Mechatronika

Šiam straipsniui ar jo daliai trūksta išnašų į patikimus šaltinius. Jūs galite padėti Vikipedijai pridėdami tinkamas išnašas su šaltiniais.

Mechatronika – sinergetinė mechaninės inžinerijos, elektronikos, kompiuterių ir valdymo sistemų kombinacija. Būdinga mechatronikos sprendimų taikymo sritis yra robotika.

Šiuolaikiniai robotai gali autonomiškai atlikti kai kurias žmogaus veiklai būdingas funkcijas įvairiose aplinkose. Tai programuojami ir automatiškai valdomi, aprūpinti moderniomis informacinėmis sistemomis, mikroprocesoriais ir sparčia atmintimi įrenginiai, kurių darbo organai gali turėti sudėtingas pavaras. Roboto ir esminių jo komponentų studijavimas, veikimo modeliavimas, tyrimas, programavimas, analitinis konstravimas bei užduočių realizavimas leidžia paruošti įvairių mokslo ir technologijos sričių aukštos kvalifikacijos specialistus.

Mechatronikos termino kilmė

Terminas susideda iš dviejų dalių – mecha 'mechanika' + tronika 'elektronika'. Dar prieš šio termino paplitimą buvo naudojami įrenginiai, vadinami „mechanotronai“. Terminą mechatronika sukūrė japonų inžinierius Tetsuro Moria, kuris dirbo vyriausiuoju inžinieriumi Yaskawa Electric kompanijoje 1969 metais. Iš pradžių šis terminas buvo naudojamas kaip prekybinis ženklas (užregistruotas 1972 m), bet vėliau plačiai išplito, todėl kompanija atsisakė jo kaip prekybinio ženklo.

Pagrindinės mechatronikos sampratos

Mechatronikos atšakos

Mechatronika yra mokslo ir technikos šaka, apjungiant elektrotechnikos, mechanines sistemas ir kompiuteriją. Mechatronikos vystymąsi skatina kompleksinių inžinerinių sistemų poreikis. Kol kas mechatronika yra tik koncepcija, kadangi ji nepakankamai apibrėžta. Apytikslis ir nenusistovėjęs mechatronikos apibrėžimas gali būti toks:

Mechatronika yra technikos ir mokslo sritis, tirianti naujos kartos elektros ir mechanikos sistemų sandarą ir darybos principus.

Šios sistemos turi iš principo naujas savybes, kurios dažnai yra ypatingos. Mechatroninėse sistemose naudojamos elektroninės sistemos su naujos kartos elektronika – mikrokontroleriais (PLC), kompiuteriais arba kitais panašiais įrenginiais. Mechatronikos požiūriu, konstruktoriai stengiasi sujungti visas sistemos dalis į vieną be jungiančių sąsajų. Nuo to sumažėja gabaritai, padidėja sistemos patikimumas ir sukuriami kiti privalumai.

Kartais sistemą sudaro iš principo naujos konstrukcijos mazgai - elektromagnetinės pakabos, pakeičiančios paprastus keliamuosius mazgus. Deja, tokios pakabos yra brangios ir sudėtingai valdomos, todėl retai naudojamos (2005 m.). Viena iš naudojimo sričių naudojant elektromagnetines pakabas yra per vamzdynus gamtines dujas pumpuojantys turbokompresoriai. Įprasti guoliai yra netinkami todėl, kad į tepalą patenka dujos ir jį sugadina.

Mechatroniniais moduliais vadinami sudėtinės mechatroninės sistemos. Tokie moduliai gali turėti viename korpuse keletą dalių: pavyzdžiui, variklius, reduktorius ir jutikliai. Pradinis apibrėžimas: "Technologies and developed products incorporating electronics into mechanisms, intimately and organically, and making it impossible to tell where one ends and the other begins". Daugelis šiuolaikinių sistemų yra mechatroninės sistemos arba naudoja mechatronikos idėjas, todėl mechatronika po truputi tampa mokslu apie viską.

Pagrindiniai mechatroninių sistemų elementai

Šiuolaikinėse darbo mašinose plačiai taikomi šie mechatroniniai elementai:

• šiuolaikinės elektros pavaros,
• pneumatinės pavaros,
• hidraulinės pavaros,
• turbinos,
• automatiškai valdantys ar operatoriaus valdomi kompiuteriai,
• valdymo mikroprocesoriai,
• jutikliai,
• keitikliai,
• servomechanizmai.

Niujorko universitetas išskyrė šias pagr. mechatroninių elementų grupes:

• Mechaniniai elementai. Aprašomi statinėmis ir dinaminėmis charakteristikomis. Reikalauja fizinės jėgos funkcijos atlikimui, pavyzdžiui, judesiui, mechaniniam darbui įvykdyti, šilumai sukurti.
• Elektromechaniniai elementai. Sudaro jutiklių (potenciometras, fotorezistorius, mikrofonas, įtempio matuoklis, termistorius, drėgmės kontrolė ir pan.) ir pavarų (nuolatinės srovės, kintamosios srovės, žingsniniai varikliai, sinchroninės, asinchroninės mašinos ir kt.) grupės.
• Elektriniai elementai. Sudaro analoginė ir skaitmeninė elektronika (tranzistorius, operacinis stiprintuvas, galios įrenginiai ir pan.). Naudojami susieti elektromechaninius jutiklius ir pavaras su valdymo sąsajos įrangos elementais.
• Valdymo sąsajos elementai. Įgyvendina valdymo procedūras, nuskaito jutiklių rodmenis. Naudojama skaičiavimo ir duomenų apdorojimo įranga (konverteris, elektros skaitiklis, mikroprocesorius, skaitmeninio signalo apdorojimas ir pan.).
• Kompiuteriniai elementai. Sudaro programinė įranga, skirta valdymo sistemos analizei, optimizavimui, duomenų surinkimui ir projektavimui.

Galios elektronika

Tai tokios elektrinės grandinės kurios valdo didelės galios elektros sroves. Jos yra prijungtos tiesiogiai prie elektros mechanizmų. Pirmieji didelės galios  elektronikos prietaisai buvo gyvsidabrio lanko vožtuvai. Dabar galios elektonika naudojama televizoruose, asmeninuose kompiuteruose, akumuliatorių įkrovilkuose ir pns.

Mechatronika makrolygyje, mikro lygyje, nanotechnologijose

• Mechatronika šiais laikas apima technologijas kurias sudaryto daugiau nei dešimties lygių sistemų. Mechatronika makrolygyje, mikro lygyje, nanotechnologijose galima apibūdinti taip:
• Makro technologijos apima įrenginius, aparatus, mašinas ir techninės įrangos technologijas kurių matmenys matuojami cm/m. Šia rūšį daugiausia apibūdina klasikinė elektromechanika kuri susideda iš elektrinių grandinių ir duomenų apdorojimo modulių taip pat informacijų srautų, elektronikos, magnetinių laukų, optikos. Ši technologija naudojama orlaivių technologijose, pavaros valdymo sistemose.
• Mikro lygio technologijose komponentų dalys yra smulkios judančios dalys. Šios sistemos matmenų dalys matuojamos mm/μm. Mikro sistemos naudojamos mikro technikoje, mikro slėgių  jutikliuose, mikro magnetiniuose prietaisuose, mikroelektronikoje taip pat naudojamos ryšio technologijose.
• Nanotechnologijos naudojamos tirti nanoskalės poveikį fizikoje, chemijoje, biologijoje. Nanoskalę įkurė Richard Faynman (Nobelio premijos laureatas, fizikas) 1960 metais. Pavyzdžiai nano mechatroninės įrangos yra skenavimo tunelinis mikroskopas ir skenavimo jėgos mikroskopas. Jie leidžia  pamatyti paviršiaus atomus.

Studijų struktūra:

• Mechatronika suteikia žinių iš įvairių sričių kaip:
• Bendroji mechanika ir medžiagų mokslas.
• Elektros inžinerija.
• Kompiuterių inžinerija (programinė įrangą)
• Sistemų ir jų valdymo inžinerija
• Optinė inžinerija

Mechatroninių sistemų pavyzdžiai

Mechatronikos atšakos

Šiuo metu mechatroninės sistemos paplitusios įvairiose gyvenimo srityse - buityje, gamyboje, transporte. Ryškiausi mechatroninių sistemų pavyzdžiai: šiuolaikinės skalbimo mašinos-automatai, dulkių siurbliai. Ypač gausu šių sistemų automobiliuose, pavyzdžiui, – automobilio stabdžių antiblokavimo sistema (ABS), elektroninė kuro įpurškimo sistema (EFI), klimato kontrolė ir daugelis kitų.

Šiuolaikiniuose kompiuteriuose naudojama mechatroninių sistemų - kietieji diskai, kompaktinių plokštelių (CD) įrenginiai, spausdinimo įrenginiai, procesoriaus aušinimo ir kontrolės sistema. Gamyboje naudojama taip pat daug mechatroninių sistemų - tai šiuolaikiniai robotai, programinio valdymo staklės, ruošinių transportavimo bei pozicionavimo įrenginiai, matavimo kompleksai.

Liftai ir eskalatoriai: Liftas geras pavyzdys mechatroninės sistemos. Nes jis turi daug jutiklių kurie skirti aptikti lifto kabinos poziciją, jo greitį, taip pat krovinio masę, lifto durų padėtį ir ar durų niekas neblokuoja. Taip pat lifte sumontuota daug įvairių pavarų iš kurių svarbiausia yra pagrindinis keltuvo variklis.

Mechatroninės sistemos taip pat naudojamos lėktuvuose ir sraigtasparniuose. Juose įdiegtos labai sudėtingos mechatroninės sistemos, nes ten reikia apjungti šimtus ar net tūkstančius mažesnių mechatroninių sistemų.

Taip pat šios sistemos plačiai naudojamos karo pramonėje. Pvz. raketų gamyboje kurios naudoja infraraudonųjų spindulių aptikimo ir sekimo technologija. Šios raketos reikalauja labai greito ir tikslaus sistemos veikimo, nes kitaip jos tiesiog nepataikys ar susprogs ne ten kur reikia.

Mechatronikai priskiriamos ekonominės veiklos sektoriai

• 1. Kitų, niekur kitur nepriskirtų, mašinų ir įrangos gamyba;
• 2. Įstaigos įrangos ir kompiuterių gamyba;
• 3. Kitų, niekur kitur nepriskirtų, elektros mašinų ir aparatūros gamyba;
• 4. Radijo, televizijos ir ryšių įrangos bei aparatūros gamyba;
• 5. Medicinos, tiksliųjų ir optinių prietaisų, įvairių tipų laikrodžių gamyba;
• 6. Variklinių transporto priemonių, priekabų ir puspriekabių gamyba;
• 7. Kitos transporto įrangos gamyba. * Šių sektorių gamyba Lietuvoje nėra išplėtota arba yra labiau susijusi su metalo apdirbimu nei su aukštosioms technologijoms priskirtinais transporto priemonių įrenginiais ar elementais, todėl gali būti nenagrinėjama.

Mechatronikai priskiriamos ekonominės veiklos sektorių įmonės

Beveik visose Lietuvos pramonės šakose yra tarptautiniu mastu konkurencingų įmonių, gaminančių aukštosiomis technologijomis grįstus produktus, priskirtinus mechatronikai. Tai: UAB „Siemens“, „Teltonika“, „Medelkom“, „Limatika“, „BaltecCNC Technologies“, „Elintosmatavimo sistemos“, „Elinta“, „Lokmis“, „KemekEngineering“, „Grida“, „Elsis“, „Viltechmeda“, taip pat bendra Lietuvos ir Olandijos įmonė uždaroji akcinė bendrovėKTU-FestoPramonės automatikos centras, Lietuvos ir JAV įmonė uždaroji akcinė bendrovė„Brown&Sharpe-Precizika“,J. Gecevičiaus mokslinių paslaugų firma „GTV“ ir kitos. Dar daugiau įmonių mechatronines technologijas taiko tradiciniams produktams (maisto, aprangos, baldų, buitinės chemijos ir panašiai) gaminti, nors pagal gaminamą produkciją priklauso vidutinių ar net žemųjų technologijų grupėms (pavyzdžiui, akcinės bendrovės „Lifosa“, „Snaigė“, „Achemos“grupės įmonės ir kitos). Daugiausia mechatroninių sistemų ir jų elementų gamintojų, kaip ir aukštųjų technologijų įmonių, yra Vilniuje ir Kaune. Tai: Katra, Elsis, Snaigė, GTV, AB Vilniaus Vingis, CHS Baltic, Grąžtai, Elga, Alna, Sonex kompiuteriai, BalticAmadeus, mašinų gamykla Astra, Fasa, Lintel, Info-Tecir kt.

Elektronikos ir mechatronikos tyrimų ir specialistų rengimo centrai Vilniuje ir Kaune

Vilniuje ir Kaune veikia nemažai mokslo institucijų, kurios specializuojasi mechatronikos ir elektronikos bei nanotechnogijų srityse.

Mechatronines ir elektronines sistemas tiria ir kuria Kauno technologijos universitetas, Klaipėdos universitetas, Vilniaus Gedimino technikos universitetas, Vytauto Didžiojo universitetas, Lietuvos energetikos institutas, Puslaidininkių fizikos institutas. Šiose institucijose atliekami Lietuvos ir užsienio įmonių užsakomieji darbai, sėkmingai dalyvaujama ES tyrimų programose (5-ojoje ir 6-ojoje pagrindų programoje), NATO(Mokslas taikai: HOLO-1, CERN) ir kituose tarptautiniuose projektuose. Universitetuose rengiami aukštos kvalifikacijos įvairių mechatronikos ir elektronikos šakų specialistai.

• Klaipėdos universiteto Mechatronikos mokslo institutas
• Vilniaus kolegijos Elektronikos ir informatikos fakultetas
• Lietuvos edukologijos universiteto Ultragarsinių mechanizmų laboratorija

Jutikliai

Jutiklis yra prietaisas, kuris konvertuoja realaus pasaulio duomenis (analoginius) į duomenis, kuriuos kompiuteris gali suprasti naudojant analoginį skaitmeninį keitiklį. Automatizuotame procese jutikliai atlieka valdymo sistemos informacijos tiekėjų vaidmenį. Pagal gautą informaciją valdiklio sistema įjungia arba išjungia vykdiklius (reles, sklendes ir pan.). Jutikliai būna diskretiniai ir analoginiai.

Diskretiniai jutikliai savo išėjime gali formuoti tik dvi būsenas: būseną 1 -jutikiis paveikęs, būsena 0 - jutikiis nepaveikęs. Būsenos pasikeitimą rodo kontaktų būsena arba jutiklio išėjimo įtampos lygis. Pirmosios grupės jutiklių pavyzdys yra elektromechaniniai jungikliai, sandarieji kontaktai ir kt., antrosios grupės - optiniai, induktyviniai ir talpiniai jutikliai.