4.1.1.1 Jednotky s posuvným pohybem Využívají: a) silových účinků magnetického pole na vodič protékaný proudem (elektrodynamický princip); b) silových účinků magnetického pole na pohyblivou část magnetického obvodu elektromagnetu (kotvu, případně jádro selenoidu). a) Silové účinky magnetického pole na vodič protékaný proudem Příčinou vzniku magnetického pole o intenzitě H [A/m] je elektrický proud I, protékající tenkým vodičem s elementem délky Δl. Intenzita magnetického pole v bodu A, který leží mimo vodič, je dána vztahem

H = I Δl sinα r2

(4.1)

kde α je úhel mezi elementem Δl, vedoucím proud, a spojnicí r elementu Δl a bodu A. Pro vybuzení magnetického pole můžeme ovšem využít permanentního magnetu (ačkoliv i jeho pole bylo vytvořeno elektrickým proudem). 91

Magnetické pole lze popsat též magnetickou indukcí B [T], závisející na intenzitě magnetického pole podle vztahu

B = μrμ0H

(4.2)

V tomto vztahu jsme symbolem μr označili relativní permeabilitu (není to konstanta, proto je závislost B(H) nelineární a vyznačuje se hysterezí), a symbolem μ0 permeabilitu vakua. Konečně stav zmagnetování magnetického obvodu popisujeme pomocí magnetického toku Φ [Wb] a souvislost s magnetickou indukcí lze vyjádřit ve tvaru

Φ = BS

(4.3)

kde S je plocha kolmá na vektor magnetické indukce B. Umístíme-li kolmo na vektor B vodič protékaný proudem, vzniká silové působení o velikosti

ΔF = ΔlBI

(4.4)

Orientace síly, proudovodiče a magnetického pole jsou vektory navzájem kolmé. Princip má využití v elektrodynamických výsuvných jednotkách, které někteří výrobci nazývají lineárními motory. Sila působící na cívku umístěnou na pružném závěsu ve vzduchové mezeře magnetického obvodu buzeného permanentním magnetem vyvolá posuvný pohyb cívky.

4


Mechatronika

Obr. 4.4 Princip elektrodynamického akčního členu

92

Obr. 4.3 Silové působení na proudovodič v magnetickém poli o magnetické indukci B (pravidlo levé ruky)

Elektromechanické akční členy Rotace závitu protékaného proudem I v magnetickém poli Vodič může mít tvar obdélníkového závitu o ploše S, protékaného proudem I. V magnetickém poli o intenzitě H vznikne mechanický dipólový moment závitu m0 =μ0 SI, jenž vytváří spolu s původním magnetickým polem mechanický moment Mmech1 [Nm]. Ten je příčinou pootočení závitu do polohy, ve které je rovina závitu kolmá na směr působení magnetického pole:

Mmech1 = m0Hsinα

(4.5)

Zde α je úhel mezi vektorem B (nebo H) a normálou roviny závitu (směrem působení dipólového momentu m0) podle obr. 4.5.

Obr. 4.5 Mechanický moment Mmech1 vodiče tvaru závitu v magnetickém poli

Velikost výsledného mechanického momentu cívky o N závitech pak lze vyjádřit ve tvaru

Mmech = Nμ0SIHsinα = NSIBsinα

(4.6)

b) Silové účinky magnetického pole na kotvu elektromagnetu Významná skupina elektromagnetických akčních členů – elektromagnetů s posuvným pohybem – odvozuje své silové působení ze změny energie magnetického pole ΔW při posunutí kotvy o Δx

ΔF = ΔW Δx

(4.7)

Ze vztahu (4.7) vyjádříme změnu energie ΔW jako součin síly ΔF a posunutí Δx, což představuje práci ΔAp vykonanou po dráze Δx:

ΔW = 1 BHΔV = 1 BHSΔx = ΔFΔx = ΔAp 2 2

(4.8)

93

4


Mechatronika Ve vztahu (4.8) jsme označili změnu objemu vzduchové mezery při posunutí kotvy o Δx symbolem ΔV = S Δx, kde S je plocha pólových nástavců podle obr. 4.6. Z toho přitažlivá síla elektromagnetického převodníku je 2 F = 1 BHS = 1 μrδ μ0 H2S ؐ 1 B S 2 2 2 μ0

(4.9)

Ve vztahu (4.9) jsme relativní permeabilitu vzduchu μrδ předpokládali rovnou jedné.

Obr. 4.6 Princip elektromagnetu (F je přitažlivá síla, S plocha pólových nástavců kolmá na magnetický tok, objem vzduchové mezery V = Sx)

Vstupní elektrická energie dodaná do cívky elektromagnetu za čas Δt pokrývá jednak ztráty teplem na reálném odporu vinutí R, jednak energii potřebnou na vytvoření magnetického toku ΔΦ:

UiΔt = Ri2Δt + iΔΦ

(4.10)

kde U je stejnosměrné napětí zdroje, i představuje okamžitou hodnotu proudu. Vyšetření přechodného děje po připojení cívky na zdroj je nezbytné pro posouzení dynamického chování elektromagnetu, tzn. pro stanovení doby přítahu, resp. doby odpadu kotvy elektromagnetu. Oba časové údaje jsou důležité v těch aplikacích, ve kterých požadujeme rychlý akční zásah realizovaný tímto akčním členem. Uvažujme nejprve zjednodušený případ, ve kterém předpokládáme, že indukčnost cívky L bude po celou dobu přechodného děje konstantní. Budeme řešit diferenciální rovnici, sestavenou pomocí Kirchhoffova zákona o součtu napětí v uzavřené smyčce:

L di + Ri = U dt Řešením je exponenciální průběh proudu i(t): 94

(4.11)

Elektromechanické akční členy Ve vztahu (4.12) jsme symboly τ označili časovou konstantu obvodu (τ = L/R) a I ustálenou hodnotu proudu ( I=U/R ).

(4.12)

Ve skutečnosti není indukčnost cívky při pohybu kotvy konstantní (L ≠ konst), což ovlivní průběh proudu i(t) během přítahu i odpadu kotvy. Projeví se to deformacemi původně exponenciálních závislostí i(t), naznačených na obr. 4.7. Doba přítahu tp se v takovém nelineárním případě skládá z časových intervalů ts (exponenciální nárůst proudu) a tz (deformace i(t) v důsledku nelineární indukčnosti).

Obr. 4.7 Doba přítahu tp a doba odpadu kotvy tod elektromagnetu

Interval ts představuje úsek mezi body OP1, kdy se kotva ještě nepohybuje a kdy vyvozená síla F je menší než síla Fp potřebná pro přítah (F Fp do pohybu. Od tohoto okamžiku indukčnost L ≠ konst, neboť závisí na velikosti vzduchové mezery x. Na indukčnosti L se naindukuje napětí uL = L(x)di/dt, působící proti napájecímu napětí U. Proto se okamžitá hodnota proudu i sníží až k bodu P2. Celková doba přítahu kotvy elektromagnetu je potom tp = ts + tz. V bodu P2 je kotva přitažena, L~konst a proud bude nadále narůstat exponenciálně do doby, než dosáhne své ustálené hodnoty I=U/R. Proud indukčností vytváří magnetické pole, jehož energie způsobuje v průběhu následného děje, odpadu kotvy po odejmutí zdroje, zvýšení okamžité hodnoty proudu. Průběh i(t) se bude proto od okamžiku, kdy se dá kotva do pohybu (bod Q), odchylovat od exponenciálního průběhu i = Ie-t/τ. 95

4


Mechatronika Mnohé aplikace vyžadují co nejkratší doby přítahu tp a odpadu kotvy tod elektromagnetického převodníku. Možnosti zkrácení doby přítahu a odpadu kotvy jsou následující:

• zvětšení vstupní energie po dobu přítahu. Realizuje se zvětšením napájecího napětí po omezenou dobu;

• zvětšení účinné plochy S pólových nástavců převodníku. Musí být respektováno ve fázi návrhu převodníku (např. kuželovým tvarem vzduchové mezery);

• dosažení velké magnetické indukce B (návrh budicí cívky s velkým součinem počtu závitů a proudu (NI) a volba materiálu s vhodnými magnetickými vlastnostmi). Musí být rovněž respektováno při návrhu převodníku. Přes všechna tato opatření zůstává elektromagnetický převodník typu elektromagnetu relativně nejpomalejším členem z elektronických bloků mechatronické soustavy. Silové účinky magnetického pole solenoidu na feromagnetické jádro Stejnosměrným proudem napájený solenoid s osově pohyblivým feromagnetickým jádrem je patrně nejjednodušším elektromechanickým akčním členem. Po připojení solenoidu na napětí je jádro vtahováno do míst s největším magnetickým polem. Při odpojení zdroje od solenoidu je třeba ochrannou diodou zkratovat indukované napětí, jež může dosáhnout značných hodnot. Z praxe je známý spíše případ opačný akčnímu účinku, kdy pohyb jádra vyvolává změnu vlastní indukčnosti cívky a je využit v senzorech polohy (indukční senzory, diferenciální indukční senzory). 4.1.1.2 Elektrické motory jako akční členy Elektrické motory jsou akční členy s elektromagnetickou vazbou mezi statorem a rotorem. V současnosti jsou konstrukčně vyzrálými, spolehlivými a velmi rozšířenými jednotkami elektrických pohonů, které se obecně skládají z měniče, motoru, spojky a pracovního stroje. Podle způsobu vyvození otáčivého pohybu rotoru lze elektrické motory dělit na motory asynchronní (indukční), synchronní, stejnosměrné, stejnosměrné s elektronickou komutací (bezkartáčové), dále krokové, střídavé komutátorové a reluktanční, všechny obvykle s rotačním výstupem. Lineární motory mají posuvný pohyb založen na stejných principech, jako je tomu u výše uvedených motorů s rotačním výstupem. Elektrické motory ve funkci akčního členu realizují elektromechanický převod na konci řetězce zpracování informace, kde je zapotřebí výkonový zásah do regulované soustavy. Jsou-li doplněny zpětnými vazbami, mluvíme o regulačních pohonech nebo o servopohonech. S výše uvedenými základními skupinami elektrických motorů a se způsoby jejich napájení jsme se seznámili v učebnici Automatizace a automatizační technika 3 (v části Prostředky automatizační techniky). V následujících odstavcích se proto omezíme na sdělení o dalších významných vlastnostech těchto akčních členů, jejich konstrukčních zvláštnostech a nejvýznamnějších způsobech řízení. 4.1.1.2.1 Asynchronní motory s frekvenčním řízením s pulzně-šířkovou modulací (PWM) Frekvenční řízení otáčivé rychlosti asynchronních motorů s kotvou nakrátko představuje efektivní způsob řízení otáček motoru, který vychází z nemnoha možností dosáhnout změny otáček:

n = ns(1–s) =

96

f1 (1–s) p

(4.13)

Elektromechanické akční členy Ve vztahu (4.13) představují symboly ns synchronní otáčky, s skluz, f1 kmitočet napájecího napětí motoru a p počet pólových dvojic statoru. Je zřejmé, že podle vztahu (4.13) lze ovlivnit synchronní otáčivou rychlost magnetického pole motoru, a tedy i otáčivou rychlost hřídele motoru změnou kmitočtu f1 napájecího napětí. Děje se tak ve frekvenčním měniči při současné úpravě napájecího napětí. Napájecí napětí je třeba měnit tak, aby byly zachovány magnetické poměry v motoru. Obvykle se při řízení tohoto typu uplatňuje podmínka U1 /f1 = konst, tzn. že snížení kmitočtu musí odpovídat i snížené napájecí napětí a naopak. Ustálená řešení moderních frekvenčních měničů používají pulzně-šířkové modulace (PWM) napájecího trojfázového napětí motoru. Blokové schéma takového měniče je v zásadě velmi podobné u všech významných výrobců.

Obr. 4.8 Blokové schéma frekvenčního měniče s pulzně-šířkovou modulací

Prvním blokem frekvenčního měniče je neřízený usměrňovač, napájený z jednofázové sítě (u asynchronních motorů s kotvou nakrátko a výkonem na hřídeli přibližně do 2 kW) nebo z 3f sítě pro větší asynchronní motory s kotvou nakrátko. Následuje stejnosměrný mezilehlý obvod a poté blok označený jako střídač. Pulzně-šířková modulace představuje způsob zpracování výkonového signálu střídačem. Při tomto způsobu je stejnosměrné napětí mezilehlého obvodu ve střídači přeměněno na série impulzů stejných amplitud, kladných i záporných, ovšem nestejné šíře. Pro každou fázi musí střídač vyrobit neharmonický průběh napětí fázově posunutý proti předchozí fázi o 120o. Získáme tak výkonové signály s periodou T1 = 1/f1. Asynchronní motor je pak přijímá jako

Obr. 4.9 Princip pulzně-šířkové modulace (PWM). Modulované napětí má kmitočet základní harmonické f1

97

trojfázové neharmonické napětí U1 o kmitočtu f1. Střídač není osazen tyristory, ale výkonovými tranzistory IGBT (bipolární tranzistor s izolovanou elektrodou), řízenými procesorem frekvenčního měniče. V režimu brždění měnič obvykle neumožňuje úplnou rekuperaci (návrat) energie do sítě. V rekuperačním režimu mění energii v teplo na zátěžném rezistoru stejnosměrného mezilehlého obvodu. Procesor měniče komunikuje s nadřazeným řídicím počítačem a může přijímat a zpracovávat analogové i digitální signály vstupních veličin. Mikroprocesor je programován podle uživatelského menu z klávesnice.

4


Mechatronika

Obr. 4.10 Zjednodušené schéma zapojení frekvenčního měniče s obvody řízení

Z obr. 4.10 je zřejmé, že vzájemná funkční provázanost elektrotechniky a výkonové elektroniky s obvody číslicového řízení je v současnosti vysoká. Celý měnič vychází velmi kompaktní a někteří výrobci jej dokonce v určitých případech umisťují na těleso motoru (Siemens). Při frekvenčním řízení asynchronního motoru s kotvou nakrátko získáme zcela odlišné vlastnosti, než má samotný asynchronní motor. Příkladem jsou průběhy momentových charakteristik, jak je zná-

98

Elektromechanické akční členy zorňuje obr. 4.11. Je patrné, že momentové charakteristiky se při splnění podmínky U1 /f1 = konst. s kmitočtem posouvají a mají konstantní maximální moment. Je to dáno tím, že změnou kmitočtu f1 měníme synchronní otáčky asynchronního motoru. Za pomoci uživatelského menu a klávesnice měniče lze dosáhnout definovaných průběhů a změn otáčivé rychlosti asynchronního motoru. Můžeme např. dosáhnout lineární nárůst otáčivé rychlosti, konstantní rychlost i lineární snížení rychlosti v závislosti na čase.

Obr. 4.11 Momentové charakteristiky asynchronního motoru řízeného změnou kmitočtu

Výsledné řešení je přínosem do mechatronických systémů. V oblasti rozběhu a řízení mechanické úhlové rychlosti motoru má pohon vlastnosti, které samostatný asynchronní motor s kotvou nakrátko mít nemůže.

Vektorové řízení asynchronního motoru s kotvou nakrátko Jde o režim řízení upraveného asynchronního motoru s kotvou nakrátko pomocí pokročilého frekvenčního měniče. Vektorové řízení může být realizováno bez zpětné vazby nebo se zpětnou vazbou se senzory. V druhém případě procesor měniče vyžaduje signál o poloze rotoru, magnetickém toku a odebíraném proudu. Procesor pracuje s matematickým modelem stroje, do kterého je třeba zadat též vhodné konstanty stroje. Řadu dalších parametrů si procesor spočítá sám. Procesor provádí číslicové zpracování signálů o skutečném stavu a nastaví kmitočet f1 a velikost U1 napájecího 3f napětí asynchronního motoru tak, aby bylo dosaženo požadovaných výstupních parametrů stroje. Regulace elektrického pohonu tohoto typu je charakterizována vysokou požadovanou rychlostí odezvy. V intervalu desítek μs řeší procesor měniče soustavu diferenciálních rovnic, představujících matematický model stroje. Požadovaná přesnost nastavení polohy rotoru takového akčního členu je vysoká a představuje zlomky procent. Jako servopohony mohou takto řízené asynchronní motory nahradit jiné typy pohonů v řadě aplikací. Příkladem je řada kompaktních, vodou chlazených asynchronních motorů s kotvou nakrátko firmy Siemens (1PH2-1PH4), řízených frekvenčním měničem SIMODRIVE. Výkony motorů této řady jsou od 3,7 kW do 100 kW, otáčky až 12 000 1/min. Servopohon je vybaven měřením otáček a polohy rotoru [6]. Obdobným řešením vynikají asynchronní servomotory IndraDyn řady A, které se vyrábějí jako vzduchem či vodou chlazené motory o výkonech 1–100 kW a maximálními otáčkami až 10000 1/min (závisí na typu motoru). Asynchronní servomotor je vybaven jednootáčkovým či víceotáčkovým absolutním enkodérem zajišťujícím vysoké rozlišení polohy rotoru a brzdou. Moderní, frekvenčně řízené asynchronní motory s kotvou nakrátko mají ošetřeny i rozběhové poměry. Jak známo, při rozběhu asynchronního motoru vzniká na přívodech velký proudový

99

4


Mechatronika ráz. Ten je třeba zmenšit a záběrový moment motoru pokud možno zvětšit. Klasická řešení tohoto problému vedla ke konstrukci asynchronního motoru s kotvou kroužkovou, vyznačující se 3f vinutou kotvou, vinutím rotoru zapojeným do hvězdy a vyvedeným na kroužky. Na ty doléhají kartáče a jsou připojeny spouštěcí odpory. Zvětšením reálného odporu každé fáze rotoru dosáhneme zvětšení záběrového momentu při současném snížení záběrového proudu. Některá řešení spouštění asynchronního motoru s kroužkovou kotvou využívají změny impedance rotorového obvodu spouštěče. Motory s kotvou nakrátko mají problém omezení zapínacího proudového rázu klasicky řešen jiným způsobem. U malých motorů je to rozběh „hvězda-trojúhelník“, při kterém je nejprve statorové vinutí zapojeno do hvězdy a teprve po rozběhu je přepojeno, obvykle automaticky, do trojúhelníka. Řešení sníží záběrový proud na třetinu, ale sníží též záběrový moment. Zvláštním řešením rozběhu jsou motory s dvojitou klecí nebo s klecí vírovou, ovšem za cenu odpovídající složitější konstrukci motoru a nízké sériovosti ve výrobě. Toto uspořádání využívá změny impedance rotorové klece v průběhu rozběhu motoru. V poslední době se pro rozběh asynchronního motoru s kotvou nakrátko využívá tzv. soft-startéru nebo již zmíněného frekvenčního měniče. Soft-startér je napěťový měnič, který upravuje pomocí výkonových spínacích prvků (triaků) střední hodnotu napětí na motoru, a tím ovlivňuje skluz. Frekvenčně řízené asynchronní motory mají dominantní postavení mezi průmyslovými aplikacemi elektrických pohonů. 4.1.1.2.2 Zvláštní asynchronní motory Jednofázové asynchronní motory s kotvou nakrátko Jednofázové asynchronní (indukční) motory se mohou uplatňovat jako malé akční členy tam, kde je k dispozici pouze jednofázová síť. Rozebíhají se s použitím tzv. pomocné fáze. Pomocná fáze je doplněna obvykle rozběhovým kondenzátorem, který způsobí, že fázový posun mezi proudem a napětím pomocné fáze bude odlišný od fázového posunu mezi proudem a napětím hlavní fáze. Vzniklé magnetické toky jsou proti sobě časově posunuté. Uspořádání se tak přiblíží nutným podmínkám pro vznik točivého magnetického pole. Jiným jednofázovým indukčním motorem je asynchronní motor se stíněnými póly. Póly motoru mají vinutí vytvářející hlavní magnetický tok Φh. Na části pólových nástavců jsou umístěny měděné závity nakrátko. V nich se indukuje proud, jež vytvoří magnetické pole Φz. Časový průběh Φz je posunut proti magnetickému poli vyvolanému hlavní fází. Magnetická ložiska asynchronního motoru Jako zvláštní jednotku uveďme realizaci elektrického pohonu s asynchronním motorem s kotvou nakrátko, řízeným změnou kmitočtu. Neobvyklost tohoto pohonu spočívá v tom, že rotor je uložen v magnetických ložiskách (ASEA-Brown-Boveri). Magnetické ložisko představuje řízenou elektromagnetickou soustavu, která umožňuje udržovat feromagnetický hřídel pohonu v ose statoru. Princip magnetického ložiska je naznačen na obr. 4.12. Dojde-li k vystředění hřídele v ose y o Δy, je tato osová odchylka polohy detekována indukčními snímači S1y a S2y. Řídicí regulovaná soustava odchylku zpracuje a vyšle řídicí signály akčním elektromagnetickým členům: přibudí vinutí elektromagnetu M1y (případně upraví buzení M2y) tak, aby regulační odchylka odpovídající Δy byla opravena. Obdobně je hřídel vystřeďován 100

Elektromechanické akční členy v ose x. Na tomto principu jsou založena radiální, ale i axiální magnetická ložiska pohonu. Pohon většího výkonu je řešen jako vertikální. Hřídel je uložen v soustavě dvou radiálních a jednom axiálním ložisku a v klidu se opírá o spodní, opěrné ložisko. Při aktivaci magnetických polí ložisek se hřídel vysune z opěrného ložiska a dostane do pracovní polohy, ve které se nedotýká žádné části statoru. Teprve od tohoto okamžiku začíná vlastní kmitočtové řízení asynchronního motoru vybaveného frekvenčním měničem. Takový motor se může uplatnit jako pohon čerpadla primárního okruhu jaderné elektrárny.

Obr. 4.12 Princip magnetického ložiska

axiální magnetické ložisko 1

radiální magnetické ložisko

AM

FREKVENČNÍ MĚNÍČ

PRACOVNÍ STROJ

2

radiální magnetické ložisko opěrné ložisko klidové polohy

Obr. 4.13 Frekvenčně řízený asynchronní motor s magnetickými ložisky

101

4


Mechatronika Lineární asynchronní motor Lineární asynchronní motor představuje soustavu s rozvinutým rotorem (kotvou nakrátko) a statorem. Do roviny rozvinutý stator s trojfázovým, 2p-pólovým vinutím, napájený 3f proudem vyvolá harmonicky proměnné magnetické pole, které se bude pohybovat rychlostí

v = 2τp/T1 = 2τp f1

(4.14)

Ve vztahu (4.14) jsme symboly 2τp označili délku dvou pólových roztečí, T1 dobu periody napájecího statorového vinutí a f1 kmitočet napájecího napětí. V důsledku indukovaných napětí a proudů v kotvě nakrátko vznikne magnetické pole, jehož interakce s původním magnetickým polem od statorového vinutí vyvolá sílu, působící v přímém směru. Velikost této síly závisí na skluzu. Zatímco délka statoru je omezená, délka kotvy může být libovolná. Ve srovnání s elektromagnety mají lineární asynchronní motory výhodu v podstatně větší účinnosti. Délka lineárního motoru není omezená tak, jako dráha, kterou vykoná během přítahu elektromagnet. Síla vyvozená lineárním asynchronním motorem sice závisí na skluzu, ale nevykazuje takové změny, jako síla elektromagnetu, která se během přítahu výrazně mění. Navíc odpadají problémy s velkou vlastní indukčností cívky elektromagnetu.

stator s 3f vinutím v drážkách

vedení

kotva nakrátko libovolné délky

Obr. 4.14 Lineární asynchronní motor s vymezenou vzduchovou mezerou

4.1.1.2.3 Synchronní motory s permanentními magnety Jde zvláště o motory menších výkonů, používané jako servomotory mechatronických soustav. Místo budicího vinutí má motor v rotoru permanentní magnety. Takové řešení odstraňuje ztráty v buzení motoru i potřebu zdroje budicího proudu. Moderním řešením je použití permanentních magnetů ze vzácných zemin (samarium–cobalt nebo neodyn–ferrum–cobalt), umožňující dosáhnout vysokých sycení (1T) a velké koercitivní síly (až 7000 A/cm) [2]. Optimalizovaná konstrukce dovoluje až 5násobné přetížení, proto jsou tyto motory vhodné pro dynamicky náročné aplikace. Motory lze doplňovat i vhodnou planetovou převodovkou a dosáhnout tak potřebného momentu a otáček motoru. Stator synchronního motoru je trojfázový, s vinutím uloženým v drážkách. Motor je napájen z frekvenčního měniče s pulzně-šířkovou modulací a pracuje v režimu obdobném vektorovému řízení asynchronního motoru. Lze tedy získat různé momentové charakteristiky pro různé synchronní otáčky. Řízení synchronního motoru pomocí měniče kmitočtu řeší i problém spouštění synchronního motoru. Ten je u synchronního motoru přímo napájeného ze sítě řešen pomocí kotvy nakrátko vložené do rotoru. V takovém případě mluvíme o asynchronním rozběhu synchronního motoru. Kotva nakrátko je současně tlumičem (amortizérem) synchronního stroje. Tlumí kývání synchronního stroje, tj. malou periodickou změnu zátěžného úhlu při běhu stroje.

102

Elektromechanické akční členy Zvláštní skupinu tvoří synchronní motory s velkým momentem a nízkými otáčkami, které umožňují, při konstrukci pohonu s požadavkem na velký výstupní moment, vypustit převodovku. Příkladem může být vodou chlazený mnohopólový synchronní motor Siemens 1FW3 se jmenovitým momentem Mn= 1 500 Nm a jmenovitými otáčkami nn= 250 1/min. Je zřejmé, že pro f1 = 50 Hz vychází pro tento stroj počet pólů 24. Ještě výraznějším příkladem akčního členu s velkým momentem je výrobek fy Beck&Sons, Inc. [9], určený pro přesné polohování ventilů tekutinových medií a jiné průmyslové výkonové aplikace. Akční člen vykazuje moment až 10 850 Nm. Kompaktní jednotka obsahuje i mikroprocesorový řídicí modul, takže odpadají vnější startér a vnější řídicí jednotka. (Pro zajímavost, největší moment motoru běžného osobního automobilu bývá asi 100× menší.) Synchronní motory jako servomotory se v současnosti vyrábějí nejen jako nízkootáčkové, s velkým momentem, ale též jako vysokootáčkové, s otáčkami až 12 000 1/min při momentu několika Nm. Speciální synchronní vysokootáčkové motory s vysokou dynamikou mohou dosáhnout dokonce až 30 000 1/min, maximálního momentu 30 Nm a jmenovitého výkonu 10 kW (IndraDyn [7]). Menší kompaktní servomotory se zabudovanou řídící jednotkou s online komunikací se uplatňují zvláště v robotice, kde konkurují stejnosměrným motorům, a v mnoha průmyslových odvětvích. Jako vodou chlazené kompaktní jednotky mohou být konstrukčně připraveny i pro namontování na hřídel obráběcích strojů. Splňují tak požadavky na přesnost a plynulost pohybu a výslednou kvalitu obrábění. Vyznačují se krátkým časem náběhu na požadované otáčky.

Obr. 4.15 Typické charakteristiky synchronních servomotorů konkurují vlastnostem stejnosměrných motorů

Lineární synchronní motory Lineární synchronní motory představují opět stroj s rozvinutým statorem a rotorem. Jako akční členy s posuvným pohybem mohou vyvinout jmenovitou sílu v rozmezí 250–6 700 N při jmenovité rychlosti od 8 do 2,5 m/min. Maximální vyvinutá síla může být přitom několikanásobkem jmenovité síly. Tomu ovšem odpovídají snížené hodnoty maximální rychlosti. Lineární synchronní i asynchronní motory s tažnou silou od 100 N do 20 kN vyrábí v ČR VÚES Brno, a.s. 4.1.1.2.4 Stejnosměrné motory a jejich řízení Elektrické pohony se stejnosměrnými motory představují v současnosti konstrukčně vyspělé jednotky s vynikajícími dynamickými vlastnostmi a průběhy momentových charakteristik. Příkladem mohou být 4 nebo 6pólové, cize buzené motory společnosti ASEA-Brown-Boveri (ABB) nabízené o výkonech 25–1 400 kW, buzení 110–440 V, napětí kotvy do 815 V a momentech od 200 Nm do 20 000 Nm [8]. Má-li pracovat takový akční člen jako servomotor, budou jeho otáčky v nejjednodušším případě řízeny změnou napětí kotvy při konstantním buzení. Servomotor je obvykle vybaven dvěma zpětnými vazbami (otáčkovou a proudovou), řídicí jednotkou s regu103

lačními algoritmy, a řízeným tyristorovým usměrňovačem. Takové uspořádání představuje regulační pohon se spojitým řízením, který udržuje nastavené otáčky hřídele motoru, případně proud (moment) motoru při různých režimech zátěže. Mechanickou úhlovou rychlost ω2 hřídele stejnosměrného motoru lze při konstantním buzení Φ řídit napětím U, které dodá řízený usměrňovač:

ω2 =

Ui U – Rcia – ΔUk = KsΦ KsΦ

(4.15)

Ve vztahu (4.15) představují symboly Rc celkový odpor kotvy, ia proud rotorem, ΔUk malý úbytek napětí na kartáčích a Ks konstantu stejnosměrného stoje. Úhlová rychlost ω2 hřídele stroje se na výstupu tachodynama TD projeví jako napětí u2 (ω2). Toto napětí je v regulátoru otáček Rω porovnáváno s napětím u1, jež odpovídá požadované hodnotě úhlové rychlosti ω1. Signál z Rω, odpovídající zjištěné regulační odchylce, spolu se signálem z regulátoru proudu RI, ovlivní otevření tyristorů řízeného usměrňovače tak, aby výstupní napětí U upravilo otáčky ω2 na požadovanou hodnotu. Proudová zpětná vazba servomotoru omezuje proud kotvou ia při rozběhu a dalších dynamických provozních stavech motoru, případně umožňuje řídit motor s konstantním momentem.

4


Mechatronika

Obr. 4.16 Stejnosměrný motor řízený napětím kotvy a jeho regulační obvody

4.1.1.2.5 Pokročilé stejnosměrné motory Jako pokročilé stejnosměrné motory budeme označovat konstrukční řešení odlišná od klasických. Jejich cílem je zlepšení vlastností stroje. Příkladem jsou stejnosměrné pohony maxon [10]. 104

Elektromechanické akční členy Jsou to dynamické elektromechanické rotační převodníky o výkonu do 400 W, které pro vytvoření mechanického momentu využívají silových účinků magnetického pole na vodič protékaný proudem. Tyto motory se vyznačují samonosným homogenním trubkovým vinutím rotoru, uložením osy motoru v keramických pouzdrech a provedením čepů v převodovkách z keramiky na bázi ZrO2. Výsledkem vývoje nových materiálů a technologií jsou nadprůměrné dynamické vlastnosti motorů, účinnost, doba života a hustota výkonu v zaujímaném prostoru a hmotnosti. Stejnosměrné pohony tohoto typu jsou součástí nabídky, jež zahrnuje komutátorové stejnosměrné motory, elektronicky komutované (EC) motory, planetové a čelní převodovky, elektromagnetické brzdy, inkrementální snímače a řídicí jednotky. Stejnosměrné motory s komutátorem Stejnosměrné komutátorové motory téže společnosti se liší od obvyklých stejnosměrných motorů odlišnou konstrukcí vinutí rotoru. Závity vinutí nejsou vloženy do drážek na povrchu jádra z transformátorových plechů, ale jsou vytvarovány a uspořádány do tvaru tenké trubky. Trubka je zpevněna, aby byla samonosná a byla schopna přenést obvodovou sílu z vodičů na hřídel. Trubka je na jednom čele připojena diskem k hřídeli rotoru. Hřídel v místě disku nese i komutátor. V magnetickém poli statoru se otáčí pouze měděné vinutí, ostatní části magnetického obvodu jsou pevné. Použití samonosného vinutí přináší řadu výhod:

• Výrazné potlačení jiskření mezi kartáči a komutátorem. Důvodem je skutečnost, že změna magnetického pole a energie v samonosném vinutí indukuje podstatně menší napětí pro vytažení oblouku, než by způsobila energie magnetického pole soustředěná ve vinutí a v magnetickém obvodu rotoru konvenčního motoru.

Obr. 4.17 Stejnosměrný motor RE30

105

• Vysoká účinnost motoru (80–90%) a nízká energetická náročnost jsou dalšími důsledky absence železa rotoru. Vznik ztrát v železe rotoru konvenčního motoru je spojen s jeho postupným přemagnetováním v průběhu jedné otáčky v magnetickém poli statoru. Je známo, že v rotoru konvenčního motoru se vyvinou ztráty v železe, složené ze ztrát hysterezních (přemagnetováním) a ztrát vířivými proudy. Hysterezní ztráty můžeme ovlivnit volbou feromagnetického materiálu (s malou koercitivní silou), ztráty vířivými proudy se klasicky omezují složením jádra z elektricky izolovaných železných plechů. Ztráty rostou s kmitočtem magnetického pole (rychlostí otáčení), zahřívají rotor a snižují tak účinnost.

• Vysoká magnetická indukce je dosažena použitím permanentního magnetu na bázi vzácných zemin. Nejvýkonnější využívané magnetické materiály jsou na bázi NdFeB, neodym-železo-bor. Další používané magneticky tvrdé materiály jsou AlNiCo a magneticky tvrdý ferit.

• Pro permanentní magnet je v těchto motorech využita dutina v samonosném vinutí, vně vinutí je jenom tenký feromagnetický plášť, kterým se uzavírá magnetický tok. Motor takového konstrukčního uspořádání má menší průměr a hmotnost v porovnání s konvenčními motory, kde je rotorové vinutí je uloženo v drážkách rotorových plechů, a pro permanentní magnety zbývá místo ve statoru.

• Vinutí motoru má velmi nízký moment setrvačnosti a nízkou indukčnost. To jsou parametry, které se projeví v malé elektrické i mechanické časové konstantě. Mechanická časová konstanta 5 až 10 ms dává motorům možnost rychle se rozběhnout nebo zastavit. Pohon spojený s řídicí jednotkou velmi rychle reaguje na regulační odchylky a řízení je rychlé a stabilní i při prudkých změnách zatížení. Vliv napětí na rychlost Vliv napájecího napětí – posouvá vertikálně charakteristiku – gradient rychlosti se nemění – rychlost bez zatížení n0 je úměrná napájecímu napětí n0 = kn × U – záběrový moment MH je úměrný napájecímu napětí

4


Mechatronika

Obr. 4.18 Rychlostní charakteristiky stejnosměrného motoru

Motory s elektronickou komutací (EC motory) Bezkartáčové, elektronicky komutované (EC) motory neobsahují mechanický komutátor. Vyznačují se spolehlivou funkcí (přes 50 000 h v trvalém provozu), širokým pásmem řízení rychlosti, malými rozměry, krátkou časovou konstantou rozběhu, případně zcela rovnoměrným průběhem momentu. 106

Elektromechanické akční členy

Obr. 4.19 Elektronicky komutovaný motor (EC) v řezu

V konstrukci válcových, elektronicky komutovaných motorů je uplatněno též vinutí zmíněné v předchozí kapitole. Vinutí válcových, elektronicky komutovaných motorů je součástí statoru. Vinutí obklopuje magnet otáčející se s rotorem. Feromagnetický prstenec složený z plechů uzavírá magnetický obvod na vnějším obvodu vinutí. Motory jsou standardně vybaveny senzorem se třemi Hallovými sondami, který poskytuje řídicí jednotce informaci o natočení rotoru. Řídicí jednotka zajišťuje elektronickou komutaci, tj. přepíná proud do sekcí vinutí. Průběh proudu odvozený od Hallových sond je obdélníkový a mechanický moment v průběhu otáčky je mírně zvlněný. Rovnoměrný moment získáme pomocí řídicí jednotky, která digitálně vytváří kvazisinusový průběh proudu. Motor musí být ovšem doplněn inkrementálním snímačem. Řešení elektronicky komutovaných válcových motorů má několik výhod: • Odstranění klidového stabilizačního momentu. Ve statoru nejsou žádné póly, které v konvenčních motorech přitahují magnet rotoru do určitých poloh. Tento jev je často nežádoucí, protože je tak ovlivněno natočení v zastavené poloze a vypnutý motor může samovolně změnit polohu rotoru. • Hnací moment při běhu motoru nekolísá. Kolísání momentu zhoršuje přesnost regulace při malé rychlosti. • Nízká elektrická časová konstanta i elektromechanická časová konstanta do 10 ms v důsledku nízké vlastní indukčnosti vinutí a vysokého poměru hnacího momentu k momentu setrvačnosti. • Menší objem vnějšího feromagnetického prstence, který uzavírá magnetický tok, jako důsledek odstraněných pólů. Malé ztráty vířivými proudy a hysterezí zvyšují účinnost motoru. • Výborná proporcionalita proudu a momentu v důsledku využití síly na vodič v magnetickém poli podle Lorentzova zákona, nikoli přitahováním feromagnetických pólů. EC stejnosměrné motory se vyrábějí i jako čtyřpólové. Toto řešení se oproti dvoupólovým motorům vyznačuje zvláště vyšším využitím objemu vinutí a zvýšenou složkou proudu ve směru 107

Elektronická komutace

Obr. 4.20 Elektronická komutace

Obdélníková komutace

4


Mechatronika

Obr. 4.21 Napájecí proudy EC motoru – obdélníková komutace

osy motoru (což znamená zvýšený trvalý moment při stejném průřezu vinutí), tenčím a lehčím feromagnetickým pláštěm uzavírajícím magnetický obvod statoru, větším průměrem magnetu v rotoru. Lorentzova síla na větším poloměru působí vyšším mechanickým momentem. Zvětšuje se i plocha nad pólem magnetu a počet vodičů vinutí v magnetickém poli. Čtyřpólový motor EC s průměrem 30 mm má oproti svému dvojpólovému předchůdci s průměrem 30 mm a se stejnou délkou větší mechanický moment a výkon. Motor lépe udržuje rychlost při zvyšování zatížení. Výkon motoru dosahuje hodnoty 200 W. Čtyřpólový motor EC se svým vysokým výkonem, dosaženým konstrukčně malou jednotkou, uplatní v aplikacích ve stísněném prostoru a s limitovanou hmotností. 108

Elektromechanické akční členy Diskové motory V některých aplikacích motorů je dominantní konstrukční požadavek na co nejkratší motor. S tím bývá spojen nárok na dosažení potřebného momentu bez převodovky, která by motor prodloužila. Zpomalení a zvýšení momentu realizuje EC diskový motor větším počtem pólů. Rotor ve tvaru pánve nese na vnitřním povrchu prstence 8 až 24 magnetů s prostřídanými póly po obvodu. Ve statoru uvnitř prstence je na feromagnetických jádrech vějířovitě 6 až 18 cívek. Tři sousední cívky tvoří třífázovou skupinu. Trojice se po obvodě 2 až 6krát opakuje. Rychlosti motorů jsou mezi 20 000 ot/min u motoru průměru 6 mm a 5 000 ot/min pro motor 90 W průměru 90 mm. Větší motory mohou být vybaveny senzorem s Hallovými sondami, které umožňují plně využít dynamické vlastnosti motoru i při rozběhu. Malé motory do průměru 20 mm neobsahují snímač. Motory bez snímače jsou určeny pro jednoduché aplikace s omezenou dynamikou v malých rychlostech. Planetové převodovky stejnosměrných motorů Planetové převodovky připojené k motorům používají speciálně vyvinuté čepy planet z keramiky, které umožňují použít vysokou vstupní rychlost od motoru a zmenšují rozměry převodovky. Převodovky o průměrech do několika desítek milimetrů se obecně mažou trvanlivou náplní plastického maziva, vazelíny. Vstupní rychlost převodovek s průměrem přes 10 mm s kalenými ocelovými čepy planet je omezena na 3 000 až 8 000 ot/min, aby se neporušilo viskózní tření planet na čepech a na zubech ozubených kol. Přechod na keramické čepy na bázi ZrO2 měl za následek zvýšení vstupních rychlostí převodovek o 2 000 ot/min a kromě toho jejich zkrácení nebo zvýšení přípustného výstupního momentu. Rychlosti převodovek jsou tak přizpůsobeny rychlostem komutátorových motorů s válcovým vinutím a mohou plně využít jejich výkon. Zavedením keramiky se i u převodovek zvýšila hustota výkonu na jednotku hmotnosti. Ani pro vysoké převodové poměry nejsou obvykle využívány šnekové převodovky pro jejich nízkou životnost a účinnost, které jsou způsobeny velkými obvodovými rychlostmi a třením zubů šneku o šnekové kolo. V případě, že je nutno zajistit stabilní polohu natočení pohonu při úplném odpojení elektrické energie, je vhodné použít elektromagnetickou brzdu. Senzory servomotoru Pro snímání polohy rotoru, jeho mechanické úhlové rychlosti a smyslu rotace servomotoru se používají:

• • • •

inkrementální senzory (na optickém principu); Hallovy sondy; tachogenerátory; inkrementální senzory (na magnetickém principu).

Moderním prvek v soustavě pohonů je magnetický inkrementální senzor [10], který využívá změnu ohmického odporu mikroelementů z NiFe, vyvolanou změnou směru magnetického pole, ve kterém se nacházejí. Senzor má malou citlivost na nepřesnost montáže a na otřesy. Při stejné nebo vyšší citlivosti zaujímá podstatně menší prostor než optické senzory nebo magnetické senzory s Hallovými sondami. Během otáčení permanentního magnetu ve tvaru kotouče se zmagnetovanými 16 až 64 póly se mění odpor mikroelementů podle přesného goniometrického vztahu, podle druhé mocniny sinu úhlu mezi směrem magnetického pole a směrem proudu v pásku NiFe. Přesnou interpolací je možno vytvořit na výstupu až 1 024 impulzů na jednu otáčku. Na snímači 109

4


Mechatronika byla vyřešena problematika silného vlivu teploty. Změna odporu se směrem magnetického pole je kolem 3 % nominálního odporu elementu. Stejná změna odporu se projeví i změnou teploty o 10 °C. Na tištěném spoji snímače jsou proto rozmístěny v oblasti šířky jednoho pólu dvě čtveřice mikroelementů zapojených do Wheatstonova můstku, který vliv teploty eliminuje. Lineární stejnosměrné motory Lineární stejnosměrné motory a servomotory tvoří kompaktní akční členy s posuvným pohybem, tvořené elektronicky komutovaným servomotorem s uzavřenou smyčkou, kuličkovým šroubovým převodem rotačního pohybu na lineární, a enkodérem. Umožňují řízení polohy a rychlosti posuvu. Stejnosměrné motory a servomotory mají široké uplatnění v automatizační technice, robotice, strojírenství (obráběcích strojích) i vojenské technice [lineární servopohony (equilibrators) pro nastavování elevace rychlopalných zbraní]. 4.1.1.2.6 Krokové motory Krokové motory a jejich řízení bylo obšírně popsáno v učebnici Automatizace a automatizační technika 3. Připomeňme, že krokový motor se vyznačuje diskrétním počtem poloh rotoru v průběhu jedné otáčky a číslicovým řízením. Kmitočet řídicích signálů bývá udáván v rozsahu 1–20 kHz, úhel jednoho kroku 0,9 °–180 °, výkon motoru do 2,5 kW. Motory mají obvykle několik možností zapojení statorového vinutí a jeho připojení na výkonový zdroj. Tím lze ovlivnit momentové charakteristiky motoru, přesnost nastavení polohy i velikost odběrného proudu. Budicí vinutí statoru je typicky dvoufázové, rotor je buzený permanentním magnetem, axiálně polarizovaný. V celokrokovém režimu je rozlišení 200 kroků na otáčku a úhel kroku 1,8 °. Při půlkrokovém režimu je pak rozlišení 400 kroků na otáčku a odpovídající úhel kroku 0,9 °. Malé krokové motory, synchronní motory a EC motory mohou být vybaveny čelní převodovkou. Mohou pracovat též jako nastavovací pohony pro pomalé a přesné natáčení klapek a ventilů v úhlovém rozsahu 0–90 °. Nejčastějším konstrukčním provedením je krokový motor s rotačním výstupem, existují však i krokové motory lineární. Lineární krokový motor Obdobně jako krokový motor s rotačním pohybem může být lineární krokový motor proveden:

• s pasivním rotorem, tj. s proměnnou reluktancí vzduchové mezery a nestejným počtem pólů statoru a rotoru;

• s aktivním rotorem buzeným proudem ve vinutí; • jako krokový motor hybridní, tj.s buzeným rotorem a proměnnou reluktancí vzduchové mezery. Hybridní lineární krokový motor se vyznačuje buzeným rotorem (permanentním magnetem a elektromagnety A a B) a statorem s proměnnou reluktancí vzduchové mezery. Pólová rozteč pólových nástavců rotoru je odlišná od rozteče zubů statoru. Stabilní poloha rotoru je dána minimální reluktancí mezi pólovým nástavcem rotoru a zubem statoru. Na obr. 4.23 je naznačena poloha, kterou rotor dosáhl předchozí aktivací elektromagnetu A. Je-li následně proudem vhodného směru buzen elektromagnet B, bude se rotor pohybovat v naznačeném směru, až dosáhle polohy s minimální reluktancí mezi pólovým nástavcem 4 a zubem statoru. Vykoná 1 krok. Je zřejmé, že pojmy rotor 110

Elektromechanické akční členy a stator jsou relativní, statorem, neboli primární částí, může být buzený magnetický obvod a rotorem (sekundární částí) kotva se zuby. Lineární krokový motor má typicky úhel kroku 1,8 °, případně 0,9 °. Menšímu úhlu kroku odpovídá vyšší rozlišení, pro úhel 0,9 ° může být rozlišení 1,5 μm pro plný krok. Takový lineární akční člen splňuje požadavek přesného nastavení polohy, dynamiky pohybu a velké životnosti. Může přitom vyvinout sílu až 250 N [11].

Obr. 4.22 Princip lineárního krokového motoru s hybridní konstrukcí (buzený rotor a proměnná reluktance vzduchové mezery).

Krokové motory s rotačním pohybem i lineární krokové motory nalézají uplatnění v úlohách řízení polohy a rychlosti a v řízení synchronizovaných pohybů (X-Y zapisovače, řízení snímacích hlav pevných disků, posuvy numericky řízených strojů, lékařské přístroje, telekomunikační přístroje). Jsou to akční členy mnoha automatizačních aplikací. 4.1.1.2.7 Reluktanční motory Reluktanční motory jsou charakteristické tím, že na rotoru není žádné vinutí, ani permanentní magnet. Rotor je složen pouze z vhodně tvarovaných plechů. Podobně jako u krokových motorů s proměnnou reluktancí vzniká otáčivý moment v důsledku rozdílných magnetických odporů (reluktancí) nerovnoměrné vzduchové mezery a vhodného napájení statorového vinutí. V posledních letech se řešení reluktančního motoru vyznačuje nestejným počtem pólů rotoru a statoru a řídicí jednotkou, ze které je motor napájen. Takový motor bývá označován jako spínaný reluktanční motor (SRM). Zásluhou jednoduché konstrukce rotoru lze získat vysoké otáčky rotoru (až 100 000 1/min.), ovšem s vysokými nároky na provedení ložisek. Motory mohou pracovat i v prostředí s relativně vysokou teplotou okolí. Jako zvláštní pohon můžeme označit střídavý reluktanční motor v radiálním uspořádání (pro snížení délky) s rotorem uloženým v magnetickém ložisku. Axiální i radiální pozici rotoru udržuje proud cívkami, umístěnými ve statoru. Informaci o okamžité poloze dávají indukční senzory. Rotační pohyb je vyvolán přepínáním proudu budicích cívek tak, jako u běžného reluktančního motoru. Řídicí jednotka tak může řídit otáčivou rychlost v rozmezí 0–4 000 1/min. Tento akční člen s magnetickou levitací (magnetickým závěsem) je známý pod názvem MagLev [22]. Princip byl využit i pro konstrukci lineárního pohonu. 111

4.1.1.2.8 Lineární pohybové systémy Lineární pohybové systémy se vyrábějí v modulárním uspořádání. Jejich translační pohyb může být vyvozen:

• lineárním elektromotorem (princip působení podle druhu motoru); • převodem rotačního pohybu motoru na lineární (pastorek/ozubený hřeben, kuličkový šroub nebo ozubený řemen);

• pneumatickým pohonem; • hydraulickým pohonem. V prvém zmíněném případě tvoří mechanické díly lineárního modulu pohyblivá část motoru s primárním vinutím motoru, měnící svou polohu na permanentně zmagnetované vodicí tyči omezené délky, která je sekundární částí motoru. Pohyblivá část motoru má kuličkové vedení dráhy. Jednotka obsahuje lineární enkodér a koncové bloky. Nemá rotující části ani převody rotačního pohybu na přímočarý. Délka dráhy lineárního motoru může být 2 000 mm, vyvozená síla 1 000 N, rychlost 2,6 m/s a zrychlení do 150 m/s2. Elektrická konstanta motoru 1,06 ms [12].

Obr. 4. 23 Pohybový systém s lineárním motorem

4


Mechatronika

Častá jsou řešení s převodem rotačního pohybu na přímočarý pohyb. Takový převod, využívající vřetene s kuličkovými oběžnými pouzdry, je naznačen na obr. 4.24.

Obr. 4. 24 Princip převodu rotačního pohybu na přímočarý – pohon s vřetenem

Pohonem může být i krokový servomotor. Jeho malý moment vyvolává po převodu s konstantou posuvu několika mm/otáčku sílu až 150 N. Pohybový systém je opatřen vodicí kolejnicí a dosahuje maximálního zrychlení až 6 m/s2 a největší rychlosti 0,2 m/s [13]. Řešení inteligentních pneumatických pohonů Interakt společnosti Hoerbiger-Origa spočívá v začlenění všech ovládacích a signalizačních prvků včetně rozhraní sběrnice AS-i do řídicí jednotky, jež je součástí pohonu [22]. Přímočaré jednotky pneumatických válců nebo bezpístnicových lineárních pohonů je možné pomocí sběrnice provozovat ve vzdálenosti až 300 m od komunikační jednotky. 112


4.1.2 Akční členy s elektrickým polem Tato skupina akčních členů využívá silových účinků elektrostatického pole. Poněvadž je však hustota energie elektrického pole malá, nalézá princip své uplatnění jen ve speciálních případech, např. v měřicí technice. Pro akční člen tvaru deskového kondenzátoru je typická přitažlivá síla, kterou elektrické pole působí na elektrody akčního členu. Stejnosměrné napětí U vybudí mezi elektrodami elektrické pole o intenzitě E = U/h. Uvažme dále kapacitu deskového kondenzátoru

C = εrε0 S h

(4.15)

Obr. 4.25 Princip akčního členu s elektrickým polem

kde εr je relativní permitivita prostředí, ε0 permitivita vakua, S efektivní plocha elektrod, h vzdálenost mezi elektrodami. Energie elektrického pole akumulovaná v kondenzátoru o kapacitě C je

W = 1 CU2 2

(4.16)

Zmenší-li se při konstantním napětí U vzdálenost mezi elektrodami o Δh, zvětší se energie pole mezi elektrodami o ΔW

ΔW = εr ε0 S

U2 Δh 2h2

(4.17)

přičemž pole vykonalo práci

ΔAp = ΔFΔh = ΔW

(4.18)

Z toho přitažlivá síla 2 F = εr ε0 S U 2 2h

(4.19)

4.1.3 Akční členy využívající vlastností inteligentních materiálů Moderní elektromechanické výkonové převodníky lze charakterizovat snahou o:

• integraci senzorických a aktuačních funkcí s mechanickým systémem; • zmenšení rozměrů při maximálním využití vlastností použitých materiálů; • využití počítačových prostředků podporujících konstrukci (CAD).

113

4


Mechatronika Tato tendence je zřejmá zvláště u nové generace elektromechanických akčních členů s přímou přeměnou elektrické energie na mechanickou. Jsou tak ovlivňovány významné aplikační oblasti, jako jsou:

• • • • •

automobilová technika (řízení spalovacího procesu, jízdní komfort); letectví a kosmonautika (aktuátory elektroaktivního řízení letu, řízené přečerpávání paliva); biomedicíncké inženýrství (diagnostika, pohyby protéz i ortéz); strojírenská výroba (mikroobrábění, přesná měření); automatizace v domácnosti.

Významný podíl na tomto trendu mají moderní materiály s pasivními vlastnostmi (kompozitní magnetické materiály), nebo elektroaktivními vlastnostmi (piezoelektrické a elektrostrikční materiály, magnetostrikční slitiny a materiály s tvarovou pamětí). V současné době jsou takové materiály označovány jako inteligentní materiály. Zabývat se nyní budeme akčními členy, které pro vyvození silových účinků na výstupu (mechanické posunutí, síla, deformace) využívají vlastností vybraných inteligentních materiálů. Takové převodníky mohou být na vstupu buzeny elektrickým nebo magnetickým polem, mechanickým napětím, teplem nebo světlem. Můžeme je označovat názvem aktuátory pevné fáze. Vlastní transformace probíhá na základě známých fyzikálních jevů, které zmiňujeme v tabulce 4.1. Vstupní veličina

Využitelný jev

Výstupní veličina

Elektrické pole E (V/m)

Obrácený piezoelektrický jev

deformace S (-)

Magnetické pole B (T)

Magnetostrikce

deformace S (-)

Mechanické napětí T (N)

Elastické vlastnosti

deformace S (-)

Teplo (J)

Tepelná roztažnost

deformace S (-)

Světlo (lx)

Fotostrikce

deformace S (-)

Tab. 4.1 Nejvýznamnější fyzikální jevy využitelné pro akční členy (aktuátory) pevné fáze

Dále se budeme věnovat elektroaktivním látkám, které vykazují deformaci vyvolanou elektrickým polem v důsledku existence obráceného piezoelektrického jevu, a jsou proto využitelné pro konstrukci akčních členů. Pozn.: Je vhodné připomenout, že v takové látce se může uplatnit i přímý piezoelektrický jev, kdy polarizace a vznik elektrického pole jsou způsobeny mechanickým napětím, resp. deformací tělesa. Tento jev je využitelný pro konstrukci senzorů vybraných mechanických veličin. 4.1.3.1 Materiály s tvarovou pamětí Materiály s tvarovou pamětí jsou významnou a rozvíjející se skupinou inteligentních materiálů. Jde o slitiny, které při teplotě fázového přechodu (nebo též transformační teplotě) mění svoji krystalickou strukturu a tvar. Typickými představiteli jsou slitiny Cu-Al-Ni, případně Ni-Ti-Cu, Ti-Pa-Ni, a mnohé další. Při teplotách nižších, než je transformační teplota, má těleso zhotovené z Cu-Al-Ni orthorhombickou strukturu a může být trvale deformováno. Při zahřátí nad transformační teplotu přejde do tzv. vysokoteplotní, kubické struktury a vrátí se do tvaru, který mělo před deformací. Říkáme, že těleso má tvarovou paměť. Efekt nalézá nové a nové aplikace zvláště 114

Elektromechanické akční členy v lékařství (stenty při terapii kardiovaskulárních chorob), v zubním lékařství, v mikroelektromechanických systémech (MEMS), kde jsou realizovány mikroaktuátory (miniaturizované akční členy), zhotovené z materiálů s tvarovou pamětí. 4.1.3.2 Piezoelektrické materiály Piezoelektrické materiály mění přímo elektrickou energii v mechanickou a naopak (přímý a obrácený piezoelektrický jev). Piezoelektrické vlastnosti mají mnohé

• krystaly bez středu souměrnosti (křemen); • polykrystalické, elektrickým polem zpolarizované látky (PZT keramika na bázi tuhých roztoků oxidů olova, zirkonu a titanu);

• kompozitní látky (nepiezoelektrická látka v jistém poměru s piezoelektrickou); • zpolarizované polymery (polyvinildifluorid-PVDF); • některé biologické látky (kosti). Jejich podstatnou výhodou je možnost využití obou typů piezoelektrického jevu, a to pro senzorické i aktuační funkce, případně pro rezonanční režim piezoelektrického prvku. Podle směru síly působící na vzorek z piezoelektrické látky a uspořádání elektrod můžeme pro oba piezoelektrické jevy rozlišovat mechanické posunutí tloušťkové nebo podélné, příčné a střižní. Deformace tělesa v důsledku působící síly (mechanického napětí) může být v jedné ose, potom S = Δh /h, kde h je původní tloušťka nebo délka vzorku a Δh je mechanické posunutí v příslušném směru. Pro nejjednodušší případ tloušťkové deformace uvážíme uspořádání podle obr. 4.26.

Obr. 4.26 a) Náboj Q vzniklý na elektrodách při tloušťkové deformaci vzorku silou F3 b) Mechanické posunutí Δh úměrné (v jistých mezích) elektrickému poli E3

Vazby elektrických a mechanických veličin a vlastnosti piezoelektrické látky popisujeme pomocí rovnic, které osahují tzv. materiálové konstanty. Nejdůležitější z nich a některé další jsou:

• • • • •

piezoelektrická deformační konstanta d; piezoelektrická napěťová konstanta g; koeficient elektromechanické vazby k; činitel mechanické kvality Q; akustická impedance ZA piezoelektrického tělesa.

Závislost deformace piezoelektrického tělesa S na elektrickém poli E je projevem obráceného piezoelektrického jevu

S=dE

(4.20)

115

4


Mechatronika Vztah je důležitý pro posouzení piezoelektrických aktuátorů. Naopak vznik elektrického pole E působícím mechanickým napětím T vyjadřuje vztah

E = –g T

(4.21)

Tato závislost založená na využití přímého piezoelektrického jevu ukazuje na možnosti využití převodníku jako senzoru mechanického napětí (síly). Vtah mezi čistě mechanickými veličinami definuje rovnice

S=sT

(4.22)

ve které S označuje deformaci tělesa, s elastický koeficient materiálu tělesa a T mechanické napětí, jež je v tomto případě příčinou vzniku deformace. Koeficient elektromechanické vazby, vyjadřovaný obvykle mocninou k2, vyjadřuje poměr akumulované mechanické energie a vstupní energie pro aktuátory, resp. opačný poměr pro senzory. Činitel mechanické kvality Q nám pomůže posoudit ostrost rezonanční křivky kmitajícího piezoelektrického tělesa. Konečně akustická impedance ZA je parametrem charakterizujícím přenos akustické energie mezi dvěma prostředími. Uplatní se zvláště v případech, kdy výkonový ultrazvukový převodník vysílá ultrazvukové vlny do prostředí s různými akustickými impedancemi. Pro pevnou piezoelektrickou látku je

ZA = (ρ c)1/2

(4.23)

kde ρ je hustota látky a c označuje elastický modul. Piezoelektrické těleso má své materiálové, tj. elastické, piezoelektrické a dielektrické vlastnosti závislé na poloze bodu tělesa vzhledem k souřadném systému. Říkáme, že látka má anizotropní vlastnosti. Tyto vlastnosti jsou charakterizovány materiálovými konstantami. Rozdíly mezi některými materiálovými konstantami vybraných piezoelektrických látek přibližuje Tabulka 4.2. Materiálová konstanta

Křemen

Piezoelektrická keramika PZT

PVDF

d33 (10-12 C/N)

2,3

190

33

g33 ( 10-3 Vm/N)

58

27

380

K (1)

0,09

0,51

0,30

500

3-10

Q (1)

6

10

Tab. 4.2 Hodnoty významných materiálových konstant piezoelektrických látek [4], [17]

Vzájemné souvislosti elastických, piezoelektrických a dielektrických vlastností piezoelektrické látky vyjadřují piezoelektrické stavové rovnice. Platí obvykle pro konstantní teplotu a adiabatický děj. Tvoří soustavu čtyř dvojic rovnic popisujících oba piezoelektrické jevy. Uvedeme pouze je-

116

Elektromechanické akční členy dinou stavovou rovnici, která vyjadřuje jevy v piezoelektrickém prostředí, namáhaném mechanickým napětím a elektrickým polem. Vyjadřuje deformaci Sλ:

Sλ = sEλμTμ + djλEj

(4.24)

V této rovnici sEλμ je elastický koeficient, definovaný pro konstantní elektrické pole, djλ je piezoelektrický koeficient, Tμ je mechanické napětí a Ej elektrické pole. Podle této rovnice je výsledná deformace S piezoelektrické tuhé látky způsobená jednak mechanickým napětím T, jednak piezoelektrickým deformačním příspěvkem dE elektrického pole E. Ve vztahu (4.24) vystupují veličiny, které jsou matematicky popsány tzv. tenzory (indexy λ, μ nabývají hodnot 1-6, index j hodnot 1–3). Tenzory se můžete zabývat při hlubším studiu na vysoké škole. Vazba elektrické a mechanické energie piezoelektrického prostředí je využitelná i pro další aplikace, z nichž nejvýznamnější jsou:

• piezoelektrické rezonátory; • zařízení pro konverzi energie (vysokonapěťové generátory, případně piezoelektrické transformátory). 4.1.3.3 Piezoelektrické akční členy Piezoelektrické akční členy (častěji aktuátory) jsou inteligentní převodníky typu elektrické pole/deformace. Mechanický výstup mohou mít obecně posuvný nebo rotační. Jsou využívány pro přesné nastavení polohy v optických systémech (např. pro automatické nastavení ohniskové vzdálenosti fotopřístrojů, jako pohony videokamer), v palivových vstřikovacích systémech, či systémech aktivního potlačování vibrací a hluku. Aplikací je však mnohem více. 4.1.3.3.1 Piezoelektrické akční členy s posuvným pohybem Nejjednodušším akčním členem (aktuátorem) s posuvným pohybem je piezoelektrická destička (nebo tyčinka), opatřená elektrodami podle obr. 4.26 b. Napětí U přivedené na elektrody vytvoří mezi nimi elektrické pole o intenzitě E3 = U/h (h je tloušťka) a destička se zásluhou piezoelektrického koeficientu d33 zdeformuje ve směru svislé osy X3. Výsledná jednoosá deformace:

S3 = Δh = d33E33 h

(4.25)

Mechanické posunutí ve směru X3 je potom dáno vztahem

Δh = d33U

(4.26)

Mechanická posunutí piezoelektrického akčního členu mohou být modelována matematickými vztahy a výkonnými softwarovými prostředky (ANSYS). Výsledek analýzy akčního členu tvaru tyčinky je na obr. 4.27. Na obr. 4.27 jsou zřetelná největší posunutí na obou koncích tyčinky. Model předpokládá uchycení tyčinky uprostřed její délky, kde je posunutí nejmenší. Takové uchycení je vhodné zvláště pro případ kmitající tyčinky při buzení harmonickým napětím. O tom pojednává odstavec 4.4.

117

Obr. 4.27 Model jednoduchého piezoelektrického akčního členu (aktuátoru) tvaru tyčinky s posunutím ve směru X3 , vytvořený pomocí programu ANSYS [14]

Velikost mechanického posunutí závisí na síle generované akčním členem. Nezatížený piezoelektrický akční člen má největší posunutí Δhmax, naopak akční člen zatížený tak velkou silou, že posunutí je nulové, vyvíjí blokovací sílu Fb. Grafické znázornění závislosti Δh (F) je na obr. 4.28.

4


Mechatronika

Obr. 4.28 Závislost mechanického posunutí piezoelektrického akčního členu (aktuátoru) Δh na generované síle F. Fb je blokovací síla.

Mechanické posunutí jednoduchého piezoelektrického akčního členu je opakovatelné s velkou přesností, je však velmi malé (v řádu nm až μm podle použité piezoelektrické látky, resp. podle její piezoelektrické konstanty).

Zvětšení mechanického posunutí piezoelektrického akčního členu lze dosáhnout několika způsoby. Patrně nejrozšířenější je zvětšení získané sčítáním jednotlivých posunutí za sebou řazených jednoduchých piezoelektrických akčních členů. Vzniká mnohovrstevný akční člen (multilayer). Výsledné posunutí n destiček s posunutím Δ1 u každé dává celkové posunutí Δcelk = n Δ1. Typická tloušťka jedné destičky, či spíše vrstvy, je 80 μm. Je opatřena elektrodami, uspořádanými např. podle obr. 4.29. Destiček může být i několik desítek, a tvoří tak těleso akčního členu. Malá tloušťka jedné destičky je jistou výhodou, poněvadž řídicí napětí může být nízké, a přitom dosažené hodnoty elektrického pole jsou vysoké. Piezoelektrické akční členy typu multilayer jsou využívány např. v moderních vstřikovacích systémech spalovacích motorů nebo v konstrukci akčních členů pro le-

118

Obr. 4.29 Schematické uspořádání piezoelektrického akčního členu (aktuátoru) typu multilayer s nejčastější konfigurací elektrod mezi piezoelektrickými vrstvami

Elektromechanické akční členy tecký průmysl. Ukázka konstrukčního řešení akčního členu s rotačním výstupem je v [15], akční člen s posuvným pohybem a mechanicky zvětšeným posunutím je na obr. 4.36. Dalším významným uspořádáním je piezoelektrický akční člen typu bimorf. Ten využívá ohybové deformace vetknutého nosníku, složeného ze dvou materiálů. Bimorfy vykazují relativně velká posunutí, až desetiny mm.

Obr. 4.30 Piezoelektrický akční člen typu bimorf využívající ohybového efektu

Příkladem aplikace kmitajího bimorfu je mikropumpa pro lékařské přístroje.

Obr. 4.31 Princip mikropumpy s kmitajícím bimorfním aktuátorem

Výsledné posunutí lze též zvětšit provedením typu moonie [4].

Obr. 4.32 Akční člen typu moonie s vyznačeným směrem mechanického působení

V tomto akčním členu je deformace piezoelektrického členu ve směru osy X1 příčinou mnohem větší deformace kovové planžety ve směru X3 . 119

4


Mechatronika Jiným, spíše neobvyklým způsobem zvětšení mechanické deformace piezoelektrického členu je použití hydraulického převodu. Piezohydraulický akční člen je složen z piezokeramického válce (PZT), naplněného nestlačitelnou kapalinou. Radiální elektrické pole válce je vytvořeno pomocí elektrod, jež jsou naneseny na vnějším a vnitřním povrchu válce. Při aktivaci piezoelektrického válce dojde k jeho radiální deformaci a kapalina v objemu válce vytlačí Obr. 4.33 Piezohydraulický akční člen pracovní píst menšího průměru z válce. Výsledná síla a mechanické posunutí pístu odpovídají hydraulickému převodu systému. Nevýhodou je pomalejší odezva a technologické problémy spojené s těsností pístu. Příklady použití piezoelektrických akčních členů (aktuátorů) s posuvným pohybem Piezoelektrické akční členy mají některé výjimečné vlastnosti, kterých nelze dosáhnout u klasických akčních členů. Je to především vysoká přesnost nastavení posunutí (až 0,01 μm), velmi rychlá odezva na řídicí signál (např. 50 μs) a velká generovaná síla (až 1 000 N) při poměrně malém řídicím napětí (100 V). Technické parametry, relativní jednoduchost a vysoká spolehlivost jsou důvody pro četné i speciální aplikace piezoelektrických aktuátorů. a) Aktivní potlačování vibrací Cílem aktivního potlačování vibrací mechanických systémů je zmenšení amplitudy vibrací a potlačení hluku (zmenšení akustického tlaku vyzářeného do okolí vibrujícího tělesa). Nežádoucí vibrace a hluk doprovázející lidskou činnost představují významnou ekologickou zátěž. Nejčastější užívané metody jsou založeny na pasivním tlumení vibrací a hluku, při kterém se vibrace a hluk redukují tím, že se jejich energie pohlcuje a mění v teplo. Moderní přístupy k řešení problému využívají technologického pokroku v oblasti inteligentních materiálů, výpočetní techniky a metod řízení. Jde tedy o příklad mechatronického systému s vysokou mírou inteligence. Nejjednodušším způsobem aktivního potlačování vibrací těles je využití poloaktivního piezoelektrického akčního členu (aktuátoru), namáhaného mechanicky vibrujícím tělesem. Napětí generované piezoelektrickým měničem přivádíme na elektrickou zátěž RL, která spolu s kapacitou měniče tvoří laděný obvod. Energie se v rezistoru R mění v teplo. Aktivní řízení vibrací se zpětnou vazbou je patrně nejrozšířenějším typem potlačování vibrací. Jeho princip je uveden na obr. 4.34. Soustava se skládá z vibrující desky m, jež má být utlumena, tělesa akcelerome120

Obr. 4.34 Aktivní řízení vibrací se zpětnou vazbou [5]

Elektromechanické akční členy tru o seizmické hmotnosti mA, obvodu zpětné vazby se zesilovačem a filtrem a z akčního členu (piezoelektrického aktuátoru). Elastické vlastností uložení desky jsou modelovány pomocí pružiny s konstantou k1. Akcelerometr reaguje na posunutí mezi jeho hmotností mA a deskou, která kmitá ve směru osy y. Signál akcelerometru je filtrován a zpracován tak, aby síla vyvozená akčním členem (piezoelektrickým aktuátorem) působila opačným směrem, než je okamžité posunutí desky. Výsledné posunutí desky je pak téměř konstantní, amplituda kmitů bude výrazně nižší. Potlačení však není ideální. Důvodem je skutečnost, že charakteristika senzoru není plochá (musí být upravena filtrem). Rovněž zesílení v obvodu zpětné vazby musí být takové, aby akční člen vyvolal sílu přesně odpovídající síle vyvolané zdrojem kmitů. V praxi je výsledné potlačení vibrací asi 10 % původní amplitudy v pásmu 10–40 Hz. Poněvadž situaci dále komplikují vlastní mechanické kmity soustavy, je dosažení potlačení na 1% považováno za prakticky nemožné. Řídicí systém může být komplikovaný a obtížně realizovatelný. Jeho zjednodušené schéma je uvedeno na obr. 4.35.

Obr. 4.35 Zjednodušené blokové schéma řídicího systému aktivního tlumení vibrací

Řešením, které odstraňuje nedostatky aktivního řízení vibrací se zpětnou vazbou, je soustava s názvem Feed forward control. Vzhledem ke své složitosti a nárokům na řídicí jednotku není však tato slibná metoda v praxi rozšířena. Výběr vhodné metody potlačení vibrací a hluku závisí na typu zdrojů vibrací, na intenzitě nežádoucích projevů i na prostředcích, které máme k dispozici. S ideou aktivního tlumení nežádoucích vibrací se můžeme setkat v případech, kdy uložení citlivých přístrojů vyžaduje minimální vibrace nosné desky, v leteckých konstrukcích (tlumení kmitů listů rotoru vrtulníku) apod. 121

4


Mechatronika b) Miniaturní polohovací zařízení Polohovací zařízení s nano- a mikrometrickými posuny jsou klasicky řešena s použitím zpětné vazby, která je realizována pomocí optického nebo kapacitního snímání polohy. S cílem dosažení požadované hodnoty posunutí je signál senzoru polohy porovnáván s požadovanou hodnotou a následně je řízen piezoelektrický akční člen. Některé laboratoře však přicházejí s myšlenkou zjednodušení klasického řízení se zpětnou vazbou tím, že se využije aktivního řízení elastických vlastností inteligentních (piezoelektrických) materiálů. Tato metoda je založena na současném využití přímého a převráceného piezoelektrického jevu, která ve výsledku ovlivňuje elastické vlastnosti piezoelektrika. Pomocí metody aktivního řízení elasticity je možné velmi efektivně vytvořit autodetekční inteligentní aktuátor, který bude eliminovat efekty fluktuací mechanických stimulů na posunutí aktuátoru [24]. Metodu lze uplatnit pro řízené potlačení akustického vlnění pomocí elastické membrány s piezoelektrickými vlastnostmi. c) Řízené obtékání profilů těles Změna profilu části křídla či natočení listu rotoru vrtulníku pomocí piezoelektrických akčních členů (aktuátorů) s mechanickým převodem ovlivní letové vlastnosti dané fáze letu. Malá deformace piezoelektrického členu je mechanicky zvětšena a využita pro dynamické ovlivnění proudění vzduchu kolem profilu křídla. Turbulentní proudění tak může být v omezené části povrchu profilu přeměněno na laminární, čímž se změní vztlakové poměry a poklesne aerodynamický odpor tělesa. Řízené obtékání profilu křídla tak zlepšuje dynamiku letu v oblasti turbulencí okolních vzdušných vrstev. Systém aktivního řízení je složen z několika desítek piezoelektrických akčních členů typu multilayer s mechanicky zvětšeným posunutím. V uspořádání podle obr. 4.36 má akční člen typu multilayer rozměry 5 × 5 × 47 mm, největší posunutí Δhmax= 1 mm (1000 ppm), blokovací sílu Fb = 750 N. Mechanické posunutí Δh piezoelektrického aktuátoru způsobí ohybovou deformaci pružné lamely a rotační pohyb aktivní lamely o malém úhlu natočení. Výsledné mechanické posunutí ΔH na konci aktivní lamely je v řádu 2–3 mm. Aby bylo dosaženo dostatečných silových účinků, pracuje piezoelektrický akční člen v polovině svého největšího mechanického posunutí Δhmax. Aktivní lamely kmitají s kmitočtem až desítek Hz [15]. d) Nastavení polohy snímací hlavy videorekordérů Poloha snímací hlavy vůči záznamové stopě a přesnost jejího nastavení má vliv na kvalitu obrazu při různých rychlostních režimech přehrávání či záznamu. Použito je piezoelektrických akčních členů typu bimorf složité konstrukce (Sony). e) Zlepšení jízdního komfortu pomocí inteligentních tlumičů Inteligentní tlumiče automobilu mění svoji tuhost v závislosti na charakteru vozovky. Přejezd nerovnosti je monitorován piezoelektrickým senzorem, uloženým v tlumiči. Akčním členem nastavujícím ventily v hydraulickém systému tlumiče je piezoelektrický akční člen typu multilayer (Toyota). Vlastnosti piezoelektrického akčního členu (aktuátoru) s posuvným pohybem Nejvýznamnější vlastnosti rychlých piezoelektrických akčních členů jsou uvedeny v tabulce 4.3. Piezoelektrický akční člen je srovnáván s nejrychlejším konvenčním elektromechanickým akčním členem, kterým je elektrodynamický převodník s posuvným pohybem.

122


Obr. 4.36 Piezoelektrický akční člen (aktuátor) s mechanickým zvětšením posunutí, použitý pro potlačení vlivu turbulencí za letu

Akční člen

Mechanické posunutí

Přesnost posunutí

Síla /tlak

Časová odezva

Piezoelektrický a. č. (aktuátor)

0,1 mm

10 nm

30 MPa

50 μs

Elektrodynamický převodník

1–30 mm

0,1 μm

300 N

1 ms (pro posunutí 1 mm)

Tab. 4.3 Rychlost odezvy piezoelektrického akčního členu ve srovnání s elektrodynamickým převodníkem

Mechanická posunutí piezoelektrického akčního členu v řádu nm až μm, odpovídající řídicímu elektrickému poli, jsou samozřejmě obtížně měřitelná, zvláště, vyžadujeme-li vyšetření mechanické odezvy v širokém teplotním intervalu. Taková měření se provádějí nejčastěji pomocí laserového interferometru a optického kryostatu, ve kterém je regulována teplota [16].

Obr. 4.37 Laserový interferometr s prvky optické dráhy a optickým heliovým kryostatem v Laboratoři laserové interferometrie na Technické univerzitě v Liberci

123

4


Mechatronika Následující tabulka 4.4 nás seznamuje s nejvýznamnějšími oblastmi výroby a aplikací piezoelektrických keramických akčních členů. EU

Japonsko

USA

Cílová oblast

Průmyslová a laboratorní zařízení

Spotřební elektronika

Vojenské technologie

Kategorie použití

Potlačování vibrací, nastavování polohy

Nastavování polohy

Potlačování vibrací, nastavování polohy

Aplikace

Letectví a kosmonautika, automobily

Kancelářská technika, optika, přesné strojírenství, automobilismus

Letectví a kosmonautika, automobily, vojenské prostředky

Typický největší rozměr aktuátoru

150 mm

10 mm

300 mm

Tab. 4.4 Nejvýznamnější oblasti výroby keramických akčních členů a jejich aplikace [4]

4.1.3.3.2 Piezoelektrické akční členy s rotačním pohybem – ultrazvukové motory Ultrazvukové piezoelektrické motory jsou akční členy s rotačním pohybem s přímou přeměnou elektrické energie na mechanickou. Představují moderní řešení elektrického akčního členu nízkého výkonu tam, kde nelze, např. z konstrukčních důvodů, klasické motory s elektromagnetickou přeměnou energie úspěšně realizovat. Bylo navrženo několik řešení piezoelektrických motorů, nejčastěji však je využíváno principu vytvoření postupné elastické vlny ve statoru, zhotoveném z piezoelektrického materiálu (keramiky PZT). Stator tvaru disku je opatřen segmentově uspořádanými dvojicemi elektrod. Postupné buzení jednotlivých piezoelektrických elementů dvěma fázově posunutými signály vytváří ve statoru podélné a příčné elastické vlny, jejichž interakcí vzniká postupná elastická vlna. Elementární částice na povrchu statoru přitom vykonávají eliptický pohyb a působí na třecí mezikruží a rotor. Rotor s definovaným přítlakem Obr. 4.38 Uspořádání ultrazvukového piezoelektrického motoru se poté pohybuje ve směru, který je dán s postupnou elastickou vlnou a eliptický pohyb povrchové částice statoru podle [4] a [17] pohybem elastické vlny. Piezoelektrický motor se vyznačuje malými rozměry, hmotností a malým setrvačným momentem rotoru. To, spolu s principem přeměny energie, způsobuje velmi malou časovou odezvu na 124

Elektromechanické akční členy řídicí signál. Piezoelektrický motor lze navrhnout i pro nízké otáčky, takže odpadá převodovka. Jeho konstrukce však vyžaduje definované třecí poměry mezi statorem a rotorem, což ukazuje na nižší životnost. Motor proto není určen pro trvalý chod. 4.1.3.3.3 Piezoelektrické rezonátory Piezoelektrické rezonátory využívají přímý a obrácený piezoelektrický jev. Rezonátor kmitá mechanickými kmity, které jsou určeny tvarem a rozměry rezonátoru, hustotou a elastickými vlastnostmi použité piezoelektrické látky. Kmity jsou vybuzeny slabým harmonickým elektrickým polem

E = Emsinωt

(4.27)

které vytvoříme malým harmonickým napětím na elektrodách rezonátoru. Největší amplitudy mechanických kmitů dosáhneme tehdy, je-li mechanická úhlová rychlost ω mech číselně rovna kruhovému kmitočtu elektrického pole ω. Odpovídající kmitočet nazýváme rezonančním kmitočtem piezoelektrického rezonátoru. Poněvadž může rezonátor jako mechanické těleso s několika stupni volnosti kmitat různými typy (mody) kmitů a každý typ kmitů má základní a vyšší harmonické, vykazuje piezoelektrický rezonátor celé spektrum kmitů různých amplitud a kmitočtů. Využíván je obvykle jen jeden rezonanční kmitočet piezoelektrického rezonátoru. Uvážíme-li rezonátor tvaru tyčinky délky 2l, umístěné v souřadném systému podle obr. 4.39, lze harmonickým napětím, přiloženým na vhodně umístěné elektrody rezonátoru, vybudit tři typy kmitů:

• podélné (ve směru osy X1), • ohybové, • torzní. Pro podélné kmity tyčinky lze odvodit rezonanční kmitočet n-té (liché) harmonické ve tvaru

(4.28)

Obr. 4.39 Piezoelektrický rezonátor tvaru tyčinky, kmitající podélnými kmity

kde 2l je délka tyčinky, ρ hustota, s11 elastický koeficient, definovaný pro konstantní elektrické posunutí D. Piezoelektrický rezonátor, představující dnes diskrétní elektronickou součástku nevelkých rozměrů, má nejčastěji tvar kruhové destičky, pravoúhlé destičky nebo tyčinky, zhotovené z piezoelektrického monokrystalu či piezoelektrické keramiky. Kmitající rezonátor je zvláštní tím, že má elektrickou impedanci silně závislou na kmitočtu. Pro potřeby začlenění takového prvku do elektronických obvodů oscilátorů, filtrů nebo senzorů byl odvozen elektrický náhradní obvod tvaru dvojpólu. Prvky Ln, Cn a Rn představují tzv. dynamické prvky elektrického náhradního obvodu, určující sériový rezonanční kmitočet obvodu. Ten je velmi blízký rezonančnímu kmitočtu rezonátoru, 125

4


Mechatronika při kterém je imaginární část impedance nulová. Prvky Ln a Cn respektují piezoelektrické a elastické vlastnosti rezonátoru, Rn vyjadřuje jeho ztráty. C0 je statická kapacita závisející na permitivitě piezoelektrické látky, ploše elektrod a vzdálenosti mezi nimi. Piezoelektrické rezonátory mají pro svoje kmitočtově selektivní vlastnosti a stabilní kmitočet nezastupitelné uplatnění v radioelektronice a ve výpočetní technice [18]. Jsou též významné jako senzory pracující v rezonančním režimu (biosenzory), případně jako ultrazvukové výkonové převodníky a perspektivní piezoelektrické transformátory. 4.1.3.3.4 Ultrazvukové výkonové převodníky Ultrazvukové výkonové převodníky jsou v podstatě piezoelektrické rezonátory kmitající na relativně nízkých kmitočtech (desítek kHz) s velkou amplitudou kmitů. Jsou využívány ve funkci vysílače či přijímače ultrazvukového akustického vlnění a představují stěžejní část přístrojů pro detekci ve vodním prostředí (sonar) či diagnostiku biologických tkání (ultrazvukové lékařské zobrazovače). Uspořádání ultrazvukového převodníku je ovlivněno nutností akustického přizpůsobení převodníku a prostředí, kterým se ultrazvukové vlny mají šířit. Obr. 4.40 Elektrický náhradní obvod piezoelektrického rezonátoru, kmitajícího na n-té harmonické

Zdrojem ultrazvukových kmitů je nejčastěji piezokeramický rezonátor. Použitá piezoelektrická keramika PZT má činitel jakosti Q~80 a poměrně nízkou hodnotu Curierovy teploty Tc (Tc = 235–365 °C v závislosti na složení keramiky). Tc je teplota, při jejímž překročení se nevratně ztrácejí piezoelektrické vlastnosti. Jistou nevýhodou je vysoký měrný akustický odpor ρc . Ten je příčinou obtížného impedančního přizpůsobení k některým přilehlým prostředím, např. ke kapalině. Nevhodným přizpůsobením se může snížit citlivost, získaná velkým činitelem elektromechanické vazby keramiky. V zásadě může být ultrazvukový piezokeramický měnič zhotoven ve tvaru destičky podle obr. 4.26b, nebo ve tvaru válce. Uvažovaná destička má elektrody v rovině X1X2 a směr polarizace P rovnoběžný se směrem budicího elektrického pole E3. Taková destička kmitá tloušťkovými kmity, jejichž rezonanční kmitočet je dán tloušťkou destičky h. Kmity vybudí v přilehlém prostředí akustické vlnění s oblastmi, v nichž dochází ke zvýšení tlaku, střídající se s oblastmi se sníženým tlakem. Tlak vznikající při šíření ultrazvukové vlny nazýváme akustickým tlakem. Akustický tlak je úměrný měrné akustické impedanci z a akustické rychlosti v [19]:

p = zv

(4.29)

Ve vztahu (4.29) jsme symbolem p označili harmonicky proměnný akustický tlak, kde je amplituda akustického tlaku a v = V sinωt je akustická rychlost s amplitudou V = ωA, (A je amplituda výchylky). Ultrazvukový převodník využívající piezoelektrických prvků může vykonávat, jak jsme dříve naznačili, i senzorickou funkci. Může zachycovat ultrazvukové vlny odražené od akustických rozhraní, tj. rozhraní látek s rozdílnými akustickými vlastnostmi (akustickými impedancemi), a měnit je v elektrické signály. Převodník či skupina převodníků zpravidla pracuje v režimu impulzního vysílání a přijímání akustického vlnění (tlaku). Následné počítačové zpracování 126

Elektromechanické akční členy směsi elektrických signálů a zobrazení prostředí a jejich rozhraní je realizováno procesorem systému. Nejvýznamnější uplatnění ultrazvukových výkonových převodníků spatřujeme v lékařství. Ultrazvukové lékařské zobrazovače dnes dokáží vytvořit na monitoru 3D obraz struktury orgánů lidského těla. Poněvadž jde o neinvazivní a tělu neškodnou metodu, je jí v mnohých případech dávána přednost před vyšetřením pomocí RTG.

Obr. 4.41 Uspořádání výkonového ultrazvukového převodníku

Obr. 4.42 Zjednodušené schéma ultrazvukového zobrazovacího systému s piezoelektrickým ultrazvukovým převodníkem

4.1.3.3.5 Piezoelektrický transformátor Piezoelektrický transformátor mění vstupní napětí na vysoké napětí výstupní. Využívá přitom energetických přeměn, založených na principu obou piezoelektrických jevů. Transformátor je tvořen piezokeramickou destičkou se dvěma částmi, lišícími se umístěním elektrod a směrem polarizace P1 a P2. Harmonické napětí U1, přivedené na vstup části délky L1 vybudí v destičce kmity s délkou vlny rovnou délce celé destičky. Na každé z obou částí transformátoru se objeví poloviční délka vlny. Mechanickým napětím namáhaná část o délce L2 mění tuto deformaci na napětí U2. Transformační

Obr. 4.43 Princip nesymetrického piezoelektrického transformátoru podle [5]

127

4


Mechatronika poměr závisí na koeficientech elektromechanické vazby obou částí k31 a k33, činiteli mechanické jakosti Q, poměru délky L2/h, ale i na elastických koeficientech obou částí s33 a s11:

U2 L ≈ k31k33Q 2 U1 h

(4.30)

Jde o vynikající ukázku přeměny elektrické energie v mechanickou a opět v elektrickou. Transformátor neobsahuje žádná vinutí a může být navržen jako tenká, velmi kompaktní elektronická součástka. Používá se jako zdroj vysokého napětí displejů laptopů či barevných TVP.

4.2 Pneumatické akční členy Pneumatické akční členy (označované též jako pneumatické pohony) byly zevrubně popsány v učebnici Automatizace a automatizační technika 3. Budeme se proto zabývat jen některými pneumatickými pohony, zvláště těmi, které nalézají častější uplatnění v mechatronických soustavách. Pneumatické akční členy převádějí tlak na sílu nebo výchylku. Podle pohybu výstupního prvku je lze dělit na posuvné, kyvné a rotační. V oblasti ovládací techniky je patrně nejpoužívanějším pneumatickým akčním členem dvoupolohový pístový pohon. Jeho předností je velký zdvih, značná výstupní síla či moment, robustnost a spolehlivost. Tyto pohony pracují jako dvojčinné nebo jednočinné s vratnou pružinou. Zajímavé jsou pohony bezpístnicové, určené pro náročnější automatizační úlohy. Bezpístnicový pohon může mít magnetický přenos síly mezi pístem a vnějším unášečem, ohebnou pístnici nebo mechanické spojení, doplněné „zipovou“ uzávěrkou před i za pístem. Firma Festo nabízí bezpístnicové pohony o průměru pístu 18–40 mm a zdvihu 10–5 000 mm s vedením v kuličkových oběžných pouzdrech, s hydraulickým nebo elektrickým tlumením nárazu. Přesnost polohy 0,1 mm/m a poměrně velké rychlosti přestavování (do 2 m/s) jsou vhodnými předpoklady pro uplatnění bezpístnicových akčních členů v průmyslu. Jejich podstatnými výhodami jsou krátká délka zástavby (daná konstrukcí bez vysunuté pístnice), výhodné zachycení radiálních sil a možnost vnějšího brzdění. Polohovací pohony umožňují přesné nastavení polohy. Vykonávají posuvný (translační) pohyb. Konstrukčně se vyznačují průchozí pístnicí, průměrem pístu 30–42 mm a zdvihem 100–500 mm. Jejich vedení je v kuličkových oběžných pouzdrech, mají rovněž elektrický nebo hydraulický tlumič nárazu a vnější analogové, výjimečně digitální odměřování. Typické časy polohování krátkého zdvihu jsou v mezích 0,4 s (vodorovně)–0,7 s (svisle). Provozním médiem je filtrovaný nemazaný stlačený vzduch o tlaku 4–8 bar. Pohon může být zatížen max. hmotností 45 kg (vodorovně) a 15 kg svisle. Přímočaré pohony pro montážní a manipulační techniku s vysokou nosností a zdvihem do 2 000 mm se vyrábějí s vnějším nebo integrovaným odměřováním (Festo). Pneumatické akční členy s kývavým pohybem (kyvné pohony) mají převod přímočarého pohybu na kyvný realizován pomocí pastorku a ozubeného hřebene, pomocí vícechodého šroubu a ma128

Hydraulické akční členy tice (jež je výstupním elementem členu), nebo realizovaný tlakem média přímo na ovládaný otočný člen pohonu (křídlový kyvný pneumatický pohon). Křídlový pohon s typickým rozsahem nastavení úhlu kyvu 0–270 o, úhlem kyvu 272 o bývá vybaven analogovým integrovaným odměřováním polohy. Pro minimalizaci tření je hřídel s kyvným křídlem uložen v kuličkových ložiskách. Jiným příkladem je dvojčinný pneumatický kyvný pohon s volitelným úhlem kyvu 90 o, 180 o a 360 o. Pohon je založen na převodu pomocí pastorku a ozubeného hřebene. Snímání polohy se uskutečňuje pomocí přibližovacího indukčního snímače, tlumení v koncových polohách je volitelné. Maximální frekvence kyvů při tlaku média 6 bar je 1,2 Hz, maximální kroutící moment 9 Nm [13]. Mnohé úlohy mohou využít vlastností pneumatické kyvné jednotky s chapadlem. Ta představuje kombinaci přesného paralelního chapadla a kyvného modulu. Kyvné pohony jsou vhodnými ovládacími akčními členy pro zpracovatelský průmysl i jiné průmyslové aplikace. Kromě zmíněných pneumatických akčních členů se v automatizační technice uplatňuje velké množství pneumaticky ovládaných ventilů. Tlakem vzduchu na vstupu A nebo B pneumatického akčního členu se otevírá nebo zavírá ventil, ovládající průtok média. Akční člen má podobu posuvného válcového tělesa s kuželkou, která svým pohybem v ose ventilu průtočné množství mění. Jiné uspořádání představuje elektricky řízený akční člen s reversibilním synchronním motorem, jenž je spojen prostřednictvím planetové převodovky a kuličkového šroubu s ventilem. Motor může být odpínán a chráněn tak proti přetížení spínači v závislosti na dosaženém momentu či poloze. Podobnou konstrukcí se vyznačuje pneumatický akční člen, aktivovaný nikoliv elektrickým motorem, ale dvojčinným pneumatickým válcem.

4.3 Hydraulické akční členy Hydraulické akční členy jsou konstruovány jako pístové dvojčinné, proporcionální či nespojité. Vyznačují se vysokými pracovními tlaky (desítky MPa) a velkými vyvozovanými silami či momenty při přijatelných dobách přestavení. Klasickým hydraulickým akčním členem je hydraulický válec, do něhož vhání tlakový olej čerpadlo. Hydraulickým převodem získáme velké vysunutí pístu a vysoké výstupní síly. Aplikace známe z dopravní techniky (sklápění korby nákladního automobilu, pohyby pracovních nástrojů stavební techniky, letecké podvozky aj.). V současné době jsou parametry výstupního pohybu, jako jsou výsledné síly, přesnost nastavení polohy a rychlost jejího dosažení, řízeny elektro-hydraulickými servopohony. Servopohony mohou být obecně elektrické, pneumatické a elektrohydraulické. Jejich úkolem je převod řídicího signálu od řídicí jednotky na pohyb tak, aby regulační prvek regulačního členu zaujal polohu odpovídající řídicímu signálu. Velmi rozšířená je v automatizační technice regulace ventilů a regulačních klapek. U základních druhů regulačních členů se lze nejčastěji setkat s pohybem zdvihovým (u regulačních ventilů) a kyvným (u klapek, kulových ventilů a ventilů s otočnou kuželkou). Konstrukčně tvoří servopohony spolu s regulačním členem regulační ventil, doplněný zpravidla dalšími převodníky (pro zpětné vazby, signalizaci stavů aj.). Příkladem řešení elektrohydraulického servopohonu je elektrohydraulická regulační jednotka tlaku a průtoku kapalného média (hydraulického oleje) podle obr. 4.44. Řízení tlaku a průtoku kapalného média dodávaného do hydraulického akčního členu (AČ) je v této regulační jednotce 129

4


Mechatronika

Obr. 4.44 Elektrohydraulická regulační jednotka tlaku a průtoku oleje s uzavřenou smyčkou (Bosch-Rexroth)

realizováno prostřednictvím změny úhlu natočení otočné desky (kulisy) hydraulického čerpadla. Pozici otočné desky (1) určuje elektricky řízený proporcionální selenoidový ventil (2) prostřednictvím hydraulického pracovního válce (3). Natočení desky (1) bude v pracovní poloze v rovnováze se silou vyvozovanou hydraulickým protiválcem (4) s předepjatou pružinou (5). Natočení desky ovlivňuje tlak a průtok hydraulické kapaliny dodávané akčnímu členu (AČ). Jestliže není hydrogenerátor (čerpadlo) v činnosti (nerotuje), aktuační systém je bez tlaku a otočná deska je držena pružinou (5) v pozici +100 %. Je-li hydrogenerátor v činnosti, ale selenoidový ventil (2) je bez napětí, zaujme otočná deska pozici „0“. Pružina pracovního válce totiž způsobí, že píst se nastaví do neutrální polohy, ve které tlak p čerpadla působí přes port A na pracovní válec (3). Rovnováha mezi působením pracovního válce a silou pružiny (5) může nastat v tlakovém rozmezí 8–12 bar. 130

Srovnání elektromechanických, pneumatických a hydraulických akčních členů Je-li požadováno zvýšení průtoku hydraulické kapaliny, musí být proporcionální selenoidový ventil (2) posunut z centrální pozice do (T) tak, aby otočná deska zaujala příslušnou polohu. Dosáhne se toho pomocí řídicí jednotky ventilu s digitální elektronikou. Řídicí jednotka dostává řídicí povely pro tlak, natočení desky a výkonové omezení prostřednictvím sběrnice CAN, nebo jako řídicí analogové signály. Kromě signálu o okamžité poloze řídicí desky, získaného pomocí inteligentního indukčního snímače polohy, dostává jednotka signál o okamžitém tlaku na výstupu jednotky. Tyto signály jsou v řídicí jednotce porovnávány s příslušnými signály žádoucích veličin. Akčním zásahem je natočení otočné desky elektrohydraulické řídicí jednotky.

Obr. 4.45 Působení solenoidového ventilu na otočnou desku (kulisu) hydraulického generátoru

V obvodech s pneumatickými či hydraulickými členy se jako řídicí prvky uplatňují elektromagnetické ventily. Jsou to akční členy, které na základě vnějšího elektrického signálu ovládají přívod plynných a kapalných médií k dalším prvkům a zařízením. Elektromagnetické ventily pracují dvoupolohově. Jejich klidový stav může být „ventil otevřen“ nebo „ventil zavřen“.

4.4 Srovnání elektromechanických, pneumatických a hydraulických akčních členů Elektromechanické akční členy mají řadu výhod, pro které jsou uplatňovány i v elektrohydraulických a elektropneumatických jednotkách. Ty pak představují pokročilé mechatronické systémy s vlastnostmi, jež jsou lepší, než mají původní klasické akční členy. Podstatnými výhodami elektromechanických akčních členů jsou:

• jednoduché napájení akčního členu kabely; • akční člen lze snadno řídit, a to i velmi složitými algoritmy, řídicí procesory jsou programovatelné a dostupné;

• snadná komunikace řídicí jednotky s nadřazeným procesorem pomocí sběrnice; 131

4


Mechatronika

• elektrická energie je čistá; • závady lze relativně snadno diagnostikovat a opravit. Je však třeba uvést i některé nevýhody:

• složitější převod rotačního pohybu na žádaný pohyb, menší počet možností, jak získat žádaný pohyb;

• složitější konstrukce akčního členu s nízkou výstupní rychlostí a velkým výstupním momentem; • akční člen a jeho napájení vycházejí dražší pro prostředí s nebezpečím požáru. Z elektromechanických akčních členů jsou v automatizační technice nejrozšířenější elektromagnetické ventily, prvky elektrických přístrojů a zařízení a elektrické motory. V oblasti elektrických motorů lze za nejvýznamnější považovat frekvenčně řízené asynchronní a synchronní motory s přímým řízením momentu nebo vektorovým řízením. Tyto členy mají výborné dynamické vlastnosti, vhodný průběh momentových charakteristik a schopnost zaujmout dostatečně přesnou polohu rotoru. Konkurují stejnosměrným motorům i tam, kde je požadována vysoká přesnost nastavení polohy, velká zatížitelnost a malé rozměry. Klasické servopohony se stejnosměrnými motory s permanentními magnety jsou do jisté míry nahrazovány motory s elektronickou komutací. Rozšíření doznávají krokové motory. Objevují se integrovaná řešení, kdy řídící jednotka plní funkci řízení pohybu i programovatelného automatu. Takové řešení umožňuje nastavovat nejen parametry pohonů, ale programovat i pohybové úlohy. Existují i řešení se dvěma procesorovými jednotkami CPU. První procesor řídí servopohony a stará se o jejich synchronizaci, druhý zastává funkce PLC. Všechna řešení mají široké možnosti komunikace (Profibus, CC-link, DeviceNet). K řídicí jednotce lze připojit jak synchronní, tak asynchronní motory. Realizována je rychlostní, proudová i polohová zpětná vazba s inkrementálními nebo absolutními snímači, případně resolvery. Pneumatické akční členy s přímočarým pohybem jsou v automatizaci velmi užívaným prvkem, i když se zdá, že jejich pozice slábne zvláště v aplikacích, které vyžadují přesné nastavení polohy. Hlavní výhody pneumatických akčních členů jsou následující:

• relativní jednoduchost a s tím související menší pořizovací náklady; • členy mohou pracovat v prostředí se zvýšenou teplotou. Naproti tomu nevýhody mohou být závažné:

• z důvodu stlačitelnosti vzduchu je obtížné dosáhnout přesně žádoucí polohy; • nelze dosáhnout velkých sil při nízkém tlaku vzduchu; • delší odezva na řídicí signál. Hydraulické akční členy konkurují elektromechanickým akčním členům zvláště poměrem hmotnosti a výkonu, možností dosáhnout velkých silových poměrů, spolehlivostí a možností realizovat přenos energie u prostorově složitých mechanizmů. Jejich uplatnění nalezneme u dopravních a stavebních strojů, zemědělské techniky, lisů, manipulátorů a robotů. Hydraulické pohony též zaznamenávají tendenci integrace řídicích funkcí a akčních členů s jednotkou pohonu. Elektronický modul integrovaný do akčního členu (např. ventilu) zpraco-

132

Inteligentní mikroelektromechanické systémy (MEMS) vává signály snímačů polohy nebo tlaku ve zpětné vazbě a může být pomocí sběrnice Profibus nebo CAN připojen na nadřazenou řídicí jednotku. Hlavními výhodami hydraulických akčních členů jsou:

• výborný poměr hmotnosti a výkonu; • velká variabilita převodu rychlostí a pohybů mezi hydrogenerátorem a hydraulickým motorem; • schopnost kombinovat hydraulický převod s jinými druhy přenosu energie. Jako hlavní nevýhody jsou uváděny komplikace s olejovým hospodářstvím (nečistoty, nebezpečí požáru) a relativně dlouhá doba odezvy na řídicí signál. S výjimkou piezoelektrických akčních členů lze elektromechanické, pneumatické a hydraulické akční členy nazvat konvenčními. Jejich významné vlastnosti uvádíme v tabulce 4.5. Porovnávanými parametry jsou typická mechanická posunutí (u jednotek s posuvným pohybem), přesnost posunutí, vyvinutá síla a časová odezva na řídicí signál. Zvláště časová odezva je velmi významná při náročných aplikacích řízení mechatronických soustav s velkou dynamikou. Akční člen (aktuátor)

Mechanické posunutí

Přesnost posunutí

Síla /tlak

Časová odezva

Pneumatický

100 mm

100 μm

0,1 MPa

0,1–1 s

Hydraulický

1 000 mm

10 μm

100 MPa

1–10 s

30 Nm

100 ms

Elektromechanické akční členy s magnetickým polem Servomotor s AM

Rotační

Stejnosměrný servomotor

Rotační

200 Nm

5–10 ms

Krokový motor (lineární)

1 000 mm

10 μm

300 N

100 ms

Elektrodynamický akční člen

1–30 mm

0,1–10 μm

300 N

1 ms (pro posunutí 1 mm)

Akční člen s elektrickým polem

0,1 mm

1 μm

1N

1 ms

Tab. 4.5 Srovnání konvenčních akčních členů [3], [4], [6], [10], [13], [17]

Všeobecně lze pozorovat vývoj integrovaných akčních členů pracujících jako servomechanismy, se schopností komunikace po sběrnici či bezdrátově s nadřazeným procesorem.

4.5 Inteligentní mikroelektromechanické systémy (MEMS) Požadavky na specifické funkce a miniaturizaci elektromechanických systémů, včetně jejich začlenění do integrovaných elektronických obvodů vedly k vytvoření mikroelektro-mechanických systémů (MEMS) jako čipu. V cestě ovšem stála obtížná slučitelnost obou technologií, tj. technologie piezoelektrických materiálů a křemíkové (Si) technologie integrovaného obvodu. Jednou

133

z mála možností řešení je nanesení tenké piezoelektrické vrstvy (typicky 1–3 μm PZT), např. metodou naprašování (sputering), na Si substrát, opatřený izolačními a dalšími vrstvami. Tenká PZT vrstva má elektromechanické vlastnosti, umožňující realizovat na čipu miniaturizované senzory i aktuátory. Kromě oblastí s elektromechanickými vlastnostmi jsou na čipu vytvořeny číslicové, případně analogové obvody s velkou hustotou integrace, zajišťující signálové operace, řízení aktuátorů a senzorů, a další funkce inteligentního obvodu (vlastní diagnostika, autokalibrace, komunikace s nadřazeným procesorem apod.). žádané vstupy (elektrické, mechanické, chemické, …)

MEMS

výstupy (elektrické, mechanické, …, komunikace s nadřazeným procesorem)

vstupní podmínky (teplota, …) Obr. 4.46 MEMS jako multifunkční mikrosystém

horní elektroda piezoelektrická vrstva spodní elektroda adhezní vrstva izolační vrstva substrát

4


Mechatronika

Obr. 4.47 Schematický řez elektromechanicky aktivní vrstvy PZT na Si substrátu

Vlastnosti elektromechanicky aktivní tenké vrstvy PZT, zvláště její tloušťková deformace přiloženým elektrickým polem, jsou laboratorně ověřovány dvoupaprskovým laserovým interferometrem, který dokáže změřit tloušťkovou deformaci v řádu nm a eliminovat přitom vliv ohybové deformace vzorku [16]. Požadovaná funkce MEMS musí být respektována již při návrhu integrovaného mikrosystému. Návrh se provádí za pomoci rozsáhlých softwarových nástrojů. Z předchozího vyplývá, že MEMS je zákaznicky orientovaným multifunkčním mikrosystémem s velkou budoucností. V současnosti je vyráběno mnoho druhů MEMS. Dostupné jsou např. MEMS obsahující snímače zrychlení (ADXL202E, což je dvouosý snímač s analogovým i digitálním výstupem PWM v ose X a Y) a snímače zrychlení ve funkci gyroskopu (ADXRS300, který představuje snímač úhlové rychlosti v rozsahu ±300 °/s). Spolupracují s mikropočítačem, případně s nadřazeným počítačem v hierarchickém uspořádání, a jsou využitelné např. pro snímání polohy, úhlů naklonění plošiny, případně jako aktivátory airbagů a současně napínačů bezpečnostních pásů v automobilech apod. Významné jsou aplikace MEMS v automobilismu, letectví, kosmonautice i vojenské technice. 134

Použitá literatura

4.6 Použitá literatura [1] FRASER, Ch. – MILNE, J. Electro-mechanical Engineering. New York: IEEE Press, 1994, ISBN 0-07-707973-6. [2] TRNKA, Z. Teoretická elektrotechnika. Praha: SNTL, 1972. [3] PAVELKA, J. – ČEŘOVSKÝ, Z. – JAVŮREK, J. Elektrické pohony. Praha: ČVUT, FEL, 1999, [4] UCHINO, K. Ferroelectric Devices. Marcel Dekker, Inc., New York, Basel, 2000, ISBN 0-8247-8133-3. [5] SETTER, N. Piezoelectric Material in Devices. Lausanne: Ceramics Laboratory, EPFL, 2002, ISBN 2-9700346-0-3. [6] Asynchronní motory společnosti Siemens. [cit. 2005-05]. URL: <www.siemens.de>. [7] Asynchronní motory společnosti IntraDyn. [cit. 2005-09]. URL: <www.globalspec.com>. [8] Pohony Asea-Brown-Boveri. [cit. 2005-09]. URL: <www.abb.com>. [9] Synchronní motory společnosti Beck, Harold Beck & Sons, Ltd. [cit. 2005-09]. URL: <www.globalspec.com>. [10] Stejnosměrné pohony společnosti Maxon. [cit. 2005-05]. URL: <www.maxonmotor.com>. [11] Lineární krokové motory společnosti Haydon Switch and Instrument, Ltd. [cit. 2005-09]. URL: <www.globalspec.com>. [12] Bosch Linear Motion Systems. [cit. 2005-09]. URL: <www.boschretrox.de>. [13] Pneumatické pohony společnosti Festo. [cit. 2005-10]. URL: . [14] Piezoelektrická laboratoř TU v Liberci, model J. Novákové v rámci studentského projektu, 2005. [15] NOGAREDE, B. Electromechanical mini-convertes for novel functionalities. In: Proc. ECMS 2003, Czech-French workshop, Liberec, Czech Rep., pp. 448–451. [16] Laboratoř laserové interferometrie Technické univerzity v Liberci, 2005. [17] Laboratoř rezonančních metod Technické univerzity v Liberci, 2005. [18] ZELENKA, J. Piezoelektrické rezonátory a jejich použití. Praha: Academia, 1985. [19] OBRAZ, J. Zkoušení materiálů ultrazvukem. Praha: SNTL, 1989. [20] Inteligentní pneumatické pohony Hoebiger-Origa. [cit. 2005-10]. URL: <www.automa.cz>. [21] Elektrohydraulické regulační jednotky společnosti Bosch Rexroth. [cit. 2005-09]. URL: <www.boschrexroth.com>. [22] GlobalSpec. [cit. 2005-09]. URL: <www.globalspec.com>. [23] Piezoelektrické rezonátory společnosti Krystaly a.s. Hradec Králové, firemní materiály, 2005. [24] Kobayasi Institute of Physical Research, Tokio, Japonsko a P. Mokrý v Laboratoři rezonančních metod Technické univerzity v Liberci, 2005.

