1. Ce este „Mecatronica”? 

Mecatronica este un concept de origine japoneză (anii '70) și poate fi definit ca fiind aplicarea electronicii și a tehnologiei computerizate pentru a controla mișcările sistemelor mecanice (figura 1.1.1).  

Figura 1.1.1 Definiția Mecatronicii 

Este o abordare multidisciplinară a proiectării de produse și sisteme de fabricație (figura  1.1.2). Ea presupune aplicarea  ingineriei electrice, mecanice, de control și computer pentru a dezvolta produse, procese și sisteme cu o mai mare flexibilitate, ușurință  în reproiectare și capacitate de reprogramare. Cuprinde concomitent toate aceste discipline. 

Figura 1.1.2 Mecatronica: o abordare multidisciplinară  

Mecatronica poate fi denumită și înlocuirea mecanicii cu electronica sau îmbunătățirea mecanicii cu electronică. De exemplu, în automobilele moderne, sistemele de injecție mecanică de combustibil sunt acum înlocuite cu sisteme electronice de injecție de combustibil. Această înlocuire a făcut automobilele mai eficiente și mai puțin poluante.

Cu ajutorul microelectronicii și a tehnologiei senzorilor, sistemele de mecatronică oferă nivele ridicate de precizie și fiabilitate.  Acum este posibil să se mute (în plan x-y) masa de lucru a unei mașini-unelte moderne de producție într-un pas de 0,0001 mm.

Prin utilizarea de microcontrolere/microcomputere reprogramabile, acum este ușor de adăugat noi funcții și capabilități unui produs sau unui sistem. Mașinile de spălat casnice de astăzi sunt „inteligente”, iar automobilele de pasageri pe patru roți sunt  echipate cu instalații de siguranță precum airbag-uri, senzori de parcare (de proximitate), chei electronice antifurt etc.

2. Importanța mecatronicii în automatizare 

Figura 1.1.3 Operațiuni implicate în proiectarea și fabricarea unui produs 

Clienții de astăzi cer mai multă varietate și nivele mai ridicate de flexibilitate în produse. Datorită acestor cerințe și a concurenței pe piață, producătorii se străduiesc să lanseze produse noi/modificate pentru a supraviețui. Aceasta reduce durata de viață a produsului  precum și timpul de livrare la fabricarea unui produs. Prin urmare, este esențial să automatizăm operațiunile de  fabricație și de asamblare a unui produs. Există diverse activități implicate în procesul de fabricație a produsului. Acestea sunt prezentate în figura 1.1.3. și pot fi clasificate în două grupuri, adică, activități de proiectare și de fabricație. 

Mecatronica folosește concomitent disciplinele de inginerie mecanică, electrică, de control și computer în stadiul de proiectare în sine. Disciplina mecanică este utilizată în termeni de mașini și mecanisme diverse, ingineria electrică este utilizată cu diverse transportatoare electrice primare ca motoare AC/DC, servomotoare și alte sisteme. Ingineria de Control ajută la dezvoltarea de diferite sisteme de control bazate pe electronică pentru a îmbunătăți sau înlocui mecanisme din sisteme  mecanice. Computerele  sunt utilizate pe scară largă pentru a scrie diverse software pentru a controla sistemele de control; activitățile de  proiectare și dezvoltare a produselor; planificarea resurselor de producție și materiale, păstrarea evidenței, sondajul de piață și alte activități legate de vânzări. 

Utilizând instrumente de proiectare asistată de computer (CAD)/analiză asistată de computer (CAE), pot fi ușor dezvoltate  modele tridimensionale de produse. Aceste modele pot fi apoi analizate și simulate pentru a studia performanțele lor folosind instrumente numerice. Aceste instrumente numerice sunt continuu actualizate sau îmbogățite cu performanțele din viața reală a unui tip similar de produse. Aceste exerciții oferă o idee aproximativă despre performanța produsului/sistemului echipei de proiectare în stadiul incipient al dezvoltării produsului. Pe baza studiilor de simulare, proiectele pot fi modificate pentru a obține performanțe mai bune.  În timpul procesului de fabricație convențional, evaluarea proiectării se realizează, în general, după  producerea primului lot de produse. Acest lucru consumă mult timp, ceea ce duce la o dezvoltare mai lungă în timp (în luni/ani) a produsului. Utilizarea instrumentelor CAD-CAE economisește timp semnificativ în comparație cu cea necesară în procesul de proiectare secvențială convențională. 

Modelele finale generate de CAD-CAE sunt apoi trimise secțiunii de planificare a producției și a proceselor. Sisteme bazate pe mecatronică, cum ar fi fabricația asistată de computer (CAM): planificarea automată a proceselor, programarea automată a pieselor, planificarea resurselor de fabricație etc. utilizează datele de proiectare furnizate de echipa de proiectare. Pe baza acestor contribuții, se vor planifica apoi diverse activități pentru atingerea țintelor de fabricație în termeni de calitate și cantitate, într-un interval de timp stabilit. 

Sistemele automate bazate pe mecatronică, precum inspecția și asigurarea calității automate, ambalarea automată, realizarea de înregistrări și expedierea automată ajută la accelerarea întregii operațiuni de fabricație. Aceste sisteme asigură cert o livrare de  calitate mai bună, produse bine ambalate și fiabile pe piață. Automatizarea mașinilor-unelte a redus intervenția umană în operația de prelucrare și a îmbunătățit eficiența procesului și calitatea produsului. Prin urmare, este important de studiat  principiile mecatronicii și de învățat cum se aplică în automatizarea unui sistem de fabricație. 

3. Sistem mecatronic 

Un sistem poate fi gândit ca o cutie sau un întreg delimitat care are elemente de intrare și ieșire și un set de relații între aceste elemente. Fig. 1.1.4 prezintă un sistem tipic cu arc. Are „forță” ca intrare care produce o „extensie”. Intrarea și ieșirea acestui sistem urmează legea lui Hooke F = -kx, unde F este forța în N, x este distanța în m și k este rigiditatea arcului. 

  Figura 1.1.4 Un sistem forță-arc 

Figura 1.1.5 Constituenții unui sistem mecatronic 

Un sistem mecatronic integrează diverse tehnologii care implică senzori, sisteme de măsurare, comenzi, sisteme de acționare, sisteme cu microprocesoare și inginerie software. Figura 1.1.5 prezintă elementele de bază ale unui sistem mecatronic.  Considerați exemplul unui sistem simplu masă-arc, așa cum se arată în fig. 1.1.4. Pentru a înlocui acest sistem mecanic cu un sistem echivalent bazat pe mecatronică, trebuie să avem elementul de control de bază, un microprocesor. Microprocesorul prelucrează sau utilizează informațiile culese din sistemul de senzori și generează semnale de nivel adecvat și de tip adecvat  (curent sau tensiune) care vor fi utilizate pentru acționarea actuatorului necesar, respectiv, un dispozitiv hidraulic cu piston-cilindru pentru extinderea tijei pistonului în acest caz. Microprocesorul este programat pe baza principiului Legii lui Hook.  Schema sistemului de masă-arc echivalent bazat pe  microprocesor este prezentată în fig. 1.1.6.   

Figura 1.1.6 Sistem masă-arc echivalent pe bază de microprocesor 

Intrarea sistemului este o forță care poate fi detectată de senzori electromecanici adecvați, adică, dispozitiv piezo-electric sau mărci tensometrice. Acești senzori generează fie semnale digitale (0 sau 1), fie semnale analogice (milivolți sau miliamperi).  Aceste semnale sunt apoi convertite într-o formă corectă și sunt atenuate la un nivel adecvat care poate fi utilizat în mod corespunzător de microprocesor pentru a genera semnale de acționare. Diferite dispozitive auxiliare bazate pe electronică, adică, Convertor analogic-digital (ADC), convertor digital-analogic (DAC), amplificatoare operaționale, modulatoare, circuite de liniarizare etc. sunt utilizate pentru a condiționa semnale care sunt fie primite de microprocesor de la senzori, sau sunt trimise la actuatoare de la microprocesor. Acest sistem de masă-arc bazat pe mecatronică are semnale de intrare în formă digitală, care  sunt primite de la ADC și senzorul piezo-electric. Semnalele digitale de acționare generate de microprocesoare sunt convertite în semnale analogice corespunzătoare.  Aceste semnale analogice acționează pompa hidraulică și supapele de control pentru a realiza  deplasarea dorită a tijei pistonului. 

În acest curs vom studia în detaliu diferite elemente ale unui sistem mecatronic (prezentat în figura 1.1.5) și aplicațiile lor pentru automatizarea producției. 

Sarcina 1: Studiați diagrama ciclului de viață a produsului și elaborați diversele activități de proiectare și fabricație pentru un produs: un automobil pe patru roți (un autoturism) sau un telefon mobil. 

Sarcina 2: Identificați un sistem mecatronic utilizat de dvs. în rutina dvs. de zi cu zi. Analizați elementele sale și indicați importanța sa în funcționarea sistemului respectiv.