Dziś jest piątek, 18 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
11 wrzesień 2009.

Mechatronika - moda, czy nieuchronność? cz.1

W artykule scharakteryzowano powstanie i rozwój mechatroniki jako nowego kierunku badań naukowych oraz nowego kierunku kształcenia na uczelniach technicznych. Wskazano na najistotniejsze cechy mechatroniki oraz na szerokie, obiecujące perspektywy jej rozwoju. 

Pojęcie terminu: mechatronika
 Po raz pierwszy termin mechatronika został użyty w Japonii w 1969 roku przez inżyniera -projektanta japońskiej firmy YASKAWA Ko Kikuschi, który zwrócił uwagę na wzrastającą integrację mechaniki precyzyjnej i elektroniki w nowoczesnym przemyśle i dla opisania tego zjawiska użył powyższego słowa. Ciekawostką jest to, że termin ten był przez pewien czas  prawnie chroniony.
Mechatronikę można scharakteryzować jako nową - i wciąż jeszcze kształtującą się - naukę, istniejącą na styku sześciu dziedzin wiedzy: mechaniki, elektroniki, elektrotechniki, informatyki, automatyki i robotyki. Obejmuje ona umiejętność projektowania, konstrukcji, eksploatacji i serwisowania złożonych systemów technicznych, zawierających elementy o różnej naturze: elektrycznej, mechanicznej, elektronicznej, pneumatycznej, hydraulicznej, sensorycznej  - i o tak wysokim stopniu integracji funkcjonalnej i technologicznej, że ich oddzielne rozpatrywanie nie jest możliwe, bądź też - nie jest celowe i dostatecznie efektywne. Takimi systemami okazały się być na przykład roboty, później - samochody, a dzisiaj - nawet urządzenia powszechnego domowego użytku.
Samo słowo mechatronika daje się łatwo rozszyfrować jako połączenie słów mechanika i elektronika (mechanics + electronics = mechatronics). Połączenie w jednym słowie tych dwóch wyrazów wyznacza zatem dwa bieguny rozległego obszaru wiedzy mechatronicznej. Po stronie mechaniki wyróżnić można: budowę i eksploatację maszyn, teorię mechanizmów, mechanikę płynów, jak też inżynierię materiałową, która odgrywa w dzisiejszym świecie coraz większą rolę. Po stronie elektroniki należy natomiast umieścić: elektrotechnikę, ze szczególnym uwzględnieniem teorii obwodów oraz elektromagnetyzmu, automatykę, robotykę oraz miernictwo wielkości elektrycznych i nieelektrycznych wraz z sensoryką. Do tego trzeba dodać oczywiście informatykę, a także sztuczną inteligencję, dziś już nazywaną bardziej pokornie - inteligencją maszynową. Mechatronika jest więc wiedzą interdyscyplinarną, łączącą i przekraczającą granice tradycyjnego podziału wiedzy inżynierskiej.

