Politechnika
Warszawska

Katalog
ECTS

Nazwa przedmiotu:

Systemy mechatroniczne

Koordynator przedmiotu:

dr inż. Jakub Wierciak, dr inż. Michał Bartyś, dr inż. Leszek Wawrzyniuk, dr inż. Maciej Bodnicki, dr inż. Sergiusz Łuczak, dr inż. Ksawery Szykiedans, dr inż. Elżbieta Ślubowska, mgr inż. Hubert Hawł

Status przedmiotu:

Obowiązkowy

Poziom kształcenia:

Studia II stopnia

Program:

Automatyka Robotyka i Informatyka Przemysłowa

Grupa przedmiotów:

Obowiązkowe

Kod przedmiotu:

SMMm

Semestr nominalny:

2 / rok ak. 2019/2020

Liczba punktów ECTS:

7

Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:

Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:

Język prowadzenia zajęć:

polski

Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:

Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:

• Wykład30h
• Ćwiczenia0h
• Laboratorium15h
• Projekt30h
• Lekcje komputerowe0h

Wymagania wstępne:

Znajomość podstaw konstrukcji mechanicznych, podstaw techniki mikroprocesorowej, podstaw elektroniki, podstaw automatyki

Limit liczby studentów:

Cel przedmiotu:

Zapoznanie studentów ze strukturami systemów mechatronicznych oraz sposobami postępowania przy projektowaniu takich systemów. Przekazanie umiejętności projektowania użytkowej struktury systemu mechatronicznego na podstawie wymagań odbiorcy oraz identyfikacji układów wykonawczych i pomiarowych na podstawie wymagań funkcjonalnych. Utrwalenie zasad dokumentowania prac projektowych.

Treści kształcenia:

Wykład: Ewolucja systemów technicznych Rola człowieka w funkcjonowaniu systemów technicznych - systemy prymitywne, zmechanizowane, zautomatyzowane, optymalizujące. Definicja mechatroniki. Istotne cechy mechatroniki: kształtowanie charakterystyk, upraszczanie zespołów mechanicznych, nowe rozwiązania. Projektowanie systemów mechatronicznych Etapy projektowania systemów mechatronicznych: analiza potrzeb użytkownika, analiza wymagań funkcjonalnych, opracowanie układów wykonawczych i pomiarowych, realizacja sterowania i diagnostyki, opracowanie podsystemów, budowa prototypu, uruchomienie. Użytkowe struktury systemów mechatronicznych Schemat urządzenia mechatronicznego. Podsystemy: mechaniczny, elektroniczny, informatyczny. Typowe struktury użytkowe urządzeń mechatronicznych. Przykłady. Współpraca urządzenia z użytkownikiem: układy wprowadzania danych, układy informujące. Współpraca urządzenia z innymi systemami: typowe interfejsy, sposoby transmisji danych. Cyfrowa komunikacja w systemach mechatronicznych. Koncepcje eksploatacyjne. Niezawodność, gotowość, obsługiwalność. Metody serwisowania. Diagnostyka systemów mechatronicznych. Funkcjonalna struktura systemu mechatronicznego Analiza funkcji systemu. Modele i metody ustalania struktury funkcjonalnej: funkcje transformacyjne, funkcje celowe, macierze stan-przejście. Identyfikacja układów wykonawczych i pomiarowych. Układy wykonawcze Definicje podstawowe. Rola i miejsce układów wykonawczych w systemach mechatronicznych. Kryteria doboru, stosowalności i oceny właściwości układów wykonawczych. Charakterystyki funkcjonalne wybranych elementów wykonawczych: mechanicznych, elektromechanicznych, elektromagnetycznych, piezoelektrycznych, pneumatycznych i hydraulicznych. Inteligentne urządzenia wykonawcze. Elektroniczne sterowniki urządzeń napędowych. Układy mocy: zasilacze, klucze tranzystorowe, wzmacniacze. Diagnostyka wbudowana i zdalna. Zagadnienia tolerowania uszkodzeń elementów wykonawczych. Omówienie konstrukcji i właściwości typowych elementów wykonawczych. Układy wykonawcze w automatyce i robotyce. Tendencje rozwojowe. Układy pomiarowe Definicje podstawowe. Rola i miejsce układów pomiarowych w systemach mechatronicznych. Typowe struktury układów pomiarowych. Kryteria oceny właściwości układów pomiarowych. Podstawowe rodzaje sensorów wielkości mechanicznych. Przetwarzanie sygnałów pomiarowych w systemach mechatronicznych. Opracowywanie sygnałów za pomocą układów elektronicznych: wzmacnianie, kompensacja zera, filtrowanie, linearyzowanie, dopasowywanie, przełączanie, normowanie. Inteligentne przetworniki pomiarowe. Pomiary a diagnostyka techniczna. Zasady integracji układów pomiarowych i wykonawczych. Tendencje rozwojowe. Synteza zespołów mechanicznych Opracowywanie konstrukcji podsystemu mechanicznego. Metody obliczania mechanizmów: kinematyka prosta i odwrotna, równania Lagrange’a. Modelowanie 3D. Kryteria oceny konstrukcji, np.: ergonomia, miniaturyzacja, stosowanie zespołów handlowych, automatyzacja montażu, recykling. Zakres dokumentacji technicznej. Synteza zespołów optycznych i optoelektronicznych Opracowywanie konstrukcji układów optycznych. Konfiguracja optoelektronicznego toru pozyskiwania, przetwarzanie, przesyłania i zapisu informacji. Integracja podzespołów optyki klasycznej, mikrooptyki, optyki światłowodowej i elementów optoelektronicznych z układami mechanicznymi i elektronicznymi - wybrane metody montażu, justowania i kontroli podzespołów optycznych i optoelektronicznych. Dokumentacja techniczna. Synteza układów elektronicznych Opracowywanie konstrukcji układów elektronicznych. Rodzaje układów sterowania urządzeń mechatronicznych: wbudowane układy mikroprocesorowe, sterowniki PLC, PAC. Zasady integrowania układów. Dokumentacja podsystemu elektronicznego. Synteza modułów programowych Standardowe języki programowania. Języki programowania mikrokontrolerów. Opracowywanie oprogramowania. Substytucja sprzętu przez oprogramowanie. Zasady tworzenia programów. Zabezpieczenia. Uruchamianie programów. Dokumentacja oprogramowania. Wybrane przykłady systemów mechatronicznych Omówienie przykładów systemów mechatronicznych: automaty produkcyjne, wyjściowe urządzenia komputerów PC, mikroroboty, skomputeryzowane systemy pomiarowe, inteligentny przetwornik pomiarowy, inteligentny zespół wykonawczy automatyki przemysłowej. Projektowanie: Opracowanie użytkowej struktury systemu. Analiza użytkowych wymagań do systemu. Identyfikacja interfejsów: urządzenie – człowiek, urządzenie – inne systemy. Identyfikacja układów wykonawczych i pomiarowych Analiza funkcji systemu. Opracowanie wykazu niezbędnych układów wykonawczych i pomiarowych. Analiza wykazu pod kątem możliwości zredukowania liczby układów. Sformułowanie wymagań technicznych dla układów Analiza funkcji układów. Opracowanie wymagań technicznych dla układów wykonawczych i pomiarowych. Opracowanie koncepcji układów Przegląd znanych i własnych rozwiązań realizacji wybranych funkcji. Opracowanie schematów blokowych torów. Dobór podzespołów Wykonanie obliczeń. Analiza katalogowych danych producentów podzespołów. Dobór elementów układów wykonawczych i pomiarowych. Przeprowadzenie badań symulacyjnych. Opracowanie podsystemów Synteza mechanicznych podzespołów układów wykonawczych i pomiarowych. Opracowanie koncepcji podsystemu mechanicznego. Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej. Synteza modułów programowych. Opracowanie wybranych algorytmów. Synteza układów elektronicznych. Opracowanie wybranych układów. Integracja systemu Dyskusja na temat uzyskanych i możliwych efektów synergicznych. Laboratorium (przykładowe ćwiczenia): Badanie siłownika skokowego sterowanego sygnałem siły obciążającej Ćwiczenie ilustrujące przekształcenie klasycznego siłownika liniowego napędzanego silnikiem skokowym w układ adaptacyjny przez wprowadzenie sprzężenia zwrotnego od siły obciążającej. Wyznaczenie i porównanie charakterystyk mechanicznych obu napędów z wykorzystaniem zautomatyzowanego stanowiska badawczego. Badanie charakterystyk układu skanowania w spektrometrze fourierowskim Analiza komputerowego modelu analizy widma w spektrometrze. Zestawienie układu pomiaru odchyłek prędkości przemieszczenia i zmian pozycji kątowej zwierciadła ruchomego. Ocena wpływu charakterystyk układu napędowego na wyniki analizy widmowej.

Metody oceny:

Wykład zaliczany na podstawie egzaminu. Projektowanie zaliczane na podstawie 5 prezentacji, dokumentacji sprawozdania. Laboratorium zaliczane na podstawie przygotowania, przebiegu ćwiczeń i sprawozdań. Ocena z przedmiotu jest średnią ważoną: wykład - waga 0,4, projektowanie - waga 0,4, laboratorium - waga 0,2.

Egzamin:

Literatura:

Cho H. ed.: Opto-mechatronic Systems Handbook. CRC Press, Boca Raton, 2003 Cho H.: Optomechatronics: Fusion of optical and mechatronic engineering. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2005 Dokumentacja techniczna. Praktyczny poradnik. WEKA. Warszawa 2001 Gawrysiak M.: Mechatronika i projektowanie mechatroniczne. Politechnika Białostocka. Rozprawy naukowe nr 44. Białystok 1997 Heimann B., Gerth W., Popp K.: Mechatronika. Komponenty, metody, przykłady. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2001 Legutko S.: Podstawy eksploatacji maszyn i urządzeń. WSiP. Warszawa 2004 Mrozek B., Mrozek Z.: MATLAB i Simulink. Poradnik użytkownika. Wyd. Helion. Gliwice 2004 Optomechanical Engineering Handbook. Ed. Aneks Ahmad. CRC Press LLC. Boca Raton 1999 Pelz G.: Mechatronic systems. Modelling and simulation with HDLs. John Wiley and Sons Ltd. Chichester 2003 Praca zbiorowa pod red. W. Oleksiuka: Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa, 1996. Priest J. W.: Engineering Design for Producibility and Reliability. Marcel Dekker, Inc. New York and Basel 1988 Schmid D. i inni: Mechatronika. REA. Warszawa 2002 Yoder P.R.: Opto-mechanical systems design. M. Dekker Inc., New York 1993

Witryna www przedmiotu:

Uwagi:

Efekty uczenia się

Profil ogólnoakademicki - wiedza

Charakterystyka SMMm_IIst_W01

Zna podstawowe struktury systemów i urządzeń mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG.o

Charakterystyka SMMm_IIst_W02

Zna metodykę projektowania urządzeń mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin, sprawozdanie z ćwiczeń projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG.o

Charakterystyka SMMm_IIst_W03

Zna struktury układów wykonawczych i pomiarowych urządzeń mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin, ocena prezentacji na ćwiczeniach projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG.o

Charakterystyka SMMm_IIst_W04

Zna specyfikę projektowania i wytwarzania układów optycznych wykorzystywanych w urządzeniach mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG.o

Charakterystyka SMMm_IIst_W05

Zna podstawowe rodzaje sieci komunikacyjnych wykorzystywanych w systemach mechatronicznych i zasady ich doboru do określonych zastosowań
Weryfikacja: Egzamin, ocena wykonania ćwiczeń projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG.o

Charakterystyka SMMm_IIst_W06

Zna podstawowe pojęcia związane z bepieczeństwem funkcjonalnym urządzeń oraz diagnostyką techniczną, a także wie, w jaki sposób można wpływać na zwiększenie niezawodności systemów.
Weryfikacja: Egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W10
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG.o

Charakterystyka SMMm_IIst_W07

Zna aktualny stan i tendencje występujące w budowie systemów mechatronicznych
Weryfikacja: Sprawozdanie z ćwiczeń projektowych, praca dyplomowa
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W12
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG.o

Charakterystyka SMMm_IIst_W08

Wie, na czym polega tolerowanie uszkodzeń i jakimi sposobami można je osiągnąć
Weryfikacja: Egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W10
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG.o

Charakterystyka SMMm_IIst_W09

Wie, na czym polega projektowanie współbieżne i jakie są skutki jego stosowania
Weryfikacja: Egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG.o

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Charakterystyka SMMm_IIst_U01

Umie zaproponować użytkową strukturę urządzenia mechatronicznego na podstawie wymagań zamawiającego
Weryfikacja: Ocena prezentacji na ćwiczeniach projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U05
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_U, I.P7S_UW.o, III.P7S_UW.o

Charakterystyka SMMm_IIst_U02

Potrafi zaproponować struktury układów wykonawczych i pomiarowych oraz dobrać ich poszczególne elementy składowe na podstawie danych katalogowych.
Weryfikacja: Ocena prezentacji na ćwiczeniach projektowych, dokumentacji projektowej i sprawozdań z ćwiczeń laboratoryjnych.
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U17
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_U, I.P7S_UW.o, III.P7S_UW.o

Profil ogólnoakademicki - kompetencje społeczne

Charakterystyka SMMm_IIst_K01

Zna podział zadań w procesie projektowania urządzeń i systemów mechatronicznych, dzięki czemu może podejmować zadania związane z koordynacją takich prac.
Weryfikacja: Ocena prezentacji na ćwiczeniach projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_K04, K_K05
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_KR, P7U_K