MEHHATROONIKA OLEMUS

1 MEHHATROONIKA OLEMUS
Viimastel aastakümnetel areneb maalimas kiiresti uus teaduse ja tehnika harumehhatroonika.
Mehhatroonika baseerub teadmistele mehhaanikast, elektroonikast,
arvutipõhise juhtimise kaasaegsetest meetoditest ja andmetöötlusest. Mehhatroonilised
moodulid ja süsteemid on saanud kaasaegsete tehnoloogiliste masinate ja agregaatide, mis
omavad kvalitatiivselt uusi omadusi, loomise aluseks. Mehhatroonika on üks nooremaid ja
kiiremini arenevaid tehnikasuundi nii Eestis kui ka mujal maailmas, mis baseerub
tänapäevasel tootearendusel ning liidab endasse lisaks põhjalikele mehaanikateadmistele ka
infotehnoloogia- ning elektroonikavahendite tundmise.
1.1 MEHHATROONIKA AJALUGU
Inimene on aegade algusest alates püüdnud luua mehhaanilisi süsteeme oma elu lihtsamaks ja
mugavamaks muutmiseks. Mehhaaniliste süsteemide abil tekitatakse teatud liikumisi või
kantakse üle jõudu või jõumomenti. Massiline mehhaaniliste seadmete valmistamine algas
tööstusliku revolutsiooniga kaheksateistkümnenda sajandi teisel poolel. Joonisel 1.1 on
kujutatud arengut puhtalt mehhaanilistest süsteemidest kuni mehhatrooniliste süsteemideni.
Joonis 1.1 Masinaehituse areng (The Mechatronics Handbook, R. H. Bishop, 2002)
Tööstusliku revolutsiooni algaastatel kasutati mehaanilise liikumise ja jõu tekitamiseks
aurumasinaid. Nende juhtimine ja reguleerimine toimus ainult mehhaaniliselt. Kõige tuntum
automaatne mehhaaniline regulaator on J. Watt‗i poolt leiutatud aurumasina pöörlemiskiiruse
regulaator (Joonis 1.2).
Joonis 1.2 Aurumasina kiiruse regulaator (The Mechatrinics Handbook, R. H. Bishop, 2002)
Aurumootori kiiruse suurenemisel tõusevad regulaatori kuulid tsentrifugaaljõu toimel
ülespoole ja sulgevad auruventiili, mis tingib omakorda aurumootori pöörlemiskiiruse
vähenemise.
Kahekümnenda sajandi algaastatel kasutati mehhaanilistes süsteemides juba laialdaselt
elektrimootoreid. Süsteemide juhtimine ahelates hakati rakendama releesid, solenoide ja
pneumaatikat. Kuni 1940- ndate aastateni toimus mehhaaniliste süsteemide tarvis
juhtimissüsteemide loomine põhiliselt katse- eksituse meetodil. See meetod põhines
intuitsioonil, praktilistel kogemustel ja püsivusel. 1940- ndate aastate lõpus kujunes
süsteemide juhtimine eraldi teadusharuks, mis hakkas põhinema matemaatilistel ja
analüütilistel meetoditel. Möödunud sajandi viiekümnendatel aastatel hakatakse süsteemide
juhtimisel laialdaselt kasutama analoogjuhtimist ja järjendjuhtimist. Seoses pooljuhttehnika
tormilise arenguga toimus kuuekümnendatel aastatel üleminek digitaalsele juhtimisele.
Põhimõtteliselt uus lähenemine mehhaaniliste süsteemide loomisele algas möödunud sajandi
viimastel aastakümnetel. Alates 70-ndastest aastatest algas mehhaaniliste süsteemide ja
elektroonika integreerumine. Need süsteemid muutusid diskreetsetest mehhaanilistest ja
elektrilistest elementidest koosnevatest elektro-mehhaanilistest süsteemidest integreeritud
elektroonilis-mehhaanilisteks süsteemideks koos andurite, täiturite ja digitaalse
mikroelektroonikaga. Selliseid süsteeme hakati kutsuma mehhatroonilisteks süsteemideks.
Termin „mehhatroonika― võeti esmakordselt kasutusele jaapani firma Yaskawa inseneri
Tetsuro Mori poolt 1969- l aastal. 1972- l aastal registreeris firma selle termini kaubamärgina.
See mõiste levis väga kiiresti Jaapanis, aga ka mujal maailmas. Seoses sellega loobus firma
Yaskawa selle kaubamärgi kaitsest kaheksakümnendatel aastatel.
Mehhatroonika on noor ja väga kiiresti arenev tehnika ala. Tänapäeva mõistes baseerub
mehhatroonika teadmistel mehhaanikast, elektroonikast, arvutijuhtimise meetoditest ja
informatsiooni töötlusest. Mehhatroonika mõiste ja sisu on võrreldes tema algaastatega
märkimisväärselt muutunud.
