curs 1_constructia sm

8/2/2019 CURS 1_Constructia SM

1/11


2/11

-2-

1.CONSTRUCIA SISTEMELORMECATRONICE

1.1. Structura i funciile sistemelor mecatronice

Conceptul de Mecatronic este astzi un termen universal, desutilizat, dar pentru care nu s-a formulat nc o definiie unitar, implicndo combinaie de elemente mecanice, electrice/electronice i de software.

n practica inginereasc, dezvoltarea simultani ntreptrunderea atrei domenii diferite: mecanica, electronica i informatica (fig. 1.1) aucondus la definirea unei noi tiine MECATRONICA, care studiazsistemele tehnice complexe - denumite sisteme mecatronice - i

nglobeaz aspecte legate direct de proiectare, fabricaie, management imarketing. Altfel spus Mecatronica este tiina inginereasc n carefuncionalitatea sistemelor tehnice se obine printr-o conexiune strns

ntre componente (elemente constructive) mecanice, electronice i de

prelucrare a datelor.

Fig. 1.1 Definirea domeniului Mecatronicii

Sinteza Mecanic, Electrotehnic, Electronici Software reprezintfora care face posibil pornirea micrii mainilor, iar cerinele asupra


3/11

-3-componentelor n acest domeniu sunt ridicate: s fie mici compacte,rezistente, dinamice, sigure i eficiente. Prin aceaste aspecte conceptulmecatronic aduce evaluri noi pentru construcia de maini (ex.:rezolvarea mecatronic a acionrii).

Dezvoltarea tehnologic din domeniul electronicii concretizat prinapariia circuitelor integrate (mici, ieftine, fiabile - introduse n structuramecanic a unui produs) i din tehnologia informatic prin apariiamicroprocesoarelor (introduse n structurile electromecanice le conferinteligen) alturat tehnologiei mecanice determin obinerea sistemelor

mecatronice de nalt tehnicitate (maini inteligente) cum arat fig. 1.2.

Fig. 1.2 Obinerea sistemelor mecatronice

n general, sistemele tehnice mecatronice (maini, utilaje, aparate,instalaii, dispozitive), ca produse materiale, presupun conversia

calitativ i cantitativ a energiei, materialelor i/sau informaiilor deintrare n mrimi corespunztoare la ieire. Descrierea calitativ ascopului sistemului mecatronic se realizeaz prin relaii ntre parametriide intrare i cei de ieire i se exprim prin transformarea i transmitereaenergiei, materialului i informaiei.

Cele trei tipuri de mrimi: energetice (fore, viteze, puteri), dematerial (mas, greutate, volum, debit) i de informaie (semnale) se

TEHNOLOGIA

ELECTRONIC

MECANIC

INFORMATIC

INDUSTRIAL

MICRO-ELECTRONIC

CIRCUITEINTEGRATE

SISTEMMECANIC

MICRO-PROCESOR

SOFTWARESISTEMM

ECATRONIC


4/11

-4-transmit i se transform prin fluxuri cu funcii bine determinate ce pot fiexprimate matematic (fig.1.3).

Fig. 1.3 Transmiterea fluxului energetic ntr-un sistem mecatronicntre parametrii de intrare i parametrii de ieire se pot defini trei

categoriidelegturi prin:- funcii principale - pentru ntregul sistem;- funciipariale - pentru fiecare subsistem independent din punct

de vedere funcional din structura sistemului mecatronic;- funcii auxiliare - pentru subsisteme i fluxuri care particip

indirect la ndeplinirea funciilor principale.La baza realizrii unui sistem mecatronic SMCT (fig. 1.4) se afl

sistemulmecanicSMi sistemuldeacionare SA pe care sunt montai

traductori (senzori) Tcare transmit semnale la unsistemdecomandicontrol SCC care realizeaz conducerea tuturor funciilor printr-unprogram software de la calculator PC.

Fig. 1.4 Structura unui sistem mecatronic

SCC

SAT TSM

Parametriide intrare

Parametriide ieire

SMCT

Energie

Material

Informaie

ENERGIE

MATERIAL

INFORMAIE

SISTEMMECATRONIC


5/11

-5-La sistemele mecatronice intrrile sunt sub form de energieelectrici informaie (date de la tastatura calculatorului), iar ieirile suntsub form de energiemecanici informaie (rezultate afiate).

Structuraunuisistemmecatronic este compus din:- sistem de programare (microprocesor);- controler: realizeaz corectarea parametrilor cureni fa de cei impui;- amplificator de putere: amplific semnalul;- actuator: transform semnalul corectat n semnal de intrare (moment,

for, vitez);

- sistem mecanic: realizeaz adaptarea parametrilor actuatorului lacerinele funcionale impuse;- senzori: prelucreaz informaia referitoare la parametrii obinui i

transmit semnale controlerului;- dispozitivul de condiionare a semnalelor: prelucreaz semnalele de

intrare n controler.Sistemul mecanic are funcia de a imprima obiectului de lucru

micarea dorit, sistemul de acionare pune n micare elementelesistemului mecanic, iar sistemul de comand i control stabiletesuccesiunea i vitezele micrii elementelor sistemului mecanic. Astfel,funciile pe care le ndeplinesc cele trei tipuri de elemente componente

ale unui sistem mecatronic diferi anume:- elementele constructive mecanice asigurtransportul/transferul de

materiali energie (ex.: transmisii prin curea dinat, friciune, planetare,armonice, cremalier, urub-piuli cu bile; ghidaje de rulare);

- elementele constructive electronice realizeaz transformarea deinformaie sub form de parametri electrici (tensiune, intensitate, etc.)ignornd aspectul energetic cu accent pe fluxul de semnale (ex.: motoareelectrice, microcontrolere, senzori, interfee seriale dintre calculator-sistem de acionare sau calculator-sistem senzorial);

- elementele constructive software guverneaz sistemul prin soft

caracteristic prin programarea microcontrolerelor i/sau conducereadirect a sistemului mecatronic proiectat.

Fig. 6 Schema general a unui sistem clasic mecanic-electronic


6/11

-6-1.2. Construcia i proiectarea sistemului mecanic din

componena produselor mecatroniceUn sistemmecanic poate fi reprezentat simplificat printr-o schem

structural-constructiv care difer de cea funcional prin faptul c suntreprezentate toate elementele constructive componente i interaciuniledintre acestea pentru efectuarea analizei i sintezei structurii respective.Pe aceast schem se pot identifica i alte elemente (cuple pasive, sistemede lgruire, legturi fixe, etc.), iar reprezentrile permit evideniereafluxurilor de micare i cele de for (principale i auxiliare) interne i

externe.Din punct de vedere constructiv sistemele mecanice ale structurilormecatronice sunt formate din ansambluri, subansambluri i elementeconstructive (inclusiv organele de maini) care pot fi identificate peschemele structural-constructive.

Ansamblurile sunt pri structurale independente care ndeplinescroluri funcionale bine definite i au n componen subansambluri ielemente constructive cu forme i poziii determinate de tehnologiile deexecuie, montaj, ntreinere i exploatare.

Un sistem mecatronic complex poate fi alctuit din mai multeansambluri aflate n interaciune prin legturi permanente fixe ntre ele

(legturi interne) i cu mediul ambiant (legturi externe).Subansamblurile sunt structuri independente constituite din cel

puin dou elemente constructive sau din alte subansambluri care nurespect totdeauna funcionalitatea.

Elementele constructive sunt pri componente distincte ale unuisistem mecanic, ansamblu i/sau subansamblu aflate n interaciune.

Dup legturile existente ntre elementele constructive se potdeosebi urmtoarele categorii:

- interaciunifixe: permanente - nedemontabile;- demontabile;

- interaciuni mobile: directe (fr ungere);indirecte (cu ungere).Din punct de vedere funcional, n diferite sisteme mecanice se

regsesc elemente constructive i/sau subansambluri care au funciiidentice sau cvasiidentice, din care cauz s-au dezvoltat algoritmi deproiectare i tehnologii avansate de execuie i montaj. Realizarea unuiprodus care s aib caracteristici funcionale, constructive i de eficienridicate trebuie s includ utilizarea unor subansambluri i elemente


7/11

-7-constructive performante (de ultim generaie) ca forme constructive,materiale i tehnologii de execuie.

