the mechatronics laboratory experience

9
The Mechatronics laboratory experience Peter Wild * , Brian Surgenor, Gene Zak Department of Mechanical Engineering, Queen's University, Kingston, Ontario K7L 3N6, Canada Abstract This paper describes an approach taken to undergraduate laboratories in Mechatronics. A sequence of six laboratories culminate with an apparatus that involves the microprocessor control of a ¯oating ping-pong ball. The apparatus consists of a cooling fan taken from a PC) located at the base of a vertical tube in which the ping-pong ball levitates) and an ultrasonic sensor at the top of the tube to measure the height of the ball). The apparatus was found to be an invaluable supplement to the theory taught in the classroom, and in particular in the areas of microprocessor programming and interfacing, areas that are traditionally foreign to Me- chanical Engineering students. Student experience with this apparatus relative to a much more expensive computer integrated manufacturing CIM) assembly cell available in another course is considered. It is argued that the ping-pong ball apparatus better embodies the underlying principles of mechatronic system design, relative to the formal CIM assembly cell. Ó 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. 1. Introduction Since its introduction as an elective in 1997, the Mechatronic Systems Design MECH 452) course oered through the Department of Mechanical Engineering at Queen's University has become very popular. This is re¯ected in positive student feedback and with a class size higher than the average for an elective course in Mechanical Engineering at Queen's. The course and its popularity are not isolated cases, but follow a growing international trend towards including ``mechatronics'' type courses in traditional Mechanical Engineering curriculums [1]. However, re- source material speci®c to ``mechatronics'' courses is arguably still, like the courses, in an early stage of development. Mechatronics 12 2002) 207±215 * Corresponding author. Tel.: +1-613-533-2157; fax: +1-613-533-6489. E-mail address: [email protected] P. Wild). 0957-4158/02/$ - see front matter Ó 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PII:S0957-415801)00061-7

Upload: peter-wild

Post on 05-Jul-2016

217 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: The Mechatronics laboratory experience

��� ���������� ������� ���������

����� �� � �� ���� ������� ��� ���

���������� ��� ������ ������������ ������� ����������� �������� ������ ��� �� � !���"�

��������

���� ����� ��������� � ������� ���� � ������������ ��������� � ����������� �

�� ���� ! ��� ��������� �� "���� #��� � ��������� ���� �$ $�� ��� "����������

��� ! � %���� ���&�� �� � ��� ��������� ������ ! � � �� !� '���� !�" � �()

����� �� ��� ���� ! � $������ ���� '� #���� ��� ���&�� �� �$������) �� � � ������

���� �� ��� �� ! ��� ���� '� "������ ��� ������ ! ��� �� )� ��� ��������� #�� !�� � ��

� �$� ��� � ���� �"�� � ��� ����� ������ � ��� � ����"� �� � ������� �� � ��� �����

! "���������� �����""�� �� ����!����� ����� ���� ��� �������� � !���� � ��&

������ *������� �������� ������ ��������� #��� ���� ��������� �� ���$� � � "��� "��

������$� �"����� ��������� "��!������� '(+�) ����"� � �� �$�� �� � � ����� �����

�� ��������� +� �� ������ ���� ��� ���&�� �� ��������� ������ �"����� ��� ���� ���

������ �� ! "�������� �����" ������ �� ���$� � ��� !�"� (+� ����"� � �� � � ,--,

* ��$��� ������ .��� � ������ �����$���

� ���� ������

���� ��� �������� �� � � ����$� � /001� ��� ��������� �����"� 2����'�*(3 45,) ����� 6���� ������ ��� 2�����"�� ! �������� *������� ��7���8� 9�$������ ��� ���"� $��� ��� ��� ���� �� ��%����� � �����$� ������!������� �� #��� � � ��� ��:� ������ ��� ��� �$����� !� � � ����$� ����� ��������� *������� �� 7���8�� ��� ����� �� ��� ��� ����� ��� � �� ���������� ��� ! # � ��#�� �������� ���� �#���� �� ���� ;;"���������88���� ������ � �������� �������� *������� ������� �"� </=� 3#�$��� ��&����� "������ �����>� � ;;"���������88 ������ �� ������ � ��� � ��� ��� �������� � ��� � ����� ! ��$� �"���

