Tendinte in mecatronica

TENDINTE IN MECATRONICA

1. Notiuni generale

Problematica analizata in capitolele anterioare evidentiaza faptul ca mecatronica este strans legata de ingineria mecanica si de ingineria informatiei. Tehnologia informatiei, software-ul in particular, a fost dezvoltata pentru a da flexibilitate masinilor. Prin urmare, flexibilitatea masinilor creste prin introducerea mecatronicii. 'Mecanic' nu mai este un adjectiv insemnand inflexibilitate. Masinile moderne tind sa inceteze a fi 'mecanice', ceea ce ar putea fi privit ca un paradox.

Nu sunt putini cei care dau vina conceperii unei existente mai putin umane pe computere, din moment ce informatizarea priveaza chiar si un sistem mecanic de o anumita libertate si f1exibilitate.

In lumea specialistilor, se incearca ca sistemele informatizate sa fie cat mai eficiente cu putinta si sa se elimine in exploatare toate etapele care ar fi de prisos, atunci cand capacitatea calculatorului este insuficienta. Rezolvarea problemei insuficientei se face prin optimizarea sistemului in anumite conditii si, prin urmare, este posibil sa se neglijeze comportarea sistemului in alte conditii. Nu este de mirare ca sistemele informatizate care au fost proiectate cu aceasta tehnologie si-au pierdut flexibilitatea care fusese avantajul initial, devenind o pacoste pentru utilizatori.

Oricum, performantele computerelor cresc de la an la an, astfel ca oricine poate sa le utilizeze potentialul la un nivel de neimaginat in trecut, si de asemenea, la un pret scazut. Sisteme1e informatizate pot fi proiectate si utilizate avand un grad oarecare de reductanta in locul limitarilor.

Este foarte putin probabil sa existe un produs mecatronic care sa contina un cip microprocesor al carui set de instructiuni sa fie folosit in intregime. Exista multe sisteme care poseda o anumita reductanta prin proiectare. In acest sens, se poate spune ca a inceput o era avand la baza o noua  tehnologie. Noile componente ale sistemelor realizate in tehnologie necesita o noua teorie a proiectarii sistemelor. Configuratia unui sistem variaza cu dispozitivele folosite, iar o configuratie noua necesita noi dispozitive. O astfel de veriga de legatura intre sistem si dispozitive este un important stimul pentru dezvoltare. Sistemele cu autonomie distribuita si sistemele holon tind sa fie mult mai flexibile decat sistemele existente pana in prezent. Atunci cand performantele unui computer erau insuficiente, conexiunile versatile intre iesiri si intrari nu puteau fi realizate, astfel ca schimburile de informatie intre subsisteme individuale trebuiau sa aiba loc intr-o succesiune foarte bine determinata. Prin urmare, sistemele erau organizate astfel incat subsistemele sa fie conectate rigid. Efectul unei astfel de organizari este propagarea unei influente negative de la nivelul unui subsistem la nivelul intregului sistem. In cazul unui sistem cu autonomie distribuita, fiecare subsistem este astfel proiectat incat sa poata opera independent. Astfel, este posibil ca fiecare subsistem sa opereze independent in conditii deosebite, cum ar fi intreruperea cailor de comunicatie.

2. Influente datorate micromecanismelor

Micromecanismele din prima generatie au fost realizate pornind de la ideea miniaturizarii si compactizarii. Componentele din structura acestora au fost fabricate utilizand tehnologiile clasice.

Datorita facilitatilor oferite de tehnologia mecatronica, se realizeaza un salt calitativ important, componentele mecanice pot fi fabricate cu precizie submicronica.

Prin aplicarea tehnologiei moleculare, creste simtitor gradul de integrare si se reduc dimensiunile modulelor din structura sistemelor mecatronice. Senzorul, microprocesorul si actuatorul pot fi integrate intr-un volum redus, obtinandu-se astfel un nou element.

Masinile au fost proiectate cu actuatori avand necesitati energetice calculate in conformitate cu metoda conventionala. Cu alte cuvinte, masinile au fost proiectate luandu-se rand pe rand in considerare specificatiile cerute, ordonate dupa anumite criterii.

In cazul unui sistem bazat pe micromecanisme si micromasini, puterea totala se obtine prin integrarea componentelor datorate unora dintre micromecanisme. Sistemele cu elemente multiple integrate pot avea multiple grade de libertate, ceea ce le mareste gradul de complexitate.

Referat: Ferastrau circular cu masa mobila Referat: Criterii pentru aprecierea rezistentei la foc

Pentru a proiecta si fabrica echipamente bazate pe micromecanisme, este necesar un nou tip de sistem CAD care sa fie capabil sa imbine proiectarea mecanismelor si proiectarea circuitelor electrice. Multe sisteme de aplicatii vor fi integrate in mediul de lucru al unui astfel de sistem CAD. Echipamentele micromecatronice trebuie proiectate intr-o secventa continua de proceduri de proiectare, astfel ca influentele proiectarii circuitelor electrice sa fie luate in seama la calcularea caldurii generate de sistem, aceasta afectand forma geormetrica a mecanismului. Noile echipamente nu mai pot fi proiectate folosind traditionalele instrumente CAD, deoarece instrumentele avand la baza principiul separarii partii electrice de partea mecanica nu mai corespund cerintelor actuale.

3. Supermecatronica, optomecatronica

Progresele in domeniul tehnologiei electronice determina salturi spectaculoase in dezvoltarea mecatronicii. Ultimele realizari, care vizeaza aplicatii ale tehnologiei ASIC (Application Specific Integrated Circuit) in proiectarea sistemelor de comanda, sunt numite de catre japonezi 'supermecatronica '. Este cunoscut faptul ca anumite functii de comanda reclama o putere de calcul considerabila. In astfel de aplicatii, care se intalnesc destul de frecvent, se justifica integrarea acestor functii in cipuri specializate.

Astfel de cipuri se utilizeaza pentru procesarea imaginilor in sistemele de viziune artificiala, pentru cinematica inversa a robotilor, cipuri pentru interpolare, cipuri pentru procesarea semnalelor etc.

Exista realizari importante pe linia integrarii electronicii de putere pentru servomotoare cu logica digitala, pe aceeasi placa. Asa-numitele 'cipuri de putere inteligente' sunt produse astazi de catre prestigioase firme in domeniu ca: NEC, Toshiba etc. Aceste module pot fi echipate cu traductoare de curent, tensiune, temperatura etc., pentru protectie si pentru control. Motoare de putere pana la 100 W pot fi controlate direct cu aceste cipuri.

In acest mod s-au obtinut noi produse si aplicatii performante. Discurile optice, cititoarele de coduri, senzorii optici, imprimantele laser, sistemele de masurare pe baza de interferometrie laser sunt doar cateva exemple

4. Micromecatronica

Micromecatronica reprezinta integrarea sinergetica a sistemelor microelectromecanice cu tehnologiile electronice si mecanica de precizie.

Domeniile de interes specifice micromecatronicii sunt: microsistemele si microdispozitivele, microsenzorii si microactuatorii, microsursele de energie, produsele de inalta precizie si/sau miniaturizate, componentele din structura echipamentelor periferice pentru calculatoare, instrumentele optice, microrobotica, aplicatiile biomedicale.

Obtinerea unor instrumente capabile sa manipuleze obiecte de mici dimensiuni este o problema dificila deoarece exista o serie de aspecte care trebuie rezolvate. In prezent, manipularea obiectelor cu dimensiuni intre 1 mm si 1 um reprezinta o mare provocare. Fenomenele fizice care sunt valabile la aceste dimensiuni difera. Fizica acestor obiecte mici este mai complicata decat pare la prima vedere si se explica tinand seama ca la dimensiunile de acest ordin de marime, masa obiectelor este neglijabila in comparatie eu fortele de adeziune. Cele mai importante forte de adeziune sunt: fortele Van der Waals, fortele electrostatice si fortele de tensiune superficiala. Desprinderea obiectelor poate fi mai dificila decat prinderea lor. Interactiunea obiect-obiect si obiect-instrument este foarte complexa si este perturbata de factori externi cum ar fi: vibratiile, umiditatea, temperatura, etc.

In micromecatronica trebuie sa se tina seama si de efectul reducerii dimensiunilor. Astfel, caracteristici precum forta, cuplu, lucrul mecanic, viteza, putere, eficienta nu sunt influentate in aceeasi masura atunci cand unui senzor sau actuator ii sunt micsorate dimensiunile. De exemplu, miniaturizarea este favorabila pentru actuatorii pe baza de aliaje cu memoria formei. Acestia au avantajul unui raport de lucru mecanic/volum ridicat comparabil cu cel al actuatorilor hidraulici, un design simplu fiind usor activat cu ajutorul curentului electric

Nanomecatronica

Microrobotii incorporeaza in structura lor, componente cu dimensiuni mai mici de 1 mm. Aceste componente ar trebui sa fie cat mai integrate, pentru a se reduce timpul de asamblare. Dimensiunile submicronice ale unor componente reclama o tehnologie de comanda/control al manipularii la nivel nanometric. Ingineria proteinelor este departe de stadiul de dezvoltare pentru constructia si procesarea nanocomponentelor, astfel ca, nanoservopozitionarea ca tehnologie de nanoasamblare va deveni tot mai importanta in viitor. Tehnologia recenta de realizare a microscopului tunel cu baleiaj si a microscopului de forta atomica sunt exemple ce confirma aceste tendinte. Pentru a realiza o astfel de servooperare la nivel nanometric, sunt importanti nu numai actuatorii de comanda, ci si tehnologiile de detectie, materialele mecanismele si sinteza lor.

Actuatoru1 este comandat de catre un calculator cu viteza mare, cu sisteme de detectie a pozitiei in domeniul subnanometric. Astfel, atomii de la suprafata placutei de siliciu sunt extrasi unul cate unul datorita campului electric de multa densitate concentrat in jurul atomului. Aceste sisteme realizeaza prelucrari la nivelul atomic, dar, in prezent, este necesar un timp de lucru prea mare pentru determinarea pozitiei cu precizie subnanometrica.

In viitor, nanodispozitivele vor controla  roti minuscule, manipulatori, actuatori si senzori. Fantezia umana merge atat de departe, incat imagineaza nanoroboti invizibili care actioneaza tapiteria unui fotoliu, controlat pneumatic, pentru ca acesta sa ia forma utilizatorului.

6. Biomecatronica

Continutul si particularitatile biomecatronicii este una dintre cele mai reprezentative tendinte in mecatronica - poate fi pus in evidenta din cel putin trei perspective distincte.

Un prim pas in vederea inlocuirii totale a unui organ intern consta in a sprijini functiile lui prin intermediul unor sisteme biomecatronice pentru distribuirea unor secretii interne sau a unor medicamente. In ultimii ani au fost dezvoltate asemenea sisteme ce distribuie medicamente, in doua variante: pe baza de implanturi biodegradabile si pe baza de micropompe implantabile.

In primul caz, s-au studiat polimerii a caror eroziune controlata produce o distribuire precisa si stabila de substanta in interiorul corpului. In cel de-al doilea caz, micropompele implantabile au fost conectate cu rezervoare umplute periodic din exterior prin ace transcutanate. Aceasta solutie este mai primitatoare in vederea substituirii functiilor organelor interne pentru ca micropompele ofera posibilitatea reglarii dozelor de fluid in functie de pacient si de recomandarile terapeutice.

Fara indoiala, una dintre cele mai semnificative directii de cercetare din domeniul biomecatroniei, o constituie interfetele neuronale. Acestea se asteapta sa devina cele mai adecvate solutii pentru controlul protezelor, pentru stimularea electrica functionala si pentru dispozitivele de intrare-iesire (de control) ale masinilor.

BIBLIOGRAFIE

[1] ANTAL, T.A 1998, Sisteme de integrare a unor baze de date neomogene

pentru sinteza mecanismelor,

[2] BLEBEA, I., ISPAS, V., 1995, Calculul si constructia robotilor industriali,

Editura Dacia, Cluj-Napoca,

[3] DEMIAN, T., TUDOR, D., 1982, Mecanisme de Mecanica Fina, Editura

Didactica si Pedagogica, Bucuresti,

[4] DIATCU, E., ARMAS, I., 1998, Fiabilitatea sistemelor mecatronice, Editura

Hyperion XXI, Bucuresti,

[5] MATIES, V., 1998, Mecatronica, Ed. Dacia, Cluj-Napoca,

[6] MATIES, V., MATIES, M. 1998, Mecatronica si tehnologiile de

proiectare,

[7] MATIES, V., MANDRU, D., TATAR, 0, MATIES, M., CSIBI, V.,

2000, Actuatori in mecatronica, Editura Mediamira,

[8] PERJU, D 1998, Mecanisme cu conexiuni elastice in mecanica fina si

mecatronica, Revista Romans de Mecanica fina si Optica.

ANEXE