Intelligens gépek elemei Bevezetés

Átírás

1 Intelligens gépek elemei Bevezetés

2 A gépészet fejlődése, a mechatronika kialakulása Mi jellemezte az 1900 előtti időket? Tisztán mechanikus rendszerek Gőzgép (1769) Dinamók, egyenáramú motor (1870) Forgó szivattyúk (1880) Belsőégésű motor (1880) Mechanikus írógép Váltakozó áramú motor (1889)

3 A gépészet fejlődése, a mechatronika kialakulása Az 1920 körüli évek Elektro Mechanikus rendszerek Hagyományos szerszámgépek Villamos hajtású szivattyúk Relék, tekercsek Hidraulika, pneumatika Elektronikus erősítők PI kontrollerek (1930) Elektromos írógép

4 A gépészet fejlődése, a mechatronika kialakulása Az 1935 körüli évek Mechanikus rendszerek analóg elektronikus vezérléssel Gőzturbinák Repülőgép ipar Tranzisztor (1948) Tirisztor (1955)

5

6 A gépészet fejlődése, a mechatronika kialakulása Az 1955 körüli évek Mechanikus rendszerek analóg elektronikus szabályozással Elektronikus vezérlésű felvonók Digitális számítógép (1955) Folyamat számítógép (1959) Valós idejű szoftver (1966) Mikroszámítógép (1971) Digitális decentralizált automatizálás (1975)

7 A gépészet fejlődése, a mechatronika kialakulása Az 1975 körüli évek Mechanikus rendszerek digitális szabályozással Számjegyvezérlésű szerszámgépek Ipari robotok Ipari parkok Lemezmeghajtók Mikrokontroller (1978) Személyi számítógép (1980) Buszrendszer Új aktuátorok, szenzorok A komponensek integrálása

8

9 A gépészet fejlődése, a mechatronika kialakulása Az 1985 körüli évek Mechatronikus rendszerek: mechanika és elektronikus hardver integrációja szoftver által meghatározott funkciók, új tervezési eszközök a szimultán tervezéshez, egymást erősítő hatások Számjegyvezérlésű szerszámgépek Ipari robotok Ipari parkok Lemezmeghajtók Mikrokontroller (1978) Személyi számítógép (1980) Buszrendszer Új aktuátorok, szenzorok A komponensek integrálása

10

11 Szétválaszthatóak e a rendszerek? Egy új minőségi szint Esőszenzor Motor Hőmérő Sebességváltó Ablaktörlő Differenciálmű Akku Generátor Szervo AC pumpa ABS Kipörgésgátló Fék Olajszűrő Villamos rész, minden itt van, ami nem gépészet. Gépészeti rész, itt csak az van, amihez a gépészmérnök ért

12 A mai autó egy mechatronikai rendszer, amelynek alapja a gépészeti rendszer

13 Mechatronikai rendszerek A mechatronika a gépészet, az elektronika és az informatika egymás hatását erősítő integrációja a termékekben és folyamatokban, és azok tervezésében, gyártásában. Alkalmazott informatika Elektronika Informatika Gépészet Gépészeti informatika Elektromechanika

14

15

16 Példa a mechatronikai rendszerekre A kormánymű elvi ábrája A korszerű gépjárműnél a járműsebesség függvényében változtatni kell a kormánymű áttételét. Ugyanis nagyobb sebességeknél a kormánykerék kis elfordulása esetén balesetveszélyesen nagy járműmozgások léphetnek fel. Ezért nagy járműsebességeknél a kormánymű áttételét meg kellene növelni. Ugyanakkor kis sebességeknél, pl. parkoláskor a túlzottan nagy áttétel kedvezőtlen lenne, ilyenkor az áttételt csökkenteni kell.

17 Elméleti alapok Az ábra mutatja, hogy a sebesség függvényében hogyan változik a kormánymű áttétele. Ezt a feladatot pusztán mechanikus elemekkel szinte lehetetlen megvalósítani, a mechatronika segítségével viszont a feladat megoldható.

18 Elektronikusan kommutált motor

19 Az elektronikusan kommutált szervomotor elvi ábrája és működési diagramja A nyomaték fordulatszám tartomány, amelyen belül a motor működhet A motor állórésze tekercselt pólusokat, a forgórész állandó mágneseket tartalmaz

20 Példa a mechatronikai rendszerekre Sokkal összetettebb feladatok és manőverek megvalósítására, mint az ember. Az intelligens járműrendszerek olyan kritikus helyzetekben is uralni tudják az autót, amikor az már meghaladja a vezető képességeit és gyorsaságát.

21 A robot és a mozgás stratégiája

22 A robot segédfunkciói Meg lehet akadályozni, hogy a robot elhagyja a szobát. Alacsony akkufeszültség esetén a robot felkeresi a töltőkészüléket.

23

24

25 Irányítás Szabályozás és vezérlés

26 Szabályozás

27 Szabályozás

28 Szabályozás

29 Egy mechatronikai eszköz általános struktúrája Érzékelők Működtetők Mechanikai rendszer Irányítórendszer Fizikai mennyiségek??????????? Szenzorok?????????????????????? Mért értékek Rendelkező jelek Mechatronikai struktúra Mért érték feldolgozás Digitális számítógép Teljesítmény rész Visszacsatolások!!!!!!!!!!! Aktuátorok!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Mozgások Hajtások és vezetékek Erők vagy sebességek

30

31 Mennyiben azonos és mennyiben különbözik a mechatronika klasszikus mechanikától? A mechanika azt vizsgálja, hogy a gépészeti rendszer a rá ható erők és nyomatékok hatására hogyan viselkedik A mechatronika azt vizsgálja, hogy mekkora erőknek és nyomatékoknak kell a mechanikai rendszerre hatnia, hogy az előírt pályán haladjon, vagy előírt helyzetbe kerüljön

32 Régebben úgy tanították, hogy a precíz pozícionáláshoz nagy tömegek, súlyos vezetékek kellenek.

33

34 A mai mechatronikus rendszerek, intelligenciájuknak köszönhetően képesek precíz pozícionálásra a mozgó, és rugalmasan deformálódó rendszerekben is.

35 Mesterséges intelligencia Mikor jobb, mint az emberi? gyorsaság objektivitás nagy számítási kapacitás monotonitás Az "Intelligens" és "Okos" termékek a környezetből érkező ingerekre differenciált választ képesek adni. Legyen hatékonyabb Gazdaságosabb Használhatóbb Biztonságosabb Jobb Differenciáltabb választ képes adni több szenzor Igényesebb" szoftver ötletesebb mechanika

36 Mechanikai AI Gőzgép fordulatszámának szabályozása (centrifugál regulátor) Bütykös tengely

37 Mai gépeinknél a mesterséges intelligencia hordozója az elektronika és az szoftver. Ezért minden fizikai jelet le kell fordítani az "elektronika nyelvére", elvégezni a jelfeldolgozást, majd aktuátorokon keresztül manipulálni a rendszert. Elektroncsövek, Tranzisztorok

38 Fejlődés Moore törvény: másfél év alatt az azonos területen lévő tranzisztorok száma megduplázódik (2014 ig talán így is lesz) Kryder törvény: exponenciális növekedés a tárolókapacitásokban... sőt, a CCD detektorok pixelszáma is exponenciális növekedést mutat Organikus processzorok

39

40

41

42

43 A kis méretek hatása A hosszmérettel a felület négyzetesen, a térfogat (tehát a tömeg is) köbösen változik Tehát minél kisebb egy konstrukció, annál kisebb keresztmetszet is elég a tömeg megtartásához. A hangya testtömegének többszörösét képes függőlegesen fölfelé cipelni

44

45 A kis méretek hatása Sas: 0,1 Hz szárnyfrekvencia Veréb: 1 Hz szárnyfrekvencia Szúnyog: 400 Hz szárnyfrekvencia

46 A kis méretek legfontosabb következményei: 1. Mivel a tized akkora szerkezet súlya ezred akkora, a szerkezet súlyából eredő terhelésekkel nem kell számolni a finommechanikában és a mikro mechanikában. 2. Mivel a tized akkora szerkezet felülete század akkora, a térfogatához képest nagy lesz a felülete. Ezért nagyobb teljesítményre képes, mert jobbak a hűtési viszonyok.

47 A kis méretek legfontosabb következményei: 3. A lineáris méretek csökkenésével a rendszer sajátfrekvenciája növekszik, így gyorsabb működésre lesz képes. (pl. élővilágban cickány és teknős). 4. Ugyanezt okozza a rendszer kapacitásváltozása is, ami a felülettel arányos. (hő kapacitás, elektromos kapacitás)

48 A kis méretek legfontosabb következményei: 5. A méretek csökkenésével előtérbe kerülnek addig elhanyagolható tényezők. (pl. felületi feszültség, légáramlat, mágnesesség)

49