Nazwa przedmiotu:
Systemy mechatroniczne
Koordynator przedmiotu:
dr inż. Jakub Wierciak, dr inż. Michał Bartyś, dr inż. Leszek Wawrzyniuk, dr inż. Maciej Bodnicki, dr hab. inż. Sergiusz Łuczak, dr hab. inż. Dariusz Jarząbek
Status przedmiotu:
Obowiązkowy
Poziom kształcenia:
Studia II stopnia
Program:
Mechatronika
Grupa przedmiotów:
Obowiązkowe
Kod przedmiotu:
SMC
Semestr nominalny:
2 / rok ak. 2020/2021
Liczba punktów ECTS:
4
Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów kształcenia:
1) Liczba godzin bezpośrednich – 65 h, w tym: a) wykład – 30 h; b) projekt – 30 h; c) konsultacje - 5 h; 2) Praca własna studenta – 60 h, w tym: a) przygotowanie do egzaminu – 15 h; b) realizacja projektu – 45 h; Suma: 125 h (4 ECTS)
Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:
2 punkty ECTS - liczba godzin bezpośrednich: 65, w tym: a) wykład – 30 h; b) projekt – 30 h; c) konsultacje – 5 h;
Język prowadzenia zajęć:
polski
Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:
2 punkty ECTS – 35 godz., w tym: a) projekt – 30 h; b) konsultacje – 5 h;
Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:
  • Wykład30h
  • Ćwiczenia0h
  • Laboratorium0h
  • Projekt30h
  • Lekcje komputerowe0h
Wymagania wstępne:
Znajomość podstaw konstrukcji mechanicznych, podstaw techniki mikroprocesorowej, podstaw elektroniki, podstaw automatyki
Limit liczby studentów:
150
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. Struktury systemów mechatronicznych Mechatronizacja. Podsystemowa struktura urządzenia mechatronicznego. Podsystemy: mechaniczny, elektroniczny, informatyczny. System rzeczowy i działaniowy. Funkcjonalna struktura systemu mechatronicznego. Układy wykonawcze i pomiarowe. Uniwersalny schemat urządzenia mechatronicznego. Wielopoziomowa architektura sterowania. Komunikacja. Poziomy automatyzacji. Adaptacja i samooptymalizacja. Cele systemów samooptymalizujących. Hierarchiczna struktura systemów mechatronicznych. Metodyka projektowania 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. Analiza funkcjonalna systemów Analiza funkcji systemu. Modele i metody ustalania struktury funkcjonalnej. Identyfikacja układów wykonawczych i pomiarowych. Układy pomiarowe urządzeń mechatronicznych Pojęcia podstawowe. Przegląd mierzonych wielkości. Typy sygnałów w układach pomiarowych: analogowe, cyfrowe. Przetwarzanie sygnałów. Klasyfikacje sensorów, kryteria doboru. Wybrane techniki pomiarowe - podejście mechatroniczne. Sensory inteligentne. Ewolucja struktur zintegrowanych. Wykorzystywanie metody fuzji danych. Pomiary bezczujnikowe. Układy wykonawcze urządzeń mechatronicznych 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. Diagnostyka wbudowana i zdalna. Zagadnienia tolerowania uszkodzeń elementów wykonawczych. Omówienie konstrukcji i właściwości typowych elementów wykonawczych. Układy wykonawcze w automatyce i robotyce. Tendencje rozwojowe. Integracja zespołów mechanicznych Kategorie systemów mechatronicznych. Konstruowanie systemów wieloczłonowych. Korpusy i mechanizmy. Modelowanie 3D. Zakres dokumentacji technicznej. Projektowanie współbieżne: geneza i definicja. Cechy charakterystyczne. Czas i koszty w projektowaniu współbieżnym. Projektowania zorientowane. Integracja zespołów optycznych i optoelektronicznych 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. Przemysłowe sieci komunikacyjne w integracji systemów automatyzacji i sterowania Charakterystyka funkcjonalna sieci przemysłowych. Model warstwowy siei wirtualnej ISO/OSI. Topologie sieci. Procedury dostępu do sieci: Master-Slave, multimaster. Zasady arbitrażu sieciowego. Zagadnienie bezpieczeństwa komunikacji w sieci. Przykład zastosowania sieci HART w systemach automatyzacji. Podstawy bezpieczeństwa funkcjonalnego Definicje podstawowe. Ryzyko. Poziom ryzyka tolerowanego. Graf ryzyka. Poziom nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL). Niezawodność a bezpieczeństwo. Model warstwowy bezpieczeństwa. Warstwa SIS. Definicje wskaźników określających stopień bezpieczeństwa. Rola diagnostyki w bezpieczeństwie funkcjonalnym. Zagadnienie iskrobezpieczeństwa konstrukcji Podstawowe definicje. Strefy zagrożenia wybuchem. Klasyfikacja urządzeń. Obwody iskrobezpieczne. Poziomy iskrobezpieczeństwa. Ocena iskrobezpieczeństwa. Przykład. Wybrane przykłady systemów mechatronicznych Omówienie przykładów systemów mechatronicznych: automaty produkcyjne, 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. 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 układów. 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.
Metody oceny:
Wykład zaliczany na podstawie wyników egzaminu. Projektowanie zaliczane na podstawie 4. prezentacji i sprawozdania. Ocena z przedmiotu obliczana jako średnia ważona: wykład - waga 0,6, projektowanie - waga 0,4.
Egzamin:
tak
Literatura:
1. Bishop R. H. (Ed.): Mechatronic system control, logic and data ac-quisition. CRC Press. Boca Raton 2008 2. Bishop R. H. (Ed.): Mechatronic systems. Sensors and actuators. Fundamentals and modeling. CRC Press. Boca Raton 2008 Chiches-ter 2003 3. Buur J.: Design models and methods for mechatronics. In Mecha-tronic Design in Textile Engineering, edited by Acar Memiş, NATO ASI Series E: Applied Sciences, Vol. 279, 33-46. Dodrecht: Kluwer Academic Publishers 1995 4. Buur J.: A theoretical approach to mechatronic design. PhD diss., Technical University of Denmark 1990 5. Cho H. ed.: Opto-mechatronic Systems Handbook. CRC Press, Boca Raton, 2003 6. Cho H.: Optomechatronics: Fusion of optical and mechatronic engi-neering. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2005 7. Dokumentacja techniczna. Praktyczny poradnik. WEKA. Warszawa 2001 8. Gausemeier, J., Donoth, J. and Pook, S., "Conceptual Design of Self-Optimizing Mechatronic Systems," Self-optimizing Mechatronic Systems. Design the Future, HNI-Verlagsschriftenreihe 223, 36-51 (2008) 9. Gausemeier, J., Kahl, S. and Pook, S., "From Mechatronics to Self-Optimizing Systems," Self-optimizing Mechatronic Systems. Design the Future, HNI-Verlagsschriftenreihe 223, 3-32 (2008) 10. Dependability of Self Optimizing Mechatronic Systems. Eds.: Gausemeier J., Rammig F. J., Shaeffer W., Sextro W. Springer 2014 11. Gawrysiak M.: Analiza systemowa urządzenia mechatronicznego. Politechnika Białostocka. Rozprawy Naukowe Nr 103. Białystok 2003 12. Gawrysiak M.: Mechatronika i projektowanie mechatroniczne. Politechnika Białostocka. Rozprawy naukowe nr 44. Białystok 1997 13. Heimann B., Gerth W., Popp K.: Mechatronika. Komponenty, meto-dy, przykłady. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2001 14. Isermann R.: Mechatronic Systems – Fundamentals. Springer, 2005 15. Legutko S.: Podstawy eksploatacji maszyn i urządzeń. WSiP. War-szawa 2004 16. Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych. Oleksiuk W. (red.). Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa, 1996 17. Mechatronika. Olszewski M. (red.). REA. Warszawa 2002 18. Mellal M., A. (Ed.): Mechatronic Systems. Design, Performance and Applications. Nova Science Publishers. New York 2019 19. Optomechanical Engineering Handbook. Ed. Aneks Ahmad. CRC Press, Boca Raton 1999 20. Pelz G.: Mechatronic systems. Modelling and simulation with HDLs. John Wiley and Sons Ltd. 2003 21. Priest J. W.: Engineering Design for Producibility and Reliability. Marcel Dekker, Inc. New York and Basel 1988 22. Wprowadzenie do projektowania. Branowski B. (red.). PWN, Warszawa 1998 23. Yoder P.R.: Opto-mechanical systems design. M. Dekker Inc., New York 1993
Witryna www przedmiotu:
brak
Uwagi:

Efekty przedmiotowe

Profil ogólnoakademicki - wiedza

Efekt SYS_W01
Zna podstawowe struktury systemów i urządzeń mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin
Efekt SYS_W02
Zna metodykę projektowania urządzeń mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin, sprawozdanie z ćwiczeń projektowych
Efekt SYS_W03
Zna struktury układów wykonawczych i pomiarowych urządzeń mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin, prezentacje na ćwiczeniach projektowych
Efekt SYS_W04
Zna specyfikę projektowania i wytwarzania układów optycznych wykorzystywanych w urządzeniach mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin
Efekt SYS_W05
Zna podstawowe pojęcia związane z bezpieczeństwem funkcjonalnym urządzeń oraz diagnostyką techniczną, a także wie, w jaki sposób można wpływać na zwiększenie niezawodności systemów.
Weryfikacja: Egzamin
Efekt SYS_W06
Zna aktualny stan i tendencje występujące w budowie systemów mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin, praca dyplomowa
Efekt SYS_W07
Wie, na czym polega tolerowanie uszkodzeń i jakimi sposobami można je osiągnąć
Weryfikacja: Egzamin
Efekt SYS_W08
Wie, na czym polega projektowanie współbieżne i jakie są skutki jego stosowania
Weryfikacja: Egzamin

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Efekt SYS_U01
Umie zaproponować użytkową strukturę urządzenia mechatronicznego na podstawie wymagań zamawiającego
Weryfikacja: Prezentacja na ćwiczeniach projektowych
Efekt SYS_U02
Umie zidentyfikować niezbędne ukłądywykonawcze i pomiarowe na podstawie analizy funkcji urządzenia mechatronicznego
Weryfikacja: Prezentacja na ćwiczeniach projektowych
Efekt SYS_U03
Potrafi zaproponować struktury układów wykonawczych i pomiarowych oraz dobrać ich poszczególne elementy składowe na podstawie danych katalogowych
Weryfikacja: Prezentacja na ćwiczeniach projektowych
Efekt SYS_U04
Umie dokonać integracji urządzenia mechatronicznego przez właściwy dobór algorytmów sterowania, jednostki sterującej, podzespołów elektronicznych i struktury mechanicznej
Weryfikacja: Prezentacja na ćwiczeniach projektowych, dokumentacja projektowa i sprawozdanie z ćwiczeń

Profil ogólnoakademicki - kompetencje społeczne

Efekt SYS_K01
Zna podział zadań w procesie projektowania urządzeń i systemów mechatronicznych, dzięki czemu może podejmować zadania związane z koordynacją takich prac
Weryfikacja: Prezentacje na ćwiczeniach projektowych