MEHATRONIKA - scptuj.sivss.scptuj.si/dokumenti/Gradivo/Skripta_MEH1.pdfRobert HARB, MEHATRONIKA 3 Predgovor študentom: Skripta je namenjena študentom, ki se izobražujejo v tehniških

__________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


15

Slika 4 : celica modularnega robota


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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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


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.


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


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


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

Documents

MEHATRONIKA - scptuj.sivss.scptuj.si/dokumenti/Gradivo/Skripta_MEH1.pdfRobert HARB, MEHATRONIKA 3 Predgovor študentom: Skripta je namenjena študentom, ki se izobražujejo v tehniških