Post on 13-Jan-2020
transcript
__________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
MEHATRONIKA
Robert HARB
PTUJ, september 2006
__________________________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________
Avtor: Robert HARB
Recenzenta: Anton BEOVIČ, dr. Martin TERBUC
Robert HARB, MEHATRONIKA
3
Predgovor študentom:
Skripta je namenjena študentom, ki se izobražujejo v tehniških poklicih, pa tudi
vsem tistim, ki jih področje avtomatizacije zanima.
Zahvaljujem se g. Zupančiču - ICA d.o.o. FESTO DIDACTIC, za uporabo slikovnega
gradiva.
Nikogar ne moreš nič naučiti,
Lahko mu samo pokažeš pot,
Da bo sam odkril …
Robert HARB
Robert HARB, MEHATRONIKA
4
KAZALO VSEBINE
1. UVOD............................................................................................................................. 12 1.1 Osnovne značilnosti mehatronike........................................................................................ 12
Kaj je mehatronika? ................................................................................................................ 12 1.2 Hiter vpogled v mehatroniko ............................................................................................... 12 1.3 Mehatronika pri izdelavi...................................................................................................... 13 1.4 Mehatronika v izdelku.......................................................................................................... 14 1.5 Uvod v mehatroniko ............................................................................................................. 16
1.5.1 Pojem kibernetike in avtomatizacije ............................................................................................. 16 1.6 Pojem informacije................................................................................................................. 16 1.7 Kibernetika............................................................................................................................ 17 1.8 Informacija in avtomatizacija.............................................................................................. 18
1.8.1 Informacija .................................................................................................................................... 18 1.8.2 Avtomatizacija .............................................................................................................................. 18 1.8.3 Sistem............................................................................................................................................ 18 1.8.4 Stanje sistema................................................................................................................................ 20
1.9 Vstopne in izstopne veličine ................................................................................................. 20 1.10 Nosilci informacij .............................................................................................................. 21 1.11 Pomnilnik ........................................................................................................................... 22 1.12 Vrste signalov .................................................................................................................... 22 1.13 Krmilna tehnika ................................................................................................................ 23 1.14 Regulacijska tehnika ......................................................................................................... 25
2. DIGITALNA LOGIKA.................................................................................................. 27 2.1 Digitalni signal....................................................................................................................... 27
2.1.1 Digitalni-binarni signali ................................................................................................................ 27 2.1.2 Digitalni - desetiški sistem ............................................................................................................ 28
2.2 Številski sestavi (M) .............................................................................................................. 29 2.2.1 Binarni številski sestav.................................................................................................................. 29 2.2.2 Oktalni številski sestav.................................................................................................................. 30 2.2.3 Heksadecimalni številski sestav .................................................................................................... 30 2.2.4 BCD kod in uporaba v krmiljih..................................................................................................... 31
2.3 Kombinacijska logika ........................................................................................................... 32 2.3.1 Logične funkcije............................................................................................................................ 32 2.3.2 Logična zgradba krmilnih vezij..................................................................................................... 32
2.4 Elementi zveze in funkcije.................................................................................................... 33 2.4.1 Logična funkcija IN (AND) .......................................................................................................... 33 2.4.2 Logična funkcija ALI (OR)........................................................................................................... 33 2.4.3 Logična funkcija NE (NOT).......................................................................................................... 34 2.4.4 Logična funkcija NIN (NAND) – kombinacija funkcij IN in NE ................................................. 34 2.4.5 Logična funkcija NALI (NOR) – kombinacija funkcij ALI in NE ............................................... 34 2.4.6 ALI in NE...................................................................................................................................... 34
2.5 Časovni členi.......................................................................................................................... 35 2.5.1 Skrajševanje dolgih pulzov ........................................................................................................... 35
Robert HARB, MEHATRONIKA
5
2.5.2 Podaljševanje kratkih pulzov......................................................................................................... 35 2.5.3 Premaknitev pulza ......................................................................................................................... 36
2.6 Stikalna (boolova) algebra ................................................................................................... 36 2.7 Minimizacija (M) .................................................................................................................. 37
2.7.1 Primer poenostavljanja s pomočjo pravil Boolove algebre ........................................................... 37 2.7.2 Primer poenostavljanja s pomočjo grafičnih metod – Veitchev diagram...................................... 37 2.7.3 Dodatni primeri – poenostavljanje z Veitchevim diagramom....................................................... 39
2.8 Vprašanja iz kibernetike in binarne logike ........................................................................ 41 3. FLUIDNA TEHNIKA................................................................................................... 44
3.1 Osnovni izrazi in definicije................................................................................................... 44 3.2 Osnovne merske enote .......................................................................................................... 45 3.3 Krmilna tehnika v fluidni tehniki........................................................................................ 45
3.3.1 Energetski del krmilja ................................................................................................................... 45 3.3.2 Informacijski del krmilja ............................................................................................................... 46
4. PNEVMATIKA.............................................................................................................. 49 4.1 Tlak - osnovni izrazi ............................................................................................................. 50
4.1.1 Zunanji tlak , nadtlak in absolutni tlak .......................................................................................... 50 4.2 Lastnosti stisnjenega zraka .................................................................................................. 51
4.2.1 Prednosti stisnjenega zraka ........................................................................................................... 51 4.2.2 Pomanjkljivosti stisnjenega zraka ................................................................................................. 52
4.3 Priprava zraka ...................................................................................................................... 52 4.3.1 Vlažnost zraka in sušenje .............................................................................................................. 52 4.3.2 Absorbcijsko sušenje..................................................................................................................... 54 4.3.3 Adsorbcijsko sušenje..................................................................................................................... 55 4.3.4 Sušenje z ohladitvijo ..................................................................................................................... 55
4.4 Enote za pripravo zraka....................................................................................................... 56 4.4.1 Filter .............................................................................................................................................. 57 4.4.2 Regulator tlaka .............................................................................................................................. 58 4.4.3 Naoljevalnik .................................................................................................................................. 59 4.4.4 Pretočna zmogljivost enote za pripravo zraka (M)........................................................................ 60
4.5 Poraba zraka ......................................................................................................................... 62 4.5.1 Kapaciteta kompresorja................................................................................................................. 62 4.5.2 Omrežje - določitev premera cevovodov ...................................................................................... 62 4.5.3 Kriteriji za izbiro kompresorja ...................................................................................................... 66 4.5.4 Velikost rezervoarja (tlačne posode) ............................................................................................. 68 4.5.5 Tesnost .......................................................................................................................................... 69
4.6 Pnevmatične delovne komponente (aktuatorji) ................................................................. 69 4.6.1 Delovne komponente za linearne gibe .......................................................................................... 70
4.6.1.1 Enosmerni valj .......................................................................................................................... 70 4.6.1.2 Dvosmerni valj .......................................................................................................................... 71 4.6.1.3 Linearni pogon (Brezbatični valj) ............................................................................................. 77 4.6.1.4 Tandemski dvosmerni valj ........................................................................................................ 78 4.6.1.5 Večpoložajni dvosmerni valj..................................................................................................... 78 4.6.1.6 Mehast valj ................................................................................................................................ 79 4.6.1.7 Pnevmatska mišica .................................................................................................................... 80
4.6.2 Delovne komponente za rotacijske gibe........................................................................................ 81 4.6.2.1 Zasučna enota z zobato letvijo .................................................................................................. 81 4.6.2.2 Zasučna enota z zasučnim krilom.............................................................................................. 81 4.6.2.3 Zasučno-linearna enota ............................................................................................................. 81
4.7 Pnevmatične krmilne komponente...................................................................................... 82 4.7.1 Potni ventili - krmilniki poti.......................................................................................................... 82
Robert HARB, MEHATRONIKA
6
4.7.1.1 Simbolika potnih in drugih ventilov.......................................................................................... 83 4.7.1.2 Ločevanje potnih ventilov glede na fizično izvedbo ................................................................. 85 4.7.1.3 Ločevanje potnih ventilov glede na število priključkov in položajev ....................................... 87 4.7.1.4 Ločevanje potnih ventilov glede na način proženja .................................................................. 87 4.7.1.5 Ločevanje potnih ventilov glede na stanje mirovnega položaja ................................................ 88 4.7.1.6 Ločevanje potnih ventilov glede na obstojnost preklopljenega položaja .................................. 88
