O que é mecatrônica, elementos mecatrônicos, módulos, máquinas e sistemas

A palavra "mecatrônica" é formada por duas palavras - "mecânica" e "eletrônica". Este termo foi proposto em 1969 por um desenvolvedor sênior da Yaskawa Electric, um japonês chamado Tetsuro Mori. No século 20, a Yaskawa Electric se especializou no desenvolvimento e melhoria de acionamentos elétricos e motores DC e, portanto, alcançou grande sucesso nessa direção, por exemplo, o primeiro motor DC de armadura de disco foi desenvolvido lá.

Isso foi seguido por desenvolvimentos em relação aos primeiros sistemas CNC de hardware. E em 1972, a marca Mechatronics foi registrada aqui. A empresa logo deu grandes passos no desenvolvimento de tecnologias de acionamento elétrico. Mais tarde, a empresa decidiu abandonar a palavra "Mecatrônica" como marca registrada, já que o termo era amplamente usado no Japão e em todo o mundo.

De qualquer forma, o Japão é o lar do desenvolvimento mais ativo dessa abordagem em tecnologia, quando se tornou necessário combinar elementos mecânicos, máquinas elétricas, eletrônica de potência, microprocessadores e software para implementar o controle de acionamento elétrico de alta precisão.

Um símbolo gráfico comum para mecatrônica é um diagrama do site do RPI (Rensselaer Polytechnic Institute, NY, EUA):

A mecatrônica é uma das mais novas áreas de engenharia do mundo, que, segundo a UNESCO, é uma das dez mais promissoras e procuradas.

De um modo geral, o termo "mecatrônica" pode receber a seguinte definição - é um campo da ciência e da tecnologia baseado em uma combinação sistemática de unidades para mecânica de precisão, engenharia elétrica, eletrônica, tecnologia de microprocessadores, várias fontes de energia, elétrica, hidráulica e acionamentos pneumáticos, bem como seu controle inteligente, voltados para a criação e operação de blocos de modernos sistemas automatizados de produção.

A mecatrônica é o controle de movimento computadorizado.

O objetivo da mecatrônica é criar módulos de movimento qualitativamente novos, módulos de movimento mecatrônicos, módulos mecatrônicos inteligentes e, com base neles, máquinas e sistemas inteligentes móveis.

Historicamente, a mecatrônica evoluiu da eletromecânica e, contando com suas conquistas, foi além ao combinar sistematicamente sistemas eletromecânicos com dispositivos de controle de computador, sensores embutidos e interfaces.

Diagrama do sistema mecatrônico

Estrutura generalizada de sistemas mecatrônicos

Elementos eletrônicos, digitais, mecânicos, elétricos, hidráulicos, pneumáticos e de informação — podem fazer parte do sistema mecatrônico, inicialmente como elementos de natureza física diferente, porém, reunidos para obter um resultado qualitativamente novo do sistema, que não pode ser alcançado por cada elemento como por um intérprete separado.

Um motor de eixo separado não será capaz de ejetar a bandeja do DVD player por si só, mas sob o controle de um circuito com software microcontrolador e devidamente conectado a uma engrenagem helicoidal, tudo funcionará facilmente e parecerá um sistema monolítico simples. No entanto, apesar da simplicidade externa, um sistema mecatrônico por definição inclui várias unidades e módulos mecatrônicos interconectados e interagindo entre si para executar ações funcionais específicas para resolver uma tarefa específica.

Um módulo mecatrônico é um produto independente (estrutural e funcionalmente) projetado para realizar movimentos com interpenetração e simultânea integração proposital de hardware e software de seus componentes.

Um sistema mecatrônico típico consiste em componentes eletromecânicos e de energia interconectados que, por sua vez, são controlados por um computador ou microcontroladores.

Ao projetar e construir tal sistema mecatrônico, eles tentam evitar nós e interfaces desnecessários, tentam tornar tudo conciso e o mais uniforme possível, não apenas para melhorar as características de tamanho de massa do dispositivo, mas também para aumentar a confiabilidade do sistema em geral.

Às vezes não é fácil para os engenheiros, eles são forçados a encontrar soluções muito inusitadas justamente pelo fato de unidades diferentes estarem em condições de trabalho diferentes, fazendo coisas completamente diferentes. Por exemplo, em alguns lugares um rolamento convencional não funciona e é substituído por uma suspensão eletromagnética (isso é feito, em particular, em turbinas que bombeiam gás através de canos, pois um rolamento convencional falharia rapidamente devido à penetração de gás em seu lubrificante).

De uma forma ou de outra, hoje a mecatrônica permeou tudo, desde eletrodomésticos até robótica de construção, armas e aeroespacial. Todas as máquinas CNC, discos rígidos, fechaduras elétricas, sistema ABS do seu carro, etc. — em todos os lugares, a mecatrônica não é apenas útil, mas também necessária. Agora é raro encontrar controle manual, tudo se resume ao fato de você ter pressionado o botão sem fixação ou simplesmente tocado no sensor - você obteve o resultado - este é talvez o exemplo mais primitivo do que é a mecatrônica hoje.

Diagrama hierárquico de níveis de integração em mecatrônica

O primeiro nível de integração é formado pelos dispositivos mecatrônicos e seus elementos. O segundo nível de integração é formado pelos módulos mecatrônicos integrados. O terceiro nível de integração é formado pelas máquinas mecatrônicas de integração. O quarto nível de integração é formado pelos complexos de máquinas mecatrônicas. O quinto nível de integração é formado em uma única plataforma de integração de complexos de máquinas mecatrônicas e robôs, que implicam na formação de sistemas de produção flexíveis reconfiguráveis.

Hoje, os módulos e sistemas mecatrônicos são amplamente utilizados nas seguintes áreas:

• equipamentos de engenharia mecânica e automação, processos tecnológicos em engenharia mecânica;

• robótica industrial e especial;

• aviação e tecnologia espacial;

• equipamento militar, veículos para a polícia e serviços especiais;

• equipamentos de engenharia eletrônica e prototipagem rápida;

• indústria automotiva (módulos de acionamento de rodas motorizadas, freios ABS, transmissões automáticas, sistemas de estacionamento automático);

• veículos não tradicionais (carros elétricos, bicicletas elétricas, cadeiras de rodas);

• equipamento de escritório (por exemplo, copiadoras e aparelhos de fax);

• periféricos de computador (por exemplo, impressoras, plotadoras, unidades de CD-ROM);

• equipamentos médicos e esportivos (próteses bioelétricas e exoesqueletos para deficientes, tonificadores, cápsulas controladas de diagnóstico, massageadores, etc.);

• eletrodomésticos (lavar, costurar, lava-louças, aspiradores independentes);

• micromáquinas (para medicina, biotecnologia, comunicações e telecomunicações);

• dispositivos e máquinas de controle e medição;

• equipamentos para elevadores e armazéns, portas automáticas em hotéis e aeroportos; equipamento de foto e vídeo (reprodutores de videodiscos, dispositivos de focagem de câmaras de vídeo);

• simuladores para treinamento de operadores de sistemas técnicos complexos e pilotos;

• transporte ferroviário (sistemas de controle e estabilização de trens);

• máquinas inteligentes para as indústrias de alimentos, carnes e laticínios;

• máquinas de impressão;

• dispositivos inteligentes para a indústria de shows, atrações.

Consequentemente, a necessidade de pessoal com tecnologias mecatrônicas está aumentando.