Mechatronická soustava a systém

Mechatronická soustava nemusí nutně zahrnovat všechny vlastnosti a funkce mechatronického výrobku jak uvedeno výše. Jedná se o soustavu řízenou (elektromechanická, elektrohydraulická, elektropneumatická, aj.), která je využívána v technologických oblastech jako jsou např. výrobní stroje a strojní zařízení. V mechatronické soustavě však dochází k transformaci jednotlivých částí, které jsou do stroje nebo zařízení instalovány – energetické, materiálové, informační, geometrické, aj.

Charakteristiku mechatronických produktů určuje obsah prvků mechatronické soustavy, jako jsou např. mnohasmyčcové číslicové regulátory, neuronové sítě nebo fuzzy regulátory. Snímače a fyzikální měniče využívají nových materiálů jako kompozitů, slitin s tvarovou pamětí a také nanomateriálů. Je pravděpodobné, že v budoucnosti dojde k realizaci výroby produktů s vyšší inteligencí v podobě autodiagnostiky, autorekonfigurace, samostatného učení a samostatné kooperace s ostatními stroji a zařízením. Tyto aspekty jsou spojeny s novým, atraktivním designem, vysokou ergonomičností, bezpečností a ekologičností.
Pokud chceme popsat mechatronickou fyzikální soustavu matematicky, vycházíme z toho, že se jedná o mechanické modely různých systémů, které se skládají z tuhých těles (jednotlivá libovolná tělesa jsou spojena úsečkami konstantních délek a neuvažujeme zde o deformacích). Tato tuhá tělesa jsou spojena kinematickými dvojicemi a nehmotnými silovými elementy, jako jsou např. tlumiče, pohony, apod. Tyto kinematické dvojice omezují pohyb původně volně pohyblivých těles a jsou rozlišovány na posuvné, rotační, obecné a válcové. Řešení uvedeného kinematického modelu tedy spočívá v kinetické analýze a syntéze. Základem této syntézy je vektorový popis, kdy mechanismus je popisován pomocí kinematických vektorů, dráhy, rychlosti a zrychlení.
 
Mechatronický systém je komplex obsahující akční členy, snímače a mikroelektrické obvody a zahrnující tyto charakteristické znaky:
  • Alespoň jeden ze subsystémů s přímou energetickou interakcí je mechanický
  • Strategie řízení zahrnuje koncept, který odpovídá dynamickému stavu procesu a jeho okolí
  • Systém jako celek disponuje specifickou mírou a úrovní inteligence
Splňuje-li mechatronický systém výše uvedené znaky, lze jej charakterizovat jako systém:
  • interakcí mezi elektronickými, mechanickými, informačními a řídícími subsystémy,
  • prostorovou interakcí modulů v rámci jednoho kompaktního (fyzického) bloku.
Tento mechatronický systém se vyznačuje flexibilní možností modifikace funkcí a struktury v závislosti na změnách podmínek vnějšího prostředí, existencí tzv. „neviditelných funkcí“, které lze realizovat prostřednictvím softwaru, a stupněm globální inteligence a určité autonomie.
 
Modelování mechatronických systémů je základem inženýrského navrhování. Samotné modelování je metoda poznávání objektivní reality pomocí různých typů fyzikálních a matematických modelů:
  • spojité modely, což představují modely se spojitými veličinami v prostoru i čase, které jsou popisovány diferenciálními, integrálními a integrodiferenciálními rovnicemi,
  • diskrétní modely, kdy se jedná o modely popsané diskrétními veličinami v prostoru nebo čase diferenčními rovnicemi,
  • modely se spojitými i diskrétními prvky, kdy se jedná o modely popsané diferenciálními i diferenčními rovnicemi.

 

Mechatronické systémy, jak výše uvedeno, disponují celou řadou specifických prvků, které jsou používány mnohem častěji, než u běžných výrobků. Jsou to:
  • čidla (senzory) pro měření
  • pohony jako akční prvky
  • mikroprocesory.
Principy měření v mechatronice:
Účelem je získávání informací o stavu mechatronického systému a tyto informace jsou poté užívány k jeho řízení. Měřicí blok se skládá z čidla, převodníku a vysílače. Informace jsou analogové nebo digitální.
Čidlo – senzor je citlivý na změnu měřené veličiny, převodník transformuje reakci senzoru na informační signál – vysílač. Podle typu vstupního signálu rozlišujeme následující principy snímání: radiační, mechanický, elektrický, tepelný, magnetický a chemický.

Členění snímačů:
a)      podle funkce (pohyb, rychlost, akcelerace, rozměry, hmotnost, hustota, síla, teplota, energie, tvrdost, viskozita, aj.)
b)     podle charakteristických vlastností (přesnost, opakovatelnost měření, citlivost, rozsah, aj.)
c)      podle výstupního signálu (analogový, digitální, frekvenční, kódový, aj.)
 
Elektrické pohony:
Zdroje elektrické energie, které transformují různé druhy energií (mechanická, chemická, tepelná, vodní, aj.) na elektrickou energii. Liší se od sebe cenou, formou, dostupností, náročností na obsluhu, ekologickými vlivy, bezpečností, a dalšími. Z technologického hlediska rozlišujeme elektrické pohony podle na stejnosměrné a střídavé.
 
Měniče (transformátory) elektrické energie jsou využívány k přeměně:
  • elektrické energie na stejnosměrnou (usměrňovače),
  • elektrické energie stejnosměrné na střídavou (střídače),
  • elektrické energie stejnosměrné na stejnosměrnou s jiným napětím (pulzní),
  • elektrické energie střídavé na střídavou s jiným napětím (měniče střídavého napětí)
 
Druhy elektrických pohonů:
  • elektromechanické aktuátory
  • piezoelektrické aktuátory
  • jednoduché elektromagnetické aktuátory
  • rotační kumutátorové stroje
  • asynchronní stroje
  • synchronní stroje
 
Druhy mechatronických systémů:
  •  Ložiskové jednotky se snímači
  • Elektronické ovládací moduly steer-by-vire
  • Jednotky pro řízení výšky zdvihu rámu
  • Další jednotky vybavené snímači
Ložiskové jednotky se snímači: nabízejíintegrované systémové řešení, které vyhovuje požadavkům lehčích a jednodušších konstrukcí za účelem přesné regulace pohybu. Jsou schopny zaznamenat:
  • počet otáček
  • rychlost
  • smysl otáčení
  • relativní polohu (počet pulsů)
  • zrychlení nebo zpomalení.
Ložiskové jednotky SKF se snímači: představují spojení snímačové a ložiskové techniky. Představují ideální kombinaci univerzálního kuličkového ložiska se snímací jednotkou. Snímací jednotka je navíc chráněna proti vnějším vlivům. Tuto integrovanou snímací jednotku, která je připravena k okamžité montáži, tvoří těleso snímače, impulsní kroužek a ložisko – vše je mechanicky spojeno.
Tuto techniku navrhla a nechala patentovat skupina SKF, snímací jednotky jsou jednoduché, odolné a skládají se z kuličkového ložiska SKF třídy Explorer a aktivní snímací jednotky SKF. Samotné ložiskové jednotky fungují jako kódovací zařízení pro řízení motorů a strojů a jsou schopny zajistit kompaktní spolehlivé kódování i při nejvyšších nárocích řízení těchto strojů. Využívají se např. v dopravníkových systémech nebo bývají vyráběny na zvláštní objednávku.
 
Složení ložiskové jednotky se snímači SKF:
kuličkové ložisko SKF Explorer s kontaktním těsněním a drážkou pro pojistný kroužek,
  • magnetický impulsní kroužek,
  • těleso se snímači,
  • připojovací kabel.
Na opačné straně tvoří impulsní magnetický kroužek a těleso se snímači účinné labyrintové těsnění. Tato ložisková jednotka se snímačem je vyráběna ve třech typech v závislosti na rozhraní pro připojení jednotky ke konkrétnímu elektronickému zařízení.
Při samotné montáži je nutné zacházet s ložiskovými jednotkami velmi opatrně, neboť může snadno dojít k poškození snímací jednotky i k poškození připojovacího kabelu. Montáž může být také provedena za asistence technicko-konzultační služby SKF.
Co se týká údržby, ložiskové jednotky SKF jsou utěsněny a připraveny k přímé montáži a tedy také k přímému uvedení do provozu. Obsahují plastické mazivo na bázi polymočoviny, které je odolné vůči vysoušení a korozi po celou dobu trvanlivosti. Množství maziva je vždy kompatibilní s velikostí konkrétního ložiska. Domazávání těchto ložiskových jednotek není nutné.
Elektronické ovládací moduly steer-by-vire
 
Také tyto moduly jsou navrženy skupinou SKF. Jedná se o mechatronické díly k okamžitému použití, tzv. „plug and play“. Svým složením a funkcemi představují spojení inteligentní snímačové techniky s provozní funkčností. Modul steer-by-vire vyšle elektronický signál, který obsahuje tyto informace:
  • o zrychlení pohybu řízení a rychlosti,
  • o smyslu otáčivého pohybu řízení,
  • o relativní poloze volantu.
Moduly typu „plug and play“ jsou složeny z kuličkového ložiska SKF třídy Explorer, aktivního snímače a hřídele volantu. Všechny tyto uvedené součástky jsou zabudovány v odolném ocelovém tělese, jehož vnější povrch je pozinkován, aby tak chránil modul v náročných provozních podmínkách proti korozi. Moduly jsou provozně funkční v teplotním rozmezí -40°C do 70°C. Jsou maximálně utěsněné, takže nevyžadují údržbu, ani domazávání. Není rovněž nutné nastavovat moment řízení.
 
Jelikož elektronické ovládací moduly SKF steer-by-vire jsou vybaveny odolnými, aktivními a kompaktními snímači, které rovněž pracují jako kódovací zařízení, základní části aktivního snímače tvoří:
  • kompozitní magnetický impulsní kroužek
  • 4 snímače uložené společně s propojovacími kabely v jednom tělese.
 
Digitální vstupní signály modulu jsou vedeny do elektronické řídící jednotky a poskytují informace o úhlové poloze hřídele, smyslu otáčení, rychlosti a zrychlení otáčející se hřídele. Elektronický výstup ovládacího modulu je vybaven stejnými skupinami snímačů, které jsou schopny pracovat samostatně. Pokud se objeví porucha jedné skupiny, další skupina pokračuje v práci. Snímač však musí být připojen k externímu napájecímu zdroji.
Co se týká konstrukce pro náročná použití, moduly SKF steer-by-vire umožní prvovýrobci snížit náklady a současně nabízí prostor k řešení řídící kabiny s větším pohodlím, což bezesporu přispívá ke zvýšení produktivity práce. Lze říci, že tento typ elektronických modulů umožňuje efektivní využití výrobcům terénních vozidel, vysokozdvižných vozíků, stavebních, lesních, zemědělských a důlních strojů, elektrických dopravních vozíků a plavidel volit ekonomická řešení.
 
Jednotky pro řízení výšky zdvihu rámu
Jedná se o ložiskové jednotky typu SKF MHC (Mast Height Control) pro řízení výšky zdvihu rámu, tedy o mechatronické díly typu „plug and play“, a také představují spojení inteligentní snímačové techniky s provozní funkčností. Tyto jednotky se používají například u vysokozdvižných vozíků pro řízení výškové polohy. Elektronický signál jednotek MHC ve výstupu poskytuje informace o relativní poloze rámu, směru a pohybu rámu a o zrychlení a rychlosti rámu.
Jednotka MHC obsahuje kuličkové ložisko SKF Explorer s aktivními snímači. Je zabudována do lanové nebo vačkové kladky a jednotky jsou propojeny přímo s řídící jednotkou stroje, takže osobě, která jej ovládá, poskytují přehledné informace a pozici výškového ramena a jeho pohybu.
 
V současné době se vyrábějí jednotky SKF MHC ve dvou typech:
a)      Uložení s vačkovou kladkou, kdy její mechanický pohyb je vyvolán pohybující se protiplochou. Vačková kladka zároveň může být upravena dle požadavků prvovýrobců.
b)      Uložení s lanovou kladkou, kterou pohání lano nebo pás a je zabudována do polohovacího systému pro nastavení výšky rámu.
Konstrukce: vačková řídící jednotka SKF je vybavena kompaktním, robustním aktivním snímačem s kódovací funkcí. Jednotka obsahuje magnetický impulsní kroužek a snímače, které jsou uložené v tělese s propojovacími kabely. Digitální signál je přenášen do elektronické základní řídící jednotky, kdy poskytuje informace o lokálních pohybech vačkové jednotky, o rychlosti a zrychlení protiplochy zdvižného rámu a dalších. Tímto způsobem lze přesně regulovat výšku rámu v případech kdy je nezbytný rychlý a přesný zásah řidiče stroje. Výstupní signály jednotky MHC mohou být použity také pro spuštění bezpečnostních systémů.
Jednotka MHC je svou koncepcí zaměřena prioritně ke zvýšení efektivity práce řidiče, avšak stejné jednotky mohou být uzpůsobeny a použity také ve stavebních strojích, důlních, zemědělských, lesních a stejně tak i v mnoha dalších zařízeních.
 
Další jednotky vybavené snímači
Kromě výše uvedených nejmodernějších typů jednotek se snímači existuje technologická koncepce se snímači i u dalších typů ložisek:
a)      Jednotky se snímači pro silniční vozidla: vývoj automobilového průmyslu je velmi rychlý a průkopnická řešení nových technologií jsou jeho ukazatelem. Zvyšují se požadavky na jeho bezpečnost, snižování hmotnosti, snadnějšího ovládání, aj. Z tohoto důvodu je stále vyšší počet automobilů vybaven zařízením, které snímá rychlost. Snímače mohou být pasivní (vysílají signály až do velmi nízké rychlosti na několika málo km/h) nebo aktivní (vysílá signály až do nulové rychlosti). Vysílané signály jsou nezbytné pro regulaci prokluzu hnacích kol nebo pro navigační systém. Zároveň je možné skupinu SKF použít k řešení možností, které nabízejí již stávající konstrukce s ložiskovými jednotkami pro osobní i nákladní vozidla.
b)     Jednotky se snímači pro kolejová vozidla: Je známou skutečností, že zejména kolejová vozidla musejí snášet tvrdé provozní podmínky. Na ložiska působí vibrace, značné zatížení, extrémní teploty a další aspekty, a zároveň musí vykazovat vysokou provozní spolehlivost na dlouhé vzdálenosti. Což znamená dlouhé časové intervaly v údržbě. Stejně náročné požadavky proto musí splňovat integrované snímače, které ovládají brzdový systém, zajišťují optimální záběr hnacích kol při rozjezdu a také zjišťují smysl otáčení kolejového vozidla. Ložiskové jednotky pro kolejová vozidla jsou kuželíkové, typu SKF (TBU), vybavené snímači pro železniční vozidla a jsou určeny k přímé montáži. Skupina SKF nabízí také ložiskové jednotky se snímači teploty, které trvale sledují teplotu ložiska, jsou schopny zjistit horkoběžnost ložisek nápravy a také poškozená ložiska a jejich lokalizaci.
c)      Jednotky se snímači pro trakční motory: jedná se o skupinu SKF ložiskových jednotek se snímači otáček a teploty pro hnací systém kolejových vozidel a zároveň ložiskové jednotky pro trakční motory TMBU. Tato skupina je vybavena veškerými funkcemi, které jsou řídící systém klíčové včetně elektroizolační úpravy.