Sistemele mecanice din structurile mecatronice au caracteristicidiferite fa de cele din structurile mecanice obinuite datorit attcondiiilor i performanelor funcionale, ct i interferenelor dintresubsistemele componente, astfel:

- rigiditate mrit chiar la mase mici;- reducerea jocurilor i creterea preciziei;- deformaii elastice ct mai mici;

- pierderi prin frecare reduse i randamente mari;- lipsa vibraiilor i zgomotului;- capacitate de amortizare;- stabilitate la variaii de temperatur.Elementeleconstructive din componena sistemelor mecatronice se

pot grupa n trei categorii, dup funcia pe care o ndeplinesc:-active: poziionate pe fluxurile energetice principale;- derezemare: pentru sprijinirea elementelor active (uni-, bi- ,

tridirecional);-delegatur: pentru realizarea asamblrilor,

iar dup gradul de specializare pot fi:

- specifice: proiectate i realizate pentru un singur produs;- specializate: proiectate de firme specializate pentru funcii

aplicabile la mai multe produse.Activitatea de proiectare a sistemelor mecatronice este un proces

complex care nu difer de proiectarea generali const n transpunerea n practic a unei teme impus de beneficiar/utilizator, prin tehnologieadecvat, pentru realizarea unui produs mecatronic.

Scopulproiectrii este de a gsi structurile necesare i adecvatepentru ca produsul realizat s satisfac destinaia cerut. Folosindcunotinele n domeniu, imaginaia i creativitatea proiectantul rezolv

tema propus prin achiziionarea i procesarea datelor, efectuareacalculelor i stabilirea soluiei optime.Obiectivele activitii de proiectare n domeniul mecatronic

urmresc nu doar realizarea practic a sistemului propriu-zis, ci iasigurarea adaptrii produsului pentru creterea eficienei i obinerea debeneficii substaniale. De aceea este necesar perfecionarea continu aactivitii de proiectare prin utilizarea de metode/metodologii noi i


8/11

-8-avansate pentru ca produsul mecatronic realizat s rmn competitiv operioad ct mai ndelungat.

Deoarece sistemele mecatronice au n componen cel puin treicategorii de elemente constructive (mecanice, electrice i informatice)proiectarea n acest domeniu trebuie s mbine elementele specificepentru fiecare dintre acestea folosind surse de informaie din cele maidiferite (rezistena i studiul materialelor, fizica, chimia, mecanica,termodinamica, matematica, electrotehnica, electronica, optica,informatica, tehnologii de fabricaie, tiinele economice, medicin,

design, ergonomie).Proiectarea tradiional cuprinde ca etape succesive conturareastructurii mecanice i ataarea ulterioar a prilor electronice i desoftware ceea ce determin creterea volumului (gabaritului) produsului.De aceea proiectarea mecatronic urmrete nlturarea tendinei de aaborda fiecare parte component separat i necesit o proiectaresimultan i integrat a acestor elemente, ceea ce duce la apariiasoluiilor optime din punctul de vedere al eficienei i performanelor

ntregului sistem mecatronic.Diferene apar i n elaborarea conceptelor i anume:-proiectarea mecanicpermite crearea unor soluii paralele;- proiectarea electronic restrnge varietatea soluiilor datorit

mulimii limitate de componente specifice;- proiectarea software are la baz algoritmi care, n general sunt

singulari pentru problema dat.Eficiena proiectrii se evideniaz prin calitatea i performanele

produsului mecatronic realizat, fiind influenat de factori cum sunt:informaiile n domeniu, metodica de proiectare, echipamentele icondiiile de lucru, managementul procesului de proiectare.

Proiectarea fiecrui element constructiv, subansamblu i ansamblu seface prin efectuarea unor calcule de dimensionare i verificare pe baza

urmtoarelor criterii:- de rezisten: pentru obinerea tensiunilor efective mai mici dectcele admisibile;

- dedeformare: prin limitarea deplasrilor sau rigiditilor efectivela valorile admisibile determinate de condiiile de funcionare corect;

- de stabilitate: prin evitarea condiiilor de apariie a flambajului(elastic sau plastic);


9/11

-9-- de rezonan: prin nesuprapunerea frecvenelor excitaiilor internesau externe peste frecvenele proprii ale structurii;

- de vibraii izgomot: prin analiza rspunsului n frecven i aspectrelor de zgomote;

- de durabilitate: prin evaluarea duratei de funcionare n condiiiimpuse;

- termice: evitarea dilataiilor datorate variaiilor de temperatur ntimpul funcionrii;

- de uzare: evitarea fenomenelor de uzare la contactul ntre suprafee;

- de fiabilitate: prin evaluarea previzional cu indicatori cantitativi.Modelarea este un aspect important care se manifest cu deosebirintre elementele mecanice, electronice i software, astfel:

- funcionarea ansamblurilor mecanice poate fi sugerat printr-unmodel funcional, animaie sau schi n perspectiv;

- utilizarea prii electronice este neleas de specialist princonsultarea unei scheme;

- elementele de programare sunt introduse prin interfaa software.

1.3. Sisteme mecanice specifice construciilor mecatronicen cadrul structurii constructiv-funcionale a unui sistem mecanic o

categorie important este format din transmisiile mecanice care secompun din elemente constructive pentru transmiterea, transformarea iamplificarea semnalelor. Unii parametri de intrare (ex.: vitezele) setransmit i se transform cantitativ (de la o valoare la alta) i calitativ (dinrotaie n translaie sau invers), iar alii (ex.: puterea) se transmit la ovaloare care se menine aproape constant (scade puin datoritrandamentului transmisiei) i se transform calitativ (dintr-o form nalta, ex.: cldur) obinnd parametrii de ieire.

De exemplu, la micarea de rotaie, modificarea vitezei unghiulare

(turaiei) elementului condus (parametrul de ieire) fa de vitezaelementului conductor (parametrul de intrare) se pune n eviden prindefinirea unui raport de transmitere :

in

n= =

1

2

1

2(1.1)

Convenional semnul + sau - se adopt n funcie de sensul demicare a celor dou elemente (acelai sens, respectiv sensuri contrare).


10/11

-10-La micarea de translaie se definete similar raportul de transferntre vitezele liniare :

iv

v=

1

2(1.2)

Clasificarea transmisiilor mecanice se face dup mai multecriterii:

natura contactului ntre elemente:

- cu element intermediar- prin frecare cu element de traciune :

- fr sfrit : - transmisii prin curele- late- trapezoidale- rotunde

- transmisii princabluri- fixat la capete de elementele ntre care transmit

micarea- prin angrenare:

- transmisii prin lanuri- transmisii prin curele dinate

- prin contact direct :

- prin frecare : - transmisiicuroidefriciune- transmisii cuurub de micare- transmisii cu prghii

- prin angrenare: - transmisii cu roi dinate-pinion-cremalier- cilindrice- conice- melcate- elicoidale

- transmisiiplanetare

- transmisiiarmonice natura micrii elementului condus:

- rotaie: transmisii prin curele, cabluri, lanuri, roi de friciune,angrenaje;

- translaie : - transmisii cu cremalier : - pinion - cremalier- melc - cremalier

- transmisii urub - piuli : - cu alunecare ntre spire- cu rostogolire


11/11

-11-- susinereighidare: - lagre : - cu alunecare- cu rostogolire (rulmeni)

- ghidaje : - cu alunecare- cu rostogolire

valoarea mrimii de ieire (raportul de transmitere)

- i = constant i > 1 - transmisii reductoare- i = variabil (variatori) i = 1 - transmisii inversoare

i < 1 - transmisii multiplicatoare.

1.4.Domenii de utilizare a sistemelor mecatroniceDe la automobil, maini de splat, oglinzile pentru chirurgia laser,

controlul suprafeelor cu ajutorul navetelor spaiale, orice sistem mecanicse preteaz la control electronic. Pentru a ndeplini acest lucru, toateaceste sisteme mecatronice depind de interaciunea senzorilor, calculatori actuatori.

Sistemele mecatronice folosesc senzori pentru conversia mrimilormecanice n semnale electrice; senzorii sunt dinamici i uneori trebuie ei

nii modelai. Algoritmii calculatorului comand actuatorii pe bazaieirii senzorului, iar actuatorii transform intrrile electrice n micri

mecanice. De aceea pentru modelarea unui sistem mecatronic trebuie sfie conectate toate aceste subsisteme.

Sistemele mecatronice sunt utilizate n cele mai diferite domenii aletehnicii:-construcia de maini, n special maini-unelte cu comand numeric;-construcia autovehiculelor cu sisteme automate de reglare i control;-construcia roboilor industriali;-tehnica de calcul: echipamente periferice;-aparatura biomedical: roboi chirurgicali;-aparatura militar;-aparatura electrocasnic;-aparate de fotografiat cu reglare automat, camere video;

-tehnica de telecomunicaii;-tehnica construciilor civile i hidrotehnice;-tehnica transporturilor pe terestre, navale i aeriene;-navigaia cosmic.

curs 1_constructia sm

Documents