4.7.2 Protipovratni ventili ...................................................................................................................... 90 4.7.3 Tlačni ventili ................................................................................................................................. 90
4.7.3.1 Regulacijski tlačni ventili .......................................................................................................... 90 4.7.3.2 Omejevalni tlačni ventili ........................................................................................................... 90 4.7.3.3 Sekvenčni tlačni ventili ............................................................................................................. 91
4.7.4 Tokovni ventili .............................................................................................................................. 91 4.7.5 Zapirni ventili................................................................................................................................ 92
4.8 Pnevmatične procesne komponente .................................................................................... 92 4.8.1 Pnevmatični logični element ALI.................................................................................................. 92 4.8.2 Pnevmatični logični element IN .................................................................................................... 93 4.8.3 Pnevmatični časovni členi ............................................................................................................. 94
4.8.3.1 Pnevmatični člen za zakasnitev vklopa ..................................................................................... 94 4.8.3.2 Pnevmatični člen za zakasnitev izklopa .................................................................................... 95 4.8.3.3 Pnevmatični člen za podaljševanje pulza .................................................................................. 95 4.8.3.4 Pnevmatični člen za krajšanje pulza.......................................................................................... 96
4.9 Pnevmatične sheme............................................................................................................... 96 4.9.1 Standard ISO 1219- 2.................................................................................................................... 96 4.9.2 Priporočila za risanje pnevmatičnih (hidravličnih) shem .............................................................. 97 4.9.3 Označevanje pnevmatičnih (hidravličnih) shem ......................................................................... 100 4.9.4 Odkrivanje napak v vezjih: ......................................................................................................... 102
4.9.4.1 Diagram pot-korak .................................................................................................................. 102 4.9.5 Načrtovanje zaporednih (koračnih) krmilij ................................................................................. 105
4.9.5.1 Kaskadna minimalna metoda .................................................................................................. 107 4.9.5.2 Kaskadna maksimalna metoda ................................................................................................ 111
4.9.6 Taktna veriga (M) ....................................................................................................................... 113 4.10 Vprašanja iz pnevmatike ................................................................................................ 116
5. ELEKTROPNEVMATIKA ......................................................................................... 120 5.1 Krmilna veriga v elektropnevmatiki ................................................................................. 122
5.1.1 Načini krmiljenja......................................................................................................................... 122 5.2 Električne komponente za oddajanje signalov................................................................. 122
5.2.1 Osnovni tipi kontaktov v elektrotehniki ...................................................................................... 123 5.2.1.1 Zapiralni kontakt – v normalnem stanju odprt ........................................................................ 123 5.2.1.2 Odpiralni kontakt – v normalnem stanju zaprt ........................................................................ 123 5.2.1.3 Menjalni kontakt ..................................................................................................................... 123 5.2.1.4 Časovno odvisni kontakti ........................................................................................................ 124
5.3 Načini aktiviranja kontaktov ............................................................................................. 124 5.3.1 Fizično aktiviranje....................................................................................................................... 124 5.3.2 Mehanično aktiviranje kontaktov................................................................................................ 125 5.3.3 Brezdotično aktiviranje kontaktov .............................................................................................. 126
5.3.3.1 Magnetični mejni signalnik (reed-ov kontakt) ........................................................................ 126 5.3.3.2 Induktivni mejni signalnik (induktivni senzor) ....................................................................... 127 5.3.3.3 Kapacitivni mejni signalnik (kapacitivni senzor) .................................................................... 128 5.3.3.4 Optični mejni signalnik (senzor) ............................................................................................. 128
5.4 Električne sestavine za obdelavo signalov ........................................................................ 130 5.4.1 Rele ............................................................................................................................................. 130
5.4.1.1 Samodržna vezava releja ......................................................................................................... 135 5.4.2 Kontaktor .................................................................................................................................... 135
5.5 Elementi za pretvorbo električnih signalov v pnevmatične signale............................... 137 5.5.1 Elektropnevmatične sheme (M) .................................................................................................. 138
Robert HARB, MEHATRONIKA
7
5.5.2 Primerjava izvedb logičnih funkcij z pnevmatičnimi in električnimi elementi ........................... 142 5.6 Vprašanja iz elektropnevmatike........................................................................................ 144
6. HIDRAVLIČNA KRMILJA........................................................................................ 145 6.1 Zgodovinski razvoj oljne hidravlike.................................................................................. 145 6.2 Področje uporabe................................................................................................................ 146
6.2.1 Stacionarna hidravlika................................................................................................................. 146 6.2.2 Mobilna hidravlika ...................................................................................................................... 147 6.2.3 Letalska hidravlika ...................................................................................................................... 147
6.3 Lastnosti naprav na hidravlični pogon ............................................................................. 148 6.3.1 Prednosti: .................................................................................................................................... 148 6.3.2 Slabosti:....................................................................................................................................... 148
6.4 Teoretične osnove hidromehanike..................................................................................... 148 6.5 Fizikalne lastnosti tekočin .................................................................................................. 150
6.5.1 Gostota ........................................................................................................................................ 150 6.5.2 Stisljivost..................................................................................................................................... 151
6.6 Hidrostatika......................................................................................................................... 152 6.6.1 Hidrostatični tlak ......................................................................................................................... 152 6.6.2 Tlak ............................................................................................................................................. 153 6.6.3 Hidravlično pretvarjanje sil ( Princip hidravlične stiskalnice ) ................................................... 156 6.6.4 Pretvornik tlaka ........................................................................................................................... 158
6.7 Hidrodinamika .................................................................................................................... 158 6.7.1 Enačba kontinuitete ..................................................................................................................... 158 6.7.2 Hidravlična energija .................................................................................................................... 159
6.7.2.1 Bernoullijeva enačba ............................................................................................................... 159 6.7.3 Hidravlični udar .......................................................................................................................... 160 6.7.4 Kavitacija .................................................................................................................................... 160 6.7.5 Hidravlični tok ............................................................................................................................ 161 6.7.6 Hidravlične tekočine – tlačne tekočine........................................................................................ 161 6.7.7 Hidravlične naprave in vezalni plan ............................................................................................ 162 6.7.8 Zasnova hidravlične naprave....................................................................................................... 164
6.8 Zaključek ............................................................................................................................. 166 6.8.1 Vzdrževanje hidravličnih naprav in sistemov ............................................................................. 166 6.8.2 Vzroki okvar................................................................................................................................ 166
6.8.2.1 Nečistoče v hidravličnem sistemu........................................................................................... 166 6.8.2.2 Nedopustna delovna temperatura ............................................................................................ 167 6.8.2.3 Prisotnost plinov v hidravličnem sistemu................................................................................ 167
6.8.3 Vzdrževanje hidravličnih sistemov ............................................................................................. 168 6.8.4 Poznamo naslednje vrste vzdrževanja ......................................................................................... 169
6.8.4.1 Tekoče vzdrževanje:................................................................................................................ 169 6.8.4.2 Preventivno vzdrževanje: .................................................................................................... 170
6.8.5 Obnova hidravličnega sistema..................................................................................................... 173 6.8.5.1 Generalno popravilo hidravličnega sistema ............................................................................ 173
6.8.6 Grafične vizije T P M.................................................................................................................. 174 6.8.7 Zaključek..................................................................................................................................... 178
6.9 Vprašanja iz hidravlike ...................................................................................................... 179 7. Literatura ..................................................................................................................... 182
Robert HARB, MEHATRONIKA
8
