Mt1 3 56

METR0360 Mechatronics System Design

Ch1 : Introduction to Mechatronics เมคคาทรอนกสคออะไร เมคคาทรอนกสคออะไร

องคประกอบของระบบเมคคาทรอนกส

ตวอยางระบบเมคคาทรอนกส ตวอยางระบบเมคคาทรอนกส

ความรพนฐานสาขาวศวกรรมเมคคาทรอนกส

วตถประสงค : ใ ใ เพอใหเขาใจแนวคดพนฐานของระบบเมคคาทรอนกส

เพอใหเขาใจองคประกอบของระบบเมคคาทรอนกส

2/2556 by [email protected]

Introduction to Mechatronics

1 1 ส ไ1.1 เมคคาทรอนกสคออะไร

เมคคาทรอนกสเปนศาสตรทนาความรหลากหลายสาขามาผสมผสานกนโดยคาวา

M h t i M h i El t i Mechatronics นเกดจากการนาเอาคาวา Mechanics และ Electronics เชอมกนซง

ศาสตรนถอกาเนดมาเมอประมาณป ค.ศ. 1970 โดยวศวกรบรษท Yasakawa ในประเทศ

ป ซ ใ ส ป ใ ชญปน ซง ในขณะนนมการนยามวา เมคคาทรอนกสกคอการประย กต ใ ช

ไมโครโปรเซสเซอรเพอการควบคมเครองจกรกลหรอผลตภณฑในแบบทมการผสมผสาน

กนร หวางร บบไฟฟาแล กลไก (El t M h i l P d t) แตอยางไรกตามคากนระหวางระบบไฟฟาและกลไก (Electro-Mechanical Product) แตอยางไรกตามคา

วาเมคคาทรอนกสในปจจบนนนมความหมายและการประยกตใชงานทกวางขวางมากกวา

นนมาก จากบทความวชาการ [1] ”M h t i A I d t i l P ti ” นนมาก จากบทความวชาการ [1] ”Mechatronics – An Industrial Perspective”

กลาวถงความหมายของคาวา Mechatronics ไวดงน “The synergistic integration

f h i l i i ith l t i d i t lli t t of mechanical engineering with electronics and intelligent computer

control in the design and manufacturing of industrial products and

” และนอกจากนนกยงมผใหคาจากดความไวอกหลายคนดวยกนprocesses” และนอกจากนนกยงมผใหคาจากดความไวอกหลายคนดวยกน


Takashi Yamaguchi วศวกรบรษทฮตาชททางานในหนวยงานทชอวา

ไ Mechanical Engineering Laboratory กลาวไววา

Mechatronics is a methodology for designing products that exhibit

fast, precise performance.

ซงการทจะไดผลตภณฑคณสมบตดงกลาวทาไมสามารถเกดไดโดยการออกแบบ

ใ ระบบทางกลทดเทานนแตจะตองรวมถงการพจารณาการออกแบบในสวนของการ

ควบคมเซอรโว, เซนเซอรและวงจรอเลกทรอนกส นอกจากนน Takashi ยงกลาวอกวา

ไ ใ ใ ดสคไดรวในเครองคอมพวเตอรถอวาเปนตวอยางความสาเรจอนหนงของการประยกตใช

ศาสตรทเรยกวา Mechatronics ลกษณะการทางานของดสคไดรวนนตองการใหระบบ

ไ ใ ทางานไดรวดเรวและตาแหนงแมนยาในการเขาถงซงขอมลรวมถงมความคงทน

(Robust) ตอสงทมารบกวนระบบจากภายนอก (Disturbances)

ไ ไ


จากหนงสอ Mechatronics (Sabri Cetikunt) [2] ไดกลาวไววาทมวศวกรออกแบบ

ผลตภณฑทเปน Electromechanical Product จะประกอบดวย

1. วศวกรผออกแบบสวนประกอบทางกล

ป ไฟฟ 2. วศวกรผออกแบบสวนประกอบทางไฟฟา เชน Sensor, Actuator, Amplifier

ตลอดจน Algorithm ในการควบคม เปนตน

ป ฟ 3. วศวกรผออกแบบสวนประกอบดานคอมพวเตอรทงฮารดแวรและซอฟตแวร

ใ แตสาหรบวศวกรเมคคาทรอนกสแลวนนจะถกสอนมาเพอทาหนาททงสามอยางใน

วศวกรคนเดยวกน ดงนนการออกแบบจะไมใชเปนการออกแบบทเปนลาดบขนเชน เรม

ไฟฟ ป จากระบบทางกล ตามดวยการออกแบบระบบดานไฟฟา และปดทายดวยการออกแบบ

ระบบควบคมดวยคอมพวเตอร แตวศวกรเมคคาทรอนกสจะตองออกแบบระบบตางๆ

ไป ใ ป ไป (O i l P d ไปพรอมกนเพอใหการออกแบบผลตภณฑเปนไปอยางดทสด (Optimal Product

Design)


Davor Hrovat พนกงานผเชยวชาญอาวโสของ Ford Research Laboratory

กลาววา Mechatronics is mixture of technologies and techniques that

together help in designing better products

และสดทายสาหรบตวอยางคาจากดความจากหนงสอ Mechatronics System

Design [3] กคอ Mechartonics is a methodology used for the optimal

design of electromechanical product. ซงกหมายความวาเมคคาทรอนกสเปน

ใ ใ วธการทใชในการออกแบบอยางเหมาะสมของผลตภณฑทมสวนประกอบทงระบบทาง

กลและไฟฟา


1.2 องคประกอบระบบเมคคาทรอนกส [3]

องคประกอบระบบเมคคาทรอนกสในมมมองของสงทมาประกอบกนใหเปนระบบ องคประกอบระบบเมคคาทรอนกสในมมมองของสงทมาประกอบกนใหเปนระบบ

เมคคาทรอนกสอาจพจารณาไดดงรปท 1.1

องคประกอบดานฮารดแวร ไดแก องคประกอบดานฮารดแวร ไดแก

• ระบบทางกลและกลไกขบเคลอนเครองจกร (Mechanical systems)

• ระบบขบเคลอนกลไกของเครองจกร (Actuator) • ระบบขบเคลอนกลไกของเครองจกร (Actuator)

• อปกรณตรวจวดสถานะของเครองจกร (Sensor)

• วงจรอเลกทรอนกสเพอเชอมตอระหวางเซนเซอร แอคทเอเตอรเขากบตวควบคม • วงจรอเลกทรอนกสเพอเชอมตอระหวางเซนเซอร,แอคทเอเตอรเขากบตวควบคม

(Signal conditioning circuit & data conversion circuit)

• ตวควบคม (Controller) เชน คอมพวเตอร ไมโครคอนโทรลเลอรบอรดหรอ PLC• ตวควบคม (Controller) เชน คอมพวเตอร,ไมโครคอนโทรลเลอรบอรดหรอ PLC

องคประกอบดานซอฟตแวร

ซอฟตแวรทาหนาทเปนตวควบคมซอฟตแวรทาหนาทเปนตวควบคม


รปท 1.1 องคประกอบของระบบ Mechatronics

จากหนงสอ Devdas Shetty and Richard A. Kolk, “Mechatronics System Design 2nd edition, Cengage-Learing, 2011


รปท 1 2 องคประกอบระบบขบเคลอนกลไกดวยมอเตอรไฟฟากระแสตรงรปท 1.2 องคประกอบระบบขบเคลอนกลไกดวยมอเตอรไฟฟากระแสตรง

จากหนงสอ Devdas Shetty and Richard A. Kolk, “Mechatronics System Design 2nd edition, Cengage-Learing, 2011


จากเอกสารอางองตวอยางของระบบทถอวาเปนเมคคาทรอนคสไดแก ระบบการ

1.3 ตวอยางระบบเมคคาทรอนกส

ควบคมเครองบนและอากาศยาน (Flight Control),ระบบควบคมในรถยนต เชน ระบบ

ปองกนการสนสะเทอน, ระบบ ABS(Anti lock brake system), ระบบการผลตแบบ

อตโนมต เชน หนยนต, เครองจกรกลแบบ CNC และยงไดรวมไปถงอปกรณ

เครองใชไฟฟาในครวเรอนอยางเชน เครองซกผา เปนตน

) CNC b) ส

รปท 1.3 ตวอยางระบบเมคคาทรอนกส

a) เครอง CNC b) แขนกลอตสาหกรรม


- เครองซกผา มความตองการของระบบคอทราบขนาดของโหลด(จานวนเสอผาท

จะซก)มระบบควบคมการปนผา/การนานาเขาเพอซก ลางใหเหมาะสมกบปรมาณผาจะซก)มระบบควบคมการปนผา/การนานาเขาเพอซก-ลางใหเหมาะสมกบปรมาณผา

รปท 1 4 ตวอยางเครองซกผารปท 1.4 ตวอยางเครองซกผา


รปท1.5 ตวอยางโครงสรางของเครองซกผาอตโนมต


รปท 1 5 แสดงไดอะแกรมเครองซกผาแบบอตโนมต ซงพบวาตวควบคมทเปนหวใจรปท 1.5 แสดงไดอะแกรมเครองซกผาแบบอตโนมต ซงพบวาตวควบคมทเปนหวใจ

สาคญของระบบกคอ ไมโครโปรเซสเซอร(MCU) และมเซนเซอรทาหนาทตรวจจบ

สถานะตางเชน เซนเซอรตรวจวดอณหภม ระดบนาในถง เซนเซอรตรวจจบสถานะสถานะตางเชน เซนเซอรตรวจวดอณหภม, ระดบนาในถง,เซนเซอรตรวจจบสถานะ

ของการเปด-ปดฝาเครอง, สวนตรวจจบความสกปรกของนาในตอนลางผา เปนตน

สาหรบสวนทเปนอปกรณททาหนาทเปน Actuator ในระบบนไดแก มอเตอร โซลสาหรบสวนทเปนอปกรณททาหนาทเปน Actuator ในระบบนไดแก มอเตอร, โซล

นอยด ,วาลวควบคม นอกจากนนยงมสวนตดตอกบผใชงานอนไดแก จอแสดงผล

,และปมกดเพอสงงาน เปนตน,และปมกดเพอสงงาน เปนตน


รปท1.6 รถยนตและตวควบคมแบบอเลกทรอนกส (ECU)

- รถยนต ในรถยนตสมยใหมจะมอปกรณคอมพวเตอรทใชในการควบคม

ระบบเพอใหเปนไปตามความตองการคอควบคมระบบยอยๆในรถยนต เชน ระบบหาม

ลอและการเรงเครองยนต, Cruise Control และ ABS เปนตน ทาใหรถยนตใชงานไดงาย

ขนมความนาเชอถอสง


ป 1 7 ส โ ส รปท 1.7 เครองตดพลาสตกอตโนมตสาหรบการบรรจหบหอ


ในรปท 1.7 ระบบประกอบดวยสายพานลาเลยงสนคาและมวนวสดท เปน

พลาสตกซงมการคลออกมาเพอหอสนคาดวยการหมนมอเตอรทแกนของมวน

พลาสตกน และนอกจากนนระบบมใบมดทตดกบมอเตอรซงถกควบคมตาแหนงดวย

ใ ใ ชดควบคมตาแหนงมอเตอรเพอใชในการตดพลาสตก สวนการตดพลาสตกจะม

การสงตดเมอชดควบคมตาแหนงมอเตอรตรวจจบไดวามสนคาในสายพานลาเลยงและ

ไ ใ เคลอนทมาถงจดทมการตดตงเซนเซอรไว ซงมอเตอรทมใบมดตดอยนนกจะเคลอนท

แปรผนตรงตามความเรวของสายพานลาเลยงและกจะหมนไปตดแผนพลาสตกใน

ไ โป ไ ไ ใ โปตาแหนงทไดโปรแกรมไวกอนหนานซงเพยงพอกบขนาดชนงานทตงไวในโปรแกรม

และสงสาคญประการหนงของระบบนคอ พแอลซ ซงในทนทาหนาทตดตอกบผใช

ใ ใ ใ เพราะสามารถตอเขากบจอแบบสมผส (Touch screen) ซงผใชงานจะใชในการกาหนด

พารามเตอรตางๆของระบบ เชน ความยาวของแผนพลาสตกทตด เปนตน


-เครองตดโลหะแบบอตโนมตโดยใชพลาสมา

สวนประกอบของระบบ

1. คอมพวเตอรพซ

2. มอเตอรและชดควบคม

3. โปรแกรมควบคมการทางาน

ของระบบ และไฟลชนงาน(CAD)

4. เครองตดโลหะดวยพลาสมา

5. เซนเซอรทเปนลมตสวทช (Limit

Switch) ใชเปนจดอางองในการ

เคลอนทของระบบรปท 1 8 เครองตดโลหะดวยพลาสมารปท 1.8 เครองตดโลหะดวยพลาสมา


มอเตอรX

มอเตอรY

โปรแกรมควบคม

แกน X แกน Y

พอรตเครองพมพชดควบคมและวงจรขบ

สเตปปงมอเตอรสเตปปงมอเตอร

ไฟลชนงานสญญาณควบคม

ป /ป ส

สญญาณจากลมตสวตช

ไฟลชนงานทตองการตด

เปด/ปดหวตดพลาสมา

เครองตดโลหะดวยพลาสมา

รปท 1.9 โครงสรางระบบควบคมเครองตดโลหะดวยพลาสมา


รปท 1.10 The components of CNC system [4] 18


รปท 1.11 ยานพาหนะสองลอและโครงสรางระบบ 19


www kuka-robotics comwww.kuka robotics.com

รปท 1.12 ตวอยางแขนกลในงานอตสาหกรรมรปท 1.12 ตวอยางแขนกลในงานอตสาหกรรม

20


รปท 1.13 ระบบควบคมแขนกลในงานอตสาหกรรม21


รปท 1.14 หนยนตเพอการซอมแบดมนตน

22

1 4 [5]


1.4 ความรพนฐานสาหรบสาขาวศวกรรมเมคคาทรอนกส [5]

รปท 1.15 องคความรทสาคญในสาขา Mechatronics

23

ปจจบนวงการอตสาหกรรมแล มหาวทยาลยทวโลกไดมการใชคาวาเมคคาทรอนกส


ปจจบนวงการอตสาหกรรมและมหาวทยาลยทวโลกไดมการใชคาวาเมคคาทรอนกส

กนอยางแพรหลายและในมหาวทยาลยตางๆทวโลกกไดเปดสอนสาขาวชานกนมากขน

เรอยๆทงในระดบปรญญาตร โทและปรญญาเอก สาหรบเนอหาวชาหรอองคความรทเรอยๆทงในระดบปรญญาตร, โทและปรญญาเอก สาหรบเนอหาวชาหรอองคความรท

ถกจดใหเปนวชาทวศกรสาขาวชาวศวกรรมเมคคาทรอนกสตองเรยนไดแก

การควบคมการเคลอนท (M ti C t l)- การควบคมการเคลอนท (Motion Control)

- หนยนต (Robotics)

ระบบควบคมในรถยนต (A t ti S t )- ระบบควบคมในรถยนต (Automotive Systems)

- ระบบควบคมแบบฉลาด (Intelligent Control)

ตวขบและอปกรณตรวจจบ (Act ators and Sensors)- ตวขบและอปกรณตรวจจบ (Actuators and Sensors)

- การจาลองและการออกแบบ (Modeling and Design)

การรวมระบบ (System Integration)- การรวมระบบ (System Integration)

- การผลต (Manufacturing)

อปกรณขนาดเลกและอเลกทรอนกสเชงแสง (Micro Devices and Optoelectronics)- อปกรณขนาดเลกและอเลกทรอนกสเชงแสง (Micro Devices and Optoelectronics)

- การสนสะเทอนและการควบคมเสยงรบกวน (Vibration and Noise Control) 24


และถาจะจดหมวดหมวชาตามสาขายอยทมาประกอบกนเปนเมคคาทรอนกสนน

อาจแบงเปนกลมๆดงตวอยางตอไปน

ความรทางดานวศวกรรมเครองกล

- การออกแบบกลไกของเครองจกรกล

- กลศาสตรเครองจกรกล

- เทคโนโลยการผลต

- ระบบนวแมตกและไฮดรอลคส

- ระบบ CAD/CAM

ความรทางดานวศวกรรมไฟฟา/อเลกทรอนกส

- วงจรไฟฟา วงจรไฟฟา

- เครองจกรกลไฟฟาและการควบคม

- การออกแบบวงจรอเลกทรอนกสทงแบบอนาลอกและดจตอล การออกแบบวงจรอเลกทรอนกสทงแบบอนาลอกและดจตอล

- อเลกทรอนกสกาลง 25


ความรทางดานวศวกรรมคอมพวเตอรและสารสนเทศ

- ไมโครโปรเซสเซอร

- การเขยนโปรแกรมคอมพวเตอร

- วศวกรรมซอฟตแวรและการพฒนาโปรแกรมเชงวตถ

- การสอสารขอมลและเครอขายคอมพวเตอร

- การประมวลผลภาพ (Image processing)

ความรทางดานวศวกรรมระบบควบคม

- การวเคราะหและออกแบบระบบควบคม

- ระบบการวดและเซนเซอร

- การควบคมแบบดจตอล

- การควบคมดวยตวควบคมลอจกแบบโปรแกรมได

(Programmable Logic Controller)

26- การควบคมแบบฉลาด (Intelligent Control)

- วศวกรรมหนยนต

แบบฝกหดทายบท

1 ใหยกตวอยางระบบทถอวาเปนระบบเมคคาทรอนกสและวาดไดอะแกรมแสดง1. ใหยกตวอยางระบบทถอวาเปนระบบเมคคาทรอนกสและวาดไดอะแกรมแสดง

โครงสรางระบบพรอมทงอธบายหลกการทางานเบองตน

2. ยกตวอยางของเซนเซอรทใชในระบบเมคคาทรอนกสสก 2 ชนดและบอกถงประโยชน

การใชงานการใชงาน

3 ใหคนควาขอมลจากอนเตอรเนตในหวขอการประยกตใชแขนกลในงานอตสาหกรรม3. ใหคนควาขอมลจากอนเตอรเนตในหวขอการประยกตใชแขนกลในงานอตสาหกรรม

27

เอกสารอางอง

[1] Kyura, Nobuhiro; Oho, H., "Mechatronics-an industrial perspective," Mechatronics,

IEEE/ASME Transactions on , vol.1, no.1, pp.10,15, March 1996, , , pp , ,

[2] Sabri Cetinkunt,'Mechatronics',John Wiley & Sons Inc., 2006

[3] Devas Shetty ,Richard A. Kolk, “Mechatronics System Design”, PWS Publishing,1997

[4] Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung and Ian Stroud, "Theory and

Design of CNC Systems",(Springer Series in Advanced Manufacturing)

[5] " สใ โ ส " [5] พสทธ วสทธเมธกร,"เมคคาทรอนกสในโลกอตสาหกรรม",MECHANICAL TECHNOLOGY MAGAZINE.

ปท 2, ฉบบท 19 (พ.ค. 46), หนา 96-102.