Mehhatroonilisi süsteeme võib klassifitseerida teda moodustavate komponentide
(mehhaanika, elektroonika, arvutiteadus) integratsiooni taseme alusel erinevateks
põlvkondadeks:
 Esimese põlvkonna mehhatroonika süsteemid kujutasid endast ainult kahe
komponendi integratsiooni: mehhaanika ja elektroonika. Selle põlvkonna tüüpiliseks
näiteks on „reduktor- mootor―, kus reduktor ja juhitav elektrimootor valmistati ühtse
funktsionaalse elemendina (Joonis 1.3). Nende reduktor- mootorite baasil valmistati
palju tootmise automatiseerimise seadmeid (konveierid, transportöörid, pöördlauad).
Joonis 1.3 Reduktormootor
(http://www.technobalt.ee/?id=10538&catalog=37&product=16)
 Teise põlvkonna mehhatroonilised süsteemid tekkisid 80-datel aastatel seoses uute
elektroonika tehnoloogiate tekkimisega. Need tehnoloogiad võimaldasid luua
miniatuurseid andureid koos elektrooniliste plokkidega signaalide töötlemiseks.
Ajamite ühendamine selliste anduritega võimaldas luua mehhatroonilisi liikumise
mooduleid, millised integreerisid mehhaanikat, elektrotehnikat ja elektroonikat. Teise
põlvkonna mehhatrooniliste moodulite baasil loodi juhitavaid energeetilisi masinaid
(turbiinid ja generaatorid), arvprogramm juhtimisega tööpinke (Joonis 1.4) ja roboteid.
Joonis 1.4 Arvjuhtimisega vedrude valmistamise seade (http://www.aragostasuspension.com/gallery/eqt_ncsp.jpg)
 Kolmanda põlvkonna mehhatrooniliste süsteemide areng on tingitud odavate
mikroprotsessorite ja mikrokontrollerite turule ilmumisest. Toimub mehhatroonika
süsteemide intellektualiseerumine, kõrgtäpsete ja kompaktsete mehhaaniliste sõlmede
ja uute elektrimootorite tüüpide väljatöötamine. Hakatakse looma intellektuaalseid
mehhatroonilisi süsteeme ja mooduleid.
Edaspidi hakkavad mehhatroonilised masinad ja süsteemid olema ühendatud
mehhatroonilisteks kompleksideks (Joonis 1.5). Selle eesmärgiks on kooskõla saavutamine
kõrge tootlikkuse ja tehnilis- tehnoloogilise paindlikkuse vahel, mis võimaldab tagada
konkurentsivõimelisuse ja toodangu kõrge kvaliteedi turgudel.
Joonis 1.5 Mehhatrooniline kompleks
(http://www.ruag.com/de/Konzern/Media/Fotos/bearbeitungscenter_gross.jpeg)
Mehhatrooniliste süsteemide valmistamise mahud maailmas suurenevad aasta- aastalt.
Mehhatroonika levib järjest uutele elualadele. Tänapäeval kohtab neid süsteeme järgmiste
valdkondades:
 tööpinkide ehitus ja seadmed automatiseeritud protsesside tarvis;
 robotitehnika (tööstuslik ja eriotstarbeline);
 lennundustehnika, kosmosetehnika ja sõjandustehnika;
 autoehitus (ABS pidurid, automaatparkimine, jne);
 mittetraditsioonilised transpordi seadmed (elektrilised jalgrattad, invakärud);
 arvutustehnika süsteemid (printerid, plotterid, kettaseadmed);
 kontori tehnika (koopiamasinad);
 meditsiinilised seadmed (rehabilitatsiooniseadmed, kliinilised seadmed);
 mikromasinad (meditsiin, biotehnoloogia);
 kontroll- mõõteriistad ja masinad;
 foto- ja videotehnika;
 meelelahutustööstus (heli- ja valguskujundus).
See nimekiri laieneb pidevalt.
1.2 MEHHATROONIKA PÕHIMÕISTED
Mehhatroonika kui teadusharu on alles kujunemise faasis, seepärast ei ole tänaseks päevaks
veel välja kujunenud tema üldtunnustatut mõistet ja terminoloogiat.
Mehhatroonika kohta võib kirjandusest leida väga palju erinevaid määratlusi. Ei ole olemas
ühtset mõistet, mida kõik aktsepteeriks.
Mõiste mehhatroonika kasutusele võtnud firma Yaskawa insener Tetsuro Mori defineeris seda
järgmiselt:
„Sõna mehhatroonika koosneb „mehha―-st sõnast mehhaanika ja „troonika―-st sõnast
elektroonika. Teiste sõnadega öeldes tehnoloogiate ja arendatud toodete mehhanismid
hakkavad sisalduma üha enam ja enam orgaaniliselt seotud elektroonikat, mis muudab
raskeks vahe tegemise selle vahel, kus üks algab ja teine lõpeb―.
See termin kirjeldab mehhaanika ja elektroonika integreerimist. Esmaseks
mehhatroonilisteks süsteemiks oli firma Yaskawa reguleeritavad elektriajamid. Selliseid
ajameid hakati laialdaselt kasutama konveierite ja automaatsete uste valmistamisel.
