mecatronica in designul industrial - dezvoltarea unui laborator didactic

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV
Catedra Design de Produs 'i Robotic)
Simpozionul na%ional cu participare interna%ional
PRoiectarea ASIstat de Calculator
P R A S I C ' 02
Vol. III – Design de Produs
7-8 Noiembrie Braov, România
ISBN 973-635-076-2
MECATRONICA ÎN DESIGNUL INDUSTRIAL – DEZVOLTAREA UNUI
LABORATOR DIDACTIC
Claudiu POZNA, Ion VIA
Universitatea “Transilvania” din Braov
Abstract: Present work is a part of the Mechatronic Laboratory presentation. Last year the Product Design
and Robotics department bayed the Lego-Dacta products for developing a new laboratory. This paper
present how we used these products and also witch are ours original projects that we intend to develop in
this laboratory.
Cuvinte cheie: laborator didactic, mecatronic", lego-dacta, motoare pas cu pas.
1. Introducere
Termenul mecatronic este utilizat pentru a
sublinia conexiunea dintre subsistemele de control
digital (cu ajutorul microprocesorului), sistemele
electrice i cele mecanice (fig.1, a). Detaliind,
sistemul mecatronic este compus din urmtoarele
subsisteme: microprocesorul, circuitele de
interfa%are, elementele de ac%ionare electrice,
elementele de transmisie i de ac%ionare mecanice i
senzorul (fig.1, b).
Mecanic
Electro -
mecanic
Electric
Ma'ini de
calcul
Mecatronica
Calculatoare
a)
Informatic
b)
Mrimea de referin%
+
-
Microprocesor
Legea de
control
Interfa$are
CDA
CAD
Ac%ionare
electric
Senzor
Mecanism
Mrimea de ieire
Fig. 1

Concept
Sistemul
mecanic
Sistemul
electric
Sistemul
de control
Prototipul
virtual
Un sistem mecatronic este îns mai mult decât un
hibrid (mecanic, electric, informatic), reprezentând
în fapt un sistem ob%inut prin integrarea celor trei
subsisteme. Acest caracter integrator al sistemelor
mecatronice este dezvoltat înc din perioada de
proiectare a sistemului, ceea ce implic utilizarea
solu%iilor ingineriei concurente (fig.2).
Din punct de vedere al func%ionrii, produsul
mecatronic poate fi unul controlat sau comandat. În
cadrul sistemelor controlate (în bucl închis)
mrimea de ieire este msurat continuu i este
comparat cu mrimea de referin%, rezultatul
compara%iei fiind utilizat pentru convergen%a mrimii
de ieire ctre cea de referin%. Comparativ cu acest
mod de func%ionare, sistemele mecatronice
comandate (în bucl deschis) nu con%in sistemele
senzoriale de msurare a mrimilor de ieire, ceea ce
simplific realizarea acestora, dar are repercusiuni
negative asupra eliminrii perturba%iilor. Elementul
definitor al sistemelor mecatronice (proprietatea
specific) fa% de cele automate (genul proxim) îl
constituie utilizarea microprocesorului. Datorit
dezvoltrii microelectronicii, produsele mecatronice
cunosc în prezent o mare diversitate, Importan%a
acestora a condus la integrarea cunotin%elor
aferente în cursuri de specialitate, care apar în
programele analitice ale diferitelor direc%ii de
specializare universitare.
Pentru a asigura latura aplicativ a cursurilor
men%ionate este necesar dezvoltarea unor
laboratoare didactice de profil. Principalele direc%ii
de dezvoltare ale unui astfel de laborator realizat în
cadrul Catedrei Design de Produs i Robotic
precum i echipamentul achizi%ionat în acest sens au
fost men%ionate în [1]. Lucrarea de fa% îi propune
prezentarea modului de utilizarea a acestui
echipament dup un an de la achizi%ionarea sa,
precum i produsele mecatronice originale
dezvoltate în cadrul acestui laborator didactic.
2.Utilizarea echipamentului Lego Dacta în
procesul didactic
Prin programului Tempus TRUST JEP 125661-
97 în Catedra de Design de Produs i Robotic a
Verificare
prototip
Prototipul
fizic;
Experimentare
Fig. 2
Facult%ii de Inginerie Tehnologic din cadrul
Universit%ii Transilvania Braov, a fost achizi%ionat
sistemu de produse LEGO Dacta, care este un
echipament utilizabil la realizarea unor ansamble de
tip mecatronic.
Astfel, în figura 3 este reprezentat o imagine
sintetic a acestui produs didactic [2]. Schema
ilustreaz structura în care pot fi construite
produsele mecatronice imaginate, eviden%iind
totodat sensul fluxului de informa%ii dintre
diferitele pr%i componente ale sistemului.
Cu ajutorul acestui suport material, firma
constructoare, propune partenerilor si un concept
pedagogic specific, denumit hard fun, care are
urmtoarele beneficii: dezvoltarea creativit%ii
individului; dezvoltarea deprinderilor de colaborare
între membrii unei echipe care proiecteaz i
realizeaz un produs mecatronic; dezvoltarea unor
deprinderi teoretice i practice pentru proiectarea
sistemelor de tip mecatronic.
Pornind de la acest concept, în cadrul
laboratorului au fost imaginate o serie de lucrri
practice care au ca scop familiarizarea studentului cu
acest echipament, iar în final ofer posibilitatea
utilizrii acestuia în activit%ile creative de tipul
celor propuse de firma constructoare. Fiecare din
lucrrile amintite trateaz o anumit tem i implic
studentul în solu%ionarea mai multor probleme legate
de aceasta. Problemele amintite au în vedre atât
construc%ia fizic a produsului prin îmbinarea
elementelor mecanice (transmisii cu curele,
transmisii cu ro%i din%ate, mecanisme articulate
mecanisme cu cam etc.) cu cele electronice:
microcontrolerul, senzori, motoare de curent
continuu, calculator, cât i realizarea programelor de
conducere. Pentru o mai bun imagine, aceste lucrri
sunt sistematizate în tabelul 1, men%ionându-se
obiectivul lucrrii i exemplificând câte una din
problemele propuse în fiecare lucrare.

Calculator PC
Transmisia în infrarou a
datelor
Transmisia prin cablu a datelor
Alte
microcontrolere
Microcontroler µ C
Interfa%
Motoare de CC
Elemente mecanice
Senzori
Denumirea 'i obiectivul lucr)rii
Prezentarea echipamentului
Lego-Dacta.
Rolul lucrrii este familiarizarea
studentului cu echipamentul Lego-Dacta.
Sunt prezentate elementele mecanice i
electrice, precum i un exemplu.
Comandarea motoarelor de curent
continuu
Scopul lucrrii este a familiariza
studentul cu controlul secven%ial al
motoarelor de curent continuu
Fig.3
Tabelul 1
Tipuri de probleme propuse
Exemplul prezentat este un robot comandat care are dou
grade de mobilitate i care are ca sarcin deplasarea unui
pahar.
Mecanism
paralelogram
Motoare de CC
Exemplu de problem":
Se cere realizarea unui montaj alctuit din 2 motoare de curent
continuu (A,B) care s func%ioneze dup urmtorul ciclu:
Motorul A func%ioneaz 10s, dup care se oprete; motorul B
func%ioneaz 5s, dup care se oprete. Motoarele A i B
func%ioneaz împreun 5s.
A
Transmisie prin
curele
µC
Pahar
Transmisie melc
roat" melcat"
B
Montajul
Motor de CC
Programul

Tabelul 1 (continuare)
Senzori
Obiectivul lucrrii este familiarizarea
studentului cu utilizarea senzorilor i cu
conducerea secven%ial.
Exemplu de problem":
Se cere realizarea unui montaj necesar utilizrii senzorului de
luminozitate si a programului de comand a sistemului.
Senzorul va sesiza schimbarea luminozit%ii unei suprafe%e i
va declana oprirea unui motor de CC.
Montajul propus:
Programul de
conducere
Motor de CC
40
µC
Senzor
Achizi4ii de date
Obiectivul lucrrii este cunoaterea
procedeelor utilizabile în achizi%ionarea
de date cu ajutorul produsului Lego Dacta
Exemplu de problem":
Se impune realizarea unui montaj format dintr-un motor de CC
i un senzor de rota%ie. Sarcina impus este determinarea
vitezei motorului de curent continuu.
Senzor
Motor
µC
PC
Programul
propus:
Determinarea experimental) a legilor
de mi'care
Lucrarea se refer la compararea rela%iilor
teoretice cu rezultatele practice în
transmisia micrii cu ajutorul
mecanismelor cu ro%i din%ate. Sunt tratate
mecanismele cu unul si dou grade de
mobilitate
Exemplu de problem":
Se cere realizarea unui montaj format dintr-un motor de CC si
un angrenaj de ro%i din%ate cilindrice. Sarcina impus este
determinarea raportului de transmitere teoretic i experimental.
Montajul aferent acestei probleme.
la µC
Motor
S1
S2
PC
µC
La motor
Programul propus:

Construirea unui robot mobil
Scopul acestor lucrri este utilizarea
conceptului pedagogic propus de firma
Lego. Taskul robotului mobil este
transportarea unor piese pe o traiectorie
fix con%inut pe o suprafa% neted.
Condi%iile ini%iale sunt urmtoarele:
robotul nu este plasat pe traiectoria de
lucru ci se afl pe o direc%ie care
intersecteaz aceast traiectorie. Etapele
propuse pentru realizarea acestui proiect
sunt descrise în [1]
Programul final
1
1: roat de enil; 2
2: transmisie prin
angrenaj melcat; 3
3: transmisie prin
curele; 4
4: motor de CC;
5: enil;
5
6: platforma robotului
6
Tabelul 1 (continuare)
Solu%ia final:
µC
Senzori
40
40
1 2
5
40
40
3. Dezvoltarea unor sisteme mecatronice
O continuare fireasc a acestor lucrri de
laborator este dezvoltarea unor sisteme mecatronice
originale. In acest sens se inten%ioneaz realizarea
unor produse comandate prin calculator care au la
baz ac%ionarea prin motoare pas cu pas i care în
final vor putea conduce la realizarea unor sisteme
tehnologice cu comand numeric. Acest deziderat
implic realizarea programului de conducere;
proiectarea i realizarea circuitelor de interfa%are a
portului prin care se face comunicarea dintre
motoarele pas cu pas i calculator precum i
proiectarea, realizarea sistemului mecanic ac%ionat.
Volumul de munc necesar realizrii acestor sisteme

este specific aplica%iilor din cadrul cercurilor
studen%eti i a proiectelor de diplom.
Un prim pas în aceast direc%ie a fost conducerea
unui motor pas cu pas prin portul paralel al PC-ulu,
Denumire etap). Obiective
cu ajutorul unui program realizat în C++. Etapele
proiectului i solu%iile gsite sunt sistematizate în
tabelul 2.
Solu4ia propus)
Documentare:
• modul de func%ionare al motoarelor pas cu pas;
• modul de comunicare cu portul paralel;
• structura portului: Localizarea pinilor de input¸output; status;
• adresa portului paralel în limbajul C++ i modul de transmitere al informa%iilor ctre port;
• electronica portului parale; tensiunea i curentul admisibil pe portul paralel.
Realizarea unui program
în limbajul C++ pentru
conducerea portului
Proiectarea i realizarea
circuitului de interfa%are
a motorului pas cu pas la
PC
Programul realizat are urmtoarele date de intrare:
• vector care include numrul de pai;
• vector care include sensul de rota%ie al fiecrui grup de pai;
Tabelul 2
• viteza cu care se dorete realizarea pasului.
Exemplu: numr de pai[ 4 2 1]
; sens [ 1 0 1]
; viteza 1000 . Mai precis la
fiecare 1000 de milisecunde se execut câte un pas în urmtoarea succesiune: 4
pai în sens trigonometric urma%i de 2 pai în sens orar i de un pas în sens
trigonometric.
Pentru fiecare bobin a motorului pas cu pas s-a proiectat i realizat urmtorul
circuit:
+ Ec
Pinul
portului
paralel
Bobina
motorul
Proiectarea i realizarea
elementelor mecanice
Scopul lucrrii a fost conducerea unui motor pas cu pas prin portul paralel al
PC-ului cu ajutorul unui program realizat în C++. Elementele mecanice ale
proiectului s-au redus la realizarea unui suport pentru motorul pas cu pas i din
dorin%a de a vizualiza efectul comenzii, a unui ac indicator, montat pe axul
motorului.
Concluzii finale:
Experien%a acumulat în urma acestui proiect permite sinteza unui sistem tehnologic în dou sau mai multe
axe antrenate de motoare pas cu pas i conduse prin calculator iar în final materializarea acestui sistem .
4. Concluzii
Dezvoltarea microelectronicii a fcut posibil
apari%ia unor noi tipuri de produse (mecatronice),
ob%inute prin sinteza structurilor mecanice conduse
prin microprocesoare cu ajutorul sistemelor de
ac%ionare electrice. Diversitatea i calit%ile
deosebite ale acestor produse au determinat apari%ia
unui nou domeniu al tiin%elor inginereti, denumit
Mecatronic". Lucrarea de fa% prezint structura
laboratorului de Comanda i Controlul Sistemelor
Mecatronice utilizat în instruirea studen%ilor precum
i modulele mecatronice dezvoltate în activit%i cu
studen%ii.
Bibliografie:
1. Pozna, C., Visa, I., Mogan, G., Anov, A.
Utilizarea sistemului LEGO Dacta în
construirea robo$ilor mobili educa$ionali. WRM
Craiova 2001, p.30-36.
2. Pozna, C. Comanda 'i Controlul Robo$ilor
Industriali. Editura CIT, Braov 2000.