MehatronikaCiljevi Kolegija:

1. Sinteza znanja mikroelektronike, mehanike I novih računalnih tehnika upravljanja

2. Stjecanje znanja o transmisiji tj. prijenosu mehaničke energije

3. Stjecanje znanja o industrijskoj mobilnoj robotici i njihovim arhitekturama

4. Primjene mehatroničkih sustava

5. Analiza i modeliranje mehatroničkih sustava

Sadržaj predavanja-Uvod u mehatroniku

-Definicija mehatronike i mehatroničkih sustava

-Blok shema mehatroničkih sustava

-Primjeri mehatroničkih sustava

Definicija MehatronikeMehatronika je multidisciplinarno područje znanosti koja uključuje:

1. Mehaniku

2. Elektroniku

3. Automatiku

4. Računarstvo i računalne algoritme

5. Telekomunikacije

Mehatronika objedinjuje ovih 5 područja znanosti te se ova definicija mijenja kako mehatronički sustavi postaju sve kompleksniji.

Definicija MehatronikeOrginalno riječ mehatronika potiče iz tvrtke “Yasakawa Electric Company”. Yasakawa definira

mehatroniku na slijedeći način:◦ mehatronika je složenica dvije riječi: „mehanika” i „elektronika”. Kod mehatroničkih uređaja je mehanika

i elektronika integrirana na takav način da je nemoguće reći gdje počinje mehanika i gdje prestaje elektronika

s razvojem tehnologije ova definicija je proširena na slijedeći način (Harashima, Tomizuka iFukada,1996):

◦ mehatronika je je sinergijska integracija mehanike sa elektronikom kombinirana sa inteligentnim upravljanjem

jedna od definicija mehatronike jest (Shetty and Kolk, 1997): ◦ mehatronika je metodologija koja se koristi za optimalni dizajn mehatroničkih proizvoda

Definicija MehatronikeJedna od nedavnih definicija mehatronike jest (Bolton):

◦ Mehatronika nije samo objedinjavanje mehanike i elektronike te mehatronika nije samo upravljački sistem. To je zapravo kompletna integracija svih ovih elemenata

Sve ove definicije mehatronike su točne ali nijedna od navedenih definicija mehatronike ne obuhvaća cjelinu mehatronike.

Upravo taj nedostatak konsenzusa što je to točno mehatronika govori da je područje mehatronike relativno mlado područje koje objedinjuje različite grane inžinjerstva

Činjenica da je mehatronika mlado područje, mehatroniku čini interesantnim i vibrantnim područjem djelovanja. Konferencije i članci o mehatronici se objavljuju na dnevnoj bazi.

Mehatronika se može shvatitit više kao način djelovanja i života modernog inžinjera

Primjene Mehatronike-inteligentni uređaji široke potrošnje, kućni sistemi dojavljivanja i detekcije požara i provala, perilice posuđa i odjeće, klime, itd..

-medicina: različiti implanti, robotski potpomognuta kirurgija

-naoružanje: daljinski upravljana kopnena i podvodna vozila. Bezpilotne letjelice, rakete, sustavi upravljanja vatrom

-industrija: različiti roboti za sastavljanje uređaja, primjer-roboti u automobilskoj industriji

-auto-industrija: klime, ABS, aktivni ovjes, cruise control, airbagovi, sustavi sa injektiranje goriva

-distribuirani sustavi: tele-robotika, sustavi automatske naplate na autoputu

Elementi MehatronikeProučavanje mehatroničkih sustava se može podijeliti na specijalnosti:

1. Modeliranje fizikalnih sistema

2. Senzori i Aktuatori

3. Signali i Sistemi

4. Računala i logički sistemi

5. Software i algoritmi

6. Akvizicija podataka

Elementi Mehatronike-Blok Dijagram mehatroničkih sustava

Povijest Mehatronike i Automatizacije-Automatizacija procesa ima dugu i interesantnu povijest

-Riječ „automatika” potiče iz 1940 kada je tvrtka Ford Motor Company smislila riječ za proces automatskog premiještanja poludovršenog proizvoda sa jedne proizvodne trake na drugu

-Najraniji pokušaj automatizacije datira još iz stare Grčke i to 300 god. prije nove ere.