Levinud on ka järgnevad mehhatroonika definitsioonid:
 „Elektroonika, juhtimise ja masinaehituse integratsioon.―
(W. Bolton, Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical Engineering, Longman,
1995) ;
 „Komplekse otsuste langetamise rakendamine füüsikaliste süsteemide juhtimisel.―
(D. M. Auslander and C. J. Kempf, Mechatronics: Mechanical System Interfacing,PrenticeHall,
1996);
 „Masinaehituse, elektroonika ja arvutijuhtimise sünergiline integratsioon tööstuslike
toodete ja protsesside disainimisel ja valmistamisel.―
(F. Harshama, M. Tomizuka, and T. Fukuda, ―Mechatronics- what is it, why, and how?- and
editorial,‖ IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, 1(1), 1-4, 1996);
 „Täpismehhaanika, juhtimisteooria, arvutiteaduse ja andurite ning täiturite tehnoloogia
sünergiline kasutamine parendatud toodete ja protsesside disainimisel.―
(S. Ashley, ―Getting a hold on mechatronics,‖ Mechanical Engineering, 119(5), 1997)
 „Metodoloogia elektromehhaaniliste toodete optimaalseks disainimiseks.―
(D. Shetty and R. A Kolk, Mechatronics System Design, PWS Pub. Co., 1997)
Kõikide nende definitsioonide mõte on põhimõtteliselt samasugune. Enim arusaadavamaks ja
laiemalt kasutatavaks võib pidada järgmist Harashima, Tomizuka, and Fukada poolt 1996-l
aastal esitatud mehhatroonika definitsioon:
„Mehhatroonika on masinaehituse, elektroonika ja intelligentse arvutijuhtimise
sünergiline integratsioon tööstuslike toodete ja protsesside disainimisel ja valmistamisel“
(Harshama, F., Tomizuka, M., and Fukuda, T., ―Mechatronics—What is it, why, and how?—
an editorial,‖ IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 1, No. 1, 1996, pp. 1–4.).
Graafiliselt võib mehhatroonikat kujutada järgmiselt (Joonis 1.6):
Joonis 1.6 Mehhatroonika põhilised koostisosad (Festo, Curriculum for Mechatronics, 2005)
Mehhatroonika mõiste rõhutab koostisosade (mehhaanika, elektroonika, arvutiteadus)
integratsiooni sünergilist olemust. Sünenergia on koostoime ühise eesmärgi saavutamiseks.
On tähtis, et koostisosad mitte lihtsalt ei täienda üksteist, vaid on ühendatud sellisel moel, et
moodustuv mehhatrooniline süsteem omandab kvalitatiivselt uued omadused. Sõna
„sünergia― asemel võidakse kasutatakse ka sõna „orgaaniline―.
Mehhatroonilise lähenemise olemus väljendub koostisosadse sügavas integratsioonis toote või
protsessi elu kõikidel etappidel, alates kontseptuaalsest projekteerimisest ja lõpetades
valmistamisega ja ekspluateerimisega.
Kuna ei ole olemas mehhatroonika üldtunnustatud mõistet, siis seepärast ei ole kujunenud
välja ka mehhatroonika baasterminoloogiat. Mehhatroonika puhul räägitakse mõistest
mehhatroonika objekt. See on üldistav mõiste.
Hierarhiliselt on esimese taseme mehhatroonika objektideks mehhatroonika moodulid.
Mehhatroonika moodul on unifitseeritud mehhatroonika objekt, mis omab autonoomset
dokumentatsiooni ja on üldjuhul ette nähtud liikumise realiseerimiseks ühes koordinaadis.
Mehhatroonika moodulite näideteks on pöördlaud (Joonis 1.7).
Joonis 1.7 Pöördlaud (www.pesmel.ee)
Teise taseme mehhatroonika objektideks on mehhatroonika agregaadid. Nad sisaldavad
endas mitmeid mehhatroonika mooduleid, mis on ette nähtud nõutud liikumiste
realiseerimiseks. Mehhatroonika agregaadi näideteks on tööstuslikud robotid (Joonis 1.8) ja
arvjuhtimisega tööpingid.
Joonis 1.8 Tööstusrobot (Robotitehnika, T. Lehtla, 2008)
Kolmanda taseme mehhatroonika objektideks on mehhatroonika süsteemid. Nad võivad
koosneda mehhatroonilistest agregaatitest ja mehhatroonilistest moodulitest. Mehhtrooniline
süsteem on komponentide kooslus, mis toimib nagu üks tervik. Mehhatrooniliste süsteemide
näideteks on tootmise paindsüsteemid (Joonis 1.9) ja kaasaegsed autod (kaasaegne auto
sisaldab mitukümmend erinevat mehhatroonilist agregaati).
Joonis 1.9 Paindtootmissüsteem (Mallick MdFahad, Production System)
Mehhatroonika objektide kõrgemaks tasemeks on mehhatroonika kompleks. Kompleksid
võivad ühendada mitmeid süsteeme, või süsteemi ja madalama taseme mehhatroonika
objekte.

http://i.imgur.com/t4WjQ25.png