KAZALO SLIK Slika 1.1: Kibernetika in avtomatizacija ............................................................................................................... 16 Slika 1.2: Obdelava informacij pri človeku........................................................................................................... 17 Slika 1.3: Kibernetski sistem................................................................................................................................. 19 Slika 1.4: Kibernetski sistem................................................................................................................................. 19 Slika 1.5: Vstopne in izstopne veličine .................................................................................................................. 21 Slika 1.6: Zgradba krmilja .................................................................................................................................... 22 Slika 1.7: Primer predstavitve fizične spremenljivke z različnimi oblikami informacij ........................................ 23 Slika 1.8: Krmilna zanka....................................................................................................................................... 24 Slika 1.9: Primer krmilne zanke za vrtljivo ploščo ............................................................................................... 24 Slika 1.10: Primer krmilne zanke.......................................................................................................................... 24 Slika 1.11: Regulacijska zanka ............................................................................................................................. 25 Slika 1.12: Primer regulacijske zanke za vrtljivo ploščo ...................................................................................... 26 Slika 1.13: Regulacijska zanka za primer ............................................................................................................. 26 Slika 2.1 Primer stikala......................................................................................................................................... 27 Slika 2.2: Ponazoritev analognega in digitalnih signalov .................................................................................... 28 Slika 2.3: Simbol in časovni diagram skrajševanje pulzov ................................................................................... 35 Slika 2.4: Simbol in časovni diagram podaljševanje pulzov ................................................................................. 35 Slika 2.5: Simbol in časovni diagram premaknitve pulza ..................................................................................... 36 Slika 2.6: Primer stikalne algebre......................................................................................................................... 36 Slika 3.1: Merske enote za tlak in temperaturo..................................................................................................... 45 Slika 3.2: Pnevmatično krmilje ............................................................................................................................. 46 Slika 3.3: Blok-shema (grafična predstavitev krmiljenja)..................................................................................... 46 Slika 3.4: Primer hibridnega krmilja - hidravlika in relejna tehnika ................................................................... 47 Slika 4.1: Tlačna področja z osnovnimi izrazi ..................................................................................................... 50 Slika 4.2: Diagram nasičenja zraka z vlago v odvisnosti od T,p.......................................................................... 53 Slika 4.3: Absorbcijsko sušenje............................................................................................................................ 54 Slika 4.4: Adsorbcijsko sušenje s siliko-gelom..................................................................................................... 55 Slika 4.5: Sušenje zraka z ohladitvijo................................................................................................................... 55 Slika 4.6: Enota za pripravo zraka....................................................................................................................... 57 Slika 4.7: Filter zraka .......................................................................................................................................... 58 Slika 4.8: Regulator tlaka .................................................................................................................................... 59 Slika 4.9: Naoljevanje po principu Venturijeve cevi ............................................................................................ 59 Slika 4.10: Naoljevalnik ....................................................................................................................................... 60 Slika 4.11: Diagram za ugotavljanje pretočne zmogljivosti ................................................................................ 61 Slika 4.12: Pnevmatično omrežje ......................................................................................................................... 62 Slika 4.13: Skica omrežja..................................................................................................................................... 64 Slika 4.14: Nomogram za določanje premera cevi .............................................................................................. 64 Slika 4.15: Kompresorji ....................................................................................................................................... 67 Slika 4.16: Tlačna posoda.................................................................................................................................... 68 Slika 4.17: Izgube zraka zaradi netesnosti........................................................................................................... 69 Slika 4.18: Enosmerni valj ................................................................................................................................... 70 Slika 4.19: Sile na enosmernem valju .................................................................................................................. 70 Slika 4.20: Dvosmerni valj................................................................................................................................... 72 Slika 4.21: Nastavljivo končno dušenje v valju.................................................................................................... 72 Slika 4.22: Sile na dvosmernem valju - gib naprej............................................................................................... 72 Slika 4.23: Uravnavanje hitrosti batnice z dušenjem zraka ................................................................................. 73 Slika 4.24: Uporaba hitroodzračevalnega ventila ............................................................................................... 74 Slika 4.25: Sile na dvosmernem valju - gib nazaj ................................................................................................ 74 Slika 4.26: Priporočeni načini pritrditve valjev................................................................................................... 77 Slika 4.27: Linearni pogon................................................................................................................................... 77
Robert HARB, MEHATRONIKA
9
Slika 4.28: Tandemski dvosmerni valj.................................................................................................................. 78 Slika 4.29: Princip delovanja tandemskega dvosmernega valja.......................................................................... 78 Slika 4.30: Večpoložajni dvosmerni valj .............................................................................................................. 79 Slika 4.31: Princip delovanja večpoložajnega dvosmernega valj ........................................................................ 79 Slika 4.32: Mehasti valj ....................................................................................................................................... 79 Slika 4.33: Princip delovanja mehastega valja.................................................................................................... 80 Slika 4.34: Pnevmatska mišica............................................................................................................................. 80 Slika 4.35: Princip delovanja pnevmatske mišice ................................................................................................ 80 Slika 4.36: Zasučna enota z zobato letvijo ........................................................................................................... 81 Slika 4.37: Zasučna enota z zasučnim krilom ...................................................................................................... 81 Slika 4.38: Zasučno – linearna enota................................................................................................................... 82 Slika 4.39: 3/2 sedežni ventil s kroglico............................................................................................................... 86 Slika 4.40: 5/2 vzdolžni drsni ventil ..................................................................................................................... 86 Slika 4.41: Primeri simbolov potnih ventilov....................................................................................................... 87 Slika 4.42: Načini aktivacije potnih ventilov........................................................................................................ 87 Slika 4.43: Ločevanje potnih ventilov glede na osnovno stanje ventila ............................................................... 88 Slika 4.44: Monostabilni ventil s tipko................................................................................................................. 88 Slika 4.45: Pnevmatsko krmiljen bistabilni ventil ................................................................................................ 89 Slika 4.46: Delovanje 3/2 potnega ventila ........................................................................................................... 89 Slika 4.47: Delovanje 5/2 potnega ventila ........................................................................................................... 89 Slika 4.48: Protipovratni ventil............................................................................................................................ 90 Slika 4.49: Simbol omejevalnega tlačnega ventila............................................................................................... 90 Slika 4.50: Simbol sekvenčnega tlačnega ventila................................................................................................. 91 Slika 4.51: Dušilni ventil - dušilka ....................................................................................................................... 91 Slika 4.52: Dušilno protipovratni ventil............................................................................................................... 92 Slika 4.53: Zapirni ventil...................................................................................................................................... 92 Slika 4.54: Pnevmatični logični element ALI ....................................................................................................... 93 Slika 4.55: Primer uporabe ventila ALI ............................................................................................................... 93 Slika 4.56: Pnevmatični logični element IN ......................................................................................................... 93 Slika 4.57: Primer uporabe ventila IN ................................................................................................................. 94 Slika 4.58: Delovanje pnevmatičnega člena za zakasnitev vklopa....................................................................... 94 Slika 4.59: Delovanje pnevmatičnega člena za zakasnitev izklopa...................................................................... 95 Slika 4.60: Delovanje pnevmatičnega člena za podaljševanje pulza ................................................................... 95 Slika 4.61: Delovanje pnevmatičnega člena za krajšanje pulza .......................................................................... 96 Slika 4.62: Nivoji v pnevmatičnih shemah ........................................................................................................... 99 Slika 4.63: Primer pnevmatične sheme z označenimi nivoji ................................................................................ 99 Slika 4.64: Način označevanja pnevmatičnih komponent .................................................................................. 100 Slika 4.65: Primer strukture označevanja pnevmatičnih komponent ................................................................. 101 Slika 4.66: Primer označene pnevmatske sheme................................................................................................ 101 Slika 4.67: Pnevmatična shema za zgled 1 ........................................................................................................ 103 Slika 4.68: Diagram pot-korak za zgled 1.......................................................................................................... 103 Slika 4.69: Primer logičnega pogojevanja v diagramu pot-korak ..................................................................... 103 Slika 4.70: Pnevmatična shema za zgled 2 ........................................................................................................ 104 Slika 4.71: Diagram pot-korak za zgled 2.......................................................................................................... 104 Slika 4.72: Pojav škarjastega signala v 1. koraku ............................................................................................. 105 Slika 4.73: Pojav škarjastega signala v 3. koraku ............................................................................................. 106 Slika 4.74: Diagram pot-korak .......................................................................................................................... 107 Slika 4.75: Zapis logičnih enačb – 1. korak ....................................................................................................... 108 Slika 4.76: Zapis logičnih enačb – 2. korak ....................................................................................................... 108 Slika 4.77: Zapis logičnih enačb – 3. korak ....................................................................................................... 109 Slika 4.78: Jedro pnevmatične sheme pri minimalni metodi.............................................................................. 110 Slika 4.79: Pnevmatična shema po minimalni metodi........................................................................................ 110 Slika 4.80: Zapis logičnih enačb pri maksimalni metodi – 1. korak .................................................................. 111 Slika 4.81: Zapis logičnih enačb pri maksimalni metodi – 2. korak .................................................................. 112 Slika 4.82: Primer taktne verige ........................................................................................................................ 113 Slika 4.83: Primer taktne verige z dodatnimi delovnimi členi ........................................................................... 114 Slika 4.84: Modul tipa A .................................................................................................................................... 114 Slika 4.85: Modul tipa B .................................................................................................................................... 115 Slika 4.86: Izvedba taktne verige s tremi moduli A in enim B ( za 4 korake)..................................................... 115 Slika 5.1: Pnevmatični krmilni sistem ................................................................................................................ 120