Narodziny mechatroniki
 Aby zrozumieć okoliczności wyłonienia się mechatroniki z innych dziedzin inżynierskich dobrze jest przypomnieć sobie rozwój nauk technicznych. Pierwsza politechnika powstała pod koniec XVIII wieku we Francji, a następna - we Wiedniu. Były to formalne początki inżynierii, w której prym bez wątpienia wiodła wówczas mechanika. W drugiej połowie XIX i na początku XX w. rozwój inżynierii polegał przede wszystkim na tworzeniu i rozwijaniu coraz to nowych gałęzi. Dobrym przykładem jest elektrotechnika, która pojawiła się jako młodsza siostra mechaniki (wpierw były to oddziały elektryczne na wydziałach mechanicznych, a następnie - wydziały elektromechaniczne). Po pewnym czasie elektrotechnika zaczęła żyć własnym życiem, oddzielając się od mechaniki - na uczelniach technicznych zaczęły powstawać, samodzielnie funkcjonujące, wydziały elektryczne.
Dalej, z elektrotechniki wyłoniła się z początkiem XX w. elektronika. Ta z kolei dała podstawy dla narodzin nowoczesnej automatyki, z której - z biegiem czasu - wyrosła robotyka. Z elektroniki wyłoniła się również telekomunikacja, a wraz z pierwszym komputerem - narodziła się informatyka. Jak widać wiek XX jest wiekiem podziałów inżynierii na coraz to nowe kierunki i coraz to węższe specjalności.
W końcu XX w. i na początku wieku XXI zaczyna się proces odwrotny. Wszystkie gałęzie i kierunki wiedzy inżynierskiej zaczynają się z powrotem zbiegać, co określa się mianem inżynierii zbieżnej (w j. angielskim concurrent engineering) i łączyć powtórnie w spójną całość (general engineering).
Reasumując, rozwój nauk technicznych w ostatnich dwustu latach przebiegał więc w następujący sposób ? z pnia nauk mechanicznych, rozwijających się burzliwie w XVIII wieku, wyrasta dodatkowo w XIX wieku elektrotechnika, a oba te obszary wiedzy (po wzajemnym przeniknięciu i przemieszaniu - co znalazło wyraz w terminie: elektromechanika) zaczynają się w kolejnych dekadach dzielić na coraz to węższe (ale też coraz bardziej głębokie i zaawansowane) kierunki, specjalności i specjalizacje. Na przełomie XX i XXI wieku - pod wpływem rynku, oferującego złożone produkty nowego typu, których projektowania, konstrukcji i optymalizacji nie jest w stanie podjąć się samodzielnie żaden z kierunków i żadna ze specjalności - zachodzi potrzeba ich ponownego łączenia w nowatorskie interdyscyplinarne kierunki inżynierskie, wśród których istotną rolę odgrywa mechatronika, jako logiczna następczyni i kontynuatorka elektromechaniki.

