Μηχανοτρονική Μάθημα 1 ο μηχανοτρονικός σχεδιασμός

Transcript

1 Μηχανοτρονική Μάθημα 1 ο μηχανοτρονικός σχεδιασμός Αντώνιος Γαστεράτος, Αναπληρωτής Καθηγητής Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης

2 σκοπός του μαθήματος Βασικές έννοιες μηχανοτρονικού σχεδιασμού Δυνατότητα σχεδιασμού και υλοποίησης διατάξεων μηχανοτρονικής Αισθητήρια, μετρητικές διατάξεις, βαθμονόμηση αισθητηρίων Διακριτά ηλεκτρονικά στοιχεία Μικροεπεξεργαστές και εφαρμογές

3 πρόγραμμα μαθήματος Θεωρία - Ασκήσεις Τρίτη 16:30-20:30 Αίθουσα διδασκαλίας Α12

4 προτεινόμενα συγγράμματα Α. Γαστεράτος, Σ. Γ. Μουρούτσος και Ι. Ανδρεάδης, Τεχνολογία Μετρήσεων Αισθητήρια, Εκδόσεις Γκιούρδα. P. Elgar, Αιθητήρες μέτρησης και ελέγχου, Εκδόσεις Tζιόλα. Τ. Lang, Ηλεκτρονικά συστήματα μετρήσεων, 2η Εκδοση Εκδόσεις Τζιόλα.

5 επικοινωνία Ιστοσελίδα μαθήματος στην πλατφόρμα Επικοινωνία με το διδάσκοντα:

6 τεχνολογία - μηχανική η τεχνολογία (engineering) περιλαμβάνει [την επιστήμη, τις δεξιότητες, και το επάγγελμα] [της απόκτησης και της εφαρμογής] [επιστημονικών, οικονομικών, κοινωνικών και πρακτικών γνώσεων], με σκοπό [το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη συντήρηση] [κατασκευών, μηχανημάτων, συσκευών, συστημάτων, υλικών και διεργασιών.] [πηγή wikipedia]

7 επιστήμη του μηχανικού παραγωγής και διοίκησης η επιστήμη του μηχανικού παραγωγής συμπεριλαμβάνει την τεχνολογία κατασκευών και την επιστήμη της διοίκησης ένας μηχανικός παραγωγής έχει συνήθως μια ευρεία γνώση των τεχνολογικών πρακτικών και επίγνωση των απαιτήσεων της διοίκησης που σχετίζεται με την παραγωγή ο στόχος είναι η ολοκλήρωση της διαδικασίας παραγωγής με ομαλό, συνετό και οικονομικό τρόπο. [πηγή wikipedia]

8 ο μηχανικός παραγωγής ο μηχανικός παραγωγής θα πρέπει να είναι σε θέση να: διαστασιολογεί και να ενοποιεί πόρους: συνήθως απαιτείται να εξετάσει φυσικούς, ανθρώπινους και οικονομικούς πόρους με υψηλή απόδοση και χαμηλό κόστος, αλλά εξετάζει τη δυνατότητα της συνεχούς περαιτέρω βελτίωσης κάνει ορθή χρήση μαθηματικών και στατιστικής για τη μοντελοποίηση συστημάτων παραγωγής κατά τη διάρκεια της διαδικασίας λήψης αποφάσεων σχεδιάζει, να υλοποιεί και να τελειοποιεί προϊόντα, υπηρεσίες, διεργασίες και συστήματα, λαμβάνοντας υπόψη περιορισμούς και ιδιαιτερότητες προβλέπει και να αναλύει τη ζήτηση: να επιλέγει τις κατάλληλες γνώσεις από την επιστήμη και την τεχνολογία για να σχεδιάσουν, να επανασχεδιάσουν ή να βελτιώσουν τη λειτουργία ενός προϊόντος ή μιας υπηρεσία ς ενσωματώνει έννοιες και τεχνικές ποιότητας κατά μήκος ολόκληρου του συστήματος παραγωγής. Ανάπτυξη οργανωτικών προτύπων για τις διαδικασίες ελέγχου παραμένει ενήμερος για τις τεχνολογικές εξελίξεις, και να τις εφαρμόζει στις επιχειρήσεις και την κοινωνία κατανοεί τη σχέση μεταξύ των συστημάτων παραγωγής και του περιβάλλοντος. Αυτό σχετίζεται με τη χρήση των εν ανεπαρκεία πόρων και τη βιωσιμότητα στην παραγωγή διαχειρίζεται και να βελτιστοποιεί τη ροής (τόσο πληροφορίας όσο και τη ροή παραγωγής). [Πηγή wikipedia]

9 ο ορισμός της μηχανοτρονικής Το όνομα [mechatronics] επινοήθηκε από τον Ko Kikuchi, σήμερα πρόεδρο της Yasakawa Electric Co., Chiyoda- Ku, Tokyo. R. Comerford, Mecha what? IEEE Spectrum, 31(8), 46-49, Η λέξη, mechatronics αποτελείται από το συνθετικό mecha από το mechanics (μηχανολογία) και το tronics από το electronics (ηλεκτρονική). Με άλλα λόγια, τεχνολογίες και παραγόμενα προϊόντα θα ενσωματώνουν όλο και περισσότερο ηλεκτρονικά στοιχεία μέσα σε μηχανισμούς, τόσο βαθιά και οργανικά που θα είναι αδύνατον να πει κανείς που τελειώνει το ένα και που αρχίζει το άλλο. T. Mori, Mechatronics, Yasakawa Internal Trademark Application Memo, , July 12, Mechanics Eletronics mecha tronics Mechatronics

10 μηχανοτρονικό σύστημα Ενα σύστημα που αποτελείται από μηχανολογικό σκελέτο, ενεργοποιητές, αισθητήρες, ελεγκτές, συστήματα επεξεργασίας αναλογικού σήματος, ψηφιακά συστήματα, μνήμη, επεξεργαστές, λογισμικό, συσκευές διασύνδεσηςκαι πηγές τροφοδοσίας.

11 η ανάγκη για μηχανοτρονικό σχεδιασμό οι σημερινοί μηχανικοί αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις. Τα τεχνολογικά προβλήματα γίνονται ολοένα και πιο δύσκολα και βαθύτερα. Συχνά διαθέτουν πολυσχιδή χαρακτήρα και απαιτούν μια διακλαδική προσέγγιση για την επίλυσή τους. Τα μοντέρνα τεχνολογικά συστήματα διαθέτουν ένα επίπεδο που αποτελείται από αισθητήρες και κινητήρες, αλλά και ένα επίπεδο ελέγχου με ηλεκτρονικά μέρη, υπολογιστές και λοιπά στοιχεία ελέγχου.

12 μηχανοτρονικός σχεδιασμός και καινοτομία αυτά αποτελούν τεχνολογίες που καθιστούν ικανή και προωθούν την καινοτομία. Οι επιδόσεις, η αξιοπιστία, το χαμηλό κόστος, η αντοχή, η ενεργειακή απόδοση και η βιωσιμότητα είναι στοιχεία εντελώς απαραίτητα στο μηχανοτρονικό σχεδιασμό. σχεδιασμός & κατασκευή κλάδος (μηχανολογία, ηλεκτρονική, πληροφορική, κλπ) καινοτομία

13 η μηχανοτρονική ως διεπιστημονική - διακλαδική προσέγγιση επιστήμη μηχανολόγου μηχανικού επιστήμη ηλεκτρονικού μηχανικού επιστήμη μηχανικού υπολογιστών επιστήμη μηχανικού ελέγχου/συστημάτων επιστήμη πληροφορικής

14 ακολουθιακή και παράλληλη κατά κλάδο διαδικασία σχεδιασμού η ακολουθιακή και παράλληλη κατά κλάδο διαδικασία σχεδιασμού για την υλοποίηση ενός προϊόντος απαιτεί το σχεδιασμό ανά κλάδο από τους αντίστοιχους ειδικούς σχεδιασμός του μηχανολογικού συστήματος επιλογή των αισθητήρων και των ενεργοποιητών (κινητήρων) επιλογή των ηλεκτρονικών για την ε π ε ξ ε ρ γ α σ ί α τ ω ν σ η μ ά τ ω ν τ ω ν αισθητηρίων και την οδήγηση των ενεργοποιητών σχεδιασμός και υλοποίηση του αλγόριθμου ελέγχου του συνολικού συστήματος με ηλεκτρονικά στοιχεία, μικροελεγκτές ή μικροϋπολογιστές

15 υλοποίηση προϊόντων η επιστήμη του μηχανικού συστημάτων επιτρέπει το σχεδιασμό, την ανάλυση και τη σύνθεση προϊόντων και διεργασιών που αφορούν στοιχεία από διάφορες ειδικότητες. η μηχανοτρονική εκμεταλλεύεται αυτό για να πραγματοποιήσει τη διαδικασία υλοποίησης του προϊόντος μέσα από το σχεδιασμό, τη μοντελοποίηση, τη προσομοίωση, την ανάλυση, τη βελτίωση, τη δημιουργία πρωτότυπου και τον έλεγχο αξιοπιστίας. στην υλοποίηση προϊόντος με βάση τη μηχανοτρονική γίνεται ολοκλήρωση μηχανικών, ηλεκτρικών και πληροφοριακών συστημάτων, έτσι ώστε το τελικό προϊόν να είναι καλύτερο από όλα τα επί μέρους τμήματα. τα συστήματα μηχανοτρονικής δεν είναι απλά και μόνο: ένα διεπιστημονικό σύστημα ένα ηλεκτρομηχανικό σύστημα ένα σύστημα ελέγχου

16 μηχανοτρονική διαδικασία σχεδιασμού

17 βασικά στοιχεία μηχανοτρονικής

18 μηχανολογικά στοιχεία μηχανοτρονικής τα μηχανολογικά στοιχεία μπορεί να είναι: η ίδια η μηχανολογική δομή, μηχανισμοί, υδραυλικά κλπ μπορούν να περιλαμβάνουν στατικά και δυναμικά χαρακτηριστικά. μπορούν να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους. απαιτούν φυσική ισχύ για την παραγωγή κίνησης, δύναμης, θερμότητας κλπ.

19 ηλεκτρομηχανολογικά στοιχεία μηχανοτρονικής τα ηλεκτρομηχανολογικά στοιχεία μπορεί να είναι: αισθητήρες ιδιοδεκτικοί: συσκευές που είναι σε θέση να μετρούν κατάλληλα μεγέθη όπως η θέση, η ταχύτητα, η δύναμη κλπ, πάνω στο μηχανισμό ετεροδεκτικοί: συσκευές που είναι σε θέση να μετρούν μεγέθη του περιβάλλοντος ενεργοποιητές ηλεκτρικοί (κινητήρες DC, βηματικοί, άνευ ψήκτρας κλπ), υδραυλικοί, πνευματικοί κ.ά.

20 ηλεκτρικά/ηλεκτρονικά στοιχεία μηχανοτρονικής τα ηλεκτρικά στοιχεία μπορεί να είναι: ηλεκτρικά στοιχεία (αντιστάσεις, πυκνωτές, πηνία) και κυκλώματα τα ηλεκτρονικά στοιχεία μπορεί να είναι: αναλογικά και ψηφιακά ηλεκτρονικά, τρανζίστορς δίοδοι, θυρίστορ, οπτικοί απομονωτές, ηλεκτρονικά ισχύος, κλπ τα ηλεκτρικά / ηλεκτρονικά στοιχεία χρησιμοποιούνται για την διασύνδεση των αισθητήρων και των ενεργοποιητών και για τη διεπαφή και έλεγχο τα στοιχεία υλικού πληροφορικής

21 στοιχεία μηχανοτρονικής: υλικό για έλεγχο και υπολογισμούς το υλικό για έλεγχο και υπολογισμούς μπορεί να περιλαμβάνει: επιτρέπει μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (ADC), μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό (DAC), συστήματα ψηφιακής εισόδου/εξόδου (I/O), μετρητές, συστήματα χρονισμού, μικροεπεξεργαστές, μικροελεγκτές, συστήματα πρόσκτησης δεδομένωνor (DAC) και συστήματα ψηφιακής επεξεργασίας (DSP) επικοινωνία του σήματος του αισθητήρα με τον υπολογιστή ελέγχου και επικοινωνία των σημάτων ελέγχου από τον υπολογιστή ελέγχου στον ενεργοποιητή το υλικό ελέγχου υλοποιεί ένα αλγόριθμο ελέγχου, που χρησιμοποιεί μετρήσεις από τους αισθητήρες για να υπολογίσει τις δράσεις ελέγχου που πρέπει να εφαρμόζονται από τον ενεργοποιητή.

22 στοιχεία μηχανοτρονικής: συστήματα πληροφορικής τα συστήματα πληροφορικής μπορεί να είναι υλικό ή/και λογισμικό που χρησιμοποιείται για: δυναμική ανάλυση συστημάτων, βελτιστοποίηση, σχεδιασμό και προσομοίωση με τη χρήση υπολογιστή εικονική οργανολογία ταχεία προτυποποίηση αλγορίθμων ελέγχου προσομοίωση με στοιχεία υλικού πρόσκτηση δεδομένων με τη χρήση υπολογιστή

23 εφαρμογές σε προϊόντα και υπηρεσίες έξυπνα καταναλωτικά προϊόντα: ασφάλεια σπιτιού, φωτογραφική μηχανή, φούρνος μικροκυμάτων, τοστιέρα, πλυντήριο πιάτων, πλυντήριο πλυντήριο- στεγνωτήριο κλπ ιατρικά: συσκευές εμφύτευσης, υποβοηθούμενη χειρουργική επέμβαση, απτική, κλπ. άμυνα: μη επανδρωμένα οχήματα (ιπτάμενα, εδάφους, υποβρύχια), έξυπνα πυρομαχικά, κινητήρες τζετ, κλπ. βιομηχανία: ρομπότ, μηχανές, διαδικασίες, κλπ. αυτοκίνητο: έλεγχο του κλίματος, αντιμπλοκάρισμα τροχών, ενεργός ανάρτηση, cruise control, αερόσακοι, σύστημα διαχείρισης κινητήρα, ασφάλεια, κλπ. κατανεμημένα συστήματα: κατανεμημένα ρομπότ, τηλε- ρομποτική, ευφυής αυτοκινητόδρομοι, κλπ.

24 εφαρμογές σε προϊόντα και υπηρεσίες

25 mechatronics vs robotics Παρότι οι ορισμοί είναι γενικοί, ένα ρομποτικό σύστημα είναι μια μηχανοτρονική μηχανή, η οποία μπορεί να εκτελεί εργασίες μόνη της, λαμβάνοντας μόνη της εισόδους.

26 παραδείγματα ρομποτικών συστημάτων βιομηχανία