Co to jest mechatronika, elementy, moduły, maszyny i systemy mechatroniczne

Słowo „mechatronika” składa się z dwóch słów – „mechanika” i „elektronika”. Termin ten został zaproponowany w 1969 roku przez starszego programistę w firmie Yaskawa Electric, Japończyka o nazwisku Tetsuro Mori. W XX wieku firma Yaskawa Electric specjalizowała się w rozwoju i ulepszaniu napędów elektrycznych i silników prądu stałego, dzięki czemu odniosła wielki sukces w tym kierunku, na przykład opracowano tam pierwszy silnik prądu stałego ze zworą tarczową.

Następnie nastąpił rozwój dotyczący pierwszych sprzętowych systemów CNC. A w 1972 roku zarejestrowano tutaj markę Mechatronics. Firma szybko poczyniła duże postępy w rozwoju technologii napędu elektrycznego. Firma zdecydowała się później zrezygnować ze słowa „Mechatronika” jako znaku towarowego, ponieważ termin ten był szeroko stosowany zarówno w Japonii, jak i na całym świecie.

W każdym razie Japonia jest domem dla najbardziej aktywnego rozwoju takiego podejścia w technologii, kiedy konieczne stało się połączenie elementów mechanicznych, maszyn elektrycznych, energoelektroniki, mikroprocesorów i oprogramowania w celu wdrożenia precyzyjnego sterowania napędem elektrycznym.

Powszechnym symbolem graficznym dla mechatroniki jest schemat ze strony internetowej RPI (Rensselaer Polytechnic Institute, NY, USA):

Mechatronika to jedna z najnowszych dziedzin inżynierii na świecie, która według UNESCO jest jedną z dziesięciu najbardziej obiecujących i poszukiwanych.

Ogólnie rzecz biorąc, termin „mechatronika” można zdefiniować następująco — jest to dziedzina nauki i techniki oparta na systematycznym zestawieniu jednostek mechaniki precyzyjnej, elektrotechniki, elektroniki, techniki mikroprocesorowej, różnych źródeł zasilania, elektryki, hydrauliki i napędów pneumatycznych, a także ich inteligentnego sterowania, ukierunkowanych na tworzenie i obsługę bloków nowoczesnych zautomatyzowanych systemów produkcyjnych.

Mechatronika to skomputeryzowane sterowanie ruchem.

Celem mechatroniki jest tworzenie jakościowo nowych modułów ruchu, mechatronicznych modułów ruchu, inteligentnych modułów mechatronicznych i na ich podstawie poruszanie inteligentnych maszyn i systemów.

Mechatronika historycznie wyewoluowała z elektromechaniki i opierając się na jej osiągnięciach poszła dalej, systematycznie łącząc układy elektromechaniczne z komputerowymi urządzeniami sterującymi, wbudowanymi czujnikami i interfejsami.

Schemat układu mechatronicznego

Uogólniona struktura systemów mechatronicznych

Elementy elektroniczne, cyfrowe, mechaniczne, elektryczne, hydrauliczne, pneumatyczne i informacyjne — mogą być częścią systemu mechatronicznego, jako początkowo elementy o innym charakterze fizycznym, jednak łączone razem w celu uzyskania jakościowo nowego wyniku systemu, którego nie można osiągnąć przez każdy element jak przez osobnego wykonawcę.

Oddzielny silniczek wrzeciona sam nie będzie w stanie wysunąć tacy odtwarzacza DVD, ale pod kontrolą układu z oprogramowaniem mikrokontrolera i odpowiednio połączonego z przekładnią ślimakową wszystko ułoży się bez problemu i będzie wyglądać jak prosty monolityczny układ. Jednak pomimo zewnętrznej prostoty system mechatroniczny z definicji obejmuje kilka jednostek i modułów mechatronicznych połączonych ze sobą i współpracujących ze sobą w celu wykonywania określonych czynności funkcjonalnych w celu rozwiązania określonego zadania.

Moduł mechatroniczny jest samodzielnym produktem (konstrukcyjnie i funkcjonalnie) przeznaczonym do wykonywania ruchów z przenikaniem się i jednoczesną celową integracją sprzętową i programową jego komponentów.

Typowy system mechatroniczny składa się z połączonych ze sobą elementów elektromechanicznych i zasilających, które z kolei są sterowane przez komputer lub mikrokontrolery.

Projektując i budując taki system mechatroniczny, starają się unikać zbędnych węzłów i interfejsów, starają się, aby wszystko było zwięzłe i możliwie bezproblemowe, nie tylko w celu poprawy charakterystyki masowo-gabarytowej urządzenia, ale także w celu zwiększenia niezawodności systemu ogólnie.

Czasami inżynierom nie jest łatwo, zmuszeni są do znajdowania bardzo nietypowych rozwiązań właśnie ze względu na fakt, że różne jednostki znajdują się w różnych warunkach pracy, robiąc zupełnie inne rzeczy. Na przykład w niektórych miejscach tradycyjne łożysko nie będzie działać i zostanie zastąpione zawieszeniem elektromagnetycznym (ma to miejsce zwłaszcza w turbinach tłoczących gaz rurami, ponieważ konwencjonalne łożysko szybko uległoby awarii z powodu wnikania gazu do jego lubrykant).

W taki czy inny sposób mechatronika przeniknęła dziś do wszystkiego, od urządzeń gospodarstwa domowego po robotykę budowlaną, broń i lotnictwo. Wszystkie maszyny CNC, dyski twarde, elektrozamki, system ABS w Twoim samochodzie itp. — wszędzie mechatronika jest nie tylko przydatna, ale i konieczna. Obecnie rzadko można znaleźć sterowanie ręczne, wszystko sprowadza się do tego, że nacisnąłeś przycisk bez fiksacji lub po prostu dotknąłeś czujnika - masz wynik - to chyba najbardziej prymitywny przykład dzisiejszej mechatroniki.

Schemat hierarchii poziomów integracji w mechatronice

Pierwszy poziom integracji tworzą urządzenia mechatroniczne i ich elementy. Drugi poziom integracji tworzą zintegrowane moduły mechatroniczne. Trzeci poziom integracji tworzą maszyny mechatroniczne. Czwarty poziom integracji tworzą zespoły maszyn mechatronicznych. Piąty poziom integracji tworzy się na jednej platformie integracyjnej kompleksów maszyn mechatronicznych i robotów, co implikuje tworzenie rekonfigurowalnych elastycznych systemów produkcyjnych.

Obecnie moduły i systemy mechatroniczne są szeroko stosowane w następujących obszarach:

• urządzenia budowy maszyn i automatyki, procesy technologiczne w budowie maszyn;

• robotyka przemysłowa i specjalna;

• technologia lotnicza i kosmiczna;

• sprzęt wojskowy, pojazdy dla policji i służb specjalnych;

• sprzęt do inżynierii elektronicznej i szybkiego prototypowania;

• przemysł motoryzacyjny (moduły napędowe kół silnikowych, przeciwblokujące hamulce, automatyczne skrzynie biegów, automatyczne systemy parkowania);

• pojazdy nietradycyjne (samochody elektryczne, rowery elektryczne, wózki inwalidzkie);

• sprzęt biurowy (np. kserokopiarki i faksy);

• komputerowe urządzenia peryferyjne (np. drukarki, plotery, napędy CD-ROM);

• sprzęt medyczny i sportowy (protezy bioelektryczne i egzoszkieletowe dla osób niepełnosprawnych, trenażery tonizujące, sterowane kapsuły diagnostyczne, masażery itp.);

• sprzęt AGD (pranie, szycie, zmywarki, niezależne odkurzacze);

• mikromaszyny (dla medycyny, biotechnologii, komunikacji i telekomunikacji);

• urządzenia i maszyny kontrolno-pomiarowe;

• wyposażenie wind i magazynów, drzwi automatyczne w hotelach i na lotniskach; sprzęt fotograficzny i wideo (odtwarzacze wideo, urządzenia do ogniskowania kamer wideo);

• symulatory do szkolenia operatorów złożonych systemów technicznych i pilotów;

• transport kolejowy (systemy sterowania i stabilizacji pociągu);

• inteligentne maszyny dla przemysłu spożywczego, mięsnego i mleczarskiego;

• maszyny drukarskie;

• inteligentne urządzenia dla branży widowiskowej, atrakcje.

W związku z tym rośnie zapotrzebowanie na personel z technologiami mechatronicznymi.