Od elektrotechniki przez elektronikę i robotykę do mechatroniki.
 Bez energii elektrycznej i elektrotechniki nie byłoby mechatroniki. To, co z nie-technicznego i nie-naukowego punktu widzenia uderza w energii elektrycznej i najmocniej chyba szokuje, to ogromny rozziew pomiędzy tym, czym była ona w naturalnym otoczeniu człowieka, a tym, czym jest obecnie we współczesnym świecie i w życiu każdego człowieka.
Faktycznie w przyrodzie i w środowisku naturalnym energia elektryczna zaznacza swoją obecność w sposób niezwykle skromny - niewielkie jej ładunki ujawniają się w pocieranym bursztynie i szkle, czy też - w komórkach układu nerwowego organizmów żywych. Większe ładunki, gromadzone w chmurach burzowych, ulegają znów bardzo szybkiemu i gwałtownemu rozładowaniu. To wszystko właśnie - nikłość naturalnych zasobów energii elektrycznej w przyrodzie oraz nieuchwytność, bądź też krótkotrwałość zjawisk elektrycznych pozwalają na stwierdzenie, że w środowisku naturalnym energia elektryczna jest ledwie zauważalna i odgrywa nieznaczną drugoplanową rolę. Odpowiedzi wymaga więc pytanie skąd wzięła się niezwykła kariera energii elektrycznej w czasach obecnych?
Zasadnicze, powszechnie występujące w przyrodzie, naturalne formy energii to: energia mechaniczna (np. potencjalna, kinematyczna, sprężystości), energia cieplna, energia chemiczna, energia świetlna itp. Pomiędzy tymi naturalnymi formami energii stale dokonują się naturalne przemiany energetyczne.
Technika - w dzisiejszym rozumieniu tego słowa - zaczęła się z chwilą, gdy człowiek  w tor owej naturalnej przemiany energetycznej, wstawił narzędzie, zasilane z zewnętrznego naturalnego źródła energii. Przegroda w nurcie rzeki - spowalniająca, bądź przyspieszająca - przemianę energii potencjalnej w kinetyczną wraz z kołem wodnym, pozwoliły skonstruować młyn wodny, a ustawione na drodze wiatru skrzydła stały się kluczowym elementem konstrukcyjnym wiatraka.
Podstawowa wada naturalnych źródeł energii to zależność od warunków metereologicznych i klimatycznych czyli. Stąd też usilne, trwające przez wieki, poszukiwania człowieka i pragnienie odkrycia takiej naturalnej przemiany energetycznej, która mogłabym być inicjowana sztucznie i przebiegać podług woli człowieka. Realizacją tego marzenia - marzenia o sztucznym źródle energii - stał się wynalazek maszyny parowej, w której dobrze znane naturalne przemiany energetyczne: spalania i parowania, są sztucznie wywoływane i sztucznie sterowane.
Wiek pary to niezwykle pomysłowe i skomplikowane urządzenia, napędzane silnikami parowymi, które dały asumpt do szerokiego rozwoju teorii konstrukcji i budowy maszyn oraz teorii mechanizmów, bez których to dokonań trudno byłoby sobie wyobrazić dzisiejszą mechanikę i mechatronikę. To również gwałtowny postęp w dziedzinie środków transportu, który kolejno wyznaczają: parostatki z napędem, wpierw łopatkowym, a później śrubowym - i wreszcie lokomotywy parowe. Podstawową wadą lokomotywy parowej było trwałe zespolenie sztucznego źródła energii z obiektem napędzanym: parowóz, ciągnący wagony musiał unosić wraz z sobą maszynę parową z kotłem spalania i wymaganym zapasem węgla. Chęć rozwiązania powyższego problemu otwarła drogę dla wprowadzenia i upowszechnienia energii elektrycznej - energii, która ową niedogodność umiała i potrafiła na przestrzeni kilku kolejnych dekad przełamać.
Elektryczność i magnetyzm - mimo, że tak niepozornie zaznaczające swoje istnienie i swoją obecność w świecie przyrody - okazały się nadość intrygujące, aby - począwszy od XVI wieku - stale mobilizować badaczy z różnych krajów (W. Gilbert, G. Galileusz, I. Newton, R. Descartes, Otto von Guericke, J. Priestley, H. Cavendish, Charles de Coulomb, J. Michell itd.) do badań, rozważań i dociekań nad ich naturą. Istotnym osiągnięciem było odkrycie pierwszego sztucznego źródła energii elektrycznej: maszyny elektrostatycznej (Hauksbee), a następnie - ogniwa elektrochemicznego w postaci stosu Volty. Prawdziwie przełomowym wydarzeniem okazało się jednakże słynne doświadczenie H. Oersted'a, w którym po raz pierwszy została świadomie dokonana przemiana elektromechaniczna: energii elektrycznej prądu (płynącego w przewodzie) w energię mechaniczną (ruchu igły) za pośrednictwem pola magnetycznego. W kontekście wcześniejszych rozważań doświadczenie to zajmuje szczególne miejsce jako pierwsza - zauważona i opisana - sztuczna przemiana energetyczna, związana ze sztucznym, nie występującym w przyrodzie, źródłem energii elektrycznej.
To doświadczenie, wraz z dwoma kolejnymi odkryciami: pracami M. Faraday'a, dotyczącymi indukcji elektromagnetycznej oraz badaniami T. Edisona nad żarzeniami włókien w próżni, legły u podstaw całej inżynierii elektrycznej, umożliwiając - na przestrzeni kolejnych kilkudziesięciu lat - opanowanie technik wytwarzania energii elektrycznej z energii mechanicznej (prądnice), zmiany parametrów energii elektrycznej i jej przesyłu (transformatory) oraz wykorzystania energii elektrycznej do produkcji: energii mechanicznej (silniki) i energii świetlnej (żarówki). Rozwiązany zostaje również kluczowy problem odsunięcia od siebie (nawet na bardzo znaczne odległości) źródła energii elektrycznej i napędzanych urządzeń mechanicznych ( co było niemożliwe w przypadku maszyny parowej).