Robert HARB, MEHATRONIKA
10
Slika 5.2: Elektropnevmatični krmilni sistem..................................................................................................... 120 Slika 5.3: Elektropnevmatične komponente ....................................................................................................... 121 Slika 5.4: Zapiralni kontakt................................................................................................................................ 123 Slika 5.5: Odpiralni kontakt............................................................................................................................... 123 Slika 5.6: Menjalni kontakt ................................................................................................................................ 124 Slika 5.7: Simboli časovno odvisnih kontaktov .................................................................................................. 124 Slika 5.8: Simboli fizičnega aktiviranja kontaktov............................................................................................. 125 Slika 5.9: Mejna signalnika z drsečim kontaktom in s sprožilnim kontaktom .................................................... 125 Slika 5.10: Primer simbola brezdotičnega mejnega signalnika (optičnega)...................................................... 126 Slika 5.11: Reed-ov kontakt................................................................................................................................ 126 Slika 5.12: Magnetični brezdotični mejni signalnik (reed-ov kontakt)............................................................... 127 Slika 5.13: Induktivni brezdotični mejni signalnik ............................................................................................. 127 Slika 5.14: Kapacitivni brezdotični mejni signalnik........................................................................................... 128 Slika 5.15: Optični brezdotični mejni signalnik ................................................................................................. 128 Slika 5.16: Principi delovanja optičnih mejnih signalnikov............................................................................... 129 Slika 5.17: Stične površine kontaktov releja ...................................................................................................... 131 Slika 5.18: Shema releja z načinom priključitve ................................................................................................ 131 Slika 5.19: Princip delovanja releja .................................................................................................................. 131 Slika 5.20: Primer simbola za rele..................................................................................................................... 132 Slika 5.21: Primer izvedbe releja....................................................................................................................... 133 Slika 5.22: Časovni rele z zakasnilno karakteristiko.......................................................................................... 133 Slika 5.23: Časovni rele s prekinitveno karakteristiko....................................................................................... 133 Slika 5.24: Simboli relejev ................................................................................................................................. 134 Slika 5.25: Vezava s prevladujočim vklopom in vezava prevladujočim izklopom.............................................. 135 Slika 5.26: Konstrukcijska izvedba kontaktorjev in princip delovanja .............................................................. 136 Slika 5.27: Izvedba kontaktorja.......................................................................................................................... 136 Slika 5.28: Simboli kontaktorjev ........................................................................................................................ 136 Slika 5.29: Primer monostabilnega in bistabilnega elektromagnetnega ventila................................................ 137 Slika 5.30: Simbol za elektromagnetni ventil v pnevmatični in električni shemi................................................ 137 Slika 5.31: Primer označene pnevmatične sheme ............................................................................................. 138 Slika 5.32: Primer označene električne sheme.................................................................................................. 139 Slika 5.33: Elektropnevmatična shema za krmiljenje enosmernega valja ......................................................... 140 Slika 5.34: Elektropnevmatična shema za monostabilno krmiljenje enosmernega in dvosmernega valja......... 140 Slika 5.35: Elektropnevmatična shema za bistabilno krmiljenje enosmernega in dvosmernega valja .............. 141 Slika 5.36: Realizacija osnovnih logičnih funkcij s pnevmatičnimi in električnimi komponentami ................... 142 Slika 5.37: Realizacija dodatnih logičnih funkcij s pnevmatičnimi in električnimi komponentami ................... 143 Slika 6.1: Pretvorba in prenos energije v hidravliki .......................................................................................... 145 Slika 6.2: Primer mobilne in stacionarne hidravlike ......................................................................................... 147 Slika 6.3: Delitev hidrodinamike........................................................................................................................ 149 Slika 6.4: Hidravlična naprava.......................................................................................................................... 149 Slika 6.5: Spremembe stanja tekočine................................................................................................................ 150 Slika 6.6: Primeri hidrostatičnega tlaka ............................................................................................................ 152 Slika 6.7: Neodvisnost hidrostatičnega tlaka ..................................................................................................... 152 Slika 6.8: Pascalov zakon .................................................................................................................................. 153 Slika 6.9: Pascalov zakon v okrogli posodi........................................................................................................ 154 Slika 6.10: Diagram sile, tlaka in premera hidravličnega bata......................................................................... 155 Slika 6.11: Obratno sorazmernost hidravlične stiskalnice................................................................................. 156 Slika 6.12: Prikaz delovanja hidravlične stiskalnice ......................................................................................... 157 Slika 6.13: Pretvornik tlaka ............................................................................................................................... 158 Slika 6.14 Prikaz prostorninskega toka v cevovodu........................................................................................... 159 Slika 6.15: Kavitacija......................................................................................................................................... 161 Slika 6.16: Laminarni in turbulentni tok............................................................................................................ 161 Slika 6.17: Zgradba hidravlične naprave .......................................................................................................... 163 Slika 6.18: Vnos signalov pri hidravlični napravi ............................................................................................. 164 Slika 6.19: Funkcijski plan delovanja delovne naprave..................................................................................... 165
Robert HARB, MEHATRONIKA
11
KAZALO TABEL Tabela 1.1: Stanje bolnika .................................................................................................................................... 20 Tabela 2.1: Logična zgradba krmilnih vezij ......................................................................................................... 32 Tabela 2.2: Položaj stikal in žarnice ter ustrezno logično stanje ......................................................................... 32 Tabela 2.3: IN logična funkcija ............................................................................................................................ 33 Tabela 2.4: ALI logična funkcija .......................................................................................................................... 33 Tabela 2.5: NE logična funkcija ........................................................................................................................... 34 Tabela 2.6: NIN logična funkcija.......................................................................................................................... 34 Tabela 2.7: NALI logična funkcija........................................................................................................................ 34 Tabela 3.1: Kriteriji za izbiro med električno, hidravlično in pnevmatično obliko prenosa energije in moči...... 48 Tabela 4.1: Vsebnost vode pri absolutnem tlaku 1 bar ......................................................................................... 54 Tabela 4.2: Premer por filter vložka..................................................................................................................... 57 Tabela 4.3: Vrednosti za ekvivalentno dolžino cevi v metrih ................................................................................ 63 Tabela 4.4: Efektivne zmogljivosti in tlačna območja kompresorjev .................................................................... 66 Tabela 4.5: Vrednosti razmerja tlakov α .............................................................................................................. 75 Tabela 4.6: Vrednosti za V s pri nadtlaku tlaku 6 bar .......................................................................................... 76 Tabela 4.7: Označevanje priključkov.................................................................................................................... 85 Tabela 5.1: Označbe priključkov releja .............................................................................................................. 132 Tabela 5.2: Tabela označb v pnevmatičnih in električnih shemah...................................................................... 138 Tabela 6.1: Vrednosti tlakov v stacionarni hidravliki......................................................................................... 146 Tabela 6.2: Gostota tekočin ................................................................................................................................ 150 Tabela 6.3: Vrednosti modula stisljivosti............................................................................................................ 151
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
12
1. UVOD
Mehatronika je nov način razmišljanja v načrtovanju izdelkov in sistemov, ki omogočajo integracijo precizne mehanike, elektronike, avtomatskega vodenja in informatike v osnovni proces načrtovanja, namesto da bi iskali inženirske rešitve za vsako zahtevo posebej. Trend trga delovne sile zahteva povezovanje znanj strojništva, elektrotehnike, avtomatike, informacijskih tehnologij, ekonomije in menagementa, tehniškega varstva okolja ter jezika inovativnosti in kreativnosti. Kmalu nobena sodobna proizvodnja ne bo več mogla delovati brez strojev, ki delujejo s pomočjo elektronskih krmilnih sistemov in brez avtomatiziranih linij. V mehatronskem načinu načrtovanja spoznamo sistem kot celoto in s tem dosežemo večjo kvaliteto, zanesljivost in funkcionalnost izdelka ob njegovi nižji ceni. S pridobljenimi znanji bodo diplomanti zanimivi za trg dela, saj bodo znali uporabljati znanja iz osnovnih inženirskih disciplin pri obravnavanju kompleksnih razvojnih in tehnoloških problemov, znali bodo načrtovati in krmiliti razvojni in proizvodni proces, se naučili delati v timu in, kar je pomembno, znali reševati probleme v predpisanem času. Strokovnjak mehatronik ni mišljen kot ozek specialist v svoji stroki, ampak kot multidisciplinarno izobražen strokovnjak.