135

Řízení mechatronických soustav, automatizace a řídicí systémy

5

5.1 Význam řídicí techniky pro mechatroniku Vlastnosti, kvalitu mechatronických soustav a systémů určuje způsob jejich řízení. O dlouhodobé spolehlivosti, provozuschopnosti a servisních nákladech rozhoduje řešení jejich technické diagnostiky. Pro oba obory se obvykle používá souhrnné pojmenování řídicí technika nebo automatické řízení. Je jí věnována tato a následující kapitola (5 a 6). Řídicí technika je sice svébytným oborem, ale většinou je vnímána jako součást oboru automatizace nebo automatizační technika. Někdy je zase termín automatizační technika nebo automatizace vnímán jako rovnocenné pojmenování (synonymum) pro řídicí techniku. Není našim cílem diskutovat nad rozdíly a souvislostmi mezi oběma termíny. Přijměme automatizaci jako obor historicky starší, tematicky širší, který „zastřešuje“ i obor řídicí techniky. Nejprve se velmi stručně seznámíme se současným stavem automatizace a se základními pojmy a principy řídicí techniky. Je to obor univerzální. Mechatronika je jen jedním z oborů, kde je aplikována. Proto v textu budeme mluvit jen o řízení, a souvislost s řízením mechatronických soustav zde nebudeme výslovně uvádět, budeme ji ale mlčky předpokládat. Základní pojmy a principy budou v této úvodní kapitole vysvětleny velmi stručně a heslovitě, k některým se později vrátíme podrobněji. Fyzikální prostředky, které řízení realizují, se obvykle nazývají řídicí systémy, někdy zkráceně jen systémy. Jsou to univerzální přístroje, dnes realizované téměř výhradně na elektronickém principu – s využitím číslicové techniky a nejmodernějších mikroelektronických součástek, programovatelných logických polí, pamětí, mikroprocesorů, mikrořadičů, signálových a komunikačních procesorů – souhrnně označovaných jako procesory nebo procesorové obvody, které jsou „srdcem“ řídicího systému. Většina současných řídicích systémů obsahuje více procesorů – jsou řešeny jako multiprocesorové. Z použití mikroprocesorů vyplývá, že řídicí systémy jsou programovatelné. Jejich program realizuje většinu funkcí řídicího systému. Některé jsou realizovány vnitřním programem procesoru, který je pro uživatele obvykle nedostupný, a systém se jeví jako uzavřený. Většina řídicích systémů je ale řešena tak, aby své programování zpřístupnila svým uživatelům – jsou uživatelsky programovatelné. Vnitřní program (někdy se používá označení systémový program nebo firmware) vytváří soubor instrukcí pro uživatelské programování a společné základní funkce systému – systémové, diagnostické a komunikační služby. To dovoluje velkou přizpůsobitelnost řídicích systémů při řízení nejrůznějších soustav a při řešení různorodých úloh. Přizpůsobitelnost vyplývá i ze stavebnicového provedení většiny řídicích systémů. Podporují ji i komunikační funkce řídicích systémů a kompatibilita s průmyslovými sběrnicemi a komunikačními standardy. 137

5

ŘÍZENÍ MECHATRONICKÝCH SOUSTAV

Mechatronika Tak je možné různorodé systémy navzájem spojovat do sítí a vytvářet z nich rozsáhlejší distribuované systémy, připojovat k nim moduly vzdálených vstupů a výstupů a specializované přístroje. Existuje mnoho typů řídicích systémů. V této kapitole uvedeme jen stručnou charakteristiku nejrozšířenějších kategorií. Podrobněji se zde budeme zabývat programovatelnými automaty. Často jsou označovány anglickou zkratkou PLC, Programmable Logic Controller (programovatelný logický řadič – systém). Dostupnost pokročilých funkcí v moderních typech programovatelných automatů, zejména jejich výpočetní univerzálnost a výkon a komunikační schopnosti jsou někdy zdůrazňovány zkratkou PAC, Programmable Automation Controllers (programovatelný automatizační řadič, programovatelný systém pro automatizaci). Programovatelné automaty jsou nejrozšířenějšími řídicími systémy a velmi často se používají pro řízení mechatronických soustav. Budou popsány typické kategorie programovatelných automatů, možnosti jejich výstavby a programování. Naznačeny budou zásady programování typických úloh logického typu a regulace. Při řízení a technické diagnostice se stále častěji používají principy umělé inteligence – mluví se o inteligentních systémech nebo systémech, které provádějí soft computing (nemá ustálený český ekvivalent). Mnohé z těchto principů jsou dostupné i pro programovatelné automaty, především fuzzy logika a neuronové sítě. Některé inteligentní algoritmy jsou výhodně realizovatelné ve vzájemné komunikaci a spolupráci programovatelných automatů s počítačovými výpočetními programy, např. Matlab/Simulink. Takto lze realizovat např. neuronové sítě a jejich učení nebo genetické algoritmy. Proto jsou v šesté kapitole stručně vysvětleny jejich základní principy. Výklad je místy hrubě zjednodušený a má spíše encyklopedický charakter. Současně se snaží vysvětlit význam často používaných termínů a zkratek a sjednotit českou terminologii. Není posláním kapitoly 5 a 6, aby se jejich čtenář stal specialistou v oboru řídicí techniky, projektantem automatizovaných systémů nebo programátorem řídicích systémů. To ostatně není ani cílem studijního oboru mechatronika. Cílem bylo poskytnout základní informace a přehled, aby se mohl orientovat v tomto náročném a dynamicky se vyvíjejícím oboru. Proto zde uvádíme jen takový rozsah látky, který je ve výuce zvládnutelný a který absolventům umožní se dobře uplatnit ve své profesi, na kterou se připravují – při návrhu, provozu a údržbě mechatronických zařízení. Pro absolventa oboru mechatronika je především důležité, aby:

• mohl zařízení kvalifikovaně obsluhovat, diagnostikovat a opravovat; • uměl rozhodnout, které funkce je vhodné řešit na mechanickém principu a které řídicím systémem a jeho programem;

• uměl kvalifikovaně formulovat požadavky na řízení; • mohl s porozuměním komunikovat a spolupracovat s konstruktéry, projektanty a programátory a s dodavateli řídicí techniky;

• mohl kvalifikovaně rozhodovat o výběru nabízených mechatronických systémů a výrobků a uměl posoudit kvalitu dodaných produktů;

• věděl co je snadné a co obtížné, co levné a co neúnosně drahé; • nemusel být příliš závislý na cizích názorech, a měl tak dostatečnou svobodu v rozhodování a posuzování;

• v případě zájmu mohl pokračovat ve studiu, zaměřeném na automatizaci a řídicí techniku. 138

Řízení a automatizace v našem životě

5.2 Řízení a automatizace v našem životě Dříve, než se budeme věnovat principům a způsobům realizace řídicích a diagnostických funkcí, seznámíme se stručně se současným stavem oboru automatizace, do kterého patří i řídicí technika a technická diagnostika. Už v samotném pojmenování automatizace lze vycítit, že se jedná o průběžný proces proměny, o „automatizování“, kdy je tradiční ruční řízení nahrazováno automatickým řízením. Podobně byla v historicky dávnějších dobách mechanizace procesem, ve kterém byl omezován podíl lidské práce ve výrobním procesu. Síla a práce lidských svalů byla nahrazována nejrůznějšími mechanickými pohony stále důmyslnějších strojů. Při automatizaci je především odstraňována ubíjející stereotypní práce a usnadňována náročná psychická práce, oslabovány stresující pracovní aktivity, někdy je ještě zmírňována i fyzická námaha. Postupně je omezována účast člověka na procesu řízení, často je člověk z procesu řízení vyloučen. Automatizace není levná. Viditelnými přínosy jsou úspory v důsledku zrušených pracovních míst. Významným důsledkem je zvýšení produktivity i objemu výroby, zvýšení kvality a opakovatelnosti výroby. Dochází i ke zlepšení spolehlivosti a bezpečnosti, omezení havárií, nehod a úrazů, protože člověk (lidský faktor) je mnohdy nejméně spolehlivým a nejvíce zranitelným prvkem výrobního procesu. Mnohé přínosy automatizace lze obtížně vyčíslit, přesto jsou zjevné. Dnes je automatické řízení natolik rozšířené, že návrat k ručnímu řízení už není možný. Asi těžko si dovedeme představit, že bychom každý stroj nebo technologický proces řídili ručně. Už bychom ani nesehnali dostatek lidí, kteří by byli schopni a ochotni tuto práci vykonávat. Není to možné ani u jednoduchých domácích spotřebičů. Představme si, že bychom například ručně vypínali rychlovarnou konvici při dosažení varu, ručně udržovali potřebnou teplotu ledničky, trouby nebo místnosti, že bychom kontrolovali a spouštěli každou pracovní fázi pračky nebo jiného domácího pomocníka. Automatické řízení nahrazuje člověka i při řízení poměrně komplikovaných strojů a výrobních procesů nebo alespoň nevyžaduje jeho trvalou přítomnost. Jmenujme např. bezobslužné výrobní stroje, plně automatizované výrobní linky a technologické procesy, výměníkové stanice a kotelny, klimatizaci a vzduchotechniku v budovách, vodárenská zařízení a čistírny odpadních vod. Mnohé průmyslové a energetické procesy jsou natolik komplikované, že jejich ruční řízení je pro člověka už nezvládnutelné a bez náročné řídicí techniky je už nelze provozovat (např. řízení raket a raketoplánů). Díky automatizaci lze bezobslužně řídit technologie s nebezpečným a nezdravým prostředím (např. hutní a chemické provozy, lakovny, chladírenské provozy). Některé úkony jsou pro člověka nedostupné, např. manipulace s těžkými nebo objemnými předměty (karoserie nebo svářecí hlavice) nebo pohyby s požadovanou rychlostí a přesností a opakovatelností po zadané prostorové v prostoru. Jindy jsou pro člověka naopak nezvládnutelné extrémně jemné a přesné operace (např. osazování elektronických součástek při povrchové montáži na plošné spoje). Někdy je automatizované řízení jediným možným řešením, protože přítomnost člověka v daném prostředí není možná (např. v aktivních zónách jaderných elektráren, při řízení raket, družic a kosmických sond bez posádky nebo řízení vozítka na Marsu. Podobnou situací je i řízení pyrotechnického nebo požárního robota (i když zde bývá chytrost řídicího systému kombinována s dálkovým řízením). Ve složitých případech je přítomnost člověka stále ještě nezbytná, ale je mu zde obvykle svěřena role kvalifikovaného operátora, kontroly, dozoru nebo experta. I z těchto postů je člověk 139

5


Mechatronika stále více vytlačován nebo je alespoň omezována zodpovědnost a rizikovost jeho zásahů. Přispívá k tomu rostoucí „chytrost“ řídicích a informačních systémů i využívání principů umělé inteligence (expertní a poradní systémy, trenažéry a simulační modely, adaptace, automatické učení a přizpůsobování systémů měnícím se podmínkám, rozpoznávání obrazů a diagnostických stavů, jejich předvídání, komunikace s operátorem v přirozeném jazyce apod.). Běžnými se už staly automatizované řídicí, monitorovací a dokumentační systémy celých výrobních provozů. Ty jsou stále častěji propojovány s informačními systémy podniků. Automatizace tak postupně prorůstá jako „informační podhoubí“ všemi výrobky, výrobními prostředky, lidskými sídly a jejich vybavením, domácími spotřebiči a hračkami, dopravními prostředky. Síť Internet a vyspělé bezdrátové komunikační technologie ji zpřístupňují i pro řízení velmi rozlehlých soustav, například elektrizačních soustav, vodárenských, teplárenských a plynárenských sítí a dopravních systémů. V této souvislosti se nově používá i termím telematika nebo telematické systémy – zejména v souvislosti s dopravními systémy a jejich řízením. Slovo telematika vzniklo sloučením slov telekomunikace a informatika, ale má současně i význam prostředku pro řízení rozlehlých systémů. Automatizace tak doprovází většinu lidských aktivit a vše navzájem propojuje do jednotného automatizovaného „supersystému“ naší globální společnosti. Současná řídicí technika v mnoha oborech opouští svůj původní účel – „automatizovat“, odlehčit člověku od namáhavé a ubíjející rutinní práce. Stále častěji se uplatňuje tam, kde se člověk nikdy neuplatňoval. Řídicí technika se stává neoddělitelnou součástí výrobků (mnohdy spotřebního charakteru), kterým poskytuje chytrost a vyspělé funkce. Mnohé výrobky bez ní nemohou dosáhnout potřebné kvality a užitných vlastností. Například u moderních automobilů se odhaduje, že podíl elektronických systémů činí desítky procent z celkové ceny a bez nich není automobil schopen fungovat. Automatizace už nemusí jen automatizovat to, co bylo dosud ručně řízeno, ale povyšuje výrobek na kvalitativně vyšší úroveň. Tato situace je typická i pro mechatroniku.

5.3 Programovatelnost řídicích systémů a její důsledky Základním a výkonným prvkem automatizační techniky je řídicí systém. K diskuzi o původu a významu jeho pojmenování se ještě vrátíme, rovněž tak i k výčtu nejpoužívanějších kategorií, popisu jejich provedení a principů činnosti. V současnosti je „srdcem“ řídicího systému téměř vždy některý z mikroprocesorů, mikrořadičů, signálových procesorů, nebo zabudovaný průmyslový počítač. Jeho program realizuje soubor funkcí a určuje vlastnosti řídicího systému. Většinu řídicích systémů tvoří uživatelsky programovatelné řídicí systémy (nejčastěji typu PLC, CNC nebo průmyslové počítače). Programují se v prostředí a v jazyce, který je přizpůsoben převažujícím úlohám a mentalitě uživatelů. Jazyk uživatelského programování, je člověku bližší a srozumitelnější než jazyk „skrytého mikroprocesoru“. Programem mikroprocesoru jsou pak realizovány všechny instrukce, systémové a komunikační služby a diagnostické funkce, které slouží programátorovi na uživatelské úrovni. Uživatelský program řídicího systému běží nad programem vnitřního mikroprocesoru nebo počítače. Z programové realizace vyplývá, že veškeré zpracování uvnitř řídicího systému probíhá v číslicové formě. Všechny úkony jsou prováděny v nespojitých časových okamžicích. Někdy bývají 140

Řídicí systém a komunikace s okolím vykonávány v nejkratším dostupném intervalu (obvykle proměnné délky), který je určen dobou proběhnutí smyčky programu – dobou programového cyklu. Mnohé operace se ale provádějí v podstatně pomalejších taktech a s pevným intervalem zpracování. Jeho délka odpovídá typu řešené úlohy a bývá zadána jako parametr programu. Většinou se jedná o úlohy číslicového charakteru, obvykle regulace a filtrace. Přesnost a stabilita v dodržení intervalu aktivace ovlivňuje přesnost číslicových úloh. Pro řízení rychlých mechanismů a pro regulaci rychlých procesů bývá volen interval v desetinách, jednotkách až desítkách milisekund, při regulaci teplot a dalších pomalých dějů postačuje interval v jednotkách až desítkách sekund, pro úlohy optimalizace a adaptace se používají intervaly podstatně delší. Tuto vlastnost programovatelných řídicích systémů nazýváme nespojitost v čase. Program může zpracovávat jen číselné údaje. Ty jsou již ze své podstaty nespojité. Této vlastnosti programovatelných systémů se říká nespojitost v hodnotě. Jemnost či hrubost rozlišení hodnot závisí na formátu, v němž jsou čísla uložena a zpracována. Binární logické proměnné rozlišují dva stavy: ne–ano (0–1, informaci jednoho bitu, tj. rozsah jedné dvojkové číslice). U čísel ve formátu s pevnou řádovou čárkou v délce 8 bitů (1 byte) lze rozlišit 256 hodnot, při délce 16 bitů (2 byte, word) lze rozlišit 65 536 hodnot, ve formátu s plovoucí řádovou tečkou je rozlišení ještě jemnější. Nespojitost v hodnotě mnohdy nebývá významná. Často si ji ani neuvědomujeme a číslicový údaj vnímáme jako spojitý.

5.4 Řídicí systém a komunikace s okolím Prozatím si řídicí systém představme jako „tajuplnou chytrou skříňku“, která je schopná svým programem vykonávat všechny požadované řídicí a diagnostické funkce. Informaci o stavu stroje nebo technologického procesu (řízené soustavy) získává prostřednictvím vhodně volených senzorů (snímačů, čidel), které jsou připojeny k jeho vstupům (obr. 5.1a). Převádějí hodnoty sledovaných veličin do formy signálů, které lze dále přenášet a zpracovávat. Nejčastěji (téměř výhradně) jsou to elektrické signály – obvykle elektrické napětí nebo proud. Některé senzory předávají jen dvouhodnotovou informaci (binární senzory) typu zapnuto–vypnuto, poloha (hladina, teplota) dosažena–nedosažena. Na vstupní straně řídicího systému se připojují na dvouhodnotové (binární) vstupy. Někdy se v této souvislosti používá přívlastek číslicové nebo digitální, který je však matoucí a nedoporučujeme

senzory

řídicí členy, pohony řízená soustava (objekt)

vstupy

výstupy řídicí systém

operátorské rozhraní operátor seřizovač diagnostik Obr. 5.1a Schéma instrumentace řízeného procesu s tradičním připojením senzorů a akčních členů

141

jeho používání – nejde o čísla, ale o dvouhodnotové logické proměnné. Často se používají analogové senzory, které hodnoty spojitých (analogových) veličin převádějí na odpovídající hodnoty spojitého signálu, který se přivádí na analogové vstupy systému. Zde je ve vstupním analogově-číslicovém převodníku (A/D) transformován na odpovídající číselnou hodnotu vstupní proměnné v potřebném formátu (obvykle v pevné řádové čárce délky 8, 12 nebo 16 bitů). Před dalším výpočtem provádí program řídicího systému ještě předzpracování vstupních údajů, např. převedení údaje přečteného z převodníku na údaje vyjádřené v obvyklých inženýrských jednotkách, filtraci a potlačení šumů, ověření věrohodnosti a platnosti údajů, rozpoznání změn a trendů. Takto je například v odporovém teploměru převeden údaj o aktuální teplotě na hodnotu odporu a následně na hodnotu elektrického napětí, které je přivedeno na vstup řídicího systému. Zde je mu přiřazena odpovídající číselná hodnota v jednotkách převodníku. Tu je potřebné převést na údaj v inženýrských jednotkách, se kterým se snáze počítá (např. na „lidský“ údaj o teplotě v 0,1 °C). Jednoduchou filtraci lze provést výpočtem klouzavých průměrů (např. jako součet posledních čtyř po sobě jdoucích hodnot dělených čtyřmi) nebo jako medián (výběrem prostřední hodnoty z posledních tří nebo pěti měřených vzorků). Tak lze omezit náhodné šumy a kolísání hodnot. Dále je účelné zkontrolovat, zda se údaj nachází ve stanoveném tolerančním pásmu, jinak nepokračovat ve výpočtu a ohlásit chybu. akční člen

senzory

řízená soustava (objekt)

5


Mechatronika

průmyslovvé sběrnice

operátorské rozhraní

řídicí systém

operátor seřizovač diagnostik

Obr. 5.1 b Schéma instrumentace řízeného procesu s využitím sériové komunikace (průmyslové sběrnice)

142

Stále častěji jsou dnes používány chytré senzory (smart), které v sobě obsahují analogově číslicové převodníky a předávají číslicový údaj o měřené hodnotě, případně již předzpracovaný a zkontrolovaný. Chytré senzory obvykle poskytují ještě další funkce a služby, např. kontrolu komunikace a správného doručení údaje, kontrolu správné funkce senzoru, jeho dálkové nastavení apod. Číselné údaje jsou přenášeny prostřednictvím sériové komunikace rozhraním a komunikačním protokolem některé z průmyslových sběrnic (např. AS Interface, Profibus DP, CAN, Device Net, Interbus), v poslední době i prostřednictvím průmyslové verze Ethernet (obr. 5.1b). Prostřednictvím průmyslové sběrnice lze k systému připojit i moduly vzdálených vstupů a výstupů a specializované přístroje, např. snímače síly a vážicí zařízení, frekvenční měniče, čtecí zařízení karet, snímače čárových kódů a jiných identifikačních prvků (třeba otisku palce). Průmyslovou sběrnicí komunikují i operátorské panely a další spolupracující

Řídicí systém a komunikace s okolím systémy. Na straně systému se sběrnice připojuje na specializované svorky nebo konektory. Používány jsou i prostředky bezdrátové komunikace. Číslicové údaje lze přenášet podstatně snáze a bezpečněji než analogové. Jednou sériovou komunikační linkou lze přenášet údaje z více zdrojů (podle typu průmyslové sběrnice). Výsledkem zpracování hodnot vstupních proměnných programem řídicího systému jsou hodnoty výstupních proměnných. Některé mají význam dvouhodnotových logických proměnných. Systém je předává svými dvouhodnotovými (binárními) výstupy. Bývají řešeny jako polovodičové spínače, často jako kontakty relé. Jsou určeny pro ovládání akční členů (aktorů) dvouhodnotového charakteru, nejčastěji elektromagnetické spojky, elektropneumatické převodníky, ventily, elektrická topidla, elektromotory, svítidla apod. Číslicové výstupní proměnné jsou ve výstupních číslicově analogových převodnících (D/A) transformovány na analogové výstupní signály, které ovládají analogové akční členy, např. servopohony, frekvenční měniče, výkonové zesilovače. Výstupy systému bývají s výhodou přenášeny sériovou komunikací prostřednictvím některé z průmyslových sběrnic, Ethernetu nebo bezdrátově. Pro vybavení řízeného objektu senzory, akčními členy, případně i řídicím systémem, se používá sjednocující pojmenování instrumentace procesů nebo jen instrumentace. Někdy používané polní instrumentace vzniklo násilným překladem. V češtině je matoucí a nedoporučujeme jeho používání. Ke komunikaci řídicího systému s člověkem – operátorem (obsluhou), seřizovačem nebo opravářem (diagnostikem) – je určeno operátorské rozhraní, někdy označované zkratkou HMI (Human–Machine Interface) nebo starší MMI (Man–Machine Interface). Někdy je operátorské rozhraní řešeno jako neoddělitelná součást řídicího systému, častěji jako samostatný přístroj, který je s řídicím systémem spojen sériovou komunikační linkou (obvykle zase některou z průmyslových sběrnic – obr. 5.1b). Provedení operátorského rozhraní je podřízeno situaci na daném pracovišti, počtu a rozsahu zadávaných a zobrazovaných údajů, kvalifikaci operátora, četnosti a závažnosti jeho zásahů, ale i ceně. Někdy je řešeno jako skromný operátorský panel s několika tlačítky (obr. 5.2) a možností zobrazení několika číslic a krátkých textů. Jindy to jsou komfortní operátorské panely s klávesnicí a grafickou obrazovkou, často dotykovou, někdy přímo průmyslové počítače v panelovém provedení (obr. 5.3). Jako komfortní operátorské rozhraní bývají použity

Obr. 5.2 Ukázky různých kategorií operátorského rozhraní

Obr. 5.3 Průmyslový počítač v panelovém provedení

143

5 ŘÍZENÍ MECHATRONICKÝCH SOUSTAV Mechatronika

144

Typy a algoritmy řízení

Obr. 5.4 Ukázky řešení vizualizace procesů

standardní počítače ve velínech nebo na dispečerských pracovištích. Obvykle jsou vybaveny specializovaným programovým systémem – vizualizačním systémem – pro názorné zobrazování stavu řízených procesů, pro jejich ovládání, dokumentování jejich vývoje a archivaci významných údajů (obr. 5.4). Často je pro ně používána zkratka SCADA/HMI. Pro řešení operátorského rozhraní bývají používány i přenosné počítače taškového (notebook) nebo kapesního formátu (palmtop), případně kombinované přístroje pro mobilní komunikaci.

5.5 Typy a algoritmy řízení 5.5.1 Řízená soustava Řídicí systém zpracovává informace o řízené soustavě (zkráceně jen o soustavě). Někdy se mluví o řízeném technologickém objektu (zkráceně jen o technologickém objektu nebo jen objektu). Informace získává prostřednictvím údajů ze senzorů. Spolu s nimi zpracovává ještě údaje, které zadal operátor. Vyčísluje hodnoty výstupních proměnných. Některé mají význam pro operátora a zobrazuje je prostřednictvím operátorského rozhraní. Ty, které jsou určeny pro ovládání řízené soustavy – akční veličiny, akční zásahy – jsou jako výstupní signály předávány akčním členům na soustavě (obr. 5.1).

145

5


Mechatronika

5.5.2 Algoritmus řízení Při zadávání a popisu činnosti programu řídicího systému se často používá termín algoritmus. Zjednodušeně jej můžeme chápat jako popis činnosti, postup, který se má pro daný způsob řízení vykonat – v podstatě předpis, podle něhož má být vytvořen odpovídající program řídicího systému. Podle převažujících algoritmů bývají označovány i typy řídicích systémů, které je realizují, např. jako číslicové nebo logické systémy, regulační systémy (regulátory) apod. Mnohdy jsme svědky terminologické nedůslednosti, kdy pojmenování algoritmus a systém bývají směšovány, např. číslicový algoritmus i číslicový systém, zpětnovazební algoritmus i zpětnovazební systém.

5.5.3 Dopředné a zpětnovazební řízení Řízení se obvykle rozlišuje na doakční člen předné a zpětnovazební. Při dopředném řízení nebo též ovládání řízená soustava (obr. 5.5) působí řídicí systém na řídicí systém (objekt) soustavu přímo, aniž by zjišťoval její stav před akčním zásahem a kontroloval její stav po zásahu, např. když je potřebné rozsvítit svítidlo, spustit motor, otevřít ven- Obr. 5.5 a Schéma dopředného řízení (ovládání) bez operátora til nebo aktivovat jiný jednoduchý elektrický spotřebič, jehož aktivitu akční člen není nutné kontrolovat, případně to není možné nebo účelné (bylo řízená soustava by zbytečně drahé instalovat senzořídicí systém (objekt) ry a použít systém s větším počtem vstupů). Dopředné řízení je často využíváno jako prostředek ručního řízení, kdy člověk-operátor ovládá soustavu prostřednictvím řídicího systému s využitím komfortu jeho operátorského rozhraní (obr. 5.5b). Dopředné řízení v této nejjednodušší formě je vlastně řízením bez kontroly, jen na základě „důvěry“, že se požadovaná aktivita vykooperátor nala. Mnohdy je předpokládáno, že po uplynutí stanovené doby lze Obr. 5.5 b Schéma dopředného řízení (ovládání) s účastí operátora požadovanou akci považovat za vykonanou. Neexistující informaci o provedení akce nebo o změně řízené soustavy působením akční veličiny lze nahradit informací, získanou z modelu řízené soustavy, který je realizován programem systému. Častější a bezpečnější je zpětnovazební řízení (obr. 5.6), kdy je zpětně kontrolováno vykonání zadaných povelů. Někdy je zpětná vazba jen dvouhodnotová (binární, logická), zprostředkovaná binárním čidlem ve významu provedeno–neprovedeno. Zpětnou vazbu může tvořit kompletní 146

Typy a algoritmy řízení číselná informace o hodnotě řízené veličiny. Někdy je informace zpětné vazby získávána nepřímo, řídicí systém řízená soustava jen podle následků akčního zásahu (ušetří se senzory i vstupy systému). Například na zapnutí topidla lze usuzovat z narůstající senzory teploty nebo ze zvýšeného odběru elektrické energie. Zpětná vazba zpětnovazební signály je mnohdy získávána až zpětně, na základě informace o vykonání požadované akce. Například při požadavku na přesunutí pomocného Obr. 5.6 Schéma řízení se zpětnou vazbou (zpětnovazebního řízení) mechanismu do požadované polohy se nezískává informace o spuštění pohonu, ani o jeho aktuální poloze nebo rychlosti pohybu, ale předává se až údaj koncového spínače dosažení cílové polohy. Podobně při požadavku na napouštění nebo vypouštění nádrže nebývá zjišťován stav ventilu či čerpadla ani průtok kapaliny, ale až údaj senzoru dosažení požadované hladiny (např. spínače naplnění nebo vyprázdnění nádrže). Důvodem jsou opět úspory na instrumentaci, někdy ovšem jen pohodlnost a konzervativismus. Pokud je v systému dostupný aktuální číselný údaj o poloze mechanismu nebo o výšce hladiny, pak lze snadno vyhodnotit jeho změnu, jako informaci o aktivitě pohonu. Navíc lze průběžně vypočítávat rychlost pohybu, která může být cennou dodatečnou informací, např. pro řešení diagnostiky. akční člen

Pokud je dopředné řízení realizováno za osobní účasti operátora, jedná se vlastně také o zpětnovazební řízení s tím, že funkci zpětné vazby realizuje člověk (obr. 5.5b). V praxi se obvykle setkáváme se složitějšími a kombinovanými případy. Například zapnutí obyčejného přímotopného spotřebiče můžeme ze svého pohledu považovat za akci dopředného řízení. Aktivita spotřebiče je ale vnitřně realizována jako zpětnovazební proces, při kterém je udržována nastavená teplota, a navíc je tepelnou pojistkou hlídáno překročení bezpečné teploty. Podobně je roztočení motoru prostřednictvím frekvenčního měniče realizováno jako poměrně složitý zpětnovazební proces. Obrábění v ručním režimu lze také považovat za jednoduché dopředné řízení, ale ve skutečnosti jsou aktivovány zpětnovazební procesy které zajišťují požadovanou rychlost posuvů a otáčení vřetena, případně konstantní řeznou rychlost při měnícím se poloměru obrábění. Z pohledu hospodyňky může být i stisk startovacího tlačítka po naplnění automatické pračky akcí dopředného řízení, i když ve skutečnosti je spuštěn velmi komplikovaný sled operací, z nichž většina představuje zpětnovazební procesy (např. napouštění a vypouštění, ohřev na požadovanou teplotu). Záleží tedy na úhlu pohledu a na rozlišovací úrovni. Velmi rozšířeným typem zpětnovazebního řízení je regulace. Při ní se průběžně porovnává žádaná hodnota řízené veličiny s její skutečnou hodnotou a z jejich rozdílu (regulační odchylky) je vypočítávána hodnota akční veličiny. Ta je výstupem z řídicího systému a působí na řízený objekt tak, aby se skutečná a žádaná hodnota vyrovnaly v co možná nejkratším čase, nebo aby jejich rozdíl (regulační odchylka) byl co možná nejmenší. V této souvislosti se často používá slovo algoritmus řízení či řídicí nebo regulační algoritmus, ve starší literatuře se používá i pojmenování regulační zákon. 147

5


Mechatronika

5.5.4 Číslicové, logické a hybridní algoritmy Při řízení, ale i v jiných úlohách, se setkáváme se dvěma typy algoritmů – s číslicovými a logickými. Základem číslicových algoritmů je matematický vztah (formule, vzorec), který je předpisem, jak z číselných hodnot vstupních veličin vypočítávat číselné hodnoty výstupních proměnných. Takto jsou nejčastěji realizovány mnohé typy regulačních algoritmů, ale i číslicových filtrů a modelů, optimalizace procesů, adaptace modelů, statistické výpočty apod. V mnoha případech, například při regulaci, jsou číselné hodnoty výstupních proměnných převáděny na výstupní analogový signál akční veličiny. Z pohledu vstupů a výstupů se takový číslicový systém jeví jako analogový, protože do něj vcházejí analogové vstupy a vycházejí opět analogové výstupy. Naproti tomu je logický algoritmus popsán jako soubor pravidel nebo logických výrazů. Někdy se nazývá jako pravidlový systém. Vyčíslením pravidel nebo výrazů se získají pravdivostní hodnoty výstupních proměnných. Nejčastěji mají dvouhodnotový charakter a význam akčních zásahů typu chlazení zapnout–vypnout, topení zapnout–vypnout nebo diagnostických signálů porucha zjištěna–nezjištěna. U logických systémů se obvykle mlčky předpokládá, že jejich logické proměnné (vstupní, výstupní i vnitřní) mají dvouhodnotový (binární) charakter. Jejich pravdivostní hodnoty se obvykle vyjadřují dvojkovými číslicemi 0 (nepravda) a 1 (pravda). Pro popis a metodiku návrhu dvouhodnotových systémů se často používá matematický aparát Booleovy algebry a teorie konečných automatů. V praxi se ale můžeme setkat s logickými systémy, jejichž proměnné mají více pravdivostních hodnot – pak se mluví o vícehodnotových logických systémech. Pro jejich popis se používají algebry vícehodnotové logiky. Obvykle se používají logiky s rozlišením 3 až 7 pravdivostních hodnot – v reálných logických systémech jsou ovšem kódovány jako kombinace hodnot binárních proměnných, podobně jako čísla. Například ve tříhodnotové logice lze rozlišit pravdivostní hodnoty 0 (nepravda), 0,5 (nevím) a 1(pravda), nebo v pětihodnotové logice 0–0,25–0,5–0,75–1. Pravdivost se často vyjadřuje v procentech, např. 0 %–25 %–50 %–75 %–100 %. Lze se ale setkat s logickými systémy, kde pravdivost jejich proměnných může nabývat jakýchkoliv číselných hodnot mezi nulou (0 %, nepravda) a jedničkou (100 %, pravda). Jsou jimi fuzzy systémy. Matematickým základem pro jejich popis je teorie fuzzy logiky. Přívlastek fuzzy (neostrý, rozmazaný, roztřepený, ochmýřený) zde vyjadřuje neurčitost informace. Ta může vyplývat ze samé podstaty jevu. Jablko může být částečně zralé a částečně nezralé, trochu sladké a trochu kyselé, trochu červené a trochu zelené, vodu lze hodnotit jako trochu horkou i trochu vlažnou, stejně neostrý je rozdíl např. mezi významy slov dospívající a dospělý, úspěšný a neúspěšný, malý a velký, zdravý a nezdravý. Zdrojem neurčitosti může být měření a způsob získávání informace, věrohodnost měřených údajů, ale i názory různých lidí (laiků i expertů) na hodnocení stejného problému, hodnocení očitých svědků prožité události, posuzování znalostí maturanta členy zkušební komise. Z neurčitých údajů můžeme získat jen neurčité výsledky, například závěry o bezporuchovém stavu nebo o velikosti akčního zásahu. Určitý výrok může mít jen částečnou pravdivost (např. riziko závady je 35 %), nenulovou pravdivost mohou mít i protikladné výroky (např. bezchybný stav = 60 %, závada = 35 %, havárie = 5 %). Fuzzy logika je využívána i k postižení přirozené neurčitosti (vágnosti) lidského myšlení a vyjadřování. Podobně jako s fuzzy proměnnými lze zacházet i s vícehodnotovými proměnnými. 148

Typy a algoritmy řízení V praxi řídicí techniky se často (většinou) setkáváme se systémy, jejichž chování je popsáno kombinací algoritmů číslicového a logického typu. Obvykle se označují jako hybridní. Mohou to být např. číslicové systémy, které pro různé situace (stavy) používají odlišné matematické vztahy pro výpočetní algoritmy. Při změně stavu dojde ke změně struktury nebo parametrů algoritmu číslicového podsystému, který je aktivován. Aktuální stav je vyčíslován pravidly nebo výrazy logického podsystému. V tomto případě se jedná o systém s proměnnou strukturou. Pokud jsou pravidla vyhodnocována v binární nebo vícehodnotové logice, jedná se o systém se skokově proměnnou strukturou, při použití fuzzy logiky se jedná o spojitou změnu struktury. Existují i podstatně složitější typy hybridních systémů.

5.5.5 Statické a dynamické, kombinační a sekvenční systémy Některé algoritmy (systémy) reagují jen na současnost, na aktuální situaci. Okamžité hodnoty vstupních proměnných převádějí na odpovídající hodnoty výstupních proměnných. Číslicové algoritmy (systémy) s touto vlastností se označují přívlastkem statické. Setkáváme se s nimi např. při převodu měřeného údaje z jednotek A/D převodníku na údaj v inženýrských jednotkách, při linearizaci čidla nebo korekci jeho chyb. Logické algoritmy (systémy), jejichž výstupy jsou závislé jen na okamžité kombinaci vstupních proměnných se označují jako kombinační (typickými představiteli jsou převodníky kódů). V praxi se ale mnohem častěji setkáváme se systémy, jejichž výstupy navíc závisejí na předchozím vývoji systému, na situaci, v jaké se nachází systém nebo řízený objekt – na stavu. Číslicové systémy s touto vlastností se označují jako dynamické. Patří sem obvyklé regulační algoritmy, algoritmy filtrace, algoritmy pro modelování spojitých řízených soustav a pro předpovídání jejich očekávaného vývoje. Podobnou vlastnost vykazují i řízené soustavy spojitého charakteru. Typické je pro ně setrvačné chování a vlastní dynamika chování při přechodech mezi různými stavy (např. při zapnutí nebo vypnutí, při změně požadované hodnoty, při změně podmínek v okolí), kdy „žijí svým životem“. Jejich veličiny se mění podle vlastních pravidel, někdy mohou kmitat nebo nekontrolovaně růst (u nestabilních soustav). Příčinou vlastní dynamiky soustav (samotných i řízených) je akumulace energie nebo média (např. nahromadění tepla či chladu ve zdivu nebo v objemu vzduchu vytápěné místnosti, zaplnění nádrže kapalinou, roztočení setrvačníku, stlačení pružiny, nabití kondenzátoru), vzájemná přeměna různých typů energie (např. kinetické na potenciální a zpět u kyvadla, elektrické a magnetické u elektrických obvodů) nebo zpoždění při transportu média (např. vzdušiny či kapaliny v potrubí, uhlí na dopravníkovém páse). U logických systémů odpovídají dynamickým systémům sekvenční logické systémy. Jejich výstupy jsou závislé nejenom na okamžité kombinaci vstupních proměnných, ale i na jejich posloupnosti (sekvenci), tedy na stavu, který je výsledkem dosavadního vývoje. Stav je nejčastěji vyjádřen jako kombinace vnitřních (stavových) proměnných nebo jako zapamatovaná posloupnost vstupních proměnných – vstupní paměť.

5.5.6 Příklady regulačních algoritmů Pro ilustraci číslicových a logických algoritmů uveďme několik jednoduchých ilustrativních příkladů. Nejjednodušším číslicovým regulačním algoritmem je proporcionální regulace (P regulátor). Platí pro něj, že akční zásah je úměrný regulační odchylce podle výpočetního vztahu: 149

5


Mechatronika

u = k · e = k(w–y)

)

kde

e=w–y je regulační odchylka, w je žádaná hodnota regulované veličiny a y je její skutečná hodnota (obr. 5.7).

Obr. 5.7 Schéma jednoduchého regulačního obvodu

Např. pro regulaci teploty při vytápění platí, že čím je skutečná teplota více vzdálena od požadované, tím větší bude hodnota akční veličiny. Tou může být poloha ventilu (velikost otevření nebo uzavření) nebo napětí, které ovládá výkon spojitě regulovaného tepelného zdroje. Pokud je v místnosti chladno (skutečná teplota y je nižší, než žádaná w), je regulační odchylka e kladná. Akční veličina u bude rovněž kladná a bude působit tak, aby se úměrně zvýšilo množství přiváděného tepla (více se otevře ventil, zvýší příkon topidla). Pokud je místnost přetopená, bude regulační odchylka záporná a akční veličina bude působit na úměrné snižování přiváděného tepla. Pokud je dosaženo požadované teploty, odchylka bude nulová a nebude se měnit ani množství přiváděného tepla. Protože hodnota akční veličiny se spojitě mění, musí spojité změny dovolit i akční člen, který mění dodávku tepla do místnosti (servopohon, který ovládá polohu ventilu nebo regulátor výkonu topidla). V praxi se obvykle používají složitější regulační algoritmy, nejčastěji algoritmus regulace typu PID (proporcionálně-integračně-derivační), který je v principu analogový (tradičně se realizoval analogovými obvody nebo na mechanickém principu). Pro jeho číslicovou obdobu se někdy používá pojmenováni regulace PSD (proporcionálně-sumačně-diferenční). Vzhledem k tomu, že nemůže dojít k záměně (analogové regulátory se používají již jen v historických aplikacích), doporučujeme používat zavedené označení PID. Akční veličina u se zde vypočítává jako součet tří složek. Proporcionální složka je úměrná okamžité hodnotě regulační odchylky e, diferenční složka je úměrná její diferenci Δek = ek – ek-1 (rozdílu současného a minulého vzorku odchylky jako číslicové náhrady derivace) a sumační je úměrná postupně nasčítaným hodnotám polohové odchylky sek = ek + sek-1 (jako číslicová náhrada integrálu). Podrobněji bude tento typ regulátoru popsán později. Sám regulační algoritmus je jednoduchý a lze jej realizovat velmi snadno, mnohdy jedinou specializovanou instrukcí nebo aktivováním podprogramu či systémové služby. Problémem je 150

Typy a algoritmy řízení ovšem nastavení jeho parametrů – koeficientů zesílení jeho tří složek v závislosti na vlastnostech řízené soustavy a na její vlastní dynamice. Při nesprávné volbě parametrů má regulační proces (přechodový děj) nevhodný průběh – buď je zbytečně pomalý, nebo je rychlý, ale překmitávající, případně může být i nestabilní (trvale kmitající nebo nekontrolovaně rostoucí). Nejjednodušším regulačním algoritmem logického typu je dvoustavový (dvoupolohový) regulátor – v případě regulace teploty se nazývá termostat. Jeho činnost je popsána pravidly: jestliže e > 0, pak zapni topidlo, jestliže e ≤ 0, pak vypni topidlo. V tomto případě má akční veličina (akční zásah) dvouhodnotový charakter (zapni–vypni topidlo) a k jeho předání stačí jediný dvouhodnotový výstup systému. Zjednoduší se i provedení akčního členu – lze použít ventily se dvěma stavy nebo relé či stykač, který spíná topidlo nebo jeho ventilátor. Častým typem logického regulačního algoritmu je třístavový (třípolohový) regulátor, s pravidly: jestliže e > 0, pak zapni topení, vypni chlazení, jestliže e = 0, pak vypni topení, vypni chlazení, jestliže e < 0, pak vypni topení, zapni chlazení. Aktivita akčního členu má tři stavy: topení–vypnuto–chlazení, a akční veličinu lze vyčíslit jako logickou proměnnou ve tříhodnotové logice. Pro její předání postačují dva dvouhodnotové výstupy systému. V moderních budovách se často používají klimatizační jednotky (fan–coil), které dovolují nejenom aktivní topení a chlazení, ale i ovládání ventilátoru ve třech stupních otáček. Dovolují realizovat algoritmus sedmistavové regulace, stačí rozšířit soubor pravidel. Tříhodnotové akční veličině lze přiřadit i jiné významy, jiné aktivity tepelného zdroje, např.: topení_silné–topení_slabé–topení vypnuté nebo zavírej_ventil–nic–otvírej ventil. Popsané algoritmy jsou zjednodušené. Ve skutečnosti je třeba do pravidel doplnit pásma necitlivosti s hysterezí. Logické regulační algoritmy se jeví jako hrubé, pro svůj výrazně nespojitý charakter akčních zásahů. Pro regulaci teploty však jejich kvalita bývá postačující, často srovnatelná nebo lepší než u chybně seřízených číslicových regulátorů.

5.5.7 Logické řízení Doménou logických systémů je sekvenční řízení strojů, mechanismů a technologických procesů, ve kterých je třeba vykonávat předepsaný sled operací, z nichž každá může mít charakter dopředného nebo zpětnovazebního řízení. Typickou třídou úloh jsou úlohy manipulačního typu, ve kterých je řízen sled pohybů pomocných mechanismů a manipulátorů. Například může být požadováno uskutečnit nejprve pohyb vpravo, po dosažení pravé krajní polohy (a sepnutí odpovídajícího koncového spínače) je aktivován pohyb nahoru, po dosažení horní polohy se má uskutečnit pohyb dozadu atd. Obvykle se zadané posloupnosti cyklicky opakují. Zpětnovazební informací, která hlásí ukončení dílčí akce a podmiňuje spuštění další, bývá jen signál čidla požadované polohy, případně zpožděný o dobu nutnou na uklidnění mechanismu (obr. 5.8a). S druhou třídou úloh se obvykle setkáváme při řízení technologických procesů v chemickém a potravinářském průmyslu, ale i v jiných oborech. Jako ilustrativní příklad si můžeme představit sled operací při řízení automatické pračky (obr. 5.8b). 151

5


Mechatronika čekání na start

0 start

doleva

1 vlevo

nahoru

2 nahoře

sevřít

3 sevřeno

dozadu

4 vzadu

uvolnit

5

NOT sevřeno dolů

6 dole

doprava

7 vpravo

Obr. 5.8 a Diagram manipulačního systému

Každé dílčí operaci odpovídá samostatný stav sekvenčního systému, ve kterém systém setrvává, dokud není operace ukončena a vyhodnocena podmínka pro přechod do následujícího stavu, ve kterém bude řízena další operace. Kromě sekvenčního řízení vykonávají logické řídicí systémy řadu úloh kombinačního charakteru, například různé kontroly a diagnostické funkce, rozhodování apod. Mechanismů a technologických procesů tohoto typu se v praxi vyskytuje mnoho. Obvykle se s nimi setkáváme ve výrobních provozech, jejichž objem se počítá v kusech výrobků nebo v počtech výrobních dávek. Obvykle se nazývají diskrétní výrobní procesy (diskrétní výroba). Protikladem k nim jsou výrobní procesy, jejichž produkce se obvykle vyjadřuje v tunách – ty se obvykle nazývají kontinuální výrobní procesy (spojitá výroba). V nich se převážně uplatňují regulační algoritmy. Výhodou logických systémů je skutečnost, že všechny své znalosti o řízené a diagnostikované soustavě, které umíme slovně formulovat, můžeme i zapsat jako soubor logických pravidel typu jestliže podmínka, pak závěr nebo logických výrazů. Podle charakteru úlohy mohou být pravidla vyčíslena ve dvouhodnotové logice, v některé z vícehodnotových logik nebo ve fuzzy logice, případně v jejich kombinacích. Takto můžeme popsat a realizovat i algoritmy, které nejsme schopni popsat matematickými vztahy a realizovat jako číslicové – buď proto, že vztahy a souvislosti jsou příliš komplikované, nebo naše znalosti o podstatě řízených procesů jsou nedostatečné a povrchní. Do souboru pravidel můžeme včlenit všechny své znalosti a požadavky na řízení složitých soustav, na jejich optimální provoz, na rozpoznání závad a mimořádných stavů a na jejich ošetření. Takto lze automatizovat složité soustavy a procesy, které zkušený operátor umí úspěšně řídit, ale neexistují uspokojivé 152

Typy a algoritmy řízení čekání na start

0

čekání na start

0 start start bez předp.

start s předp. napouštění

1

plná

plná

teplota_1

teplota_1

čas = 15 min

čas = 15 min prázdná s odst.

prázdná prázdná bez odst.

čas = 3 min

čas = 3 min

plná

plná

teplota_2

teplota_2

čas = 75 min

čas = 75 min

prázdná

prázdná

plná

plná 11

čas = 8 min vypouštění

12

vypouštění prázdná s odstřeď.

13

máchání

11 máchání

čas = 8 min 12

napouštění

10 napouštění

10

vypouštění

9

vypouštění

9

praní

8

praní

8

temperování_2

7 temperování_2

7

napouštění

6

napouštění

6

odstřeďování

5

odstřeďování

5

vypouštění

4

vypouštění

4

předepírání

3

předepírání

3

temperování_1

2 temperování_1

2

napouštění

1

prázdná prázdná bez odstřeď.

odstřeďování

13

odstřeďování čas = 5 min

prázdná s odstřeď.

Obr. 5.8 b Diagram technologického procesu (příklad pračky)

číslicové algoritmy pro jejich automatické řízení (jsou tradičními číslicovými algoritmy „neautomatizovatelné“). Pokud se podaří popsat veškerou činnost operátora jako úplný soubor pravidel (v tom je největší problém) a ty pak budeme vhodným způsobem vyhodnocovat ve fuzzy logice, získáme model reagování operátora (více, či méně kvalitní). Lze také vytvořit systém, který po určitý čas sleduje aktivity operátora a jeho reagování na různé situace, vyhodnocuje je a automaticky vytváří soubor pravidel, podle kterých pak bude systém pracovat automaticky. V obou 153

5


Mechatronika případech lze mluvit o systémech s umělou inteligencí (inteligentním systému). Samostatnou třídu pravidlových systémů tvoří expertní systémy. Do souboru pravidel vlastně vkládáme svou „chytrost a znalosti“, které umíme formulovat slovně, nikoliv matematicky.

5.6 Distribuovanost a integrace v automatizaci 5.6.1 Distribuované systémy V praxi řeší řídicí systémy úlohy různé složitosti (měřeno komplikovaností a délkou programu nebo počtem vstupů a výstupů). Někdy stačí obsluhovat několik desítek vstupů, jindy se vstupy a výstupy počítají na stovky až tisíce. Tradičně se pro takto složité úlohy používaly i složité systémy s odpovídajícím počtem vstupů a výstupů. Tento centralistický postup je nevýhodný z mnoha důvodů. Podstatně výhodnější je řešit problém distribuovaným systémem. To znamená, že řídicí systém je sestaven z více podsystémů, mnohdy velmi jednoduchých. Každý z nich je umístěn na vhodném místě řízeného objektu (např. v uzlu výrobní linky, na vřeteníku nebo otočném stole obráběcího stroje). Každý podsystém řeší své lokální úlohy, zpracovává údaje blízkých senzorů a ovládá blízké akční členy, se svým operátorem komunikuje (je-li to nutné) místním operátorským panelem. Teprve informace, které se týkají ostatních podsystémů nebo řízeného objektu jako celku, jsou předávány mezi podsystémy. Jako podsystémy distribuovaných systémů mohou být použity programovatelné automaty a regulátory, systémy CNC a počítače různých kategorií a provedení. Stále častěji bývají součástí distribuovaného systému i periferní prvky (senzory a akční členy, pohony a jiné přístroje), připojené k průmyslové sběrnici. Nezbytností pro realizaci distribuovaných systémů je účinný a dostatečně výkonný přenos dat mezi všemi podsystémy. Přínosů distribuovaného řešení je více. Významná je už úspora kabeláže (samotných kabelů a nákladů spojených s jejím provedením – na projekt, svorky a rozváděče, montáž a kontrolu, uvádění do provozu). Důležité je zmenšení komplikovanosti zadání požadavků na řízení, zjednodušení programu a projektu i omezení rizika chyb při realizaci. Na programech a projektech pro jednotlivé podsystémy může pracovat několik kolektivů – a to současně a do určité míry nezávisle. Tím se zkrátí doba realizace projektu a programu řídicího systému i doba uvádění do provozu. Jednotlivé podsystémy pracují současně. Programy podsystémů jsou tedy kratší, oběh programového cyklu je rychlejší, kratší je proto i doba odezvy systému. Program je méně zranitelný, výpadek jednoho nemusí vést ke zhroucení celého systému – ostatní z podsystémů mohou dál pracovat a zajišťovat alespoň nouzový provoz.

5.6.2 Integrovaná a globální automatizace Distribuované řídicí systémy bývají často spojovány s informačními systémy podniků, s jejich počítačovými sítěmi, se sítí Internet, intranet. Lze tak efektivně využívat jejich komunikační a informační technologie. Takto široce pojatá automatizace je mnohdy spojována s přívlastky totálně integrovaná, případně globální. První pojmenováni, totálně integrovaná automatizace (TIA – Totally Integrated Automation – češtině by asi více odpovídalo pojmenování plně propojená automatizace, komplexní automatizace nebo integrovaný automatizovaný systém) vyjadřuje skutečnost, že všechny podsystémy v automatizovaném podniku jsou navzájem propojeny (integrovány), a vytvářejí tak jednotný řídicí systém. Již se nejedná o soubor oddělených a izolovaně pracujících automaticky řízených objektů (např. jednotlivých mechanismů, strojů a výrobních linek, techno154

Distribuovanost a integrace v automatizaci logických procesů, skladů, dopravních a logistických systémů, tepelných, energetických a ekologických zařízení a budov). Propojení není samoúčelné. Společné údaje lze v integrovaném systému velmi dobře využít a vytěžit z nich velmi užitečné informace. Především může být výrobní celek systematicky kontrolován a dokumentován, může být zjišťována celková spotřeba energie a surovin, minimalizovány ztráty a příčiny neefektivní výroby. Včas lze rozpoznat sníženou kvalitu a jiné ztráty, rozpoznat vzniklé nebo hrozící závady, jejich příčiny a zavinění. Je ale možné Obr. 5.9 Schematické znázornění úrovní řízení technologických proces řídit jako celek tak, aby byla provozů ve formě pyramidy minimalizována spotřeba a ztráty, aby byl maximalizován zisk. Lze plánovat a řídit výrobu ucelených zakázek, koordinovat aktivity jednotlivých strojů a dynamicky měnit jejich programy řízení, lze optimálně plánovat preventivní opravy a údržbu. S využitím společných informací je přínos automatizace podstatně vyšší. Komunikační vazby přitom probíhají různými směry – jak mezi systémy a podsystémy stejné úrovně (vodorovně, horizontálně), tak i mezi různými úrovněmi, od úrovně senzorů a akčních členů (svisle, vertikálně) přes řídicí systémy nižších a vyšších vrstev řízení až po vrcholovou úroveň řízení podniku a informačního systému podniku (obr. 5.9). Automatizace není (neměla by být) samoúčelná. Hlavní motivy pro její zavádění jsou ekonomické. Majitel automobilky postaví automatizovanou montážní linku plnou robotů nikoliv pro svou slávu, aby tam mohl vodit exkurze a nabízet strhující dokumentární filmy, ale aby zajistil větší produktivitu a kvalitu výroby. Například robot: pracuje tak, jak byl zkonstruován, nainstalován a naprogramován, pracuje s maximální dosažitelnou rychlostí, přesností, vždy stejně a opakovatelně, nemarodí (pomineme-li nutnou údržbu, kterou lze naplánovat a vzácně se vyskytující poruchy), nepotřebuje dovolenou, nezná únavu, ospalost, stres, krize, konflikty, lenost ani podvod, neusne ani se neopije, nereptá, nestávkuje, nežádá zvýšení platu. Výsledně pracuje automatizované pracoviště efektivněji než manuální. Integrovaná automatizace ovšem neznamená, že absolutně všechny provozy a pracovní operace jsou automatizovány, že je člověk zcela vyloučen z procesu výrovy (pokud se nejedná o prestižní záležitost či futuristický experiment, „ukázkový provoz budoucnosti“). V sousedství robotizovaného pracoviště může být ruční pracoviště – třeba proto, že danou operaci nelze automatizovat, nebo proto, že člověk danou operaci provede levněji a nemá smysl ji násilně automatizovat. Přívlastek globální vyjadřuje skutečnost, že soudobá automatizace umožňuje řídit rozlehlé objekty (např. elektrizační sítě, dopravní a logistické systémy, systémy výběru mýtného) a provozy globálního charakteru (např. soubor továren nadnárodního koncernu). 155

5


Mechatronika

5.7 Přehled řídicích systémů 5.7.1 Řídicí systém – úvaha o terminologii Pozastavme se na chvíli u pojmenování systém a soustava. V souvislosti s řízením mají poněkud odlišný význam, než jaký byl zaveden v 1. kapitole v souvislosti se spojením mechatronický systém nebo mechatronická soustava. Ve slovníku cizích slov lze obvykle najít mnohovýznamová vysvětlení, např. (zkráceně): „způsob nějakého jednání, provádění něčeho, nějaký záměrný postup, jak je něco uspořádáno; množina předmětů, jevů, dějů, poznatků, které mezi sebou souvisejí přesně vymezeným způsobem a vytvářejí jednotný celek; soubor jednotlivin nebo jednotlivců, tvořících účelný celek; soustava; ... v medicíně: soubor orgánů, sloužících stejné funkci (např. nervový či trávicí systém)...“. Výstižnou definici uvádí buněčný biolog a lékař Lewis Thomas: „Systém je struktura složená z interagujících a vzájemně komunikujících složek, jež jako skupina jednají nebo operují individuálně i vespolně, aby dosáhly společného cíle skrze odpovědnou aktivitu jednotlivých částí“. Poslednímu, medicínskému vymezení z první definice je nejblíže i význam slovního spojení řídicí systém, jehož prvotním obsahem patrně bylo: soubor prvků, modulů a podsystémů, které slouží k řízení daného objektu. Nejčastěji jsou komponenty řídicího systému uspořádány jako mechanický celek, mnohdy ve společném pouzdru nebo rozváděči. Pod označením řídicí systém je pak často míněn právě tento mechanicky sjednocený celek, který se laickému uživateli jeví jako „chytrá krabice“, která realizuje všechny potřebné funkce. Někdy je jako řídicí systém označován standardní produkt, který lze koupit v potřebné konfiguraci (např. programovatelný automat, průmyslový počítač, regulátor, systém CNC). Často je za řídicí systém (někdy též s pojmenováním systém řízení) považován teprve komplexní celek, který vznikne zabudováním koupeného řídicího systému do rozváděče, připojením senzorů, akčních členů a pohonů (kompletní instrumentace), zapojením kabeláže, instalováním a vytvořením potřebných programů, připojením operátorských panelů a počítačů pro dispečerské řízení tak, aby bezezbytku vykonával všechny řídicí a diagnostické funkce. Ne vždy je ale řídicí systém mechanicky uspořádán, jako kompaktní celek. Např. distribuovaný řídicí systém je souborem dílčích systémů (podsystémů), rozmístěných v prostoru řízeného objektu, mnohdy i velmi rozsáhlého (např. v uzlech výrobní linky, napájecích měnírnách železniční tratě). Podsystémy navzájem komunikují vhodným způsobem, obvykle některou z průmyslových sběrnic, prostřednictvím počítačového rozhraní Ethernet, sítě Internet nebo některého z bezdrátových prostředků. Za extrém distribuovaného řešení lze považovat řídicí systém budovy, realizovaný prostředky sítě EIB. Jeho prvky mohou být jen inteligentně komunikující vypínače a jiné ovládací prvky, výkonové ovládače svítidel, topidel, žaluzií, ventilátorů, klapek apod. Zde laický uživatel žádnou „chytrou krabici“ nenajde, a přesto řídicí systém budovy může být velmi „chytrý“. Podobně nezřetelné hranice mají i komunikační systémy, např. síť mobilních telefonů GSM, satelitní navigační systém GPS a různé telematické systémy řízení dopravy. Pojmem systém, případně s přívlastkem řídicí, se často označují i programové produkty, například vizualizační systémy (SCADA/HMI), matematické systémy (např. Marlab/Simulink) výpočetní a návrhové systémy (CAD), expertní systémy apod. Zde je podstata řídicího systému nejenom neviditelná, ale má dokonce nehmotný charakter. Další z možných významů je používán v souvislosti s typy algoritmů, jako pojmenování matematického modelu, např. statický 156

Přehled řídicích systémů nebo dynamický systém, kombinační nebo sekvenční systém, pravidlový systém, fuzzy systém, inteligentní systém, zpětnovazební systém apod. Abstraktně matematický význam má i termím systém souřadnic (souřadný systém). Přes mnohost možných významů se ale slovní spojení řídicí systém nejčastěji používá ve spojení s jednotlivými výrobky, mnohdy jako český ekvivalent k anglického termínu Controller, např. systém CNC, systém PLC, regulační systém.

5.7.2 Řízená soustava Jedním z možných ekvivalentů slova systém je i soustava. V souvislosti s řídicí technikou se ale ustálil specifický význam tohoto slova ve spojení řízená soustava (zkráceně jen soustava), jako předmět řízení, tedy technologický objekt nebo technologický proces, který je řízen, např. stroj, nebo jeho součást (rameno manipulátoru, vřeteník, motor), montážní linka, technologický proces, chemický reaktor, kotel, klimatizační jednotka, otopná soustava, vytápěná místnost apod.

5.7.3 Programovatelný automat, PLC (Programmable Logic Controller) Programovatelné automaty jsou patrně nejrozšířenějšími typy řídicích systémů. Ve starší německé terminologii se používá i pojmenování SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung). Pro programovatelné automaty je typické, že jsou programovatelné uživatelem, a přitom jejich programovací jazyky jsou názorné a uživatelsky přívětivé. Programování v grafických jazycích připomíná kreslení schémat (kontaktních či logických a blokových schémat nebo stavových diagramů). Lze se mu snadno naučit, a je tak dostupné i pro konstruktéry strojů nebo projektanty automatizovaných celků či mechatronických systémů. V současnosti jsou programovací jazyky pro PLC standardizovány mezinárodní normou IEC/EN 61131-3. Ta definuje čtyři typy programovacích jazyků: textový jazyk seznamu instrukcí (IL, Instruction List, používá se i starší název jazyk mnemokódů – obr. 5.10a), jazyk strukturovaného textu (ST, Structured Text – obr. 5.10b), grafický jazyk příčkového diagramu (LD, Ladder Diagram, používá se i starší název jazyk kontaktních schémat – obr. 5.10c), grafický jazyk funkčního blokového schématu (FBD, Function Block Diagram – obr. 5.10d) a prostředek pro zápis sekvenčních logických úloh (SFC – Sequential Function Chart). Někteří výrobci nabízejí další typy programovacích jazyků (např. pro kreslení vývojových diagramů, přechodových grafů), případně jazyk C, podle standardu ANSI. Programovatelné automaty původně sloužily k programování úloh logického typu (odtud pochází tradiční zkratka PLC) a k náhradě pevné logiky. Dnes jsou jejich možnosti podstatně širší a dovolují naprogramovat téměř libovolné typy úloh, včetně numericky náročných adaptivních regulačních algoritmů, simulačních modelů, diagnostických úloh a úloh umělé inteligence. Jsou proto univerzálními řídicími systémy a používají se snad ve všech oborech. Jejich aplikovatelLD AND ST

t11 ;sejmutí operandu t11 t12 ;logický součin AND s operandem t12 vyst1 ;zápis výsledku do proměnné vyst1

LD AND ST

t11 ;sejmutí operandu t11 t12 ;logický součet OR s operandem t12 vyst2 ;zápis výsledku do proměnné vyst2

Obr. 5.10a Textový jazyk seznamu instrukcí (IL, Instruction List)

157

Obr. 5.10b Jazyk strukturovaného textu (ST, Structured Text)

5


Mechatronika

Obr. 5.10c Grafický jazyk příčkového diagramu (LD, Ladder Diagram)

158

Přehled řídicích systémů

Obr. 5.10 d Grafický jazyk funkčního blokového schématu (FBD, Function Block Diagram)

nost dále umocňují komunikační možnosti, dostupnost průmyslových sběrnic a komunikačních standardů. Tyto vlastnosti moderních programovatelných automatů jsou někdy zdůrazňovány pojmenováním PAC (Programmable Automation Controller). Podle konstrukčního provedení se obvykle rozlišují kategorie (obr. 5.11): mikroPLC (typicky 10 až 20 vstupů a výstupů), kompaktní PLC (typicky 20 až 80 vstupů a výstupů, i více) a modulární PLC (typicky stovky až tisíce vstupů a výstupů, různých typů a kombinací, specializované periferní moduly, různé typy modulů centrálních jednotek a komunikačních modulů, moduly průmyslových počítačů). Existuje třída PLC s vlastním operátorským panelem, někdy označovaná zkratkou OPLC.

5.7.4 SoftPLC Systémy softPLC jsou průmyslové počítače, které se svým způsobem programování přizpůsobily zvyklostem programovatelných automatů, obvykle podle standardu IEC/EN 61131-3. Uživateli tak poskytují přívětivé a názorné programovací jazyky a současně veškerý komfort počítače, především operační systém a jednoduchou možnost aktivovat standardní programové produkty a obsluhovat standardní periferní zařízení počítačů, využívat archivační a komunikační funkce, rozhraní Ethernet, komunikaci v síti Internet a velký výpočetní výkon. Riziko nestability operačního systému se obvykle řeší tak, že je použit robustní operační systém reálného času nebo je standardní počítač doplněn o specializovaný modul, který realizuje funkce programovatelného automatu (modul PLC). Existuje mnoho možných způsobů provedeni systémů softPLC, podobně jako průmyslových počítačů. Patrně nejčastějšími jsou systémy s modulární výstavbou nebo stolní počítače, které s řízeným objektem komunikují prostřednictvím modulů vzdálených vstupů a výstupů na sériové lince.

159

5


Mechatronika

Obr. 5.11 Ukázky různých kategorií programovatelných automatů

5.7.5 Programovatelný logický modul, chytré relé Jedná se o programovatelné řídicí systémy nižší třídy než kompaktní programovatelné automaty nebo mikroPLC. Původně byly určeny jako inteligentnější a levná elektronická náhrada skupiny relé, časových relé a relé se speciálními funkcemi. Lze je snadno programovat přímo na místě určení, bez dalšího vybavení a s minimálními nároky na kvalifikaci montéra. Slouží k tomu čelní panel s několika tlačítky. K dispozici ale bývá i program vývojového systému pro komfortnější programování na PC. Snadnému použití a nízké ceně odpovídá i instrukční soubor, redukovaný na základní logické funkce, čítače a časovače. Postupně se ale možnosti těchto systémů rozšiřují a přibližují se k úrovni PLC, takže hranice mezi nimi se stává neostrou.

5.7.6 Průmyslový počítač Pod pojmenování průmyslové počítače bývá zahrnována široká třída počítačových výrobků. Obvykle se sem řadí odolné počítače pro vybavení velínů a dispečérských pracovišť a pro vrcho160

Přehled řídicích systémů lovou úroveň distribuovaných řídicích systémů. Patrně nejvíce je v praxi zastoupena kategorie označovaná anglickým přívlastkem embedded, který vyjadřuje, že jsou určeny k zabudování do rozváděče či do „útrob“ řídicího systému nebo jiného přístroje. V češtině se nejčastěji označují přívlastkem vestavné, zabudovatelné či zástavbové, případně vložené či vnořené. Pro průmyslové počítače se používá ještě zkratka IPC (Industrial PC). Někdy je používána ve stejném významu jako embedded, jindy k odlišení speciální kategorie PC, které jsou konstruovány jako zvlášť odolné a určené pro drsné podmínky průmyslového prostředí (význam není ustálen). Na první pohled jsou viditelné vestavné počítače v panelovém provedení (obr. 5.3 na str. 143), v současné době obvykle s dotykovou obrazovkou. Jejich hlavní funkcí je operátorské rozhraní. Standardní počítačové vybavení, paměťové a komunikační funkce a kvalitní barevná grafika dovolují komfortní vizualizaci, monitorování a dokumentování stavu řízeného objektu a současně vedou přívětivý dialog s operátorem. Jako pasivní (leč inteligentní) operátorská konzole mohou být podřízeny řídicímu systému (např. PLC, jinému počítači nebo síti distribuovaného systému). Panelové počítače mívají k dispozici ještě omezený počet vstupů a výstupů a komunikačních kanálů. Mohou tak být i samostatným řídicím systémem pro jednoduché řízené objekty nebo centrálním modulem či jedním z podsystémů pro náročnější aplikace. Pokud nepostačuje počet vstupů a výstupů, lze připojit moduly vzdálených vstupů a výstupů prostřednictvím některých z dostupných průmyslových sběrnic. Podobně lze využít i kompaktní vestavný počítač bez obrazovky. Mnohdy je použit především pro své počítačové funkce, možnost archivace dat, komunikační funkce, standardní operační systém a jeho prostřednictvím i možnost využívat standardní periferie a programové produkty. Může být využit jako archivátor rozsáhlých souborů dat, komunikační adaptér (především pro Ethernet), účastník sítě Internet, případně k realizaci numericky komplikovaných výpočetních algoritmů. Pro rozsáhlejší aplikace jsou využívány modulární vestavné počítače. Podobně jako programovatelné automaty (PLC) jsou velmi variabilní a jejich konfiguraci lze přizpůsobit požadavkům řízeného objektu.

Obr. 5.12 Zabudovatelný počítač řešený jako submodul

Do kategorie vestavných počítačů bývají zahrnovány i nezapouzdřené počítačové moduly – jednodeskové počítače nebo počítačové submoduly (označované i jako piggyback, násuvné či dceřinné moduly – obr. 5.12). V průmyslové praxi se často používají i zodolněné přenosné počítače (notebook) a stále častěji i počítače třídy palmtop, obvykle ve funkci přenosného operátorského terminálu nebo servisního přístroje. Je diskutabilní, zda i je zahrnout do třídy průmyslových počítačů.

S průmyslovými počítači se sbližují i programovatelné automaty. Do standardního sortimentu PLC od většiny významných výrobců dnes patří i počítačové moduly (tedy vlastně vestavné průmyslové počítače) nebo jsou centrální jednotky PLC realizovány na bázi počítače (je to tedy ještě PLC nebo už softPLC?). Při povrchním pohledu je mnohdy obtížné rozpoznat, zda řídicí systém je modulárním průmyslovým počítačem, programovatelným automatem (PLC) nebo systémem softPLC. Hlavním rozlišovacím kritériem bývá způsob programování a dostupné programovací jazyky (pro PLC obvykle podle standardu IEC/EN 61131-3). Další sblížení je patrné i na úrovni 161

vývojových systémů pro PLC. Některé z vyspělejších dovolují simulaci programu PLC (realizaci virtuálního PLC), přičemž program simulovaného PLC může komunikovat s jinými programovými objekty, např. s vizualizačním systémem SCADA, s modely operátorských panelů, s grafickým modulem pro analýzu a diagnostiku programu nebo s výpočetním programem pro simulaci řízené soustavy. Tento systém je pak už velmi blízký tradičnímu systému softPLC. Ještě před několika lety se vedly diskuze, zda programovatelné automaty mají naději na přežití v konkurenci s průmyslovými počítači, zda v aplikacích zvítězí průmyslové počítače, systémy softPLC nebo tradiční PLC a PAC. Dnes tento problém neexistuje. Jednotlivé kategorie řídicích systémů už nejsou antagonisty, ale většinou je ani nelze navzájem rozlišit.

5.7.7 Distribuovaný řídicí systém Jako distribuovaný se označuje řídicí systém realizovaný jako soubor jednodušších systémů (podsystémů), které spolu navzájem komunikují a předávají si potřebné údaje. Možnosti řešení jsou velmi široké, některé příklady řešení jsou uvedeny na obr. 5.13). Jako podsystémy mohou být použity programovatelné automaty, regulátory, PC, IPC, ovladače pohonů, ale i inteligentní senzory a akční členy, případně prvky elektroinstalační sběrnice EIB. Realizaci distribuovaných systémů usnadňují komunikační možnosti moderních PLC a komunikační technologie vůbec (počítačové sítě, Internet, GSM, GPS apod.) PC

TBCO MAT

TC400

NS950

NS950

TC600

5


Mechatronika

RS-232

RS-485 EP SNET-F NS950

NS950

RS-485

NS950

TC500

RS-485 EP SNET multimaster

EP SNET monomaster

TC600

NS950

NS950

NS950

TC500

TC600

NS950

Obr. 5.13 Schéma možných topologií distribuovaných systému

5.7.8 Operátorské rozhraní Operátorské rozhraní je soubor prostředků, které zajišťují komunikaci mezi člověkem (operátorem) a strojem, zejména zobrazování stavů stroje a jeho ovládání, seřizování stroje, zadávání parametrů a technickou diagnostiku. Ve stejném významu jsou používány anglické zkratky HMI (Human–Machine Interface) nebo MMI (Man–Machine Interface – starší pojmenování, používané do doby, než si feministky nevynutily změnu na HMI). Patrně nejčastěji jsou používány univerzální operátorské panely (obr. 5.2 na str. 143), výhodně lze použít PLC s vlastním operátorským panelem (OPLC – obr. 5.11) nebo vestavný počítač v panelovém provedení (obr. 5.3 na str. 143). 162

Přehled řídicích systémů Operátorský panel je standardizovaný (a v průmyslových podmínkách patrně nejrozšířenější) prostředek operátorského rozhraní. Nejčastěji je tvořen zobrazovací jednotkou a klávesnicí, případně jen grafickou zobrazovací jednotkou s dotykovým ovládáním. S řídicím systémem komunikuje sériovou linkou, obvykle některou z průmyslových sběrnic. Operátorské panely jsou nabízeny v širokém sortimentu, kde se jednotlivé typy liší mechanicky (použitými prvky a jejich uspořádáním), kapacitou paměti, způsoby komunikace, větší či menší mírou vlastní inteligence a komfortem při zadávání funkcí panelu (programováním). Za inteligentní operátorský panel lze považovat i programovatelný automat s vlastním operátorským panelem nebo vestavný počítač v panelovém provedení Tradiční ovládací a indikační prvky jsou v některých případech stále nezastupitelné, např. masivní tlačítka a přepínače pro ovládání v rukavicích, hřibová tlačítka, ovládací kolečka a páky („průmyslové joysticky“). Používány jsou i velké zobrazovací jednotky. Stále častěji jsou používána počítačová pracoviště s instalovaným vizualizačním systémem. Používá se pro něj anglická zkratka SCADA/HMI nebo jen SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), kterou lze volně interpretovat jako systém pro dohled, řízení a získávání dat, případně systém pro nadřízenou úroveň řízení a sběr dat. Častěji se ale používá kratší (i když významově zúžené) pojmenování vizualizační systém. Je to univerzální programový produkt, s jehož využitím se vytváří operátorské rozhraní pro konkrétní stroj nebo technologický proces – vizualizace řízeného procesu. Umožňuje především názorné zobrazení stavu řízené technologie (obvykle formou stylizovaných technologických schémat) a její ovládání, monitorování a dokumentování jejího vývoje, dlouhodobou archivaci provozních údajů a jejich názornou prezentaci (např. formou časových grafů). Nemusí se vždy jednat o náročné vybavení velínů nebo o komplikovaná dispečérská pracoviště, mnohdy stačí několik „obrazovek“ (obr. 5.4 na str. 144 a 145).

5.7.9 Regulace a regulátory Jako regulace je označován zpětnovazební řídicí proces, jehož cílem je udržení stálé a požadované hodnoty řízené veličiny (např. teploty) nebo její předepsaný průběh, navzdory měnícím se okolním podmínkám a působení rušivých vlivů (obr. 5.7). Obvykle je regulační proces tvořen dvěma bloky – řízená soustava S (předmět řízení), na níž prostřednictvím akční veličiny u působí regulátor R (regulační systém). V regulátoru je porovnávána skutečná (y) a žádaná hodnota (w) regulované veličiny – jejich rozdíl se označuje jako regulační odchylka e = w – y. Regulace je tedy nepřetržitý proces kompenzování regulační odchylky (s větším či menším úspěchem). Regulátor je zařízení, které reguluje – udržuje stálou hodnotu řízené veličiny (např. teploty nebo hladiny) nebo její předepsaný průběh. Existuje nepřehledně mnoho typů a provedení regulátorů pro různé typy procesů, s různou kvalitou regulace a v různých cenových relacích. Může jím být termostat v žehličce nebo v hlavici otopného tělesa, jednoduchý regulátor etážového topení, pokojový modul distribuovaného systému IRC, nebo programovatelný automat (PLC) s programem regulace – může realizovat jednoduchý algoritmus regulace (např. logický nebo PID, pro který má obvykle zvláštní instrukci nebo programovou komponentu), ale i náročný regulační algoritmus se schopností automatického nastavování parametrů. Jako regulátor se obvykle označuje i PLC s programem, který kromě dílčích regulačních úloh komplexně řídí i celý technologický proces (např. chemický reaktor, výrobu piva, výměníkovou stanici, otopnou soustavu či klimatizační soustavu). 163

5


Mechatronika Často jsou nabízeny předem naprogramované regulátory v kompaktním panelovém provedení. Existují ve dvou kategoriích. Kompaktní regulátory pro průmyslové aplikace (průmyslové regulátory) jsou robustní a univerzální přístroje, schopné spolehlivě regulovat nejrůznější typy veličin, které se v průmyslových aplikacích vyskytují. Proto jsou vybaveny univerzálními vstupy a výstupy, na které je možné připojit senzory a akční členy pro obvyklé regulované veličiny. Proto jsou průmyslové regulátory poměrně drahé. Kompaktní regulátory pro techniku budov jsou naopak konstruovány tak, aby byly co možná nejlevnější a mohly být dostupné i pro uživatele bytů, rodinných domů nebo nevelkých budov. Svými vstupy a výstupy jsou přizpůsobeny pro nejpoužívanější typy senzorů měření teploty (obvykle odporových teploměrů Ni1000) a obvyklých akčních členů. Jejich program je řešen buď jako jednoúčelový pro jeden typ aplikace (např. pro řízení určité třídy plynových kotlů) nebo obsahuje soubor programových komponent pro různé aplikace obdobné složitosti, které se volí při parametrizaci systému. Regulační systém pro budovy může být i uživatelsky programovatelný, obvykle v jednoduchém grafickém jazyce, v němž si uživatel „nakreslí“ regulační schéma své úlohy a zadá potřebné parametry.

5.7.10 Distribuovaný regulační systém IRC Zvláštní kategorií regulátorů pro techniku budov je stavebnice pro distribuovaný regulační systém IRC (Individual Room Control – řízení jednotlivých místností). Prvky systému IRC jsou kompaktní regulační podsystémy a komunikační moduly. V každé místnosti je instalován místní regulační podsystém (pokojový modul – obr. 5.14). Jednotlivé pokojové moduly jsou navzájem propojeny sériovou linkou (např. podle obr. 5.15b) a mohou komunikovat s ostatními systémy v budově (např. s regulátorem kotelny, klimatizace, a s dalšími řídicími systémy technického vybavení budovy nebo celé firmy, případně s jejím informačním systémem, se systémem zabezpečení a řízení přístupu, s požárním zabezpečovacím systémem. Pokojový modul udržuje potřebnou teplotu místnosti podle individuálně zadaného časového programu (např. podle obr. 5.15a) a v závislosti na přítomnosti osob, otevření oken, venkovní teplotě nebo na požadavcích provozovatele budovy. Může ovládat i světelné a zásuvkové okruhy (např. při dlouhodobé nepřítomnosti osob zhasne osvětlení a vypne televizor). Uvádí se, že systémem IRC lze dosáhnout výrazně nižší spotřeby energie než při použití jiných typů regulátorů. Výrazný efekt vzniká sečtením mnoha drobných úspor v jednotlivých místnostech a za krátké časové okamžiky. Tradiční regulátory centrálně ovládají teplotu v celé budově, v lepším případě v oddělených sekcích (např. odděleně jižní a severní část budovy). Některé místnosti mohou být chladné, jiné přetopené, některé se vytápějí, i když nejsou obsazeny. 164

Obr. 5.14 Ukázky prvků distribuovaného systému IRC (Individual Room Control)

Přehled řídicích systémů Distribuovaný systém IRC reaguje na všechny individuální a krátkodobé odlišnosti ve stavu a požadavcích („stokrát skoro nic...“). Důležitou vlastností je reagování na nepřítomnost osob nebo na otevření okna (i krátkodobé), kdy se omezí přísun tepla. Přínos se projeví zejména v administrativních budovách nebo hotelech a penzionech, u jejichž osazenstva nelze očekávat uvědomělou snahu o hospodaření s energií, kterou sami neplatí. Systém IRC bývá součástí vyššího distribuovaného systému budovy nebo areálu firmy, který dále ovládá zdroje tepla a chladu a díky souhrnné informaci o stavu ve všech místech budovy může reagovat podstatně komplexněji a kvalitněji, může optimalizovat hospodaření a řešit diagnostické úlohy. Informace o obsazenosti místností může být zhodnocena v zabezpečovacích a přístupových systémech nebo v případě požáru či jiné mimořádné události.

5.7.11 Regulátory pohonů Zvláštní třídou regulátorů jsou regulátory elektrických pohonů nebo servopohonů. Zdánlivě to jsou jen převodníky vstupní informace (obvykle elektrického napětí nebo číselného údaje předaného průmyslovou sběrnicí) na odpovídající rychlost elektromotoru – ovladače elektromotorů. Ve skutečnosti je to komplikované zařízení, které obsahuje regulátor a obvody pro výkonové ovládání motoru. Pro různé typy motorů, pro různé obory použití a pro různé způsoby řízení se používají jiné typy regulátorů (např. pro řízení stejnosměrných nebo střídavých pohonů posuvů obráběcích strojů, pro řízení vřeten, pro řízení lineárních motorů, malých elektromotorků

165

5


Mechatronika

Obr. 5.15a, b Schéma možné struktury komunikace modulů systému IRC

apod.). Lze mezi ně zařadit i frekvenční měniče (měniče frekvence). Existují i regulátory pro řízení spojitě pracujících pneumatických motorů.

5.7.12 Systémy NC a CNC Řídicí systémy označované zkratkou NC (Numerical Control) nebo CNC (Computerized Numerical Control) jsou určeny k řízení strojů a mechanismů, u nichž je požadováno nastavování zadaných poloh (polohování) nebo řízení pohybu po zadané dráze a se zadanou rychlostí (spojité řízení). Nejčastěji jsou jimi řízeny obráběcí stroje (soustruhy, frézky, vrtačky, brusky, hoblovky), tvářecí a dělicí stroje (lisy, nůžky, vysekávací lisy, stroje pro řezání plamenem, plazmou nebo vodním paprskem), roboty, manipulační a přepravní mechanismy, kreslicí a vyřezávací stroje (plotry), měřicí stroje, stroje pro elektroerozivní obrábění, automaty pro vrtání a osazování plošných spojů, svařovací stroje a různé jednoúčelové stroje (např. pro zatloukání hřebíků při výrobě dřevěných palet, pro střihání látek, šití a vyšívání). Anglický přívlastek numerical se překládá jako číslicový, občas se jen počešťuje jako numerický. V systémech NC jsou zpracovávány číslicové údaje, ale zcela jiným způsobem než v číslicových algoritmech, jakými jsou číslicové regulátory nebo číslicové filtry – těm v angličtině odpovídá přívlastek digital. Do češtiny se někdy přejímá jako digitální, např. v souvislosti s te166

Přehled řídicích systémů levizí, záznamem nebo zpracováním zvuku a obrazu, fotografováním a filmováním – viz např. DVD). Regulační systémy s číslicovými algoritmy (zejména pro budovy) se někdy označují zkratkou DDC (Direct Digital Controller). Přívlastek computerized (ve významu počítačové, počítačem realizované) má dnes již jen historický význam. Původně odlišoval starší systémy NC (které byly realizovány pevnou logikou) od modernějších CNC, které pro realizaci svých funkcí využívaly počítače nebo později mikroprocesory. Dnes jsou všechny systémy NC realizovány jako CNC, takže není co rozlišovat. Pro označení řídicích systémů se přesto ustálilo pojmenování systém CNC (opačné pořadí slov – CNC systém je častější, i když z jazykového hlediska méně vhodné), občasné pojmenování systém NC označuje totéž. V souvislosti s technologií obrábění, s programem, s charakteristikou stroje se častěji používá zkratka NC, například NC programování (programování systému CNC), NC program (program pro CNC), NC stroj (číslicově řízený stroj, stroj vybavený systémem CNC) apod. Systémy CNC jsou rovněž uživatelsky programovatelné. Jejich uživatelský program je zakódovaným postupem jak obrobit součást s požadovaným tvarem a kvalitou povrchu nebo jak provést potřebný technologický postup (např. z tabule plechu oddělit soubor dílů požadovaného tvaru, smontovat výrobek, svařit díl karoserie nebo jej nalakovat). Vnitřní program systému CNC interpretuje vnější uživatelský program (někdy se používá pojmenování program obrábění, technologický program, program dílce, patrprogram). Obsahuje především příkazy geometrického typu (souřadnic koncových bodů jednotlivých úseků dráhy, souřadnice středů kružnic) a údaje o tom, jak je interpretovat – např. zda mají význam skutečných poloh (absolutní programování), nebo jen přírůstků polohy (přírůstkové programování), zda se pohyb uskuteční po přímkovém úseku (lineární interpolace), po úseku kružnice (kruhová interpolace) nebo jen do koncového bodu bez definovaného průběhu dráhy (polohování), zda se pohyb uskuteční zadanou rychlostí nebo v závislosti na otáčení vřetena (závitování), jaké údaje budou použity pro posunutí počátku nebo pro korekci rozměrů nebo polohy nástroje a jakým způsobem se zpracují (zda se bude korigovat posunutí špičky nástroje nebo jeho poloměr, zda je nástroj uvnitř nebo vně roku apod.). Obvykle je třeba ještě zadávat příkazy technologického typu, např. technologické operace, které se v průběhu pohybu (obrábění) budou vykonávat, a podmínky za jakých se bude pohyb uskutečňovat, např. rychlost posuvu, stoupání závitu, rychlost a směr otáčení vřetena, výměna nástroje, kontrolní operace apod. Zadat lze i příkazy organizačního typu, např. přerušení programu, jeho ukončení, skoky v programu, volání podprogramů a pevných cyklů. Tradičně se program obrábění zapisuje ve formátu ISO. Příkazy se zapisují do bloků (vět), přičemž každému úseku dráhy odpovídá samostatný blok. Jednotlivé příkazy se označují jako slova. Každé slovo začíná písmenovým znakem, který určuje skupinu příkazů a obsahuje číselný údaj. U rozměrových příkazů má číslo význam polohy, u technologických údajů má význam požadované rychlosti posuvu, otáček vřetena, čísla nástroje nebo kódové kombinace požadované aktivity. Uveďme příklad typického bloku: n150 g01 g91 x297.35 z51.3 f2500 s350 m03 n150 … g01 …

začátek bloku s číslem 150 přímkový úsek (lineární interpolace) 167

5


Mechatronika g91 …

přírůstkové programování (polohové údaje mají význam přírůstku do cílové polohy) x297.35, z51.3 … rozměrové příkazy – přírůstky do cílové polohy v osách X a Z (řádová tečka je za jednotkami milimetrů) f2500 … rychlost posuvu 2500 mm/min s350 … rychlost otáčení vřetena 350 ot/min m03 … roztočení vřetena vpravo K programování systémů CNC se někdy používají vyšší programovací jazyky. Nejproduktivnější je začlenit vytvoření programů do sytému automatizovaného navrhování a zrychlené tvorby prototypů. Program dílce pro daný typ systému CNC tak vznikne jako jeden z produktů návrhového systému CAD a vygeneruje jej specializovaný programový modul – postprocesor. Pro malé provozy, kde jsou provozovány jen ojedinělé NC stroje, se obvykle takové systémy nevyplatí a používají se tradiční postupy programování ve formátu ISO. Program se tvoří buď na specializovaném počítačovém pracovišti, nebo někdy přímo u stroje při prvním obrobení požadované součásti. Kromě samotného vykonávání programu obrábění se od systému CNC očekává i komfortní operátorské rozhraní, které názorně zviditelní aktuální stav stroje a vykonávaných operací, umožní přehlednou orientaci v programu i jeho editování a zadávání. Obvyklou funkcí je simulační režim, ve kterém lze formou grafické animace zviditelnit průběh obrábění s ověřovaným programem a odhalit možné chyby a prostorové kolize. Další významnou funkcí současných systémů CNC je realizace pomocných funkcí stroje. Jedná se o nižší úroveň řízení samotného stroje, logické ochrany a diagnostické funkce, ovládání pomocných mechanismů a ostatní funkce, realizované logickým systémem. Dříve byly jako přizpůsobovací obvody stroje realizovány samostatným programovatelným automatem, který komunikoval se systémem CNC. V současnosti obvykle zastává tyto logické funkce systém CNC. Obvykle se mluví o rozhraní stroje nebo o PLC části systému CNC. Kromě základních úloh logického řízení realizuje i další náročnější operace, např. řízení pomocných souřadných os, manipulátorů, podavačů, výměny nástrojů a obrobků. Funkčně lze na systému CNC lze rozlišit tři významné funkční celky (vizuálně obvykle ne): část NC (řeší všechny úlohy související s řízením poloh a geometrii pohybu a s vykonáváním programu obrábění), část PLC (řeší logické a diagnostické úlohy, související se samotným strojem, jeho mechanismy a přístroji) a editor (řeší operační rozhraní a komunikaci s obráběčem a programátorem, komunikuje s nadřazeným počítačem a programovacím pracovištěm, dovoluje zadávání, úpravy a archivaci programů a jejich ověřování).

5.7.13 Řízení pohybu, polohy a dráhy v PLC, Motion Control Úlohy řízení pohybu, polohy a dráhy často řeší i v programovatelné automaty – pro tyto funkce se obvykle používá anglická zkratka MC (Motion Control). Při řízení nenáročných mechanismů, manipulátorů (ale i výtahů) jsou cílové nebo koncové polohy vymezeny zvláštními binárními senzory. Pak se problém redukuje na sekvenční logické řízení. Často je ale nutné měřit a spojitě vyhodnocovat polohu nebo otáčení v celém rozsahu pohybu mechanismu. Nejčastěji se používají přírůstkové snímače v rotačním nebo lineárním provedení, vzácněji absolutní snímače, někdy jen binární snímače v kombinaci s různými clonkami, „vrtulkami“ a ozubenými koly. Při pomalém pohybu nebo hrubém rozlišení polohy lze polohu měřit a vyhodnocovat programem PLC. Pro rychlejší pohyb nebo jemné rozlišení je třeba využít zvláštní služby (rychlé čítací vstupy) 168

Přehled řídicích systémů nebo moduly PLC (moduly rychlých čítačů a moduly vyhodnocení snímačů polohy). Porovnávat, zda bylo dosaženo cílové polohy nebo je v zadaném pásmu, může opět program PLC. K řízení pohybu po zadané spojité dráze je opět nutné použít specializované moduly, např. moduly řízení servopohonů, interpolační moduly. V sortimentu modulárních PLC obvykle takové moduly existují pro různé typy pohonů a snímačů, např. pro spojitě řízené servopohony nebo pro pohony s krokovými motory. Někdy jsou využívány oddělené, autonomně fungující moduly MC, které s programovatelným automatem jen komunikují. Takto bývají řešeny především ovládací moduly servopohonů a krokových motorů, někdy i autonomní měřiče a indikátory polohy, případně i „chytré“ snímače polohy, které jsou schopné vypočítávat údaj o poloze a komunikovat s průmyslovou sběrnicí. Sem lze zařadit i měniče frekvence. Programovatelné automaty s funkcemi MC se nesnaží konkurovat systémům CNC – a už vůbec ne v tradičních aplikačních oborech pro NC. Existuje ale mnoho případů, kde by funkce systému CNC byly využívány jen z malé části, a použití systému CNC by přinášelo více problémů, než užitku a prodražovalo by řešení. Především se jedná o řízení jednoúčelových strojů, pomocných manipulačních mechanismů nebo technologií, jejichž součástí je i manipulace nebo řízení pohybu (např. galvanizovny, lanovky, výtahy, skladové a logistické technologie, řetězové sklady apod.).

169

Inteligentní řízení mechatronických soustav

6

6.1 Motivační úvod Mechatronické systémy jsou (měly by být) více, než jen spojení mechanických soustav s elektrickými a elektronickými komponentami. Uveďme ilustrativní příklad z oboru číslicově řízených (NC) obráběcích strojů. Nevelký přínos bychom získali prostým spojením tradičně koncipovaného stroje (například obráběcího) se zachováním všech převodových a spojkových mechanismů a pouhým doplněním moderního řídicího systému (obvykle třídy CNC) a odpovídajících senzorů. Sice získáme něco navíc, určitý synergický efekt se dostaví, ale podstatně menší, než by mohl být při vědomém návrhu stroje jako mechatronického systému. Nepochybně bude stroj vyrábět s vyšší produktivitou, přesností a opakovatelností, bude klást menší nároky na kvalifikaci s psychickou zátěž obsluhy (operátora, obráběče), bude méně závislý na jeho psychickém stavu a pozornosti, dovolí určitou míru automatizace provozu, případně začlenění do vyššího automatizovaného systému. Zastaralá mechanická koncepce stroje je ale v mnohých směrech zbytečně komplikovaná a současně neumožní realizovat některé funkce, které nabízí moderní řídicí systém – „staré železo zůstává starým železem, starého psa novým kouskům nenaučíš“. Například komplikované převodové spojkové mechanismy jsou nadbytečné a komplikují konstrukci stroje. Současně omezují jeho možnosti (např. prodlužují ztrátové časy, omezují maximální rychlosti, jsou zdrojem nadměrného hluku a ztrát energie v důsledku tření, kladou zbytečně vysoké nároky na mazání, komplikují údržbu, předčasně se opotřebovávají). Naproti tomu moderní obráběcí stroj, který je od počátku koncipován jako součást mechatronického systému, je konstrukčně mnohem jednodušší, přitom výrazně tužší a robustnější. Konstrukce stroje i použití moderních pohonů posuvů i vřeten dovoluje obrábět vysokými posuvovými rychlostmi i řeznými silami, které byly donedávna nepředstavitelné. Mnohé stroje jsou konstruovány pro technologii vysokorychlostního obrábění (HSC – High Speed Cutting). Přitom přesnost polohování i obrábění zůstává zachována nebo je lepší než tradičně. Konstrukci stroje pak lze rozšířit tak, aby mohl realizovat nové funkce, např. pohyb ve větším počtu směrů (současných os, stupních volnosti), natáčení či naklápění obrobku nebo frézovací hlavy, polohování vřetena, současný pohyb více vřeten. Moderní stroj obvykle umožňuje automatickou výměnu nástroje, automatické měření na nástroji a i obrobku a další funkce. Takový stroj je podstatně produktivnější a univerzálněji použitelný a zajišťuje vyšší kvalitu obrábění. Dovoluje obrábět i velmi komplikované prostorové tvary nebo realizovat komplexní obrobení dílu při jediném upnutí. Jsou tak redukovány ztrátové časy a počet operací, včetně mezioperačních skladů, manipulace a dopravy mezi jednotlivými stroji a pracovními uzly. Provoz vystačí s menším počtem strojů, které jsou lépe využity. Takový stroj dovoluje podstatně vyšší stupeň automatizace a ve všech etapách – od předvýrobních etap (s využitím návrhových systémů CAD, rychlého prototypování a automati171

6

INTELIGENTNÍ ŘÍZENÍ MECHATRONICKÝCH SOUSTAV

Mechatronika zovaného programování a tvorby výrobní dokumentace), samotné výroby i následných operací (měření, kontroly a technické diagnostiky). Přitom platí, že pokroky v jednotlivých oborech, nových prvcích, materiálech, technologiích a konstrukčních principech vyvolávají změny a následný pokrok v dalších oborech. Například vysokoobrátkové pohony vřeten vedly k vývoji nových konstrukcí vřeten a následně i strojů, senzorů otáček vřeten a k novým funkcím řídicích systémů. Velký výpočetní výkon, paměťová kapacita, komunikační možnosti a počítačová struktura řídicích systémů CNC dovoluje „hrubou výpočetní silou“ řešit mnohé funkce, které byly donedávna neřešitelné nebo byly řešeny jen kompromisním způsobem. Není již nutné omezovat se jen na pohyb po úsecích přímek a kružnic (lineární a kruhovou interpolaci). Řadou bodů lze proložit úseky parabol třetího a vyššího řádu (splainová interpolace), které na sebe hladce navazují (se shodnými tečnami) a generuje je systém CAD. Podobně lze řešit program pro složitou dráhu jako sled extrémně krátkých přímkových úseků, opět generovaných systémem CAD. Filtrací zadaných poloh lze vyhladit průběh dráhy a omezit špičková zrychlení a rázy stroje. Pro systém CNC není problémem doba výpočtu polohových údajů při přechodu mezi bloky programu ani archivování údajů až ze stovek bloků, které jsou zpracovány v předstihu. Velký pokrok představuje i moderní konstrukce pohonů pro posuvy a jejich „chytré algoritmy“ řízení, které zajišťují jejich vysoký výkon a krouticí moment v širokém rozsahu. Obor kvalitního řízení pohonů je stále aktuální a průběžně se vyvíjejí nové algoritmy jejich optimálního řízení při měnících se podmínkách, využívání a adaptace modelů a nelineární algoritmy, které mnohdy využívají principy umělé inteligence. Trendem je sbližování motorů s jejich regulátory, senzory polohy a s řídicími systémy – jak z pohledu algoritmů, tak i prostorově. Senzory polohy a natočení bývají neoddělitelnou součástí motorů a jejich údaje jsou využívány k regulaci motoru (komutaci i k regulaci v rychlostní vazbě) a současně i k řešení polohové vazby v systému CNC. Podobně i výstupy systému CNC více „vycházejí vstříc“ možnostem regulátorů pohonů. Ty jsou někdy řešeny jako modul systému CNC. Centrální jednotky systémů CNC bývají často řešeny jako vestavné počítače standardu PC. Z toho vyplývají i jejich komunikační možnosti, možnost začlenění systému CNC do sítě počítačů a dalších systémů a komunikace rozhraním Ethernet (touto cestou jsou obvykle předávány programy). Systém CNC tak snadno získává přístup ke standardním programům, službám a periferiím, které jsou pro PC obvyklé (např. k paměťovému disku nebo rozhraní USB). V historii mnohých mechatronických systémů lze zaznamenat vývoj od jednoduchých mechanických systémů ke stále složitějším, s postupnou mechanizací (používáním pohonných mechanismů na různém principu), elekronizací a automatizací, až k současným vyspělým mechatronickým systémům. V některých případech se mechanický podsystém vytratil a vznikl elektronický systém. Příkladem mohou být přístroje na měření času (elektronické hodiny) nebo na záznam a reprodukci zvuku a obrazu. Zůstaňme u náramkových hodinek. Jejich mechanismus byl postupně vylepšován a zdokonalován, bylo vyřešeno jejich automatické natahování, některé strojky zvládaly korekci času při přechodu mezi měsíci s 30 a 31 dny, dokonce i mezi přestupnými roky, pak byl vynalezen a masově používán bateriový pohon a pohonný systém typu kvartz, až s rozvojem číslicové techniky byl mechanický princip měření a indikace času nahrazen čistě elektronickým. Zdálo se, že tím končí éra mechanických a mechatronických principů v hodinářství. Ale ukázalo se, že spojité zobrazování času je pro člověka přirozenější než samotný číslicový údaj a v současnosti jsou čís172

Motivační úvod licové hodinky spíše výjimkou. Svou roli zde sehrála i obliba tradičních mechanických principů a uklidňující periodické zvuky (tikání), částečně i snobismus a móda s oblibou dražších „solidnějších“ výrobků. Podobný, ale komplikovanější vývoj lze zaznamenat u přístrojů pro záznam zvuku. Fonograf a staré gramofony byly čistě mechanické přístroje. Mechanický (ruční) byl jejich pohon, na mechanickém principu byl realizován i záznamu a reprodukce zvuku. Postupně se gramofony zdokonalovaly a modernizovaly, používaly se elektrické pohony, nejprve s mechanickou stabilizací otáček, později s elektrickou regulací a s frekvenčními měniči. I reprodukce zvuku se stávala elektronickou. Převratný vynález představoval magnetický záznam zvuku. U historických přístrojů byl nosným médiem ocelový drát, tradičně však tenký pásek s povlakem feromagnetického materiálu. První magnetofony byly cívkové a jejich pohon zajišťoval centrální motorek. Později bylo používáno více motorků, pak vznikly kazetové magnetofony, „walkmany“ apod. V akustickém řetězci byly obvyklé obvody pro korekci frekvenční charakteristiky (ekvalizéry) a u komfortnějších přístrojů i různé způsoby potlačení šumů (např. systém DOLBY). Zlom představovala číslicová technika. Nejprve byla uplatněna na magnetických páskách, později na kompaktních discích (CD). Ještě donedávna se disky s číslicovým záznamem zvuku v různých formátech záznamu a velikostech (miniaturní disky, DVD) jevily jako nepřekonatelné médium pro záznam zvuku, dokud nebyly nedávno překonány polovodičovými paměťovými moduly, ať již v domácím provedení, nebo jako přenosné přístroje (samotné přehrávače nebo integrované s mobilním telefonem nebo přenosným počítačem). Podobně jsou řešeny i přenosné záznamové přístroje (diktafony). Důvodem, proč se z mechanického a později mechatronického výrobku stal produkt čistě elektonický, je skutečnost, že v nich nejprve byly využívány principy záznamu zvuku, které vyžadovaly pohybující se záznamové médium – nejprve voskový válec, pak gramofonovou desku, magnetickou pásku nebo disk a později disk s opticky čteným záznamem (CD, DVD apod.). Při dostupnosti polovodičových pamětí s dostatečnou kapacitou v dostatečně malém objemu a za přijatelnou cenu se zařízení s pohybujícím se médiem stávají nepotřebnými a zbytečně komplikovanými a zranitelnými. Podobný je „příběh“ zařízení pro záznam obrazů, fotografie, filmu a televizního záznamu, ale i paměťových médií počítačů (s tím, že zde se navíc a po dlouhou dobu používaly děrné štítky a děrné pásky). Ostatně i první kalkulátory pracovaly na mechanickém principu a první počítače byly reléové, tedy opět mechatronické. Ne všechny mechatronické systémy a výrobky ale čeká podobná závěrečná fáze vývoje. U většiny z nich je mechanický princip nenahraditelný. Příkladem jsou již zmiňované obráběcí stroje. K obrábění je nezbytná existence relativního pohybu břitu nástroje vůči obrobku. Při soustružení se obrábění uskutečňuje rotací obrobku vůči noži, který je pevně zafixován v držáku nástrojů na suportu a pohybuje se po programované dráze. Při frézování je zdrojem řezné síly rotující nástroj ve vřetenu (fréza) a tvar obráběné součásti je zajišťován relativním pohybem nástroje a obrobku (obecně po velmi komplikované prostorové dráze). Při vrtání lze využít oba principy, ale pohyb se uskutečňuje jen ve směru osy vrtáku. Základní principy zůstávají, vyvíjí se ovšem způsob a kvalita procesů, za jakých k obrábění dochází, současné obráběcí stroje a řídicí systémy jsou nesrovnale „chytřejší“ než donedávna používané. U tvářecích a dělicích strojů nemusí docházet k tradičnímu obrábění a materiál je obvykle oddělován postupnými údery vysekávacího nástroje nebo laserového, plazmového či vodního paprsku podél zadané dráhy. Zde se chytrost soustřeďuje do optimalizace dělicího procesu, minimalizace ztrátových pojezdů a optimalizace 173

6


Mechatronika využití materiálu (minimalizace odpadu). Podobným procesem je řízení jeřábů. Zde jde nejenom o řízení pohybu břemena v zadané výšce a po zadané dráze. Velmi aktuálním problémem je dosažení takové dynamiky pohybu, aby nedocházelo k rozkývání břemena, ke kolizi s překážkami, a aby byla minimalizována doba ustálení nad cílovou polohou. To je významné zejména ve výrobních halách, v přístavech, překladištích a kontejnerových terminálech. Zkušený jeřábník tento problém zvládá spolehlivě a bez velkého přemýšlení, ale automatické řízení jeřábu je stále komplikovaným problémem, který je obvykle řešen prostředky umělé inteligence. Vraťme se k fotoaparátům. Dlouho byly používány tradiční přístroje, kde všechny funkce byly řešeny na mechanickém principu a „na ruční pohon“ – převíjení snímků, zpětné převíjení filmu, natažení závěrky, ostření i zadání podmínek expozice. U moderních fotoaparátů je většina z těchto funkcí automatizována. Veškeré pohony jsou řešeny elektrickými motorky – nejenom převíjení filmu, ale i změna optických vlastností objektivu (zoom). Automatizovány jsou ale i poměrně náročné operace, které by bylo možno považovat za doménu lidského myšlení, odhadu a tvořivého záměru, především ostření a volba světelných podmínek pro expozici. U číslicových (digitálních) fotoaparátů odpadla manipulace s filmem a přibyly nové možnosti a režimy (volba rozlišení záběru, korekce barev a kontrastů, videosekvence, záznam zvuku). Některé režimy zaostřování a optimalizace světelných podmínek mají přívlastek „fuzzy“, čímž výrobce naznačuje, že fotoaparát má některé prvky umělé inteligence a lidského uvažování. Podobnými přívlastky se chlubí i výrobci videokamer, automatických praček, vysavačů, ledniček apod. Někdy označují skutečně nadstandardní „chytrost“ nebo dokonce náznak umělé inteligence, funkce, kterou by rutinní uživatel možná ani nezvládl. Někdy se ale jedná spíše o reklamní trik. Např. automatické pračky s fuzzy režimem jsou obvykle vybaveny senzory, které dovolují zjistit množství a znečištění prádla a podle něho modifikují režimy praní – k tomu stačí několik nepříliš komplikovaných pravidel ve fuzzy logice (nebo lze danou závislost realizovat i jinak). Velmi rozsáhlou oblastí pro vývoj a použití mechatronických systémů je doprava, manipulace, skladové hospodářství a logistika. Obvykle si neuvědomujeme, že nejrozšířenější dopravní prostředek – osobní automobil – je současně velmi komplikovaným mechatronickým systémem. Jeho elektroinstalace a elektronická výzbroj pro řízení a diagnostiku se na jeho ceně podílí významnou měrou, uvádí se, že její podíl se počítá v desítkách procent. Mnohé z podsystémů jsou velmi „chytré“. Výrobci automobilů vyvíjejí (nebo mají již v záloze vyřešeny) různé nové principy konstrukce automobilů a jejich podsystémů. Jednou z možností je oddělená konstrukce karoserie a podvozku. Z toho vyplývá, že jednotlivé ovládací prvky, včetně volantu, již nejsou s podvozkem spojeny táhly, ale jen prostřednictvím konektorů a sériové komunikace. Volant pak již nemusí být tradičním „kolem na tyči“, ale může být řešen jen jako „opora pro ruce řidičovy“, jejíž natočení je elektronicky snímáno a vyhodnocováno. Nemusí mít tvar kola, ale může být řešen podobně jako v letadle nebo jako u pásových strojů. Technicky je možné cokoliv, důležité je, co řidiči přijmou. Zásadně novým principem je konstrukce hybridních automobilů. Spalovací motor zde pohání elektrický generátor, zatímco pohon kol zajišťují elektromotory. Zde je velmi široký prostor pro „chytré řízení“ a optimalizaci provozu v různých režimech – při ustáleném režimu jízdy na dálnici, v městském provozu, při rozjezdech a brždění – rozhodování, kdy má být energie pohybu ponechána ve formě roztočeného setrvačníku nebo rekuperována na elektrickou a ukládána do

174

Chytrost a inteligence akumulátorů, kdy je výhodnější k akceleraci využít energii ze spalovacího motoru nebo z akumulátoru apod. Řízení automobilu je tradičně považováno za „lidskou aktivitu“ (aktivitu „lidského operátora“), tradičně neautomatizovatelnou. Stále víc se ale uvažuje o její postupné automatizaci – už proto, že řízení automobilů je příčinou mnoha vážných úrazů a nadměrně zaměstnává mnoho pracovníků. Nejdále jsou experimenty se zapojováním vozidel do kolony a její automatické vedení po dálnici. S tím souvisí především automatické rozpoznání okrajů jízdních pruhů, ale i rozpoznání odstupů mezi vozidly a jejich automatické udržování. Řeší se i důležitý problém diagnostiky způsobilosti řidiče a včasné rozpoznání jeho mikrospánků, které jsou nejčastější příčinou havárií na dálnicích. Řešena je automatizace dílčích manévrů při obvyklých dopravních situacích. Nejsou to úkoly snadné a jejich řešení je v počátcích. Je to ale velmi perspektivní obor, který lze považovat za součást mechatroniky. Je nesporné, že zde se uplatní velká míra „chytrosti i umělé inteligence“. Podobný okruh problémů je spojen s řízením mobilních robotů, pokud je od nich požadováno víc než jen řízení na dálku – teleprezentace. Občas můžeme v televizi vidět požární nebo pyrotechnický robot, vojenské (útočné nebo průzkumné) roboty obvykle nespatříme. S autonomní aktivitou robotů obvykle souvisí i orientace v terénu na základě rozpoznávání obrazové informace a analýzy obrazové scény (strojového vidění). S rozpoznáváním obrazů se ale můžeme setkat i ve zdánlivě banálních situacích. Kamerové senzory, které rozpoznávají vizuální informaci, se už používají poměrně často, například při kontrole čistoty lahví v potravinářském průmyslu a při kontrole a monitorování produkce v různých oborech. Jsou obvyklé při identifikaci osob podle biometrických údajů, např. podle otisku prstů, dlaně, podle snímku obličeje či duhovky oka nebo podle hlasu. Obvyklé je i rozpoznávání písma (např. tištěných dokumentů nebo ručně vyplněných formulářů) nebo rozpoznání státní poznávacích značek automobilů z jejich kamerových snímků (obvykle po překročení rychlosti nebo jiném přestupku). Jakkoliv je problém rozpoznávání obrazů a jiných situací komplikovaný problém (na zvládnutí teorie i techniky) a vyžaduje značnou míru inteligence, může být využití jeho řešení poměrně jednoduché, např. využití dvouhodnotového signálu senzoru ve významu „čistá–znečištěná láhev“ nebo „výrobek typu A–typu B“.

6.2 Chytrost a inteligence V předchozím textu jsme bez vysvětlení několikrát použili přívlastky „chytrý“ a „inteligentní“. Často se používají i v praxi – a i zde obvykle chybí náležité vysvětlení, co vlastně znamenají. Jejich význam bývá víceznačný, mnohdy matoucí, a často se používají ve shodném či podobném významu. Při setkání s nimi je vhodná jistá opatrnost, případně upřesňující otázka, aby nedošlo k omylu nebo dezinformaci. Obvykle je přijímáno následující významové rozlišení. Přívlastek chytrý (v angličtině obvykle smart) vyjadřuje skutečnost, že daný objekt (obvykle řídicí systém, program, princip, postup nebo algoritmus) je nadstandardně promyšlený, prokombinovaný, obsahuje neobvyklý nápad, nebo je jinak „mazaný“ či „vychytralý“. Někdy ovšem označuje pouhou skutečnost, že obsahuje mikroprocesor, mikrořadič, zabudovaný počítač nebo dovoluje sériovou komunikaci – tedy jako protiklad k přívlastku „konvenční“, „průměrný“, „zastaralý“, „hloupý“. V souvislosti se senzory nebo akčními členy obvykle vyjadřuje skutečnost, že je schopen komunikovat s některou ze standardních průmyslových sběrnic a řešit některé nadstandardní 175

funkce, např. technickou diagnostiku, hlášení stavu nebo dálkové programování a seřizování parametrů. Například chytrý (smart) senzor je obvykle možné na dálku přeadresovat, umí rozpoznat a ohlásit svou závadu nebo nevěrohodnost svých údajů, chytrý akční člen (např. ventil) dovede nejenom vykonat samotný povel k otevření či zavření, ale je vybaven regulátorem, který průběžně zajišťuje požadovanou hodnotu řízené veličiny (např. reguluje průtok). Přívlastek inteligentní by měl být používán ve významu vykazující určitou míru umělé inteligence, tedy určité vlastnosti typické pro lidské myšlení. Obvyklé inteligentní systémy však za naší lidskou inteligencí „významně pokulhávají“. Spíše jde o to, že jsou realizovány s použitím některého principu, který je považován za přístup k umělé inteligenci nebo též k inteligentním systémům – někdy se v té souvislosti používá pojmenování soft computing (český ekvivalent se neustálil, ale mohl by znít neostré výpočty). Z algoritmů inteligentních systémů (soft computing) se v praxi asi nejčastěji setkáme s fuzzy logikou a fuzzy algoritmy, s umělými neuronovými sítěni a s neuronovými algoritmy nebo s genetickými algoritmy, které jsou obvykle považovány za podmnožinu evolučních algoritmů. Často se používají jejich vzájemné kombinace (například neuro–fuzzy algoritmy nebo fuzzy–neuro, neuronové sítě s genetickým učením), ale i kombinace s jinými principy, např. fuzzy automaty, fuzzy regulátory, fuzzy čísla a fuzzy počítání, fuzzy expertní systémy apod. V následujících odstavcích budou jen velmi stručně popsány základní principy těchto tří přístupů k umělé inteligenci, pouze pro všeobecnou orientaci a „tušení souvislostí“. Nejvíce prostoru je věnováno fuzzy logice, protože její pochopení je nejsnazší. Je zde prezentována jako prosté zobecnění tradiční dvouhodnotové (booleovské) logiky a je nejblíže lidskému i obvyklému formulování problémů logického typu. Model neuronu (prvek neuronové sítě, základní model chování nervové buňky) je zde popsán jako jedna z možností fuzzy zobecnění prahové funkce. Z nich jsou pak sestavovány neuronové sítě různých struktur. Jejich učením se zde již nebudeme zabývat. Princip genetických algoritmů bude popsán jen velmi stručně. O každém z oborů lze napsat obsáhlou monografii. Není v možnostech učebnice mechatroniky poskytnout vyčerpávající informace o inteligentních algoritmech, není to ani účelem tohoto předmětu. Přesto se ale může čtenář a absolvent stát jejich uživatelem, podobně jako může používat jiné produkty, které lze označit jako chytré či inteligentní.

6


Mechatronika

6.3 Minimum o fuzzy logice 6.3.1 Důvody pro fuzzy logiku Od dětství jsme vychováváni v duchu dvouhodnotové logiky. Je po nás žádáno, abychom na jasné otázky dávali jasné odpovědi typu „ano–ne“, „je to pravda–není to pravda“, „je to černé–je to bílé“. Na těchto pravidlech je vybudován matematický aparát matematiky. Na principu dvouhodnotové logiky pracují i počítače a všechna číslicová zařízení, s kterými se setkáváme v odborné praxi, např. řídicí systémy CNC nebo PLC, binární senzory, komunikační systémy, regulátory), i v soukromém životě (např. mobilní telefony, digitální fotoaparáty, přenosné přehrávače apod.). Naše skutečná řeč i způsob uvažování se ale značně liší od přísně jednoznačných zásad matematické logiky. Až příliš často používáme „zamlžující“ a „rozostřující“ slůvka asi, nejsem si jistý, možná, přibližně, zřejmě, pravděpodobně, domnívám se, předpokládám, podle mého názoru, víceméně, téměř, spíše ne, v zásadě ano, tak na 70 % ano. Někdy to bývá považováno za poho176

Minimum o fuzzy logice dlnost v myšlení a nedostatečnou kulturu vyjadřování. Problém je ale hlubší. Ne vždy známe skutečnost tak přesně, abychom mohli s jistotou říci ano, tak to je, nebo jsem přesvědčen, že je tomu takto. Bližší pravdě je výrok domnívám se, že takto by to mohlo být, nebo vše nasvědčuje tomu, že je to takto. Jestliže naše znalosti a názory jsou zatíženy nejistotou, je přirozené a korektní je sdělovat i s „oznámkováním“ této neurčitosti.

Obr. 6.1a, b, c, d, e, f, g K realizaci systému pro diagnostiku ložisek

Další problém se vyskytuje při vyhodnocení přesných a jednoznačných údajů. Předpokládejme, že máme realizovat program (např. pro programovatelný automat, PLC), který vyhodnocuje vibrace a teplotu měřené na ložisku a má stanovit výslednou diagnózu. Předpokládejme, že hodnoty proměnné teplota rozdělíme do tří pásem (intervalů), které ji charakterizují výroky teplota je normální, teplota je zvýšená a teplota je vysoká. Podobně lze ohodnotit i proměnnou vibrace výroky vibrace jsou nízké, vibrace jsou vyšší a vibrace jsou vysoké (rozdělení do pásem je patrné na obdélníkových průbězích na obr. 6.1a, c). Předpokládejme, že předěl mezi pravdivostmi výroků teplota je normální, teplota je zvýšená tvoří hodnota 75 °C. To znamená, že ještě pro hodnotu 74,9 °C nebo dokonce pro 74,99 °C, budeme teplotu hodnotit jako normální, zatímco již pro 75,01 °C bude zvýšená. To neodpovídá naší zkušenosti. Rozumnější by bylo hodnotit pravdivost výroků ve smyslu fuzzy logiky, kdy každý výrok může mít spojitě odstupňovanou pravdivost mezi 0 (nepravda) a 1 (pravda). Možné průběhy pravdivostí jsou znázorněny lichoběžníkovými průběhy na obr. 6.1b, d. Pro hodnoty blízko některému předělu mohou být pravdivosti obou výroků částečně pravdivé, např. teplota je normální = 0,3 (30 %), zatímco teplota je zvýšená = 0,7 (70 %). Lze tedy tvrdit, že teplota je trochu normální (na 30 %) a trochu zvýšená (na 70 %). 177

6


Mechatronika Podobně neostře vnímáme předěl při hodnocení denního nebo kalendářního času, věku nebo postavy lidí, při hodnocení zralostí ovoce apod. Ukazuje se, že nadměrná přesnost je zde spíše na závadu a že komplikuje naše hodnocení. Ještě komplikovanější je hodnocení přechodu mezi zdravím a nemocí, mezi psychickou normálností, úchylkou a poruchou apod. Už samotné pojmy zdraví, nemoc, normálnost, odchylka od normálu, porucha se obtížně definují, tím méně zjišťují. Nelze objektivně hodnotit míru bolesti, únavy a jiných pocitů I s hodnocením objektivně měřitelných údajů mohou být problémy. Například pro někoho je teplota 37,3 °C ještě normální, zatímco jiný se při ní již cítí velmi špatně, jinou teplotu naměříme brzy ráno, jinou v pozdním odpoledni. Podobně kolísá i krevní tlak a tep. „Objektivně stanovená diagnóza“ se nemusí přesně krýt se subjektivním prožíváním a pocity pacienta ani nemusí přesně vystihovat stav jeho organismu. Pro člověka není problém, vyrovnat se s nejistotou a neurčitostí. Je to pro nás naopak přirozené. Snadno si dokážeme zbytečně přesný údaj „znejistit“. Problém ale vzniká při pokusu automatizovat své mentální pochody. Představme si, že máme za úkol třídit sklizená rajčata podle velikosti a stupně zralosti a přitom vyřadit nahnilá a přezrálá. Sami to zvládneme bez větších problémů. Problémem bude, naučit to stroj. Řízení automobilu není považováno za extrémně složitý problém. Adept jej po určité době zvládne s větším či menším mistrovstvím. Dynamiku auta a jeho řízení (např. při manévru parkování, rozjezdu nebo předjíždění) lze exaktně popsat souborem složitých a nelineárních diferenciálních rovnic (které lze velmi obtížně řešit), lze přesně změřit polohu a rychlost vozidla a celkovou situaci. Přesto je automatické řízení automobilů dosud nezvládnutým technickým problémem, přestože řidiči (lidskému operátorovi) k tomu stačí jen velmi hrubé údaje o poloze, rychlosti a směru. Např. při parkování stačí jen „hrubá analýza viděné situace“, případně doplňující údaje spolujezdce typu „ještě (asi) metr“, „ještě trochu“, „už jen kousek“. Patrně by nám mnoho nepomohl, kdyby po zevrubném měření sdělil „zbývá přesně 1 345,7 mm“. Náš mozek není „stroj“ na přesné výpočty a na řešení diferenciálních rovnic, zato mistrně zvládá neurčitost a vyhodnocování pravidel.

6.3.2 Zjednodušený výklad Proto byl vytvořen aparát fuzzy množin a fuzzy logiky. Jejím autorem je Lotfi Zadeh, který svůj první článek o ní uveřejnil v padesátých letech dvacátého století. Vzbudil živý zájem i bouřlivou polemiku a rychle se rozvíjela, prohlubovala a „košatila“ do velké tematické šíře, zejména ve svých aplikačních oborech. Jsou o ní napsány rozsáhlé monografie a učebnice. V češtině lze doporučit zejména [6] až [10], čtenářsky nejpřístupnější je patrně [9], všechny jsou ale psány z pohledu matematické logiky a jsou poměrně náročné na zvládnutí teorie. Publikace [2] se snaží podat o fuzzy logice jen minimum informací a zpřístupnit ji programátorům PLC. O popularizaci a zpřístupnění fuzzy logiky se snaží i články [11] až [15]. Fuzzy logice je věnována i kapitola ve druhém dílu učebnice [26]. V této kapitole se pokusíme o zjednodušený výklad základů fuzzy logiky jako prostého zobecnění tradiční dvouhodnotové (booleovské) logiky, pro proměnné, jejichž pravdivosti mohou nabývat hodnot mezi 0 až 1 (s rozlišením, které závisí na jejich číselné interpretaci, např. 65 536 hodnot pro 16 bitů). Za zvláštní případ fuzzy logiky pak lze považovat vícehodnotové logiky, u nichž je počet pravdivostních hodnot omezen např. na 3, 5 nebo 7 hodnot. Podobně jako jsou pro popis booleovské funkce nejčastěji používány logické výrazy, lze používat jejich nenásilné zobecně178

Minimum o fuzzy logice ní pro fuzzy logiku. Namísto dvouhodnotových proměnných se v nich budou vyskytovat fuzzy proměnné, místo booleovských operátorů AND, OR a NOT jejich zobecněné ekvivalenty. Jen je třeba se rozloučit s některými pravidly Booleovy algebry a obvyklými metodami minimalizace, které pro fuzzy zobecnění již neplatí. Je ale potřeba si pokorně uvědomit, že tím jsme zvládli jen „minimální minimum“ z teorie a praxe fuzzy logiky, že se jedná o „brutální“ zjednodušení a zúžení obvyklé problematiky, o které pojednává literatura, že neznáme širší souvislosti, neznáme odpovědi na otázky „proč“, ale pouze „jak“, tj. „takto se to obvykle dělá“.

6.3.3 Fuzzy zobecnění logických výrazů V učebnicích navrhování logických systémů bývají využívány majoritní a prahové funkce jako názorné ukázkové příklady pro ilustraci postupu návrhu a minimalizace logických výrazů. Byly popsány i v prvním dílu učebnice [1]. Shrňme jen, že jejich pravdivost závisí na počtu jedničkových operandů a pro daný počet je pak shodná pro všechny jejich kombinace – proto se též zařazují mezi symetrické funkce. Prahové funkce („alespoň k z n“ – budeme je zapisovat f_k_n) jsou pravdivé, pokud z jejích n operandů je alespoň k (k nebo více) rovno jedné. Číslo k se nazývá prahem. Zvláštním případem prahových funkcí jsou majoritní funkce. Jsou definovány pro lichý počet operandů a jsou jedničkové, pokud nadpoloviční (většinový, majoritní) počet operandů je jedničkový. Pro funkci „majorita ze tří“ platí m3 = f_2_3, pro „majorita z 5“ platí m5 = f_3_5. Obecně platí, že pro práh k obsahuje minimalizovaný logický výraz součet součinových členů délky k, ve kterých se postupně vystřídají všechny kombinace z n proměnných v základním tvaru (bez negací). Platí tedy např.: f_ 3_3(a, b, c) = abc f_2_3(a, b, c) = m3(a, b, c) = ab + ac + bc f_ 1_3(a, b, c) = a + b + c f_ 4_4(a, b, c, d) = abcd f_3_4(a, b, c, d) = abc + abd + acd + bcd f_2_4(a, b, c, d) = ab + ac + ad + bc + bd + cd f_ 1_4(a, b, c, d) = a + b + c + d Je vidět, že funkce f_3_3(a, b, c) = abc a f_4_4(a, b, c, d) = abcd jsou shodné s logickým součinem AND (platí to obecně pro f_n_n) a funkce f_1_3(a, b, c) = a + b + c a f_1_4(a, b, c, d) = = a + b + c + d je logickým součtem OR (platí to obecně pro f_1_n). Prahové a majoritní funkce se často uplatňují při řešení protipožárních zabezpečovacích systémů, kdy jsou používány senzory požáru (požární hlásiče) s binárním výstupem. Jsou používány v nadbytečném počtu a výsledná rozhodnutí o riziku požáru jsou obvykle řešena jako prahové funkce. Senzory tak jsou do určité míry zálohovány a řešení je odolné proti výpadku některého z nich. Současně je omezen výskyt planých poplachů při náhodné aktivaci některého ze senzorů. Předpokládejme, že použijeme jen tři senzory a přiřadíme jim proměnné a, b, c ve významu „riziko požáru“ (nulová pravdivost indikuje bezpečný stav, jedničková indikuje požár). Logickým zpracováním pak můžeme rozlišit tři stupně poplachu: volat_hasiče = f_ 3_3(a, b, c) = abc výstraha = f_2_3(a, b, c) = ab + ac + bc zkontrolovat = f_ 1_3(a, b, c) = a + b + c

všechna čidla shodně hlásí požár (AND) alespoň dvě čidla (většina) hlásí požár (M3) alespoň jedno z čidel hlásí požár (OR) 179

6


Mechatronika Nyní předpokládejme, že máme za úkol zabezpečit objekt podobným způsobem, ale s použitím modernějších čidel, která poskytují spojitý výstup, např. v rozsahu 0 V až 10 V. Nulové hodnotě odpovídá bezpečný stav (riziko požáru je nulové), hodnotě 10 V odpovídá jistota požáru (riziko je jedničkové) a mezilehlým hodnotám přísluší úměrná hodnota rizika. Nabízí se použití fuzzy logiky. Napěťový výstup senzorů můžeme na vstupu logického systému převést na pravdivostní hodnoty odpovídajících fuzzy proměnných. Nejjednodušším řešením je prostá změna měřítka, kdy napětí 0 V odpovídá nulová pravdivost odpovídající fuzzy proměnné a napětí 10 V odpovídá jedničková pravdivost, přičemž závislost mezi vstupním napětím a pravdivostí je lineární. Jedná se o nejjednodušší případ fuzzifikace. Dále už zbývá „jen“ zvolit vhodné zobecnění pro fuzzy operátory AND a OR a vyčíslit s nimi logické výrazy. Získáme tak pravdivosti pro trojici výstupních fuzzy proměnných (výstupních termů) s významem volat_hasiče, výstraha, zkontrolovat. Je možné, že všechny budou nenulové, pouze s různým stupněm pravdivosti. Pokud nám tento výsledek vyhovuje, je příklad vyřešen. Pokud bychom vyžadovali jednoznačné stanovisko, např. údaj o naléhavosti varovného signálu, bylo by ještě potřebné provést operaci defuzzifikace. Stupně poplachu jsou nyní fuzzy proměnnými. Číslicový charakter (vícehodnotovost) pravdivostních hodnot výstupních proměnných má významný pozitivní důsledek – lze je zpracovávat obvyklými číslicovými algoritmy, provádět filtraci nebo statistické operace, z jejich posloupnosti lze predikovat budoucí vývoj (např. odhadovat riziko a dobu požáru, odlišit náhodné poruchy a krátkodobé výkyvy hodnot od skutečného poplachu, případně diagnostikovat samotné snímače).

6.3.4 Fuzzy diagnostický systém Předpokládejme, že je požadováno řešit program pro diagnózu ložisek vyhodnocením měřených údajů o teplotě a vibracích. Nejprve předpokládejme variantu řešení v binární logice. Pravdivosti logických výroků (vstupních termů) pro hodnocení číselné hodnoty vstupní proměnné (vstupní jazykové proměnné) teplota a vibrace jsou stanoveny podle pravdivostních funkcí obdélníkového tvaru na obr. 6.1a, c. Stav ložiska (diagnózu) lze vyjádřit jako pravdivost jedné z pěti výstupních logických proměnných OK, varování1, varování2, alarm, porucha. Jejich pravdivost lze určit pomocí souboru pravidel: jestliže v_nízké AND normální, pak OK jestliže v_nízké AND zvýšená, pak varování1 jestliže v_nízké AND přehřátí, pak varování2 jestliže v_zvýšené AND normální, pak varování1 jestliže v_zvýšené AND zvýšená, pak varování2 jestliže v_zvýšené AND přehřátí, pak alarm jestliže v_vysoké AND normální, pak varování2 jestliže v_vysoké AND zvýšená, pak alarm jestliže v_vysoké AND přehřátí, pak porucha Přehledněji je lze zapsat ve formě tabulky – mapy pravidel (tab. 6.1). Rovnocenným je zápis pravidel ve formě logických výrazů:

180

Minimum o fuzzy logice vibrace / teplota

normální

zvýšená

přehřátí

nízké

OK

varování1

varování2

vyšší

varování1

varování2

alarm

vysoké

varování2

alarm

porucha

Tab. 6.1 Mapa pravidel diagnostického systému

OK = v_nízké AND normální varování1 = v_nízké AND zvýšená varování2 = v_nízké AND přehřátí varování1 = v_zvýšené AND normální varování2 = v_zvýšené AND zvýšená alarm = v_zvýšené AND přehřátí varování2 = v_vysoké AND normální alarm = v_vysoké AND zvýšená porucha = v_vysoké AND přehřátí Dílčí výsledky stejnojmenných výstupních proměnných jsou spojeny logickým součtem OR a lze je rovnocenně zapsat: OK = v_nízké AND normální varování1 = (v_nízké AND zvýšená) OR (v_zvýšené AND normální) varování2 = (v_nízké AND přehřátí) OR (v_zvýšené AND zvýšená) OR (v_vysoké AND normální) alarm = (v_zvýšené AND přehřátí) OR (v_vysoké AND zvýšená) porucha = v_vysoké AND přehřátí Pokud nyní požadujeme realizovat variantu diagnostického systému ve fuzzy logice, stačí určit pravdivost vstupních fuzzy výroků (vstupních fuzzy termů) podle pravdivostních funkcí s lichoběžníkovými průběhy podle obr. 6.1b, d. Vyčíslení pravdivosti vstupních termů nazýváme fuzzifikací. Výstupní logické proměnné (výstupní fuzzy termy OK, varování1, varování2, alarm, porucha), které určují diagnózu, lze vyčíslit podle stejných logických výrazů, pouze zobecněných pro fuzzy logiku. Oproti binárnímu systému se jejich pravdivosti mohou měnit spojitě, což skýtá možnosti číslicového zpracování, filtrace nebo predikce. Zde se mohou vyskytnout až 4 nenulové termy současně. Pokud by tento výsledek nebyl dostatečně přehledný, lze jej opět převést na jednoznačný údaj souhrnné logické fuzzy proměnné, např. s významem riziko_poruchy nebo diagnóza. Tato operace je opačným problémem než fuzzifikace, nazývá se tedy defuzzifikací. Pětici výstupních termů lze při ní opět interpretovat jako soubor pravdivostních funkcí nad výstupní jazykovou proměnnou diagnóza.

6.3.5 Typický postup a struktura fuzzy systému Oba příklady si nejsou příliš podobné, přesto mají společné znaky a dokumentují společný postup při programové realizaci rozdílných typů fuzzy systémů. Lze v nich rozlišit fáze:

• fuzzifikace – v ní je převedena číselná hodnota vstupní jazykové proměnné na pravdivosti jedné nebo několika vstupních fuzzy proměnných – vstupních fuzzy termů;

181

• vyčíslení pravdivostí, inferenční (logické) jádro – soubor pravidel nebo logických výrazů, které popisují logické vztahy mezi vstupními a výstupními termy;

• defuzzifikace – je proces zhruba opačný než fuzzifikace – k hodnotám pravdivostí souboru výstupních termů, definovaných nad výstupní jazykovou proměnnou, přiřadí jedinou (ostrou) hodnotu výstupní jazykové proměnné. Podobný postup se opakuje, nezávisle na tom, zda fuzzy systém realizuje řídicí, rozhodovací nebo optimalizační algoritmus, regulátor, seřizovač regulátoru, diagnostický či kontrolní systém, model, expertní systém nebo jinou funkci. Popsaný systém se někdy označuje jako Mamdaniho systém nebo Mamdaniho automat. Existují i jiné typy fuzzy systémů. Poměrně rozšířenými jsou systémy Sugenova a Tagakiho typu. Zde logické jádro generuje nejenom soubor výstupních termů, ale jejich pravdivostmi ovlivňuje příspěvky souboru výstupních funkcí. Na obr. 6.2 je uveden příklad využití sugenovského přístupu v regulátorech se spojitě proměnnou strukturou (obr. 6.2a) a se spojitě proměnnými parametry (obr. 6.2b). V tomto případě odpadá fáze defuzzifikace, protože pravdivostmi výstupních termů jsou ovládány (váženy) výstupní hodnoty jednotlivých regulátorů nebo hodnoty parametrů pro nastavení regulátoru. Poznámka: Je třeba upozornit na riziko pravopisné chyby: slova fuzzifikace a defuzzifikace (fuzzification, defuzzification) se píší s „i“ – v angličtině vznikla tak, že k základu fuzz je připojena přípona -ification, zatímco slovo „fuzzy“ vzniklo přidáním přípony „-y“ ke stejnému základu. Podobný „chyták“ zná i čeština, např. u dvojice slov „brzy–brzičko“.

6


Mechatronika

Obr. 6.2 Příklad fuzzy systému Sugenova a Tagakiho typu

182

Minimum o fuzzy logice

6.3.6 Fuzzy zobecnění AND, OR, NOT Existuje nekonečně mnoho způsobů jak zobecnit booleovské operátory AND, OR a NOT pro vícehodnotovou a fuzzy logiku, podobně jako lze dvěma body proložit nekonečně mnoho různých křivek. Všechny zobecněné operátory se pro kombinace krajních hodnot intervalů (booleovských hodnot 0 a 1) chovají stejně, jako booleovské operátory AND, OR a NOT . Pravdivostním hodnotám operandů zevnitř intervalů [0; 1] pak přiřazují „nějaké“ pravdivostní hodnoty opět z intervalu [0; 1]. Lze říci, že provádějí interpolaci mezi krajními booleovskými hodnotami 0 a 1. Je možné diskutovat o tom, které operátory jsou pro daný účel vhodnější a které poskytují lepší průběh interpolace (hladší či méně komplikovaný). Snad stačí ujištění, že žádné ze zde uváděných operátorů nejsou nevhodné. Jako zobecnění fuzzy negace se nejčastěji (v aplikacích téměř výhradně) používá doplněk k jedničkové hodnotě NOT a = 1 – a Jako zobecnění logického součinu AND a součtu OR se nejčastěji používají operace minima a maxima ANDm(a, b) = min(a, b) ORm(a, b) = max(a, b) pravděpodobnostní (algebraické) ANDa(a, b) = ab

ORa(a, b) = a + b – ab

a Łukasiewiczovy operace (omezené) ANDb(a, b) = max(0, a + b – 1) ORb(a, b) = min(a + b, 1)

omezení výrazu a + b – 1 zdola na nule omezení výrazu a + b shora na jedničce

Uveďme ilustrativní příklad s pravdivostmi operandů a = 0,3 a b = 0,8. Pro operace maxima a minima platí: a ANDm b = 0,3 (menší z obou) a ORm b = 0,8 (větší z obou) pro pravděpodobnostní operace: a ANDa b = 0,3 . 0,8 = 0,24

a ORa b = 0,3 + 0,8 – 0,24 = 0,86

a pro Łukasiewiczovy operace: a ANDb b = max (0; 0,3 + 0,8 – 1) = větší z (0 a 0,1) = 0,1 a ORb b = min (0,3 + 0,8, 1) = menší z (1,1 a 1) = 1 Je vidět, že pro výsledky zobecněných logických operátorů platí nerovnosti (nejenom pro uvedené příklady, ale obecně): ANDb < ANDa < ANDm ORm < ORa < ORb Je možné vytvářet operátory, které v sobě (v určitém poměru) kombinují vlastnosti různých z uvedených operátorů, např. ANDk(a, b) = λANDm(a, b) + (1 – λ) ANDb(a, b) ORk(a, b) = λORm(a, b) + (1 – λ) ORb(a, b) pro λ = [0, 1] nebo dokonce kombinují vlastnosti operátorů AND a OR, např. OP(a, b) = λANDm(a, b) + (1 – λ) ORm(a, b) pro λ = [0, 1] 183

6


Mechatronika Patrně nejčastěji se používají operace minima a maxima. Výpočetně jsou nenáročné a mají i další výhodné vlastnosti. Platí pro ně nejvíce pravidel Booleovy algebry (všechna s výjimkou pravidla o vyloučení třetí možnosti) a obvykle jsou v souladu s naším intuitivním chápáním logických problémů.

6.3.7 Typické použití fuzzy algoritmů Fuzzy algoritmy jsou určeny pro modelování lidského myšlení, našeho neurčitého (vágního) vyjadřování, k rozhodování a modelování procesů s neurčitostí a všude tam, kde nejsme schopni popsat proces analytickým matematickým vztahem (vzorcem, soustavou diferenciálních rovnic), ale zato jsme schopni jej popsat slovně, jako soubor pravidel a logických výrazů. Musíme znát a umět slovně popsat podstatu a souvislosti v řešeném problému nebo postup jak jej lze realizovat.

6.4 Neuronové sítě 6.4.1 Od prahových funkcí k neuronům V odstavci 6.3.3 jsme se zabývali prahovými a majoritními funkcemi, jejich logickými výrazy a jejich zobecněním pro fuzzy logiku. Lze je ale realizovat i jiným způsobem. Pro prahové funkce v binární logice platí, že o jejich pravdivosti rozhoduje počet jedničkových operandů. Pokud je větší nebo roven hodnotě prahu, je prahová funkce jedničková, jinak je nulová. Z tohoto postupu můžeme vyjít i pro jiný způsob zobecnění – sečteme pravdivostní hodnoty všech fuzzy operandů a porovnáme s hodnotou prahu. Sčítání realizujeme jako obyčejný aritmetický součet, ovšem porovnání s hodnotou prahu je nutné provést opět ve fuzzy logice, přesněji – jako porovnání fuzzy čísel. Jedna z možností je uvedena na obr. 6.3. Operace porovnání připomíná fuzzifikaci, kde pravdivostní funkce pro fuzzy rovnost a nerovnosti má tvar křivky složené z přímkových úseků (pro rovnost má tvar trojúhelníku, pro nerovnosti rampy). V obecném případě mohou být úseky na vodorovné ose nestejné. Pokud je zvolíme shodné a rovné jedné, získáme pro tři proměnné výsledky podle obr. 6.4. Je vidět, že pro práh roven jedné je realizovaná prahová funkce shodná s operací Łukasiewiczova součtu OR a pro práh roven třem je prahová funkce shodná s operací Łukasiewiczova součinu AND. Prahová funkce M3 (majorita ze tří = alespoň 2 ze 3) je přechodovou variantou mezi nimi. Můžeme si představit zobecnění, kdy se hodnota prahu spojitě mění v intervalu [1, 3], a tím realizujeme spojitý přechod mezi operací OR a AND. Pokud bychom připustili změny prahu v intervalu [0, 4], realizovali bychom spojitý přechod mezi nulovou a jedničkovou funkcí. Můžeme si představit další zobecnění, kdy pravdivost každého z operandů individuálně násobíme váhovým koeficientem, který určuje závažnost vstupu a jeho podíl na výstupní hodnotě. Získáme tak schéma podle obr. 6.5, které lze považovat za jednu variantu modelu neuronu – nervové buňky. Svými vstupními výběžky je připojen na výstupy předchozích neuronů (synaptické vazby) a pokud jejich součtová aktivita překročí mezní hodnotu (práh), dojde k vybuzení (excitaci neuronu), jehož aktivita se přenáší na vstupy dalších neuronů. Proces učení neuronu (živého i jeho modelu) probíhá tak, že se mění citlivosti (váhy) jeho vstupů.

184

Neuronové sítě

Obr. 6.3 Porovnání součtu operandů s hodnotou prahu

V praxi se model neuronu (umělý neuron) častěji zobrazuje podle obr. 6.6. Hodnota prahu je obvykle zobrazována jako jedničkový vstup se záporným váhovým koeficientem, rovným hodnotě prahu. Lze u něho rozlišit dvě funkce: lineární aktivační (synaptická) funkce je váženým součtem hodnot na vstupech neuronu a za ní následuje výstupní přenosová funkce neuronu. V našem případě je tvořena lineární funkcí s oboustranným omezením, obecně ale může mít spojitý průběh případně jiný tvar (např. trojúhelníku nebo zvonovité funkce). Zjednodušeně se neurony zobrazují jako ovály, např. na obr. 6.7 až 6.9) 185

a)

b)

c)

Obr. 6.4 Prahové funkce pro tři proměnné a) Łukasiewiczův součet OR b) majoritní funkce M3 c) Łukasiewiczův součin AND

a

w0

b

w1

6


Mechatronika

c

w2

pravdivost relace

∑

· · · n

wn

Obr. 6.5 Obecná prahová funkce

186

větší: součet ≥ práh

1 výstup

0 0

součet

Neuronové sítě

-1

w0

u1

w1 y

u2 u3

w2

∑

v

y 0

0

v

w3 · · ·

un

wn

Obr. 6.6 Práh lze považovat za fiktivní vstup neuronu, výstupní funkce může mít různé průběhy.

6.4.2 Umělé neuronové sítě Je vidět, že jediný neuron realizuje poměrně složité (a obecně nelineární) funkce. Obvykle se nazývá perceptron a je schopen vyhodnotit systémové vstupy a rozpoznat příznaky poruchy nebo jednotlivé znaky v textu nebo jednoduché prvky obrazu apod. Podstatně složitější funkce ale lze realizovat více neurony navzájem propojenými – neuronovými sítěmi. Obvykle jsou zapojeny do vrstev a rozlišuje se vstupní a výstupní vrstva a jedna nebo více skrytých vrstev. U dopředných sítí tok signálů důsledně postupuje od vstupní vrstvy k výstupní. Existují i sítě (rekurentní, Hopfieldovy sítě), kde se signál šíří i opačným směrem, podobně, jako u sekvenčních logických funkcí. Neuronové sítě se často používají ke klasifikaci jevů a jejich třídění do skupin, zpracovávání a rozpoznávání obrazů a jiných jevů (např. při

u1

y1

u2

u3

y2

Obr. 6.7 Ukázka vrstvené dopředné neuronové sítě

187

řešení diagnostiky), při vytváření modelů a při předvídání či odhadování budoucích jevů nebo očekávaného vývoje. Obecně platí, že neuronové sítě jsou vhodné k řešení problémů, jejich podstatu neznáme, dostatečně nechápeme a nejsme schopni je vyhovujícím způsobem popsat. Jako neuronová síť bývají řešeny i regulátory nebo modely, které se adaptují mechanismem učení sítě. Neuronová síť může sloužit k učení se podle vzoru (ke sledování zásahů zkušeného operátora v nejrůznějších situacích). Bývá pravidlem, že naučená (natrénovaná) síť sice funguje vyhovujícím způsobem, ale nikterak nám nepomůže pochopit podstatu problému. Někdy se stane, že v určitých situacích nečekaně selže. Proces učení neuronové sítě je poměrně komplikovaný. Při učení s učitelem jsou na její vstupy přiváděny testovací kombinace a výstupy generované sítí jsou posuzovány učitelem (expertem) nebo porovnávány s výstupními hodnotami, které jsou považovány za správné. Obvykle se při učení používá metoda zpětného šíření chyby (back propagation), kdy je v každém kroku vyhodnocena chyba – odchylka od správného výstupu a podle ní jsou ve zpětném směru upravovány hodnoty vah a prahů neuronů v jednotlivých vrstvách. Používají se i jiné způsoby učení. Poměrně účinné je využití genetických algoritmů. Samotná realizace programu pro neuronovou síť není příliš náročným problémem – v podstatě se jedná o součet součinů a nepříliš komplikovanou nelineární funkci. Neuronovou síť lze realizovat i programem PLC nebo mikrořadičem. Výrazně náročnějším problémem je učení sítě – nejenom z pohledu numerické náročnosti algoritmu učení, ale i z pohledu nároků na kvalifikaci a zkušenosti řešitele. Proto se často používají již hotové a ověřené programy, např. specializované nástroje univerzálních výpočetních systémů (Matlab, Mathematica) nebo specializované prostředky pro realizaci a učení neuronových sítí. Podrobnosti lze najít např. v publikacích [27] a [28] nebo v článcích [16] až [18].

6


Mechatronika

xk-1

xk

u2

u3

y

Obr. 6.8 Ukázka neuronové sítě se zpětným šířením signálů (rekurentní, zpětnovazební sítě)

188

Genetické algoritmy

u1

y1

u2

u3

Obr. 6.9 Znázornění učení neuronové sítě metodou zpětného šíření chyby

6.5 Genetické algoritmy Genetické algoritmy jsou poměrně mladou třídou algoritmů umělé inteligence. Někdy se mluví i o evolučních algoritmech, které jsou někdy považovány za obecnější než genetické, někdy jsou považovány za jiné pojmenování téhož. Modelují procesy dědičnosti, které způsobují dědičnost a současně i vývoj ve skupině (populaci) organismů stejného druhu (živočichů, rostlin nebo třeba bakterií a virů). V technických aplikacích jsou genetické algoritmy využívány k optimalizaci, k nalezení extrémů složitých funkcí, k náročným úlohám rozhodování, k adaptaci a identifikaci modelů, k nalézání optimálních cest a variant řešení, k přizpůsobení se novým podmínkám, ale třeba i k seřizování regulátorů nebo učení neuronových sítí nebo k nastavování parametrů fuzzy systémů. U vyšších organismů jsou nositeli dědičných znaků chromozomy, které lze zjednodušeně považovat za soubor jednotlivých dědičných znaků – genů. Podobně je u technické realizace každý jedinec charakterizován svým chromozomem (obvykle jedním). Zde je chromozom realizován jako řetězec dvouhodnotových příznaků určitých vlastností nebo parametrů (binární chromozom) nebo jako řetězec číselných hodnot, které charakterizují soubor určitých parametrů. Předpokládejme, že je „nějakým vhodným způsobem“ vytvořena dostatečně velká počáteční populace jedinců. V každém výpočetním kroku se pro určitý soubor jedinců (podle zvoleného kritéria vybraných z populace) provede operace křížení a pro jiných soubor jedinců se provede operace mutace, zbytek populace zůstane neměněn. Křížení je obdobou pohlavního rozmnožování, kdy nový jedinec získává část svých genů od matky a část od otce. V technické realizaci jsou ve dvojici rodičovských jedinců jejich chromozomy rozstřiženy a vzájemně zaměněny. Ukázka varianty křížení pro binární chromozomy je uvedena 189

6


Mechatronika na obr. 6.10. Zde není mechanismus pohlavního rozmnožování modelován věrně, protože zde vznikají dva jedinci s doplňkovými kombinacemi úseků chromozomů. Na rozdíl od živé předlohy si lze představit i mechanismus křížení mezi více než dvěma jednotlivci. Při mechanismu mutace jsou náhodně změněny některé geny v chromozomu, např. podle obr. 6.11.

Obr. 6.10 Ukázka křížení jedinců s binárním chromozomem

Obr. 6.11 Ukázka mutace jedinců s binárním chrommozomem

Po provedených změnách na vybraných jedincích je pro všechny jedince spočtena hodnota určité funkce, která charakterizuje úspěšnost jedince, jeho způsobilost k danému účelu. Obvykle se nazývá jako fitnes funkce (nebo též účelová či kriteriální funkce). Podle jejích hodnot se provede výběr jedinců pro populaci nového výpočetního cyklu. V nejjednodušším případě se vyřadí nejméně úspěšní jedinci s nejnižšími hodnotami fitness funkce. V praxi se obvykle provádí výběr podle složitějších kritérií, tak aby v populaci zůstalo zachováno určité procento méně úspěšných jedinců, protože jejich geny mohou být výhodné v jiných situacích. Schéma programu genetického algoritmu je na obr. 6.12.

Z

původní populace křížení mutace výpočet účelové funkce (fitnes) výběr pro novou populaci

Bylo vymyšleno a realizováno mnoho variant genetických a evolučních algoritmů a mnoho jich nepochybně ještě bude vymyšleno. Mnohé poskytují rovnocenné nebo srovnatelné výsledky, některé jsou k určitým účelům vhodnější než jiné. Jejich společným znakem je cílené generování nových variant (diverzifikace nových forem) a jejich systematické hodnocení a následný výběr. To je typické i pro vývoj živých organismů a jejich společenstev a poskytuje to životu fantastickou variabilitu a schopnost přizpůsobit se novým 190

test ukončení skončit? ano K Obr. 6.12 Schéma programu genetického algoritmu

ne

Použitá literatura (kap. 5 a 6) podmínkám a schopnost zaplnit každou „ekologickou niku“. I v technických aplikacích se podobné algoritmy výhodně uplatňují a dávají dobré výsledky zejména v situacích, kdy tradiční algoritmy selhávají pro nadměrnou kombinační složitost. Navíc jsou odolné proti zastavení výpočtu v náhodně nalezeném lokálním minimu. Problémem může být poměrně vysoká výpočetní náročnost a dlouhá doba výpočtu. Podobně jako u neuronových algoritmů se i zde používají specializované nástroje univerzálních výpočetních programů nebo specializované programové systémy. Ukazuje se, že pro techniku je výhodné hledat inspiraci v živé přírodě a snažit se tak obohatit standardní postupy.

6.7 Použitá literatura (kap. 5 a 6) [1] ŠMEJKAL, L. – MARTINÁSKOVÁ, M. PLC a automatizace. I. Základní pojmy, úvod do programování. Praha: BEN – technická literatura, 1999. [2] ŠMEJKAL, L. PLC a automatizace. II. Sekvenční logické systémy a základy fuzzy logiky. Praha: BEN – technická literatura, 2005. [3] MARTINÁSKOVÁ, M. – ŠMEJKAL, L. Řízení programovatelnými automaty. [skriptum]. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1998. [4] MARTINÁSKOVÁ, M. – ŠMEJKAL, L. Řízení programovatelnými automaty II [skriptum]. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2000. [5] MARTINÁSKOVÁ, M. – ŠMEJKAL, L. Řízení programovatelnými automaty III [skriptum]. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2003. [6] VYSOKÝ, P. Fuzzy řízení [skriptum], Praha: Vydavatelství ČVUT, 1996. [7] POKORNÝ, M. Umělá inteligence v modelování a řízení. Praha: BEN – Technická literatura, 1996. [8] NOVÁK, V. Základy fuzzy modelování. Praha: BEN – Technická literatura, 2000. [9] JURA, P. Základy fuzzy logiky pro řízení a modelování. Brno: VUTIUM, 2003. [10] NAVARA, M. – OLŠÁK, P. Základy fuzzy množin. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2002. [11] ŠMEJKAL, L. – URBAN, L. Když se řekne... Fuzzy logika (I). In: Automatizace 47 (2004), č. 3, s. 224–226. [12] ŠMEJKAL, L. – URBAN, L. Když se řekne... Fuzzy logika (II). In: Automatizace 47 (2004), č. 4, s. 290–292. [13] ŠMEJKAL, L. – URBAN, L. Když se řekne... Fuzzy logika (III). In: Automatizace 47 (2004), č. 5, s. 357–359. [14] ŠMEJKAL, L. – URBAN, L. Když se řekne... Fuzzy logika (IV). In: Automatizace 47 (2004), č. 6, s. 424–423 [15] ŠMEJKAL, L. Fuzzy logika a regulace. In: Automatizace 46 (2003), č. 11, s. 730–733. [16] BÍLA, J. – VITKAJ, J. – MUSIL, M. – BUKOVSKÝ, I. Některé meze využití neuronových sítí. In: Automatizace 46 (2003), č. 11, s. 734–737.

191

[17] KUKAL, J. Využití umělých neuronových sítí ke zpracování obrazu. In: Automatizace 46 (2003), č. 11, s. 738–741. [18] VYORÁLKOVÁ, I. Zpracování satelitních snímků neuronovými sítěmi. In: Automatizace 46 (2003), č. 11, s. 742–745. [19] CD Info 10/2005. Teco a.s., Kolín. [CD-ROM]. [cit. 2005-10]. [20] Tecomat. URL: <www.tecomat.cz>. [23] JURA, J. – MARTINÁSKOVÁ. M. Funkce teach-in implementovaná v PLC. In: Automatizace 48 (2005), č. 9, s. 522–525. [24] ŠULC, B. – VÍTEČKOVÁ, M. Teorie a praxe návrhu regulačních obvodů. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2004. [25] BALÁTĚ, J. Automatické řízení. Praha: BEN – technická literatura, 2003. [26] MAIXNER, L. a kolektiv. Automatizace a automatizační technika. Díl I až IV. Brno: Computer Press, 2000. [27] NOVÁK, M. a kol. Umělé neuronové sítě, teorie a aplikace. Praha: C. H. Beck, 1998. [28] SINČÁK, P. – ANDREJKOVÁ, G. Neurónové siete. Díl 1 a 2. Košice: Elfa, 1996. [29] KLIMÁNEK, D. – ŠULC, B. Softwarová detekce diskredibility senzoru při regulaci a její ověřování. In: Automatizace 48 (2005), č. 12.

6


Mechatronika

192

Návrh mechatronické soustavy

7

Rozhodujícím charakteristickým rysem mechatroniky je integrace činností (funkční integrace) a prostorová integrace komponent včetně syntézy různých technologií. Tyto komponenty jsou rozmístěny tak, aby byla zajištěna jejich činnost především s ohledem na spolehlivost a přijatelnou cenu. Konstruování mechatronických soustav je proto nutné začít činnostmi a teprve poté rozhodnout, jaká konfigurace komponent a technologií bude pro realizaci nejvhodnější.

7.1 Mechatronický přístup k procesu návrhu soustavy Již víme, že koncepce mechatroniky vychází z integrace poznatků různých oblastí fyziky a technických disciplín. Smyslem mechatroniky je využití této integrace tak, aby bylo dosaženo synergického efektu, tedy získání výrobku s co možná nejlepšími technickými a ekonomickými parametry. Z tohoto hlediska je možno považovat mechatroniku za novou inovační technologii, kterou lze rozdělit do několika oblastí:

• Oblast konstruování. Zde se jedná o nalezení vhodných prostředků počítačové podpory (počítačových programů), jejich zvládnutí a propojení s jinými abstraktními prostředky. Tyto prostředky počítačové podpory konstruování musejí být schopné řešit úlohy z mechaniky, elektrotechniky, elektroniky, řízení a zpracování dat.

• Oblast výroby. Zde se jedná o vyhodnocení konstrukčního návrhu výrobku z hlediska jeho vyrobitelnosti v daných podmínkách, především s ohledem na mechanické a elektrické komponenty.

• Oblast kvality a spolehlivosti. Zde se jedná o tvorbu metod a prostředků pro zajištění kvality a pro odhad spolehlivosti navrhované soustavy. Tyto metody a prostředky musejí být takové, aby je bylo možno zahrnout do procesu konstruování výrobků.

• Oblast osvěty a vzdělávání. Zde se jedná o prolomení bariér mezi tradičním pojetím strojního inženýrství a elektrotechnikou, elektronikou a řízením včetně počítačových věd. Tuto oblast je třeba rozvíjet jak v rámci jednotlivých podniků, tak na mezipodnikové úrovni a v neposlední řadě i ve středoškolském a vysokoškolském vzdělávání. V této kapitole budeme věnovat pozornost především tvorbě metod, prostředků a modelů, které podporují proces konstruování. Tato náplň plně odpovídá oblasti konstruování a částečně odpovídá oblasti osvěty a vzdělávání.

193

7

NÁVRH MECHATRONICKÉ SOUSTAVY

Mechatronika Požadavky, které jsou kladeny na proces konstruování, je možno shrnout do následujících bodů:

• co největší pozornost soustředit na počátek procesu konstruování; • společně modelovat technické soustavy a v nich probíhající procesy; • pracovat v interdisciplinárním týmu. Společné modelování na počátku procesu konstruování je nutnou podmínkou pro práci interdisciplinárního týmu. Důvody, ze kterých tento fakt plyne, je možno formulovat následovně:

• konstruktér má možnost ukázat řešení problému na počítačovém modelu (virtuální prezentace);

• společný model umožňuje vysvětlit podstatu řešení ostatním spolupracovníkům, a je-li to potřeba, i managementu a dalším pracovníkům z výroby nebo marketingu. Důležité rovněž je, že tento model může být používán v dalších fázích procesu konstruování;

• společný model je podmínkou pro to, aby se konstruktér mohl soustředit na vyřešení těch problémů, které jsou v příslušné fázi procesu konstruování rozhodující;

• s využitím společného modelu je možná snadná kontrola úplnosti a kvality řešení problému. Pro další výklad je třeba zdůraznit, že mechatronické soustavy považujeme za složité. Jsou složeny z velkého množství prvků různé fyzikální podstaty a tyto prvky jsou ve vzájemné interakci. Vlastnosti těchto soustav však nelze určit z vlastností prvků a popisu jejich interakce. Celek je tedy více než souhrn jeho prvků, je dosaženo synergického efektu.

7.1.1 Tradiční metodika konstruování strojních soustav V tomto odstavci se budeme zabývat tradiční metodikou konstruování strojních soustav, které se jeví jako mechatronické. Jsou to soustavy tvořené mnoha systémy různé fyzikální podstaty (mechanika, elektrotechnika, elektronika, řízení včetně software), které jsou samostatně funkční, ale mají omezené vzájemné interakce. I u těchto systémů je zřejmé, že pro dosažení požadovaných vlastností musí být vnitřní složitost podchycena již na počátku procesu konstruování. Tradiční metodika procesu konstruování je následující:

• soustava je rozložena do jednotlivých homogenních systémů podle jednotlivých technických disciplín, tj. mechanický systém, elektrický/elektronický systém atd.;

• jednotlivé homogenní systémy konstruují příslušní odborníci z konstrukčního týmu; • každý homogenní systém je konstruován tradičním způsobem, tj. bez ohledu na aktuální stav konstrukce ostatních homogenních systémů;

• každá činnost výrobku je v rozhodující míře realizována pouze jedním homogenním systémem;

• vzájemné působení (interakce) homogenních systémů se minimalizují a důraz je kladem především na společná rozhraní (interface) mezi příslušnými homogenními systémy. Obvyklý způsob je takový, že se nejprve konstruují mechanické systémy (v přeneseném smyslu kostra), poté elektrické systémy (svaly), dále elektronické systémy (senzory a nervová soustava) a nakonec řídicí systém (mozek). Výsledná soustava, která se z vnějšku jeví jako mechatronická, je pouze výsledkem integrace již existujících řešení a jim odpovídajících technologií. Při použití 194

Mechatronický přístup k procesu návrhu soustavy tradiční metodiky tedy nevznikají požadavky na výzkum a vývoj nových řešení a/nebo nových technologií.

7.1.2 Mechatronický způsob konstruování strojních soustav Vývoj techniky vede k nepřetržitému zvyšování požadavků na vlastnosti navrhovaných výrobků. Jedná se především o:

• • • • •

větší množství činností; vyšší výkonnost a spolehlivost; menší energetickou náročnost; minimální rozměry a hmotnost; nižší cenu.

Mezi dalšími požadavky, které vyvolává vývoj techniky, je požadavek na zvyšování produktivity vývojářů a konstruktérů. Jedná se především o zkrácení doby vývoje a konstrukce navrhovaného výrobku. Tyto požadavky není výše popsaná tradiční metodika schopna splnit. Přitom je rozhodující, že cyklus tvorby navrhovaného výrobku je příliš dlouhý a není zaručeno, že bude dosaženo požadované nebo alespoň optimálně dosažitelné kvality. To znamená, že jednotlivé homogenní systémy tvoří bariéru, která neumožňuje zvýšení kvality soustavy bez zvýšení ceny. Prostředkem pro dosažení požadované změny vůči tradiční metodice je právě mechatronický způsob konstruování, který můžeme chápat následovně:

• mechatronický přístup uznává užitečnost dekompozice řešených problémů do jednotlivých disciplín mechatroniky;

• narozdíl od tradiční metodiky nevytváří jednotlivé homogenní systémy, ale vytváří jednu soustavu s maximální integrací činností a prostorovou integrací;

• tato soustava vykazuje větší flexibilitu a inteligenci bez zvýšení ceny. Z podstaty věci je zřejmé, že mechatronický způsob konstruování se nejvíce uplatňuje ve fázi hledání koncepce řešení. Je tomu tak proto, že v průběhu této fáze je přijímáno nejvíce rozhodnutí o rozdělení činností výrobku mezi jednotlivé disciplíny a způsobu jejich technického provedení včetně prostorové integrace navrhované mechatronické soustavy. Jak již víme, mechatronika má výrazný multidisciplinární a interdisciplinární charakter. Z toho plyne, že ve fázi hledání koncepce řešení musíme mít k dispozici vhodné podpůrné prostředky – modely. Tyto modely:

• slouží jako prostředky pro názorné vyjádření myšlenek vývojových pracovníků a konstruktérů;

• jsou nezbytným komunikačním prostředkem v týmu vývojových pracovníků a konstruktérů; • mohou složit i ke komunikaci vně týmu (např. pro komunikaci s managementem či marketingem);

• musejí umožňovat modelování celé soustavy na mezioborové úrovni, aby bylo dosaženo nezávislosti na předpokládané realizační technologii. 195

7


Mechatronika Přestože by to bylo potřeba, je skutečností, že nejsou k dispozici úplné obecné modely, které by byly platné pro libovolnou mechatronickou soustavu a které by popisovaly všechny její vlastnosti. Při modelování mechatronické soustavy je proto nutné kombinovat více modelů tak, že pro každou etapu procesu konstruování je třeba zvolit odpovídající model. Při volbě modelů je však bezpodmínečně nutné, aby modely byly kompatibilní, tj. aby bylo možno přecházet z jednoho modelu na jiný. Smyslem používání různorodých modelů by mělo být dosažení následujících přínosů:

• • • • •

zvětšení počtu variant možných řešení; zmenšení složitosti nalezení nejvhodnějšího řešení; nalezení nejvhodnější technologie; lepší řízení postupu celého projektu; dosažení požadované kvality (poměr činnost/cena) při krátkém vývojovém cyklu.

Z uvedeného obecného popisu mechatronického způsobu konstruování je zřejmé, že podrobnější rozbor celé problematiky překračuje rámec této učebnice. Ukážeme proto tuto metodiku v určité zjednodušené formě na vhodně zvolených příkladech. Pro názornost výkladu zvolíme postup podle [2].

7.2 Struktura mechatronických soustav a základní principy jejich návrhu K popisu struktury mechatronických soustav je možno přistoupit různým způsobem. Zvolíme však přístup, který je nejbližší výše naznačené struktuře modelů.

7.2.1 Základní struktura Na základě výše uvedeného bude základní struktura mechatronické soustavy tvořena vlastním systémem, senzory, akčními členy a prostředky pro zpracování informací. Důležité je také okolní prostředí, ve kterém mechatronická soustava pracuje. Blokové schéma takto definované struktury je uvedeno na obr 7.1. Vlastní systém má zpravidla mechanickou, elektromechanickou nebo hydraulickou strukturu nebo je jejich kombinací. To znamená, že si konkrétní fyzikální systém můžeme obecně představit jako vlastní systém. Tato představa je zvláště vhodná pro to, aby mechatronická soustava mohla být reprezentována jako hierarchicky strukturovaná (viz kap. 7.2.2). Úkolem senzorů je určování hodnoty zvolené fyzikální veličiny vlastního systému. Za úplně obecných předpokladů lze stavové proměnné technických systémů chápat jako fyzikální veličiny, které jsou v daném intervalu vzorkování systému plně určeny svou hodnotou v požadovaném čase t0. Tím je zajištěno, že vstupní veličiny systému pro t > t0 jsou známy. Senzory mohou být v tomto případě fyzicky reprezentovány měřenými hodnotami nebo přímými softwarovými senzory, tzv. „pozorovateli“. Senzory dodávají vstupní veličiny pro zpracování informací, které je v dnešní době ve většině případů digitální, tj. diskrétní v oblasti hodnot a času. Probíhá obvykle prostřednictvím mikroprocesoru, nicméně také může být prováděno čistě analogovou elektro196

Struktura mechatronických soustav a základní principy jejich návrhu

Obr. 7.1 Základní struktura mechatronických systémů

nikou nebo smíšenou (hybridní) analogově/digitální elektronikou. Zpracování informací určuje účinek, který je nutný pro ovlivnění stavových proměnných vlastního systému požadovaným způsobem. Implementace účinků se děje přímo ve vlastním systému prostřednictvím akčních členů. Při bližším pohledu na vzájemné vztahy mezi vlastním systémem, senzory, zpracováním informací a akčními členy je užitečné popsat tyto vztahy mezi jednotlivými komponentami pomocí toků. Principiálně rozlišujeme tři rozdílné typy toků. Jsou to:

• tok materiálu; • energetický tok; • tok informací. Tok materiálu: Jako příklady materiálů, které proudí mezi jednotkami mechatronické soustavy, si můžeme představit pevná tělesa, testované objekty, zpracovávané objekty, plyny nebo tekutiny. Energetický tok: V této souvislosti je energie chápána buď jako různé formy energií, například jako energie mechanická, tepelná nebo elektrická, ale také jako akční proměnné, např. síla nebo proud. Tok informací: Jedná se o informace přenesené mezi jednotkami mechatronické soustavy a mohou jimi být např. měřené proměnné, impulzní řízení nebo data. Vlastní systém mechatronické soustavy, uvedený na obr. 7.1, je tedy tvořen jednotkami, které jsou spojeny všemi třemi typy toků. V popředí jsou většinou energické a materiálové toky. Toky, které spojují základní soustavu a prostředí se senzory a akčními členy mají charakter jak energetického toku, tak toku informací, protože energie „teče“ jak pro potřeby měření (senzory), 197

tak pro vykonání práce (akční členy), ale na druhé straně je přenášena také informace – řídicí signály akčních členů a měřicí signály senzorů. Prostředky pro zpracování informací využívají informační tok ze senzorů a samy poskytují informační tok pro akční členy. V případě energetických toků uvedených na obr. 7.1 si lze všimnout jediného hlavního energetického toku, který působí přímo nebo nepřímo na vlastní systém. Jednotky pro zpracování informací dané mechatronické soustavy jsou často prostřednictvím komunikačního systému dále propojeny s dalšími jednotkami pro zpracování informací. Komunikace s člověkem nebo s uživatelem soustavy bývá realizována speciálními rozhraními člověk–stroj. V obou případech je toto propojení reprezentováno informačním tokem.

7.2.2 Modularizace a hierarchizace Komplexní mechatronické soustavy jsou zpravidla tvořeny synergickou integrací různých mechatronických modulů, tj. prvků soustavy nebo komponent, které jsou spojeny do skupin a společně vykonávají určitou činnost. Protože tyto moduly obsahují a představují různé činnosti, není vhodné vytvářet tuto integraci na jedné úrovni, nýbrž je nutné rozdělit uspořádání podle principu hierarchizace. Základní struktura mechatronických soustav popsaná v kap. 7.2.1 je chápána jako základní modul.

7


Mechatronika

Obr. 7.2. Příklad členění mechatronické soustavy podle [3]

198

Struktura mechatronických soustav a základní principy jejich návrhu Jestliže je více základních modulů navzájem propojeno prostřednictvím jejich mechatronické struktury činností a nosné mechanické konstrukce, je vytvořena soustava vyšší úrovně. Na této vyšší úrovni jsou realizovány další úlohy podle událostí, které jsou monitorovány další senzorickou soustavou a vyhodnocovány jednotkou pro zpracování informací. Kromě diagnostiky chyb a monitorování algoritmů je především na této úrovni hierarchické struktury generována volba požadované hodnoty pro podřízené základní mechatronické moduly. Jestliže by byly v mechatronické soustavě prováděny další úkoly, jako například proces učení nebo adaptace, je vhodné mít další hierarchickou úroveň, ve které jsou základní moduly a již seskupené soustavy jednoduše propojeny jednotkami pro zpracování informací. Na obr. 7.2 je uveden příklad hierarchické struktury mechatronické soustavy. Základní moduly první úrovně (například pružící jednotka s vinutou pružinou a teleskopickým tlumičem) jsou propojeny (například automobil) prostřednictvím zpracování informací na druhé úrovni. Na třetí úrovni jsou vytvořené soustavy vzájemně propojeny pouze prostřednictvím zpracování informací (například řízení křižovatky). Mimo integraci činností mechatronických modulů je také důležitým úkolem prostorová integrace souvisejícího příslušenství. S respektováním tohoto musejí být moduly příslušenství integrovány prostřednictvím definovaných rozhraní pro vytvoření celé soustavy s jednotlivými hierarchickými úrovněmi (mechatronickými jednotkami). Současné zvažování obou úkolů integrace vede k optimálně vytvářeným mechatronickým výrobkům.

7.2.3 Integrace činností a prostorová integrace Integrace činností a prostorová integrace různých komponent přinášejí především následující výhody:

• zlepšení poměru cena/výkon; • zlepšení výkonnosti (například zvýšení energetické účinnosti, rychlosti, zrychlení); • zvýšení funkčnosti (například provozního komfortu) nebo dokonce možnost začlenění nové činnosti (například autotest a diagnostika);

• dosažení zlepšení chování (například zlepšení přesnosti, kompenzace rušivých vlivů). Je možno uvést mnoho příkladů čistě mechanických nebo elektromechanických výrobků z různých oblastí průmyslu, které mohly být takto zlepšeny nebo dokonce výhodně vyrobeny využitím funkční integrace elektroniky a eventuálně softwaru. Některé příklady jsou uvedeny v tabulce 7.1. Oblast

Příklad výrobku

Technika motorových vozidel

Spouštěče oken, řízení trakčního výkonu, bezklíčové startování, automatické řízení klimatizace, řízení motoru, nastavování sedadel, řízení činnosti komponent přes datovou sběrnici

Strojní inženýrství

Systémy zpracování obrazu pro automatické polohování, manipulátory, roboty

Spotřební elektronika

CD přehrávače (laser a přesná mechanika), digitální fotoaparáty a kamery

Tab. 7.1

199

7


Mechatronika Integrace činností mechanických a elektrických/elektronických komponent se provádí jejich spojením prostřednictvím materiálového, energetického a informačního toku. V tomto případě mohou být komponenty od sebe fyzicky oddělené. Prostorová integrace znamená, že mechanické a elektrickické/elektronické komponenty tvoří strukturální jednotku, tedy jeden předmět. V řadě případů to znamená další technickou komplikaci. Jde o to, jak přizpůsobit elektronické komponenty pracovnímu prostředí mechanických komponent. Toto pracovní prostředí není často vhodné pro použití elektronických komponent kvůli vysokým teplotám, kolísání teplot, vlhkosti, mechanickým rázům a vibracím, silným elektromagnetickým polím atp. Tyto problémy lze překonat jedině vhodnými opatřeními, jako je zapouzdření, použití chladicích soustav nebo speciálními konstrukcemi spojovacích technologií, které umožní, aby mohla být provedena prostorová integrace elektronických komponent do komponent mechanických.

7.3 Speciální hlediska vývoje a konstruování mechatronických soustav Tato speciální hlediska je třeba respektovat zejména při návrhu takových výrobků, kde je nutná vysoce komplexní mezioborová spolupráce. Při návrhu těchto mechatronických systémů je nutností používat počítačové (virtuální) modelování.

7.3.1 Komunikace a kooperace mezi experty z jednotlivých oborů Při vývoji mechatronických soustav je nutné velké množství znalostí z jednotlivých oborů, zejména ze strojírenství, elektrotechniky a informačních technologií. Tyto obory mají pro popis vytvořenu svoji vlastní terminologii, zkušenosti, metody a prostředky, které se vyvíjely celá desetiletí. V minulosti se vývojem výrobku často zabýval pouze jeden obor a základ představovaly strojní konstrukce. Základní mechanická struktura byla výchozí, elektrotechnika, elektronika a informační technologie se přidávaly až později. Tento návazný (sekvenční) postup také vedl při postupném vývoji k částečné optimalizaci výrobku. Tohoto částečného optima bylo ovšem dosaženo za delší dobu vývoje a celý vývoj byl dražší. Mechatronické systémy je potřeba řešit ve smyslu simultánního inženýrství. To znamená, že koncepce výrobku musí být vypracovávána uceleně odborníky ze všech souvisejících oborů. Jednotlivé komponenty soustavy mohou být řešeny – pokud jsou vzájemně slučitelné (kompatibilní) – na základě přístupu různých oborů. Je-li to však možné, je lepší všechny komponenty vyvíjet za mezioborové spolupráce příslušných odborníků. Je zřejmé, že pro tento mezioborový přístup jsou nutné prostředky k zajištění komunikace a spolupráce mezi jednotlivými technickými obory. Je tomu tak proto, že terminologie, metody a prostředky jednotlivých oborů byly vyvíjeny pro konkrétně definované úlohy a nemohou být snadno rozšířeny nebo propojeny s metodami dalších oborů. Spolupracující odborníci musejí mít určité znalosti různých technických disciplín a musejí být schopni chápat vžité postupy jejich oboru (např. strojního inženýrství, elektrotechniky nebo informačních technologií) jako základ pro vzájemnou spolupráci. Základními požadavky pro práci v týmu jsou tedy schopnost a ochota osvojit si znalosti nutné pro porozumění ostatním 200

Speciální hlediska vývoje a konstruování mechatronických soustav oblastem techniky. Jen tak je možno při projektování a hodnocení řešení s ostatními odborníky v týmu dosáhnout společného optimálního rozhodnutí. Protože mnoho mechatronických soustav je velmi různorodých, bývá v praxi často vývojový tým rozdělen mezi řadu oddělení v rámci společnosti (vytvoření týmu na horizontální úrovni) nebo i více firem. Splněním požadavků takto distribuovaného (rozprostřeného) vývoje, což znamená například:

• včasné změny a přizpůsobování postupně dosažených výsledků vývoje; • přístup k nejnovější a bezesporné databázi nebo stavu znalostí o vyvíjeném výrobku z libovolného místa a v libovolném čase;

• různorodé změny modelu výrobku atd. bylo postupně dosaženo mimořádného rozšíření mechatroniky.

7.3.2 Větší složitost soustavy Již z podstaty mechatroniky plyne, že každá mechatronická soustava je značně různorodá. Proto při jejím návrhu musí být současně uvažováno několik fyzikálních principů, více různých materiálů a technologií a další okolnosti, To z hlediska návrhu soustavy znamená, že existuje mnoho různých možností řešení problému. Zvláště důležité je soustředit se co nejdříve na ty možnosti, které vyhovují požadavkům na navrhovanou soustavu a lze je zpracovat vcelku. K tomu mohou pomoci následující body:

• co nejpřesněji definovat navrhovaný výrobek; • odlišovat požadavky ve všech fázích vývoje; • použít soubor odzkoušených a testovaných funkčních struktur a soubor komplexních úloh, s jejichž pomocí můžeme rozložit celou úlohu do podúloh jednodušších a srozumitelnějších;

• tyto podúlohy pak rozvinout do různých variant, které ovšem umožňují integraci činností a snadnější nalezení prvního návrhu konstrukce výrobku. Cílem je rozložení (dekompozice) výrobku na bloky/moduly, výběr součástí a integrace takovým způsobem, že je dosaženo celkového optima a počet nezbytných kroků návrhu je omezen na minimum. Například výrobek může být dekomponován na moduly, které jsou vytvořeny hardwarově, a na moduly, které jsou vytvořeny softwarově. Důležité přitom je, že přesné stanovení činností mechatronického výrobku nelze dělat izolovaně, jako tomu může být v případě klasického konstrukčního přístupu. Zde musejí být brány při popisu činností v úvahu fyzikální, geometrické a technologické aspekty, a to se stejnou vahou. Tím se dostaneme k metodám jako je modularizace, hiearchizace, dekompozice a integrace. Rostoucí integrace funkcí a principů činnosti/řešení základních prvků a technologií vedou ke vzájemnému ovlivňování, které musí být při návrhu zvažováno. Postup, při kterém integrujeme jednotlivě vyvíjené a optimalizované montážní podskupiny ve výslednou soustavu (návrh zdola nahoru), již není zcela dostatečný. Pro získání poznatků o základní struktuře a pro přesnější určení prvků soustavy jsou nezbytné opakované procedurální kroky. Upřesňování probíhá krok za krokem (návrh shora dolů). Podrobnější znalost vlastností soustavy může vést ke změnám prvků vyšší úrovně, takže se při tomto postupu návrhu uskuteční změna směrem nahoru. Pokročilé etapy návrhu se většinou vyznačují střídáním mezi oběma vývojovými strategiemi (yo-yo efect). 201

7


Mechatronika

7.3.3 Tvorba virtuálních prototypů Důležitou část vývojového procesu představuje využití pokusných modelů a prototypů, které dovolují výrobek odzkoušet pro případnou pozdější hromadnou výrobu. Protože vytvoření a testování prototypů je časově a finančně náročné, je snaha jejich počet co nejvíce minimalizovat. Virtuální prototyp je ve skutečnosti počítačový model vyvíjeného výrobku. Je to v podstatě nástavba digitálního modelu (3D model + struktura výrobku), kde jsou navíc uvažovány i kinematické, dynamické, pevnostní aj. charakteristiky. Např. návrh systému řízení směrové stability (ESP), což představuje spojení řízení motoru a brzdového systému, vyžaduje modelování a simulaci chování systému již v počátku návrhové fáze, protože musí být vyšetřen velký počet možných konfigurací při vynaložení co nejmenších finančních prostředků a vývojového času. Dále jsou to výrobky, u kterých dochází k oddělení přímé vazby mezi uživatelem a strojem, např. posilovač brzdového systému nebo elektrická ruční brzda. U nich jsou kladeny nové požadavky na bezpečnost, především předpověď selhání jednotlivých součástí a jejich účinků na celý systém. Chování výrobku v těchto stavech lze získat simulacemi, které mohou rychle napodobit reálnou situaci za různých provozních stavů a parametrů navrhované soustavy. Pod pojmem simulace rozumíme přenesení dynamickými procesů systému na experimentální model za účelem získání znalostí, které mohou být uplatněny na skutečném výrobku. V simulacích mechatronických systémů je důležité brát v úvahu nejen chování samotného subsystému, ale také vliv subsystému na subsystémy ostatní. Problém spočívá v tom, že základní prvky systému nelze často přiřadit k jednomu znalostnímu oboru a obsahují funkční závislosti přinejmenším ze dvou oborů. Tím utvářejí rozhraní mezi příslušnými subsystémy (například hydraulické válce nebo elektrické motory). Proto je nutno použitím různých IT nástrojů (informační technologie, tj. počítačová podpora, která pomáhá inženýrům při vývoji výrobku) simulovat celý mechatronický systém. Obtížným úkolem je propojení příslušných IT nástrojů tak, aby bylo vytvořeno společné celkové vývojové prostředí podporující vzájemnou interakci mezi nástroji modelu, soustavy, procesu a technologie (viz kap. 7.7).

7.4 Metodika mechatronického návrhu Zkušenosti získané v posledních letech z průmyslové praxe a výsledků empirického hledání návrhu jasně ukazují, že postup „zdola nahoru“ není optimálním procesem návrhu, kterého by se konstruktér mohl pevně držet. Je proto doporučováno následující.

7.4.1 Postup Za optimální postup návrhu mechatronických soustav je považován flexibilnější model procesu, který je podstatě postaven na následujících třech prvcích:

• cyklus návrhu na mikroúrovni; • cyklus návrhu na makroúrovni; • předdefinované moduly postupu pro obsluhu opakujících se pracovních kroků při vývoji mechatronických soustav.

202

Metodika mechatronického návrhu

7.4.2 Cyklus návrhu na mikroúrovni (mikrocyklus) Tento cyklus je využíván konstruktérem výrobku, který se zabývá předvídatelnými podproblémy, obvykle při oborově-specifickém návrhu. Organizace obsluhy mikrocyklu, která je uvedena na obr. 7.3, vznikla v systémovém inženýrství a byla přejata v modifikované formě do dalších odvětví, jako jsou např. obchodní management nebo softwarové inženýrství. Zahrnuje následující kroky:

Obr. 7.3 Cyklus návrhu na mikroúrovni (mikrocyklus)

Analýza stavu nebo zvolení cíle: Návrhový cyklus začíná buď zvolením cíle, nebo analýzou stavu. Konstruktér (konstrukční tým) může zvolit z vnějšku stanovený cíl, po kterém následuje analýza stavu (postup vedený žádaným stavem), nebo analýza počátečního nejasného stavu následně formuluje cíl (postup vedený součastným stavem). Analýza a syntéza: Hledání řešení daných problémů navazuje na původní analýzu stavu nebo cíle. Probíhá opakované střídání mezi krokem syntézy a krokem analýzy, které konstruktér vykonává částečně úmyslně, částečně také nevědomě. Cílem každého kroku je vypracování alternativní varianty řešení. Při hledání řešení je možné, že se objeví dodatečné problémy, které vyžadují návrat k analýze stavu nebo volbě cíle, nebo musí být proveden následný krok, tj. analýza a vyhodnocení. Analýza a vyhodnocení: Konkrétní řešené varianty jsou v průběhu hledání řešení doplněny o detailní výpočet. Analýza může být prováděna např. výpočtem, simulací, experimentem atd. Výsledek vyhodnocení je takový, že návrh nebo doporučení jedné nebo více možností řešení by měly připravit cestu pro přijetí rozhodnutí. 203

Rozhodnutí: Pokud předchozí postup řešení problému vede k uspokojivým výsledkům, může být učiněno rozhodnutí. Jestliže tomu tak není, musíme se vrátit zpět k analýze stavu a formulaci cíle. Plánování dalších postupů nebo učení: Plánování dalšího postupu bude v mnoha případech probíhat více či méně hladce směrem k dalším cyklům řešení problémů a tato cesta vede k efektivnímu vývoji postupu takto upraveného stavu. Mimo vyhodnocení dosažených výsledků mohou být na konci každého mikrocyklu zobrazeny dva po sobě dosažené výsledky pro kritické posouzení. Můžeme tím zjistit, jak asi byly dobré výsledky těchto kroků procesu a toho případně využít pro proces učení.

7.4.3 Cyklus návrhu na makroúrovni (makrocyklus) Tento cyklus podle obr. 7.4 popisuje obecně použitelný postup pro navrhování mechatronických soustav a má případ od případu odlišnou podobu.

7


Mechatronika

Obr. 7.4 Cyklus návrhu na makroúrovni (makrocyklus)

Navrhováním rozumíme proces, který vychází z požadavků a vede ke konkrétní technické soustavě. Zde je tato konkretizace vyjádřena mechatronickými prvky a interakcemi mezi nimi. Požadavky: Počáteční bod je tvořen aktuálními vývojovými požadavky. Definovaná soustava (výrobek) je určena přibližně a je popsána formou požadavků. Tyto požadavky se vztahují k výrobku a jsou poté vyhodnoceny. Návrh soustavy: Cílem je vytvořit mezioborovou koncepci řešení, která popisuje hlavní fyzikální a logické pracovní charakteristiky budoucího výrobku. Pro tento návrh je celková činnost soustavy shrnuta do jednotlivých hlavních činností. Těmto činnostem jsou přiřazeny vhodné principy práce nebo zvolené prvky a provedení těchto činnostíí je testováno na soustavě. 204

Metodika mechatronického návrhu Oborově specifický návrh: Na základě společně vyvíjené koncepce řešení probíhá další konkretizace obvykle odděleně v příslušném oboru. Jedná se o zajištění zejména rozhodujících činností výrobku. Proto je nutná podrobnější analýza a výpočty. Integrace soustavy: Jedná se o vytvoření celkové soustavy integrací výsledků z jednotlivých oborů, tak aby bylo možné vyšetřit vzájemné interakce. Zajištění vlastností: Postup návrhu musí být nepřetržitě kontrolován na základě stanovené koncepce řešení a určených požadavků. Musí být zajištěno, že se skutečné vlastnosti soustavy shodují s jejími požadovanými vlastnostmi. Modelování a analýza modelu: Tyto fáze vytvářejí, popisují a vyšetřují vlastnosti soustavy s využitím počítačových modelů a simulačních IT nástrojů. Výrobek: Výrobek je výsledkem nepřetržitého makrocyklu. V této souvislosti je výrobek chápán ve významu nikdy neukončeného procesu. Budoucí výrobek můžeme vytvořit zlepšováním skutečného, již existujícího výrobku – zvyšujeme zralost výrobku. Stupni zralosti výrobku jsou např. laboratorní vzorek, funkční vzorek, prototyp atd. Celý mechatronický výrobek není v obecném případě vytvořen během jednoho makrocyklu, ale obvykle je při návrhu výrobku potřebné provést několik makrocyklů podle obr. 7.5. zralost výrobku

zralost výrobku

vstup požadavky

laborat. vzorek

funkční vzorek

prototyp

…

Obr. 7.5 Průběh několika makrocyklů se zvyšující se zralostí výrobku

205

7


Mechatronika V prvním cyklu je např. výrobek funkčně určen, jsou vybrány, přibližně nadimenzovány a zkontrolovány (s ohledem na činnost celé soustavy) první principy činnosti a/nebo prvky řešení. Výrobek je realizován obvykle ve formě laboratorního vzorku. Princip činnosti popisuje vztah mezi fyzikálním účinkem a rozměrovými a materiálovými vlastnostmi (skutečné rozměry, skutečný pohyb a materiál). To umožňuje určit principy řešení pro vykonávání dílčích činností. Prvky řešení jsou realizovány a je odzkoušeno a otestováno vykonávání činností. Jedná se obecně o moduly/podsestavy založené na principu činnosti. Vnitřní počítačová reprezentace řešeného prvku porovnává různá hlediska jak chování, tak tvaru. Každé s těchto hledisek je různě upřesňováno, tak jak to odpovídá fázím vývojového procesu. Hledisko tvaru zahrnuje zhruba podmínky určeného principu řešení a přesnější podmínky pro určení stavební struktury. Hledisko chování může v případě softwaru např. zahrnovat práci s daty abstraktního typu v počáteční fázi vývoje a s kódy v pozdějších vývojových fázích. Následnou konkretizací v druhém cyklu, kde jsou stanoveny konečné rozměry řešených prvků a provedena simulace chovaní a skutečného provedení, je vytvořen první funkční vzorek. V závislosti na postupu práce na návrhu a typu a složitosti vývojového úkolu mohou být pro připravenost výrobku k sériové výrobě požadovány další makrocykly. Počet makrocyklů a provedených kroků závisí na druhu vývojového úkolu.

7.4.4 Pracovní postup pro opakující se pracovní kroky Některé dílčí kroky, které se při návrhu mechatronické soustavy opakují, mohou být popsány konkrétněji jako částečně předdefinované moduly pracovního postupu. Moduly pracovního postupu při návrhu soustavy, při modelování a analýze modelu, při oborově specifickém návrhu, při integraci systému a při zajištění vlastností jsou následující: 1. Návrh soustavy: Tento návrh začíná abstrakcí představ, popsaných v seznamu požadavků. Tato abstrakce slouží k tomu, abychom se vyhnuli použití předem určených prvků, které by zúžily výběr možných řešení. Cílem je určit, co je podstatné a obecně použitelné pro řešení problému. Toho je např. dosaženo redukcí seznamu požadavků na nejdůležitější požadavky a takovou formulací problému, která je k řešení neutrální. 2. Sestavení struktury činnosti: Celková činnost je odvozena z popisu úlohy (viz obr. 7.6). Představuje cílovou činnost pro chování systému za pracovních podmínek. Pracovní podmínky představují vstupní veličiny, výstupní veličiny popisují požadované chování. Po doplnění obecných veličin toku materiálu, toku energie a toku informací (kap. 7.2.1) a sestavení blokového schématu mohou být stanoveny vzájemné vztahy mezi vstupními a výstupními veličinami. Tato úloha je obecně ovšem příliš složitá na to, aby dovolila technickou realizaci z celkové činnosti. Proto musí být celková činnost rozdělena do dílčích činností. Dílčími činnostmi mechatronických systémů jsou např. pohon, řízení v uzavřené smyčce, měření, hnací ústrojí atd. Dílčí činnosti jsou navzájem propojeny prostřednictvím toku materiálu, energetického toku a toku informací tak, aby vytvořily strukturu činnosti, popsaly chování a odhalily včas rozpory. Cílem je v nezbytné míře podrobně určit strukturu činnosti k nalezení principů činnosti a prvků řešení, které budou tyto dílčí činnosti provádět. Jestliže to pro určitou dílčí činnost není možné, musí tato být dále rozdělena. To se uskutečňuje opakováním kroků analýzy a kroků syntézy (kap. 7.5.2).

206

Metodika mechatronického návrhu

Obr. 7.6 Činnosti při návrhu soustavy

3. Hledání principů činnosti a prvků řešení pro provádění dílčích činností: Pro jednotlivé dílčí činnosti se hledají vhodné principy činnosti a prvky řešení. Vyhledávání a přiřazování se uskutečňuje krok za krokem a proces pokračuje tak dlouho, dokud nejsou všechny dílčí činnosti zajištěny vhodnými principy činnosti a/nebo prvky řešení. Hledání zjednodušují katalogy fyzikálních projevů a principů činnosti a katalogy výrobků. K provedení celkové činnosti jsou prvky řešení propojeny (tokem materiálu, energetickým tokem a tokem informací) tak, aby tvořily

207

7


Mechatronika strukturu činnosti. Tato struktura představuje: spojení řady principů činnosti/prvků a umožňuje nalézt princip řešení celé úlohy. Často ale sama struktura činností nepostačuje k tomu, aby umožnila posouzení podstaty řešení. Další konkretizace struktury činností (např. přibližný výpočet nebo hrubý návrh konstrukční sestavy) vede na konstrukční strukturu. Tato struktura bere ohled na prostorové vztahy, požadavky výroby a montáže atd. Definovány v ní jsou montážní prostory, dále prvky a montážní skupiny a jejich vazby, které definují konkrétně výrobek. Takto se kontroluje kompatibilita principů činnosti/prvků řešení s ohledem na jejich tvar (zvláště v případě prostorové integrace). Prvky řešení jsou také vloženy do nosného systému a systému opláštění, které zajišťují funkčně vhodné uspořádání prvků a jejich součinnost. 4. Konkretizace variant pro nalezení řešení: Uvažovaná ideová řešení nejsou obvykle dostatečně konkrétní pro stanovení výsledné koncepce a k tomu, aby bylo možno pokračovat v návrhu po jednotlivých technických disciplínách. Do úvahy musejí být vzata další hlediska, jako jsou náchylnost k poruchám, hmotnost, provozní životnost atd. Používanými prostředky jsou metoda konečných prvků (MKP/FEM), analýza vícehmotových systémů (MBS) – viz kap. 7.7, obrysové studie, prohlížení modelů. Principy činnosti a prvky řešení jsou konkretizovány na základě nově získaných informací tak dlouho, až lze varianty určit jako definované objekty. Tyto jsou pak podrobeny konečnému posouzení na základě technických a komerčních kritérií. Výsledkem návrhu soustavy je koncepce řešení napříč obory, která popisuje hlavní fyzikální a funkční charakteristiky budoucího výrobku a typ a uspořádání jeho prvků. 5. Modelování a analýza modelu: Mechatronické soustavy by z důvodu jejich složité struktury a charakteru napříč obory měly být analyzovány IT nástroji. Bez modelování celkového chování není možné navrhovat složité mechatronických výrobky. Modelování a analýza systému se uskutečňuje s ohledem na dynamiku, ohřev, rozptylová pole, vibrace atd. 6. Oborově-specifický návrh: Při přiřazování principů činnosti a prvků řešení dílčím činnostem je prováděna dekompozice, tj. rozdělení činnosti mezi dané obory. Vývoj v dotčených oborech se uskutečňuje na základě tradičních metodik návrhu, které jsou charakterizovány vlastními způsoby uvažování, terminologií a zkušenostmi. 7. Integrace soustavy: Tato je chápána jako složení jednotlivých částí do celku (budoucí výrobek představovaný s ohledem na stupeň zralosti např. laboratorním vzorkem, funkčním vzorkem, prototypem). Typy integrace mohu být např. následující [5]:

• Integrace samostatných prvků: Prvky jako akční členy, senzory a výkonové akční členy jsou sloučeny do jednoho celku prostřednictvím signálových a energetických toků. Zpracování signálů probíhá s podporou komunikačních systémů (například sběrnice senzor-akční člen, field-bus atd.), energetický tok prostřednictvím kabeláže s zástrčko-zásuvkovými konektory. Je výhodné, že mohou být použity sériově vyráběné prvky, ale kabely a zástrčko-zásuvkové spoje představují problémy s kontakty a riziko přerušení kabelů a zkratů, zvláště v těžkých pracovních podmínkách.

• Modulární integrace: Soustava je složena z modulů s definovanou činností a standardizovanými rozměry, které jsou propojeny přes standardizovaná rozhraní. Tyto moduly mohou být pružně kombinovány a umožňují získat velkou funkční rozmanitost. Modulárně integrované systémy mají obecně větší množství prvků, vyšší materiálovou spotřebu a složitost prvků v porovnání s prostorově integrovaným systémy. 208

Návrh soustavy založený na modelu

• Prostorová integrace: Všechny prvky jsou prostorově integrovány a tvoří složitou funkční jednotku. Jako příklad integrace všech prvků pohonové soustavy (řídicí prvek, silový akční člen, motor, přenosový prvek, funkční prvek) do pláště může sloužit integrovaný vícesouřadnicový pohon uvedený v kap. 7.8. Výhodami jsou menší instalační prostor, vyšší spolehlivost dosažená redukcí rozhraní, rychlejší přenos dat/vyšší výkon a nižší montážní pracnost. Bezprostřední prostorová blízkost ale vytváří podmínky pro vznik nežádoucích interakcí, jako například oteplování, rozptylová magnetická pole, vibrace, šumy a napěťové špičky, které musejí být zavčas brány v úvahu. Aby byly elektronické prvky přizpůsobeny pracovnímu prostředí (teplota, vlhkost, vibrace atd.), mohou být za určitých okolností vyžadována další opatření, jako zapouzdření nebo chlazení k zajištění spolehlivosti prvku. Prostorová integrace proto vyžaduje systematický postup návrhu a podporu modelováním a IT nástroji. 8. Zajištění vlastností: V jednotlivých fázích návrhu soustavy, oborového návrhu a systémové integrace soustavy je třeba vybírat varianty řešení a spojovat jejich vlastnosti na základě seznamu požadavků. Vlastnostmi mohou být číselné charakteristiky, slovně formulované výroky atd. Takzvané ověření vlastností zahrnuje dva termíny: ověření a potvrzení, které popisují různé části procesu ověřování vlastností soustavy. 9. Ověření: V technických soustavách je chápáno jako kontrola, zda způsob, kterým je něco realizováno (např. softwarový program) odpovídá zadání (např. popisu algoritmu). V běžné řeči ověření obvykle znamená odpověď na otázku: je vyvíjen bezvadný výrobek? 10. Potvrzení: V technických systémech je chápáno jako testování, zda je výrobek vyhovující pro zamýšlený účel nebo zda dosahuje požadované hodnoty. Hodnotí se rovnocenně očekávání technického odborníka i uživatele. V běžné řeči potvrzení obvykle znamená odpověď na otázku: je vyvíjen dobrý výrobek?

7.5 Návrh soustavy založený na modelu Pro efektivní vývoj mechatronické soustavy s počítačovou podporou jsou nezbytné počítačové modely. Tyto modely se vytvářejí pro všechny uvažované části soustavy a berou do úvahy znalosti z jednotlivých oborů. Při vývoji soustavy se vytvářejí různé modely, které popisují soustavu z různých hledisek. Typy modelů jsou například model požadavků, který reprezentuje požadavky na soustavu, nebo model chování, který popisuje její činnost. Popisy pomocí CAD jsou modely tvaru soustavy. Při modelování mechatronických soustav jsou zejména důležité popisy chování, protože pomocí nich mohou být vyjádřeny a mezioborově formulovány funkční vazby (např. MATLAB). Vzhledem k tomu, že celková činnost mechatronické soustavy je určena interakcí zahrnutých technických disciplín, je nutné pracovat s modely z jednotlivých disciplín. Integrace modelů na základě matematického popisu je jednoduchá a flexibilní, protože již byly vytvořeny standardizované matematické popisy pro různé obory. Modely sestavované v dané fázi vývoje výrobku obvykle využívají modely z předchozích fází. Například modely, které zhruba popisují činnost systému, mohou být použity pro sestavení modelu chování. Modely chování mohou být předchůdci modelů tvaru nebo softwarových modelů. 209

7


Mechatronika Návrh mechatronických soustav založený na modelu přináší výrazné úspory času a nákladů. Např. chování soustavy nebo její části může být analyzováno dlouho před sestavením prvního prototypu. Přínosem je, že tento prototyp je podstatně vyspělejším výrobkem.

7.5.1 Modelování Postup modelování se může lišit pro různé obory mechatroniky a modely jsou vytvářeny na různých úrovních abstrakce tak, aby bylo možné popsat chování systému s požadovanou přesností (viz obr 7.7). Topologický model: Nejprve je modelována topologie systému, který má být simulován. Ta popisuje uspořádání a propojení funkčních prvků (např. prvků řešení, dílčích systémů, modulů). Každý prvek obecně představuje tři činnosti: kinematickou (např. počet kloubových vazeb, délku ramene robotu), dynamickou (např. vliv sil na pohyb hmoty) a mechatronickou (např. řízení, snímání, plánování cesty atd.). Topologie mechanických částí např. zcela zásadně určuje kinematiku mechatronické soustavy, proto musejí být tyto prvky posuzovány v simulačním modelu. Fyzikální model: Ten je vytvořen na základě topologického popisu a je určen vlastními proměnnými systému (např. hmotnost a délka pro mechanické systémy nebo odpor a indukčnost u elektrických systémů). V případě mechanických systémů je například určován počet a propojení nepohyblivých částí, definice pohyblivých částí, tření a velikost ložisek nebo rozložení hmoty. U hydraulických systémů zahrnuje fyzikální model například části jako hydraulické komory a ventily, ale také modely fyzikálních účinků jako prosakování, tření a hystereze. Fyzikální model popisuje systém v oborově-specifické formě. Matematický model: Tento model vytváří základ pro popis chování systému. Vytvořený fyzikální model se převede na abstraktní vyjádření ve formě matematického popisu (obvykle soustava rovnic). Mohou být sestaveny rozdílné modely podle uvažování podrobností, např. s nebo bez detailního popisu hydraulických modelů, přesnějšího modelu tření, s nebo bez přesnějšího popisu deformací pružných částí nebo s nebo bez zahrnutí vlivu nelinearit. Matematický model obsahuje všechny oborově-specifické modely. Numerický model: Tento model získáme takovou úpravou matematického modelu, aby jej bylo možné algoritmizovat a simulovat na počítači. Numerický model velmi závisí na úrovni modelování podrobností, na metodě řešení a na matematickém modelu (zejména s ohledem na nelinearity). Poté jsou numerickému modelu zadány konkrétní hodnoty (říkáme, že je parametrizován).

7.5.2 Postup návrhu soustavy založený na modelu Základní postup návrhu soustavy založený na modelu je rozdělen do pěti kroků (viz obr. 7.8). 1. Cíl: Nejprve je nutné stanovit cíle, úlohy a důvody pro modelování, aby bylo možné vybrat vhodný typ modelování. Ty mohou být následující:

• výchozí vyšetřování nově vyvíjené mechatronické soustavy (funkčně orientovaný návrh, tj. podle činností, analýza prvního návrhu řešení, stanovení požadavků pro oborově orientovaný návrh);

210

Návrh soustavy založený na modelu

Obr. 7.8 Postup návrhu soustavy založený na modelu

• návrh řídicího členu (lineární/nelineární analýza a syntéza pro úlohy z oblasti řízení); • analýza a optimalizace existujících mechatronických soustav (podrobné modelování pro odstranění nedostatků nebo pro vylepšení chování, např. snížení ceny nebo zlepšení činnosti);

• experimenty přímo na soustavě by byly příliš nákladné, nebezpečné nebo nespolehlivé (např. určování mezních stavů) nebo by mohly být prováděny jen s maximální opatrností (např. teplotní testy);

• experimenty zaberou příliš mnoho času vzhledem k trvání časových konstant systému (např. testy materiálů);

• provedení simulací pro omezení nákladů na prototyp (propojení modelů vyvinutých subsystémů, testování interakcí mezi částmi soustavy);

• provedení simulace hardwaru pro zjištění jeho správné činnosti.

211

7


Mechatronika 2. Modelování: Kvalita modelu je rozhodující pro kvalitu výsledků analýzy. Analýza modelu může poskytnout výsledky odpovídající skutečnosti pouze v případě, že model věrně popisuje systém. 3. Analýza modelu: Na základě modelu jsou určovány vlastnosti vlastního systému (např. analýza napětí metodou konečných prvků) a jeho chování (kinematika, dynamika s využitím simulací vícehmotových systémů). Analýza zjišťuje chování systému pro následnou fázi syntézy. 4. Syntéza soustavy: V tomto kroku jsou simulační a výpočtové výsledky analýzy modelu přeneseny na vyvíjenou soustavu. Přitom se pečlivě nastavují nebo optimalizují principy činnosti a prvky řešení. Výsledky analýzy jsou realizovány do konkrétního uspořádání. 5. Analýza soustavy: Takto určená nebo optimalizovaná soustava je opět analyzována a znovu zhodnocena. Může se stát, že je nutné se vrátit k předchozím krokům. Skutečný postup návrhu soustavy založený na modelu může např. vypadat takto. Je navrhován řídicí systém pro existující technický systém (např. obráběcí stroj). Nejprve je sestaven vícehmotový model systému vycházející z existujících tvarových dat (obecně CAD model). Neznámé parametry tohoto abstraktního modelu musejí být určeny nebo nastaveny porovnáním se skutečnou soustavou (identifikace). To se uskutečňuje měřením na skutečné soustavě. Následují další metody určování chování systému, např. zjišťování dynamických vlastností. Smyslem analýzy je určit, který z modelů popisuje danou úlohu správně. Poté může být pro model vyvinut řídicí systém (syntéza soustavy). Struktura řídicího systému vzniká především ze struktury modelu (nebo ze struktury systému, ze kterého byl model odvozen) a jeho chování. Celý řízený systém se v tomto kroku analyzuje, např. pomocí frekvenční analýzy, výpočtem vlastních čísel, simulací atd. (analýza systému). Výsledky této fáze analýzy slouží k optimalizaci celé nově navrhované řízené soustavy.

7.6 Nástroje K vývoji mechatronických soustav se používá řada metod. Použití těchto metod je podporováno nástroji IT. Cílem integrovaného vývoje je dovést vývojový proces co nejdále pouze s podporou počítačů, tedy sloučit IT nástroje pro vývoj daného výrobku do integrovaného vývojového pracovního prostředí. Běžné nástroje pro návrh mechatronických soustav mohou být rozčleněny do jednotlivých úrovní. Tyto úrovně jsou následující:

• Metodicky-technická úroveň: Na této úrovni jsou vybírány metody a nástroje, které budou použity pro vývoj daného výrobku. Metody jsou voleny podle informačních a časových nároků. Na základě toho se pak vybírají odpovídající nástroje CAE (Computer Aided Engineering).

• Úroveň technického postupu: Na této úrovni je analyzován průběžný stav vývoje projektu, jsou vymezovány funkční bloky a je sledováno jejich vytváření.

• Modelově-technická úroveň: Aby si nástroje CAE mohly vyměňovat informace a spolupracovat, musejí být koncepčně shodné. Cílem této modelově-technické integrace je vytvoření prostředí s takovými reprezentacemi modelu výrobku, které jsou pro uživatele srozumitelné.

212

Nástroje

• Systémově-technická úroveň: Zde se jedná o IT systém, nikoliv o mechatronickou soustavu. Na této úrovni je realizována spolehlivá a konzistentní výměna informací mezi integrovanými CAE nástroji. Pro tento účel musí existovat obecné komunikační médium, které zajišťuje komunikaci v celém systému. Obvyklé nástroje pro návrh mechatronických soustav lze rozdělit do tříd. Jednotlivé třídy nástrojů jsou následující:

• Nástroje pro popis požadavků: Na začátku vývoje výrobku existují většinou pouze nejasné představy o tom, k čemu by měl výrobek sloužit a jaká by měla být jeho cena. Tyto představy se konkretizují ve formě požadavků a přání a jsou dokumentovány jako seznam požadavků nebo podmínek. Existují speciální nástroje pro popis podpory požadavků na systematickou evidenci a třídění požadavků, poskytující kontrolní seznamy a zajišťující konzistentní dokumentaci. Je-li možné v daný okamžik definovat požadavky detailněji (např. na základě požadavků zákazníka), používají se navíc také nástroje užívané při návrhu systému. Příkladem detailnějších požadavků mohou být rozměrové požadavky, např. místo pro instalaci nebo montážní rozměry (popsané pomocí CAD nástrojů), funkční vlastnosti (popsané pomocí nástrojů pro modelování chování) a požadované návaznosti ve formě aplikačních případů.

• Nástroje pro správu požadavků: Potřeba rychlého přizpůsobení změněným požadavkům zákazníka, zpřesněným požadavkům na vlastnosti výrobku a požadavkům na cenu vytváří nutnost opakovaného používání získaných výsledků vývoje tak často, jak je to možné. Aby toho bylo možno dosáhnout, je velmi důležitá srozumitelná a kompletní dokumentace požadavků. Také je důležité v průběhu vývoje vědět, které požadavky mají vliv na výrobu výrobku a kdo a jaké požadavky vznesl. K tomu jsou používány nástroje pro správu požadavků, které podporují přidělování prostředků a určování osob odpovědných za kontrolu kompletnosti.

• Nástroje pro modelování činnosti: Cílem modelování činnosti je formulování návrhové úlohy na úrovni nezávislé na řešení. Činnost celé soustavy může být odvozena z řešeného problému. Tato celková činnost se rozdělí na dílčí činnosti propojené strukturou činnosti. Pro reprezentaci činnosti se obvykle používá blokové schéma a pro popis propojení se používá tok proměnných (materiálu, energie, informací). Od počátku návrhu se také posuzuje kompatibilita činností, provádí se chybová diagnostika a posuzují se chybové stavy včetně analýzy dopadů (Failure Mode and Effects Analysis – FMEA). Přechod od čistého modelování činnosti (nezávislého na řešení a popisu požadovaného chování) k modelování závislému na použitém principu (propojení principů činnosti, fyzikálních veličin a prvků řešení) je plynulý.

• CAD nástroje: Umožňují modelovat tvar vyvíjeného výrobku. Geometrické požadavky a předběžně navržený tvar mohou určovat základ pro dosažení konkrétního chování. Tvar je postupně zpřesňován volbou vhodných principů činnosti, prvků řešení a také určením parametrů tvaru, technologie a materiálů (hrubý návrh). Parametry jsou dále optimalizovány použitím výpočtových a analytických metod (viz FEM, MBS). Systém CAD poskytuje rozměry a z nich odvoditelné vlastnosti. Výsledkem oborového návrhu je kompletní CAD model výrobku a jeho částí spolu s informacemi o tvaru (rozměry, tolerance atd.) včetně informací o struktuře (montážní postup, seznam dílů) a informací pro výrobu.

• FEM (Finite Element Method) nástroje: Pro detailní analýzu mechaniky těles, dynamiky, elektromagnetismu, mechaniky tekutin, akustiky nebo teplotních polí se používá metoda ko-

213

nečných prvků (MKP). Je to metoda, která řeší obecný problém aproximací spojitého prostoru konečným počtem malých prvků (prostor je diskretizován). Například je možné zkoumat, jak se součástka deformuje statickým zatížením a kde je maximální napětí (např. ke zjištění namáhání); ale mohou být také zkoumány dynamické a nelineární procesy (např. analýza vibrací, analýza mezních stavů). Potřebný tvar budoucího výrobku může být získán přímo z 3D-CAD systému.

• BEM (Boundary Element Method) nástroje: Tato metoda hraničních prvků je společně s metodou konečných prvků další důležitou diskretizační metodou pro výpočet hraničních hodnot, například při vyšetřování chování tekutin. BEM metoda má výhodu oproti FEM v tom, že stačí diskretizovat pouze povrch struktury, a nikoliv celý objem. Pro tento účel je povrch rozdělen na prvky a jsou zavedeny hraniční uzly. Nositeli základní činnosti jsou hraniční prvky. Hlavní oblastí použití jsou elektrostatika, akustika, hydromechanika a termodynamika.

• Nástroje pro simulaci vícehmotových systémů: Simulace vícehmotových systémů (Multi-Body Systems – MBS) se používá ke zkoumání chování pohybu systémů, které obsahují velký počet navzájem vázaných pohyblivých částí. Spektrum aplikací je od kontrolování pohybového chování jednotlivých konstrukčních celků, obsahujících jen několik komponent, přes zjišťování kolizních stavů způsobených pohybem komponent až po chování pohybu celé soustavy. Mimoto mohou být pomocí MBS simulace určeny síly a momenty, které působí v systému v důsledku pohybu. Data popisující tvar mohou být zpravidla přejata z 3-D CAD systému, nebo mohou být generována jako zjednodušený 3-D model pomocí objemového modeláře v MBS systému. Některé 3-D CAD systémy přímo obsahují moduly pro MBS analýzu.

7


Mechatronika

• Nástroje pro tekutinově-technický návrh: Použitím výpočtových nástrojů dynamiky tekutin (CFD) může být v omezené oblasti proveden rozbor termodynamických procesů a dynamiky tekutin. Výpočtovou fluidní dynamikou rozumíme numerickou simulaci proudění. Proudění je základním pojmem tekutin a plynů. Fluidní dynamika (také nazývaná mechanika proudění nebo teorie proudění) je teorie pohybu tekutin působením sil. CFD analýza produkuje jak kvalitativní údaje (např. typ, rozsah a důsledky průtoku na mechanické vlastnosti), tak kvantitativní údaje (hodnoty termodynamických a tekutinově dynamických stavových proměnných). Aplikační oblasti jsou následující [6]:

– automobilová technika: vnější aerodynamika, řízení klimatizace v kabině, proudění a spalování v motoru atd.;

– letecká a kosmická technika: vnější aerodynamika, letecké motory, raketové motory atd.; – energetické inženýrství: komponenty elektráren jako jsou parní generátory, kotle, kondenzátory, parní turbíny, čerpadla atd.

• Nástroje pro návrh řízení: Nejvíce nástrojů pro návrh řízení je založeno na reprezentaci blokovými schématy. Každý blok má přesně definované chování mezi vstupem a výstupem a propojení bloků je provedeno jednosměrně působícími signály. Modely získané modelováním požadavků, které byly získány při návrhu soustavy, nyní jsou konkretizovány a rozčleněny. To znamená, že je struktura soustavy podrobnější a přiřazení jednotlivých činností k budoucím modulům mechatronického výrobku se stává přesnějším. Výsledkem je velmi úplný model činností výrobku, který je rozčleněn s ohledem na pozdější realizaci. 214

Nástroje

• Nástroje pro návrh elektroniky: Elektronika přijímá řídicí signály a signály senzorů, zpracovává je a na výstupu vysílá zprávy a signály pro aktivaci akčních členů. Elektronika může přímo provádět požadovanou uživatelskou činnost ve formě hardwarového analogového nebo digitálního zpracování signálů. Dále může vytvářet platformu, na které jsou uživatelské činnosti zcela nebo částečně realizovány pomocí programovatelných analogových nebo digitálních modulů. Elektronika také může tvořit platformy, na kterých mohou být uživatelské činnosti realizovány více nebo méně úplně pomocí uživatelského softwaru. Vývoj analogových nebo digitálních obvodů je podporován tzv. EDA (Electronic Design Automation) programy, které jsou specializovány pro návrh a simulaci elektrických obvodů a jejich prostorového rozvrhování. Pro efektivní vývoj elektroniky mechatronických systémů je důležité, že je díky automatizaci možné získat z modelu systému obvodová schémata. Aby to bylo možné, musejí se jednotlivé činnosti při návrhu rozdělit na takové části, aby každý modul modelu systému mohl být vytvořen na vlastní elektronické komponentě, např. jako analogový modul, jako programovatelné pole (Field-Programmable Gage Arrays) nebo jako mikroprocesor s uživatelským softwarem.

• Nástroje pro návrh elektrotechniky: Elektrotechnika vzájemně propojuje všechny elektrické komponenty mechatronického výrobku a zajišťuje jejich napájení elektrickou energií. Je prostředkem pro vykonávání jejich činností, které jsou nezbytné pro spolehlivé fungování již dříve namodelované v modelu systému. Vytváření obvodových schémat potřebných pro propojení může být provedeno automatizovaně z modelu soustavy. Umístění vodičů mezi distribuovanými elektrickými a elektronickými moduly má vliv na tvar výrobku a musí být zahrnuto do CAD modelu.

• Nástroje pro návrh softwaru: V tomto odstavci pojem „software“ znamená vestavěný (embedded) software. Ten se dělí na software operačního systému (např. řízení v reálném čase a ovladače hardwaru) a na uživatelský software. Software operačního systému může být považován za speciální hardwarový modul. Tento zajišťuje, že uživatelský software je cíleně vložen do elektroniky a je zpracováván v požadovaných intervalech, má přístup k datům z připojených senzorů a může spouštět všechny požadované výstupy. Uživatelský software potom určuje činnosti mikroprocesorově řízených elektronických modulů, kterými je realizováno řízení v otevřené/uzavřené smyčce. Vývoj uživatelského softwaru je obzvlášť důležitý. Činnosti, které má realizovat, jsou definovány, modelovány a testovány při návrhu systému. Takzvané CASE (Computer Aided Software Engineering, tj. softwarové inženýrství za podpory počítače) nástroje nabízejí grafické editory, pomocí kterých lze modelovat software a zajišťovat kompatibilitu mezi jednotlivými částmi programu. Proto se v současnosti snažíme generovat spustitelný kód využitím automatizované nebo automatické tvorby kódu přímo z modelu softwaru při simulaci soustavy včetně všech potřebných konverzí a kompilací. Automatická tvorba kódu je podporována speciálními návrhovými prostředími.

• Nástroje pro HIL (hardware-in-the-loop) simulace: jakmile jsou realizovány jednotlivé komponenty, musejí být testovány v prostředí podobném tomu, ve kterém budou později použity. Pro toto ověření a potvrzení je sestaveno HIL prostředí, které simuluje v reálném čase to prostředí, ve kterém bude testovaná část nebo výrobek pracovat. 215

7


Mechatronika V průběhu vývoje musejí být sestavena různá HIL prostředí pro komponenty, jejich skupiny a výsledný výrobek.

• Nástroje pro ověřování výrobku v reálném prostředí: Nakonec se kontroluje, zda se skutečný výrobek v reálném prostředí za reálných podmínek chová tak, jak bylo zamýšleno. Existují nástroje pro podporu záznamu a zpracování naměřených dat. Pokud výrobek projde tímto potvrzením, už nic nebrání jeho uvedení na trh.

• Systémy pro správu dat o výrobku: Během výroby výrobku se na různých místech společnosti vytvoří velké množství dat. Množství vytvořených informací je již tak velké, že není možné mít o nich přehled, ale vývojář musí přesně vědět, kde nalézt požadovanou informaci. Úkolem systému pro správu dat o výrobku (Product Data Management System – PDMS) je spravovat všechna relevantní data o výrobku a postupu jeho vývoje. Činnost moderních systémů pro správu dat o výrobku zahrnuje správu struktury výrobku (model vztahů podsystémů a jednotlivých částí, např. z výroby nebo montáže), správu dokumentace (zajištění konzistence, přístupových práv atd.), správu konfigurací (správu stavů struktury výrobku) a třídění dat o výrobku. Kromě správy dat o výrobku PDM systémy také podporují plánování, řízení a monitorování návazností (správu postupu).

7.7 Příklady návrhu mechatronických soustav Uvedení kompletního návrhu některé mechatronické soustavy není s ohledem na určení a rozsah této publikace možné. Proto budou v následující podkapitole uvedeny příklady, na kterých budou prakticky demonstrovány některé části návrhu vybraných mechatronických soustav.

7.7.1 Návrh a optimalizace konstrukce humanoidního robotu Cílem návrhu je vytvoření konstrukce experimentálního humanoidního robotu, která se bude vyznačovat jednoduchostí a malými náklady. Protože se jedná pouze o návrh funkčního vzorku, jsou uvedeny pouze některé procedury výše uvedeného postupu. Návrh soustavy: • Seznam požadavků: Co nejjednodušší konstrukce realizovatelná během krátkého času. Konstrukci je nutné udělat co nejjednodušší, technologické postupy výroby budou zahrnovat pouze základní operace obrábění a ruční montáže, konstrukce musí být dostatečně tuhá a mít nízkou hmotnost. Sestavení struktury činnosti:

• Celková činnost: Schopnost dynamické chůze po rovině i do schodů, řízení rychlosti chůze a zkoumání kolizních stavů, napájení z vlastních baterií, operátorové řízení z externího počítače, bezdrátová komunikace mezi robotem a operátorem;

• Dílčí činnosti: Mechanická konstrukce: 6 stupňů volnosti na každou nohu; elektrotechnika: servopohony; řízení: polohová a rychlostní smyčka integrovaná v servopohonu; komunikace mezi robotem a operátorem přes rozhraní R 232 atd.

216

Příklady návrhu mechatronických soustav Hledání principů činnosti a prvků řešení pro provádění dílčích činností: • mechanické díly (na jednu nohu): stehno, kyčel, úchyt lýtka, lýtko, kotník, chodidlo, tělo, kyčelní kříž, kotníkový kříž, čep kolena, ložiska;

• elektrické díly: stejnosměrné servopohony; • přenos dat pro vyšší úroveň řízení: vysokofrekvenční radiový modul (vysílač/přijímač); • atd. Konkretizace variant pro nalezení řešení:

• mechanické díly: konkretizace rozměrů, volba materiálu (hliníkové profily, plech); • elektrické díly: stejnosměrné modelářské servopohony firmy Hitec; • atd. Modelování S ohledem na účel publikace omezíme výklad modelování pouze na statické modely. Ze zadání úlohy je zřejmé, že existuje více možností provedení mechanické konstrukce. To nutně vede na optimalizační úlohu, která stanoví konstrukci vyhovující kladeným požadavkům. Pro statické modelování je nezbytné sestavit kinematický model robotu (fyzikální model). Pro jeho sestavení slouží znázornění kinematiky robotu, které je uvedeno na obr. 7.9. Aby robot byl schopen konat většinu lidských pohybů, musí obsahovat patřičné množství stupňů volnosti. Jejich počet a rozmístění ukazuje tabulka 7.2

Obr. 7.9 Znázornění kinematiky robotu

Kloub

Kyčel

Koleno

Kotník

Počet stupňů volnosti

3

1

2

Tab. 7.2 Specifikace stupňů volnosti

Pro vytvoření přímého kinematického modelu bylo zvoleno prostředí MATLAB/Simulink/ /SimMechanics (numerický model), který je uveden na obr. 7.10. Tento model umožňuje získat vizuální představu o možnostech jednotlivých pohybů a polohách robotu.

217

7


Mechatronika

Obr. 7.10 Přímý kinematický model v SimMechanics

Vstupem do přímého kinematického modelu jsou hodnoty jednotlivých natočení kloubu při známých délkách částí ro botu (stehno, lýtko atd.). Výstupem je pak konečná poloha chodidla, kterou lze získat řešením v prostředí SimMechanics, tedy

[α, β, γ, δ, η, ξ] → [x, y, z, φx, φy , φz ] kde α, β, γ, δ, η jsou úhly natočení v kinematických vazbách, x, y, z jsou souřadnice polohy chodidla, φx, φy , φz jsou úhly natočení chodidla. Při tvorbě kinematického modelu bereme do úvahy rozsahy úhlů možného pohybu kloubů v daných směrech, přičemž se snažíme co nejvíce napodobit schopnosti lidského těla. Zvolené rozsahy úhlů jsou uvedeny v tabulce 7.3, přičemž za nulové hodnoty považujeme ty, kdy robot stojí ve vzpřímené poloze. 218

Příklady návrhu mechatronických soustav Smysl pohybu Vazba

Rovina

Dopředu [°]

Dozadu

Doprava [°]

Doleva[°]

A L, A R

Mediální

90

30

-

-

Frontální

-

-

35

35

Transverzální

-

-

30

30

B L, B R

Mediální

-

120

-

-

C L, C R

Mediální

60

30

-

-

Transverzální

-

-

35

35

Tab. 7.3

Pro první návrh konstrukce je nutné znát hodnoty namáhání v kinematických vazbách AL až CR (viz obr. 7.9). Stanovili jsme omezení, že hodnoty statických momentů nesmějí překročit 75 % maximálního momentu příslušného servomechanizmu. Toto hledisko určí maximální hmotnosti jednotlivých částí robotu, jejich předběžnou podobu a rozměry a jsou podkladem pro výběr materiálu pro zhotovení těchto komponent. Do hmotnosti jednotlivých částí robotu je nutno zahrnout i hmotnost v nich zastavěných servopohonů. Pro statické výpočty je opět vhodné programové prostředí MATLAB na základě modelu podle obr. 7.10. Při řešení problematiky namáhání kinematických vazeb v různých polohách robotu musíme současně zkoumat statickou stabilitu robotu. Pro řešení této úlohy je nutné nasimulovat okolní prostředí a sledovat síly, kterými robot působí na okolí svými chodidly. Je známo, že při lidské chůzi hraje palec zásadní úlohu a bez jeho přítomnosti se chůze stává obtížnou. Proto je nezbytné zjišťovat stykové síly právě v tomto místě. Dalšími vhodnými místy jsou ještě oblast paty a oblast malíčku. To vlastně znamená, že robot nestojí na zemi celou plochou chodidla, ale působí na prostředí pružnými vazbami v každém uvažovaném místě. Proto je prostředí simulováno pružinami a tlumičem v každém z těchto míst. Model okolí vytvořený v prostředí SimMechanics je uveden na obr. 7.11.

Obr. 7.11 Model okolí v prostředí SimMechanics

Postup optimalizace konstrukce lze shrnout do následujících bodů:

• odhad vzdáleností jednotlivých kloubů; • odhad hmotností součástí robotu včetně servopohonů; 219

• • • •

sestavení statického modelu jedné nohy; vytvoření kompletního statického modelu; kontrola stability; případná změna geometrie nebo hmotností.

Díky rychlému a efektivnímu řešení statického modelu v prostředí MATLAB/Simulink/SimMechanics jsme schopni řešit optimalizační úlohu, ve které se mění parametry délek a hmotností komponent robotu. Přitom se především vyhodnocují hodnoty momentů v extrémních polohách robotu (chůze do schodů – moment v koleně, úklon – moment v kyčli). Jako příklad dílčí úlohy uvedeme vyšetřování zatížení kolenního kloubu robotu při chůzi do schodů a optimalizaci konstrukce s ohledem na minimalizaci zatížení. Na obr. 7.12 je zachycen jeden okamžik při chůzi robotu do schodů. Zde levá noha není v kontaktu se zemí a délka L3 udává vzdálenost mezi kyčelním kloubem levé nohy a těžištěm pravé nohy.

7


Mechatronika

Obr. 7.12 Schéma chůze robotu do schodů

Stanovené požadavky a experimentálně zjištěná data:

• jmenovitý moment kolenního servopohonu je 1,6 Nm; • maximální zatěžovací moment servomechanismu kolenního kloubu je stanoven na 75 % jmenovitého momentu, tj. 1,2 Nm;

• minimální vzdálenost od čepu kyčle k čepu kolena (L1) je 80 mm (menší vzdálenost nedovolí rozměry servomechanismů kolena a kyčle, které jsou umístěny ve stehně);

• hmotnost stehna je cca 300 g (zahrnuje hmotnost konstrukce stehna a hmotnost obou servopohonů). Při optimalizaci byly měněny hmotnost a délka stehna a získané mezivýsledky jsou výsledky uvedeny v tabulce 7.4.

220

Příklady návrhu mechatronických soustav Hmotnost stehna m1 [kg]

Délka stehna L1 [m]

Moment v koleni [Nm]

0,35

0,13

1,986

0,35

0,10

1,550

0,35

0,09

1,404

0,35

0,08

1,259

0,33

0,08

1,241

0,30

0,08

1,214

0,28

0,08

1,196

Výsledné parametry 0,278

0,083

1,235

Tab. 7.4 Výsledky optimalizace parametrů stehna robotu

Při skutečné optimalizaci celé konstrukce se ovšem musejí měnit parametry všech dílů a musejí být pozorovány všechny momenty ve všech polohách robotu. Postup optimalizace je možno znázornit vývojovým diagramem podle obr. 7.13. Pro názornost jsou v tabulce 7.5 uvedeny vstupní parametry do jednoho kroku optimalizace. Kromě těchto parametrů je ovšem třeba zadat i úhly, které definují polohu robotu. Tyto jsou zadávány jako relativní hodnoty, které závisejí na topologii modelu vytvořeného v MATLABu, a proto nemá smyl je uvádět. Pro dokonalou vizuální představu o podobě a uspořádání jednotlivých dílů (konstrukční struktura, prostorová integrace, model tvaru) bylo použito 3D CAD prostředí SolidWorks 2001. Využitím tohoto softwaru získáme nejen kompletní informace o uspořádání jednotlivých dílů, ale i informace, zda jsou zachovány požadované hodnoty dílčích pohybů a zda si jednotlivé díly navzájem nebrání v pohybu (kolizní stavy). Kromě toho tento software počítá těžiště, hmotnosti a matice setrvačnosti s vyznačením os setrvačnosti, které jsou potřebné pro simulaci dynamických vlastností. Odhad vzdáleností jednotlivých uzlů

Sestavení kinematického modelu

Odhad hmotností součástí robotu včetně servopohonů

Nevyhovující zařízení

Sestavení kompletního statického modelu

Nestabilní

Znalost zatěžujících momentů

Stabilní při všech pozicích Kontrola stability

Vyhovující zařízení Namodelování konstrukce v SolidWorks 2001

Obr. 7.13 Postup optimalizace konstrukčního uspořádání robotu

221

L1

L2

L3

L4

0,1

0,13

0,082

0,17

Hmotnost stehna [kg]

Hmotnost lýtka [kg]

Hmotnost těla [kg]

Hmotnost chodidla [kg]

0,3

0,121

1

0,015

0,19

0,054

L5

Šířka chodidla

Délka chodidla

0,05

0,04

0,056

Hmotnost kyčle [kg]

Hmotnost kotníku [kg]

Tab. 7.4 Vstupní parametry jednoho kroku optimalizace konstrukce robotu

Výsledek optimalizace modelu jedné nohy je zřejmý z obr. 7.14, kde vlevo je uvedena konstrukční sestava na počátku optimalizace a vpravo je uvedena výsledná konstrukční sestava po provedené optimalizaci. Z obr. 7.14 je zřejmé, že modelováním bylo dosaženo značné změny tvaru jednotlivých dílů noh. Nyní lze přikročit k vytvoření CAD modelu celého robotu (obě nohy musejí být stejné). Tento model je uveden na obr. 7.15 vlevo. Z postupu optimalizace modelu je dále zřejmé, že jsme získali i podklady pro volbu materiálu jednotlivých dílů (známe hmotnosti). Mohlo být proto přistoupeno k výrobě prvního funkčního vzorku, který je uveden na obr. 7.15 vpravo.

7


Mechatronika

Obr. 7.14 Počáteční (vlevo) a konečný (vpravo) návrh konstrukce nohy robotu

Tím byl uzavřen první makrocyklus návrhu podle obr. 7.4. Nyní by následovala ex-

Obr. 7.15 Výsledný model konstrukce (vlevo) a první funkční vzorek (vpravo) humanoidního robotu

222

Příklady návrhu mechatronických soustav perimentální analýza vlastností funkčního vzorku, ověření a potvrzení jeho vlastností a jestliže by se to ukázalo jako potřebné, návrat do dalšího makrocyklu podle obr. 7.5.

7.7.2 Návrh vícesouřadnicového pohonu Technická praxe stále častěji požaduje pohonové soustavy s vysokou dynamikou a přesností, které mohou konat volně programovatelné pohyby v rovině nebo prostoru (stupeň volnosti 1, 2, 3). Klasická řešení byla realizována jednotlivými pohybovými osami řazenými sériově. Lineární osy s rotačním motorem a měničem pohybu (šroubem) byly uspořádány jedna nad druhou. Takové pohonové struktury jsou velmi rozšířené. Mají řadu výhod a nevýhod, které jsou shrnuty v tabulce 7.5. Blokové schéma takovéhoto pohonu je uvedeno na obr. 7.16.

Výhoda

Nevýhoda

vysoká pohyblivost

nízká tuhost

velký pracovní prostor

obtížná kalibrace (nastavení)

modulární/standardizované prvky

nízká přesnost polohování

jednoduchá struktura k údržbě

pohyblivé hmoty nepříznivě působící kumulativní vliv chyb/poruch malá šířka pásma vůle

Tab. 7.5 Výhody a nevýhody pohonových struktur se sériovým řazením [8]

R LV M LV WE MS

regulátor výkonový měnič motor měnič pohybu pracovní prvek systém odměřování

a, b A, B F L M W

délka motoru pracovní rozsah síla délka rotoru motor nástroj

Obr. 7.16 Dvousouřadnicový pohon se sériovým řazením [7]

223

Pohonové struktury s paralelním řazením pohonových os jsou v porovnání se sériovými strukturami výhodnější s ohledem na dosažitelnou dynamiku a přesnost polohování. Uvedené výhody mohou být ještě výraznější, jestliže struktury generující sílu, měřicí struktury a struktury vedení jsou v procesu mechatronického návrhu vzájemně prostorově integrovány. Vytvářejí se tak pohonové struktury s integrovanou činností. Příklad takovéto struktury, jmenovitě vícesouřadnicového hybridního krokového motoru, je uveden na obr. 7.17. Dále je detailněji rozvedeno použití metody prostorové integrace pro elektrické vícesouřadnicové pohony s vysokou dynamikou.

7


Mechatronika

Obr. 7.17 Integrovaný vícesouřadnicový pohon se 2 stupni volnosti MM – vícesouřadnicový motor, MMS – vícesouřadnicový měřicí systém

Proces návrhu pro objemovou integraci systémů Postup: cíl celkové optimalizace mechatronické soustavy, která má být navržena, vyžaduje více úsilí během návrhu, protože musí být věnována rovnocenná a značně velká pozornost nejen mechanickým prvkům, ale i elektrickým prvkům a prvkům zpracovávajícím informace. V literatuře jsou popsány různé metody, které jsou založeny na konstrukčních metodách strojního inženýrství. Příklad uvedený na obr. 7.18 je založen na proceduře uvedené v kap. 7.5.1. V počáteční fázi návrhu integrovaného vícesouřadnicového systému: při návrhu shora dolů se bere jako východisko stanovená definovaná úloha. Po zpřesnění může být úloha použita k odvození celkové činnosti, ze které je získána v následujícím kroku návrhu struktura činnosti (dílčí činnosti a jejich vzájemného propojení). Musí být ale zajištěno, že je úloha definována úplně a neobsahuje rozpory. Pro planární (rovinný) vícesouřadnicový motor je vyžadován pohyb ve třech pohybových souřadnicích. K tomu je v těchto směrech pohybu nutné generovat síly nebo momenty. Jedno mechanické řešení tkví v tom, že prvky generující lineární sílu integrované do rámu (viz obr. 7.19) vyvolávají pohyb v pohybových osách. Síly jsou generovány působením magnetických polí, přičemž vzájemná vazba mezi dvojicí oblastí činnosti hnacích sil je tuhá.

224

Příklady návrhu mechatronických soustav Návrh soustavy • hrubý návrh částí motorů na základě různých fyzikálních principů a struktur • výběr a návrh senzorů a řídicích členů • vyhledávání vhodných variant pro kompaktní prostorovou integraci s ohledem na základní pravidla (symetrii, vliv podsystému, minimalizaci hmotnosti rotoru atd.) • zhodnocení a výběr z možných variant řešení

Oborově-specifický návrh • návrh struktury řídicího členu a modelování celého systému (modely v MATLABu/SIMULINKu) • zpřesnění návrhu magnetického obvodu (vyhlazení charakteristiky síla–posunutí) • konstrukční implementace (CAD návrh) • kontrola dodržení funkcí a parametrů • FEM simulace dynamického chování pohyblivé části (vlastní frekvence) • ralizace potřebné síly (zrychlení) se skutečnou zátěží pohyblivé části

Obr. 7.18 Návrh systému a oborově-specifický návrh vícesouřadnicového pohonu

FF dvojice pracovních ploch řídicích sil FA

FN + FG nepohyblivá část

f=3 pohyblivá část

y

FA

φz z

x

Obr. 7.19 Struktura prvku generujícího síly pro planární integrované vícesouřadnicové motory: FN – normálová síla, FA – hnací síla, FF – síla ve vedení pohyblivé části, FG – tíhová síla

225

7


Mechatronika Převod funkčního prvku na základní prvek je z podstaty víceznačný. Prvky generující sílu mohou být například založeny na následujících principech:

• • • • • •

stejnosměrný lineární motor; stejnosměrný lineární motor s Halbachovým polem; reluktanční lineární motor; synchronní lineární motor; lineární reluktanční krokový motor; lineární hybridní krokový motor.

Uvedené principy mají své výhody a nevýhody. Aby mohla pohyblivá část vícesouřadnicového motoru realizovat požadovaný počet stupňů volnosti (3), musejí akční prvky zůstat po integraci pohyblivé ve všech třech pohybových osách. Neprocházejí-li vektory síly těžištěm pohyblivé části, je také generován kroutící moment, který buď musí sloužit ke generování síly, nebo musí být eventuálně kompenzován. S ohledem na následnou integraci je vhodné neuvažovat ve fázi výběru principu pouze geometrické proměnné, ale také další proměnné, kterými se objemová integrace nezabývá. Převod struktury činností na konstrukční strukturu (viz obr. 7.20) je procesem syntézy, tj. není jednoznačný. Struktura činností se skládá z funkčních prvků, které jsou navzájem propojeny a realizují požadovanou celkovou činnost. Skutečnost, že je každému funkčnímu prvku přiřazen technický princip, má vliv na tvorbu struktury činnosti, která zahrnuje spojení pracovních prvků.

FE1

Funkční struktura

FE2

WE1.1

WE2.1 WE1.2

WE2.2 WE1.3

Konstrukční struktura

WE2.3

BE1.i WF

BE2.j WR

WF

Obr. 7.20 Převod ze struktury činností do konstrukční struktury: FE – funkční prvek, WE – pracovní prvek, BE – konstrukční prvek, WF – oblast činnosti, WR – prostor činnosti

226

Příklady návrhu mechatronických soustav Ze struktury činností se určuje konstrukční struktura, což lze splnit např. použitím parametrického návrhu. Takto mohou být nalezeny varianty konstrukce ve smyslu hrubého návrhu a je pevně stanoven tvar jednotlivých prvků, oblasti činnosti a prostor činnosti. Sestavení struktury Pro vytvoření lineárního pohybu na elektrodynamickém principu ve vícesouřadnicovém motoru mohou být použity pouze ty prvky generující sílu, které umožňují příčný pohyb ke směru generování síly. Prvek generující sílu uvedený na obr. 7.21 splňuje tyto požadavky, jestliže jsou např. drážky vinutí mnohem delší než magnety. Na obr. 7.22 je uvedena integrace čtyř prvků generujících sílu do vícesouřadnicového motoru.

Obr. 7.21 Základní schéma prvku generujícího sílu

Za účelem prostorové integrace jsou vinutí upevněna na nepohyblivé části a permanentní magnety na pohyblivé části, které jsou spojeny jedna s druhou pohyblivými vazební prvky. Tím jsou získány i další výhody v porovnání se sériovým uspořádáním jednotlivých poháněných os. y-cívky y-magnety nepohyblivá pohyblivá část část

y-cívky y-magnety

y

z φ z x

x-cívky x-magnety nepohyblivá část

x-magnety y

z φ z

x-cívky jádro x

Obr. 7.22 Motor s pohyblivými vinutími (na obrázku vlevo) a s pohyblivými magnety (na obrázku vpravo)

Elektrodynamické pohony mohou být užity pro úlohy polohování pouze tehdy, je-li sestavena regulační polohová smyčka. Pro tento účel je nutný vícesouřadnicový měřicí systém, který je v uváděném případě také objemově integrován do pohonu. Skládá se ze tří vzorkovacích jedno227

tek (snímačů polohy), umístěných na nepohyblivé částí a křížového rastru, který je umístěn na pohyblivé části. Navádění pohyblivé části je dosaženo prostřednictvím čtyř magneticky nastavených vzduchově vedených (levitujících) prvků, které umožňují v oblasti dané konstrukcí pohyb se 3 stupni volnosti ve směrech x, y, a φz. Pohyb probíhá bez tření, vůlí a bez uváznutí a prokluzů, charakteristických pro běžná kluzná a valivá vedení. Řízení V důsledku objemové integrace je díky silnějším vnitřním vazbám integrovaný vícesouřadnicový motor velmi složitou soustavou, jejíž využití vyžaduje výkonný hardware a software. Z hlediska regulační techniky je vícesouřadnicový pohon systémem se třemi řízenými proměnnými (x, y, φz), každou se dvěma stavy (posunutí, rychlost). Struktura vazeb řídicí smyčky je uvedena na obr. 7.23.

7


Mechatronika

Obr. 7.23 Struktura vazeb řídicí smyčky

• Řízení v otevřené smyčce: Výkonné DSP řízení (viz obr. 7.24 – strukturu hardware řízení) umožňuje v souřadných osách plně synchronní pohyb s přesností na mikrometry s vysokými rychlostmi pojezdu. Predikce umožňuje dosáhnout rovnoměrnější rychlosti pojíždění.

systémová sběrnice

DSP karta

PC sběrnice

hostitelské PC

AD kanály

DIO kanály

DIO kanály

měřící zesilovač

stavy výkonového výstupu

bezpečnostní obvody

Obr. 7.24 Struktura hardware řízení

228

Slovník pojmů Pohyb po libovolné dráze bez tvarových chyb je dosažitelný predikčním řídicím členem rychlosti a zrychlení.

• Řízení v uzavřené smyčce: Pro každou ze tří os je použito přírůstkových jednoparametrických stavových řídicích členů. Struktura řídicích členů je pro jednotlivé osy stejná a např. pro osu je uvedena na obr. 7.25.

řídicí algoritmus osa (x)

Fx

stavový řídicí člen

x

pozorovatel

a v e

–

w

+ Obr. 7.25 Struktura řídicího členu: w – žádaná poloha, x – skutečná poloha, e – odchylka polohy, v – rychlost, a – zrychlení

Na základě výsledků optimalizace provedené na motoru vzhledem k řízení je možno parametry zákona řízení nastavit např. tak, aby bylo dosaženo maximální rychlosti jednotlivých os dosažitelné bez překmitů při řízení polohy. Odchylka stavového vektoru se získává až po derivování řízené proměnné (např. skutečné polohy x) stavovým pozorovatelem. Stavový řídicí člen pak vytváří signál Fx pro elektroniku řízení generátoru síly.

7.8 Slovník pojmů Akční člen: Akční členy slouží v mechatronických soustavách k cílenému ovlivňování stavových proměnných. Tento pojem pokrývá všechny druhy pohybových a silových výstupních prvků. Analýza systému: Vyhledávání existujících vlastností systému. Tento systém může být skutečný, nebo ve tvaru modelu. Dekompozice: Rozdělení systému do řady jednotek/modulů, např. činností, které jsou zajišťovány prvky různých výrobců nebo technických disciplín, nebo rozdělení systému do části, která je implementována hardwarem, a části, která je implementována softwarem (hardwarově softwarová dekompozice. Cyklus řešení problému: Obecný popis posloupnosti kroků řešení problému. Makrocyklus: Průvodce makroskopickým plánováním procedury založené na V modelu, který popisuje logickou posloupnost významných podkroků vývoje mechatronické soustavy. V model byl přejat z vývoje softwaru a přizpůsoben požadavkům mechatronických soustav. 229

7


Mechatronika Mikrocyklus: Strukturování procedury v procesu návrhu na základě obecného cyklu řešení problému. Uspořádáním procedurálních cyklů za sebou a jednoho do druhého lze proces plánování pružně přizpůsobit charakteristickým rysům jakékoliv vývojové úlohy. Mikrocyklus je určen zvláště k podpoře vývojáře výrobku pro práci na předpověditelných a v důsledku toho plánovatelných podúlohách, a také k řešení náhle se vyskytnuvších nepředvídaných problémů. Představuje standardní proceduru návrhu mechatronického systému, která mívá případ od případu různý průběh. Model: Fyzikálně-matematický popis technického prvku, podsestavy nebo složitého systému. Modelování: vytvoření fyzikálně-matematického modelu existujícího systému nebo systému, který má být vyvinut. Modul pracovního postupu: Samostatná jednotka aktivit, které slouží k dosažení konkrétního postupného cíle. Modul pracovního postupu navíc zahrnuje i popis vstupní a výstupní informace, kritéria hodnocení a další informace (jako podpůrné metody nebo vyžadované způsobilosti), které podporují práci s tímto modulem. Návrh: „Vznik celkové koncepce řešení včetně určování nebo hledání potřebných prvků řešení a na základě modelu provedené jejich inteligentní propojování tak, aby byl vytvořen proveditelný celek.“ Navrhování je proto proces, který vychází z požadavků a vede ke konkretizaci technické soustavy. Tato konkretizace je vyjádřena mechatronickými komponentami a jejich interakcemi. Návrh soustavy: Cílem je sestavit víceoborovou koncepci řešení, která popisuje hlavní fyzikální a logické provozní charakteristiky budoucího výrobku. Pro tento účel se celková činnost soustavy rozpadá do hlavních dílčích činností. Těmto dílčím činnostem jsou přiřazeny odpovídající struktury a je testováno chování soustavy. Ověření: V technických systémech se chápe jako kontrola, zda způsob, kterým je něco realizováno (např. softwarový program), odpovídá zadání (např. popisu algoritmu). V každodenní řeči znamená ověření odpověď na otázku: je vyvíjen bezvadný výrobek? Princip činnosti: Ukazuje vzájemnou spojitost mezi fyzikálními projevy a tvarem a vlastnostmi materiálu (použitelný tvar, použitelný pohyb a materiál). Tím je umožněno nalezení principů řešení pro provádění vymezených dílčích činností. Prvek řešení: Prvek řešení je realizované, odzkoušené a ověřené řešení provádějící danou činnost. Obecně je to modul/podsestava, který je založen na principu činnosti. Vnitřní počítačová reprezentace prvku řešení zahrnuje hledisko chování a hledisko tvaru. Hledisko tvaru obsahuje hrubé stanovení konstrukce, zatímco hledisko chování má např. v případě softwaru abstraktní datové typy pro počáteční fáze vývoje a kódu pro pozdější fáze vývoje. Senzor: Převádí stavovou proměnnou technického procesu, která není přímo použitelná jako signál, na signál, který lze vysílat, dále zpracovávat a uchovávat. Simulace: Výpočet chování modelu systému v závislosti na čase, stavu systému a prostředí. Simulace poskytuje představu o chování skutečné soustavy použitím modelu. Může být prováděna na počítači.

230

Použitá literatura Potvrzení: V technických systémech se chápe ve významu testování, zda výrobek vyhovuje zamýšlenému účelu nebo zda dosahuje požadované hodnoty. Hodnotí se rovnocenně očekávání technického odborníka i uživatele. V každodenní řeči znamená schválení odpověď na otázku: je vyvíjen dobrý výrobek? Vlastní systém: Subsystém, který je základem mechatronické soustavy. Obvykle je to část soustavy (řízený systém), která má být ovlivňována návrhem řídicího prvku. Zajištění vlastností: Je určující částí zajištění kvality a je vykonáváno ve dvou krocích: ověření a schválení. Zajištění kvality obecně slouží k prokázání toho, že je dosaženo předepsaných požadavků, že jsou preventivně vyloučeny nedostatky a že je zajištěna určitá kvalita zpracování. Zpracování informací: Procesy zahrnující ukládání, strukturování, doplňování a vyhodnocování existujících informací. Zpracováním informací jsou cíleně vytvářeny výstupní informace.

7.9 Použitá literatura [1] GMITERKO, A. Mechatronika. Košice: Emilena tiskáren, 2004. [2] VDI 2206: Entwicklungmethodik für mechatronische Systéme. Beuth Verlag GmBH, Berlin, Juni 2004. [3] LÜCKEL, J. – KOCH, T. – SCHMITZ, J. Mechatronik als integrative Basic für innovative Produkte. VDI-Tagung: Mechatronik – Mechanisch/Elektrische Antriebstechnik. 29./30. März 2000, Wiesloch, Düsseldorf: VDI Verlag, 2000. [4] EVERSHEIM, W. – NYEMEIER, R. – SCHERNIKAU, J. – ZOHM, F. Unternehmerische Chabcem und Herausforderungen durch die Mechatronik in der Automobilzulieferindustrie, Materialen zur Automobilindustrie Band 23. Frankfurt a M.: VDA-Verlag, 2000. [5] KALLENBACH, E. – ZÖPPIG, V. – BIRLI, O. – FEINDT,K. – STRHLA, T. – SAFFERT, E. – SCHMIDT, J. Integration Mechatronischer Systéme. Inovative Produktentwickklungen, 4. VDI-Mechatronik Tagung, 12./13. Sept. 2001, Frankenthal, VDI-Berichte 1631, Düsseldorf: VDI Verlag, 2001. [6] GAUSEMEIER, J. – EBBESMEIER, P. – KALLMEIER, F. Produktinnovation – Strategische Plannung und Entwicklung der Produkte von morgen. München, Sien: Carl Hansen Verlag, 2001. [7] ZIRN, O. – TREIB, T. Similarity Laws of Seriál and Paralel Manipulators for Machina Tools. MOVIC 98 Zürich, Switzerland, 25.–28. August 1998, Vol. 3, pp. 865-870. [8] KALLENBACH, E. – SAFFERT, E. – SCHÄFFEL, Chr. MUlti-coordinate Drive Systems – Opportunitics and Limits, 3rd International Heinz Nixdorf Symposium, May 1999, Paderborn, Proceedings, pp. 11–24. [9] ZEZULA, P. Návrh a optimalizace konstrukce humanoidního robotu. Brno: VUT, diplomová práce, 2005.

231

Mechatronické systémy

8

8.1 Uživatelé a klíčové trhy 8.1.1 Uživatelé Dnes již uživatelé očekávají komplexní řešení mechatronických systémů. S rozvojem informačních a komunikačních technologií výrobní podniky zavádějí CAD/CAM/CAE řešení od ideového návrhu přes výpočty, modelování, tvorbu dokumentace, simulaci procesů, kontrolu kvality, reverzní inženýrství, správu dat a projektů až po integraci do informačního systému.

Obr. 8.1 Odpovědi na požadavky uživatelů

8.1.2 Klíčové trhy Pokud mechatroniku chápeme jako meziobor, který zahrnuje všechny přírodovědné a technické obory, s tím, že žádný ze zúčastněných oborů není považován za nosný, jedině potom mohou vznikat technická řešení, která budou dokonalejší, protože každý obor vloží do konečného výsledku optimum ze svých znalostí. Ve svých počátcích byla elektronika chápána jako doplněk k ostatním tradičním technickým oborům (např. strojírenství). Měla za úkol vylepšovat užitné vlastnosti strojů, byla to pouze jakási nadstavba, která pro vlastní chod stroje nebyla nezbytně nutná. První elektronické systémy zajišťovaly jen sběry dat, která se potom nějakým způsobem zpracovávala, ale vlastní zásah do řízení stroje byl nemyslitelný. 233

8

MECHATRONICKÉ SYSTÉMY

Mechatronika Díky prudkému rozvoji elektroniky se tento stav změnil a elektronické řídicí systémy začaly nahrazovat klasické vačkové mechanismy a kolíčkové programátory. Tento razantní vpád elektroniky do všech oborů lidské činnosti by byl nemyslitelný bez podpory ostatních technických a přírodovědných odvětví, která se významně podílela na vývoji nových typů elektrofyzikálních snímačů a akčních členů. Nová technická řešení, která jsou uváděna do praxe, využívají nyní nejnovějších technických, přírodovědných, ale i humanitních poznatků s cílem vytvořit dokonalý prostředek sloužící člověku. Od této doby můžeme hovořit o mechatronických systémech v celém spektru činností zaváděných do praxe a ovlivňujících náš život.

8.2 Výrobní systém Automat, automatický, automatizace, … – slova, která velmi často slýcháme a používáme. V posledních letech se rozvíjí vedle elektrotechniky, mechaniky tekutin, elektroniky a kybernetiky další obor – mechatronika. Dnes již můžeme bez nadsázky konstatovat, že stroje, přístroje a technická zařízení se shrnují pod pojem „mechatronické systémy“, jako synergie subsystémů mechaniky (jemné mechaniky), elektrotechniky (elektroniky a senzoriky) a informatiky.

energie

polotovar

informace

VSTUP

PŘETVOŘENÍ

Do technického (mechatronického) systému je vždy něco přiváděno (vstup), v systému podle určitých pravidel dochází k přeměně a po této přeměně vystupuje v nové formě (výstup). V mechatronickém systému je možno určit čtyři podsystémy:

• podsystém technologie jako souhrn všech zařízení vytvářející změnu stavu,

výrobek

VÝSTUP

Obr. 8.2 Soustruh jako mechatronický systém

• podsystém toku materiálu jako souhrn všech zařízení umožňujících ukládání, transport a manipulaci veškerého materiálu v procesu (vlastních obrobků, výrobních pomůcek, pomocných a odpadních materiálů),

• podsystém informační jako souhrn všech prostředků umožňujících řízení ostatních podsystémů, zpracování a přenos informací uvnitř systému a mezi systémem a okolím,

• podsystém energetický umožňující přívod, rozvod a řízení energií. 8.2.1 Strojírenská výroba a informační technologie Bude nutné najít nebo vychovat lidi, kteří by zvládli CAD i CAM a ještě přitom obsluhovali obráběcí stroj. Ve světě se už tak pracuje a my nemůžeme opět čekat, až bude cestička pěkně prošlapaná, a tiše doufat, že to snad nepůjde tak rychle nebo že se nám to snad nějak vyhne. 234

Výrobní systém Obtížnější to je v případech, kdy nová technika vyžaduje také změnu našeho myšlení nebo novou organizaci výroby a jejího řízení. Může nastat i situace, kdy si při příchodu nové technologie s mrazením v zádech uvědomíme, jak obtížné bylo zvládnutí té předchozí, která u nás ještě ani nezačala fungovat. To vše navíc s bezdrátovým propojením na síť a s nabídkou nejen monitorovat stav výrobních zařízení, kontrolovat a řídit přípravu nástrojů, ale i online řídit celý výrobní systém. Vedle integrace různých CAD/CAM systémů a generování výsledků a jejich sdílení je třeba pamatovat také na automatizaci analýzy a zobrazování výsledků.

Obr. 8.3 Příklady produktů strojírenství

Dnes jsou stroje stále více závislé na podnikové počítačové síti. Data se fyzicky vyskytují odděleně od stroje. Hotový výrobek se musí rychle certifikovaným způsobem změřit, a to v současné době řeší počítačem řízený stroj na přesné snímání prostorových souřadnic. Tento stroj přejímá přímo konstruktérova data v podobě průmyslového 3D standardu (nejčastěji IGES, VDA). Otočné rameno s rubínovou kuličkou předem definovaným způsobem „ohmatá“ výrobek, počítač vyhodnotí rozměrové odchylky proti modelu a obsluha obráběcího stroje na základě protokolu udělá korekci rozměrů. 8.2.1.1 Kybernetický výrobní systém Připojení výkonného výpočetního systému umožňuje přímé napojení na CAD/CAM systémy a generování programů pro obrábění přímo na stroji, pokud už tak neučinil konstruktér. Jak je patrné z výše uvedeného označení (lomítko díky komplexnosti dnešních softwarových produktů ztrácí na významu), jedná se o softwarový produkt, bez rozhraní mezi konstrukční a technologickou částí. Výstupem vývoje nového výrobku tedy jsou přímo programy pro opracování dílu. K tomu společnost Mazak nabízí systém tzv. rychlého zhotovení prototypu bez odlitků a výkovků na obráběcím stroji. S výrobním zařízením, které navíc nevyžaduje žádné přípravky, je pak možné uvažovat o vývoji nového výrobku ve zcela jiných časových dimenzích.

235

Není to žádná módní záležitost nebo pohodlí managementu mít kdykoliv přehled, který díl se kde právě teď obrábí, umět s vysokou pravděpodobností předpovědět přesný čas dokončení dílu, uzlu nebo celého zařízení. Pro dodávky do leteckého nebo kosmického průmyslu je to nutnost. Tam, kde dokonalá organizační nadstavba uvnitř podniku není k dispozici, umožňují informační technologie na obráběcích strojích nejen perfektní simulační trénink obsluhy, diagnostiku s dokonalou grafikou a animací, ale hlavně je tok informací mezi zdrojem a výrobním zařízením bez informačních šumů.

8.2.2 Výrobní stroje Pružné výrobní systémy spojují stroje CNC, dopravní jednotky nástrojů, dopravní jednotky obrobků a kontrolní jednotky pomocí informačního podsystému (počítač, programové vybavení).

8


Mechatronika

Obr. 8.4 Pružný výrobní systém

Jedním z předpokladů pro realizaci „bezobslužného“ provozu, zvyšování produktivity výroby a její přesnosti je aplikace metod systémů: a) adaptivního řízení – limitního nebo optimalizačního; b) aktivní kontroly a diagnostiky

• • • • 236

„in-proces“ stavu řezných nástrojů v průběhu řezného procesu (v pracovním prostoru); „in-proces“ stavu a seřízení nástrojů mimo řezný proces (v pracovním prostoru); „in-proces“ rozměru obrobků (v pracovním prostoru); „post proces“ přesnosti obrobků (mimo pracovní prostor).

Výrobní systém

CTX 420 i soustružení

Obrázek 8.5 Strojové vybavení s automatickou výměnou nástrojů

Sledování sváru

Sledování kontury

Obr. 8.6 Příklad senzoriky ostatní

237

8


Mechatronika

8.3 Nevýrobní systém 8.3.1 Telekomunikace a síťové produkty V dnešní hektické době se žádný podnik neobejde bez kvalitního zázemí ze strany počítačů, ať už jde o účetnictví, skladové hospodářství či vyřizování obchodní korespondence pomocí e-mailů. Pokud chceme dělat svůj byznys seriózně, počítače prostě potřebujeme. Proč však neřídit celý podnik pomocí elektronického systému? Základem přenosové infrastruktury je síť optických vláken. Páteřní přenosová síť SDH primárně využívá technologii vlnového multiplexu DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) s přenosovou kapacitou 1 až 10 Gbit/s. Internetová a datová síť dnes díky dokonalé technologii umožňuje přesně nastavit přenosové parametry, např. pro přenos digitalizovaného hlasu a videa. Vlastní síť pro internetovou službu je postavena na technologii MPLS a umožňuje připojení k Internetu jak digitálními okruhy, tak i prostřednictvím Frame Relay, IP nebo ATM. Řešení také zahrnují funkce pro řízení lidských zdrojů a finanční účetnictví.

Obr. 8.7 Telekomunikace a síťové produkty navrhované v SolidWorks

8.3.2 Lékařství Oblasti využití jsou dnes v lékařství velmi široké, např:

• • • • • • 238

diagnostika – např. v urgentní medicíně (RZP, ARO, JIP); léčba – např. operativa; odstraňování handicapů – např. protetika; rehabilitace; estetická medicína a sport; monitoring – využití ve všech oblastech medicíny.

Nevýrobní systém

Obr. 8.8 Lékařské systémy navrhované v SolidWorks

8.3.3 Technické vybavení budov 8.3.3.1 Domácí automatizace

Ovládání domácích spotřebičů (TV, satelit, video…)

Automatický ohřev bazénu

Automatické rozsvícení a stmívání světel

Ovládání domácích spotřebičů (telefonní systém, klimatizace, zavlažování…)

Automatické otevírání garážových vrat

Dálkový ovladač přístrojů

Bezpečnostní systém (videokamery, senzory, detektory pohybu…) Obr. 8.9 Domácí automatizace POWERHOUSE X-10

239

Jednotlivé ovládací moduly jsou určeny pro spínání a regulaci malých a středních domácích elektrických spotřebičů, světel a světelných okruhů, kotlů, vzduchotechnických jednotek, vrat, rolet atd. Ovládání je možné přímo ruční, pomocí dálkového ovladače, časovou automatikou nastavenou uživatelem, po telefonu nebo řízením na základě výstupů čidel teploty, osvětlení, pohybu aj. Celý systém může být doplněn zabezpečovacími prvky. Je možno jej vytvářet postupně, stavebnicovým způsobem, což jej spolu s příznivou cenou jednotlivých komponentů činí dostupným i běžným domácnostem. 8.3.3.2 Zabezpečení budov 1. Elektronická zabezpečovací signalizace (EZS) Používané technologie:

• ústředny EZS – velké objekty – MILLENNIUM, DOMINUS, GALAXY; – menší objekty – DSC;

• bezdrátové systémy – Visonic; • ostatní prvky.

8


Mechatronika

Výstup signalizace:

• • • •

akustický a optický (sirény, blikače); automatické telefonní hlásiče (ATH); GSM brána; napojení na PCO (soukromých firem i Policie ČR).

2. Elektronická požární signalizace (EPS) Používané technologie:

• velké objekty – ZETFAS, LOOP 500 (Zettler Německo); • menší objekty – ELTEK. Výstup signalizace:

• akustický a optický v místě stálé služby; • napojení na PCO (soukromých firem, hasičského záchranného sboru). 3. Uzavřené kamerové okruhy (CCTV) Používané technologie:

• Kamery, objektivy – WATEC, PHILIPS, FUJITSU, Videor Technical, COMPUTAR, APPRO Technology;

• Ostatní komponenty – Videor Technical, APPRO Technology, JVC, MITSUBISHI;

• Digitální záznam – pro režim střežení do PC systém VideoGuard, Aver SPro, digitální multiplexní záznamová zařízení MITSUBISHI, pro rychlý záznam systém DALLMEIER. 240

Nevýrobní systém

• Web kamery – VIVOTEC, IqinVision. Přenos obrazu:

• po telefonních linkách; • přes Internet; • bezdrátový přenos. 4. Kontrola vstupu a docházky (ACS) Používané technologie:

• • • •

velké a střední systémy – DAN DITTRICH ELEKTRONIK; menší systémy – IMPRO; kódové zámky, biometrické snímače – CODIC, NORALSY, Recognition Systems, Identix; zámkové systémy – BEFO, ABLOY, EFFEFF.

Používaná média:

• PIN kód, magnetické karty, magnetické klíče, čipy TOUCH MEMORY, bezkontaktní karty, biometrické snímače (otisk prstu, geometrie ruky). 5. Systémy ochrany zboží (EAS)

• Např. na bázi modulovaného vf-signálu. Pracuje s ochrannými kotouči i deaktivovatelnými samolepkami. Zařízení umožňuje kombinace více vysílačů a přijímačů pro vytvoření rozsáhlých systémů. Maximální vzdálenost přijímač–vysílač je 140 cm.

8.3.4 Spotřební zboží Doplněním o periferní zařízení (vstupní a výstupní) se počítač skutečně stává součástí mechatronického systému, který už není pouhým nástrojem pro přenos a zpracování dat. I v případě spotřebního zboží jako je automatická pračka se uplatňují mechatronické přístupy řešení od prvků mechanických, elektronických (včetně senzoriky), až po prvky z oboru informačních a komunikačních technologií (řízení pračky mobilním telefonem).

Obr. 8.10 Příklad užití senzoriky u spotřebního zboží – vyvážení prádla

241

8


Mechatronika

8.4 Dopravní systémy Rozporuplná otázka nutnosti existence dopravních prostředků pro další rozvoj lidstva z hlediska trvale udržitelné mobility je předmětem diskuzí na nejrůznějších úrovních. Vysoké a stále rostoucí nároky společnosti nelze již dnes řešit klasickými technologiemi. Obecná výzva mechatronických přístupů pro budoucnost inženýrů spojených s průmyslovou výrobou je těmito tendencemi jasně dána. Očekávané přínosy: a) Vytváření a aplikace nových materiálů s novými užitnými vlastnostmi zohledňujícími šetrnost k životnímu prostředí. b) Snižování úrovně škodlivin produkovaných dopravními procesy, včetně využívání alternativních zdrojů energie. c) Návrhy nových nekonvenčních struktur strojů založených na nových a kombinovaných fyzikálních principech. d) Posílení principu „inteligentních dopravních systémů“. e) Nové řídicí a zabezpečovací procesy v železniční dopravě. f) Zvýšení pasivní i aktivní bezpečnosti v dopravě. g) Nalézání optimálních kompromisů, snížení dopadů dopravy na životní prostředí omezením dopravy nákladní a nahrazení značné části osobní dopravy komunikací pomocí sítí, tedy decentralizací pracovišť, zejména v oblasti nehmotných výstupů lidské činnosti.

8.4.1 Doprava silniční Ve snaze o zlepšení téměř všeho důležitého u automobilu, od spotřeby paliva přes jízdní vlastnosti až po bezpečnost a komfort, obrací se vývoj v automobilovém průmyslu k elektronice

Obr. 8.11 Doprava silniční

242

Dopravní systémy a mechatronice – spojení tradičních mechanických systémů s novými elektronickými komponenty a inteligentním řídicím softwarem. Ve vývoji současných motorů a automobilů jde 80 až 90 % inovací na vrub elektroniky a mechatroniky. To vše i díky poklesu cen mikroprocesorů a senzorů, přísnějším emisním pravidlům v Evropě i USA a snaze výrobců o větší komfort a lepší výkonové parametry nových automobilů. Elektronika, počítače a softwarové aplikace systémů inteligentních automobilů ovlivňují tři funkční oblasti automobilu: 1. Provoz: řízení motoru, brzdové systémy, řízení stability a jízdních vlastností, ovládání světel, ostřikovačů, stěračů, zabezpečení vozidla, diagnostika. 2. Bezpečnost: předcházení kolizím, řízení rychlosti a směru jízdy, speciální systémy vidění, automatické řízení, monitoring stavu řidiče, detekce překážek na silnici, černá skříňka, osobní identifikace pasažérů apod. 3. Telematiku: navigační systémy, informace v reálném čase – doprava, zpravodajství, komunikace vč. datových přenosů a zábava – DVD přehrávače i satelitní příjem venkovních stanic. Tyto systémy pomáhají snižovat dopravní zácpy, zvyšovat bezpečnost, pohodlí, praktičnost a ekologické parametry nových automobilů. Po technické stránce představuje dnešní automobil kombinaci všech moderních špičkových tendencí v inženýrství, které v mnohých případech do strojírenství právě automobilový průmysl vnesl: ABC (Active Body Control) Aktivní zavěšení kol, elektronicky řízené hydraulické válce na nápravách kompenzují kolísání a sklon karoserie při akceleraci a jízdě v zatáčce nebo brzdění. ABD (Automatisches Brems-Differential) Automatická diferenciálová brzda, funguje podobně jako ASR, při prokluzování při malých rychlostech přibrzďuje kolo (Porsche). ABS (Anti-Block System) ABS zabraňuje zablokování kol při intenzivním brzdění, a tím umožňuje řídit automobil. Nejčastěji přichází ABS ke slovu na mokrém, namrzlém nebo nezpevněném povrchu. Pozor! ABS nezkracuje brzdnou dráhu. ACC (Adaptive Cruise Control) Přizpůsobivá kontrola jízdy, systém měřící za pomoci radaru nebo infračerveného senzoru vzdálenost a relativní rychlost vůči vpředu jedoucímu vozidlu, v případě potřeby automaticky ubírá plyn nebo přibrzďuje (např. systémy PCC a DTR). ACE (Active Cornering Enhancement) Aktivní rozšíření pro změny směru, za pomoci hydraulických válců je v zatáčkách stabilizována nadstavba (Rover). Active LSD (Active Limited Slip Differential) Aktivní diferenciál s omezeným prokluzováním, točivý moment přiváděný na kola je regulovaný za pomoci hydraulicky ovládaných lamelových spojek. 243

8


Mechatronika ADA (Active Drive Assist) Aktivní asistence jízdy, podle stereoskopického obrazu získaného ze dvou CCD kamer palubní počítač vyhodnocuje situaci před vozidlem, v případě potřeby upozorní řidiče na nebezpečí nebo sám ubere plyn a přibrzdí (Subaru). ADS (Adaptive Damping System) Adaptivní systém tlumení, automatické přizpůsobení charakteristiky tlumičů pružení okamžitým podmínkám na cestě. AGR (Abgasrückführung) Zpětné přivádění (recirkulace) výfukových plynů do nasávaného vzduchu, snižuje spotřebu a obsah NOx ve výfukových plynech. AGS (Adaptive Getriebesteuerung) Přizpůsobivé řízení převodovky, automatický systém rozhodující o vhodném přeřazení podle jízdní situace, jízdního stylu řidiče a podmínek na cestě (BMW). AHBS (Active Handling Brake System) Aktivně působící brzdový systém (General Motors). AHK (Aktive Hinterachs-Kinematik) Aktivní kinematika zadní nápravy, zadní náprava je automaticky otáčená v závislosti od výchylky volantu a rychlosti vozidla (BMW). AHS (Automated Highway System) Automatizovaný dálniční systém, projekt plnoautomatického řízení vozidel na dálnici (USA). Airbag Bezpečnostní nafukovací vak slouží k ochraně posádky při dopravních nehodách. AKR (Antiklopfegelung) Regulace proti detonačnímu klepání (Mercedes-Benz, Audi). ASR ASR slouží k zamezení prokluzu poháněných kol. ASR pracuje při každé rychlosti a zvyšuje bezpečnost jízdy, zejména na kluzkých površích nebo při jízdě do zatáčky. K omezení prokluzu používá ASR brzdy poháněných kol a snižování výkonu motoru. Automatická převodovka Automatická převodovka slouží ke zjednodušení řízení automobilu. Má i velký vliv na bezpečnost provozu, protože řidič se může plně věnovat volantu. Automatické převodovky jsou zpravidla čtyř nebo pětistupňové. Řidič může volit mezi jízdou vpřed, vzad a dále má k dispozici první a druhý rychlostí stupeň pro využití brzdného účinku motoru. Některé automatické převodovky jsou vybaveny i tzv. sportovním a zimním režimem. První jmenovaný přikazuje převodovce, aby řadila dříve nižší rychlostní stupně a vyšší později.

244

Dopravní systémy Automatická převodovka „Fuzzylogic“ Na rozdíl od běžné automobilové automatické převodovky je automatická převodovka vybavená systém „Fuzzylogic“ schopná „učit se“ jízdní styl řidiče a přizpůsobovat mu styl řazení. EBV Elektronický rozdělovač brzdné síly. Slouží k účinnějšímu dělení brzdné síly mezi jednotlivá kola, a tím zkracuje brzdnou dráhu a pomáhá i při brzdění v zatáčkách. EDS Usnadňuje rozjezd na kluzké vozovce. Systém je činný jen při samotném rozjedu, protože spolupracuje výhradně s brzdami na poháněných kolech. Pokud by byl činný i v rychlostech přesahujících cca 40 km/h, byly by brzdy neúměrně zatěžovány. Elektronický nos Základním principem tohoto systému je samočinné uzavírání přívodu vzduchu do interiéru, pokud je venkovní prostředí znečištěné. ESP Systém elektronické stability. Rozpozná přicházející smyk a přibržděním některého kola jej stabilizuje. Je významným pomocníkem při překonání přetáčivého i nedotáčivého smyku. Kromě názvu ESP je také často užívána zkratka VSC, DSC nebo PSM. GPS (Global Positioning System) GPS, neboli satelitní navigace, je určena k přesnému určení polohy přijímače GPS. Využívá se u pozičních satelitů, které jsou umístěny na stacionární oběžné dráze. Okolo celé planety jich najdete několik desítek; k přesnému určení polohy jsou nutné minimálně tři, ideálně pět a více. Čím více satelitů přijímač vidí, tím přesnější je poloha. Přijímače GPS mohou být ruční, námořní, automobilové. Díky GPS lze nejen určit polohu, ale i plánovat ideální cestu k cíli. Klimatizace automatická Základní funkce je shodná s manuální klimatizací. Celý systém je doplněn o snímání teploty v interiéru (někde i snímání intenzity slunečních paprsků) a automaticky udržuje zvolenou teplotu tím, že samočinně určuje směr, intenzitu a teplotu vzduchu vstupujícího do interiéru. Většinu elektronických klimatizací je možné nastavit separátně pro levou i pravou polovinu interiéru. Automatická klimatizace rovněž nemusí pracovat na plný výkon, čimž šetří palivo. Lambda sonda Snímač volného kyslíku (O2) ve výfukových plynech. Prostřednictvím elektrického signálu podává řídicí jednotce informaci o okamžitém složení směsi (o odchylce složení směsi od hodnoty lambda = 1), a tím umožňuje vykonat regulaci směsi na stechiometrický poměr. Palubní počítač Palubní počítač obvykle slouží k monitorování důležitých funkcí automobilu, měření vzdálenosti, kterou je možné ujet na zbytek paliva, momentální spotřeby, průměrné spotřeby, venkovní teploty. U některých automobilů je doplněn o funkci stopek.

245

Tempomat Zařízení sloužící k automatickému udržování zvolené rychlosti. Máte-li tempomat, můžete například na dálnici nastavit rychlost 130 km/h a sundat nohu z plynu. Díky tomu si může vaše noha odpočinout na dlouhých cestách.

8


Mechatronika

Obr. 8.12 Příklady senzoriky v automobilovém průmyslu

Keramické senzory odolné vůči vysokému tlaku v miniaturním provedení měří v drsném prostředí vznětových motorů Měřené veličiny:

• • • • • • • •

sekundární pohyb pístu pohyb ventilu horní úvrat dráha hřídele posunutí hřídele mezera mazání kruhový pohyb pístu zrychlení

Obr. 8.13 Využití keramických senzorů v automobilovém průmyslu

246

Odborné školství 8.4.2 Doprava kolejová, lodní a letecká Kolejová doprava dnes nabývá stále většího významu v přepravě lidí i materiálu. Nové konstrukce rychlovlaků francouzských TGV (Train Grand Vittesse – 1981) s rychlostí až 249 km/hod., japonských Shinkansen (299 km/hod.) a čínských Meglev (430 km/hod) pohybujících se na „magnetickém polštáři“ naznačují další vývoj v této oblasti při překonávání rychlosti přepravy na velké vzdálenosti. Mechatronické systémy jsou dnes samozřejmě klíčové i v dopravě letecké (civilní, policejní a vojenské, záchranné, sportovní…) a lodní (trajekty, tankery, výletní, sportovní, výzkumné a záchranné, pro vědecké účely, policejní a vojenské…). Zvláštní kapitolu v letecké dopravě tvoří dobývání vesmíru. Zejména jde o systémy raket nosných, raket s lidskou posádkou pro vícenásobné použití, sondy pro vědecké účely a výzkum a raketoplány.

8.5 Odborné školství Vzhledem k dynamičnosti vývoje je zřejmé, že jedním z nejperspektivnějších oborů je elektronika, elektrotechnika a automatizace, řídicí a regulační technika, dále mechatronika a strojírenství zaměřené na celý komplex problémů od myšlenky až po vlastní výrobu, včetně propagace za účelem zvýšení konkurenceschopnosti výrobků. Příprava studentů na středních odborných školách oboru „Mechatronika“ by měla využívat základní poznatky výše uvedených oborů včetně robotiky v oblastech výrobních a nevýrobních systémů i systémů dopravních, jak je naznačeno v předchozích kapitolách. Naplnění cílových odborných kompetencí musí respektovat požadavky trhu práce i požadavky vysokého školství. Absolvent je pak schopen:

• analyzovat, vytipovat a navrhovat zařízení, prvky a komponenty vedoucí k realizaci cílové funkce soustavy;

• obsluhovat a udržovat v provozu navržené systémy; • diagnostikovat provozní stavy; • řešit základní úlohy v oblasti řízení a regulace. Výuka na středních odborných školách tak vyžaduje nové přístupy a vyučovací metody. Nasazení moderních informačních technologií a učení pomocí počítače – CAL (Computer Assisted Learning) se v současné době stává objektivní nutností. To, jaký software a podle jakých pravidel bude využíván pro kreativní práci, musí být dáno strategií školy vytyčené podle jasných pravidel respektujících komplexní CAD/CAM/CAE řešení vyspělých firem v tuzemsku i zahraničí. Těmto trendům musí odpovídat nejen softwarové a hardwarové vybavení odborných učeben, ale i vybavení odborných laboratoří a laboratoří praktického vyučování.

247

CIM systémy (počítačem řízená výroba) CIM systémy obsahují tři hlavní komponenty na různém stupni technického řešení: 1. CAE (Computer Aided Engineering) – počítačová podpora inženýrských činností, která obvykle zahrnuje: a) CAD – počítačová podpora konstrukčního procesu; b) NC programování; c) CAQ – plánování a řízení kvality – CAD/CAM (od r. 1999) – systémy pro plánování a řízení. 2. Operační řízení – je realizováno modulem PPC (Production Planning and Control). 3. Inteligentní databáze:

• • • •

8


Mechatronika

data o výrobku; výrobní data; operační data; zdrojová data.

Příklad soustavy CIM firmy EMCO:

• • • • • •

frézka EMCO;

KONSTRUKCE CAD

CIM

2× robot Mitsubishi; Soustruh EMCO; dopravní systém s technologickými paletami; řídící PC.

Obr. 8.15 Odborná laboratoř CIM

248

DATABÁZE

řídicí systém EMCOtronic TM02;

VÝROBA CNC Obr. 8.14 Integrace CIM

ŘÍZENÍ VÝROBY CAM

Odborné školství

Obr. 8.16 Odborná pracoviště s CNC obráběcími stroji

Grafické simulátory ve školství Při výcviku řidičů v autoškole nebo pilotů v letectví probíhá výcvik nejprve na trenažéru. Důvod je prostý. Jedná se o drahá a ze strany obsluhy náročná zařízení, jejichž zvládnutí vyžaduje nejprve osvojení základních návyků, zejména s ohledem na bezpečnost. Obdobně při praktickém vyučování na CNC strojích se s výhodou využívají grafické simulátory, na kterých lze simulovat celý proces obrábění od vlastního programování až po výrobu, kdy výstupem je simulace drah nástrojů v řízených osách zapisovaná pisátkem (namísto řezného nástroje). 249

Z důvodu uspořádání jednotlivých komponent a jejich přehlednosti lze na grafických simulátorech velmi přehledně demonstrovat mechatronický systém, včetně navozování poruchových stavů.

8


Mechatronika

Obr. 8.17 Odborné pracoviště s grafickým simulátorem GS

Obr. 8.18 Rozváděč GS4

250

Odborné školství Charakteristika simulátoru GS4:

• • • • •

moderní digitální ŘS Sinumerik 840D (až 31 řízených os); digitální pohony; 2 osy pro pohyb pisátka; vřeteno s možností polohování; synchronní motory s vestavěným odměřováním.

Možnosti, výhody:

• ovládání ŘS ve všech pracovních režimech bez rizika zranění, potřeby nástrojů, chlazení a materiálu;

• • • • • •

programování s využitím klávesnice i pomocí systému CAD/CAM; zápis dráhy nástroje (didakticky velmi účinný); úmyslné navození poruchových stavů a výuka jejich odstranění; nacvičování servisních zásahů v rozváděči i s využitím dálkové diagnostiky; nastavení digitálních pohonů a sledování jejich funkce; ověřování činnosti PLC, modifikace funkcí a tvorba nových.

251

Spolehlivost a diagnostika mechatronických soustav

9

9.1 Úvod 9.1.1 Definice technické diagnostiky Technická diagnostika je nauka o způsobech a metodách rozpoznávání chybných funkcí, v našem případě mechatronických strojů, zařízení a systémů. Pod pojmem mechatronický systém zde rozumíme soubor technických a programových prostředků zaměřených k dosažení stanoveného cíle. Předmětem našeho zájmu jsou systémy neorganické, tj. technické. Rozvoj technické diagnostiky musí jít s nimi společně. Úroveň těchto systémů a diagnostických metod musí být řádově srovnatelná. Současný stav výpočetní techniky umožňuje koncipovat diagnostické systémy pro tak složité celky, jako je nadzvukový letoun, raketa, ponorka či družice. Diagnostika zasahuje jak do výrobní, tak i do uživatelské sféry. U složitých systémů nelze vyloučit výrobní chybu či selhání při provozu. Vzniklou závadu musíme rychle najít a odstranit. Rozvoj matematických metod a výpočetní techniky umožňuje vybudovat předpovídání poruch s dostatečnou časovou rezervou a přijatelnou přesností. Při poruchách složitých zařízení musí být vyloučen subjektivní přístup a metody oprav musejí být algoritmizovány. Významnou roli hrají metody bezdemontážní diagnostiky. Složitost mechatronických strojů je tak velká, že subjektivní a manuální zjišťování chyb nelze provádět v ekonomicky přijatelném čase. Diagnostická činnost musí být automatizována.

9.1.2 Spolehlivost Spolehlivost je obecná vlastnost objektu, spočívající ve schopnosti plnit požadované funkce dle technických podmínek. Musíme zachovat provozní ukazatele v daném rozmezí a čase. Spolehlivost je komplexní vlastnost, která dle určení předmětu a podmínek provozu zahrnuje bezporuchovost, opravitelnost, životnost, udržovatelnost, a to buď jednotlivě nebo v kombinaci těchto vlastností.

9.1.3 Předpověď poruch – predikce Sledování parametrů mechatronických systémů slouží k vytváření jejich rozvoje a k extrapolaci. To jsou výchozí data pro předpovědní systém poruch. Slouží k určení času výpadku strojní části. Například ložisko se neúměrně hřeje, převodovka hlučí nad přípustnou mez atd. Snažíme se o předpověď s dostatečným předstihem, aby se údržba mohla dobře připravit na opravu. Údaj predikce není absolutní. To je dáno tím, že do budoucnosti nelze nahlédnout, ale pouze ji předpovídat s určitou přesností. S rostoucí složitostí mechatronických systémů roste i nejistota výroků, které o nich pronášíme.

253

9

SPOLEHLIVOST A DIAGNOSTIKA MECHATRONICKÝCH SOUSTAV

Mechatronika

9.1.4 Význam technické diagnostiky pro mechatroniku Mnohostranné nasazení strojů a zařízení vysoké technické úrovně přináší problémy při jejich uvádění do provozu a při jejich využívání. Velké pořizovací náklady si vynucují jejich intenzivní využívání. Stroje pracují na tři směny či v nepřetržitém provozu (soboty, neděle, svátky, prázdniny). S rostoucí složitostí roste i poruchovost. Porucha musí být rozpoznána a odstraněna v co nejkratším čase. Automatické systémy technické diagnostiky jsou schopny tyto požadavky splnit. Čím vyšší úroveň diagnostických systémů, tím nižší jsou provozní ztráty. Diagnostika tak přímo ovlivňuje ekonomiku mechatronických strojů. Informace získané z technické diagnostiky slouží také pro nové mechatronické konstrukce či k inovaci stávajících.

9.2 Spolehlivost 9.2.1 Spolehlivost funkcí strojů, zařízení a systémů Z hlediska činnosti jsou stroje a zařízení buď ve stavu provozu, nebo prostoje. Z hlediska výskytu poruch je stroj buď v bezporuchovém, nebo poruchovém stavu. Stav stroje z bezporuchového na poruchový se změní v okamžiku vzniku poruchy. Poškození je jev spočívající v narušení řádného stavu. Bezporuchový stav je ten, kdy je zařízení schopno plnit dané funkce a dodržuje hodnoty parametrů v mezích určených technickou dokumentací. Mezní stav je ten, ve kterém musí být přerušeno další využívání. Důvodem je porušení bezpečnostních předpisů, překročení mezí parametrů, snížení efektivnosti pod přípustnou hodnotu, nutnost provedení generální opravy. 9.2.1.1 Třídění poruch Poruchy posuzujeme dle podmínek vzniku, příčin vzniku, dle rozsahu, dle změny charakteru zařízení, dle závislosti na jiné poruše, dle četnosti výskytu, dle původu (konstrukční, technologický, provozní důvod). Třídění poruch je také motivováno zájmem technickým, ekonomickým, právním (kdo uhradí škody) a zjištěním viny při ohrožení zdraví a života.

9.2.2 Základy pravděpodobnosti a spolehlivosti Matematickým základem teorie spolehlivosti je počet pravděpodobnosti a matematická statistika. Dávají nám prostředky potřebné k popisu a analýze náhodných dějů odpovídajících výskytu poruch. Hlavním zdrojem dat pro výpočet charakteristik spolehlivosti jsou údaje z provozu zařízení. 9.2.2.1 Definice pravděpodobnosti Pravděpodobnost je objektivní vlastností náhodného jevu a definujeme ji klasicky, staticky, geometricky a axiomaticky. Pro použití v technické diagnostice je vhodná axiomatická definice. 9.2.2.2 Definice jevů Jev, který je jako výsledek náhodného pokusu, ale i nemusí být, nazýváme NÁHODNÝ JEV. Jev, který se musí vyskytnout při každé realizaci pokusu, nazýváme JISTÝ JEV. Jev, který nemůže nastat jako výsledek náhodného pokusu, nazýváme NEMOŽNÝ JEV. Pravděpodobnost je číselné měřítko pro objektivní možnost, že nastane nebo nenastane náhodný jev. Náhodné jevy a jejich vztahy lze popsat pomocí operací teorie množin. Používáme operaci sjednocení jevů (log. součet), průnik jevů (log. součin) a opačnost jevů (log. negace). 254

Spolehlivost 9.2.2.3 Náhodná veličina (proměnná) Každému elementárnímu jevu (výsledku pokusu) přiřadíme odpovídající hodnotu x proměnné veličiny X, které říkáme náhodná veličina nebo náhodná proměnná. 9.2.2.4 Axiomy pravděpodobnosti Moderní teorie pravděpodobnosti vychází z předpokladu, že pravděpodobnost je objektivní vlastností náhodného jevu a definuje je axiomaticky. Základem jsou tři axiomy: 1) Pravděpodobnost P(A) jevu A je reálné číslo z intervalu

0 ≤ P(A) ≤ 1 2) Pravděpodobnost jistého jevu se rovná 1:

P(V) = 1 3) Pravděpodobnost sjednocení dvou neslučitelných (disjunktivních) jevů se rovná součtu jejich dílčích pravděpodobností výskytu:

P(A1 ∪ A2) = P(A1) + P(A2) Z těchto obecných pouček vyplývají další vztahy:

P(V) = 0

pravděpodobnost nemožného jevu.

Vztah mezi pravděpodobností náhodného jevu A a pravděpodobností opačného jevu Ā je dán rovnicí

P(A) + P(Ā) = 1 Pomocí operací sjednocení, průnik a opačnost jevů a uvedených axiomů je možno deduktivním způsobem vybudovat matematický aparát teorie pravděpodobnosti. 9.2.2.5 Základy teorie spolehlivosti V dalším textu jsou vybrány nejdůležitější pojmy spolehlivosti pro případ praxe. Složité výrobky jako je mechatronický systém je možno rozdělit na dílčí prvky s různou složitostí. Například součást, podskupina, skupina, stroj, zařízení, systém. Zkoumáním jednotlivých prvků získáme obraz o celku. Spolehlivost je komplexní vlastnost a k jejímu bližšímu vyjádření slouží následující dílčí vlastnosti: 1) Bezporuchovost je schopnost výrobku plnit nepřetržitě požadované funkce. Vyjadřuje se pravděpodobností bezporuchového provozu v daném intervalu, intenzitou poruch, střední dobou bezporuchového provozu. 2) Životnost je schopnost plnit požadavky do dosažení mezního stavu při standardním systému údržby a oprav. Vyjadřuje se technickým životem s uvedenou pravděpodobností. 3) Udržovatelnost je vlastnost objektu spočívající ve způsobilosti k předcházení vzniku poruch předepsanou údržbou. 4) Opravitelnost je vlastnost spočívající ve způsobilosti ke zjišťování příčin vzniku poruch a jejich odstranění. Kvantitativně se vyjadřuje intenzitou oprav nebo střední dobou opravy.

255

9


Mechatronika 5) Pohotovost je vlastnost zahrnující bezporuchovost a opravitelnost stroje v podmínkách provozu. Kvantitativně se vyjadřuje pravděpodobností, že systém se nachází v provozuschopném stavu v libovolně zvoleném okamžiku. 9.2.2.6 Ukazatelé spolehlivosti Jsou to kvantitativní charakteristiky jedné nebo několika vlastností určujících spolehlivost objektu (str. 39). 9.2.2.7 Nejpouživatelnější ukazatelé spolehlivosti Ukazatelé spolehlivosti mají teoretické a empirické charakteristiky. Teoretickým základem je pravděpodobnost a empirickým základem je bodové hodnocení statisticky oprávněného náhodného výběru. Doba bezporuchového provozu Veličina τ vyjadřující dobu bezporuchového provozu je spojitá náhodná veličina s distribuční funkcí F(t). Distribuční funkce vyjadřuje pravděpodobnost, že doba bezporuchového provozu τ bude menší než t nebo rovna.

F(t) = P(τ ≤ t) Známe-li distribuční funkci, odvodíme: Pravděpodobnost bezporuchového provozu R(t)

R(t) = 1 – F(t) = P(τ ≻1) Vyjadřuje pravděpodobnost, že doba bezporuchového provozu τ bude delší než t. Má-li distribuční funkce ve všech bodech derivaci

f(t) = dF(t) dt pak je funkce f (t) hustota pravděpodobnosti náhodné veličiny τ. Střední doba bezporuchového provozu T Je dána: ∞

T = ∫t . f(t) . dt 0

Intenzita poruch λ(t) Intenzitu poruch definujeme výrazem:

λ(t) =

f(t) f(t) = 1 – F(t) R(t)

Intenzita poruch λ(t) charakterizuje spolehlivost stroje v každém časovém okamžiku. Lze ji chápat jako hustotu pravděpodobnosti výskytu poruchy v časovém okamžiku t, když stroj v intervalu (0, t) pracoval bez poruchy. 256

Údržba strojů a zařízení Střední intenzita poruch Pokud se intenzita poruch s časem mění, počítáme se střední intenzitou poruch.

1 .t ∫ λ(t) . dt t2 – t1 t 1

λ(t1, t2) =

2

Při exponenciálním rozdělení doby bezporuchového provozu je λ konstantní a rovná se střední intenzitě poruch. Platí:

9.2.3 Výpočet spolehlivosti a pravděpodobnosti K výpočtu spolehlivosti používáme dvoustavového modelu objektu. Ten je založen na představě, že objekt se nachází ve dvou vzájemně se vylučujících stavech. Je to bezporuchový nebo poruchový stav. Spolehlivost objektu se určuje na základě pravděpodobnosti bezporuchového provozu a dalších ukazatelů, jako je hustota poruch, intenzita poruch a střední doba bezporuchového provozu. Tyto veličiny se získají konkrétním vyjádřením charakteristik náhodné veličiny, jako je doba bezporuchového provozu. Zkoumaný objekt je zdrojem souboru dat k výpočtu. U většiny objektů může dojít k poruše v libovolném čase. Doba poruchy je veličinou spojitě proměnnou. Činnost objektu je charakterizována distribuční funkcí rozdělení vzniku poruchy Q(t). Pozn.: U složitých mechatronických systémů se poruchám neubráníme. Nemůžeme jim zabránit, tak je bereme na vědomí. Praktický provoz těchto systémů ukázal, že dosahovat velmi dobrých ukazatelů spolehlivosti v klasické podobě je diskutabilní. Proto je úsilí směřováno k vývoji automatických diagnostických systémů, tak aby porucha byla rychle identifikována, lokalizována na stroj, uzel, součást a rychle opravena. Musíme minimalizovat ztráty výrobnosti vzniklé prostojem zařízení.

9.3 Údržba strojů a zařízení 9.3.1 Způsoby údržby a její organizace Údržba strojů a zařízení je řízena zvolenou strategií údržby. Je to systém, který říká kdo, kdy a jak bude provádět údržbu. V principu máme tři základní strategie: a) oprava stroje po vzniklé poruše; b) oprava stroje v plánovaném čase; c) oprava stroje dle skutečného stavu.

257

9


Mechatronika Tyto strategie můžeme vysledovat na následujícím obrázku: V

V… t… OP … 0… t3 … t3 → t4 … t4 …

stupeň využitelnosti stroje; 100% po uvedení do provozu čas mez opotřebení zahájení provozu čas vzniku poruchy doba opravy nový provoz

Obr. 9.1. Časový průběh využitelnosti strojů

Strategie

a … ot3 b … ot2 c … ot1

Strategie a je vhodná pro jednoduché stroje. Strategie b je vhodná pro střední složitost strojů. Strategie c je vhodná pro velkou složitost strojů.

9.3.2 Údržba po poruše Používá se strategie a. Stroj se opravuje až tehdy, když vznikne porucha. To má smysl v moderním podniku tehdy, když máme od každého druhu větší počet strojů (stroje jsou zastupitelné – redundance), či stroje tohoto druhu hrají nedominantní úlohu při technologii. Pokud nejsou stroje zastupitelné, je ovlivněn výrobní proces a vznikají problémy v operativním plánování výroby. Tento způsob údržby je dominantní u malopodnikatelů.

9.3.3 Údržba v plánovaném čase Používá se strategie b. V závislosti na zkušenostech o opotřebitelnosti strojů a v závislosti na výrobním plánování je určen čas odstavení stroje z výroby. Stroj je rozebrán a prohlédnut. Dílce či celé skupiny jsou vyměněny. Tato metoda není optimální, protože některé díly jsou ještě použitelné. Poškozené díly jsou vyměněny. Ve stanoveném čase t1 (viz obr. 9.1) jsou vyměněny stanovené dílce či uzly bez ohledu na jejich skutečný stav. Typickým příkladem jsou ložiska. Jsou-li vyměněna později, vznikají deformace hřídelí, poruchy spojek, vinutí motorů. Jsou-li vyměněna dříve, vznikají vyšší náklady. Předností této strategie je to, že je zamezeno ve velké míře náhodnému výpadku strojů a tím výpadku produkce. Podnik se může na opravu stroje včas připravit.

258

Údržba strojů a zařízení

9.3.4 Údržba dle skutečného času Používá se strategie c. Je to ideální metoda údržby v závislosti na skutečném stavu stroje. Stroj je vyřazen z provozu, až je to nutné. Opravuje se jen to, co je nutné. Dílce jsou vyměňovány jen tehdy, když dosáhly určitého stupně opotřebení. Tato strategie vyžaduje stálé znalosti o skutečném stavu stroje. Parametry stroje jsou opakovaně měřeny, vyhodnocovány a jsou vyvozovány závěry. Je sledován nejen aktuální stav, ale usuzováno na trend vývoje. Z tohoto trendu je odvozována předpověď budoucího stavu. Tato strategie přináší velkou úsporu nákladů. Zamezuje náhodnému výpadku stroje. Tato metoda předpokládá diskrétní měření veličin na stroji a jejich vyhodnocení. Používané metody vyhodnocení: a) posouzení stavu stroje; b) porovnání s mezními veličinami; c) prognóza zbytkové životnosti. 9.3.4.1 Posouzení stroje Posuzujeme parametry stroje (kmitání, teploty, tlaky, výkony a další měřené parametry). Tím jsou vytvářeny výroky o stavu stroje. Hodnoty veličin jsou získávány v pravidelných časových intervalech. Z nich pak tvoříme vývojové diagramy. Jsou-li zachovávány stejné provozní podmínky, lze ze změn ve vývojových diagramech usuzovat skutečný stav stroje.

P… t… Pmez … Psig … V… B…

parametr čas mezní hodnota signální hodnota výstraha blokování

Obr. 9.2 Vývojový diagram parametru: průběh od posledního měření (05. 06) k času tV a tB je extrapolován

259

9


Mechatronika 9.3.4.2 Porovnání s mezními veličinami Pro posouzení, zda se stav opotřebení blíží k havarijnímu stavu, stanovujeme ve vývojovém diagramu parametru (obr. 9.2) jeho signální a mezní hodnotu. Při dosažení hodnoty Psig dává počítač informaci o této skutečnosti. Stroj může pracovat dál. Po dosažení hodnoty Pmez je stroj blokován. 9.3.4.3 Prognóza zbytkové životnosti stroje Při prognóze zbytkové životnosti je vývojový diagram (všech parametrů) extrapolován tak, až protne hodnotu Psig a Pmez. Zbytková životnost je pak čas od posledního měření do času, kdy extrapolovaná hodnota rozvoje parametru protne čáru mezní hodnoty. Tuto extrapolaci provádíme při každém posledním měření. Tím se upřesňuje čas tB. Zkušenosti z praxe ukázaly, že čas tB je možno určit až na dobu 6 měsíců dopředu s pravděpodobností ±10 % tzb (tB – doba zbytkové životnosti stroje). Pro průmyslovou praxi je tato doba a přesnost postačující.

Obr. 9.3 Extrapolace průběhu parametru a určení výpadku

Hospodárnost Jak bylo uvedeno v bodě 9.3.1, zvolené strategii údržby odpovídají také náklady na její provedení. Snažíme se najít optimální čas, tak aby náklady byly minimální. Z těchto úvah pak plyne stanovení inspekčních intervalů. Tento interval může být příliš krátký, příliš dlouhý nebo optimální. Příliš krátký interval vede ke zvyšování nákladů na údržbu. Optimální interval minimalizuje náklady. Příliš dlouhý interval vede ke ztrátám na výrobnosti.

260

Metody technické diagnostiky

Obr. 9.4 Průběh nákladů na údržbu

9.4 Metody technické diagnostiky 9.4.1 Metoda provozní diagnostiky Tato metoda je základem sledovacího systému (monitoring) technického stavu strojů a výrobků. Je založena na principu, že se porovnává odezva diagnostikovaného objektu na kontrolní signál (počítač, simulátor) aj. Je řešena rozdílová rovnice:

Δ=S–I S … odezva na kontrolní signál aj I … odezva objektu Δ … rozdíl hodnot Kontrolní signál aj je současně veden do objektu a do jeho fyzikálního modelu. Fyzikální model vygeneruje signál S a diagnostikovaný objekt signál I. Oba signály jsou vedeny do diferenčního členu. Výstupem je hodnota Δ. Přesnou funkci lze vysledovat na blokovém schématu uvedené metody. Hodnotu Δ vedeme do obvodu vyhodnocení. Je to porovnávací obvod, který řeší úlohu:

Δ≤k k … přípustná hodnota rozdílu.

Δ≻k znamená, že funkce je v pořádku (analogová či diskrétní).

261

9


Mechatronika aj … Rj …

aj

kontrolní signál odezva objektu

Diagnostikovaný objekt

Δ=S–I

Rj Interface

adi

Fyzikální model S

Sníma vyhodnocení

I Diferenní len

Obr. 9.5 Schéma provozní diagnostiky

9.4.2 Metoda operativní diagnostiky Úkolem metody je rozpoznat poruchu a určit její místo v co nejkratším čase. Princip spočívá v tom, že na objekt jsou vysílány diagnostické testy. Zařízení má generátor testu a řadič. Generátor testu vysílá signály aj na testovaný objekt a na fyzikální model. Zařízení je testováno krok za krokem, který je určen řadičem. Další část zařízení je shodné jako u metody provozní diagnostiky 9.4.1. Celkovou funkci lze dobře vysledovat z následujícího blokového schématu. Výstup diferenčního členu je pak vyhodnocen pomocí diagnostického listu či počítačem. Metoda umožňuje přímé vyhledání zdroje poruchy (ventil, mikrospínač atd.). Konstrukčně je systém koncipován tak, že je součástí CNC řízení stroje (zabudován v hardwaru a softwaru) či může tvořit samostatnou mobilní dílenskou jednotku. Vývoj se odklání od mobilních jednotek a je využíváno CNC řízení pro komunikaci a zobrazení informace na obrazovce řídicího systému. C … počítač

Diagnostikovaný objekt aj Interface

adi

Generátor testu

Rj

Fyzikální model S

Mení vyhodnocení

I Diferenní len

Diagnostický list

C

Obr. 9.6 Schéma operativní diagnostiky

9.4.3 Metoda preventivní diagnostiky Základ je tvořen testerem. Ten generuje sled měření vybrané množiny parametrů. Na objekt jsou vysílány signály k provedení měření (teplota, tlak, síly, momenty atd.). Výsledky měření jsou digitalizovány a uloženy v paměti počítače. Měření jsou prováděna v pravidelných časových intervalech. V počítači je vytvořena banka dat naměřených hodnot. Vzniká tak ucelený obraz o chování

262

Metody technické diagnostiky stroje od okamžiku nasazení do provozu až po dobu posledního měření. Je zde uložena minulost stroje. Prvním údajem o minulosti stroje je výstupní protokol výrobce stroje. V programovém vybavení počítače jsou pak programy pro ukládání, vybírání a zpracování naměřených dat (rozvoj parametru, sledování, limity parametrů a predikční výrok). Metoda dovoluje předvídat okamžik výpadku stroje na dostatečně dlouhou dobu (3–6 měsíců s přesností % predikované doby). Tím je umožněno výrobě, aby se včas připravila na opravu. Stroj je opravován dle skutečného stavu. Ekonomický efekt z této činnosti je zřejmý. Hlavní součástí systému je metoda predikce. Ta je založena na tom, kdy sledovaný parametr dosáhne své mezní hodnoty. Výpadek je určen s určitou pravděpodobností (90 %). Podrobně je systém predikce popsán dále. Celou funkci lze vysledovat na následujícím schématu. C … počítač

Diagnostický objekt aj

Rj Interface

Tester

Fyzikální model

Mení

Predikce

C

Pam dat

Obr. 9.7 Schéma metody preventivní diagnostiky

Přenosová funkce Výše popsané metody jsou založeny na teorii přenosové funkce. Do zkoumaného objektu O zavedeme vstupní veličinu X a změříme výstupní veličinu Y. Přenosová funkce P je definována: X

O

Y

P= Y X Funkce P pak nabývá následujících hodnot:

P≥0 P≻1⇒Y≻X… P=1⇒Y=X… P≻1⇒Y≻X… P=0⇒Y=0…

objekt O zesiluje signál X objekt O přenáší signál beze změny objekt O zeslabuje signál X objekt O signál nepřenáší

263

9.4.4 Diagnostika vibrační, hluková, tribo a thermo Při diagnostice vibrační a hlukové měříme kmitání strojních částí. Při měření vibrací snímáme kmitání přímo pomocí snímačů. Při akustické diagnostice snímáme zvukové vlnění, které vydává kmitající strojní část. Mechanické kmity snímáme absolutně nebo relativně. Zvuk snímáme mikrofony.

T=

1 f

x = A · sinω · t ω = 2π · f

9


Mechatronika

Obr. 9.8 Harmonické kmitání

264

Metody technické diagnostiky 9.4.4.1 Zobrazení harmonického kmitání v časovém a frekvenčním měřítku

A B C D

kmitání o frekvenci f kmitání o frekvenci 2f superpozice A + B diskrétní periodické kmitání

Obr. 9.9 Zobrazení harmonického kmitání v časovém a frekvenčním měřítku

Snímače měření vibrací a hluku pracují v časovém měřítku (doméně). Pomocí Fourierovy transformace jsou pak kmity zobrazeny ve frekvenčním měřítku. Kmity vidíme na obrazovce tak, jak je uvedeno na předcházejícím obrázku. Výše frekvenční čáry nám udává amplitudu a poloha na frekvenční ose nám dává frekvenci kmitání. Snímače v časovém měřítku měří zrychlení kmitání a. První integrace nám pak dává rychlost v a druhá integrace dráhu kmitání s. Měříme-li a, pak

v = ∫a · dt, s = ∫v · dt Měříme-li s, pak

v = ds , a = dv dt dt

265

9


Mechatronika Přepočet

dráha (m)

s

1

v

s.ω

rychlost (m/s) v ω 1

a

s . ω2

v.ω

s … dráha v … rychlost a … zrychlení

zrychlení (m/s2) a ω2 a ω 1

Tab. 9.1 Vzájemné stavy s, v, a (dráha, rychlost, zrychlení)

9.4.4.2 Špičková, střední, efektivní hodnota kmitání

st ef šp šp

střední efektivní špičková dvojamplituda

Obr. 9.10 Zobrazení hodnot kmitání

Přepočet hodnot na špičková

efektivní

střední

špičková

1

0,71

0,64

efektivní

1,41

1

0,9

střední

1,5

1,11

1

Přepočet hodnot z

Poznámka: Ručkové měřicí přístroje měří efektivní hodnotu.

Tab. 9.2 Přepočet hodnot kmitání

9.4.4.3 Akustická diagnostika Kmitající části objektu rozechvívají vzduchovou hmotu. Tento zvuk (hluk) snímáme směrovým mikrofonem. Signály z mikrofonu jsou vedeny do analyzátoru hluku (BRUEL & KJAER). Tento zpracovává signály standardním způsobem (zobrazení v t nebo f doméně, filtrace, měření amplitud, zobrazení). Metoda je vhodná tam, kde jsou měřené body těžko dostupné. Je však nákladnější v porovnání s přímým měřením vibrací. 9.4.4.4 Tribotechnická diagnostika Provádí se převážně metodou offline. V předepsaných časových intervalech se odebírají vzorky olejů. Příkaz k odběru dává diagnostický počítač na pracovišti údržby. Odebrané vzorky se přenesou do tribotechnické laboratoře k provedení rozboru. Měří se zde viskozita, znečištění, devastace olejů, maziv atd. Výsledky jsou v číselné formě zavedeny zpět do počítače údržby. Ten zpracuje výsledky a dává zpět příkazy k výměně olejů či signalizuje rychlý proces jejich znehodnocování. To pak svědčí o zhoršování technického stavu součásti či uzlu stroje. Používání stopového množství radioizotopů má výzkumný charakter a v praxi je málo používáno.

266

Metody technické diagnostiky 9.4.4.5 Termodiagnostika Na strojích je umístěna soustava teploměrů pro sledování pracovních teplot vybrané množiny míst stroje či zařízení. Princip spočívá v tom, že zvyšování pracovní teploty měřeného místa je symptomem zhoršujícího se stavu (ložisko). Tato místa mají stanovenou maximální přípustnou teplotu pro provoz. Diagnostický počítač signalizuje nárůst těchto teplot, vysílá varovný signál. Při překročení přípustné meze teploty zablokuje provoz daného zařízení. Těchto informací využívají CNC systémy pro automatickou kompenzaci tepelných dilatací strojů. Pro měření vibrací strojů se zpracovávají metodické listy, kde je celá činnost vymezena (viz příklady níže). Metodický list Typ stroje: FC 63 V/H k. p., TOS KUŘIM Přístroj: Kolektor dat fy Schenk

Dotyk snímače: • hrotem (H) • mag. upnutí (M) • šroubové upnutí (Š) Pozn.: H, M, Š je způsob doteku snímače se strojem. Kolektor dat

Sníma

Schéma měření vřetene frézovacího stroje FC 63 V/H

1 M (dotyk vetenem)

7M 6M

Podmínky měření na stroji: 1) stroj běží naprázdno 2) zařazeny otáčky vřetene (n/min) HZ 3) zařazen posun X, Y, Z (m/s) atd. Pozn.: Před zahájením sběru dat proveďte kontrolu funkce kolektoru.

Popis měřených míst: 2 motor vřeteníku 2/3 ložisko vřetene 4/5 příčný a podélný posun 6 svislý posun 7 převodovka vřetene

2M 3M

4 /5 M (magnetické spojení)

Schéma měřicích míst

267

9


Mechatronika bod

1

2

3

4

5

6

7

8

9

veličina a (m/s2) v (m/s)

Poznámka: V případě velkých odchylek (řádově) proveďte doplňkové měření. Proveďte záznam expertních (inspekčních) výroků pro daný stroj dle metodického listu.

s (m) Tab. 9.3 Tabulka preferenčních hodnot

9.5 Automatická diagnostika 9.5.1 Základní principy Provedené analýzy problematiky technické diagnostiky ukázaly, že existují matematické a experimentální metody, které umožňují bezdemontážní postupy, a je možné automatizovat proces diagnostikování. V mechatronických strojích a zařízeních je instalována výpočetní technika, a ta je schopna řešit danou problematiku s příslušným programovým a senzorickým vybavením. Automatizace spočívá v sejmutí údajů ze strojů a řídicích částí. Ty se zpracují v měřicích obvodech a převedou do tvaru, který umožňuje jejich přenos do řídicího počítače. Tento pak řeší problémy diagnostiky za pomoci speciálního softwaru. Obecné schéma automatické diagnostiky se pak skládá z hardwarového a softwarového vybavení, viz obr. 9.10, 9.11. Pro vyhledání chyb je třeba zvolit určitou strategii. Příklad je uveden na obr. 9.12. Celá činnost je pak popisována vývojovým diagramem dle obr. 9.13. Je zřejmé, že měření veličin, jejich zpracování, sběr a přenos má charakter řídicí ústředny. Fyzikální model je pak realizován v pamětech řídicího počítače stroje. Systémy technické diagnostiky kladou značné nároky na paměťovou kapacitu řídicího počítače. 9.5.1.1 Postup při tvorbě automatické technické diagnostiky • Úprava strojů, zabudování potřebných snímačů.

• • • • • •

Vytvoření centrálního měřicího místa v silnoproudu. Zabudování obvodů měřicí ústředny. Úprava hardwaru a softwaru řídicího počítače – tvorba fyzikálního modelu. Zpracování celkového softwaru. Vybavení pro dálkový přenos dat. Hardwarové a softwarové vybavení počítače pro řídicí pracoviště mechatronických systémů.

Množina snímaných dat je specifikována pro každý stroj či zařízení samostatně. Taktéž vlastní řízení CNC je nutno upravit tak, aby bylo automaticky diagnostikované. Technická diagnostika v maximální míře využívá všech signálů nutných k vlastnímu řízení stroje. Předpokládá se, že potřebné snímače technické diagnostiky budou zabudovány na stroj u výrobce. 9.5.1.2 Dálková diagnostika Snímané hodnoty ze strojů jsou převedeny do tvaru pro přenos dat. Řídicí počítač zformuje zprávu pro dálkový přenos dat (modem – družicový přenos). To umožní vybudovat u výrobce 268

Automatická diagnostika centrální diagnostické středisko. Například letecká doprava civilní i vojenská je dálkově diagnostikovatelná. Pro mateřské letadlové lodě a ponorky s jaderným pohonem je tato diagnostika nutností. Kosmická technika umožňuje nejen dálkovou diagnostiku, ale i dálkovou opravu množiny vzniklých závad. 9.5.1.3 Telefonická diagnostika V první fázi zjištění voláme telefonem diagnostické středisko. Porucha je popsána slovně. Pak následuje dialog. Uživateli jsou navrženy postupy k ověření a odstranění poruchy. Komunikační trasy jsou obousměrné. Praxe ukázala, že tato metoda je účinná a velmi hospodárná. Přehled dálkových komunikačních metod je uveden na obr. 9.14.

Podniková ústředna

Městská ústředna



fonický systém

Telefonní ústředna

Telefonní ústředna Modem

Modem linkový přenos


Vysílač/ /Přijímač



bezdrátový přenos

Družice



Družicový vysílač/ /přijímač


Modem

Minipočítač

Družicový vysílač/ /přijímač

PočítačModem




družicový přenos obr. 9.14 Příklad komunikačních možností dálkové diagnostiky

269

9


Mechatronika

9.5.2 Hardwarová automatická technická diagnostika Automatický systém technické diagnostiky je realizován technicky v řídicím systému mechatronického stroje či systému. Je nutno realizovat uvedený technický postup. Jelikož nelze měřit a sledovat na strojích všechny funkce, je třeba vytvořit množiny důležitých funkcí. Této množině pak odpovídá montáž příslušných snímačů na strojích. V maximální míře jsou využívány signály, které jdou ze snímačů pro funkci NC systémů. Zbývající snímače je pak nutno doplnit. Musí být vybudována přenosová trasa mezi snímači, měřicími obvody a počítačem. Jednotlivé parametry jsou snímány ve zvolených časových intervalech. Sled snímání řídí řadič (obdoba malé měřicí ústředny). Zpracované signály jsou ukládány do paměti technické diagnostiky a postupně vyhodnocovány. Z toho vyplývá nárok na zvýšenou paměťovou kapacitu řídicího systému. Pro další operace prováděné technickou diagnostikou je v maximální míře využíváno instalovaných technických prostředků pro řízení stroje (C). Některé funkce je třeba doplnit, jako je třeba RFT (rychlá Fourierova transformace), grafika pro tvorbu kaskádních diagramů, komunikace v syntetické řeči atd. Vše je řízeno SOFTWAREM, jehož obecná skladba je uvedena na obr. 9.11.

Vnjší pam

Záznamové médium

Ovládací panel

Display

Poíta

Tisk

Penosový kanál adi Mící obvody

Diagnostikovaný objekt

Obr. 9.10 Obecné schéma automatického hardwarového diagnostického systému

Programové vybavení

Systémové

Edice Diagnostika Predikce

Obr. 9.11 Obecná skladba programového vybavení

270

Uživatelské

Automatická diagnostika

9.5.3 Softwarová automatická technická diagnostika Systém automatické technické diagnostiky vyžaduje rozsáhlé programové vybavení. Obecné schéma je uvedeno na obr. 9.11. Programové vybavení řeší v principu dvě základní otázky. Je to vývojový diagram pro zjištění chyb, viz obr. 9.13 a diagram strategie vyhledávání chyb, viz obr. 9.12. Logika softwarového vybavení spočívá v tom, že systém technické diagnostiky musí zjistit zda systém pracuje bezchybně či vznikla-li v systému chyba. Když ano, nastává fáze rozhodovací a po ní následuje fáze vyhledání chyby a nabídnutí způsobu jak danou chybu opravit (servisní postup). Uvedené obrázky udávají jeden z možných postupů. Tuto část automatické technické diagnostiky je nutné neustále zlepšovat a doplňovat o nové poznatky.

START

START

V:1

Test skupiny

Test skupiny r-tým slovem

Je výsledkem testu chyba?

Určení symptomů a výsledků na testované slovo

Určení chyby

ne

ano

Výsledek – chyba V:V+1 V · Vman?

ne

STOP

ano

Slovník poruch

obr. 9.13 Vývojový diagram technické diagnostiky

STOP obr. 9.12 Strategie vyhledávání chyb

9.5.4 Sběr dat Základní myšlenkou je, že chyba na stroji či na jednotlivém uzlu se projevuje jako změna parametru odpovídající funkce, která je popsána například diferenciální rovnicí. Základní předpoklad je, že v online provozu můžeme měřit změny parametrů. Předpokladem jsou bezdemontážní principy měření. Zvlášť důležité jsou ty postupy, dle nichž jsou zjišťovány pomalé změny parametrů. Je nutné rozpracovat postupy pro bezdemontážní měření. Vypracovávají se algoritmy pro měření posuvových rychlostí, otáček, časových konstant, řešení vůlí v mechanismech, ložisek, spojek atd.). Současně se provádí sběr dat o činnosti všech třídicích a ovládacích prvků systému. 9.5.4.1 Vyhodnocení a rozhodování Po sběru dat následuje jejich vyhodnocení a pak následuje rozhodování. V systému technické diagnostiky je vytvořen fyzikální model stroje, který nám říká, jaké hodnoty mají data S mít. Dife271

9


Mechatronika renční člen vyhodnotí odchylku od skutečného stavu I (viz obr. 9.5). Výstup z diferenčního členu je pak vyhodnocován dle různých hledisek. Rozhoduje se o tom, zda je odchylka co do své velikosti a povahy rozhodující pro další činnost zařízení. Rozhoduje se takto: porucha je, ale na další provoz nemá vliv. Nebo provoz může pokračovat do konce směny či její odstranění počká na přerušení provozu. Závažné rozhodnutí je to, že stroj musí být okamžitě zastaven a přivolána obsluha. 9.5.4.2 Indikace stavu Výsledek rozhodovacího procesu je signalizován obsluze a údržbě na obrazovce CNC systému či na dispečinku. Signalizace se provádí textově. V případě, že technická diagnostika zastaví stroj, je obsluha přivolána akusticky. Všechny informace jsou dokumentovány tiskem. 9.5.4.3 Komunikace Komunikace s obsluhou a údržbou probíhá tak, jak je popisováno v kap. 9.5.4.2. Objevily se již první aplikace, kde je komunikace je prováděna syntetickou řečí. Do komunikace je zapojen i obslužný robot. Hlasová komunikace dává obsluze možnost zadat autodiagnostiku řídicímu systému CNC. Je-li vše v pořádku, následuje diagnostika zařízení. Využívá se i pro správné spouštění složitých systémů a zařízení. Taktéž při přerušení chodu můžeme dostat akustické informace. 9.5.4.4 Opravy ruční a automatické Systém automatické technické diagnostiky provede lokalizaci poruchy až na úroveň vadné součásti. Současně pak nabídne standardní způsob opravy. Údržba buď návod respektuje, nebo zvolí vlastní postup. Standardní postupy oprav jsou uloženy tabulárně v pamětech CNC pro každý stroj zvlášť. To zpracovává autor technické diagnostiky. Rozvoj bezobslužných strojů a systémů si vynucuje automatické řešení oprav. Rozvoj kosmických technologií ukázal, že problém je řešitelný. Tato zařízení se umějí částečně opravit sama. Samoopravitelnost je definovaná množina takových oprav. Dále pak se mohou určité množiny opravovat i dálkově z diagnostického či řídicího centra. Ta souvisí s metodami dálkové komunikace. Metodika rozhodování stanoví, zda vzniklá porucha je samoopravitelná. Jestliže ano, stroj je zastaven v přesně definovaném stavu. Pak se provede oprava a stroj pokračuje v činnosti dál. Celý proces je indikován a dokumentován výše popsanými metodami. Mezi metody samoopravitelnosti můžeme zařadit například zálohování, nadbytečnosti, rekonfigurace a provoz se sníženým výkonem.

9.6 Technická diagnostika mechatronických a pružných výrobních systémů Technická diagnostika si našla uplatnění v celé řadě průmyslových oborů. Trvale se uplatňuje v energetice, elektronice či v leteckém průmyslu, stavbě lodí, na železnici, autoprůmyslu a v obráběcích strojích.

9.6.1 Diagnostika mechatroniky strojů Mechatronický stroj či systém chápeme jako soubor funkčních bloků. Každý blok představuje určitou funkční schopnost. Každá jednotlivá funkce je charakterizována svým jménem, vstupní a výstupní veličinou. Funkční blok má svoji přenosovou funkci. Uvnitř souboru funkčních bloků jsou takové, které mají jeden vstup a jeden výstup. Zde určujeme přenosovou funkci. Z takto definovaných bloků lze sestavit nový, složitější blok, který nazýváme uzlem. Z jednotlivých ele272

Expertní systémy pro technickou diagnostiku mentů s elementárními přenosovými funkcemi lze postupnou skladbou složit mechatronický stroj. Obráceně můžeme říci, že složitý mechatronický systém se dá rozčlenit na jednotlivé uzly, bloky a elementy. Toto členění směřuje od složitého celku až k jednotlivým elementům. Při konstrukci se postupuje obráceně. Na úrovni jednotlivých členění jsou známy přenosové funkce. Jejich soubor pak vytváří fyzikální model stroje, jak bylo popsáno v bodě 9.4. Hlavní princip je, že porovnáváme výstup bloku či elementu I s výstupem fyzikálního modelu S. Řešením je pak rozdílová rovnice Δ = S – I.

9.6.2 Diagnostika řídicích systémů a ovládání strojů Vývoj směřuje k tomu, aby složité mechatronické stroje pracovaly v nepřetržitém provozu. Zkušenosti ukázaly, že časté vypínání a zapínání nepřispívá ke spolehlivému provozu. Ideální stav je ten, když stroj zapneme začátkem roku a vypínáme před Vánocemi. Tento režim práce výrazně ovlivňuje ekonomiku provozu. Není však mezi pracovníky oblíben, protože nerespektuje volné dny, svátky či dovolenou. Před opětovným uvedením do provozu je nutno provést diagnostiku mechaniky stroje, ale i všech řídicích a ovládacích elementů. Za tímto účelem je vypracován diagnostický program, který otestuje uzly a bloky výpočetní techniky, automatizační a regulační elementy, ovládací prvky a všechny dvouhodnotové funkce. Obsluha stroje uvádí tento program do chodu. Technická diagnostika oznámí textem, že je vše v pořádku a je možno přistoupit k postupnému spouštění. To je mimořádně důležité při spouštění pružně automatizovaných výrobních systémů, bezobslužných strojů či při náběhu energetických zařízení. Tento program včetně metodického postupu a funkce HELP je uložen v rozšířené části paměti systému CNC. V případě, že technická diagnostika nepotvrdí připravenost k provozu, nastupuje autodiagnostika řízení a technická diagnostika mechatronického systému. Identifikuje se důvod.

9.6.3 Autodiagnostika Platí obecná zásada, že zařízení nemůže být uvedeno do provozu, pokud není potvrzeno, že všechno je v provozuschopném stavu. Je vypracován podrobný autodiagnostický program. Je rovněž uložen v rozšířené paměťové části a vyvolán běžným způsobem. Tento program obsahuje také funkční modely jednotlivých částí, jako klasický fyzikální model. Nejdříve je testován řídicí počítač. Jsou prověřovány funkční bloky jako je procesor, řadič paměti, V/V obvody atd. Je to běžný způsob používaný ve výpočetní technice. Pak následují další testy na ovládací prvky, panely, tastatury a PLC řízení. Dále pak se prověřuje i adaptivita, měření a regulace. Pak proběhne test funkčních celků, jak je popsáno v bodě 9.4. Je-li vše v pořádku, je možné přistoupit ke spuštění či náběhu systému. Je také testována správnost sledu spouštění stroje. Systém upozorňuje na opomenutí či záměnu sledu, kterou zavinila obsluha. Program také nabízí možnost jak stav opravit.

9.7 Expertní systémy pro technickou diagnostiku 9.7.1 Aplikace principů umělé inteligence (A. I.) Jak bylo ověřeno praxí, není provoz složitých mechatronických strojů či systémů bezporuchový. Jelikož se poruchám nelze vyhnout, je nutno udělat opatření, aby výpadek výroby byl minimální a neohrožoval ekonomiku provozu. Ve složitém systému je velmi obtížné najít příčinu poruchy intuitivním způsobem. Postup hledání musí být algoritmizován. To vede ke stavbě automatizovaných systémů technické diagnostiky. Systém provádí stálé sledování parametrů (vybraných strojů) 273

a vyhodnocuje. Při poruše rozhoduje, co a jak dál. Lokalizuje poruchu a navrhuje postup jejího odstranění. Tento proces je intelektuálně velmi náročný. Vede však k objektivnímu zjištění ve velmi krátkém čase. Jsou zde využívány principy matematické logiky a umělé inteligence. Jsou to například metody prohledávání stavového pole, trénování sítí, fuzzy matematika, extrapolace a aplikace logistických křivek, aplikace majority při rozhodování, tvorbě bází dat a znalostí, systémy komunikace člověk vs. stroj syntetickou řečí. Tyto metody jsou předmětem studia vybraných partií vyšší matematiky, a proto zde nejsou podrobně probírány. Provozovatel těchto systémů nemusí podrobně znát jejich vnitřní výstavbu. V této části je uveden zjednodušený popis použití principu extrapolace, prohledávání stavového pole a naznačena aplikace fuzzy matematiky v expertním systému. Tyto aplikace jsou zabudovány v automatickém systému technické diagnostiky jako celek.

9.7.2 Predikce 9.7.2.1 Sledování parametrů Sledovaný parametr má počáteční hodnotu, která je dána výrobou a montáží (vedení, vůle, ložiska atd.). K určení průběhu-rozvoje parametru je zapotřebí dlouhodobého sledování a vyhodnocení. Tato data nejsou obyčejně k dispozici. Proto vycházíme z určitých předpokladů, které v průběhu činnosti stále zpřesňujeme. Provádíme systematické měření a sběr dat. 9.7.2.2 Kritérium Jsou-li po sobě jdoucí naměřené hodnoty nealternující, pak těmito získanými body proložíme křivku, kterou v prvé aproximaci považujeme za rozvoj sledovaného parametru. Y0 … Y4 … Y5 … Ymax … Ymax … tv … M… S… B…

naměřené hodnoty předpovězené hodnoty maximální přípustná hodnota parametru předpovídaný čas výpadku minulost stroje současnost stroje budoucnost stroje

Obr. 9.15 Rozvoj parametru

y ymax

A … rozvoj parametru horší B … rozvoj parametru normální C … rozvoj parametru lepší

A

B

C

9


Mechatronika

y0 0

t

obr. 9.16 Možné průběhy rozvoje parametru

Rozvoj parametru sledujeme v časových intervalech:

ΔT = t1 – t0 = t2 – t1 = tN – tN-1 274

Expertní systémy pro technickou diagnostiku 9.7.2.3 Matematické řešení Pro výpočet aproximačních křivek v první fázi předpokládáme, že průběh změny parametru je lineární, tj.:

dY = a · Y + b, b = 0 dt Dále bereme v úvahu, že: a) pro vyšetřovaný jev byla stanovena potřebná data z měření konkrétního objektu. b) vývoj veličiny probíhá v čase bez vnějších zásahu (děj je spojitý a vylučuje havárie). c) veličina má počáteční hodnotu danou výrobou a montáží (počáteční podmínky). Pak řešení diferenciální rovnice s přihlédnutím k počátečním podmínkám je:

Y = Y0 . eat 9.7.2.4 Určení koeficientu a aproximační křivky Pro určení koeficientu a je třeba provést řadu měření počínaje Y0 v pravidelných intervalech T. Doporučují se čtyři až pět měření. Pak:

a = s · {a1 … a5} s … střední hodnota

Hodnotami Y0 a a je aproximační křivka určena. 9.7.2.5 Určení času tsig a tv Do rovnice aproximační křivky dosa.díme za Y = Ymax a Y = Ysig . Vypočteme:

Ymax = Y0 . eatv, Ysig = Y0 . eatsig

275

9


Mechatronika

obr. 9.17 Grafické určení tsig a tv

9.7.2.6 Závěr Přesnost předpovědi je závislá na přesnosti měření hodnot Y0, Y2, ... Yn a na předpokladu, že rozvoj parametru pro velká t se příliš nerozchází s predikovaným průběhem. Je nutno dodržet časový interval ΔT a věnovat pozornost přesnosti měření hodnot Y. Změny těchto hodnot na začátku činnosti stroje jsou poměrně malé. Aproximační křivku můžeme upřesnit v další činnosti na základě souboru získaných dat.

9.7.3 Příklad expertního systému Systém je účelný pro složité mechatronické stroje a systémy. Příkladem je bezobslužný stroj. Systém rozlišuje čtyři oblasti poruch, a to: obsluha, program, mechanika a hydraulika, elektro včetně elektroniky. Vylučovací metodou (rozhodování) je závada identifikována v jedné či více těchto oblastech. Uvnitř této oblasti je rozčlenění do skupin dle uzlového členění. Každá skupina je označena indexem. Každému indexu jsou pak přiřazeny další programy. To vytváří stavové pole, které je systematicky prohledáváno. Tak je vyloučen subjektivní přístup opraváře. Je nahrazen algoritmem. Algoritmus v sobě zahrnuje nejlepší zkušenosti a znalosti opravářů, taktéž konstruktérů. Očekává se, že výrobci strojů budou tento program dodávat v základním programovém vybavení. Zvolený postup vychází ze členění strojů na jednotlivé skupiny a uzly. Uvedenému blokovému členění odpovídá výstavba a členění diagnostického expertního systému. Systém je dialogový. Postupně prohledává stavové pole možností, až zavede pracovníka co nejblíže či přímo k poruše. Závěrem dialogu systém nabídne způsob jak závadu odstranit. Jako logický základ je použit rozhodovací blok vývojového diagramu. V první části diagramu je vylučována chyba obsluhy, eventuálně programového vybavení. Strmým postupem je dále rozhodováno, zda je závada v mechanice, hydraulice, pneumatice elektrotechnice či elektronice. Systém je otevřený, aby měl možnost dalšího upřesnění. Úroveň členění je nutno volit tak, aby rozhodování bylo snadné. Po této úrovni pak následuje podrobná identifikace a lokalizace. Systém je nutno vystavět tak, aby procento pravděpodobnosti rychlého vyhledávání závady bylo cca 85–90 %, čas pro nalezení vady 10–15 minut. Je nutno brát v úvahu, že stavové pole je velmi složité a někdy ani některé stavy nepostihneme.

276

Expertní systémy pro technickou diagnostiku SPH

mechatronický stroj ne

chyba

chyba

obsluha

X

chyba

jede

ne

aktivuj program E 31

ručně

aktivuj program E 32

ano

hardware hydro

chyba Y

ano software

Z

E + EL

mechanika

R/AUT AUT aktivuj program E 33

obr. 9.18 Diagram rozhodování

obr. 9.19 Diagram identifikace a lokalizace

9.7.3.1 Expertní systém pro údržbu Tento expertní systém řeší matematické hodnocení stavu stroje a předpověď jeho životnosti na základě vyjádření experta. Pro popis stroje je definována množina lingvistických funkcí. Je používáno tříhodnotového výroku. Pomocí matematické teorie fuzzy množin jsou pak výroky experta převedeny do stavu zpracovatelného na počítači. Systém obsahuje bázi dat a znalostí. Celá metodika má pravděpodobnostní charakter. Při hodnocení se vychází z předpokladu, že stroj, který je v dobrém technickém stavu, má větší pravděpodobnost životnosti. Využívá se schopností člověka, který je schopen popsat své zkušenosti (zákonitosti) slovně. Na tom se postaví lingvistický model. Při sestavování komunikujeme s lidmi, kteří mají obrovské životní zkušenosti s provozem a údržbou strojů, ale nemusejí mít vysoké matematické vzdělání. Tento model je matematickým zpracováním zkušeností odborníka. Je nutno si uvědomit, že žádný formální aparát nemůže vytvořit novou informaci. Ta se dostává do modelu pouze z venku. Je třeba vstupní informaci (větu) matematizovat. To se děje pomocí fuzzy. Další zpracování je již na počítači pro zpracování dat. V praxi je zapotřebí celá řada korekcí, než se dospěje k finální verzi modelu. V množině prohlášení jsou stupně příslušnosti fuzzy množin použitých v prohlášení voleny tak, aby se výsledky systému při reálném zadání shodovaly se zkušenostmi expertů nebo celého týmu. Fuzzy model matematizuje zkušenosti experta tam, kde není naděje na jejich statistický popis. Pro popis stavu stroje používáme slovního vyjádření – lingvistická veličina. Tato vyjádření mohou nabývat různých tvarů (hodnot) a může jich být celá řada. Hodnotíme například zatěžování stroje, hluk,vibrace atd. Tyto hodnotící aspekty tvoří množinu lingvistických funkcí (8–10 hodnot). Jsou to vstupní nezávislé proměnné systému. Výstupem systému je pak výrok o životnosti strojního zařízení (závisle proměnná). Je to doba od zahájení provozu do vyřazení. Udává se řádově v 103 h.

277

9


Mechatronika 9.7.3.2 Skladba systému • Nezávislé proměnné veličiny – lingvistická funkce – například zatížení stroje Z v [KW] Můžeme říci, že čím větší je zátěž v KW, tím menší je pravděpodobná životnost. Čím více – tím méně. Takto vypracuje celou množinu (8–10) funkcí. O zátěži se expert vyjadřuje slovně v tříhodnotové stupnici: V vysoká zátěž S střední zátěž M malá zátěž Uvedený postup aplikujeme pro všechny nezávislé proměnné. Zpracujeme tabulku nezávisle proměnných. Výroky experta jsou tvořeny majoritou 3 ∈ 5, 7 ∈ 10.

• Tabulka závislé proměnné Výrok systému v hodnotách V, S, M, kde hodnoty V, S, M jsou dány bankou dat.

• Dotazy na systém Inspektoři obcházejí a hodnotí stroje. Zpracují tzv. tabulku dotazů, což je vyjádření lingvistických funkcí v hodnotách V, S, M. Ty jsou zavedeny do systému a výsledkem je výrok o životnosti stroje V, S, M. Tým expertů a výroky expertního systému se shodují cca na 90 %.

9.7.4 Moderní metody údržby a technické diagnostiky Tato kapitola pojednává o nových metodách zajištění provozuschopnosti výrobní základny. 9.7.4.1 Preventivní údržba Bylo prokázáno, že nejefektivnější metodou je preventivní údržba. Jasně formulovaný požadavek opravovat jen to, co je zapotřebí a až je to nutné, vyžaduje odpověď na otázky: Co opravovat? Kdy to opravovat? To vyžaduje rozpracování metod bezdemontážní diagnostiky, monitoringu a predikce. 9.7.4.2 Bezdemontážní diagnostika Metody bezdemontážní diagnostiky umožňují měřit parametry stroje za plného provozu i při zastavení, ale bez demontáže. To je základ účinnosti technické diagnostiky (teploty, vibrace, hluk atd.). To umožňuje sledovat stroj jako celek, eventuálně velkoplošné sledování strojů v průmyslovém závodě či aglomeraci. 9.7.4.3 Monitoring Je podmíněn bezdemontážní diagnostikou, rozvojem snímačů a rozvojem měřicí a výpočetní techniky. Je nutno vypracovat metodické pokyny pro měření na jednotlivých strojích (co, kde a jak měřit). Na sledování parametrů přímo navazuje proces přenosu dat. Principy jsou shodné jako u měřicích centrál.

278

Závěr 9.7.4.4 Predikce Údaje zjištěné sledováním strojů se ukládají do banky dat. Pomocí matematických metod (extrapolace) se snažíme předpovědět průběh opotřebení stroje. Cílem je určit okamžik, kdy stroj musíme opravit. Průběh sledovaného parametru je extrapolován soustavou exponenciálních křivek. Vlastní predikce je pak založena na principu lineárního predikátoru. Výchozím bodem jsou čtyři po sobě jdoucí nealternující měření. 9.7.4.5 Expertní systémy Pro hodnocení okamžitého stavu stroje byl vyvinut systém, kde expert hodnotí stav stroje lingvisticky pomocí vícehodnotového výroku. Tím jsou definovány vstupní nezávislé proměnné. V bázi dat systému jsou uloženy číselné hodnoty, které odpovídají vícehodnotovému lingvistickému výroku. Jako matematický aparát používáme teorie fuzzy množin. Báze znalostí obsahuje 128 výroků experta o závislé proměnné. Při sestavování báze znalostí bylo použito majority 3 ∈ 5. Při ověřování se výrok systému kryl z 90 % s výroky skupiny 5 expertů. Systém dává rychlou a přehlednou informaci o stavu výrobní základny. 9.7.4.6 Samoopravitelnost Požadavek na bezobslužnost se z 24 hodin zvyšuje (provoz přes sobotu a neděli). Banální porucha může vyřadit ve 3. směně stroj z provozu. Ukázalo se, že celá řada poruch nemusí vést k okamžitému zastavení stroje. Dále se ukázalo, že celou řadu poruch lze opravit automaticky. Je definována množina opravitelných poruch. Vzniklá porucha se identifikuje tím, zda do této množiny náleží. Oprava je řešena metodou zálohování, rekonfigurací, změnou přenosových funkcí atd. Problém je lépe řešitelný v oblasti řízení než v mechanické části. 9.7.4.7 Umělá inteligence Expertní systémy, samoopravitelnost již obsahují určité prvky umělé inteligence. Aplikace se předpokládá jak na strojích, tak na systémech. Zajištění provozuschopnosti mechatronických strojů a systémů je obtížné v ekonomickém real-time. Při rozpadu systému je třeba výrobu převést na náhradní provoz. I to se snažíme optimalizovat. Je třeba zajišťovat optimální náběh a výběh výroby. Tato činnost se již neobejde bez inteligentních programů.

9.8 Závěr 9.8.1 Zhodnocení současného stavu V současné době dospěl stav vývoje diagnostických systémů až na hranice plné automatizace. Diagnostika využívá instalovaného hardwarového počítačového systému pro vlastní řízení mechatronického stroje. Ten je doplněn o soubor snímačů pro potřebu technické diagnostiky. Využívá se všeho dosaženého pokroku ve vývoji výpočetní techniky. Do diagnostiky pronikají i aplikace principů umělé inteligence a predikce. Řídicí systémy strojů mají rozšířenou paměťovou část, kde je instalován software technické diagnostiky a příslušná banka dat. Současné systémy dokáží identifikovat poruchu a lokalizovat vadnou součást.

279

9.8.2 Směr dalšího vývoje Je to důsledné uplatňování všech nových principů a výsledků výpočetní techniky. Zavádění expertních systémů pro identifikaci a rychlou lokalizaci poruch. Začínají se uplatňovat principy počítačového rozhodování. Tím se otevírá prostor pro stavbu autodiagnostických a samoopravitelných systémů. Budou navrhovány řídicí systémy odolné vůči poruchám. Prostředkem k toleranci poruch je redundance. Je zkoumána možnost rekonfigurace systémů s cílem automatické opravy.

9.9 Použitá literatura [1] BEDNAŘÍK, J. a kol. Technika spolehlivosti v elektronické praxi. Praha: SNTL, 1990. [2] Liška, M. – Sládek, Z. Spolehlivost a diagnostika. Brno: VUT, Fakulta strojní, skripta, 1989. [3] KELČA, F. Technická diagnostika ve výrobních systémech. Doktorská disertační práce. Brno: VUT, Fakulta strojní, 1986. [4] MAIXNER, L. – KOLNIKOVÁ, Z. Spolehlivost automatických výrobních systémů. Praha: SNTL, 1984. [5] Firemní publikace fy. SCHENK. Maschinen Instand Haltung. SRN, 1989. [6] Firemní literatura fy. BRÜEL & KJAER. Dánsko. [7] MAIXNER, L. Navrhování automatických výrobních systémů. Praha: SNTL, 1980.

9


Mechatronika

280

Výuka v průmyslové automatizaci

Výrobní program… …přizpůsobený specifickým potřebám zákazníka. Pohony, ventily, ventilové terminály, instalačně nenáročné spojovací systémy, manipulační a montážní technologii, zařízení na úpravu vzduchu, hadice, vakuovou technologii, senzory a řídicí systémy, stejně jako rozsáhlou řadu vzdělávacích a školicích programů. Výrobky se vyznačují především svou vysokou kvalitou a dlouhou životností. Podsystémy připravené k instalaci Řešení pro potřeby průmyslového odvětví, jako je například automobilový průmysl, elektronika, potravi-

nářský, obalový a zpracovatelský průmysl, stejně jako specializovaná řešení pro regionální trh a individuální zákazníky. Výukové systémy Odborná školení a vzdělávání – semináře, kurzy a poradenství ve 26 jazycích po e-learning a vzdělávací centra na klíč. Více než 30 000 zákazníků po celém světě se účastní didaktických seminářů Festo nebo se vzdělává ve vlastních školicích zařízeních společnosti každým rokem. V České republice semináře probíhají v Praze, Liberci a nově v Kutné Hoře.

Festo, spol. s r. o. Pod Belárií 784 143 00 Praha 4 [email protected] www.festo.cz

Mechatronika. učebnice. Ladislav Maixner a kolektiv

Recommend Documents