Triumf i rozpowszechnienie energii elektrycznej prowadzi do powstania szeregu produktów 'czysto' elektrycznych: lampy z żarówką, grzejnika elektrycznego, jak też produktów 'czysto' elektromechanicznych - silnika elektrycznego i prądnicy elektrycznej, a rodząca się elektroenergetyka oferuje odbiorcom stabilne i praktycznie niewyczerpalne (z punktu widzenia pojedynczego użytkownika) zewnętrzne źródła energii elektrycznej.
Można stwierdzić, że na przestrzeni XIX wieku zostały dokonane wszystkie najważniejsze odkrycia teoretyczne i wynalazki, umożliwiające powstanie i rozwój poszczególnych specjalności elektrotechniki oraz pozwalające nazwać wiek XX - wiekiem elektryczności. Reasumując, niezwykła kariera energii elektrycznej jako sztucznej formy energii wynika z następujących zalet, które w przyszłości odegrają istotną rolę w systemach mechatronicznych:
- łatwości przemiany energii mechanicznej w elektryczną
- możliwości przesyłania energii elektrycznej  oraz rozdziału energii elektrycznej
- łatwości przekształcania energii elektrycznej w inne formy energii (mechaniczną, cieplną, świetlną itp.)
- dużych możliwości w zakresie sterowania i kontroli przepływu energii elektrycznej.
To ostatnie nabrało szczególnego znaczenia w związku z ideą, która zawładnęła wyobraźnią inżynierów i wynalazców w drugiej połowie XIX wieku, a mianowicie - wykorzystania elektryczności do przesyłania informacji w postaci umownego ciągu sygnałów, a następnie - do przesyłu mowy i obrazu. Pojawiło się pojęcie sygnału elektrycznego jako nośnika informacji, a istotnym wyzwaniem stał się problem odpowiedniego kształtowania przebiegów elektrycznych. Zagadnienie to rozwiązano na drodze mechanicznej, opracowując urządzenia elektromechaniczne takie, jak telegraf, telefon, czy fonograf, w których sygnał elektryczny był kształtowany metodami mechanicznymi (przy odpowiednim wykorzystaniu zjawisk akustycznych). Najbardziej spektakularnym urządzeniem elektromechanicznym stał się telewizor mechaniczny z wirującą tarczą Nipkowa, zespalający elementy mechaniczne, elektryczne i optyczne.
Wynalazkiem, który radykalnie zmienił możliwości kształtowania przebiegów elektrycznych stała się lampa elektronowa. Jej zastosowanie wyznacza początki nowego działu techniki - elektroniki, która - w najszerszym tego słowa znaczeniu - może być rozumiana jako wiedza o kształtowaniu przebiegów elektrycznych metodami elektrycznymi. Obrazu elektrotechniki i elektroniki u progu XX wieku dopełnia zrozumienie istoty i naukowe opisanie fal elektromagnetycznych oraz opracowanie techniki bezprzewodowego przesyłu sygnału. Efektem tych prac stał się pierwszy 'czysto' elektroniczny produkt powszechnego użytku, który wkrótce zawładnął światem, a mianowicie - radio. Jego powszechność i popularność oraz olbrzymie możliwości stałego doskonalenia w miarę rozwoju techniki lampowej spowodowały narodziny pierwszej specjalności inżynierskiej, ukierunkowanej w całości na jeden tylko produkt - radiotechniki. Wkrótce okazało się, że możliwych produktów elektronicznych o podobnych cechach jest znacznie więcej (np. telewizor z ikonoskopem, magnetofon), w wyniku czego w krótkim czasie narodził się i dynamicznie rozwinął przemysł elektroniczny, oferujący szeroką gamę produktów elektronicznych.
Kolejnym milowym krokiem stało się wynalezienie tranzystora w doskonały sposób zastępującego lampę elektronową i pozbawionego wszystkich jej wad. Lecz nie wysoka niezawodność i stabilność parametrów tranzystora była najważniejszą zaletą nowokształtującej się półprzewodnikowej technologii krzemowej, ale fakt, że technologia ta otworzyła drogę do niewyobrażalnej wcześniej integracji obwodów elektronicznych oraz  zdumiewającej nas wciąż na nowo i ciągle nieustającej   miniaturyzacji. Efektem końcowym tych prac stał się mikroprocesor, stanowiący 'serce', wszystkich nowoczesnych układów sterowania i mogący - ze względu na bardzo małe wymiary - zająć bezpośrednie miejsce w sąsiedztwie obiektu sterowania, a nawet  - w jego obrębie (jak to ma np. miejsce w robocie mobilnym, czy też w nowoczesnym napędzie elektrycznym z nabudowanym, na korpusie silnika, falownikiem).
Trzeba podkreślić, że miniaturyzacja układu sterowania i możliwość jego konstrukcyjnego zespolenia z obiektem sterowania stała się ważnym krokiem na drodze powstawania systemu mechatronicznego.
Samodzielny i autonomiczny rozwój elektrotechniki, elektroniki, telekomunikacji, automatyki i informatyki kończy się w II połowie XX wieku wielkim triumfem. Za sprawą różnych specjalności elektrotechniki: maszyn elektrycznych, napędu i energoelektroniki, są wytwarzane przetworniki elektromechaniczne i aktuatory o wysokiej dokładności pozycjonowania i bardzo dobrej dynamice. Automatycy i elektronicy projektują i konstruują zaawansowane układy sterowania w technologii krzemowej i technice mikroprocesorowej. Elektrycy,  elektronicy  i optoelektronice (specjaliści od metrologi elektrycznej i nieelektrycznej) tworzą nowe generacje coraz bardziej dokładnych przyrządów i układów pomiarowych oraz coraz wrażliwszych sensorów o wysokiej czułości. W taki oto sposób zostaje przygotowany grunt dla powstania pierwszego systemu mechatronicznego: robota, integrującego, zarówno pod względem funkcjonalnym, jak i technologicznym - wszystkie znane elementy i podsystemy, tworzone i rozwijane od początku XIX wieku po trzecią dekadę XX wieku przez mechaników, elektryków, elektroników i automatyków.

Robot jako pierwszy system mechatroniczny
 Odwiecznym marzeniem człowieka była 'istota', podporządkowana całkowicie jego woli, wykonująca posłusznie wszelkie rozkazy i polecenia, zastępująca i wyręczająca człowieka w trudnej, codziennej pracy fizycznej. W przypowieściach 'istota' ta jawiła się jako nierealny twór, przybierający postać olbrzyma, dysponującego nadludzką siłą , niespożytą energią oraz odpornością na zniszczenie. W baśni 'Z tysiąca i jednej nocy' był nim potężny Dżin, a w żydowskich opowieściach z Pragi - ulepiony z gliny olbrzym Golem. Pierwszym, który przewidział możliwość realnego istnienia sztucznej 'istoty' jako tworu rąk inżynierów był czeski pisarz Karel Čapek, który wprowadził do literatury fantastycznej pojęcie robota, odnoszące się do realnego tworu o charakterze technicznym, zastępującego i wyręczającego człowieka w pracy fizycznej, a nawet  - w pracy intelektualnej. Pojęcie to wkrótce przeniknęło do literatury naukowej. Pierwsze roboty przemysłowe, ziszczające proroczą wizję Karela Čapka pojawiły się w latach 50-tych, a ich budowa stała się możliwa dzięki zespoleniu i zintegrowaniu w jednym obiekcie technicznym tego, co na przestrzeni ostatnich 200 lat osiągnęli - pracujący oddzielnie i niezależnie mechanicy, elektrycy, automatycy, informatycy i elektronicy. Słusznie więc ten nowy spektakularny produkt, obejmujący:

- manipulator - czyli układ mechaniczny (jednostkę kinematyczną)
- napędy (aktuatory) umieszczone w połączeniach ruchowych i wprawiające w ruch ramiona (człony)
- układ sterowania, pozycjonujący łańcuch kinematyczny i zapewniający właściwą realizację trajektorii chwytaka wg zadanego programu
- układ pomiarowy, złożony z sensorów przekazujący układowi sterowania informację o  stanie manipulatora i przedmiotu obrabianego
- zewnętrzne źródło zasilania, dostarczającego systemowi niezbędnej energii 

nazwano systemem mechatronicznym, bo w sposób idealny i doskonały odzwierciedlił synergię najszerzej rozumianej mechaniki oraz elektroniki, jak też hardware'u oraz software'u.

koniec części 1

prof. dr hab. inż. Krzysztof Kluszczyński, Politechnika Śląska, Katedra Mechatroniki

Źródło: Politechnika Śląska, Katedra Mechatroniki
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl