Čestmír Serafín

1. Mechatronika a automatizace Čestmír Serafín

2. Obsah • Mechatronika vznik, vývoj a definice. Mechatronická soustava a systém. Charakteristické znaky mechatronického výrobku. Moderní technologie v mechatronice. • Senzory (polohy, teploty, tlaku, rychlosti, průtoku apod.) • Akční členy (elektromechanické, pneumatické, hydraulické) • Řízení mechatronických soustav a automatizace, typy a algoritmy řízení. Přehled řídících systémů. Inteligentní řízení (Fuzzy logika, neuronové sítě) • Spojité lineární řízení ( Laplaceova transformace, přímá a zpětná transformace) • Statické a dynamické vlastnosti regulačních členů, diferenciální rovnice systému a přenos, impulsní funkce a charakteristika, přechodová funkce a charakteristika, frekvenční přenos a frekvenční charakteristika v komplexní rovině. Dopravní zpoždění. • Regulátory – základy, dynamické vlastnosti, konstrukční principy, použití. Stabilita regulačních obvodů, kritéria stability (Hurwitzovo kritérium, Routh-Schurovo kritérium, Michajlov-Leonhardovo kritérium, Nyquistovo kritérium). Nastavení regulátorů metodou Ziegler-Nichols. • Diskrétní řízení, diskrétní regulační obvod, Z – transformace, diferenční rovnice • Číslicové regulátory a stabilita diskrétních obvodů

3. Literatura Mechatronika: • MAIXNER, L. a kol. Mechatronika (učebnice). Brno : ComputerPress, 2006 • VALÁŠEK, M. a kol. Mechatronika, Praha : ČVUT 1995 Automatizace: • MAIXNER, L. a kol. Automatizace, automatizační technika. Díl I až IV. Brno : ComputerPress 2000 • PAVLOVKIN, J. – NOVÁK, D. Automatizácia a robotika. Banska Bystrica : UMB 1996. • BALÁTĚ, J. Vybrané statě z automatického řízení. Brno : VUT 1990. • SCHMID, D. a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Europa – Sobotáles, 2005 • ŠVARC, I. Základy automatizace a regulace. Brno : VUT 1992. • BALÁTĚ, J. - ŠVARC, I. Sbírka řešených příkladů z automatizace. Praha : SNTL 1975.

4. Doplňující literatura • PAVELKA, J. a kol. Elektrické pohony. Praha : ČVUT 1996. • ČERMÁK, T. Elektrické pohony. Ostrava : VŠB 1982. • NEBORÁK, I.- VRÁNA, V. Elektrické pohony-sbírka řešených příkladů. Ostrava : VŠB 1990. • BRANDŠTETTER, P. - NEBORÁK, I. - VRÁNA, V. Elektrické pohony - příklady návrhu logického řízení a simulace. Ostrava : VŠB, 1989. • ČEŘOVSKÝ, Z. - GRIC, R. - PAVELKA, J. Výkonová elektronika. Praha : ČVUT 1996. • ŠULC, B. – VÍTEČKOVÁ, M. Teorie a praxe návrhu regulačních obvodů. Praha ČVUT 2004 • GVOZDJAK, L. - BORŠČ, M. - VITKO, A. Základy kybernetiky. Bratislava : Alfa 1990. • CHVÁLA, B. - MATIČKA, R. - TALÁCKO, J. Průmyslové roboty a manipulátory. Praha : SNTL 1990. • MALEC, Z. Servomechanismy pro robotiku. Brno : VUT 1986. • PAVELKA, J. Cvičení z el.pohonů. Praha : ČVUT 2000. • ZEHULA, K. Čidla robotů. Praha : SNTL 1990.

5. Internetové zdroje • http://www.iautomatizace.cz/ • http://www.e-automatizace.cz/ • http://www.fs.vsb.cz/books/cislicovaregulace/

6. Témata semestrálních prací • Akční členy - Elektromechanické, pneumatické, hydraulické. • Automatizace, vznik, vývoj, historie. • Číslicové regulátory a stabilita diskrétních obvodů. • Diskrétní řízení, diskrétní regulační obvod. - Z transformace, diferenční rovnice. • Inteligentní řízení (Fuzzy logika, neuronové sítě). • Mechatronická soustava a systém. - Charakteristické znaky mechatronického výrobku. • Mechatronika vznik, vývoj, historie. • Moderní technologie v mechatronice. • Přehled řídících systémů. - Typy a algoritmy řízení. • Regulátory - dynamické vlastnosti, konstrukční principy, použití. • Řízení mechatronických soustav. • Senzory - Senzory polohy, teploty, tlaku, rychlosti, průtoku apod. • Spojité lineární řízení - Laplaceova transformace, přímá a zpětná transformace. • Statické a dynamické vlastnosti regulačních členů.

7. Vznik mechatroniky • Výraz „mechatronics“ poprvé použil TetsuroMori, inženýr japonské firmy Yaskawa, v roce 1969. Jedná se o spojení slov „Mechanicalsystems“ a „Electronics“ Ve svém překladu znamená strojnictví a elektroniku. • Integruje poznatky několika inženýrských oborů – mechanika (strojítrenství) , elektrotechnika a informatika. • Cílem je vývoj jednodušších, ekonomičtějších, spolehlivějších a víceúčelových systémů. Důležitou součástí je také nauka o strategii a plánování výroby a metodologii projektování tzv. mechatronických výrobků. • V ČR se pojem mechatronika začal užívat kolem r. 1985.

8. Vývoj mechatroniky Vývoj ve třech obdobích: • ETAPA: vývoj mechatroniky spojen s návrhem a výrobou NC-obráběcích strojů a později s roboty. Je charakterizována strojem s řízeným mechanismem a elektronickými mikroprocesorovými obvody. • ETAPA: koncept mechatroniky se rozšířil a byl úspěšně využit pro návrhy řady výrobků a označoval širší oblast na rozhraní mezi mechanikou a elektronikou. • ETAPA: koncipuje se mechatronika jako vědní obor a současně se aplikuje do praxe.

9. Definicemechatroniky Existuje několik přístupů k definici mechatroniky: • Sinergická integrace strojního inženýrství s elektronikou a inteligentním počítačovým řízením při návrhu a výrobě a procesů. 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, jako je informační technologie a elektromechanický návrh. • Navrhování inteligentních strojů, zde je kladen důraz na typickou vlastnost mechatronických produktů – jistou míru jejich inteligence.

10. Definicemechatroniky • Obecně lze mechatroniku vymezit jako technický vědní obor, zabývající se analýzou, syntézou, výrobou a provozem počítačově řízených a programovatelných mechatronických systémů. • 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.

11. Mechatronická soustava a její komponenty • Mechatronická soustava je řízená elektromechanická soustava s technologickým působením – pracovní zařízení nebo stroj, 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 přitom k transformaci a přenosu jednotlivých druhů energie. Blokové schéma transformace a přenosu energie je na obrázku: i1 i2 Q Elektronický zesilovač Mechanickohydraulický převodník Elektromechanikcý převodník u1 u2 u2 p Blokové schéma transformace a přenosu energie

12. Mechatronický systém a jeho struktura • Mechatronický systém je celek tvořený akčními členy, snímači, mikroelektrickými obvody. Znaky mechatronického systému: • alespoň jeden z podsystémů s přímou energetickou interakcí je mechanický; • Strategie řízení obsahuje koncept odpovídající odezvy na dynamický stav procesu a jeho okolí; • Systém jako celek disponuje jistou mírou inteligence. Mechatronický systém lze charakterizovat: • Interakcí mezi elektronickými, mechanickými, informačními a řídícími podsystémy; • Prostorovou interakcí modulů v rámci jednoho kompaktního (fyzického) bloku;

13. Mechatronický systém a jeho struktura Vyznačuje se: • flexibilní možností modifikace funkcí a struktury při měnících se podmínkách; • existencí „neviditelných funkcí“, realizovatelných softwarově; • stupněm globální inteligence a autonomnosti. Řídící podsystém Akční členy Řízená soustava Řídící podsystém

