Mechatronika _i projektowanie Gawrysiak 1997_.pdf

Marek Gawrysiak

Mechatronika

projektowanie mechatroniczne

Wprowadzenie

Białystok 1997

Wydanie publikacji dofinansowane

przez Komitet Badań Naukowych

R e c e n z e n c i :

prof. nadzw. dr hab. inż. Bogdan Branowski

prof. nadzw. dr hab. inż. Tadeusz Uhl

Opracowanie redakcyjne – Jadwiga Żukowska

Skład komputerowy i rysunki – Marek Gawrysiak

Korekta – Marek Gawrysiak

ISSN 0867–096X

Drukowano w Dziale Wydawnictw i Poligrafii Politechniki Białostockiej. Nakład 500 egz. Ark. wyd.

7,0. Ark. druk. 8,0. Format B5. Oddano do druku we wrześniu 1997 roku. Druk ukończono

w październiku 1997 roku. Zam. 101/97.

Przedmowa

Bezprecedensowy rozwój techniki mikroprocesorowej doprowadził do nowego

spojrzenia na procesy przepływu informacji w maszynach. Zalety mikroprocesora

– olbrzymie możliwości obliczeniowe, łatwość programowania, miniaturowe roz-

miary, coraz niższa cena – spowodowały, że zaczęto go wykorzystywać do stero-

wania maszyn. Tak narodziła się mechatronika – interdyscyplinarny obszar nauk

technicznych, próbujący zintegrować mechanikę, budowę maszyn, automatykę,

elektrotechnikę, elektronikę i technikę komputerową. Dziś trudno sobie wyobrazić

nowoczesną maszynę bez mikroprocesora. Stał się on standardowym elementem

maszyny, takim jak łożysko, sprzęgło, przekładnia itp.

Mechatronika pokazuje jak integrować klasyczne urządzenia mechaniczne ze ste-

rowaniami mikroprocesorowymi (komputerowymi). Zajmuje się badaniem i

rozwojem nowych zintegrowanych systemów mechaniczno-elektronicznych, które

wykazują się pewnym stopniem „inteligencji”, polegającej przede wszystkim na

samodzielności podejmowania decyzji. Układ (system) mechatroniczny jest

w stanie – za pomocą czujników (sensorów) – odbierać ze swego otoczenia

sygnały; przetwarzać je za pomocą mikroprocesora i, na tej podstawie, reagować –

za pomocą elementów wykonawczych (aktorów) – odpowiednio do sytuacji. Przez

to jest elastyczny i może być stosowany w różnorodnych zadaniach. Chodzi więc

o programowalne urządzenia i systemy mechaniczne z sensoryką, aktoryką i ko-

munikacją.

Podstawowym celem mechatroniki jest optymalne sterowanie ruchem urządzeń

mechanicznych. Osiąga się to przez: (1) fizyczne integrowanie mikroelektroniki

z częściami mechanicznymi oraz (2) podział urządzenia na moduły, które realizują

funkcje częściowe. Mechatronika oferuje konstruktorom nowy sposób realizacji

tych modułów: nie muszą one mieć tradycyjnej postaci mechanicznej, lecz mogą

być rozwiązaniem mechatronicznym – z sensorami, aktorami i sterowaniem mikro-

procesorowym.

Skąd się wzięła ta monografia?

U źródeł tej monografii legła potrzeba unowocześnienia kształcenia na wydziałach

mechanicznych wyższych szkół technicznych. Potrzeba ta przed pięcioma laty była

jednym z powodów zaangażowania się autora w utworzenie kierunku studiów „au-

tomatyka i robotyka” na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. Do-

prowadziło to do „odkrycia” mechatroniki i zainteresowania się nią jako jedną z

najważniejszych dróg rozwoju techniki nowoczesnych maszyn. Monografia ta jest

efektem paroletniego studiowania literatury robotycznej i mechatronicznej, a także

pierwszych prób wprowadzenia aspektów mechatronicznych do dydaktyki budowy

maszyn i prac badawczych. Nie bez znaczenia był tu udział autora w międzynaro-

dowych konferencjach poświęconych metodycznym zagadnieniom konstruowania

maszyn (ICED'91, '93, '95) oraz miesięczny staż w Loughborough University of

Technology (jedno z angielskich centrów kształcenia mechatronicznego), odbyty w

1995 roku w ramach indywidualnego grantu programu TEMPUS.

Czym jest ta monografia?

Jest to wprowadzenie w nowy, interdyscyplinarny obszar nauk technicznych, a nie

systematyczne przedstawienie jego podstaw. Wprowadzać w mechatronikę można

różnie. Niekoniecznie trzeba zaczynać od jej postaw teoretycznych: mechaniki

teoretycznej, teorii obwodów i teorii sterowania. Można zaczynać od okoliczności

w jakich mechatronika powstała, od jej praktycznych zastosowań, korzyści z tego

wynikających, czy od nietypowych rozwiązań konstrukcyjnych. Ta druga droga

jest zwykle ciekawsza, bardziej zachęcająca do poznania. I na tej ciekawości po-

znawczej, której z reguły nie ma systematyczne przedstawianie podstaw, polega

właśnie istota wprowadzenia. Nie oznacza to wcale, że autor nie omawia podsta-

wowej wiedzy mechatronicznej. Oznacza tylko, że celem tej monografii jest: po

pierwsze – w miarę przystępne zapoznanie czytelnika z pojęciem i istotą mechatro-

niki, oraz z tym, co można nazwać podejściem mechatronicznym w projektowaniu

i konstruowaniu maszyn; po drugie zaś – zachęcenie do stosowania tego podejścia.

Czy autorowi się to udało, osądzi czytelnik.

Dla kogo przeznaczone jest ta monografia?

Przede wszystkim dla studentów wyższych lat wydziałów mechanicznych; szcze-

gólnie tych, którzy specjalizują się w konstrukcji maszyn. Drugą grupą adresatów

są nauczyciele akademiccy i oczywiście konstruktorzy we wszystkich branżach

przemysłu, którzy pragną poznać bliżej istotę działania i projektowania nowocze-

snych maszyn.

Co jest w tej monografii i w jaki sposób jest to przedstawiane?

Monografia składa się z siedmiu rozdziałów. W pierwszym próbujemy odpowie-

dzieć na pytanie: dlaczego mechatronika? W drugim pokażemy istotę podejścia

mechatronicznego i wynikającą stąd ogólną strukturę urządzenia mechatroniczne-

go. Kolejne rozdziały poświęcone są właśnie tej strukturze, jej analizie (elemen-

tom) i syntezie (projektowaniu i konstruowaniu). I tak rozdział trzeci poświęcony

jest sensoryce, czwarty aktoryce, piąty napędowi mechatronicznemu a szósty –

największy – projektowaniu mechatronicznemu. Rozdział siódmy jest podsumo-

waniem całości opracowania.

Zakres i forma przedstawienia treści charakteryzuje się następującymi cechami:

• Jest podporządkowana podstawowym zasadom dydaktycznym przystępności

i stopniowania trudności: od znanego do nieznanego, od bliskiego do dalekiego, od

konkretnego do abstrakcyjnego. Ponieważ jest to opracowanie skierowane do me-

chaników, zasady te należy rozumieć jako: od klasycznego rozwiązania mecha-

nicznego do rozwiązania mechatronicznego. Dotyczy to szczególnie drugiego roz-

działu, poświeconego istocie podejścia mechatronicznego. Każdy rozdział – oprócz

pierwszego, wprowadzającego – zaczyna się krótkim wprowadzeniem a kończy

podsumowaniem.

• Podstawowe rozdziały odpowiadają najważniejszym elementom mechatronicz-

nym, bezpośrednio sąsiadującym z klasycznymi elementami maszyn, oraz związa-

nymi z nimi zagadnieniom (sensoryka, aktoryka, napęd mechatroniczny, metodyka

projektowania).

• Zagadnienia bezpośrednio związane z techniką mikroprocesorową są potrakto-

wane na tyle szeroko, na ile było to konieczne z punktu widzenia sensoryki i akto-

ryki.

Monografia ta dotyczy różnych dyscyplin nauk technicznych. Specjalistów z za-

kresu tych dyscyplin chciałbym prosić o wyrozumiałość, gdy napotkają pojęcia lub

uproszczenia odbiegające od kanonów ich dyscypliny. Wytłumaczeniem może być

to, że różnorodne materiały, z których korzystałem podczas opracowywania poniż-

szego tekstu, nie były często materiałami źródłowymi, ale interpretacjami mający-

mi na celu pobudzić przedstawiciela innej dyscypliny do własnego spojrzenia na

nowe zagadnienie, co zresztą miało miejsce w moim przypadku. W tym miejscu

chciałbym podziękować recenzentom za krytykę i bardzo cenne uwagi. Ich

uwzględnienie podniosło niewątpliwie wartość pierwotnej wersji opracowania.

Będę bardzo wdzięczny za wszelkie uwagi krytyczne, dotyczące tej monografii.

Marek Gawrysiak

Białystok, w czerwcu 1997

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: