MEHHATROONIKA KUI ERINEVATE TEHNIKAALADE SÜMBIOOS

2 MEHHATROONIKA KUI ERINEVATE TEHNIKAALADE
SÜMBIOOS
Mehhatroonika on mehhaanika-, elektroonika ja infotehnoloogia koostoimet käsitlev
tehnikaala (Joonis 2.1).
Joonis 2.1 Mehhatroonika (autori joonis)
Mehhatrooniline lähenemine seadmetele ja masinatele seisneb nende kolme komponendi
tihedas seoses toote kõikidel eluetappidel alates projekteerimisest kuni valmistamise ja
ekspluateerimiseni.
Mehhatroonika on nende kolme tehnikaala (mehhaanika, elektroonika ja infotehnoloogia)
sümbioos. Definitsioon ütleb, et sümbioos on eri liikidesse kuuluvate organismide vaheline
vastastikku soosiv suhe ökosüsteemis.
Seostades sümbioosi mõistet mehhatroonikaga, saab öelda, et mehhatroonika on erinevate
tehnikaalade vaheline üksteist soosiv ja kasulik suhe.
Võib öelda ka, et mehhatroonika on kolme koostisosa (mehhaanika, elektroonika ja
infotehnoloogia) sünenergiline integratsioon. Sünenergia on ühine tegutsemine ühtse
eesmärgi saavutamiseks.
Süsteemi ei saa nimetada mehhatrooniliseks, kui ta on valmistatud traditsioonilisel meetodil
kolmes järjestikulises etapis:
o mehhaanilise osa projekteerimine ja valmistamine;
o mehhaanilisele osale andurite ja täiturite lisamine;
o süsteemile juhtimisahelate lisamine.
Mehhatrooniliste süsteemide valmistamisel algab mehhaanilise osa, elektroonilise osa ja
infotehnolooglise osa projekteerimine ja valmistamine samal ajal tiheda koostööna nende
valdkondade vahel.
Mehhatrooniliste süsteemide eelised võrreldes traditsiooniliste automatiseerimise seadmetega
on:
 suhteliselt madal hind, mis saavutatakse tänu kõrgele koostisosade integreerimise
tasemele, unifitseerimisele ja standardiseerimisele;
 keeruliste ja täpsete liikumiste realiseerimise kõrge kvaliteet, mis saavutatakse
intellektuaalsete juhtimismeetodite kasutamisega;
 kõrge töökindlus, pikaealisus ja mürakindlus;
 konstruktsiooni kompaktsus;
 paremad dünaamilised karakteristikud tingituna väiksematest gabariitidest;
 võimalus ühendada funktsionaalseid mooduleid keerulisteks mehhatroonilisteks
süsteemideks.
2.1 MEHHATROONIKA KUI MEHHAANIKA
„Mehhatroonika“ nimetuse esimene pool pärineb mõistest „mehhaanika“. Iga mehhatroonilise
süsteemi aluseks on mehhaaniline süsteem. Mehhaaniline süsteem tekitab liikumist või jõu
(pöördemomendi) muundamist. Ilma mehhaaniliste komponentideta ei saa rääkida
mehhatroonilistest süsteemidest.
Mehhatroonika kui uus teaduse ja tehnika haru baseerub mehhaanika fundamentaalsetel
alustel. Mehhatrooniliste moodulite ja süsteemide loomine on mõeldamatu ilma sügavate
teadmisteta mehhaanikast ja masinaehitusest.
Tänapäeval on võimatu kujutada elu ette ilma masinateta. Iga masin koosneb mehhanismidest
ja mehhaanilistest süsteemidest.
Masinad tekitavad kindlat tüüpi etteantud liikumist rakendatud sisendjõu toimel. Teatud tüüpi
masinad lihtsalt muundavad ühe liikumistüübi teiseks, nagu näiteks pöördliikumise
lineaarseks. Kuigi on olemas lõputu arv erinevaid masinatüüpe, põhinevad nad kõik järgmistel
lihtsatel masinaelementidel:
 kaldtee (Joonis 2.2);
Joonis 2.2 Kaldtee (http://cnx.org/content/m13594/latest/)
Kaldtee vähendab jõudu, mis on vajalik objekti tõstmiseks etteantud kõrgusele, samas
pikendades jõu rakendamise teekonda. Seega võidetakse jõus, aga kaotatakse teekonnas.
Kaldpindu kasutatakse tavaliselt lõikamismasinates, pannes selgapidi kokku kaks kaldpinda,
mis moodustavad kiilu (Joonis 2.3).
Joonis 2.3 Kiil töös (http://cnx.org/content/m13594/latest/)
 kruvi (joonis 2.4);
Joonis 2.4 Kruvi (http://et.wikipedia.org/wiki/Kruvi)
Kruvi kujutab endast kaldpinda, mis on mähitud ümber silindrilise pinna. Kaldtee korral
horisontaalsuunaline lineaarne jõud muundatakse vertikaalseks „tõstejõuks“. Kruvi korral
horisontaalne pöördsuunaline jõud muundatakse vertikaalseks „tõstejõuks“.
 kang (Joonis 2.5);
Joonis 2.5 (http://et.wikipedia.org/wiki/Kang)
Kangi kasutatakse liikumise suuna muutmiseks ja jõu võimendamiseks jõuõla pikkuse abil.
 ratas ja telg;
Suur telje jõud ja liikumine muundatakse suuremaks liikumiseks, kuid väiksemaks jõuks ratta
diameetril. Paljud tavalised seadmed (kruvikeeraja, rool, mutrivõti, kraan jpt) põhinevad ratta
ja telje tööpõhimõttel (Joonis 2.6).
Joonis 2.6 Ratas ja telg (http://cnx.org/content/m13594/latest/)
 hammasrattad ja rihmad;
Ratta ja telje koost muutub koos hammasrataste ja rihmadega eriti kasulikuks.
Hammasrattaid võib kasutada liikumise suuna ja kiiruse muutmiseks, aga muutes pöörlemise
kiirust muutub pöördvõrdeliselt ülekantav jõud. Väike hammasratas koostöös suuremaga
pöörleb küll kiiremini, kuid väiksema jõuga. On nelja põhilist tüüpi hammasrattaid:
sirghammastega silinderhammasratas (Joonis 2.7), hammaslatt koos ülekanderattaga
(Joonis 2.8), koonushammasratas (Joonis 2.9) ja tiguratas (Joonis 2.10). Rihmad töötavad
samal põhimõttel nagu sirghammastega silinderhammasratas selle erinevusega, et nad ei
muuda ülekantava jõu liikumise suunda. Nii hammasrataste kui ka rihmade korral kiirus ja
jõud muutuvalt sõltuvalt kahe koostoimiva ratta mõõtmetest.
Joonis 2.7 Silindriline hammasratas
(http://www.gearsandstuff.com/images/gear_types/spur_gear.jpg)
Joonis 2.8 Hammaslatt (http://merchantmachinery.com/engineering-gearsmanufacturers/rack-pinion-gear/)
Joonis 2.9 Koonushammasratas (http://en.wikipedia.org/wiki/Spur_gear#Spur)
Joonis 2.10 Tiguhammasratas (http://en.wikipedia.org/wiki/Spur_gear#Spur)
 nukk ja vänt;
Nukid ja vändad on kasulikud korduvate liimumiste tekitamiseks (Joonis2.11).
Joonis 2.11 Nukk ja võll (http://cnx.org/content/m13594/latest/)
Nukke kasutatakse tavaliselt koos kepsuga. Kepsu üks ots hoitakse vedru abil pidevas
kontaktis nukiga. Nukke kasutatakse korduva lineaarse (Joonis 2.11) või pöörleva liikumise
tekitamiseks.
Väntasid kasutatakse pöördliikumise muundamiseks „kolvilaadseks“ lineaarseks liikumiseks.
Parimaks vända kasutamise näiteks on auto mootori väntvõll. Vänt tekitab kepsu edasi- tagasi
liikumise. Vastupidine variant, kus keps liigutab väntvõlli, pole võimalik.
Mehhaanika osatähtsus mehhatroonika süsteemides omab vähenemise tendentsi. Seda
suundumust tootmisseadmete valmistamisel iseloomustab Joonis 2.12.
Joonis 2.12 Mehhatroonika koostisosade osakaalu dünaamika (Мехатонные модули, О. Д.
Егоров, Ю. В. Подураев, 2004)
Kuni möödunud sajandi 70- date aastateni realiseeriti enamik masinate ja seadmete
funktsioone mehhaaniliselt. Mehhaaniliselt teostati nii liikumiste tekitamine kui ka juhtimise
ja reguleerimise funktsioonid. Täielikult mehhaanilise süsteemi näitena on joonisel 2.13
toodud vedeliku tasapinna reguleerimise süsteem.
Joonis 2.13 Vedeliku tasapinna reguleerimise süsteem (D. G. Alciatore and M. B. Histand,
Introduction to Mechatronics and Measurement. Systems, McGraw Hill, 1998.)
Joonisel 2.13 kujutatud vedeliku tasapinna reguleerimise süsteem kujutab endast täielikul
mehhaanilist automaatset regulaatorit. Sõltuvalt ujuki asendist muutub vedeliku sissevoolu
hulk. Teatud vedeliku tasapinna kõrguse juures sulgub vedeliku sissevool täielikult, ujuki
alumises asendis aga on vedeliku sissevool maksimaalne.
Aastaks 2000 oli mehhaanika osatähtsus kahanenud 40- le protsendile. Mehhaaniliste sõlmede
osatähtsuse vähenemine mehhatroonilistes süsteemides jätkub. Käesoleval ajal on
mehhatroonilistes süsteemides funktsioonide jaotus mehhaaniliste, elektrooniliste ja
infotehnoloogiliste komponentide vahel jagunenud enam-vähem võrdselt.
Joonis 3.12 näitab mehhaanika osatähtsuse jätkuvat vähenemist. See aga ei tähenda seda, et
mehhaanika kaob tulevikus süsteemidest üldse ära. Vastupidiselt, see stimuleerib
mehhaaniliste sõlmede integreerumist intellektuaalsete komponentidega, tuues kaasa uute
tehnoloogiate ja konstruktiivsete mehhaaniliste lahenduste tekkimisele.
2.2 MEHHATROONIKA KUI ELEKTROTEHNIKA- ELEKTROONIKA
„Mehhatroonika“ nimetuse teine pool pärineb sõnast elektroonika, mis on teiseks tähtsaks
komponendiks mehhatroonilistes süsteemides (Joonis 2.14). Elektroonika all tuleb käsitleda
ka elektrotehnikat.
Joonis 2.14 Mehhatroonika kui elektroonika (Autori joonis)
Mehhatroonika algaastatel võis rääkida ainult kahe komponendi (mehhaanika ja elektroonika)
integratsioonist. Esimese põlvkonna mehhatroonilise mooduli tüüpiliseks näiteks võib pidada
mootor- reduktorit. See kujutas endast mehhaanilist reduktorit ja juhitavat elektrimootorit
ühtse funktsionaalse elemendina. Mootor- reduktor leidis laialdast kasutamist tootmise
automatiseerimisel (konveierid, pöördlauad, manipulaatorid).
Mehhatrooniliste moodulite teine põlvkond tekkis tänu elektroonika tehnoloogiate tormilisels
arengule möödunud sajandi kaheksakümnendatel aastatel. Need tehnoloogiad võimaldasid
luua miniatuurseid andureid ja elektroonilisi plokke signaalide töötlemiseks. Uute
elektroonika komponentide kasutamine ajamite loomisel võimaldas luua mehhatroonilisi
mooduleid, millistes oli integreeritud kolme erinevat füüsilist päritolu komponendid:
mehhaanilised, elektrotehnilised ja elektroonilised.
Uued elektroonika tehnoloogiad võimaldasid luua mahhatrooniliste süsteemide jaoks
põhimõtteliselt uute tehnoloogiliste lahendustega elemendid (andurid ja täiturid,
mikroelektroonika, jõuelektroonika).
2.2.1 ANDURID MEHHATROONIKA SÜSTEEMIDES
Andurid ja täiturid on kriitilise tähtsusega elemendid igas mehhatoonilises süsteemis.
Tüüpiline mehhatrooniline süsteem (Joonis 2.15) koosneb andurist, kontrollerist ja täiturist.
Joonis 2.15 Mehhatrooniline süsteem (The Mechatronics handbook, R. H. Bishop, 2008)
Kontroller võtab vastu informatsiooni andurilt, langetab juhtimisalgoritmi alusel otsuse ja
väljastab käsu täiturile.
Andur on seade, mis reageerides füüsikalistele suurustele (temperatuur, asend, jõud, jne),
tekitab selle suurusega proportsionaalse väljundsuuruse (elektrilise, mehaanilise, magnetilise,
jne).
2.2.1.1 ANDURITE KLASSIFITSEERIMINE
Andureid võib klassifitseerida erinevate tunnuste alusel:
 Mõõtmise eesmärgi alusel:
- lineaar- ja pöördliikumise andurid;
- kiirendusandurid;
- jõu, momendi ja rõhu andurid;
- vooluhulga andurid;
- temperatuuri andurid;
- lähedusandurid;
- valgusandurid;
- targad andurid;
- tuuma, bioloogilised ja keemilised andurid;
- mikro- ja nanoandurid.
 Väljundsignaali tekitava energia alusel:
 - passiivsete andurite korral toodab väljundsignaali tekitamiseks vajaliku energia
mõõdetav füüsikaline suurus. Kõige tavalisemaks väljundsuuruseks on elektriline signaal
(Joonis 2.16).
Joonis 2.16 Passiivne elektrilise väljundsuurusega andur (Andurid tööstusautomaatikas, Z.
Nenova, S. Ivanov, T. Nenov)
 - aktiivsed andurid vajavad eraldi toidet (Joonis 2.17).
Joonis 2.17 Aktiivne andur (Andurid tööstusautomaatikas, Z. Nenova, S. Ivanov, T. Nenov)
 Väljundsignaali alusel:
- digitaalsed andurid väljastavad „sees“/“väljas“ signaali (Joonis 2.18);
Joonis 2.18 Digitaalse anduri väljundsignaal (Autori joonis)
- analoogandurid väljastavad pideva signaali (Joonis 2.19).
Joonis 2.19 Analooganduri väljundsignaal (Autori joonis)
2.2.1.2 ANDURITE VALIMINE
Selleks, et valida sobiv andur soovitud füüsikalise parameetri mõõtmiseks, tuleb arvestada
väga paljude erinevate faktoritega. Tähtsamad andurite valimise kriteeriumid on järgmised:
 piirkond (vahemik);
- mõõdetava parameetri maksimaalse ja minimaalse väärtuse erinevus.
 resolutsioon;
- väikseim mõõdetava parameetri muutus, mida andur suudab tajuda.
 täpsus;
- erinevus mõõdetud väärtuse ja tegeliku väärtuse vahel.
 tundlikkus;
- väljundsignaali muutumise ulatus sisendsignaali ühikulisel muutumisel.
 „nulli“ nihe;
- mittenull signaali väljastamine sisendsignaali puudumisel.
 karakteristiku lineaarsus;
- kõrvalekalde % lineaarsest karakteristikust.
 reageerimise aeg;
- ajaline intervall sisend- ja väljundsignaali vahel.
 ülekandekiirus;
- sagedus, mille juures väljundsignaali amplituud kukub 3 %.
 resonants;
- sagedus, mille juures tekib väljundsignaali haripunkt.
 töötemperatuur;
- temperatuuri vahemik, kus andur töötab vastavalt spetsifikatsioonile.
 „surnud tsoon“;
- sisendsignaali piirkond, mis ei tekita väljundsignaali.
 signaali ja müra suhe;
- signaali ulatuse ja müra suhe väljundis.
Valida andurit, mis vastaks kõikidele eelpool toodud nõuetele on väga keeruline. Andurite
valimise juures jääb sõelale teatud arv sobilikke andureid. Lõplik otsus langetatakse lähtudes
mõõtmetest, töökindlusest, korrashoiukuludest ja hinnast.
2.2.2 TÄITURID MEHHATROONIKASÜSTEEMIDES
Täiturid on nagu musklid mehhatroonika süsteemis, mis aktsepteerivad juhtimiskäskusid
(peamiselt elektrilise signaali kujul), tekitades muutusi füüsilises süsteemis jõu, liikumise,
voolamise, soojuse, jne kaudu. Tavaliselt on täiturid kasutuses koos energia allikaga ja siduri
mehhanismiga, nagu on näidatud joonisel 2.20.
Joonis 2.20 Täituri sõlm (The Mechatronics handbook, R. H. Bishop, 2008)
Siduri mehhanism toimib liidesena täituri ja füüsilise süsteemi vahel.
2.2.2.1 TÄITURITE KLASSIFITSEERIMINE
Ka täitureid võib klassifitseerida erinevate tunnuste alusel:
 energia liigi alusel:
- elektrilised:
Dioodid, türistorid, bipolaarsed transistorid, pooljuhtreleed, jne.
- elektromehhaanilised:
Alalisvoolu mootorid, vahelduvvoolu mootorid, sammmootorid, jne.
- elektromagnetilised:
Solenoid tüüpi seadmed, elektromagnetid ja releed.
- hüdraulilised:
Hüdraulilised silindrid, hüdromootorid.
- pneumaatilised:
Pneumosilindrid, pneumomootorid.
 täituri oleku alusel:
- binaarsed:
Kahe stabiilse olekuga relee on binaarse täituri näiteks.
- pidevatoimelised:
Sammmootor on pidevatoimelise täituri näiteks.
Täna võib rääkida uue põlvkonna täituritest. Nendeks on:
- targast materjalist täiturid;
- mikrotäiturid;
- nanotäiturid.
2.2.2.2 TÄITURITE VALIMINE
Täiturite valimine on komplitseeritum andurite valimisest, kuna täiturid mõjutavad
mehhatroonilise süsteemi kui terviku dünaamilist käitumist. Täiturid määravad ära kogu
süsteemi energia vajaduse ja siduri mehhanismid. Kui täituri väljundi saab vahetult liidestada
süsteemiga, siis puudub vajadus siduri mehhanismi järele. Näiteks valides pöörleva mootori
asemele lineaarmootori, kaob vajadus mehhanismi järele, mis muundaks pöörleva liikumise
lineaarseks.
Täiturite valimise kriteeriumid on järgmised:
 liikumise ulatus;
- lineaarse või pöörleva liikumise ulatuse piirid.
 Resolutsioon;
- minimaalne saavutatav jõu/momendi muutumine.
 Täpsus;
- lineaarsus sisendi ja väljundi vahel.
 Tipp jõud/moment;
- jõud mille juures täitur deformeerub.
 Soojuse hajutamine;
- maksimaalne soojuse hajutamine pideva töö korral.
 Kiiruslikud karakteristikud;
- jõu/momendi sõltuvus kiirusest.
 Kiirus ilma koormuseta:
- töökiirus ilma välise koormuseta.
 Sageduslik toime:
- sagedus, mille juures väljund järgib sisendit korrektselt.
 Energia vajadus:
- energia tüüp, faaside arv, pinge ja voolu väärtused.
2.2.3 MIKROELEKTROONIKA MEHHATROONIKASÜSTEEMIDES
Kõige märkimisväärsemaks sammuks elektroonika arengus oli tahke keha elektroonika
tekkimine. Tahke keha elektroonika põhilisteks suundadeks on:
 pooljuhtelektroonika, mis tegeleb erinevate pooljuhtseadmete väljatöötamisega;
 mikroelektroonika, mis tegeleb integraalskeemide välja töötamisega.
Mikroelektroonika on elektroonika haru, mille eesmärk on üliväikese massi ja mõõtmetega,
erineva keerukusega elektronlülituste ja sõlmede loomine ning rakendamine.
Enamus tavalisi elektroonika komponente (takistid, kondensaatorid, transistorid, dioodid,
induktiivsused, juhid, jne) leiavad kasutamist ka mikroelektroonikas, kuid miniatuursel kujul
ja integraalses teostuses.
Tähtsaks etapiks elektroonika arengus oli integraallülituse loomine.
Intrgraallülitus (Joonis 2.21) on elektronlülitus (kiip), mille elemendid on lahutamatus
seoses ja omavahel elektriliselt ühendatud. Integraalülitus koosneb paljudest
elektroonikaelementidest, mis koos nende vaheliste ühendustega valmistatakse ühtses
tehnoloogilises tsüklis. Integraallülitusi kasutatakse täna peaaegu kõikides
elektroonikaseadmetes (arvutid, televiisorid, mobiiltelefonid, jne).
Joonis 2.21 Integraallülitus (http://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit)
Suure hulga pisikeste transistoride integreerimine väiksesse kiipi oli tohutuks edasiminekuks
võrreldes ahelate käsitsi kokkupanekuga elektrooniliste komponentide abil.
Integraallülitused võib liigitada:
 analoogseteks;
 digitaalseteks;
 nii analoogseteks kui ka digitaalseteks samal kiibil.
Analooglülitused, nagu näiteks toitehaldused ja operatsioonivõimendid, toimivad töödeldes
pidevaid signaale. Nad sooritavad talitlusi nagu näiteks võimendamine, aktiivfiltreerimine,
demoduleerimine, sagedusmuundamine jne.
Levinumateks analooglülitusteks on operatsioonvõimendid (Joonis 2.22).
Joonis 2.22 Operatsioonvõimendi sümbol
(http://et.wikipedia.org/wiki/Operatsiooniv%C3%B5imendi)
Operatsioonivõimendi on suure võimendusega alalisvooluvõimendi. Operatsioonivõimendi on
ehitatud selliselt, et tema töö on põhiliselt määratav väliste ahelate ja tagasisidega. Teda
kasutatakse peamiselt aktiivelemendina tagasisidestatud elektroonikalülitustes. Enamasti
kasutatakse operatsioonivõimendeid signaaligeneraatorite, pinge- ja voolustabilisaatorite,
aktiivfiltrite jm. elektroonikaaparatuuri valmistamisel.
Digitaallülitused võivad sisaldada alates ühest kuni miljonite loogikaväravateni,
elektroonikalülitusteni, multipleksideni ja teiste vooluahelateni mõne ruutmillimeetri suurusel
pinnal. Nende lülituste väike suurus lubab suurt kiirust, madalat võimsuskadu ja vähendatud
tootmiskulusid.
Mikrokiibid võivad ühendada ka analoog- ja digitaallülitusi ühele kiibile, et luua
funktsioone nagu analoogdigitaalmuundamine (AD-muundamine) ja
digitaalanaloogmuundamine (DA-muundamine).
Analoog-digitaalmuundur on seade, mis muundab analoogsignaali digitaalsignaaliks (Joonis
2.23).
Joonis 2.23 4- kanaliline analoog- digitaalmuundur (http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-todigital_converter)
Digitaal-analoogmuundur on seade, mis muundab digitaalsignaali analoogsignaaliks
(Joonis2.24).
Joonis 2.24 8- kanaliline digitaal- analoogmuundur (http://en.wikipedia.org/wiki/Digital-toanalog_converter)
2.2.3 JÕUELEKTROONIKA MEHHATROONIKASÜSTEEMIDES
Jõuelektroonika tegeleb elektrienergia parameetrite (pinge, vool, võimsus, sagedus jt)
muundamise ja juhtimisega elektrooniliste vahendite abil. Tänapäeva jõuelektroonika hõlmab
elektrienergia muundamist, lülitamist ja juhtimist jõupooljuhtseadistele põhinevate
muundurite abil.
Tänapäeva jõuelektroonika on tormiliselt arenev teadusvaldkond, kus tehnoloogia hõlmab
väga laiaulatuslikult erinevate muundurite tootmist. Erinevat tüüpi toiteallikaid kasutatakse
kõikjal nii tavaelus kui kodus, kontorites ja tööstuses.
Elektroonika- ja elektriaparatuuri on kõikjal ning kõik need seadmed vajavad töötamiseks
elektrienergiat.
Jõuelektroonikasüsteem koosneb järgmistest lülitustest:
• AC/DC muundurid – alaldid;
Alaldid (Joonis 2.25) on seadmed, mis on ette nähtud vahelduvvoolu muundamiseks
alalisvooluks.
Joonis 2.25 Poolpereriood alaldi tõõpõhimõte
(http://et.wikipedia.org/wiki/Pilt:Halfwave.rectifier.en.svg)
Alalisvoolul töötab enamus kodu- ja kontorielektroonikast. Alaldamiseks kasutatakse
ühesuunalise juhtivusega pooljuhtseadiseid, nagu pooljuhtdioodid ja türistorid.
• DC/AC muundurid – vaheldid;
Alalisvoolu vahelduvvooluks muundamise protsessi nimetatakse vaheldamiseks. Vaheldi
(inverter) muundab alalisvoolu vahelduvvooluks kindlal sagedusel. Vaheldites (Joonis2.26)
kasutatakse juhitavaid pooljuhtseadiseid, nagu lihttüristorid, GTO- türistotid ja transistorid.
Joonis 2.26 Vaheldi autopistikuga (http://et.wikipedia.org/wiki/Inverter)
• AC/AC muundurid – vahelduvpinge faasi, sageduse, magnetvoo ja võimsuse muundurid,
mis tavaliselt omavad alalisvoolu vahelüli;
Muundurit, mis muudab vahelduvtoitepinge teise pingega, sagedusega, faasinurgaga või
kujuga vahelduvpingeks, nimetatakse vahelduvvoolumuunduriks (AC/AC converter).
Lihtsaim vahelduvvoolumuundur on vahelduvpingeregulaator, mis muudab vahelduvpinget
jääval sagedusel. Samuti kuuluvad vahelduvvoolumuundurite hulka vahetud
sagedusmuundurid (Joonis 2.27), mis muudavad toitepinge sagedust ning kuju, ja
alalisvoolu vahelüliga sagedusmuundurid. Viimastes kasutatakse alaldit pinge
eelreguleerimisseadmena ning vaheldit, mis formeerib teatava sagedusega vahelduvpinge.
Joonis 2.27 Sagedusmuundur (http://www.hooldusgrupp.ee/sagedusmuundurid)
• DC/DC muundurid – lineaarsed alalispinge regulaatorid ja pulsilaiusmuundurid.
Alalisvoolumuundurid muudavad antud väärtusega alalispinge teise väärtusega
alalispingeks.
Pinget madaldavad pulsilaiusmuundurid annavad toitepingest madalamat väljundpinget.
Pinget tõstev pulsilaiusmuundur võimaldab saada toitepingest kõrgemat väljundpinget.
Jõuelektroonika lülitused koosnevad elektroonikakomponentidest, milleks on takistid,
kondensaatorid, trafod, induktiivpoolid (drosselid) ja põhilistest elektronseadistest:
• dioodid, sealhulgas Zener-i diood, optoelektroonikaseadised ja Schottky dioodid ning
dinistorid (DIAC);
• türistorid, üheoperatsioonilised türistorid (SCR), sümistorid (TRIAC), suletavad türistorid
(GTO) ja MOS-juhitavad türistorid (MCT);
• transistorid, nagu bipolaartransistorid (BJT), väljatransistorid (FET) ja isoleeritud paisuga
bipolaartransistorid (IGBT).
2.3 MEHHATROONIKA KUI INFOTEHNOLOOGIA
Kolmandaks tähtsaks mehhatroonika koostisosaks on infotehnoloogia (Joonis 2.29).
Infotehnoloogia (IT) on üldine mõiste, mis kirjeldab mis tahes tehnoloogiat, mis aitab toota
töödelda, säilitada, edastada ja/või levitada teavet.
Joonis (Joonis 2.29) Mehhatroonika kui infotehnoloogia (Autori joonis)
Kuni möödunud sajandi seitsmekümnendate aastateni mõeldi mehhatroonika all kahe
komponendi integratsiooni: mehhaanika ja elektroonika. Mehhatroonika arengus toimus järsk
hüpe läinud sajandi 90- ndate aastate alguses (Joonis 2.30).
Joonis 2.30 Mehhatroonika koostisosade osakaalu dünaamika (Мехатонные модули, О. Д.
Егоров, Ю. В. Подураев, 2004)
See oli tingitud infotehnoloogia tormilisest arengust. Kaasaegsete mehhatrooniliste
süsteemide loomine on mõeldamatu ilma infotehnoloogiliste (tarkvaraliste) lahendusteta:
 automatiseeritud projekteerimisel ja arvutipõhisel modelleerimisel;
 keeruliste dünaamiliste süsteemide juhtimisel.
Joonisel 2.31 on kujutatud mehhatroonikasüsteemi struktuuri.
Joonis 2.31 Mehhatroonilise süsteemi struktuur (The Control Subsystem of a Mechatronic
System, M. Avram, C. Bucşan, D. Duminică, 2011)
Antud joonisel tähendab mõiste „eesmärk“ ülesannet (funktsiooni), mida süsteem peab
sooritama. Selle eesmärgi saavutamiseks tuleb eesmärki kirjeldada ja määratleda kasutades
selleks erinevaid adekvaatseid keeli (programmeerimine).
2.3.1 AUTOMATISEERITUD PROJEKTEERIMINE JA
MODELLEERIMINE
Tehnilise objekti projekteerimiseks peetakse veel mitte eksisteeriva objekti loomist soovitud
kujul. Projekteerimine tähendab uurimuslike, arvutuslike ja konstrueerimistööde teostamist.
Projekteerimist, kus kõik või osa projekti lahendusi saadakse inimese ja arvuti koostöös,
nimetatakse automatiseeritud projekteerimiseks.
Arenenud automatiseeritud projekteerimise süsteemi kuuluvad:
 CAD (Computer-aided design)- automatiseeritud projekteerimine;
CAD kujutab endast arvutitehnoloogiat, mis on ette nähtud projektide loomiseks,
muutmiseks, analüüsiks ja optimeerimiseks. CAD kõige tähtsamateks komponentideks
on automaatsed tööjooniste loomise ja geomeetrilise modelleerimise süsteemid. Lisaks
sellele kasutatakse CAD- i optimiseerimiseks ja analüüsiks ning analüüsi tulemuste
visualiseerimiseks.
CAD funktsioonid võib jagada kaheks:
- kahemõõtmeline (2D) projekteerimine (Joonis 2.32);
2D funktsioonideks on joonestamine ja dokumentatsiooni vormistamine.
Joonis 2.32 2D CAD joonis (http://en.wikipedia.org/wiki/Computer-aided_design)
- kolmemõõtmeline (3D) projekteerimine:
3D funktsioonideks on kolmemõõtmeliste geomeetriliste mudelite mudelite (Joonis
2.33) saamine, realistlik visualiseerimine ja 2D ja 3D mudelite vastastikune
muundamine.
Joonis 2.33 CAD 3D mudel (http://en.wikipedia.org/wiki/Computer-aided_design)
CAD süsteemid võivad olla:
- madala tasemega;
Madala tasemega süsteemid on põhiliselt orienteeritud ainult 2D graafikale. Nad on
suhteliselt odavad, nende riistvaraliseks platvormiks on personaalarvuti.
- kõrge tasemega;
Kõrge tasemega süsteemid on suhteliselt kallid, kuid nad on väga universaalsed,
võimaldavad 3D modelleerimist, jooniste vormistamine toimub eelnevalt väljatöötatud
kolmemõõtmeliste mudelite põhjal.
- keskmise tasemega;
Keskmise tasemega süsteemid jäävad oma võimalustelt madala ja kõrge tasemega
süsteemide vahepeale.
 CAM (Computer-aided manufacturing )- automatiseeritud valmistamine;
CAM on arvutitehnoloogia valmistamise operatsioonide planeerimiseks, juhtimiseks
ja kontrolliks otsese või kaudse liidese kaudu ettevõtte tootmisressurssidega. CAM- i
kasutatakse arvjuhitavate (CNC) pinkide ja robotite arvprogrammeerimiseks
paindtootmisliinidel. CAM süsteemi põhilisteks funktsioonideks on:
- tehnoloogiliste protsesside välja töötamine;
- programmjuhitavatele pinkidele juhtprogrammide sünteesimine;
- töötlemise programmi modelleerimine, sealhulgas tööriista ja tooriku liikumise
trajektoori kujundamine, töötlemise ajanormide arvutamine.
CAD süsteemis loodud mudel, mis võib olla kontrollitud CAE süsteemis on sisendiks
CAM tarkvarale, mis juhib toodet valmistavat tööpinki (Joonis 2.34).
Joonis 2.34 CAD mudel ja CNC pingis valmistatud toode
(http://en.wikipedia.org/wiki/Computer-aided_manufacturing)
 CAE (Computer-aided engineering )- automatiseeritud konstrueerimine.
CAE on arvutitehnoloogia detailide geomeetria analüüsimiseks, modelleerimiseks ja
toote käitumise uurimiseks tema konstruktsiooni täiustamise ja optimiseerimise
eesmärgil. CAE vahendid võimaldavad teostada palju erinevaid analüüsi (Joonis 2.35)
variante (kinemaatilised arvutused, dünaamiline analüüs, pingete arvutamine).
Joonis 2.35 3D struktuuri plastilise deformatsiooni analüüs
(http://en.wikipedia.org/wiki/Computer-aided_engineering)
CAD/CAM/CAE kõrge tasemega juhtivateks tarkvarapakettideks on:
- UNICRAFICS;
- CATIA;
- PRO/ENGINEER.
Keskmise tasemega tarkvarapakettideks on järgmiste firmade tooted:
- AUTODESK;
- SOLID WORKS CORPORATION;
- ASCON;
- INTERMEX.
2.3.2 KEERULISTE DÜNAAMILISTE SÜSTEEMIDE JUHTIMINE
Protsessi või seadme juhtimise all mõistetakse mingi täiturseadme, näiteks roboti,
manipulaatori, laotõstuki või tööpingi talitluse juhtimist. Mehhatrooniliste süsteemide
juhtimine võib põhineda arvuti, mikrokontrolleri või programmeeritava kontrolleri
kasutamisel.
