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Habilitation Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2000.tde-24032022-144648
Document
Author
Full name
Oswaldo Horikawa
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2000
Committee
Moscato, Lucas Antonio (President)
Adamowski, Julio Cezar
Porto, Arthur Jose Vieira
Rosário, João Mauricio
Trabasso, Luís Gonzaga
Title in Portuguese
Características de projeto de sistemas mecatrônicos.
Keywords in Portuguese
Automação
Mecatrônica
Robótica
Abstract in Portuguese
Assim como as demais engenharias, a engenharia mecânica tem como objetivo final o atendimento de necessidades humanas visando o seu conforto, bem estar e segurança. A diferença ocorre ao tratar de um universo de necessidades que envolve grandezas mecânicas como: forma, posição, velocidade, força, entre outros. Tradicionalmente tais necessidades vêm sendo atendidas através de dispositivos e equipamentos projetados e construídos segundo uma concepção chamada neste trabalho de sistema mecânico convencional. Em contraste com esta concepção, aqui se descreve uma outra concepção, na qual, o atendimento às mesmas necessidades se dá através do projeto do controle em adição ao projeto mecânico praticado com relação aos sistemas mecânicos convencionais. Aqui, o termo controle inclui considerações relativas a sensores, a atuadores e a estratégias de controle. Esta concepção é referida como sistema mecatrônico. Mediante discussão das características do projeto de sistemas mecatrônicos, são identificadas as vantagens em relação aos sistemas mecânicos convencionais. As vantagens e potencialidades de um projeto segundo sistema mecatrônico são evidenciadas por meio de exemplos. No primeiro exemplo, um mancal mecatrônico demonstra a possibilidade de obtenção de patamares de precisão de rotação (ultra-precisão) superiores aos obtidos através de sistemas mecânicos convencionais. O mesmo mancal, permite ainda a obtenção de capacidades funcionais que dificilmente (em alguns casos, jamais) seriam obtidos através de um sistema mecânico convencional. É por exemplo, a capacidade de realizar posicionamentos rápidos e ultra-precisos de eixo em rotação. Esta mesma vantagem dos sistemas mecatrônicos é demonstrada também através de um dispositivo essencialmente mecatrônico, um mancal magnético, no qual um eixo é suspendido somente através de forças magnéticas. Demonstra-se neste exemplo a possibilidade para o desenvolvimento de mancais de ) alta precisão e que possam operar mesmo no vácuo. Discute-se por outro lado alguns problemas inexistentes nos sistemas mecânicos convencionais e que passam a existir num sistema mecatrônico. Trata-se especificamente da questão do "datum" num controle de precisão de movimento. O problema é analisado no caso do mancal mecatrônico, as possíveis soluções são levantadas e a eficácia de uma dassoluções demonstrada. Por final, demonstra-se a possibilidade de extensão da concepção segundo sistema mecatrônico em sistemas de medição. Destaca-se ainda nesta parte a possibilidade para o desenvolvimento de sistemas de medição de alta precisão com o emprego de elementos mecânicos de precisão inferior. Isto vem a demonstrar a possibilidade que há num projeto de sistema mecatrônico, de compensar deficiências no projeto mecânico através do projeto do controle.
Title in English
Design characteristics of mechatronics systems.
Keywords in English
Automation
Mechatronics
Robotics
Abstract in English
As other type of engineering, the mechanical engineering aims the satisfaction of human necessities so as to improve the life quality. The mechanical engineering differs from others because it treats a role of necessities that involves mechanical quantities like shape, position, velocity, force, among others. Traditionally, these are satisfied by designing and constructing device and equipment according to a concept referred in this work as conventional mechanical system. Different of this concept, this work describes an another concept, in which, same necessities are satisfied by means of the control design besides the mechanical design. Here, control includes considerations related to sensors, actuator and control strategies. This concept is referred as mechatronic system. Through a discussion concerning peculiarities of the design of mechatronic systems, advantages with respect to conventional mechanical systems are identified. Then, advantages and potentialities of the design according to the concept of mechatronic systems are demonstrated by examples. In a first example, a mechatronic bearing demonstrates the possibilities for obtaining a level of rotation accuracy superior to that obtained by conventional mechanical systems. The same bearing also realize functional capabilities that are difficult (or even impossible) to be obtained to conventional mechanical systems. This is for example, the capability for fast and ultra-precise positioning of a rotating axis. The same advantage of mechatronic systems is also demonstrated in an essentially mechatronic device, a magnetic bearing, in which, an axis is supported only by magnetic forces. This example demonstrates possibilities for the development of high accuracy bearings that can operate even in the vacuum. At the other hand, some problems that do not exist in conventional mechanical systems, but occur in a mechatronic system, are described. The problem is thatrelated to the datum in a control of the motion accuracy. The problem is studied in the case of the mechatronic bearing, possible solution are discusses and the effectiveness of one solution demonstrated. Finally, the work shows the possibility of extending the concept of mechatronic system to measurement systems. This part highlights the possibility of development o high accuracy measuring systems by using mechanical elements of low accuracy. This demonstrates the possibility in the design of mechatronic system to compensate deficiencies of mechanical design through control design.
 
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Publishing Date
2022-03-24
 
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