Ești un inginer mecatronic căruia i s-a atribuit sarcina de proiectare, dezvoltare și instrumentare a unui sistem mecatronic. Oferind detaliile necesare, descrieți pașii proiectării, integrării, testării sistemului și aplicării proiectelor prezentate mai jos. Proiectarea ar trebui să includă sistemul structural, sistemul electronic, hardware-ul și software-ul, inclusiv senzori, actuatoare, dispozitive de transmisie a mișcării, surse de alimentare, controllere, condiționarea semnalului și necesitățile de interfațare. Componentele gata de utilizare pot fi utilizate acolo unde sunt disponibile și adecvate. Specificațiile date pot fi modificate și pot fi stabilite specificații suplimentare, atunci când este necesar. Furnizați date pentru principalele componente ale sistemului. Folosind diagrame și schițe adecvate, descrieți modul în care sistemul general (instalație, senzori, actuatori, controllere, dispozitive de modificare a semnalului, etc.) este interconectat (integrat). Explicați cum operează sistemul (de ex., care este scopul sistemului, ce comenzi sunt furnizate sistemului, ce răspunsuri și semnale sunt generate de sistem și detectate, cum sunt generate semnalele de control și în funcție de ce criterii, cum este acționată instalația și ce tip de răspuns al instalației ar fi obținut în funcționare corectă).

10.6.1 Proiect 1: Sistem automat de distribuire a adezivului

Aplicarea unui adeziv este utilă în multe procese industriale; de exemplu, automobile, produse din lemn și construcții. Considerați un sistem pentru aplicarea bidimensională a adezivului. Sistemul trebuie să detecteze zona de aplicare, să poziționeze pistolul de distribuire și să-l opereze, care va include distribuirea simultană a adezivului și deplasarea cu exactitate a capului de distribuire în raport cu obiectul lipit (de exemplu, fereastră). Viteza sistemului va fi guvernată de constrângerile pistolului de lipit (inclusiv proprietățile adezivului) și de sistemul în mișcare. Sunt date următoarele specificații preliminare:

Suprafața maximă de aplicare: 1 m × 1 m
Viteza unității de distribuire = 20 cm/s
Acuratețea poziționării = ± 0,5 mm
Acuratețea aplicării adezivului (uniformitate) = ± 0,2 mm
Presiunea de distribuire a adezivului = 6 psi (690 kPa)

Proiectul trebuie să includă și sistemul de distribuire a adezivului. De asemenea, descrieți în detaliu o aplicație a proiectului dvs.

10.6.2 Proiect 2: Mașină de testare a materialelor

Testarea materialului (de exemplu, tracțiune/compresiune, îndoire, torsională, oboseală, impact) este importantă în dezvoltarea, monitorizare și calificarea produselor. Testarea materialului biologic poate fi necesară în aplicații medicale, agricole și alimentare. Proiectați o mașină pentru testarea in vitro (în afara corpului, într-un mediu artificial) pentru testarea segmentelor de coloană vertebrală obținute de la un cadavru uman. Segmentul coloanei vertebrale este montat pe o bază de formă și se aplică diverse profile de forță (forțe și cupluri). Mișcările rezultate (deplasări și rotații) sunt măsurate și recodate pentru analize suplimentare. Unele dintre cerințele de testare sunt prezentate mai jos:

Increment de cuplu (pentru un test rampă) = 1 N·m
Gama de cuplu = −15 până la +15 N·m
Viteză = 4 incremente/s
Treapta de cuplu (pentru un test treaptă) = ​​± 10 N·m
Acuratețea = 2%

10.6.3 Proiectul 3: Orteză activă

Dispozitivele proteză alimentate sunt din ce în ce mai utilizate pentru a asista membrele superioare și inferioare deformate, cu handicap sau rănite ale omului. Orteza este un dispozitiv proteză complet integrat atașat la un corp uman și presupune că membrul nu lipsește și senzația membrului nu se pierde complet. Un dispozitiv activ (spre deosebire de un dispozitiv pasiv) va necesita o sursă de alimentare. Senzațiile de temperatură, presiune și textură (de exemplu, detectarea tactilă) sunt deosebit de importante în funcțiile umane. Proiectați o orteză activă a membrului superior. Capul și umărul pot fi utilizate pentru a controla dispozitivul și pot fi furnizate comenzi în două stări, multistări sau continue. Funcționalitatea, fiabilitatea, comoditatea și confortul, viteza, precizia, costul și aspectul sunt considerente importante în proiectare. Funcțiile și mișcările asistate pot include cele ale brațului superior, cotului, antebrațului, încheieturii și degetelor. Puteți stabili specificațiile de proiectare necesare pentru dispozitivul ortetic prin auto-testare, experiență și cercetarea literaturii.

10.6.4 Proiectul 4: Sistem de frânare auto

La frânarea unui tren, forțele de frânare trebuie aplicate pe roți rapid, sistematic și sub control. Deraierea trebuie evitată și operația de frânare nu ar trebui să dăuneze trenului și ocupanților săi. În condiții normale, frânarea trebuie făcută în timp ce se minimizează orice disconfort pentru pasageri. Considerați un sistem de metrou ușor multicar (de exemplu, un sistem de tranzit suspendat sau un sistem subteran). Presupuneți că un sistem hidraulic este utilizat pentru a aplica forța de frânare pe roți prin intermediul saboților de frână, iar aceste forțe pot fi destul de mari (de exemplu, 3 × 10⁴ N). Stabiliți specificații de proiectare adecvate. Proiectați un sistem de frânare care include caracteristici de frânare antiblocare. Viteza trenului, condițiile roată-șină, condițiile meteorologice și natura opririi (normale sau de urgență) ar trebui luate în considerare în sistemul de control.

10.6.5 Proiect 5: Sistem de control al mașinilor-unelte

Productivitatea, calitatea produselor, durata de viață a mașinii, durata de viață a sculelor și siguranța se vor îmbunătăți prin controlul adecvat al mașinilor-unelte. Luați în considerare o freză verticală standard formată dintr-o masă de poziționare (x−y) și un ansamblu ax vertical, care poartă toolbit. Următoarele valori și specificații ale parametrilor sunt disponibile:

Masa mesei de poziționare: 250 kg
Masa ansamblului axului: 50 kg
Masa maximă a piesei de lucru: 50 kg
Acuratețea poziționării: 0,01 mm
Viteza maximă a mesei de poziționare: 0,2 m/s
Accelerația maximă a mesei de poziționare: 1,0 m/s2
Forța de tăiere maximă: 2000 N
Lățimea benzii de operare a frezei: 100 Hz

Presupuneți că motoarele DC și șuruburile cu bilă sunt utilizate pentru a conduce masa de poziționare. Timpul de creștere a servo poate fi luat ca 50 ms. Proiectați unui sistem de control adecvat pentru poziționarea sculelor și prelucrare.

Examinați dacă/cum trebuie modificat proiectul în funcție de materialul de tăiat (piesă de lucru) (de exemplu, oțel, aluminiu, alte metale și aliaje, plastic, lemn, cauciuc).

10.6.6 Proiect 6: Robot de sudură

Considerațiile de productivitate, flexibilitate, pericole și costuri au furnizat motivația utilizării roboților pentru aplicații de sudare industrială. Industria auto este un bun exemplu. Atât sudarea cusăturilor, cât și sudarea în puncte pot fi efectuate de către roboți. Proiectarea unui robot industrial de sudare cu arc pentru o linie de producție a unei instalații industriale. Selectați o aplicație industrială specifică și, pe această bază, stabiliți un set de specificații pentru robot. Proiectul ar trebui să implice aspecte de cinematică, dinamică, mecanică, electronică, control și integrarea sistemului și aspecte de rețea a instalației. Proiectarea ar trebui să implice detectarea piesei sudate înainte de poziționarea pistoletului de sudare. În special, luați în considerare un robot cu șase grade de libertate, cu trei articulații prismatice și trei articulații revolute. Articulațiile prismatice sunt utilizate în principal pentru poziționarea brută a efectorului final (pistoletul de sudură), iar articulațiile revolute sunt utilizate în principal pentru manipularea fină (de exemplu, reglarea orientării și a apropierii) a pistoletului de sudare în raport cu piesa sudată. Câteva specificații preliminare de proiectare sunt prezentate mai jos:

Viteza maximă a unei articulații prismatice: 1,0 m/s
Viteza maximă a unei articulații revolute: 2,0 rad/s
Accelerația liniară maximă: 1 g
Acuratețea poziționării liniare: ± 0,1 mm
Acuratețea de poziționare unghiulară: ± 1°
Sarcină utilă (inclusiv pistoletul de sudare): 15 kg
Anvelopa de lucru: emisferă cu o rază de 1,5 m

Puteți utiliza servomotoare AC.

10.6.7 Proiect 7: Wood Strander

Un strander este o mașină pentru producerea așchii de lemn (fulgi) la fabricarea plăcilor de PAL. În figura P10.7 este prezentată o diagramă schematică a unui strander.

Cherestea este livrată intermitent în inelul de tăiere de către un transportor. Alimentatorul împinge cheresteaua în inelul rotativ ale cărui lame așchiază cheresteaua.

FIGURA P10.7 Un strander pentru fabricarea plăcilor strand de toroane

Proiectați o strander care poate tăia bușteni cu un diametru maxim de 0,4 m în segmente de 0,5 m (care corespunde cu lungimea axială a inelului de tăiere). Sunt prezentate următoarele specificații preliminare:

Diametrul inelului de tăiere: 3,0 m
Numărul de cuțite de tăiere: 88
Viteza inelului de tăiere: 900 rpm
Viteza de avans: 10 cm/s
Forța de tăiere medie: 5000 N
Grosimea medie a așchiei: 0,3 cm
Acuratețea grosimii așchiei: 1%

10.6.8 Proiectul 8: Lopată minieră automată

O lopată minieră este similară cu un excavator utilizat în operațiunile de îndepărtare a pământului. Are un braț pentru a ține bara, care poartă cupa de escavare. Bara este mutată și manipulată cu ajutorul unui mecanism de troliu cu cablu. Se propune automatizarea procesului de încărcare prin încorporarea de senzori, actuatoare, controllere și alte dispozitive adecvate. Următoarele specificații parțiale sunt disponibile:

Capacitate cupei: 40 m3
Lungime braț: 15 m
Lungime bară: 7 m
Viteză de ridicare: 2 m/s
Viteză bară: 1 m/s
Viteza de rotire a barei: 5 rpm
Viteza de rotație a dipper-ului: 10 rpm
Timpul ciclului: 10 s

10.6.9 Proiectul 9: Mașină de umplere conserve

Ambalarea porțiilor măsurate de produse alimentare este o operațiune importantă în industria de prelucrare a alimentelor. În special, „controlul porțiilor” este necesar. Considerați o operație automată de umplere a cutiei. Se porționează optim și se umple peștele în conserve. Sistemul general include etapele de preumplere, umplere și postumplere. O abordare integrată de grupare și tăiere optimă, în conformitate cu un criteriu de porționare bazat pe greutate, este centrată pentru avantajele abordării. Sistemul care este solicitat aici include o grupare și o tăiere optime a peștilor, folosind dispozitive robotice pentru a minimiza greutatea unei porții de pește de la greutatea țintă a unei conserve. Dispozitivele trebuie proiectate și dezvoltate pentru manipularea și tăierea mecanică a peștilor, cu sisteme de detectare și control asociate. Sunt necesare umplerea automată și inspecția post-umplere bazată pe senzori și corectarea /repararea integrată, sub supravegherea și controlul unui sistem de control de nivel-înalt. Tehnologia asociată include estimarea rapidă și exactă a distribuției greutății fiecărui pește, o metodă de optimizare a porțiilor, dispozitive de manipulare, transport și tăiere, tehnologie senzor avansată și control inteligent multistrat. O caracteristică importantă a sistemului este optimizarea bazată pe greutate a greutății de umplere, astfel încât să se reducă la minimum umpluturile excesive și subumpluturile de conserve. Rata de producție tipică este de 5 conserve/s.

10.6.10 Proiect 10: Mașină de marcat pește

Marcarea peștilor tineri în incubatoare, înainte de eliberarea lor în lacuri și râuri, este o activitate care este foarte valoroasă în gestionarea pescuitului. Probele de pește cultivat ar putea fi recoltate și examinate ulterior pentru a colecta date, care ar fi utile în mai multe scopuri, cum ar fi prezicerea rezervelor de pește, determinarea modelelor de migrație a peștilor și verificarea raportului de supraviețuire a peștilor din incubator. O simplă marcă de tip prezență/absență poate oferi un mijloc de identificare simplu pentru peștii din incubator, cu viteză mare. Acest proiect se referă la proiectarea și dezvoltarea unei mașini automate pentru marcarea prin pulverizare a peștilor. Mașina este formată din patru module principale: unitatea de alimentare, unitatea de transport, unitatea de marcare prin pulverizare și unitatea de recirculare a pigmenților. Se poate utiliza un pigment fluorescent pentru marcarea în masă, care este rapidă și ieftină, supraviețuirea peștilor este excelentă și este posibilă păstrarea marcajului 130 de zile sau mai mult. Este adoptat un pistol spray comercial care folosește aer de înaltă-presiune pentru a încorpora granule microscopice fluorescente în epiderma peștilor. În loc de pigment uscat pulbere se folosește o emulsie de pigmenți în apă. Un sistem transportor este utilizat pentru transportul peștilor tineri vii în markerul de pulverizare, care distribuie pigmentul amestecat cu apă printr-o duză cu ajutorul aerului comprimat. Un agitator este utilizat pentru a amesteca continuu recipientul de pigment suspendat în apă, pentru a reduce înfundarea duzei și pentru a asigura uniformitatea marcajului. Marcajele sunt detectate în câmp prin examinarea eșantioanelor de pește sub o lampă ultravioletă (UV) de putere-redusă. În timpul examinării sub o sursă de lumină UV, zonele marcate prin pulverizare de pe corpul peștilor, care conțin particule fluorescente, vor lumina strălucitor într-o culoare specifică, cum ar fi roșu, verde sau portocaliu în spectrul vizibil și aceste marcaje pot fi foarte ușor detectate prin ochiul liber sau prin mijloace optice. Prin această metodă, peștele poate fi marcat cu o viteză de aproximativ 15.000/h folosind aproximativ 0,45 kg de pigment fluorescent la 7 000 de pești. Lungimea peștilor variază între 38 și 52 mm. Deși particulele pigmentului fluorescent pulverizează pe corpul de pește cu un impuls rezonabil, doar o parte din particulele de pigment se încorporează efectiv în solzi de pește. O mare parte a emulsiei pulverizate este colectată într-un container atașat pe partea inferioară a mașinii la ieșire și este reciclată, oferind un grad de atitudine ecologică cu mediul. Apa în emulsie crește impulsul de pulverizare a pigmentului în timpul marcării, crescând astfel retenția marcajului. De asemenea, o emulsie facilitează utilizarea sistemului în condiții umede, reducând astfel înfundarea duzei. O pistol de pulverizare folosește o presiune de aer de 120 psi. Pulverizarea unei ținte (pește) poziționată la 30 cm de duză a dus la un diametru al regiunii de pulverizare de 8,5 cm și un diametru al regiunii de marcaj de 5 cm. Banda transportoare are o lățime de aproximativ 15 cm. Conform condițiilor experimentale obișnuite, un pistol de pulverizare este capabil să acopere doar o lățime de 5 cm. În proiect este nevoie de un sistem cu trei pistoale pentru a produce zona de marcare necesară pe transportor.

10.6.11 Proiect 11: Mașină pentru sortarea icrelor de Herring

Calitatea este crucială pentru produsele fabricate, cum ar fi piesele auto și produsele pescărești de înaltă-calitate, cum ar fi icrele de hering. Sistemele bazate pe viziune sunt utilizate în industrie pentru inspecția, evaluarea calității și clasificarea produselor. Icrele de hering prelucrat, care sunt considerate o delicatesă, are o piață profitabilă în țări precum Japonia. Mărimea, forma, culoarea, textura și fermitatea sunt importante pentru a determina calitatea generală a unei frânturi de icre. Un produs de gradul 1 poate comanda dublul prețului unui produs de gradul 2. Clasificarea exactă este destul de importantă în acest sens. Clasificarea icrelor de hering se face în principal prin muncă manuală, în prezent. Având în vedere dificultățile asociate, precum viteza și menținerea unei calități uniforme a produsului, gradarea mașinii a primit multă atenție. Proiectați o mașină de clasificare care folosește integrarea și fuziunea inteligentă a senzorilor, pentru icre de hering. În mașină, frânturi de icre sunt aranjate într-un singur file la alimentator și sunt trimise prin sistemul senzorial. Un sistem senzorial bazat pe cameră, așa cum este arătat schematic în figura P10.11, poate fi utilizat pentru detectarea cu viteză mare a mărimii, formei și culorii. Ultrasunetele sau alte metode pot fi utilizate pentru detectarea texturii și detectarea fermității. Fermitatea icrelor, caracteristicile geometrice, estimările de greutate asociate și culoarea sunt încorporate într-un sistem inteligent de fuziune a senzorilor pentru a ajunge la o decizie de clasificare. Randamentul obișnuit pentru mașină este de 5 frânturi/s. Dimensiunea unei frânturi de icre nu va depăși 20 cm × 5 cm. Luați în considerare aranjamentul experimental arătat în figura P10.11. Imaginile sunt capturate continuu printr-o cameră de scanare progresivă PULNIX 6701 echipată cu un obiectiv un de 12,5 mm. f. 1.4 Cosmicar TV, de o placă PCI captator de cadre fabricată de Matrox Genesis. Benzi laser liniare unice și multiple generate de proiectorul luminos structurat cu diodă laser LASIRIS (30 mW, 670 nm) sunt proiectate pe obiect. Limbajul de programare Microsoft Visual Basic 6.0 a fost utilizat ca mediu orientat-pe obiect pentru a dezvolta interfața om-mașină. Limbajul de programare Visual C++ 6.0 a fost utilizat pentru a dezvolta algoritmul de evaluare a calității, ca o bibliotecă de legături dinamice (DLL) într-un computer PC puternic și de mare viteză.

FIGURA P10.11 Sistem de detectare bazat pe laser

10.6.12 Proiect 12: Sistem de control hidraulic

Dimensiunea componentelor este o considerație importantă în proiectarea unui sistem de control hidraulic. Vi se cere să proiectați un sistem hidraulic pentru o acționare de poziționare radar. Mai exact, trebuie să

1. Selectați un motor hidraulic adecvat și o angrenare adecvată pentru a acționa sarcina (radarul).

2. Selectați o pompă potrivită pentru alimentarea cu putere hidraulică continuă.

3. Proiectați o unitate de transmisie a vitezei (de exemplu, angrenaj) pentru ca motorul să cupleze sarcina (radar).

4. Determinați presiunea de intrare la motorul hidraulic.

5. Determinați presiunea de ieșire a pompei. Sunt date următoarele:

Inerția sarcinii = 2000 kg·m2
Viteza maximă a sarcinii = 1 rad/s
Accelerația maximă a sarcinii = 10 rad/s2
Cuplul vântului = 2000 N·m
Distanța de la pompă la motorul hidraulic = 4 m
Dimensiunea conductei (oțel) = 1,25 cm OD și 1,0 mm grosime
Presiunea maximă de alimentare a fluidului = 20.000 kPa
Pierdere de energie hidraulică în conductă = 5%
Scurgere la pompă = scurgere motor = 5%
Eficiența motorului = eficiența cutiei de viteze = 95%

Presupunem că fluidul hidraulic este MIL-H-5606. Proiectați următoarele:

1. Un sistem controlat de pompă în care pompa furnizează direct un flux controlat la motorul hidraulic.

2. Un sistem controlat de supapă în care se utilizează o supapă între pompă și motorul hidraulic pentru a alimenta un flux controlat la motori (se presupune o scurgere de 5% a supapei).

Puteți utiliza un manual de inginerie mecanică pentru a obține specificațiile pentru pompă și motorul hidraulic (de obicei aceleași specificații sunt date atât pentru pompe, cât și pentru motoare) și pentru a estima pierderea de presiune în conducta de oțel care transportă ulei MIL-H-5606. Pot fi folosiți senzori, unități de transmisie, motoare, pompe, supape și surse de alimentare disponibile în comerț.

Comentariu: Luați în considerare problema selectării servovalvei pentru o acționare hidraulică. Primul pas este alegerea unui actuator hidraulic adecvat (ram sau motor) care să corespundă cerințelor de încărcare. Aceasta stabilește debitul de sarcină QL și presiunea de sarcină PL la viteza de operare a sarcinii. Presiunea de alimentare Ps este cunoscută și ea. Rețineți că, în condiții fără sarcină, căderea de presiune pe servovalvă este Ps, iar în condiții normale de funcționare, este Ps - PL. În specificațiile producătorului, debitul nominal al unei servovalve este dat la o anumită scădere de presiune specificată (de exemplu, 7000 kPa). Deoarece debitul este proporțional cu rădăcina pătrată a căderii de presiune, putem determina debitul necesar pentru supapă (de obicei, prin creșterea valorii calculate a debitului nominal cu 10% pentru a permite scurgeri, fluctuații ale sarcinii etc. ). Acest debit nominal este un factor care guvernează alegerea unei servovalve. Al doilea factor este lățimea de bandă a supapei, care ar trebui să fie de câteva ori mai mare decât frecvența de rezonanță primară a sarcinii pentru un control adecvat. Informațiile tipice disponibile de la producătorii de servovalve includ frecvența corespunzătoare punctului de întârziere a fazei de 90° a răspunsului supapei. Această frecvență poate fi utilizată ca măsură a lățimii de bandă a supapei. Pentru a selecta o servovalvă pentru un radar controlat cu supapă, primul pas ar fi obținerea unui catalog cu o fișă tehnică de la un cunoscut producător de servovalve. Presupuneți că frecvența rezonantă a sistemului radar este de 10 Hz.