Kaj je mehatronika? Definicija mehatronike: Mehatronika je celota osnovnih znanj, postopkov in tehnik, za vzdrževanje, proizvodnjo in razvoj strojev, naprav in postrojev. Zato je mehatronika interdisciplinarna tehniška disciplina, grajena na osnovnih klasičnih tehniških vedah strojništva (mehanizmi, precizna mehanika, strojegradnja……), elektrotehnike (elektronike……), avtomatskega vodenja (regulacije), računalništva in informatike (slika 1.1 ). Interdisciplinarnost, oziroma povezava vseh prej naštetih komponent mehatronike, nam daje večjo kvaliteto izdelka, zanesljivost, funkcionalnost in tudi nižjo ceno, kot jo imajo izdelki grajeni s klasičnimi znanji samo strojništva ali elektrotehnike itd.
20. stoletje označuje velik tehnološki in znanstveni napredek. Začelo se je z razvojem kompleksnih, natančnih in hitrih produkcijskih strojev v industriji, in nadaljevalo s prodiranjem elektronike in informatike v industrijo, s ciljem povečati avtomatizacijo. Industrijska evolucija je naredila nov korak, saj je z razvojem mikroprocesorjev in njihovo vsesplošno uporabnostjo, z nanotehnologijo ter razvojem programskih orodij, omogočila uresničitev izdelave zahtevnih in kompleksnih sistemov, ki so bili tudi ekonomsko upravičeni. Konec stoletja je označilo spoznanje, da je potrebno zliti različne tehnologije, še posebej mehaniko, elektroniko in informacijsko tehnologijo oziroma inteligentno računalniško vodenje (kar nekako simbolno prikazuje slika 1.1), v eno, sinergijsko zaokroženo celoto.
Slika 1: Definicija mehatronike
1.1 Osnovne značilnosti mehatronike
1.2 Hiter vpogled v mehatroniko
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
13
Mehatronika povezuje vedenje klasičnih disciplin v smislu funkcionalnosti novih izdelkov, ki jo dosegamo z računalništvom in informatiko. Ime definirata »meha«, ki se nanaša na tehnične komponente in »tronika«, ki ima pomen inteligentnega vodenja postopkov. V proizvode in sisteme, ki jih sestavljajo mehanski in elektronski deli ali sklopi, so vključeni senzorji za zapis informacij, mikroprocesorji, ki dajejo informacijo o procesu in analizirajo informacije.
STROJNIŠTVO
ELEKTRONIKA RAČUNALNIŠTVO
TEHNOLOGIJE FINANCE MANAGMENT
IZOBRAŽEVANJE PRAKSA MARKETING
Slika 2 : Elementi mehatronike V tehniki zagotovo ni več področja, ki bi si ga lahko predstavljali brez računalniško podprtih sistemov, morda ne računalnik v klasični obliki, pač pa je vezje ki je vgrajeno v sistem, relativno majhnih dimenzij. Lahko je to otroška igrača, mobilni telefon, kamera, CNC stroj, avtomobil, robot. Nov pogled na sodobne naprave, ki so sposobne hitrega prilagajanja zahtevam in doseganju maksimuma učinkov s pomočjo nadzora in upravljanja z računalnikom ob minimalnih stroških, je privedel do t.i. obdobja mehatronike ali »mechatronics age«. Kjerkoli iščemo zapise o mehatroniki, zasledimo besede očeta mechanism elektronicsa ali danes imenovane mehatronike, Japonca Yaskawe, ki označujejo pomembnost mehatronike takole: »Tovarne, ki uporabljajo to tehnologijo niso tovarne prihodnosti, temveč tovarne s prihodnostjo.« In čeprav šole niso tovarne v smislu proizvajanja in trženja izdelkov oprijemljive vrednosti, so pa še vedno tiste organizacije, ki proizvajajo znanje, ki bi naj služilo sodobnemu času. Ime mehatronika se je pojavilo v 70-ih letih prejšnjega stoletja na Japonskem. Zgledi mehatronskih izdelkov so proizvodi kot so video kamere, moderni fotokopirni stroji, uporabniško in okoljevarstveno prijazni novi pralni stroji, avtomobili na električni pogon. Dejansko posegajo moderni mehatronski izdelki v vse pore naše tehnične civilizacije, kot so: kemična procesna industrija, kovinsko-predelovalna industrija, tekstilna industrija. Nadaljnje raziskave podobnih primerov novih proizvodov nam pokažejo, da mehatronika ne predstavlja samo sinergije znanj klasičnih disciplin, ampak omogoča zasnovo, načrtovanje in gradnjo funkcionalno novih proizvodov. Razvoj mehatronskih izdelkov je shematsko predstavljen na sliki 1.2. Enako pomembna, kot je kvalitetna, cenena in pravočasna produkcija v tovarni, je tudi pravilno in trenutni ekonomski situaciji prilagojeno načrtovanje izdelka, kakor tudi marketing, oziroma tržna raziskava po kakšni ceni, ob kakšni kvaliteti in kdaj bo tržišče absorbiralo izdelek.
V izdelovalni industriji si želijo produkcijskih sistemov, ki bi bili možni hitrega prilagajanja tržnim pogojem in visoki produktivnosti. Obstajata dva načina:
ročna izdelava, ki je ob dobri delovni sili zelo fleksibilna (prilagodljiva) vendar počasna in s tem draga,
masovna avtomatizirana produkcija pa je nefleksibilna ampak hitra in cenena. Mehatronski pristop k reševanju tega problema je, da naredi masovno avtomatizirano proizvodnjo lažje preprogramabilno, kar se da doseči z uvedbo računalnikov, distribuiranih regulatorjev, razvito računalniško komunikacijo itd. Zahteva po povečani fleksibilnosti izdelavnega procesa je vodila do
1.3 Mehatronika pri izdelavi
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
14
razvoja fleksibilnega izdelavnega sistema (angl. Flexible Manufacturing system - FMS), katerega sestavni elementi so: CNC stroji, roboti in mobilni roboti (angl. Automated guided vehicle - AGV). Ti elementi povezani med seboj izdelujejo v proizvodnem procesu grupo izdelkov (vsi možni izdelki, ki jih lahko izdeluje zaključeno postrojenje FMS). Komunikacija med posameznimi elementi FMS je vspostavljena preko lokalnega področja mrež (angl. Local Area Nwetwork - LAN) . Z naraščajočo avtomatizacijo oziroma razširitvijo FMS ja narašča tudi potreba po komunikacijah med elementi FMS-ja. Tako so se znotraj LAN-a razvili še dodatni protokoli, kot so protokol izdelavne avtomatizacije (angl. Manufacturing Automation Protocol - MAP), protokol tehniških pisarn (angl. Technical Office Protokol - TOP), standard povezave med odprtimi sistemi (angl. Open System standard - OSI) in regulirano področje mrež (Controlled Area Network - CAN). Slika 3 prikazuje sistem hierarhije komunikacij znotraj FMS-ja.
Slika 3 : sistem hierarhije komunikacij znotraj FMS-ja.
Ločimo dve vrsti mehatronskih izdelkov: 1. Izdeleku zaradi mehatronskega pristopa izboljšamo lastnosti in zmanjšamo ceno: avtomatski menjalniki v avtomobilih (zmanjšanje emisij plinov, zaščita pred napako voznika itd), kamere (avtomatska nastavitev fokusa), vrtalniki (nastavitev momenta vrtanja, reguliran pospešek, hitrost vrtanja itd). 2. Popolnoma nov izdelek, ki ga brez mehatronskega pristopa sploh ne bi bilo mogoč zgraditi: modularni roboti (konvencionalni roboti so omejeni s svojo geometrijo, modularni roboti pa uporabniku omogočajo izbiro dimenzij posameznih osi robota, kot jim ustreza. Seveda mora biti robotski krmilnik dovolj »inteligenten«, da spozna spremembo v konfiguraciji robota. Slika 4 prikazuje celico modularnega robota.), avtopiloti, video in CD player-ji…
1.4 Mehatronika v izdelku
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
15
Slika 4 : celica modularnega robota
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
16
Izvor imena izhaja iz starogrškega jezika (KIBERNETIKE TEHNE) in pomeni veščino
krmarjenja, krmilno spretnost.
Slika 1.1: Kibernetika in avtomatizacija
Krmilimo lahko:
• ladjo,
• letalo,
• vesoljsko plovilo,
• avto,
• napravo za uravnavanje gladine v parnem kotu,
• gospodarstvo države,
• gibanje vojaških enot,
• itd.
Za vse vrste krmiljenja veljajo neke osnovne skupne zakonitosti, te obravnavamo kot novo znanost- kibernetiko.
V zadnjih desetletjih se je posebno razvila veja tehnike, ki se ukvarja z obdelavo
informacij. To področje tehnike smo v preteklosti kar enačili z pojmom avtomatizacija, v novejšem času pa s pojmom računalniške tehnike. Pojem »avtomatizacija« združuje področja, kot so: krmilna tehnika, regulacijska tehnika, tehnika prenosa informacij, merilna tehnika in področje strojne obdelave informacij (z računalniki).
1.5 Uvod v mehatroniko
1.5.1 Pojem kibernetike in avtomatizacije
1.6 Pojem informacije
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
17
Kot uvodni primer si oglejmo obdelavo informacij pri človeku. O človeku, ki ima nadpovprečno veliko znanja in veliko ve, govorimo, da je »dobro informiran«. S tem smo se dotaknili nekega procesa, ki mu je človek izpostavljen od rojstva dalje: postopka obdelave informacij. Kot kaže slika 1.2, pritekajo v človeka informacije prek njegovih petih čutov. Človek po nekih zakonih te informacije »obdela« in si jih hkrati zapomni, uskladišči. Po potrebi jih lahko spet »odpokliče«, ne da bi pri tem informacije »izbrisal«, to je izgubil iz spomina. Na osnovi teh informacij deluje človek kot osebnost na svojo okolico in sicer z govorom, gibanjem in mimiko. Človek deluje na okolico, jo obdeluje, le-ta pa deluje spet nazaj nanj. Tokokrog je zaključen in stalen.
Slika 1.2: Obdelava informacij pri človeku
je znanost, ki povezuje številne, zelo različne znanstvene panoge, raziskuje zakonitosti regulacijskih procesov, prenašanje informacij in njihove obdelave pri strojih, organizmih in družbah,
razcvet je doživela po letu 1984 z razvojem avtomatizacije in nove tehnološke revolucije.
stoji na idejah in metodah, ki ima naslednje cilje: • ugotoviti važna dejstva, splošna za vse upravljalne sisteme. Kot v vsaki teoriji so
podatki o dejstvih njen najvažnejši sestavni del kot osnova za postavljanje hipotez, ustvarjanje teorij in utrjevanje zakonitosti,
• pokazati omejitve, ki so značilne za upravljalne sisteme in ugotoviti njihovo poreklo,
• ugotoviti splošne zakone, kakršnim so podvrženi upravljalne sisteme, • pokazati na poti uporabe dejstev in zakonitosti, ki ustvarjajo teorijo zaradi
praktične dejavnosti človeka. Teorija sama po sebi namreč ne zagotavlja
1.7 Kibernetika
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
18
rešitev neposredno uporabnih nalog. Zato je potrebno zgraditi most med teorijo in uporabnimi metodami reševanja nalog in pri tem upoštevati specifične lastnosti določenih vrst upravljalnih sistemov. Zato imamo tehnično kibernetiko, ekonomsko, biološko …
• pomeni razlago, pojasnitev, sporočilo,
• samo pojem informacije običajno predstavlja obstoj dveh objektov: vira informacije in njenega porabnika,
• informacijo od vira do uporabnika prenaša signal (npr. zvok, svetloba, elektromagnetno valovanje, spremenljiva električna napetost,…), ki ima za uporabnika vedno nek smisel, če ga le-ta pozna.
• je obdelava informacij v tehniki,
• pojem avtomatizacije združuje področja kot so: krmilna tehnika, tehnika prenosa informacij, merilna tehnika in področje strojne obdelave informacij (računalništvo).
• sistem (združitev, celota) je celotni kompleks med seboj povezanih enot, ki ima
določeno zgradbo in je v medsebojnem stiku z okolico (npr. ladja),
• sisteme je potrebno obravnavati in opazovati v njihovem gibanju in razvoju, kajti le tako lahko ugotovimo tiste njihove lastnosti, ki so pomembne za prilagajanje spreminjajoči se okolici (za varno plovbo je zelo pomembno, kako hitro lahko krmilo spremeni smer plovbe ladje, da z njo ne zadenemo v čeri ali neprevidnega plavalca),
• stabilnost je lastnost teles, ki se kaže v njihovi delovni sposobnosti ali celo možnosti dolge življenjske dobe,
• kibernetika ne proučuje vse sisteme, temveč samo upravljalne sisteme. Pri upravljanju izberemo med množico možnih gibanj tisto, ki je najustreznejše. Pri tem moramo upoštevati povezavo sistema z okoljem (npr. ladja),
• kibernetski sistemi niso izolirani, temveč so v medsebojnem vplivanju z okolico, lahko pa so tudi le del bolj zapletenega upravljanega sistema,
• značilna lastnost upravljanega sistema je sposobnost, da spreminja svoje gibanje in prehaja v različna stanja pod vplivom različnih delovanj (npr. ladja),
• vsak kibernetski sistem označuje lastnosti tistih delov, ki ta sistem sestavljajo, in povezave danega sistema z okolico.
1.8 Informacija in avtomatizacija
1.8.1 Informacija
1.8.2 Avtomatizacija
1.8.3 Sistem
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
19
okolje
sistem
meja sistema
interakcija z okoljemokoljem
komponenta
relacija medkomponentama
interakcija z okoljem
Slika 1.3: Kibernetski sistem
Kaj je sistem ?
• sistem je množica komponent, ki jih vežejo medsebojne relacije in relacije z okoljem,
• sistem ima določeno notranjo strukturo, ki je določena z napravami, enotami komponentami in relacijami,
• vsaka komponenta ima določene značilnosti,
• relacije z okoljem predstavljajo interakcijo komponent z okoljem,
• interakcije se odražajo v izmenjavi materije, energije ali informacij,
• kaj je zunaj sistema in kaj je znotraj sistema opredeljujejo meje sistema, ki ločijo sistem od okolja,
• relacijam iz okolja, ki imajo vpliv na posamezne komponente sistema, pravimo vhodi v sistem u(t), relacijam, ki vplivajo na okolje, pa pravimo izhodi iz sistema x(t).
Slika 1.4: Kibernetski sistem
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
20
Stanje sistema je množica velikosti veličin, ki določajo njegovo obnašanje. Te
veličine nam omogočajo primerjanje stanj posameznih sistemov ali stanja istega sistema v raznih trenutkih:
• če naštevamo velikosti veličin, ki določajo stanje sistema v določenih trenutkih in dajo seznam njihovih vrednosti, lahko niz stanj sistema predstavimo tabelarično (npr. stanje bolnika). To nam prikazuje tabela 1.1 .
• stanje sistema pa lahko ponazorimo tudi grafično.
• če stanje sistema določajo le tri veličine, ga lahko opišemo s točko v tridimenzionalnem prostoru.
Datum in čas Temperatura (°C) Krvni tlak (kPa) največji najmanjši
07.02. ob 9h 37,8 25,33 16,00
08.02. ob 9h 37,6 24,00 16,00
09.02. ob 9h 37,4 22,66 12,67
10.02. ob 9h 37,0 22,00 12,00
11.02. ob 9h 37,1 23,33 13,33
12.02. ob 9h 37,6 24,00 13,33
13.02. ob 9h 37,5 22,66 12,00
14.02. ob 9h 37,1 21,33 12,00
Tabela 1.1: Stanje bolnika
Na vsak sistem deluje množica raznih zunanjih delovanj, vendar vsa niso
bistvena. Iz množice vseh delovanj na sistem izberemo samo tista, ki bistveno vplivajo na stanje sistema pri reševanju nalog. Ta zunanja delovanja imenujemo vstopne veličine ali vstopna delovanja, elemente sisteme, na katere delujejo vstopna delovanja, pa vhode sistema.
Delovanje sistema na okolico označujejo vrednosti njegovih izstopnih veličin.
Množica izstopnih veličin in njegovih sprememb kaže obnašanje sistema (omogočajo zunanjemu opazovalcu, da ocenjuje skladnost gibanja sistema s cilji upravljanja).
Spremembe vstopnih veličin praviloma povzroči spremembo izstopnih veličin. Vendar se izstopne veličine ne spremene vedno takoj, včasih celo z zamudo. V nobenem primeru pa ne morejo prehiteti spremembe vstopnih veličin. Te so namreč vzrok, izstopne veličine pa posledica gibanja sistema. Pri reševanju nalog razlikujemo dve vrsti vstopnih veličin:
a) upravljalna
1.8.4 Stanje sistema
1.9 Vstopne in izstopne veličine
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
21
b) motilna delovanja.
Med upravljalne veličine štejemo tiste, ki jih sami izbiramo glede na gibanje sistema, ki ga upravljamo. Motilna delovanja pa so druga delovanja na sistem (npr. vpliv vetra).
Vhodne veličine INPUT x(+) - zaznamujejo vpliv okolice na sistem. Izhodne veličine OUTPUT y(+) - zaznamujejo vpliv sistema na okolico. Motnje Z(t) - so nepredvideni vplivi okolice na sistem.
SISTEMX1X2
Xn Yn
Y2Y1
Z1 Z2 Zn
Motilne veličine
Izhodne veličine
Vhodne veličine
Slika 1.5: Vstopne in izstopne veličine
Nosilce informacij imenujemo SIGNALI, to pa so lahko: zvok, svetloba električni
tok, toplota, barve, liki,… Signal je fizikalna upodobitev nekega sporočila in je nosilec informacije, ki gre v obdelavo. Signale lahko prenašamo:
• na razdalje (povezujemo prostorsko ločene objekte),
• shranjujemo in jih prenašamo s časom (možna je povezava časovno ločenih objektov).
Pri tehničnih krmiljih posredujemo informacijo preko dajalnikov signalov. To so
lahko: končno stikalo, fotocelica, tahometrični generator, termometri… Vsi ti zajemajo informacijo o neki fizikalni veličini (lega, svetlobni tok, vrtilna hitrost, temperatura… ) in jo v obliki nekega ustreznega signala posredujejo (transportirajo) navadno oddaljeni krmilni enoti v nadaljnjo obdelavo. Vsebuje tri osnovne postopke:
• MERITEV vhodnih veličin z namenom dobiti informacije o stanju teh veličin,
• OBDELAVO teh informacij z namenom dobiti odločitev,
• IZHOD UKAZOV za delovanje na priključen upravljalni sistem z namenom nekaj doseči.
Tako kot posreduje pri človeku njegovih pet čutov informacije o vhodnih
veličinah, moramo tudi pri tehničnih krmiljih posredovati informacijo, in sicer prek
1.10 Nosilci informacij
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
22
dajalnikov signalov. Takšni dajalniki so npr. končna stikala, fotocelice, termoelementi, itd, ki zajemajo informacijo o določenih fizikalnih veličinah (lego, svetlobni tok, vrtilno hitrost, temperaturo) in jo v obliki ustreznega signala posredujejo krmilni enoti v nadaljnjo obdelavo.
Obdelava signalov
V1
Vhodi
D1
D2O1
Izhodi V2
I1
Okolje
Slika 1.6: Zgradba krmilja
Zgradba krmilja: V- vhodne veličine D – dajalnik signalov I – izhodne veličine O – ojačevalnik izhodnega signala
Ker moramo pogosto povezovati časovno ločene sisteme, moramo imeti v
kanalih zvez rezervoarje – pomnilnike, kjer bi lahko hranili sporočilo (informacijo ali signal).
Za ohranitev sporočila je potrebno pretvoriti realne signale, ki se menjajo glede na prostor in čas v sled signala, ki ni odvisen od časa. Zato potrebujemo okolico (nosilnik) sporočil, ki mora dano informacijo vzdrževati kot sled poljubno dolgo časa, ne glede na to, da je zunanji signal že izginil. Ta okolica se imenuje pomnilnik (npr. magnetni trak, fotografska plošča, ter za binarne signale luknjane kartice in trakovi, integrirana spominska vezja… ).
Razlikujemo dve osnovni vrsti signalov:
• analogni (kontinuiran-nepretrgan) in
• digitalni (diskontinuiran).
Digitalni je npr. izhodni signal končnega stikala pri dvigalu, ki s svojimi odprtimi ali
sklenjenimi kontakti informira krmilno enoto, če je končna lega mehanskega giba dosežena ali ne. Izhodni signal ima lahko v tem primeru le dve vrednosti, zato je ta digitalni signal dvojiški ali binarni. Če pa bi nas zanimale tudi vse vmesne lege (položaji) tega sistema, bi morali namesto končnega stikala vzeti npr. linearni potenciometer. Drsnik potenciometra bi mehansko priključili na gibljivi sistem. Lega potenciometrovega drsnika in s tem spreminjajoča se ohmska upornost potenciometra, bi potem analogno ponazarjala lego mehanskega sistema. Potenciometer je v tem primeru dajalnik analognega signala. Analogni signal s
1.11 Pomnilnik
1.12 Vrste signalov
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
23
svojo amplitudo in predznakom časovno zvezo ponazarja veličino, ki jo hočemo zajeti.
Analogni signal s svojo amplitudo in predznakom časovno zvezo upodablja veličino, ki jo hočemo obdelati.
Digitalni signal, ki ponazarja števila (npr. digitalna ura) so točnejši, prednost digitalnih merjenj pa se kaže tudi pri prenosu merilne informacije na oddaljena mesta (torej vedno pri krmiljih in regulacijah). Analogni signali so namreč vedno podvrženi motilnim vplivom, ki jih napravijo več ali manj netočne, so pa prijazni za človeka in njegova čutila.
Na naslednji sliki so predstavljene časovne odvisnosti analognega, digitalnega in
binarnega signala.
Signal - fizična spremenljivka
Tlak
Polo
žaj k
azal
ca
Prik
azov
alni
kTl
ak
Da
Ne
Napajalni tlak
Tlak [bar]
Analogna informacija
Digitalna informacija
Binarna informacija (2 stanji)
Slika 1.7: Primer predstavitve fizične spremenljivke z različnimi oblikami informacij
Pri krmiljenju sprejema krmilna naprava oz. krmilnik vhodne želene vrednosti
veličin, na svojem izhodu pa daje krmilne signale za vplivanje na proces. Značilno za krmiljenje je odprt postopek delovanja. Na izhodne veličine vplivajo vhodne in motilne veličine. Motnje vnašajo v krmilni sistem napake, ki se kažejo kot odstopanje dejanske vrednosti krmiljene veličine od želene vrednosti. Torej, če se v danem trenutku pojavi motnja, njen vpliv izničimo tako, da ustrezno korigiramo želeno vrednost krmiljene veličine.
1.13 Krmilna tehnika
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
24
KRMILNIK
Želena vrednost krmiljene veličine
PROCES
Dejanska vrednost krmiljene veličine
x(t)u(t)
MOTNJE
Slika 1.8: Krmilna zanka
Slika 1.9: Primer krmilne zanke za vrtljivo ploščo
Na sliki 1.9 je prikazan primer krmilnega sistema pri katerem krmilimo kotno hitrost vrtljive plošče (npr. akumulatorska brusilka). Želeno vrednost kotne hitrosti predstavlja napetost, ki jo na ojačevalnik pripeljemo iz spremenljivega vira napetosti. Na primer napetost od 0V do 10V predstavlja želeno vrednost kotne hitrosti od 0 vrt./min do 1000 vrt./min.
V primeru, da vrtljivo ploščo obremenimo (začnemo rezati pločevino) ob tem pa
ostane želena vrednost nespremenjena, se kotna hitrost plošče zmanjša. V tem primeru nam motnjo predstavlja obremenitev. Če bi želeli, da se plošča vrti z enako kotno hitrostjo tudi po obremenitvi, bi morali povečati želeno vrednost na vhodu s katero bi kompenzirali zmanjšanje kotne hitrosti zaradi obremenitve.
Slika 1.10: Primer krmilne zanke
Iz slike 1.10 vidimo, da krmilni sistem nima zaključene povratne zanke s katero bi dobival informacije o tem kaj se dogaja na izhodu. Pri krmilni tehniki nastavimo želeno vrednost, ne moremo pa vedeti, če je izhod pravilen, ker ga ne merimo in ga zato ne moremo korigirati. Iz tega izhaja, da če se v procesu pojavljajo motnje, krmilje ni sposobno samodejno vzdrževati nastavljene želene vrednosti.
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
25
Krmilne zanke so uporabne za vzdrževanje vrednosti določenih veličin (hitrost, položaj, ...) tam, kjer ni visokih zahtev po natančnosti in v obravnavanem procesu ni prisotnih večjih motenj.
Slika 1.11 prikazuje zgradbo regulacijske zanke. Le ta se od krmilne zanke razlikuje
v tem, da dejansko vrednost regulirane veličine merimo in jo posredujemo na vhod regulacijske zanke. Vrednost odstopanja - e(t) (regulacijski pogrešek) dejanske vrednosti regulirane veličine x(t) od želene vrednosti u(t) posredujemo regulatorju. Le ta ima nalogo, da tvori takšen signal, da bo dejanska vrednost regulirane veličine čimprej in z čim manjšimi odstopanji dosegla želene vrednosti regulirane veličine.
Poznamo več tipov regulatorjev, katerega izberemo pa je odvisno od vrste
procesa kateremu reguliramo določene veličine, od tega kako hitro in s kakšno natančnosjo je potrebno doseči želeno vrednost, itd. Teorija regulacij je zelo obsežna tema, zato smo se na tem mestu seznanili le z bistvenim pomenom regulacijske tehnike.
REGULATOR
Želena vrednost
regulirane veličine
PROCES
Dejanska vrednost
regulirane veličine
x(t)u(t)
MOTNJE
MERILNA PRIPRAVA
e(t)
+ _
Slika 1.11: Regulacijska zanka
Primer na sliki 1.12 prikazuje regulacijsko zanko z enostavnim regulatorjem. V tem primeru predstavlja regulator ojačevalec, ki ojačačuje razliko med dejansko in želeno vrednostjo kotne hitrosti. Da regulacijska zanka deluje pravilno, moramo izbrati ustrezno ojačanje ojačevalca. Če je ojačanje premajhno, regulator ne bo sposoben odpravljati vpliva motenj in nenadnih sprememb želenih vrednosti. V primeru, da je ojačenje preveliko pa bo sistem postal nestabilen – v našem primeru bi to pomenilo nihanje vrednosti kotne hitrosti.
1.14 Regulacijska tehnika
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
26
Slika 1.12: Primer regulacijske zanke za vrtljivo ploščo
Slika 1.13 shematsko prikazuje regulacijsko zanko za zgoraj naveden primer.
Slika 1.13: Regulacijska zanka za primer
Razlika med krmilno in regulacijsko tehniko je torej ta, da pri regulacijski tehniki
izhodne vrednosti merimo in z njihovo pomočjo lahko korigiramo morebitne motnje v sistemu, pri krmilni pa jih ne merimo in zato krmilna zanka ni odporna na motnje.
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
27
2. DIGITALNA LOGIKA
Najpogostejši digitalni signali so:
• binarni in • desetiški.
So največkrat v uporabi. Amplituda binarnega signala ima v nekem času lahko
samo eno od dveh možnih vrednosti:
• ENA (1) je, obstaja in • NIČ (0) ni, ne obstaja.
Stanja lahko ponazorimo tudi z ustreznima legama kontakta električnega stikala:
• stikalo je vklopljeno (ENA) in • stikalo je izklopljeno (NIČ).
Druge vmesne možnosti ni. Sprememba binarnega signala iz ene vrednosti v
drugo pomeni sporočilo, informacijo. Obravnavamo jo kot enoto informacije in jo označujemo z besedo »bit«.
logična vrednost
t0
stikalo sklenjeno
stikalo razklenjeno
100 % - 1
0 % - 0
Slika 2.1 Primer stikala
2.1 Digitalni signal
2.1.1 Digitalni-binarni signali
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
28
V desetiškem (decimalnem, dekadnem) številčnem sistemu imamo deset
digitalnih vrednosti, ki jih označujemo z znaki 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 in 9.
Slika 2.2: Ponazoritev analognega in digitalnih signalov
V krmilni tehniki, v tehniki prenosa informacij ter v računalnikih ima obdelava
digitalnih signalov, točneje binarnih signalov, izrazite prednosti:
• Obdelava binarnih signalov je bolj zanesljiva. Ker ima binarni signal le dve vrednosti; JE (1) ali NI (0), zato informacijska vsebina signala ni odvisna od amplitude; kot je npr. pri analognih signalih, temveč le od tega, ali signal je ali pa ga ni.
• Obdelava binarnih signalov je bolj točna. Pri digitalnih signalih lahko odstopanje ugotovimo z enostavnim preštevanjem pulzov. Pri analognih signalih moramo že pri majhnih odstopanjih ~1% uporabiti zahtevno merilno opremo in metode. Na meritev in rezultat motilno vplivajo temperatura, nihajoča napajalna napetost, staranje sestavnih elementov…
• Digitalne gradbene elemente lahko enostavneje zgradimo (npr. ob uporabi tranzistorjev kot stikal). Elementi delujejo v stikalnem režimu in lahko zato prenašajo večje moči.
Digitalna obdelava informacij pa je žal praviloma dražja od analogne, ker onemogoča njeno univerzalno uporabo. Zato so npr. regulacijsko sistemi pretežno analogni.
2.1.2 Digitalni - desetiški sistem
Robert HARB,univ. dipl. inž. str. MEHATRONIKA
29
Elektronski elementi deluje v dveh značilnih stanjih, 0 in 1. Stanje 0 predstavlja
stanje, kjer ni napetosti (ni prevajanja), stanje 1 pa predstavlja stanje, kjer je napetost (je prevajanje). Ker potrebujemo v desetiškem sestavu za prikaz vsakega števila 10 različnih stanj ali števil (cifer) kot so 0, 1, 2, 3, …, 9, ta sestav ni primeren za neposredno obdelavo z elektronskimi elementi. Zato uporabljamo dvojiški ali binarni sestav, ki ima samo dve značilni stanji. Omenjeni stanji prikažemo simbolično z znakoma 0 in 1 ali 0 in L, kjer znak 0 ponazarja odprto stikalo in s tem prekinjen tokokrog ali nizko napetost na izhodu vezja; medtem ko znak 1 ali L označuje vključen kontakt oz. visok napetostni nivo na izhodu vezja. Pri napetostnih nivojih, ki označujejo logična stanja, lahko uporabljamo tudi oznako L (low) za nizek napetostni nivo, H (high) za visok napetostni nivo. Stanje 0 oziroma 1 pomeni v binarnem sestavu sporočilo in je enota binarne informacije, ki jo označujemo kot bit (binary digit). Informacijo, sestavljeno iz več bitov, imenujemo beseda; dolžina besed v sistemih za obdelavo podatkov in informacij je lahko 4, 8, 16, 32, 64 bitov. Besedo dolgo 4 bite imenujemo zlog ali nibble (nibl), besedo dolgo 8 bitov pa byte (bajt). Celo število v desetiškem sestavu, spremenimo v binarno po naslednjem primeru:
Desetiško število delimo z 2 in napišemo celoštevilčni količnik in prištejemo ostanek. Ostanek je le 0 ali 1. Nato celoštevilčni količnik ponovno delimo z dve in zopet zapišemo celoštevilčni količnik ter ostanek. To ponavljamo tako dolgo, dokler ne dobimo količnik 0 ali 1. Ko je količnik 1 brez ostanka, je postopek končan; v primeru ko je količnik z ostankom 1, pa delimo ostanek z dve, kar da količnik 0 in ostanek 1. Rezultat pretvorbe v binarni številski sestav dobimo tako, da števila kot ostanke odčitamo po vrsti od spodaj navzgor. Primer spremembe desetiškega sestava v dvojiški sestav: 49(10) = . . . . . . (2), 49 : 2 = 24 + 1 24 : 2 = 12 + 0 12 : 2 = 6 + 0 6 : 2 = 3 + 0 3 : 2 = 1 + 1 1 : 2 = 0 + 1 49(10) = 110001(2), Primer spremembe binarnega števila v desetiški sestav:
1010111(2) = 1·26 + 0·25 + 1·24 + 0·23 + 1·22 +1·21 + 1·20 = 1010111(2) = 87(10) smer odčitka binarnega števila
2.2 Številski sestavi (M)
2.2.1 Binarni številski sestav