ms_pred3

8/16/2019 MS_pred3

1/43

Računalno podržani dizajn mehatroničkih sustava

Jadranko MatuškoFetah Koloníc

Fakultet elektrotehnike i računarstva

23. listopada 2014

8/16/2019 MS_pred3

2/43

Predavanje:Rǎcunalno podržani dizajn mehatroničkih sustava

Računalno podržani dizajn mehatroničkih sustava

•

Potrebe za što bržim razvojem mehatroničkih sustava zahtjevakorǐstenje naprednih računalnih alata,

• Njihovim korǐstenjem omogućuje se provjera vladanja mehatroničkogsustava u svim fazama dizajna,

• Virtualni prototipovi,• Osnovni nedostatak većine računalnih alata jest njihova ograničenost

na specifičnu domenu,

Osnovni zahtjevi na računalni alate za dizajn mehatroničkih sustava:

• trebali bi biti primjenjivi na sustave iz razlǐcitih domena;• omogućiti istovremeno korǐstenje različitih vrsta prikaza sustava;

J.Matǔsko & F.Kolonić Mehatronički sustavi Ak. godina 2014/2015 2 of 43

8/16/2019 MS_pred3

3/43


Klasična optimizacija

Klasični postupci optimizacije kod projektiranja sustava upravljanjapretpostavljaju da su parametri procesa, senzora i sučelja poznati inepromjenjivi i optimiraju se samo parametri regulatora.

Regulator Proces

SenzoriSu!elje

OPTIMIZACIJA

yR

+

−


8/16/2019 MS_pred3

4/43


Optimizacija u mehatroničkim sustavima

• Budući da je osnovna karakteristika mehatroničkog dizajnaistovremeni projektiranje svih dijelova sustava optimizacija se provodine samo nad parametrima regulatora već i nad fizikalnimparametrima ostalih dijelova sustava.

Regulator Proces

SenzoriSu!elje

OPTIMIZACIJA

R

+

−


8/16/2019 MS_pred3

5/43


Načini prikaza mehatroničkih sustava

• Fizikalni modeli,

• Vezni grafovi

• Modeli koji se koriste kod dizajna sustava upravljanja

◦ Blokovske sheme◦ Bodeovi dijagrami◦ Nyquistov dijagram◦ Prikaz u prostoru stanja

• Vremenska domena

• Animacija• C-kod


8/16/2019 MS_pred3

6/43


Fizikalni modeli sustava

• Fizikalni modeli predstavljaju modele koji vjerno opisuju vladanjefizikalnog sustava kako funkcionalno tako i strukturno,

• Kao parametri modela figuriraju stvarni fizikalni parametri,

• Općenito nisu prikladni za dizajniranje sustava upravljanja,

• Za njihovo dobivanje potreban uvid u fizikalnost vladanja sustava


8/16/2019 MS_pred3

7/43


Vezni grafovi

• Predstavljaju univerzalan način prikaza vladanja sustava, neovisan oprirodi samog sustava,

• Temelji se na energetskom razmatranju vladanja sustava,

• Dvije osnovne veličine koje definiraju vladanje sustava i razmjenuenergije unutar sustava i s okolinom su: napor (odgovara naponu) itok (odgovara struji),

• Osnovni elementi grafa su: spremǐsta energije (C i I tip), disipativnielementi (R element), transformator, girator, izvori (toka i napora).

• Ovakvi modeli daju dobar uvod u tokove energije unutar sustava,

• Nedostatak je da su neprikladni za dizajn sustava upravljanja.


8/16/2019 MS_pred3

8/43


Modeli koji se koriste kod dizajna sustava

upravljanjaBlokovske sheme

• Predstavljaju najčešće korǐsten način prikaza sustava,

• Veze izmedu pojedinih blokova predstavljaju signale, ne pravećipritom razliku izmedu signala za prijenos energije od onih za prijenosinformacija,

• Prikladni su za sintezu sustava upravljanja (većina metoda razvijenaupravo za ovakav prikaz sustava),

• Ne daju jasan uvid u tokove energije unutar sustava,

• Značajne izmjene u slučaju strukturnih promjena u procesu.