Nüüdisaegsetes automaatjuhtimissüsteemides kasutatavad juhtimismeetodid võib liigitada
kolme suurde rühma:
- klassikalised meetodid,
- moodsad meetodid,
- intellektuaalsed meetodid.
Klassikaline juhtimismeetod (Joonis 2.36) kuulub vanemate ja seega ka lihtsamate
süsteemide hulka. Klassikalised juhtimismeetodid põhinevad tagasisidel ning vea järgi
juhtimisel. Neid on eriti sobiv rakendada lihtsate ühe sisendi ja väljundiga süsteemide korral
Klassikaliste süsteemide juhtimiseks kasutatakse enamikus proportsionaalse, integraalse ja
diferentsiaalse (PID) toimega regulaatoreid.
Joonis 2.36 Automaatjuhtimissusteem klassikalise juhtimismeetodiga (Automaatjuhtimise
alused, R. Naadel, 2006)
Moodsad juhtimismeetodid (Joonis 2.37) põhinevad süsteemi olekuruumil ja
olekumuutujatel. Neid meetodeid rakendatakse, kui tegemist on keerukate mitme sisendi ja
väljundiga mittelineaarsete süsteemidega. Olekumuutujate määramiseks kasutatakse
juhtimisobjekti mudeleid, mis võimaldavad süsteemide optimaalset ning adaptiivjuhtimist.
Olekumuutujatel põhinevate süsteemide analüüsiks ja sünteesiks kasutatakse peamiselt
vektormuutujatel ja maatriksvõrranditel põhinevaid algebralisi meetodeid ning neist tuletatud
ajafunktsioone, s.o. siirdeprotsesse.
Joonis 2.37 Automaatjuhtimissusteem moodsa juhtimismeetodiga (Automaatjuhtimise alused,
R. Naadel, 2006)
Adaptiivsüsteem on tagasisidestatud juhtimissüsteem, mis lisaks põhitagasisidele sisaldab
veel vähemalt ühte informatsioonilist tagasisidet, tagamaks regulaatori parameetrite
isehäälestumist juhitava süsteemi parameetrite või välismõjude muutumisel.
Adaptiivsüsteemi (Joonis 2.38) eristab fikseeritud parameetritega juhtimissüsteemist
informatsioonilise tagasiside või tagasisidede olemasolu, mille abil realiseeritakse
adaptiivjuhtimise algoritm ja tagatakse süsteemi isehäälestumine s.t. adaptiivsed omadused.
Joonis 2.38 Adaptiivsüsteemi struktuurskeem (Ülevaade adaptiivsüsteemidest, TTÜ)
Vastavalt struktuurskeemile, koosneb adaptiivsüsteem adaptiivregulaatorist ja juhitavast
süsteemist. Adaptiivregulaator, mille abil realiseeritakse adaptiivjuhtimise algoritm (edaspidi
adaptiivalgoritm), sisaldab primaarregulaatorit ja adaptiivalgoritmi realiseerivaid
funktsionaalseid plokke.
Täiusliku iseõppiva adaptiivsüsteemi heaks näiteks on inimene, tema võime kohanduda
ümbritseva keskkonna tingimustele kõige üldisemas mõttes.
Kõrgeimaks juhtimismeetodiks on intellektuaalsed meetodid, mis põhinevad
programmeerija intuitiivsetel hinnangutel, nt. hägusloogikal või eksperthinnangutel. Neid
meetodeid rakendatakse iseseisvalt või täiendava meetmena juhul, kui on tegemist
juhtimisobjekti või tema töökeskkonna olulise määramatusega. Süsteemi muutujatele antakse
kvantitatiivsete väärtuste asemel kvalitatiivsed hinnangud (nt. suur, keskmine, väike vms.)
ning tema sisendid ja väljundid seotakse KUI-SIIS-(IF-THEN-) lausetega. Süsteemi
analüüsiks ja sünteesiks kasutatakse eksperthinnangutel põhinevaid meetodeid, juhtimiseks
aga hägusloogika kontrollereid. Juhtseadme loomine taandub sel juhul peamiselt vastava
otsustamisloogika sünteesile. Intellektuaalsete juhtimismeetodite kasutamist automaatikas
nimetatakse tehisintellektiks.
Juhtimise algoritmid arvutile, mikrokontrollerile või programmeeritavale kontrollerile
kirjutatakse vastava tarkvara abil. Programmeerimise tarkvara areneb väga tormiliselt. See
muutub järjest kasutajasõbralikumaks, suureneb erinevate keelte arv ja nende funktsionaalsed
võimalused. Programmeeritavate kontrollerite algaastatel oli võimalik neid programmeerida
ainult „kontaktskeemi“ keeles. Tänapäeval on võimalik programmeeritavatele kontrolleritele
juhtprogrammi kirjutamiseks kasutada viit erinevat standardset keelt: