1 Naša adresa

[email protected]

2 Mechatronický výrobok
2.1 Mechatronický výrobok
Výrobky, ktoré sú výsledkom postupov podľa princípu mechatroniky, sa vyznačujú použitím pokrokových materiálov, novými technologickými účinkami, špičkovými technickými vlastnosťami a účelovou strojovou inteligenciou, umožňujú im buď autonómnu činnosť, alebo racionálne včlenenie do nadriadeného riadiaceho systému. Takéto výrobky označujeme ako mechatronické.

2.1.1 Charakteristika mechatronického výrobku
Nejde zmiešavať mechatronické výrobky s mechanickými, aj keď môžu obsahovať elektronické prvky (usmerňovače, zosilňovače, regulátory). Mechatronickými sa stávajú až vtedy, keď vykazujú naviac aj určitý stupeň inteligencie, ktorý bol umožnený až rozvojom mikroelektroniky (programovateľnosť, samoregulovateľnosť).
Pre mechatronické výrobky sú typické také mikroelektronické prvky, ako napr. mnohoslučkové, predovšetkým číslicové regulátory, signálové procesory, neutrónové siete a pod. snímače a meniče energie sú často veľmi nekonvenčné, lebo využívajú nové princípy i materiály (napr. kompozity, zliatiny s tvarovou pamäťou a pod.)
Perspektívne sa dá u mechatronických produktov očakávať inteligentné chovanie vyššieho stupňa, ako je:
-poskytovanie rád užívateľom,
-diagnostika vlastných chýb,
-opravovanie sa pomocou vlastnej rekonfigurácie,
-učenie sa na základe získaných skúseností s cieľom zlepšiť vlastné chovanie v ďalších podobných situáciách,
-organizácia vlastnej spolupráce s ďalšími inteligentnými strojmi,
-reorganizovanie sa s cieľom zlepšenia vlastných schopností prispôsobiť sa zmenám okolia.
Zvyšovaním inteligenčnej úrovne výrobku sa dá zaistiť jeho vyššiu univerzálnosť, prispôsobivosť, prevádzkovú bezpečnosť a ekologickosť. S inteligenciou sa dá zlepšiť aj ergonomickosť výrobku- môže byť ľahko ovládateľný, udržiavateľný a opraviteľný. Konečný cieľ všetkých týchto zmien vlastností výrobku je ekonomický- poskytnutím dokonalejšej ponuky zákazníkom dosiahnuť lepšie uplatnenie výrobku na trhu.

Rozdelenie mechatronických výrobkov
Bez nároku na úplnosť sa dajú mechatronické výrobky rozdeliť na:
a/ mechanické zariadenia s integrovanou elektronikou
-visuté vznášajúce sa systémy, tlmiče vibrácií, prevodovky. Zubové, reťazové a remeňové pohony, mechanické alebo magnetické ložiská, trecie alebo elastické spojky.
b/ presné prístroje s integrovanou elektronikou
-telekomunikačné zariadenia, predmety spotrebnej elektroniky, zariadenia spracúvajúce dáta, senzory a akčné členy, prístroje pre medicínu.
c/ stroje s integrovanou elektronikou
-stroje vytvárajúce energiu (pohony elektrické, pneumatické a hydraulické, vodné, parné alebo plynové turbíny, spaľovacie motory a pod.)
-stroje spotrebovávajúce energiu (elektromotory, čerpadlá, kompresory, obrábajúce stroje, roboty, tlačiarenské stroje, dopravné prostriedky a pod.).

2.2 Metodické kroky pri návrhu mechatronického výrobku
Životný cyklus každého výrobku sa skladá zo šiestich nasledujúcich nadväzujúcich fáz:
-vytvorenie špecifikácie a plánovanie- cieľom je formulovať požiadavky kladené na výrobok v podobe funkcií a výkonov, parametrov, časovej dostupnosti, potrebných investícií a ďalších špecifikácií. Úspech v nasledujúcich fázach je závislý na dosiahnutých výsledkoch práve tu. Tiež pre trh je tvorba špecifikácie výrobku základnou požiadavkou.
-koncepčný návrh- je vytvorená základná predstava o funkciách výrobku. Je prevedená štúdia realizovateľnosti výrobku. V tejto etape sa plne prejaví návrhová tvorivosť. Okrem investície sa uplatnia aj metódy pre podporu tvorivosti.
-konštrukcia výrobku a technická príprava výroby- ide o obvykle najnáročnejšiu etapu technickej prípravy navrhnutého výrobku. Základnou metódou riešenia je tzv. paralelné (concurrent) navrhovanie. Snahou je, aby všetky potrebné kroky prevádzal tým súčasne (tj. urýchlená výmena informácií a vzniknutých medzivýsledkov medzi konštruktérmi a technológmi, napr. z hľadiska obrobiteľnosti častí konštrukcie).
-výroba výrobku- ide o technologické operácie pri vlastnej výrobe konkrétneho výrobku. Z hľadiska mechatroniky sú dôležité poznatky o riadení kvality, znižovania nákladov a o postupoch výrobku v hromadnej výrobe.
-použitie výrobku- výrobok sa vyskytuje na trhu a po zakúpení u zákazníka- užívateľa. Musí sa tu uplatňovať spätná väzba od trhu k špecifikácii výrobku (daného, alebo budúceho).
-likvidácia výrobkul- každý konkrétny výrobok po určitom čase starne a je na trhu nahradený iným. Z hľadiska ekológie je zaujímavá možnosť recyklácie pôvodného výrobku.

2.3 Inteligentné materiály v mechatronike
Nová generácia technológií- technológie smart materiálov a štruktúr, predstavuje sofistikovanú sieť snímačov a akčných členov, schopnosť vyhodnocovania a riadenia v reálnom čase a hostiteľskú štruktúru. Nutnosť syntézy materiálov a štruktúr so samoadaptabilnými a samokorekčnými charakteristikami je daná požiadavkou dosiahnutia optimálneho chovania v priebehu premenných podmienok prevádzky. Existuje niekoľko vlastností smart materiálov a štruktúr, ktoré sa stali cieľom výskumu. Sú to: zmenia rozloženia a hmotnosti, tuhosti a disipačných charakteristík, napr. na účely riadeného kmitania. Dá sa tak navrhovať sústavy s riadenou amplitúdou kmitania, veľkosti frekvencie a prechodovou charakteristikou. Ďalším cieľom je zmena geometrickej štruktúry.

Smart štruktúry a inteligentné materiálové systémy
Smart materiál je materiál, ktorý zabezpečuje funkciu snímania a akčného pôsobenia, pritom jednotlivé prvky sú veľmi dobre integrované v rámci samotnej materiálovej štruktúry. Ide vlastne o biologicky inšpirovaný materiál, ktorý dokáže detekovať stav okolitého prostredia. Informácie o ňom spracováva v riadiacom obvode a reaguje na nich daným spôsobom, ktorý zlepšuje chovanie štruktúry s ohľadom na náš cieľ riadenia. Je to vysoký stupeň integrácie na mikromateriálovej úrovni, ktorý činí smart materiály zaujímavou komoditou. Prekonáva hlavnú nevýhodu bežných riadení štruktúr, ktoré spočíva vo veľkej nekompaktnosti, keď jednotlivé prvky zabezpečujúce snímanie, riadenie a aktívne pôsobenie sú súčasťou samostatných štruktúr. Koncepcia smart materiálov sa úspešne presadzuje v strojárstve i v nestrojárenských disciplínach, pritom jednou z sľubných oblastní je aplikácia rôznych materiálov, ako sú napr. zliatiny a polyméry s tvarovou pamäťou, piezoelektrické materiály, magnetostrikčné a elektroreologické kvapaliny.

Smart štruktúry predstavujú také sústavy, ktoré umožňujú snímať vnútorné podnety a aktívnym riadením na ne reagovať v reálnom čase. Predstavujú integráciu akčných členov, snímačov a riadení do materiálov alebo konštrukčných prvkov.

V súčasnosti sú vo vývoji tieto smart materiály a štruktúry:
1.syntéza nových materiálov na molekulárnej úrovni s cieľom produkovať nové materiály so smart funkciou.
2.vývoj nových materiálov syntézou kompozitných materiálov zo známych prvkov. Aktívne prvky sú buď implementované, alebo pripojené na bežný skelet (štrukturálny smart).

Elektroreologické kvapaliny a ich magnetické analógie ferokvapalín predstavujú pokročilú triedu kompozitných materiálov so samoladiacími vlastnosťami. Viskozita týchto kyselín sa mení pri aplikácii elektrického poľa. Typickým predstaviteľom smart senzorov sú piezokeramické materiály, optické vlákna a polyméry.

Smart štruktúry často pozostávajú z tenkých komponentov ako sú nosníky, dosky, škrupiny, kompozitné materiály, ktoré majú v medzivrstvách piezokeramické listy, vodiče pamätajúce si tvar alebo dutiny naplnené elektroreologickou kvapalinou.

Zliatiny pamätajúce si tvar (SMA- Shape Memory Alloys)- sú kovové zliatiny, ktoré sa po deformácii a následnom ohriatí na určitú teplotu deformujú (vracajú) späť do pôvodnej polohy. Najznámejšie sú zliatiny Ni a Ti, tzv. nitinol zliatiny (NiTiNOL- Ni-nikel, Ti- titan, NOL- Naval Ordonance Laboratory, pribl. 57% Ni). Makroskopické chovanie SMA je nasledujúce: vzorka SMA sa podrobí skúšobnej procedúre tak, že sa najprv namáha ťahom (pokiaľ nevznikne plastická deformácia), potom sa odľahčí a nakoniec sa ohreje na určitú teplotu. Po odľahčení je vzorka dlhšia než bola pôvodná dížka (bola prekročená medz sklzu), má teda plastickú deformáciu. Pri ohreve tejto vzorky sa vráti do pôvodného stavu. Toto typické chovanie materiálu sa nazýva kvaziplastické alebo efekt tvarové pamäti. Maximálne vratné deformácie predĺžením pre Ni-Ti je 8% a pre zliatiny medi je medzi 4-5%.

Výhody použitia SMA:
-jednoduchosť, kompaktnosť a spoľahlivosť mechanizmu (obvykle akčný člen tvorí elektrický aktivovaný drôt SMA, resp. pružina).
-Vytvorenie čistých, tichých, beziskrových a bezgravitačných pracovných podmienok.
-Prostredie je bezprašné, neexistuje trenie. Činnosť je takmer bezhlučná- nie sú prítomné kmitajúce prvky. SMA akčné členy reagujú už na zrýchlenie niekoľko µg (využitie v kozmických aplikáciách).
-Vysoký koeficient výkon/hmotnosť v nízkych hmotnostných oblastiach (100g), z čoho vyplýva adaptívne použitie ako mikroakčné členy.
-Odolnosť voči korózii a biokompatibilita.

Nevýhody použitia SMA:
-nízka energetická účinnosť. Konverzia tepla na mechanickú prácu ma podstatne menšiu účinnosť, ktorá je v značnej miere určená návrhom a tvarom SMA akčného členu.
-Limitovaný rozsah následkom reštrukcie pri ohrievaní a chladení. Ohrievanie SMA akčných členov sa realizuje radiáciou alebo vedením a použitím odporu. Najrozšírenejšie je odporové ohrievanie pre jeho rýchlu odozvu. Rýchlosť ochladzovania je obmedzená hlavne chladiacou kapacitou.
-Degradácia a únava- parametre, ktoré majú životnosť, sa delia na interné (zloženie zliatiny, spôsob ohrevu a spracovanie) a externé (čas, teplota, napätie, predĺženie a počet cyklov).
-Komplexné riadenie- SMA vykazujú trojrozmerné termomechanické chovanie s hysteréziou. Medzi teplotou a polohou alebo silou nie je lineárny vzťah a preto polohové alebo silové akčné pôsobenie vyžaduje výkonné regulátory a experimentálne určenie rady údajov.
Smart materiály so zapustenými SMA elementmi- akčné pôsobenie SMA sa môže uskutočňovať diskrétnymi SMA elementmi, alebo SMA elementmi, ktoré sú integrované do základného nosného materiálu. V porovnaní s bežnými materiálmi na snímanie a akčné pôsobenie majú niekoľko výhod:
-značne väčšie vratné predĺženie až do 8%
-schopnosť generovať napätie až do 800MPa
-veľké vratné zmeny mechanických a fyzických charakteristík
-veľkú disipačnú schopnosť
-schopnosť generovať postupne sa zvyšujúce napätie a predĺženie.

Zapustením SMA elementov do základného polymérového materiálu, resp. Kompozitu, sa dajú vytvárať nové materiálové charakteristiky:
-zlepšené tvarovo-pamäťové charakteristiky (väčší tvarovo-pamäťový efekt a menši degradačný efekt)
-zlepšené štrukturálne charakteristiky (lepšie únavové vlastnosti a stabilita)
-kombinované charakteristiky (nastaviteľný, laditeľný tvar)
-úplne nové charakteristiky (nastaviteľná, laditeľná tuhosť, a teda i uhlová frekvencia).

Piezoelektrické materiály
Piezoelektricita je schopnosť určitých kryštalických materiálov vytvárať elektrický náboj, ktorý je úmerný mechanickému napätiu. Inverzný efekt vznikne vtedy, ak sa pri aplikácii elektrického napätia kryštalický materiál deformuje. Teda u piezomateriálov rozlišujeme priamy a inverzný piezoelektrický efekt. Vyskytuje sa len pri teplote nižšej než je Curieova transformačná teplota. V súčasnosti sa namiesto názvu piezoelektrický kryštál používa pojem piezoelektrická keramika. Najčastejšie používanými piezoelektrockými materiálmi sú polykryštalické keramiky, zložené z kompozít Pb-Zr-TI a Ba-Ti. Pridaním špecifických aditív sa potom špecifikujú dielektrické, piezoelektrické a fyzikálne vlastnosti. Aplikovaním silného statického el. poľa sa keramický materiál stane anizotropným, udrží si zbytkovú polarizáciu a stane sa piezoelektrickým.

Pri použití v smart štruktúrach sa využívajú ako senzory a akčné členy. Najznámejšou piezokeramikou je PZT.
Dôvody používania piezoelektrických elementov:
-presné riadenie polohy systému
-deformácia piezoelektrického akčného člena má malé straty
-dlhá životnosť
-vysoká účinnosť transformácie elektrickej práce na mechanickú a naopak
-existujú už akčné členy, ktoré vytvoria silu do 50 kN.

Medzi ďalšie materiály patria elektrostričné materiály, u ktorých je elektrický náboj rozlíšený symetricky. V každom dielektrickom materiály zavedením do elektrického poľa vzniká deformácia. Smer deformácie záleží od orientácie poľa.

Magnetostrikčné materiály sa deformujú vplyvom magnetického poľa. Naopak- ak pôsobí sila na taký materiál, mení sa magnetická indukcia B materiálu. Najbežnejším magnetostrikčným materiálom je Terfenol- D. Vykazuje nelineárne chovanie s hysteréziou. Pre malé deformácie platia rovnice:
E= so+kH B=ko+pH
E- pomerná deformácia
s- tuhosť materiálu
o- mechanické napätie
k- magnetostrikčný koeficient
p- permeabilita prostredia
B, H- intenzita a indukcia magnetického poľa

Optické vlákna- využívajú sa ako senzory. Skladajú sa zo stredového jadra, ktoré je ovinuté jednou alebo dvoma vrstvami ochranného obalu. Kvôli lepšej ochrane životného prostredia sa vlákna vkladajú do káblov. Optické materiály zapustené do smart materiálov prenášajú údaje takto:
-prenášajú ustálený svetelný signál do senzoru
-sledujú dôležité parametre svetla ( intenzitu, polarizáciu, fázu). Optické vlákna sa dajú využiť pre meranie deformácie, zrýchlenia alebo magnetických polí.

Elektroreologické (ER) kvapaliny- menia viskozitu elektrického poľa. Vznikajú rôzne stavy tejto kvapaliny, napr. pri intenzite poľa 3 kV/mm sa dá dosiahnuť šmykové napätie až 2kPa. Pri aplikácii elektrostatického poľa sa ER kvapalina mení z viskózneho oleja až na takmer tuhý gél a veľkosť komplexného modulu v šmyku sa zmení o niekoľko radov.

Riadenie smart štruktúr
Riadenie predstavuje jeden z najdôležitejších aspektov u smart materiálov z dôvodu neurčitosti materiálových vlastností i samotnej dynamiky sústavy. Jedným z parametrov, ktorý charakterizuje činnosť regulátora je robustnosť. Tá vyjadruje, že stabilita a činnosť riadeného systému nie je citlivá na neurčitosti pochádzajúce z chýb modelovania nelinearít, neuvažovanej dynamiky, prípadne iných náhodných porúch. Čim menej je riadený systém citlivý na neurčitosti, tým je robustnejší. Problémy vznikajú pri riadení systému s veľkým počtom snímačov a akčných členov. Riadenie týchto rozsiahlych štruktúr vyžaduje vývoj nových, tzv. inteligentných riadiacich algoritmov, napr. genetický algoritmus, algoritmy neurónových sietí a fuzzy logika. Rýchly vývoj mikroprocesorovej techniky umožnil, že regulátory môžu pracovať v reálnom čase. Medzi hlavné ciele regulátorov pri aplikácii inteligentných materiálov patrí:
-spracovanie signálov nameraných viacfunkčnými snímačmi
-generovanie optimálnych akčných signálov pre viacfunkčné akčné členy.
V prípadoch, keď sa parametre štruktúr mení alebo nie sú presne identifikované, je treba použiť adaptívne alebo samočinne sa nastavujúce regulátory. Tie sú schopné adaptovať svoje chovanie vzhľadom k okoliu na základe požadovaného kritéria. Sú zložené z číslicového filtru a z odpovedajúceho adaptívneho algoritmu.