8/16/2019 MS_pred3

9/43


Modeli koji se koriste kod dizajna sustava

upravljanjaBodeovi dijagrami, Nyquistov dijagram

• Koriste se za opis linearnih sustava,

• Temelje se na opisu sustava u frekvencijskom području,

• Daju ovisnost amplitude i faze sustava u stacionarnom stanju uzpretpostavku periodične sinusne pobude u obliku:

◦ dvaju zasebnih grafova (Bodovi dijagrami),◦ krivulje u kompleksnoj ravnini (Nyquistov dijagram),

• Prikladni su za sintezu sustava upravljanja ali se ti postupci sve manjekoriste zbog razvoja postupaka zasnovanih na simulaciji sustava.


8/16/2019 MS_pred3

10/43


Programski alati u za projektiranje mehatroničkih

sustava20-sim

• Razvijen na sveučilištu u Twente-u (otuda dolazi i naziv programa)• Predstavlja alat prikladan za dizajn mehatroničkih sustava koji

omogućuju modeliranje sustava korǐstenjem:

◦

Fizikalnih modela,◦ Veznih grafova,◦ Blokovskih shema.

• Na istoj je shemi moguće koristiti i kombinirati više različitih načinaprikaza (npr. proces predstavljen fizikalnim modelom a regulatorblokovskom shemom),

• 20-sim omogućuje provodenje optimizacije fizikalnih parametarasustava (kao i parametara regulatora) prema zadanom kriterijukakvoće.


8/16/2019 MS_pred3

11/43


Korǐstenje fizikalnih modela u 20-sim


8/16/2019 MS_pred3

12/43


Interakcija 20-sim i Matlaba

• Interakcija izmedu 20-sim i Matlaba može se provoditi:

◦

On-line, korǐstenjem funkcija: toMatlab

, doMatlab

, fromMatlab

,

◦ Off-line (izvoz modela u Matlab kao m-funkcija i kao simulink model,

izvoz rezultata simulacija u Matlab radi naknadne obrade,izvoz

lineariziranog modela u Matlab radi projektiranja sustava upravljanja)


8/16/2019 MS_pred3

13/43


Primjer mehatroničkog sustava dizajniranog u

20-sim

!"#$"%

!#&"'

!"#$%

$

!

&

'

()*+),-.,'/

"

!

!

"

!


8/16/2019 MS_pred3

14/43


Što je CAD

•

CAD - Computer Aided Design,• Skup postupaka i alata koji dizajneru mehatroničkog sustava pomažuu sljedećem:

◦ kreiranje geometrijske reprezentacije dijelova i sklopova koji se

projektiraju,◦ dimenzioniranje,

◦ arhiviranje,◦ razmjena dizajniranih dijelova i sklopova izmedu timova i organizacija,◦ generiranja ulaznih podataka za CAE i CAM postupke


P d j R ˇ l d ˇ i di j h iˇkih

8/16/2019 MS_pred3

15/43


Osnovni elementi CAD sustava

Ulazne jedinice

TipkovnicaMi!

Posebne izvedbe

tipkovnica i mi!evaza CAD

Glavni sustav

Ra"unaloCAD softwareBaza podataka

Izlazne jedinice

Tvrdi diskMre#aPrinterPlotter

Dizajner


P d j R ˇ l d ˇ i di j h t iˇkih t

8/16/2019 MS_pred3

16/43

Predavanje:Racunalno podrzani dizajn mehatronickih sustava

Povijest CAD alata

• 1957 PRONTO - prvi komercijalni CAD sustav

• 1960 SKETCHPAD (MIT Lincoln Lab)

• Rane 60-te prošlog stoljeća

◦ General Motors - DAC (Design Automated by Computer)◦ McDonnel Douglas - CADD

• 1967 osnovan SDRC(Structural Dynamics Research Corporation) -(I-DEAS)

• 1979 Boeing, General Electric i NIST razvijaju standard IGES (Initial

Graphic Exchange Standards)• 1981 - danas - veliki broj različitih komercijalnih programa.



8/16/2019 MS_pred3

17/43


Osnovne prednosti korǐstenja CAD alata

• Povećana učinkovitost (produktivnost)

◦ Automatizacija zadataka koji se ponavljaju;◦ Korǐstenje standardnih dijelova iz postojeće baze;◦ Automatsko generiranje nacrta potrebnih za izradu dijela/sklopa;

• Izmjenljivost

◦ prilikom izmjena nije potrebno ponavljati sve naredne korake;◦ praćenje prethodnih iteracija u dizajnu;

• Komunikacija

◦ s ostalim članovima razvojnog tima;◦ s drugim aplikacijama (CAE/FEM, CAM);

◦ marketing;• Mogućnosti obavljanja različitih analiza

◦ Svojstva materijala (masa, inercija);◦ kolizija izmedu pojedinih dijelova;



8/16/2019 MS_pred3

18/43


Načelni CAD postupak

START

Postavke Jedinice, grid,...

Osnovni 3Dobjekti

Logi!ke operacijeizme"u objekata

Ozna!avanje idimenzioniranje

Verifikacija Izlaz Nacrt

CAD datoteka

IGES datoteka

Linije, kru#nice,konture dijelova

Dodavanje izreza,udubljenja

Izvla!enje, rotacija

L

O



8/16/2019 MS_pred3

19/43


Vektorska i rasterska grafika

• Mreža piksela

◦ nema funkcionalnih veza

izmedu pojedinih piksela,◦

rezolucija, npr. 72 dpi,◦ svaki piksel ima

odgovarajuću boju, npr.

pikseli 8-bitne slike mogu

imati 256 različitih boja

.bmp format



8/16/2019 MS_pred3

20/43

j p j

Vektorska grafika

• Objektna orijentiranost

◦ postojanje funkcionalnih

veza izmedu pojedinih

piksela,◦ opis točaka i linija izmedu

njih,◦ pojednostavljeno uredivanje

i skaliranje

• .emf format,

• CAD alati koriste vektorskugrafiku,

• Naǰcešći format za razmjenupodataka izmedu različitih CADalata → IGES



8/16/2019 MS_pred3

21/43

j p j

Jednadžbe krivulja

Dvije vrste jednadžbi za opis krivulja:

• parametarske jednadžbe ( x , y , z koordinate povezane su parametromu)

• neparametarske jednadžbe ( x , y , z koordinate povezane su

jednadžbom funkcijom npr. z = f ( x , y )),

Primjer: Kružnica (2D)

• parametarska jednadžba

x = R cos θ, y = R sin θ, (0 ≤ θ ≤ 2π) (1)

• neparametarska jednadžba

x 2 + y 2 − R2 = 0 (2)



8/16/2019 MS_pred3

22/43

Jednadžbe krivulja

Točka u 2D i 3D

• parametarska jednadžba:

p = [ x (u) y (u)], p = [ x (u) y (u) z(u)] (3)

• neparametarska jednadžba:

y = f ( x ), z = f ( x , y ) (4)

Što je bolje koristiti kod CAD alata? → parametarske jednadžbe



8/16/2019 MS_pred3

23/43

Prednosti parametarskih jednadžbi - 1

• Parametarske jednadžbe obično nude veću slobodu kod definiranjaoblika krivulja i površina nego neparametarske krivulje.

◦ parametarska jednadžba:

x = au3+ bu

2+ cu+ d (5)

y = eu3+ fu

2+ gu+ h (6)

◦ neparametarska jednadžba:

y = ax 3+ bx

2+ cx + d (7)

• Parametarske jednadžbe omogućuju opis beskonačnog nagiba krivulje



8/16/2019 MS_pred3

24/43

Prednosti parametarskih jednadžbi - 2

• Transformacije se mogu izvoditi izravno na parametarskim jednadžbama, npr. translacija u smjeru x-osi:Parametarska jednadžba

x = au3 + bu2 + cu + d + x0 (8)

y = eu3 + fu2 + gu + h (9)

Neparametarska jednadžba:

y = a( x − x 0)3 + b( x − x 0)

2 + c( x − x 0) + d (10)



8/16/2019 MS_pred3

25/43

Najvažniji CAD alati

• AutoCAD (Autodesk)• Pro/Engineer (PTC)• SolidWorks(Dassault Systems),• CATIA (IBM/Dassault Systems),• Unigraphics (UGS)• I-DEAS (SDRC).



8/16/2019 MS_pred3

26/43

Pro/Engineer & Creo

• Proizvod tvrtke PTC (Parametric Technology Corporation)

• Alat je potpuno parametarski orijentiran. Svaka dimenzija zapravo je

parametar čija promjena mijenja i geometriju samog objekta.• Dvosmjerno pridruživanje. Bilo kakve promjene na nekom od dijelova

sklopa odražavaju se automatski na svim mjestima gdje se taj modelpojavljuje, kao i u generiranim mehaničkim nacrtima. S druge strane,bilo koja modifikacija u nacrtima rezultira promjena u svim ostalim

dijelovima modela.



8/16/2019 MS_pred3

27/43

Osnovni koraci 3D dizajna u Pro/Engineer-u

Postupak dizajna u Pro/Engineer-u sastoji se od 3 osnovna koraka

• Kreiranje pojedinačnih dijelova sklopa (engl. parts)• Povezivanje dijelova u sklop (engl. assembly)

• Izrada mehaničkih nacrta na temelju dijelova i sklopa



8/16/2019 MS_pred3

28/43

Kreiranje dijelova

• Prvi korak pri dizajnu je kreiranje pojedinih dijelova• Sve informacije o kreiranom dijelu spremaju se u .prt datoteci i kao

takvi su višestruko iskoristivi.• Najčešće se pri dizajnu dijelova kreće od njegove 2D projekcije• Korǐstenjem različitih operacija npr. izvlačenja (engl. extrude), izreza

(engl. cutout), rotacije (engl. rotate) i sl. kreira se 3D objekt



8/16/2019 MS_pred3

29/43

Kreiranje sklopa

• Nakon kreiranja pojedinih dijelova oni se povezuju u sklop koristećipritom operacije združivanja (engl. mate) i poravnavanja (engl. align)kako bi se pojedini dijelovi rasporedili na odgovarajuće pozicije usklopu.



8/16/2019 MS_pred3

30/43

Kreiranje nacrta

• Nakon završetka dizajniranja sklopa Pro/Engineer nudi mogućnostautomatskog generiranja mehaničkih nacrta, kao podloge za izraduprojektiranog sklopa.

• Dimenzije nije potrebno dodavati na nacrte veće se oni automatskiprenose iz podataka za pojedine dijelove odnosno sklop.

• Eventualne promjene na generiranim nacrtima odrazit će se takoder

na 3D model.

Dodatni materijali o korištenju Pro/Engineer alata:http://www.engr.uky.edu/psl/ME380/http://www.ptc.com/company/mail/express200305/getting started.pdf



8/16/2019 MS_pred3

31/43

Integracija CAD alata i Matlab/Simulink okruženja

• Omogućuje provjeru vladanja sustava koji se dizajnira prije sameizrade mehaničkih dijelova.

• CAD model se u tom smislu može smatrati virtualnim prototipom.

CAD platforma

SKLOP

CADprevoditelj

XMLdatoteka

Simulink

MODEL

Generiranjemodela

XMLdatoteka

SimMechanics



8/16/2019 MS_pred3

32/43

Pretvorba CAD modela u xml format



8/16/2019 MS_pred3

33/43

Učitavanje modela iz xml formata

• import physmod(’ime.xml’)



8/16/2019 MS_pred3

34/43

Što je PROTOTIP?

• PROTOTIP predstavlja aproksimaciju stvarnog fizikalnog sustava ilinekog njegovog dijela.

• Prototip može varirati od jednostavnog konceptualnog nacrta pa dopotpuno funkcionalnog proizvoda.

Općenito se prototipovi mogu podijeliti u dvije skupine:

•

Fizikalne prototipove i• Analitičke prototipove.

S druge strane, prototipove takoder mogu biti:

• Sveobuhvatni i• Fokusirani.



8/16/2019 MS_pred3

35/43

Vrste prototipova

Productionprototype

Alphaprototype

Betaprototype

Virtualprototype

Form model

Paper

prototype

Physical

Analytical

ComprehensiveFocused



8/16/2019 MS_pred3

36/43

Karakteristike prototipova

• Analitički prototipovi su općenito fleksibilniji od fizikalnih prototipova,• Analitički se prototipovi mogu koristiti kako bi se suzio skup mogućih

vrijednosti parametara sustava,• Fizikalni prototipovi prikladni su za fino podešavanje ili potvrdu

dizajna,• Fizikalni model, za razliku od analitičkog, može poslužiti za detekciju

eventualnih efekata koji nisu uzeti u obzir prilikom dizajna (toplinskiefekti, elektromehaničke sprege).



8/16/2019 MS_pred3

37/43

Razlozi izrade prototipa

• Prikupljanje inicijalnih korisničkih specifikacija,• Vrednovanje specifikacija sustava,• Ispitivanje rješenja pojedinih dizajnerskih problema,• Dokazivanje valjanosti koncepta u ranijim fazama razvoja,• Rješavanje neodredenosti u ranijim fazama dizajna,• Jednostavnija implementacija promjena u korisničkim zahtjevima,

• Ispitivanje prihvaćenosti proizvoda na tržǐstu,• Osiguravanje kvalitete,• Mogućnost treninga predvidenih korisnika sustava prije same njegove

proizvodnje,• Smanjenje rizika od skupih iteracija u postupku razvoja proizvoda.



8/16/2019 MS_pred3

38/43

Fizikalni prototipovi

Prilikom dizajna fizikalnog prototipa potrebno je uzeti u obzir sljedeće:

• Cilj prototipa,• Vrijeme razvoja prototipa,• Moguće forme prototipa,• Vrste testova koje će se na prototipu izvoditi,• Rizik konstrukcije prototipa ili nastavka razvoja bez prototipa,



8/16/2019 MS_pred3

39/43

Virtualni prototipovi

• Virtualni prototip predstavlja analitički model odredenog aspekta

dizajna ili cjelokupnog proizvoda.• Njihovim se korištenjem s odredenom razinom sigurnosti može

utvrditi vladanja budućeg proizvoda.• Korǐstenje suvremenih računalnih alata za izradu virtualnih

prototipova (CAD/CAM alati, npr. Pro/Engineer).

• Mogućnost provodenja SIL (Software In the loop) i PIL (Processor Inthe Loop) simulacija.



8/16/2019 MS_pred3

40/43

Brza izrada prototipa (Rapid Prototyping)

• Predstavlja skup postupaka izrade prototipova zasnovanih na CAD

modelima proizvoda ili nekog njegovog dijela kako bi se skratiopostupak razvoja proizvoda.

• Brza izrada prototipa omogućuje da se prototip izradi u roku nekolikosati ili dana (za razliku od klasičnog postupka izrade).

• Često virtualni model nije dovoljan kako bi se procjenila valjanost

samog dizajna. Tako je npr. prilikom izrade mobitela nužno kreiratiprototip kako se procijenile ergonomske karakteristike dizajna.



8/16/2019 MS_pred3

41/43

Postupci brze izrade prototipa

Dva su osnovna postupka RP-a:

• Uklanjanje materijala, što najčešće obuhvaća operacije glodanja(engl. milling) i bušenja (eng. drilling), korǐstenjem odgovarajućihCNC strojeva.

• Nanošenje materijala sukcesivnim dodavanjem pojedinih slojevamaterijala.

Ovisno o polaznom materijalu zaizradu prototipa razlikuju se:• Prototipi koji koriste tekući materijal kao polazǐste za izradu,• Prototipi koji koriste čvrsti materijal kao polazǐste za izradu,• Prototipi koji koriste prah kao polazište za izradu.



8/16/2019 MS_pred3

42/43

3D printanje

Dva su osnovna postupka RP-a:

• Prototip ili njegov dio se izraduje po principu sloj-po-sloj korǐstenjemink-jet printera koji ispušta ljepljivu smjesu na pojedine slojeve praha.

• Ljepljiva se smjesa ispušta samo na one djelove sloja koji odgovarajupoprečnom presjeku dijela koji se izraduje (ovi se poprečni presjecidobivaju direktno iz CAD modela).

•

Ljepljiva smjesa učvřsćuje prah na koji je nanesena dok se ostali diosloja lako uklanja.

Problemi:

• Vrlo je teško postići glatke rubove dijela koji se izraduje zbogspecifične izrade sloj po sloj (stepeničasti rubovi).

• Distorzija izradenog dijela.• Mehanička svojstva prototipa ograničena materijalom koji se koristi

kod izrade.



8/16/2019 MS_pred3

43/43

Brza izrada prototipa sustava upravljanja (Rapid

Control Prototyping)

• Omogućuje brzu provjeru kvalitete projektiranog sustava upravljanja.• Mogućnosti automatskog generiranja koda.• Moguće varijante:

◦ Stvarni proces i simulirana upravljačka jedinica.◦ Stvarni proces i upravljački algoritam izveden na real-time računalu

(Hardware in the Loop, HIL).◦ Simulirani proces i stvarna upravljačka jedinica (Processor in the Loop,

PIL).


ms_pred3

Documents