Co je mechatronika, mechatronické prvky, moduly, stroje a systémy

Slovo "mechatronika" je tvořeno dvěma slovy - "mechanika" a "elektronika". Tento termín navrhl v roce 1969 starší vývojář z Yaskawa Electric, Japonec jménem Tetsuro Mori. Ve 20. století se Yaskawa Electric specializovala na vývoj a zdokonalování elektrických pohonů a stejnosměrných motorů a dosáhla proto v tomto směru velkých úspěchů, byl zde například vyvinut první stejnosměrný motor s kotoučovou kotvou.

Následoval vývoj týkající se prvních hardwarových CNC systémů. A v roce 1972 zde byla zaregistrována značka Mechatronika. Společnost brzy udělala velké pokroky ve vývoji technologií elektrického pohonu. Společnost se později rozhodla upustit od slova „Mechatronics“ jako ochranné známky, protože tento termín byl široce používán jak v Japonsku, tak po celém světě.

Japonsko je každopádně domovem nejaktivnějšího rozvoje takového přístupu v technologii, kdy bylo nutné kombinovat mechanické prvky, elektrické stroje, výkonovou elektroniku, mikroprocesory a software pro implementaci vysoce přesného řízení elektrického pohonu.

Běžným grafickým symbolem pro mechatroniku je diagram z webu RPI (Rensselaer Polytechnic Institute, NY, USA):

Mechatronika je jedním z nejnovějších strojírenských oborů na světě, který podle UNESCO patří mezi deset nejperspektivnějších a nejžádanějších.

Obecně lze říci, že pojem „mechatronika“ lze definovat následovně — jedná se o vědní a technický obor založený na systematické kombinaci jednotek pro přesnou mechaniku, elektrotechniku, elektroniku, mikroprocesorovou techniku, různé zdroje energie, elektrické, hydraulické a pneumatické pohony, stejně jako jejich inteligentní řízení, zaměřené na tvorbu a provoz bloků moderních automatizovaných výrobních systémů.

Mechatronika je počítačové řízení pohybu.

Cílem mechatroniky je vytvářet kvalitativně nové pohybové moduly, mechatronické pohybové moduly, inteligentní mechatronické moduly a na jejich základě pohyblivé inteligentní stroje a systémy.

Historicky se mechatronika vyvinula z elektromechaniky a na základě svých úspěchů šla dále systematickým kombinováním elektromechanických systémů s počítačovými řídicími zařízeními, vestavěnými senzory a rozhraními.

Schéma mechatronického systému

Zobecněná struktura mechatronických systémů

Elektronické, digitální, mechanické, elektrické, hydraulické, pneumatické a informační prvky — mohou být součástí mechatronického systému, protože původně prvky jiné fyzikální povahy se však spojují za účelem získání kvalitativně nového výsledku systému, kterého nelze dosáhnout každým prvkem jako samostatným umělcem.

Samostatný vřetenový motor nebude schopen vysunout přihrádku DVD přehrávače sám, ale pod kontrolou obvodu se softwarem mikrokontroléru a správně připojeného k šnekovému převodu bude vše fungovat snadno a bude vypadat jako jednoduchý monolitický systém. Navzdory vnější jednoduchosti však mechatronický systém podle definice zahrnuje několik mechatronických jednotek a modulů, které jsou vzájemně propojeny a vzájemně působí, aby prováděly specifické funkční akce k řešení konkrétního úkolu.

Mechatronický modul je samostatný produkt (konstrukčně i funkčně) navržený k provádění pohybů s prolínáním a současnou účelnou hardwarovou a softwarovou integrací jeho komponent.

Typický mechatronický systém se skládá z propojených elektromechanických a výkonových komponent, které jsou zase řízeny počítačem nebo mikrokontroléry.

Při navrhování a stavbě takového mechatronického systému se snaží vyhnout zbytečným uzlům a rozhraním, snaží se, aby vše bylo stručné a co nejplynulejší, a to nejen s cílem zlepšit hmotnostní charakteristiky zařízení, ale také zvýšit spolehlivost systému obecně.

Inženýři to někdy nemají jednoduché, jsou nuceni nacházet velmi neobvyklá řešení právě kvůli tomu, že různé jednotky jsou v různých pracovních podmínkách a dělají úplně jiné věci. Někde například nebude fungovat klasické ložisko a je nahrazeno elektromagnetickým zavěšením (to se děje zejména u turbín čerpajících plyn potrubím, protože konvenční ložisko by rychle selhalo v důsledku průniku plynu do jeho mazivo).

Tak či onak dnes mechatronika pronikla do všeho od domácích spotřebičů po stavební robotiku, zbraně a letecký průmysl. Všechny CNC stroje, pevné disky, elektrické zámky, systém ABS ve vašem voze atd. — všude je mechatronika nejen užitečná, ale i nezbytná. Nyní je vzácné, kde můžete najít ruční ovládání, vše se scvrkává na skutečnost, že jste stiskli tlačítko bez fixace nebo se jednoduše dotkli senzoru - máte výsledek - to je možná nejprimitivnější příklad toho, co je dnes mechatronika.

Hierarchický diagram integračních úrovní v mechatronice

První úroveň integrace tvoří mechatronická zařízení a jejich prvky. Druhou úroveň integrace tvoří integrované mechatronické moduly. Třetí stupeň integrace tvoří integrační mechatronické stroje. Čtvrtou úroveň integrace tvoří komplexy mechatronických strojů. Pátá úroveň integrace je tvořena na jednotné integrační platformě komplexů mechatronických strojů a robotů, což implikuje vytvoření rekonfigurovatelných flexibilních výrobních systémů.

Dnes jsou mechatronické moduly a systémy široce používány v následujících oblastech:

• strojírenská a automatizační zařízení, technologické procesy ve strojírenství;

• průmyslová a speciální robotika;

• letectví a vesmírné technologie;

• vojenská technika, vozidla pro policii a speciální služby;

• zařízení pro elektronické inženýrství a rychlé prototypování;

• automobilový průmysl (moduly pohonu motorových kol, protiblokovací brzdy, automatické převodovky, automatické parkovací systémy);

• netradiční vozidla (elektromobily, elektrokola, invalidní vozíky);

• kancelářské vybavení (např. kopírky a faxy);

• periferní zařízení počítačů (např. tiskárny, plotry, jednotky CD-ROM);

• lékařské a sportovní vybavení (bioelektrické a exoskeletonové protézy pro invalidy, posilovací trenažéry, kontrolované diagnostické kapsle, masérky atd.);

• domácí spotřebiče (praní, šití, myčky nádobí, samostatné vysavače);

• mikrostroje (pro lékařství, biotechnologie, komunikace a telekomunikace);

• řídicí a měřicí zařízení a stroje;

• výtahová a skladová zařízení, automatické dveře v hotelech a na letištích; foto a video zařízení (přehrávače videodisků, zaostřovací zařízení videokamer);

• simulátory pro výcvik operátorů složitých technických systémů a pilotů;

• železniční doprava (systémy řízení a stabilizace vlaků);

• inteligentní stroje pro potravinářský, masný a mléčný průmysl;

• tiskařské stroje;

• chytrá zařízení pro show průmysl, atrakce.

V souladu s tím roste potřeba personálu s mechatronickými technologiemi.