Politechnika
Warszawska

Katalog
ECTS

Nazwa przedmiotu:

Mechatronic Systems

Koordynator przedmiotu:

dr inż. Jakub Wierciak, prof. dr inż. Michał Bartyś, dr inż. Maciej Bodnicki, dr hab. inż. Sergiusz Łuczak, dr inż. Marcin Adamczyk

Status przedmiotu:

Obowiązkowy

Poziom kształcenia:

Studia II stopnia

Program:

Mechatronics

Grupa przedmiotów:

Obowiązkowe

Kod przedmiotu:

MCS

Semestr nominalny:

2 / rok ak. 2020/2021

Liczba punktów ECTS:

7

Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:

1) Liczba godzin bezpośrednich 83, w tym: a) wykład - 30 b) projektowanie - 30 c) laboratorium - 15 d) konsultacje - 6 e) egzamin - 2 2) Praca własna studenta 110 w tym: a) przygotowanie do egzaminu - 15 b) praca nad projektem, w tym przygotowanie prezentacji, dokumentacji i sprawozdania - 55 c) przygotowanie do zajęć laboratoryjnych 20 d) opracowanie sprawozdań 20 suma: 178(7 ECTS)

Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:

1) Liczba godzin bezpośrednich 83, w tym: a) wykład - 30 b) projektowanie - 30 c) laboratorium - 15 d) konsultacje - 6 e) egzamin - 2 suma: 83 (3,5 ECTS)

Język prowadzenia zajęć:

angielski

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

O charakterze praktycznym: a) projektowanie - 30 c) laboratorium - 15 d) konsultacje - 4 b) praca nad projektem, w tym przygotowanie prezentacji, dokumentacji i sprawozdania - 55 d) opracowanie sprawozdań 20 suma: 124 (5 ECTS)

Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:

• Wykład30h
• Ćwiczenia0h
• Laboratorium15h
• Projekt15h
• 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. Laboratorium: 1. Wyznaczanie obciążeniowych charakterystyk mikrosilnika prądu stałego. Poznanie budowy mikrosilnika prądu stałego z wirnikiem bezrdzeniowym oraz metod wyznaczania jego charakterystyk obciążeniowych. Pomiar parametrów biegu jałowego silnika. Wyznaczenie obciążeniowych charakterystyk silnika metodą punktową z wykorzystaniem hamulca Prony’ego. Pomiar maksymalnej mocy mechanicznej silnika. Opracowanie charakterystyk z wykorzystaniem specjalnego programu komputerowego. 2. Badanie dynamicznych właściwości mikrosilników elektrycznych prądu stałego. Poznanie metod wyznaczania dynamicznych charakterystyk mikrosilników elektrycznych. Zarejestrowanie prędkościowych odpowiedzi silnika prądu stałego na skok napięcia zasilającego dla dwóch różnych obciążeń inercyjnych. Wyznaczenie stałych czasowych odpowiedzi. Obliczenie masowego momentu bezwładności wirnika silnika na podstawie znajomości masowych momentów bezwładności i stałych czasowych. Oszacowanie błędu zastosowanej metody. 3. Badanie zjawisk cieplnych w mikrosilniku prądu stałego. Poznanie zjawisk cieplnych zachodzących w obciążonym silniku elektrycznym. Zarejestrowanie temperaturowych odpowiedzi wirnika i stojana mikrosilnika prądu stałego na skok mocy cieplnej wydzielającej się w jego wirniku. Wyznaczenie cieplnych stałych czasowych i oporów cieplnych dwuelementowego cieplnego modelu silnika przez analizę zarejestrowanych odpowiedzi. Obliczenie pojemności cieplnych wirnika i stojana maszyny na podstawie znajomości fizycznych cech elementów silnika. Porównanie wyników uzyskanych obydwiema metodami. 4. Wyznaczanie sprawności szybko działającego układu napędzanego elektromagnesem prądu stałego. Zapoznanie studentów z problematyką badań dynamicznych charakterystyk elektromagnesów szybkiego działania. Zarejestrowanie odpowiedzi układu dźwigniowego napędzanego elektromagnesem. Wyznaczenie energii elektrycznej pobieranej przez elektromagnes podczas realizacji ruchu i oddawanej energii mechanicznej na podstawie odpowiedzi. Obliczenie sprawności przetwarzania energii przez elektromagnes. Zbadanie wpływu długości impulsu zasilającego na sprawność.

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:

tak

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 SYS_W01

Zna podstawowe struktury systemów i urządzeń mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03, K_W14
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_W, I.P7S_WG.o, III.P7S_WG

Charakterystyka SYS_W02

Zna metodykę projektowania urządzeń mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin, sprawozdanie z ćwiczeń projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_W, I.P7S_WG.o, III.P7S_WG

Charakterystyka SYS_W03

Zna struktury układów wykonawczych i pomiarowych urządzeń mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin, prezentacje na ćwiczeniach projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_W, I.P7S_WG.o, III.P7S_WG

Charakterystyka SYS_W04

Zna specyfikę projektowania i wytwarzania układów optycznych wykorzystywanych w urządzeniach mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W08
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_W, I.P7S_WG.o, III.P7S_WG

Charakterystyka 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
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W11
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_W, I.P7S_WG.o

Charakterystyka SYS_W06

Zna aktualny stan i tendencje występujące w budowie systemów mechatronicznych
Weryfikacja: Egzamin, praca dyplomowa
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W10
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_W, I.P7S_WG.o

Charakterystyka SYS_W07

Wie, na czym polega tolerowanie uszkodzeń i jakimi sposobami można je osiągnąć
Weryfikacja: Egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_W, I.P7S_WG.o, III.P7S_WG

Charakterystyka SYS_W08

Wie, na czym polega projektowanie współbieżne i jakie są skutki jego stosowania
Weryfikacja: Egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W04
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_W, III.P7S_WG

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Charakterystyka SYS_U01

Umie zaproponować użytkową strukturę urządzenia mechatronicznego na podstawie wymagań zamawiającego
Weryfikacja: Prezentacja na ćwiczeniach projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_U, I.P7S_UK

Charakterystyka SYS_U02

Umie zidentyfikować niezbędne układy wykonawcze i pomiarowe na podstawie analizy funkcji urządzenia mechatronicznego
Weryfikacja: Prezentacja na ćwiczeniach projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_U, I.P7S_UK

Charakterystyka SYS_U03

Potrafi zaproponować struktury układów wykonawczych i pomiarowych oraz dobrać ich poszczególne elementy składowe na podstawie danych katalogowych
Weryfikacja: Prezentacja na ćwiczeniach projektowych
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U18
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_U, I.P7S_UW.o, III.P7S_UW.o

Charakterystyka 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
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_U, I.P7S_UK

Profil ogólnoakademicki - kompetencje społeczne

Charakterystyka 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
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_K04
Powiązane charakterystyki obszarowe: P7U_K, I.P7S_KO, I.P7S_KR