-Ova vrsta regulatora drži nivo vode konstantnim te

se koristio za vodene satove

-Po istom principu rade i današnji vodokotlići u WC-ima,

drže nivo vode u vodokotliću konstantnim

Povijest Methatronike i AutomatizacijeWattov regulator brzine (1769). Za regulaciju dotoka pare u parni stroj koristi se rotirajući

Senzor

- svrha senzora je da drži brzinu vrtnje

konstantnom

- kako se brzina vrtnje povećava, rotirajuće

kuglice se pomiču put gore opirući se sili

gravitacije i pri tome smanjuju dotok pare

Povijest Mehatronike i Automatizacije-do uspješnih ranih automatizacija je došlo kroz praktična znanja i iskustva te uz pomoć inžinjerske intuicije

-Michael Faraday je 1830 opisao elektromagnetsku indukciju posljedica čega je otkriće dinama

-Kasnih 1880 Nikola Tesla je izumio AC indukcijski motor

-pneumatski elementi iz 1930-ih su nadalje unaprijedili automatizaciju. Automatika kao inžinjerska disciplina je još uvijek bila na nivou pokušaja i pogreške te inžinjerske intuicije

-Tek 1940-ih je automatika postavljena kao znanost zbog napretka matematike i analitičkih metoda u automatici

-Ratni napori u drugom svjetskom ratu su doveli do rapidnog razvoja automatike zbog utrke u naoružanju. Napori da se razviju autopiloti (za avione), sustavi za pozicioniranje topova sustavi za upravljanje radarskim antenama doprinjeli su rapidnom razvoju automatike

Povijest Mehatronike i Automatike-Tehnike kao što su Laplaceova transformacija te tehnike u tzv. s-domeni dominiraju kod dizajna automatičarskih sistema (frekventna domena)

- razvoj mikroprocesora 1960-ih je doveo do prvih NC (numerically controlled) strojeva

- razvoj raketnih sustava te lansiranje satelita poticao je razvoj sustava za preciznu elektromehaničku kontrolu

- uporedo se i razvijaju time-domain metode za dizajn automatskih sustava

- razvoj teorije optimalnog upravljanja nadalje povećava unčinkovitost automatski sustava

- nadalje razvoj računala i programskih jezika kao što je Fortran,Pascal,C, C++ te danas Python olakšava razvoj sustava automatske kontrole i primjenu matematičkih teorija i modela na automatizacijske sustave

Svakodnevni Primjeri Primjene MehatronikeNeki od novijih primjera upotrebe mehatronike u svakodnevnom životu su:

-automatsko otvaranje i zatvaranje garažnih vrata

-automatska pokretna vrata, primjerice kod supermarketa

-ABS kod automobila – to je sustav koji onemogućava proklizavanje kotača prilikom kočenja (uvijek omogućava vrtnju kotača)

-liftovi i eskalatori. Oba primjera obuhvaćaju korištenje senzora te složenih sustava automatske regulacije.

-bijela tehinika – većina bijele tehnike podrazumijeva mikrokontrolerom upravljani proces (npr. perilice za rublje, strojevi za pranje posuđa) koji uključuje i mehaničke komponente i senzore.

-skeneri BAR koda. Laserskom zrakom se upravlja pomoću rotirajuće prizme. Fotodioda mjeri intezitet reflektiranog zračenja te mikroprocesor interpretira to zračenje i pretvara ga u bar kod.

