CAE mechatronických systémov
Prednáška č. 1
Úvod
Vladimír Goga
Oddelenie aplikovanej mechaniky a mechatroniky
Obsah prednášky
• Čo je to mechatronika?
– Historický vývoj mechatroniky
– Riadenie
– Mechatronické systémy
• Modelovanie fyzikálnych dejov
• Čo je to CAE?
– Prehľad a využitie CAE nástrojov
• Obsah predmetu a podmienky absolvovania
1. Čo je to mechatronika?
• Pojem mechatronika má viacero definícii, pričom nie je
jednoznačne určená tá, ktorá by bola všeobecne považovaná
za tú najsprávnejšiu.
• Prvýkrát tento termín použil inžinier Tetsuro Mori z japonskej
spoločnosti Yasakawa Electric Company v roku 1969:
„Slovo mechatronika je zložené z dvoch častí mechazo slova mechanizmus (mechanika) a -tronika zo
slova elektronika. Inými slovami, mechatronika
predstavuje technológie a vývojové produkty, ktoré
budú čoraz viac integrovať elektroniku do
mechanizmov úplne od základu, pričom sa bude dať
veľmi ťažko povedať, kde jedno končí a druhé
začína.“
1. Čo je to mechatronika?
• Firma Yasakawa si slovo mechatronika nechala patentovať
v roku 1972 a až do roku 1982 bolo chránené obchodnou
značkou. Vzhľadom na jeho časté používanie po celom svete,
firma nakoniec obchodné práva uvoľnila.
• Definícia mechatroniky sa od tej doby ďalej vyvíjala
a v súčasnosti nájdeme množstvo jej foriem, napr.:
• Harashima, Tomizuka a Fukada, 1996 :
„Mechatronika je synergická integrácia strojárskeho
inžinierstva s elektronikou a inteligentným počítačovým
riadením pri návrhu a výrobe priemyselných produktov a
procesov.“
1. Čo je to mechatronika?
• Stiffler, 1991:
„Mechatronika je veda, ktorá integruje mechanické systémy
s elektronickým riadením.“
• Bolton, 1999:
„Mechatronický systém nie je iba spojenie elektrických
a mechanických systémov a je viac ako len riadenie, je to ich
kompletná integrácia navzájom.“
• Smaili a Mrad, 2007:
„Mechatronika je medziodborový inžiniersky smer, ktorý
zahŕňa návrh a vývoj inteligentných elektromechanických
systémov.“
1. Čo je to mechatronika?
• Všetky definície majú jedného spoločného menovateľa –
synergiu.
• Mechatronika sa v zásade chápala ako symbióza a integrácia
mechaniky, elektroniky a riadenia.
• Neskôr s príchodom mikroprocesora na báze integrovaného
obvodu a s rozmachom informačných technológii sa toto trio
obohatilo o informatiku, pretože v mechatronike významnú
úlohu zohráva aj softvér.
• Podstatou mechatroniky je teda integrácia mechaniky,
elektroniky, riadenia a informatiky s cieľom návrhu a výroby
zariadení.
1. Čo je to mechatronika?
1.1 Historický vývoj mechatroniky
1.1 Historický vývoj mechatroniky
• Plavákový regulátor (18. storočie)
1.1 Historický vývoj mechatroniky
• Wattov odstredivý regulátor (18. storočie)
1.1 Historický vývoj mechatroniky
1.2 Riadenie
• Cieľom riadenie je pôsobenie na dynamickú (riadenú) sústavu,
ktorým sa dosahuje toho, aby dynamické procesy v sústave a
prenosový účinok sústavy boli v súlade s vopred určeným
cieľom riadenia pri všetkých očakávaných vstupoch sústavy.
• Riadenie je možné chápať ako informačný proces,
uskutočňujúci sa v rámci riadiaceho cyklu, ktorý pozostáva zo:
– získavania informácie: zadanie cieľa riadenia, určenie
skutočného stavu a výstupu sústavy;
– spracovania informácie: určenie odchýlky medzi cieľom a
skutočnosťou, rozbor a vyhodnotenie odchýlky, generovanie
riadiaceho zásahu;
– využitie informácie: fyzikálna realizácia akčného zásahu na
sústavu s cieľom vyvolať dynamický pochod v sústave v dôsledku
jeho pôsobenia.
1.2 Riadenie
• Riadiaci obvod je tvorený riadenou dynamickou sústavou,
riadiacim systémom (do ktorého sú zahrnuté aj senzory a akčné
členy), a prepojovacími cestami. V princípe sú možné dve
základné zapojenia riadiaceho obvodu:
– otvorený riadiaci obvod – ovládanie;
– uzavretý riadiaci obvod (so spätnou väzbou) – regulácia.
• Riadenie je pritom spoločný názov pre ovládanie aj reguláciu.
1.2 Otvorený riadiaci obvod: ovládanie
RS je riadiaci systém
S je riadená sústava,
w(t) je žiadaná hodnota výstupnej veličiny,
z(t) je poruchová veličina
u(t) je riadiaca veličina (akčný zásah)
y(t) je skutočná hodnota výstupnej veličiny
1.2 Otvorený riadiaci obvod: ovládanie
• Tento druh riadiaceho obvodu sa používa v prípadoch, ak je
vplyv porúch z(t) na riadenú sústavu S zanedbateľný.
• Základným nedostatkom je, že riadiaci systém nedostáva späť
informácie o tom, či správanie riadenej sústavy zodpovedá
želaným požiadavkám.
• Ďalším nedostatkom tohto typu riadenia môže byť to, že pri
poruche v riadenom systéme môže dôjsť k nežiaducej činnosti,
pretože tok riadiacich povelov zostáva často neprerušený.
1.2 Otvorený riadiaci obvod: ovládanie
• K otvoreným systémom riadenia patria aj tzv.
systémy s programovým ovládaním, pričom
program riadenia môže byť pevný alebo
nastaviteľný. Príkladom je napr. programové
riadenie obrábacích strojov, automatické pračky,
ovládania signálnych svetiel semaforov, predajné
automaty a pod.
1.2 Uzavretý riadiaci obvod: regulácia
• V uzavretom systéme riadenia sa bezprostredne meria riadená veličina
y(t), ktorá zahrňuje aj vplyv poruchových veličín z(t), a preto sa pri
vytváraní riadiacej veličiny u(t) vždy zohľadňuje i vplyv poruchových
veličín z(t) – spätná väzba.
• Riadiace pôsobenie u(t) sa najčastejšie vytvára na základe rozdielu
žiadanej hodnoty w(t) od skutočnej hodnoty riadenej veličiny y(t), t.j na
základe regulačnej odchýlky e(t) = w(t) – y(t)
1.2 Uzavretý riadiaci obvod: regulácia
• sa od otvoreného riadiaceho obvodu líši spätnou väzbou medzi
riadenou sústavou S a riadiacim systémom RS.
• Spätnou väzbou dostáva riadiaci systém RS priebežnú informáciu o
stave a výstupe riadenej sústavy S, a tým aj o účinnosti riadenia.
• Využitím spätnej väzby sa podstatne zvyšuje kvalita riadenia v
porovnaní s otvorenými systémami riadenia najmä v podmienkach
náhodných poruchových pôsobení.
1.3 Mechatronické systémy
• Mechatronický systém sa skladá z mechanickej, elektrickej,
riadiacej a výpočtovej časti.
1.3 Mechatronické systémy
• Proces získavania dát začína meraním fyzikálnej veličiny
pomocou senzora (snímač).
• Senzor generuje zvyčajne analógový napäťový signál, ktorý je
následne odoslaný do anológovo-digitálneho prevodníka
(A/D). Výstupom z A/D prevodníka je digitálny signál, ktorý je
vstupom do mikrokontroléra.
• Mikrokontrolér pozostáva s mikroprocesora, pamäte a ďalších
prídavných komponentov. Program v mikroprocesore spracuje
vstupný digitálny signál spolu s ďalšími údajmi a s pomocou
predinštalovaných parametrov určí výstup, ktorý má takisto
formu digitálneho signálu.
1.3 Mechatronické systémy
• Tento výstupný digitálny signál sa prevedie digitálnoanalógovým prevodníkom (D/A) späť na analógový signál.
• Analógový výstupný signál následne riadi činnosti aktuátora
(akčný člen), ktorým sa ovláda príslušné fyzikálne zariadenie
s tým cieľom, aby sa zabezpečila minimálna odchýlka meranej
hodnoty od žiadanej.
• Senzor znovu vykoná nové meranie a celý proces sa opakuje,
čím je ukončená slučka spätnej väzby riadenia.
• Časovanie všetkých operácií je zosynchronizované použitím
vnútorných hodín.
1.3 Mechatronické systémy
1.3 Základné prvky mechatronických
systémov
• Mechanické prvky a akčné členy tvoria energetickú časť
mechatronického systému.
• Senzorické podsystémy a podsystémy spracovania informácie,
riadenia a komunikácie tvoria informačno-riadiaci systém.
1.3 Základné prvky mechatronického
systému
• Pracovná sústava (mechanické prvky, aktuátory, senzory)
zodpovedá za vykonanie všetkých mechanických pohybov a
funkcií. Tie sa sami od seba vykonávať nebudú, preto obsahuje
akčné členy (aktuátory) dodávajúce mechanickú energiu
mechanizmom. Na spätnú kontrolu slúžia senzory (snímače).
• Riadenie: vydáva povely akčným členom na základe signálov
zo senzorov a požiadaviek používateľa.
• Informačné rozhranie: slúži na interakciu človeka so
zariadením a na spojenie s ostatnými technickými sústavami.
1.3 Základné prvky mechatronického
systému
• Pod mechanické prvky resp. mechanizmy nemožno zaradiť iba
čisto mechanické zariadenia, ale aj hydraulické a pneumatické
zariadenia, tepelné systémy, nano a micro mechanizmy a iné.
Sú to všetky prvky, ktorých fyzikálny proces činnosti je cieľom
riadenia.
• Aktuátory sú energetické zdroje, ktoré dodávajú energiu
mechanizmom. Ich činnosť je podmienená práve signálmi
z riadiacej jednotky za účelom vykonania správneho pohybu
mechanizmu. Patria sem elektromechanické pohony,
elektromotory (jednosmerné, striedavé a krokové),
piezoelektrické aktuátory, hydraulické a pneumatické pohony,
micro a nano aktuátory, MEMS systémy a iné.
1.3 Základné prvky mechatronického
systému
• Senzory majú za úlohu merať zvolenú fyzikálnu veličinu v procese
činnosti mechanizmu. Odchýlky skutočných nameraných
a žiadaných hodnôt sú cieľom regulácie za pomoci riadiacich
systémov v spolupráci s aktuátormi. Z charakteru meranej veličiny
sa používajú senzory: polohy, natočenia, zrýchlenia, sily,
krútiaceho momentu, tlaku, prietoku, teploty a iné.
• Riadiace systémy pozostávajú z riadiacich jednotiek
s mikrokontrolérmi, mikroprocesormi, pamäťami a pod. Ich
úlohou je spracovať a vyhodnotiť namerané údaje a podľa
programového nastavenia vydať pokyny pre činnosť aktuátorov.
• Informačné a komunikačné systémy zabezpečujú zber údajov, tok
dát a umožňujú komunikáciu medzi viacerými systémami ako aj
s obsluhou.
1.3 Príklad mechatronického systému
• Rozdiel medzi mechatronickým a nemechatronickým systémom:
inteligentné rozhodovanie a schopnosť prispôsobiť sa zmeneným
požiadavkám alebo situáciám.
• Napr. fotoaparát: jeho konštrukcia bola kedysi založená iba na jemnej optike
a mechanike, kde si musel používateľ nastaviť všetky parametre ručne, a to
najmä clonu, čas uzávierky a citlivosť. Dnešné moderné prístroje to vykonávajú
v automatickom režime všetko za neho, vrátane zaostrenia na snímaný
predmet. Okrem presnej strojárskej technológie obsahujú snímače, akčné
členy (napr. motorčeky), výpočtové prostriedky – teda procesor so softvérom.
1.3 Príklad mechatronického systému
• Napr. elektronické riadenie tlmičov na automobile: kde
mechanickou časťou je zavesenie kolesa s tlmičom s elektronicky
riadeným ventilom. Riadenie vykonáva riadiaca jednotka s
mikrokontrolérom na základe vstupov zo senzorov na podvozku,
na tlmiči samotnom a z riadiaceho panelu vodiča.
1.3 Príklad mechatronického systému
• Ďalšie príklady:
– CNC (Computer Numerical Control) stroje (počítačom riadené
obrábacie stroje),
– technologické automaty, roboty a linky,
– vozidlá s inteligentným rozhodovaním a riadením prevádzky (s
brzdovými sústavami typu ABS, s riadením spaľovacieho
procesu v motoroch),
– v letectve a kozmonautike sú to navigačné systémy,
– spotrebná elektronika,
– mikroelektromechanické (MEMS) systémy,
– lekárske prístroje,
– špeciálna vojenská technika a pod.
1.3 Návrh mechatronického systému
• Pri návrhu mechatronických systémov je potrebné upustiť od
samostatného riešenia jednotlivých prvkov systému ako tomu
bolo v minulosti.
• To znamená, že strojár, automatizér, elektrotechnik
a počítačový inžinier musia od samotného začiatku tvorby
návrhu nového systému úzko spolupracovať.
• V priebehu návrhu by sa mali súčasne analyzovať možnosti
spolupráce mechanických prvkov, pohonov, riadiacich
a informačných systémov.
1.3 Návrh mechatronického systému
• Mal by prebiehať interaktívny návrh subsystémov, overovanie
ich funkčnosti, pohybových a energetických vlastností
simultánne dopredu v priebehu návrhu.
• Celý proces návrhu pritom prebieha na virtuálnych
počítačových modeloch, čím sa zabezpečí rýchla analýza,
úprava a prípadná optimalizácia jednotlivých častí.
• Práve počítačové modelovanie a s tým spojené simulácie sú
v súčasnosti hlavným metódami využívanými pri návrhu
mechatronických systémov.
Modelovanie a simulácia je jednou z hlavných metód
mechatroniky – využitie CAE softvérov.
2. Modelovanie fyzikálnych dejov
•
•
•
•
mechanika tuhých a poddajných telies (pohyb a deformácie),
mechanika tekutín (prúdenie),
termomechanika (prenos tepla, tepelné stroje),
elektrostatika, magnetizmus, multifyzikálne úlohy, ...
Fyzikálne deje možno analyzovať pomocou modelov:
• matematických,
• počítačových,
• experimentálne (fyzické modely).
“Len dve veci sú nekonečné. Vesmír a
ľudská hlúposť, no vesmírom si nie som
istý.”
A. Einstein
2.1 Matematický model
• Softvér: Matlab/Simulink, Mathematica a iné
2.2 Počítačový model
• Výhoda:
– odpadá tvorba a riešenie matematického modelu,
– model sa tvorí v špecializovaných PC programov: CAE.
2.3 Experimentálny model
3. CAE
• CAE – Computer-Aided Engineering
(počítačová podpora inžinierskych prác)
• sú to softvérové podporné systémy pre vývoj a výrobu
produktov
• umožňujú modelovanie a simuláciu fyzikálnych dejov na
geometrických modeloch, ktorých analytické riešenie by bolo
nemožné, prípadne extrémne náročné
3. CAE
• CAE zahŕňa podporu:
–
–
–
–
–
–
–
–
konštruovania CAD
výroby CAM
analýz poddajných a tepelne namáhaných telies FEM
analýz prúdenia CFD
podporné programy pre FEM a CFD
analýz kinematiky a dynamiky tuhých telies
optimalizácie produktov a výroby
elektrotechniky EDA a iné.
3.1 CAD
• CAD predstavujú paletu počítačovo orientovaných nástrojov,
ktoré pomáhajú inžinierom, architektom a iným
profesionálnym dizajnérom
• pôvodne CAD znamenalo Computer-Aided Drafting (prvé CAD
systémy nahrádzali rysovacie dosky)
• v súčasnosti CAD znamená Computer-Aided Design, čo má
naznačiť, že súčasné CAD systémy dokážu ďaleko viac ako len
kresliť
• cieľom CAD je navrhnúť a nakresliť produkty
• taktiež predstavuje nástroj, ktorý vytvára dáta pre iné CAE
systémy
• softvér: AutoCAD, CATIA, Solid Works, Solid Edge, ...
3.1 CAD – stavebníctvo a architektúra
3.1 CAD – strojárstvo
3.1 CAD – strojárstvo
3.1 CAD – strojárstvo
3.1 CAD – strojárstvo
3.1 CAD – strojárstvo
3.2 CAM
• CAM – Computer-Aided Manufacturing
• predstavujú počítačové nástroje, ktoré asistujú inžinierom,
návrhárom nástrojov a foriem ako aj CNC programátorom v
procese výroby a prototypovania výroby
• CAM sú občas integrované spolu s CAD, keďže využívajú
geometriu, ktorú CAD generujú
• vstupom pre CAM sú dáta z CAD – musí byť vyriešený
problém s výmenou dát
• výstupom z CAM sú napr. kódy pre CNC a pod.
3.2 CAM
3.2 CAM
3.3 EDA
• EDA – Electronic Design Automation
• predstavujú počítačové nástroje pre dizajn a návrh
elektronických systémov (obvody, plošné spoje, ...)
• Softvér:
– EPLAN – vytváranie schém elektrotechnických zariadení a ich
vyhodnocovanie s podporou riadiacich systémov, hydraulických,
pneumatických a automatizačných častí
– SPICE, Multisim – analýza obvodov
3.3 EDA
3.3 EDA
3.4 FEM
• FEM – Finite Element Method
• FEA – Finite Element Analysis
• MKP – Metóda Konečných Prvkov
– je počítačovo orientovaná metóda na riešenie parciálnych
diferenciálnych rovníc
– pôvodne bola určená na riešenie problémov v mechanike
poddajných telies
– neskôr sa pridali aj problémy z iných technických oblastí:
termomechanika, elektrostatika, elektromagnetizmus a ich
previazanie (multifyzika)
3.4 FEM
• Softvér:
–
–
–
–
–
ANSYS,
NASTRAN,
MARC,
ABAQUS,
COMSOL, ...
3.4 FEM – mechanika
3.4 FEM – mechanika
3.4 FEM – mechanika
3.4 FEM – mechanika
3.4 FEM – mechanika
3.4 FEM – mechanika
3.4 FEM – termomechanika
3.4 FEM – elektromagnetizmus
3.4 FEM – multifyzika
3.5 CFD
• CFD – Computational Fluid Dynamics
• slúžia na analýzu prúdenia tekutín (kvapalín a plynov)
• bývajú založené na princípoch metódy konečných objemov,
konečných diferencií a konečných prvkov
• výsledkom je získanie priebehu rýchlostí, teplôt, koeficientov
prestupu tepla, ...
• Softvér: CFX, FLUENT (oba kúpené firmou ANSYS)
3.5 CFD
3.5 CFD
3.5 CFD
3.5 CFD
3.5 CFD
3.5 CFD
3.6 Podporné programy pre FEM a CFD
• programy slúžiace najmä na vytváranie kvalitnej resp.
špeciálne orientovanej siete resp. na kvalitnejšie prezeranie
výsledkov – postprocessing
• Softvér: HYPERMESH, ICEM CFD, PATRAN, FEMAP
3.6 Podporné programy pre FEM a CFD
3.6 Podporné programy pre FEM a CFD
3.7 Optimalizácia
• cieľom je zmena tvaru, vlastností alebo iného parametra
skúmanej súčiastky tak, aby z určitého hľadiska výsledok
dosahoval optimálne hodnoty
– napr. čo najnižšia cena, hmotnosť, rovnomerne rozloženie napätí, ...
• optimalizačné nástroje bývajú často súčasťou FEM (MKP)
programov ako je ANSYS (DesignXplorer), NASTRAN, ...
• alebo sú to špecializované softvérové balíky
3.7 Optimalizácia
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
• slúži na analyzovanie sústav viazaných telies z kinematického a
dynamického hľadiska mechaniky
• telesá sa uvažujú dokonale tuhé (poddajnosť telies sa
zanedbáva)
• cieľom je získať priebehy rýchlostí, zrýchlení, síl, momentov, ...
jednotlivých prvkov a komponentov systému
• Softvér: MSC.ADAMS, ANSYS Workbench, ...
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
3.8 Kinematická a dynamická analýza
sústav viazaných telies
4. Obsah predmetu
Prednášky
Mechanika tuhých telies - teória:
• kinematika a dynamika
• zostavovanie pohybových rovníc
Cvičenia
Riešenie a modelovanie úloh na PC:
• Matlab/Simulink
• MSC.Adams
• ich previazanie
4. Obsah predmetu
4.1 Osnova predmetu
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Úvod – mechatronika a CAE.
Kinematika bodu a telesa.
Kinematika – mechanizmy.
Dynamika hmotného bodu a sústavy hmotných bodov.
Geometria hmôt, dynamika telesa.
Laplaceova transformácia, stavový priestor.
Analytická dynamika.
Dynamika sústav viazaných telies.
Pasívne odpory.
Kmitanie hmotného bodu.
Kmitanie s viac stupňami voľnosti.
Záver prednášok, informácie o skúške.
4.2 Podmienky absolvovania
•
Získanie zápočtu:
–
–
–
–
•
Skúška:
–
•
absolvovanie cvičení na PC,
zápočtová písomka alebo projekt č. 1 (15 bodov)
zápočtová písomka alebo projekt č. 2 (15 bodov)
získanie min. 20 bodov
absolvovanie písomnej časti skúšky (príklady + teória):
• podmienka: získanie minimálne 40 bodov zo 70.
Celkový počet bodov na určenie výslednej známky je daný súčtom
bodov z cvičení a oboch častí skúšky.
4.3 Literatúra
•
•
•
•
•
•
Prednášky
Juliš, K. – Brepta, R. a kol.: Mechanika I. díl - Statika a kinematika,
1986
Juliš, K. – Brepta, R. a kol.: Mechanika II. díl – Dynamika, 1986
Jančina, J., Pekárek, F.: Mechanika II. - Kinematika, 1987
Medvec, A., Stradiot, J., Záhorec, O., Caban, S.: Mechanika III. –
Dynamika, 1996
iné zdroje
Ukážky z diplomových prác
Ukážky z diplomových prác
Ukážky z diplomových prác
• Elektronická klinová brzda
Ukážky z diplomových prác
• Aktívna prevodovka riadenia
Ukážky z diplomových prác
• Riadenie škrtiacej klapky (tempomat)
Ukážky z diplomových prác
• Magnetoreologický tlmič (semi-aktívne pruženie)
Ukážky z diplomových prác
• SAW senzor
Ukážky z diplomových prác
• SAW senzor
Ukážky z diplomových prác
• Piezoelektrický aktuátor
Download

CAE mechatronických systémov Prednáška č. 1 Úvod