14. Mechatronický výrobek • Výrobky, které jsou výsledkem postupů podle principů mechatroniky. • Vyznačují použitím pokrokových materiálů, novými technologickými účinky, špičkovými technickými vlastnostmi a účelovou strojovou inteligencí, umožňující jim buď autonomní činnost, nebo racionální včlenění do nadřazeného řídícího systému. Charakteristika mechatronického výrobku: • oproti mechanickým, vykazují určitý stupeň „inteligence“. Jsou programovatelné, • disponují možnostmi: poskytování rad uživatelům, diagnostika vlastních chyb, opravování se pomocí vlastní rekonfigurace, spolupráce s jinými inteligentními stroji.

15. Dělení mechatronických výrobků a) mechanická zařízení s integrovanou elektronikou (vysuté vznášející se systémy, tlumiče vibrací, převodovky, zubové, řetězové a řemenové pohony, třecí nebo elastické spojky) b) přesné přístroje s integrovanou elektronikou (telekomunikační zařízení, předměty spotřební elektroniky, zařízení spravovávající data, senzory a akční členy, přístroje pro medicínu) c) stroje s integrovanou elektronikou (stroje vytvářející energii – vodní, parní nebo plynové turbíny, spalovací motory apod.; stroje spotřebovávající energii – generátory, čerpadla, kompresory, obráběcí stroje, roboty, dopravní prostředky)

16. 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. • Koncepční návrh – je vytvořena základní představa o funkci výrobku. Je provedena studie realizovatelnosti výrobku. Uplatní se návrhová tvořivost. • Konstrukce výrobku a technická příprava výroby – časově nejnáročnější etapa technické přípravy výroby. Základní metodou řešení je tzv. paralelní navrhování. Snahou je, aby všechny potřebné kroky prováděl tým současně. • Výroba výrobku - jde o technologické operace při vlastní výrobě konkrétního výrobku. Důležité je snižování nákladů a řízení kvality. • Použití výrobků – výrobek se dostává na trh. Důležitá je zákazníkova zpětná vazba. • Likvidace výrobku – možnost recyklace původního výrobku

17. Moderní technologie • 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 – MAKROSTROJ, MIKROSTROJ, NANOSTROJ. • Mezi základní technologie mikrostrojů patří technologie mikroobrábění.

18. Moderní technologie

19. Křemíková technologie Často nazývána technologií integrovaných obvodů. Později byla tato metoda použita na miniaturizaci mechanických částí tlakových senzorů a senzorů zrychlení. 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. • Fotorezistor 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 (ChemicalVapourDepositon – CVD)

20. Liga technologie • Lithographie, Galvanoformung, Abformung (Lithography, Electroplating, and Molding) • Je to technologie mikrostrojů, vyvinutá v Jaderném výzkumném centru Karlsruhe v Německu. • Rovnoběžné rentgenové záření ze synchrotronu dopadá na vhodně upravenou šablonu s příslušným vzorem. Šablona je upravena tak, aby na učitých místech – plochách – zabránila pronikání záření. V otevřených plochách masky záření prochází a exponuje ochrannou látku – PMMA rezist. Rezist je potom vyvolán a výsledkem je PMMA forma, použitá na výrobu kovových součástek pomocí elektrolytického pokovování ve vyvolávaných oblastech. • LIGA technologie dále 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).

21. Lirie technologie • Lithography 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. • 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.

22. Technologie obrábění paprskem • Je to metoda lokálního obrábění, kde je plocha materiálu ozářena pomocí energetického paprsku světla, elektronů nebo iontů. • Představuje kombinaci eletrojiskrového obrábění a fotoformování. • Paprskové obrábění lze např. využít i při výrobě otvorů – křemíkový plátek (wafer), umístěný v reaktivní plynné atmosféře, je exponován laserovým paprskem na vynucení lokálního růstu křemíkových krystalů, které tak tvoří 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.