���������� /, ',--,) ,-1?,/5

�(�������� ������ �� �@ A/&B/C&5CC&,/51D !��@ A/&B/C&5CC&B4E0�

�#���� �""����$ #� �F"�� �������� '�� �� �)�

-051&4/5EG-,GH & ��� !�� "����� � ,--, * ��$��� ������ .��� � ������ �����$���

�++@ �-051&4/5E '-/ )---B/&1

Page 2: The Mechatronics laboratory experience

� ����� ����� ��� #��� � ��6���� ������������ ! ��� "���� ! ��� #��;;"���������88� � �"" !������ ! ������ ���� �� ;;����������88 �� ��� ��� !����#��� ������ ��������� �$ $�� ��������� #��� ��������� "������������� � I� ���"� �� !��� �� �� �� J�� ����� 9�$������ ��$� ��� ���� �;;"��������� �������� �������88 ���� /005 <,=� ����� ������� �� ���� ���/, ������"���� +���� � ������� ��� �� ����� � ��� � �� #�� ��� �� ���� ! ��"� � � ����&"������� �����"�� K��� ��� �� ! ��� �� ����� ���������$� ��������� � "�� �"� �� "���������� ��� �� "�������� �����"������� ��� ������"��� ���� !�" � ���� ��� �� �#���� ����"� �� !�" ������ ������ �"���� � � "���������� ��� �� ����� ����� #��� "� ��� ������ �� ������� ��� ���� �$ $�� � ������� "�� ���$� �$��� �� � ������#��� � ��� � �� � ������ ��� � �"����� #��� ����"������ !� ���� ��������������� ��� �� ����� � ����!��� �� �����" ��� "���������� � ��� ��������#�� ����

� � ���� � ��6���� ������� #�� ���� �� (� � � #���� ��� !��� ��� !� ��&����� ������"��� �� ��!����� � �� ��� ;;���������� 2���� �����88 <C=� ��� ��&����"��� ��� "�� ���� ��L��� ������� ��� "�� �"" ��L��� �$ $�� ��������� �������� �� �����""�� ! � ��� � �� "�� � '#��� ��) ���� �&���� ��L��� �� ��"� �� � �� J��8� ����� ����� � ���� ������� ��� �� ����� ������" � ��� � "$� �"� ����� ����� 3#�$��� �� (� � � ��� ����� ����� �$���� �� � ! ��� "�� � ���� !�" ��� ���� ��L�����

�� � ����� ���"� �� �������� �� ��+ ��$� ��� � �� ���� ���� �� �� ��$��� #� ��� ������� � �� ���� � �"� ��� "��������� ������ ����� ���������<4=� ��� ������"��� �� ���� �� ��"� �� � �� � �8� � ���� ��� ������� ���� #�����"� � �� � ��"�������� ��� �� >��� #��� "���������� ��� ! �"�� � ���� (��� �� ���� � �"�����:� ��� "� ��&������ ���� ����� ! "����&����� #���� �� ����� � �������� �� ���� !���"��� � ��6���� !�" �������� "������� ���������� *��� ������"�� �� ������ � ��$� ��� ! #�� ����$�&����@� 9��������� ��� ��� �"� �����>���� ! �L����$�� �� $����� �� � �� �&�� ���

� 9��������� ��� ������� ������ �� ! ��� ����� �� ��� ������ � �� �&�� ���

� �� ���� ! ��� ���������� ��� � �����" �� ����� ! ��� ����!����� ����� �� �� ������� ��� �����"�� 2�$� ��� �� �"� �"���� ��� �"����� �����"�

+� �� !��� � ��� ���� ��� ��$� ��� ! �� ����$����� �� �"" � ��� "�L���� !"�������� ���������� �# ����� ��6�������� ����� ���� ! ������"��� !�"�$���� "������� ���������@ '/) ����$����� ��� "��� "�� ����& ������ '��������� "��� �� ����"� �� �� �������� #���� ��) �� ',) ��������� ���"�� �����" ������ '������� "��� ��� #��� ��� ����� �� ��� 2G� M 2G� �&���!����)�

�� 7���8� � �� ���� ! ��� ��������� �� ����@/� ������ �� ���� � �������$� ��������� ��� ! "� ��"����� �� ��� ������,� +������� � �����""�� ! ��� ����� ���"� "�����������

,-E %& '��" �� ��& ( ��� ������� )* +*,,*- *,�.*)/

Page 3: The Mechatronics laboratory experience

C� 2G� �$����� NG( ��"� ������� �� � ��� ! � 2( "���4� O�&�"� ����� �� � ���� �� ������ �� ��������5� ����� ���"� ����� ��� ! � 2( "�� #��� 2�� ��� ����������B� ����� ���"� �+2 ��� ! ��� ���&�� ����������

��� ��� ��� � ���� ����� � ������ �������� �� � �������� �� � ���� ���&������ "������������ #��� "�� ��� �� ��� ��� ������ ��� ����� ������ ������� ����� � ���� �� ��� ����� � ��������� #��� ����� �� ��������� ����� �� ��� "���������� �� ��� � ������� ! ��� ����!��� ���� ������ ��� ����������P�� ��� � ����� ��� ���&�� ��������� �� � "�� ����� ������"�� ��� �����$ $�� ��� � "�� � ���� �� ����� � ��� � �"��� ! � "�������� �����"�'������ ��������� ����!����� "����������) �� ������ ��� ������� � ������� ��� �������� �� ��������� �������

� ����������� �� ��� ���������

��� ���&�� �� ��������� �� � �������� � I��� /� ��� ��������� ������ ! �� �� !� '���� !�" � �() ����� �� ��� ���� ! � $������ ���� '� #���� ������&�� �� �$������) �� � � ������ ���� �� ��� �� ! ��� ���� '� "������

I��� /� + ������� ! ��� ���&�� ����������

%& '��" �� ��& ( ��� ������� )* +*,,*- *,�.*)/ ,-0

Page 4: The Mechatronics laboratory experience

��� ������ ! ��� �� )� ��� ���� �� C !� � #��� � ������ ���"���� ! , �� �������� ! ��� !� �� ��� �� �� ��� "���������� ���� � !�" ! ������ �� ��&�����&��� ��� '���)� ��� � ������ ���� �� � �� � ��$��� �� �� ���� ��&�&2 �$����� �� ���� � !��� ��� �� ������ ���� � ��� "���������� ����$��� !�"� � ��� � ��� � ��� ��� � �����" "�"��� � !� ����� "���+2 ��� ��� #��� ������� � ������ �� ����$���$� ����� ��� ����� ! ������������ �� ����� �� ���� ����� � ������ �� (���� <5=� ��� ����"���� ���! ���� ��������� '��� ���� ��� � ������ ����) �� ��� ���� ! H/-- 9�� �#������ ! ��������� ��$� ��� ��������� � ���� #��� � �� � ��� � ��� �"����

��� "���������� �� � ����� ���"� , ���� ��� �����"� #����� � ����+(,����� �� � �����""�� ������ ��$� ��� �� ���� �� �� �� � ������ ! ���+(���� ���"� ��� /B !� � �����""�� � +GO ��� ���� �� �� ������ � ����!���� #�����.& �$� ��$���� ���� �� .*2�� ������ �����"����� �� ���!� ���������� ��&���""�� �� ���!�"�� 6& �� � �( ������ � ��� ���"� �� � ����� ��� ��

��� ����� ���"� �� � �� ���$� � �������$� ��$��� #��� � #��� ���� ! ��� ���&��� �������� I� ���"� �� ��� ���"� �� ���� � � ;;+������� � *�������88����� �� ��� 9�$������ ! ������ #��� � �� "�� ! L��� ���� ,-- �������<B=� #��� ���$���� ������� ������ #��� ��������� � ���"� ��� �� "�� ����� ����� ��� � � # �$�� �� � ���� ��$� ��� ����� ����� � !� ��� ���"� <1=� ��7���8�� ��� ���"� #�� � ���� � �������� ���� ���� �� ���� � 0 Q�( �#������ � L��� �� ���� ������� �������� +GO ������� I��� , ��#� ��� ������������ #��� ��� ���"� "���������� ����� � ��� �!� ! ��� ���������

2�����"� !� ��� ���� �� ��� ����� �������� ��� ��# � I���� C �� 4� ��&������$� �� �� ��� ��� � ��� ����� #���� ���� �� ������ ��� ������� ��� ����� �

I��� ,� ����� ���"� �� �������� �����

,/- %& '��" �� ��& ( ��� ������� )* +*,,*- *,�.*)/

Page 5: The Mechatronics laboratory experience

!�"� ��� #��� ����� �������� �� �"����� I� ���"� �� ��� "�� ���$�� ������������ ��# � I��� C �� ����@ � # ���� N( > ��� � �$��� ��� �� �� #����"�� ���� ���� !�" ��� ���"� � � 2( �$� D � ��6�� �"� �>�� � "��"�:� ��� �� ��� ���"� ��D � � ��� � ��� ! "�� $ ���� #��� ��� �&�"� ��2�� ��� ����� � ! ����� ��������� �� #� �� ��� ����� ! ��� .�(/,0E �G2�$����� ���� ������� � I��� 4� ��� �$���� � ���$��� ��� �� ������� ���������������

� ����������� �� ��� ����������

+ ��� �������� ��� ������� ��� �� ����� �@ '/) ����"� � ��� ����������',) �����" ��� "���������� #��� � �+2 � �����"� �� 'C) ��� ����+2 ��� ��� ����� !�" ������ ��� ��������� � !����� ��� �L����$� �� �

I��� C� (������ ������" !� "�� ���$�� ������

I��� 4� (������ ������" !� ���� �G2 �����

%& '��" �� ��& ( ��� ������� )* +*,,*- *,�.*)/ ,//

Page 6: The Mechatronics laboratory experience

"���"�:� ��� ��� ��� ! ��� ��$��� � ����� >$� ��6���� ���� ! ������ ��!��&��� ���� �@ �������� '���� ���� ���)� ���� ����� �� ��#��� �� � ����#�$��� � .��Q+*��� ����� ���� �� ������ �� ��� �����" ��� �����$� ��� � ��� ������� ��� ��!����� ���� �� � �����"�� � ���!�"�������� � ���!�"��� ���� �� �� �� ���� �� �� �� ���� ��� +�������� ��� ���*����

��� � / ��$�� ��"� � ���!�"��� ����� !� ��� ��6���� ������ ��!����� #�$������� ��� ������� ��� ��$���� #��� ���� ��� � � ���� ���� �� ��$� � "������ !��� ������� ! ����� # ��� � �����"� ���� ��!�� ��� ������� �� ��� �� �"���"�:� ����� ���!�"���� ���� ��$� � ��� #��� ��� �"������ ! ��� "���&������� �� ���� �� ��� � ��"� �� ��"�� ��� ! %���� ��� �� ��� ! �����$��"����� O�� ���� ��$� ��� � #��� ����� ������� ���� ��$� � ��$� � � �"������ ���� �������� !� ��� �+2 ��� ���

I���� 5 �� B � ������� �"� ��"� � ���� ���� ��� ����� ������ ��� ��#@ �����!����� ���� '#���� � ������� ���#�� � � ���� #�$� �� � ������ �� #�$�)� ���"������� ������ �� ��� ��� ���� � ��� !� "��� ����� ������� �� ���� ��#��� !� � �� � ����� ��� � �����" #���� �� ����� � !� ����� ������� � �����:� ! ��� ����� �����

I��� 5 ��#� � �� ���� � #���� ���� � �# ����� '���� � # ��� �$�� 6)� �����"� ��� # ����� #�� ��P���� � � # ��� �� � !� � ��� ���" ! �������� ���� ���� � �� ��� � ������ � ���� � ��� ���� '��� "����� � ���� �) ��&�����

�� ������ � �� � ����� � �����" #��� /, ������ ��� ������ �� "��� �"��$���� � ��"� � ���� � �� ��# � I��� B� ��� /, ����� � �����" �� � !�" ! ��&����� ��� ������ �� ��� �� �� ��� �# ����� � �����" �� � ����� ?6��� ��� ��� �������� ! � �+2 � �����" #��� ��� ���� �� � � "��� "���"� ������ ���� �������� !� ��� �������� O� ��� ���� ����� �� � ������ �$� !��� � I��� 5 �� ���$� � I��� B�

��� � /

��"� � ���!�"��� ����� !� ��6���� ������ ��!����� #�$� �����

��$� ���� ������ ���� 'R) 3������ � ���� 'R)

B0�C- 0B�/0

1B�E4 0C�-C

1,�C4 0,�1B

B-�5C EE�E5

B/�4B EC�4,

����@ BE 0/

,/, %& '��" �� ��& ( ��� ������� )* +*,,*- *,�.*)/

Page 7: The Mechatronics laboratory experience

� ����������

��� ��������� #�� !�� � �� � �$� ��� � ���� �"�� � ��� ����� ������ ���� � ����"� �� � ������� �� � ��� ����� ! "���������� �����""�� ������!����� ����� ���� ��� �������� � !���� � �������� *������� ���������!��� �"� ���� ��� �������� ������� #� ��$� ��� ������ � ��� ! #��������� ! � "�������� �����"@� 2����� $� �� � ���� ��� ��� ��� ! � � ������ "���� O6& �� �����""�� ! � "�����������

I��� B� ��"� � ������ #��� ������ ��� '��!����� �� ��� ������ ��)�

I��� 5� ��"� � ������ #��� �� ��� '��!����� �� ��� ������ ��)�

%& '��" �� ��& ( ��� ������� )* +*,,*- *,�.*)/ ,/C

Page 8: The Mechatronics laboratory experience

� �����""�� �"������ ! � "������������ 2����� �"� �"����� ! � �+2 ��� � �����"�� ��������� ��������� #��� ��� �� �����

I������� !�" ������� � ��� /00E 6���� ! ���� ����� #�� $��� �����$�� ������ ��%����� � ��� !��� ���� �� "�� ��� �������� !�" ,- ������� � /00E � $��4- ������� � ,---� �$� ����� ��� ����� ��� � � ��$� ��� � ;;���$� ��88�������� ��� � ������� ! ��� ���������� ��� ����� ������ � �� � ! ����� ����� � ����$� ������ � ��� ������"��� �� "������� �� ��� !�"� ������$� ����� ������� �� ��� ��$������ !� � ������� ��� ��� ����� ! "����&����� �"� ��� ������������� ���� #� !� ��� � ��� ��$� �"�� ! ������� ! � ����$� ������ !� ������� #����� � ������ �:� � "���������� ��������� ���������� �����" 2���� ����� #� �� � �"����� ���� ! �����������

+ � ��������� ������ ������� � � ��$� ��� �������� � #�� #��� ����"����� ��������� "��!������� '(+�) ������� � �������� � I��� 1� ��� (+� �� ��� �# "��!������� �� � #��� � �"� �"�� ! ����� ������� ���� ! ������� ���� ������� � I��� 1� *��� ��� �� ������ � � ��� ��� #���� � ��� ��

I��� 1� (+� �� �

,/4 %& '��" �� ��& ( ��� ������� )* +*,,*- *,�.*)/

Page 9: The Mechatronics laboratory experience

������ � � �����$���� �"������ � �$��� �� � ��� �� �� � �.( ����!�������� ���#�� ��� ���� �� � $���&����� ������� ������

����� �� ����� ���� ��� (+� �� �� � ����� � !� �������� ������� ���� ����� ! "��������� � "��!�������� 3#�$��� �� �� �� ������ ���� ��� ���&�� ��������� ��� "�� ������ ��� ��� (+� ��������� � ��� ����� ! ����� ���� ����� � "�������� �����"� ������ +� �� � ���� ��� (+� ������������ � �"��� "�� ! ��� ���� ��� ������ �� ! � "�������� �����"�� �� ����"� � ���� ��� ���&�� ��������� !���� ������� � #�� �� # �$� ���������� ��� ���� ��� � ����� �� ��� � ��� ��� ������� !�" �������� #���� ������ �� ���� � #�� #��� ����� �������� �� ��� ����� �������G��� � "��� ��������" #��� ��� ������� � ��� (+� �� ��� � ������� ��� �� �� "�� ! �;;� ��� ��88 ������"�� ������ ��� � ����� ��� �"�

�������� �������

��� ��"� � ���� ���� �� ��� ��"� ���� ����� �� ��� ������"��� ���� �� ��$�� � .������� N���� #����� �� �� .������ K� I��������� J� ���2� � ���� ������� (""��� ��$� � � ��� ��������� !�" J� ������ � ���������� �������� � �*(3 45, !� ��� ����� ,--- ������

����������

</= �� � ��� ������ ��� � �$���$� "��������� ����� !� � �������� "������� ��������

������� �"� +@ ��** ��� (!����� ���������� ����� ,5BB� (��� ���� K(� J�� ,-?,C�

/000�

<,= ��� J(� I��"� �J� 3�� �N� 3�� �� N����� �� ����: I� ���������� *������� .�������

2�$� �"�� �� �� J�� ����� 9�$������� +@ ��** ��� (!����� ���������� ����� CBBB�

/001�

<C= � ����� �*� 2�$� �"�� ! � "��������� ����� ������ +@ ��** ��� (!�����

���������� ����� CBBB� /001�

<4= �������� J� � ������� !� "��������� ������� +@ ��** ��� (!����� ����������

����� CBBB� /001�

<5= (���� �� �+2&�� ��� ���� (������ (� �� +KS@ ("��� ��� J /004D4,�

<B= 2��!�� �S� � ����& �������� � �������� ����� !� ���� �"���� ! �������� +@ ��**

��� (!����� ���������� ����� C,BB� (��� ���� K(� J�� ,-?,C� /000�

<1= *�#���� �� �����""�� �� ����"�:�� ��� ����� ���"� �"������ K�# T��@ �����#&3� � /00E�

%& '��" �� ��& ( ��� ������� )* +*,,*- *,�.*)/ ,/5