Introducere in Macatronica

Introducere în mecatronică
I
Introducere
Ultimele decenii în evoluţia societăţii au cunoscut, fără îndoială, mutaţii
considerabile calitative şi cantitative rod al unor spectaculoase evoluţii în ramurile
de ştiinţă tradiţionale dar şi ca urmare a apariţiei unor domenii noi care s-au impus
în mod firesc prin rezultatele de excepţie care le-au jalonat evoluţia.
Am asistat în ultimii ani la o generalizare a automatizării proceselor de
producţie urmare firească a integrării roboţilor industriali în procesele de fabricaţie,
a apariţiei celulelor flexibile de producţie, utilizării roboţilor autonomi cu capacităţi
senzoriale sporite, a înlocuirii aproape complete a omului în anumite procese
tehnologice ce necesitau efort fizic mare sau condiţii periculoase de muncă şi a
dezvoltării inteligenţei artificiale ca premiză teoretică dar şi asociată cu un puternic
suport tehnologic.
În acest context a apărut MECATRONICA considerată de unii ca o ştiinţă
aparte dar care de fapt reprezintă un domeniu al cercetării obţinut prin interferenţa
unor domenii tradiţionale: Mecanică, Electronică, Calculatoare şi Automatică. Ea
este o MECA a celor mai noi realizări ştiinţifice şi tehnologice în domenii de mare
performanţă şi care au avut un impact deosebit în societatea tehnologică a ultimelor
decenii.
Astfel, mectronica a avut şi are un impact major într-o largă varietate de
ramuri industriale: industria automobilismului, cea a produselor de larg consum, în
industria aparaturii casnice, în biomedicină, robotică şi sisteme de control şi de
telecomunicaţii, etc. De asemenea ea a deservit o ştiinţă extrem de populară în
universităţi atât sub aspectul ponderii de cercetare ştiinţifică cât şi în ceea ce
priveşte aspectul educaţional. Marile universităţi şi-au dezvoltat puternice centre de
1

Introducere
cercetare în acest domeniu iar specializările în acest profil au cunoscut o largă
audienţă la noile generaţii de studenţi.
Figura 1
Caracterul interdisciplinar al Mecatronicii
Topica noului domeniu include unii din cele mai diverse: micro şi
nanotehnologii, senzori, sisteme de acţionare, materiale compozite şi inteligente,
sisteme de conducere, interfeţe om-maşină, structuri evoluate de procesare, sisteme
de proiectare integrată, etc.
Aflată la intersecţia unor domenii ale ştiinţei cu performanţe de vârf în
implementarea noilor tehnologii, mecatronica abordează concepte şi sisteme noi în
ingineria micro şi nano senzorilor şi sistemelor de acţionare, materiale şi compozite
pretabile pentru implementări la scară celulară sau atomică, structuri celulare şi
reţele neuronale, sisteme ce prefigurează conceptele de nanoelectronică capabile să
producă viitoarele nano-procesoare, noi concepte ale inteligenţei artificiale privind
adaptibilitatea, capacitatea de a raţiona, capacitatea de instruire, noi sisteme de
conducere axându-se în special pe controlul robust, tolerant la defecte, adaptiv,
inteligent, sisteme expert şi neuro-fuzzy etc. Un rol aparte îl joacă aplicaţiile în
2

Introducere în mecatronică
medicină şi biologie prin studiul interacţiunii diferitelor isiteme moleculare,
dezvoltarea microstructurilor robotice pentru investigare şi analiză, precum şi
proiectarea şi implementarea unor sisteme cu structuri complexe conţinând
componente ale lumii vi şi lumii artificiale.
Este evident că mecatronica, fie ca domeniu autonom, fie ca o arie de
interferenţă extrem de clasice ale ştiinţei, acoperă o tematică extrem de vastă şi
extrem de actuală prin impactul pe care îl exercită asupra lumii socio-tehnologice.
Fără a-şi propune să epuizeze un domeniu atât de vast, lucrarea de faţă
încearcă să prezinte elementele de bază care constituie suportul teoretic şi aplicativ
al mecatronicii. Organizată în şase capitole, în lucrare sunt tratate gradat
componentele şi elementele de structură care reperezintă domeniul de intersecţie în
mecanică, electronică, claculatoare şi automatică.
După o prezentare generală a conceptului de mecatronică, capitolul întâi
tratează modelele matematice întâlnite în studiul acestor sisteme. Pentru a obţine o
tratare unitară sunt utilizate metode bazate pep rincipii energetice, Lagrange sau
Hamilton. Se obţin în acest fel într-un mod unitar evoluţie atât pentru sistemele pur
mecanice cât şi pentru cele electrice, electronice sau strucutrile mixte, mecatronice.
În capitolul doi sunt prezenate metodele specifice de conducere pentru
sistemele descrise prin ecuaţii diferenţiale. Sunt dezvoltate metodele variabilelor de
stare, stabilitatea sistemelor liniare şi neliniare, metode specifice de sinteză
neliniară. Un accent deosebit este pus pentru conducerea sistemelor mecatronice
bazate pe noile tehnologii.
Sistemele mecatronice presupun perceperea schimbărilor din mediul în
care evoluează aplicaţia pentru a putea acţiona corect în vederea atingerii scopului
propus. Culegerea informaţiilor relative la starea sistemului se bazează pe utilizarea
senzorilor. Capitolul al patrulea este dedicat acestui subiect. Sunt identificate locul
şi funcţiile subsistemului senzorial în cadrul sistemului mecatronic. Este prezentată
o scurtă listă de termeni specifici necesari pentru înţelegerea explicaţiilor care
urmează. Sunt enumerate şi analizate metodele de utilizare a informaţiilor oferite
de senzori.
În sistemele mecatronice, datorită prezenţei mişcării, trebuie detectate şi
sau măsurate proximitatea (contactul, prezenţa), poziţia şi viteza, forţa şi presiunea,
vibraţia şi acceleraţia. În paragrafele care urmează în acest capitol sunt prezentate
şi analizate soluţii constructive pentru diferite tipuri de senzori care permit
măsurarea mărimilor de tipul celor enumerate mai sus. Prezentarea este făcută
pentru a sublinia principii şi tehnici generale şi nu pentru a acoperi toate variantele
disponibile.
Capitolele 5 şi 6 abordează problema acţionării structurilor mecatronice. În
capitolul 5 se discută soluţiile clasice ale acţionărilor electrice, hidraulice şi
pneumatice. Pentru acţionările electrice se deduc modelele matematice ale unui
element cu mişcare de translaţie, pentru micromotoarele de curent continuu şi
asincrone şi se discută problemele acţionării, devenită deja clasică, utilizând
motorul pas cu pas.
3

Introducere
În cazul acţionărilor fluidice se deduc modelele matematice pentru un
actuator hidraulic, pentru electrovalvă şi, în final, pentru bucla de reglare şi
acţionare în circuit închis.
În capitolul 6 se prezintă metode moderne de acţionare ale structurilor
mecatronice, bazate pe micro şi nanoactuatori, pe actuatori piezoelectrici sau pe
actuatori cu magneţi peliculari, realizaţi prin procedee de fabricaţie speciale ce
utilizează metode de electrodepunere. În funcţie de magnetizare acestor magneţi
peliculari de-a lungul axei de simetrie sau perpendiculară pe axa de simetrie, se
deduc componentele forţei şi cuplului de acţionare într-un sistem de axe solidar cu
pelicula magnetică.
Subsistemul de conducere al unui sistem mecatronic poate fi implementat
în moduri diferite în funcţie de performanţele aşteptate şi de costurile impuse. În
capitolul 7 este analizată varianta conducerii sistemelor mecatronice cu
microcontrolere. Microcontrolerul este definit ca funcţionalitate şi structură
generale prin comparaţie cu microprocesoarele şi procesoarele de semnal. Structura
detaliată a unui microcontroler este analizată din punct de vedere al sarcinilor şi
caracteristicilor componentelor care îl alcătuiesc.
Pentru a exemplifica concret conceptele generale introduse, au fost alese
două microntrolere clasice. Prezentarea acestor microcontrolerelor nu a fost
structurată pentru a prezenta toate datele necesare utilizării acestor microcontrolere,
iar selecţia informaţiilor nu s-a făcut după criteriul ultimelor noutăţi în materie. Nu
s-a dorit nici o prezentare comparativă pentru semnalarea unor avantaje sau
dezvantaje particulare. S-a preferat selectarea acelor informaţii, chiar
complementare pentru un microcontroler în raport cu altul, care exemplifică şi
susţin înţelegerea principiilor generale introduse anterior
Capitolul se încheie cu prezentarea unei aplicaţii care a fost implementată
practic: o platformă mobilă condusă cu un microcontroler de tipul celor deja
analizate.
4