Definicija Mehantronike (2)-Mehatronika, izraz skovan u Japanu 1970-ih je u zadnjih 40 god. doveo do cijelog raspona inteligentnih proizvoda

-Mehatroniku se može promatrati kao na prirodnu fazu evolucije procesa dizajna inteligentnih proizvoda

-Definicija koja bi obuhvatila sve aspekte mehatronike ne postoji

-Mehatroniku treba shvatiti kao sinergiju i integraciju inžinjerskih grana kao što je mehanika, elektronika, automatika i računarstvo

-U budućnosti se može očekivati da će razvoj novih mikroprocesorskih arhitektura te MEMS aktuatora i senzora dovesti do novog napretka na području mehatroničkih sustava

Primjer Automatskog održavanja udaljenosti između Automobila u prometu-Sistem automatske regulacije relativne brzine te udaljenosti između vozila (Suzuki et. al)

-Vozač postavlja brzinu te udaljenost između vozila

-koristi se radar valne duljine reda milimetra za preciznije mjerenje udaljenosti i relativne brzine

Primjer Mehatroničkog Sistema hlađenja/grijanja

Primjer MEMS mehatroničkog sustava ADIS61360 (Analog Devices)MEMS – Mikroelektromehanički sustav

-inercijski senzor sa 6 stupnjeva slobode

-sastoji se od trosnog rate-gyro žiroskopa

i od trosnog akcelerometra

-sadrži i temperaturni senzor za

kompenzaciju

-jedna od primjena je za projektiranje

inercijskog navigacijskog senzora (INS)

koji se koristi na brodu

Elektrostatski mikrofonElektrostatski mikrofon je prijenosnik (eng. transducer) ili senzor koji pretvara zvučne valove u električne signale.

Sastoji se od elastične membrane koja se savija pred nadolazećim zvučnim valovima te se tako mijenja kapacitivnost senzora.

Elektrostatski mikrofon - nadomjesna shema

Senzorski krug sastoji se od otpornika R koji je spojen na naponski izvor E0. Varijacija kapacitivnosti mikrofona mjeri se promjenom struje i(t) koja teče kroz strujni krug.

Naboj na kapacitetu C(x(t)) mikrofona se može u bilo kojem trenutku opisati pomoću jednadžbe:

Kapacitet elektrostatskog mikrofona ovisi o trenutnom i početnom položaju membrane:

Elektrostatski mikrofon - parametri nadomjesne shemeParametri modela na nadomjesnoj shemi elektrostatskog mikrofona su:

x0 - nominalna udaljenost između ploča kondenzatora u mirovanju

C0 - nominalni kapacitet elektrostatskog mikrofona kada su ploče u mirovanju

m - masa membrane

x(t) - udaljenost ploča kada je membrana u gibanju

k i β - su mehaničke konstante koje uzimaju u obzir elasticitet membrane i otpor trenja

q0 - nominalni naboj na kondenzatoru u mirovanju

Elektrostatska sila između dvije nabijene ploče

Energija sadržana u elektrostatskom polju kondenzatora data je izrazom:

(1) 𝑈𝐸 =1

2𝐶 ∆𝑉 2 =

1

2

𝜖0𝐴

𝑑(𝐸𝑑)2=

1

2𝜖0𝐸

2(𝐴𝑑)

S druge strane energija 𝑈𝐸 se može izraziti kao sila na putu:

(2) 𝑈𝐸 = 𝐹𝑑

Kombinirajući dva gornja izraza dobije se izraz za silu među pločama kondenzatora:

(3) 𝐹 =1

2𝜖0𝐸

2𝐴

Elektrostatska sila između dvije nabijene ploče kondenzatoraElektrično polje između ploča kondenzatora može se izraziti kao:

(4) 𝐸 =𝜎

𝜖0

Gdje je σ površinska gustoća naboja na pločama kondenzatora dana izrazom:

(5) 𝜎 =𝑄

𝐴

Uvrštavajući izraz (5) u (4) te uzimajući u obzir da je 𝑄 = 𝐶𝑉 dobije se:

(6) 𝐸 =𝐶 𝑉

𝜖0𝐴

Ako uvrstimo (6) u (3) dobijemo izraz za silu između ploča kondenzatora u ovisnosti o kapacitetu, naponu te površini ploča:

(7) 𝐹 =1

2

𝐶2𝑉2

𝜖0𝐴

Elektrostatski mikrofon - Sila na Membranu i NaponGeneralno, sila na membranu elektrostatskog mikrofona je dana pomoću izraza:

Derivirajući po parametru x0 dobije se:

Konačno napon na elektrostatskom mikrofonu dat je izrazom:

MEMS - Elektrokapacitivni MikrofonMEMS - ( Micro Electromechanical System )

Prednosti MEMS elektrokapacitivnih mikrofona su:

•osjetljivost

•minijaturni senzor

•masovna proizvodnja

•lakoća integracije na štampanu pločicu

•dugotrajnost

•stabilnost karakteristika

MEMS - Elektrokapacitivni Mikrofon

Sastoji se od fleksibilne aluminijske dijafragme, postolja (eng. anchor) od silicijeva dioksida koji ujedno služi za izolaciju, te substrata koji predstavlja ujedno i elektrodu.

Aluminijska dijafragma je rupičaste strukture da omogući neometanu cirkulaciju zraka između elektrode i dijafragme i time smanjuje faktor prigušenja (damping factor)

Mars Rover-Curiosity-Složeni Mehatronički Sustav-MastCam – mast camera

instrument

-ChemCam – Chemistry and

camera instrument

-RAD radiation assesment

instrument

-CheMin chemistry and

Mineralogy instrument

-SAM – sample analysis

instrument

-MARDI – mars descent imager

instrument

Elementi Mehatroničkih Sustava -Aktuatori-Permanent magnet (PM) DC servomotori

-DC servomotori sa četkicama

-DC servomotori bez četkica

-Linearni servomotori

-Step motori

-Permanent magnet (PM) step motori

-Piezoelektromagntski aktuatori

Elementi Mehatroničkih sustava –Mehanički Prijenosnici-osovine i vratila

-kuglični ležajevi

-zupčanici i prjenosi

-remenski prijenos

-lančani prijenosnici

-vijčani prijenosnici

-polužni prijenosnici

Elementi Mehatroničkih Sustava-Senzori-LVDT – linear variable differential transformer (linear position measurements)

-Optički enkoder

-Hall efekt sensori (proximity switching, positioning, speed detection, and current sensing applications)

-Magnetorestriktivni senzori (sila, zakretni moment)

-Kapacitivni senzori (proximity, position, displacement, fluid level, acceleration…)

-Piezoelektrični akcelerometri

-Žiroskopi (rate gyro)

-Piezoelectric load cells (precizno mjerenje sile)

-Termistori (mjerenje temperature)

-Thermocouples

-Induktivni senzori (proximity measurements)

-Photoresistors, photodiodes

Elementi Mehatroničkih Sustava –Električni Sklopovi-sumirajuća pojačala

-neinvertirajuća pojačala

-diferencijalna pojačala

-instrumentacijsko pojačalo

-filtri (low-pass, high-pass, band-pass and band-stop filtri)

-ADC

-DAC

-Multiplexeri

-Sklopovi za galvansku izolaciju (transformatori i optocoupleri)

Elementi Mehatroničkih Sustava – Teorija Automatizacije-open loop control (step motori)

-closed loop control / feedback

-PID kontroleri

-internal model control

-bodeovi dijagrami

-fuzzy logic

Elementi Mehatroničkih Sustava –Mikrokontroleri i Mikroračunala-Mikrokontroleri bazirani na MCS51 te arduino

-DSP

-ARM mikrokontroleri

-ARM Cortex M4 i M7 serija

-DMA Prijenos podataka

-Komunikacijski protokoli među integriranim krugovima – I2C, I2S, SPI

-Komunikacijski protokoli LAN (TCP/IP, UDP), USB, RS232, RS485, Bluetooth

-Flash Memorije

-RAM Memorije

-SD Card

Elementi Mehatroničkih Sustava –Programski Jezici i Algoritmi-Znanje programskih jezika C i C++

-Python je moderni programski jezik koji se koristi za rapidni razvoj uređaja

-Podaktovne strukture (liste, stabla, mreže)

-Algoritmi – sortiranja, mreže, analiza slike, korisnička sučelja itd…

-Poželjno poznavanje C++ template sintakse

-STL (standard template library) – potpomaže rapidni razvoj mehatroničkih uređaja

-fuzzy logic algoritmi

-neuronske mreže/algoritmi za strojno učenje

-fuzijski algoritmi - (Central Limit Theorem, Kalman filter, Bayesian Networks, Dempster-Shafter)

-numeričke računalne simulacije - (elektromagnetske, akustične,mehaničke, rubni elementi, FEM)

CAE i Numeričko ModeliranjeCAE - (Computer Aided Engineering) omogućava olakšano modeliranje mehatroničkih sustava

CAE omogućava modificiranje geometrije po želji, modificiranje fizikalnih parametera te proučavanje efekata promjena odmah bez da se fizički izgradi mehatronički sustav

Područje koje je danas u nastajanju je automatska optimizacija geometrije i fizikalnih parametara u svrhu optimiziranja mehatroničkih aktuatora i senzora

Nadalje, numeričke simulacije u mehatronici omogućavaju variranje i modeliranje fizikalnih parametara koji se ne mogu mjeriti te se tako može dobiti bolji uvid u funkcioniranje fizikalnog sistema.

Pristup mehatronici pomoću CAE smanjuje broj potrebnih prototipova kod izrade uređaja

Treba imati u vidu da npr. eksperimentalna kontrola prijenosnika sile je moguća samo pomoću eksperimentiranja te uz korištenje opreme za mjerenje dok se računalna simulacija uvijek zasniva na modelu fizikalne realnosti.

CAE u mehatronici je mlado područje staro tek nekoliko godina jer tek od nedavno CAE simulacije omogućuju korištenje multi-fizikalnih modela

Multifizikalno Numeričko Modeliranje Zvučnika

Kompleksnost multifizikalnih modela je osnovni razlog zašto je multifizikalno modeliranje mlada znanost

Zvučnik je mehatronički uređaj koji pretvara elektroničke signale u mehaničke i akustične valove (transducer)

Kada se na zavojnicu narine napon, dolazi do interakcije između permanentnog magneta i struje u zavojnici koja rezultira stvaranjem Lorentzove sile.

Ova mehanička sila pomiče membranu što rezultira promjenom akustičnog tlaka, tj. stvaranjem akustičnih valova

Multifizikalno Numeričko Modeliranje ZvučnikaDa bi se dobio precizni fizikalni opis zvučnika moramo modelirati zvučnik objedinjavajući znanja iz elektromagnetizma, mehanike te akustike. Nadalje treba poznavati slijedeće mehanizme koji uparuju ova područja:

• Mehaničko-Akustično uparivanje: normalna komponenta brzine membrane mora odgovarati normalnoj komponenti zvučnog polja

• Mehaničko-Elektromagnetsko uparivanje: interakcija između mehanike i akustike proizlazi iz Lorentzove sile. Lorentzova sila uzrokuje pomicanje zavojnice te mehaničke vibracije membrane zvučnika.

• Elektroničko-Elektromagnetsko uparivanje: Zbog činjenice da struja kroz zavojnicu ovisi o naponu koji generira elektronika (elektronički sklopovi) trebaju se riješiti Maxwellove jednadžbe u paru sa jednadžbama koje diktiraju ponašanje elektroničkih sklopova