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Module 1: Concepts de base de l'automatisation, de la fabrication et de la mécatronique

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Foundation of Mechatronics

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Mechatronics est un terme inventé par des scientifiques japonais ou des ingénieurs japonais en 1969. Le terme mécatronique a été dérivé de deux termes de base, à savoir le mécanisme et l'électronique. Le mécanisme vient de l'ingénierie mécanique et de la tronique ou de l'électronique de l'ingénierie électronique. Mecha des mécanismes et tronics de l'électronique ensemble, fait la mécatronique. Quel est le sens des mécanismes? Si nous prenons n'importe quelle machinerie, elle a des liens divers, divers éléments. Ces éléments ou liens sont regroupés, qui forment un mécanisme. En mécanisme, si nous appliquons une force à un élément du système, il va générer des mouvements dans les autres liens connectés. Il va générer de la force dans les autres liens connectés et la motion ou les forces, qui sont générées sont utilisées pour notre application. En général, une machine dispose de nombreux mécanismes de ce type, qui sont regroupés et utilisés aux fins prévues. L'électronique est une branche de l'ingénierie qui traite du flux d'émission et du contrôle des électrons ultra-rapides dans le vide ou en matière. Nous pouvons dire que, lorsque des électrons en mouvement ultra-rapide se déplacent dans le vide ou dans une matière, ils peuvent être utilisés pour la transmission de l'information. L'électronique nous fournit une communication rapide et précise sur divers appareils. En tant que telle, la communication par fibre optique est un très bon exemple de l'application électronique dans notre vie quotidienne. Utilisant les avantages de l'électronique pour améliorer l'efficacité des mécanismes, le système développé s'appelle le système mécatronique. Mechatronics a aujourd'hui l'application des ordinateurs. Fondamentalement, les ordinateurs sont utilisés pour contrôler les diverses activités d'un système mécanique par des circuits électroniques. Les ordinateurs sont utilisés pour programmer les circuits électroniques, pour modéliser les pièces de travail et pour simuler les systèmes. Quels sont les avantages de cette mécatronique pour nous? La mécatronique offre une plus grande flexibilité: flexibilité en termes de conception de système, de conception de produit et d'opération. Nous pouvons facilement reconcevoir le système, modifier le système, reprogrammer le système de la façon dont nous reprogrammons dans les outils machine CNC et le même outil machine peut être utilisé pour l'usinage de différents produits. À cette fin, nous devons charger différents programmes pour mener à bien les opérations, ce qui facilite la reprogrammation. Mechatronics nous aide également à effectuer la collecte automatique de données et la génération de rapports. Nous pouvons collecter les données par le biais de capteurs et les données seront utilisées pour la génération de rapports, qui pourront être utilisées pour prendre des décisions concernant l'opération de fabrication. Chez nous, nous utilisons régulièrement le système mécatronique. Si nous regardons autour de nous, nous trouverons divers systèmes mécatroniques disponibles, tels que les machines à laver. Certaines entreprises disent que les machines à laver sont intelligentes, ce qui signifie qu'elles prennent les décisions par elles-mêmes, que nous devons juste mettre les chiffons à l'intérieur et que toutes les décisions seront prises en charge par la machine à laver elle-même. Sur les lieux de travail, dans nos instituts, dans les laboratoires, dans les bureaux, nous utilisons des ordinateurs, des imprimantes. Pour le café ou le thé, nous utilisons des distributeurs automatiques de boissons. Tous nous aident à améliorer notre efficacité au travail. Mechatronics est une approche multidisciplinaire pour la conception du produit et du système de fabrication. Les disciplines sont le génie mécanique, l'ingénierie électrique, l'ingénierie informatique et l'ingénierie de contrôle. La mécatronique est la fusion de ces branches de l'ingénierie. Toutes ces disciplines sont appliquées simultanément dans la conception du système ou dans la conception du produit, pour laquelle l'approche de conception du système mécatronique est appelée approche concomitante ou approche d'ingénierie simultanée. L'ingénierie mécanique contribue à la mécatronique en fournissant diverses machines et mécanismes. L'ingénierie électrique, fournit les moteurs principaux, l'énergie électrique sera convertie en énergie mécanique et que l'énergie mécanique sera appliquée à l'application prévue, le mouvement des différents liens du mécanisme. À cette fin, nous avons besoin de différents moteurs, d'un moteur en courant alternatif ou d'un moteur à courant continu ou d'un moteur servo. L'ingénierie électronique fournit les microprocesseurs, qui sont le cerveau du système mécatronique. L'ingénierie de contrôle fournit les capteurs, les actionneurs et les circuits des systèmes de commande. Il aide à la mise au point de divers systèmes de commande électronique, pour améliorer ou remplacer la mécanique du système mécanique. Nous verrons comment cette mécatronique contribue à remplacer la mécanique du système mécanique dans la section suivante. La contribution de l'ingénierie informatique est dans le développement de logiciels. Un logiciel est un groupe de programmes informatiques et un programme est un ensemble d'instructions écrites par le développeur. En suivant cet ensemble d'instructions, le système de contrôle ou le microprocesseur prend les actions. Ces logiciels contrôlent également les mouvements du matériel, c'est-à-dire les machines et les mécanismes. L'ingénierie informatique ne nous aide pas seulement à contrôler le matériel d'une machine ou d'un mécanisme, elle nous aide également à fournir une interface pour une interaction conviviale avec le mécanisme ou avec l'outil machine ou avec l'équipement. Ainsi, l'interaction conviviale et le contrôle de l'équipement sont un avantage, qui est fourni par la discipline de l'ingénierie informatique. En plus de ces deux caractéristiques fournies par l'ingénierie informatique, cette discipline nous aide à développer une conception de produit plus récente. La conception assistée par ordinateur est utile pour développer des dessins bidimensionnels ou tridimensionnels du produit ou des éléments ou des parties d'un produit. Ceci est très utile pour que nous visualisons le produit dès le début du développement. De plus, les ordinateurs aident à réaliser les simulations. Simulations signifie analyser ou prévoir les choses de façon virtuelle en appliquant certains outils d'analyse, en appliquant les mathématiques et en tenant compte des connaissances ou de l'expérience disponibles. Nous simulons le processus, nous prédisons les choses à l'avance, ce qui est utile pour obtenir certaines lignes directrices dans la planification. Sur la base de ces lignes directrices, basées sur l'entrée initiale, nous pouvons prendre certaines décisions, qui peuvent être liées à la planification de la production, ou qui peuvent être liées à la conception du produit. La planification des activités de fabrication comprend la planification des matériaux, la planification des ressources de fabrication, la tenue de dossiers, l'étude de marché et d'autres activités liées aux ventes. Dans la définition de la mécatronique, nous avons vu que la mécatronique est considérée comme un remplacement de la mécanique par l'électronique. Pour comprendre cette définition, prenons un exemple simple. On peut voir une montre mécanique ou une horloge dans la figure ci-dessus. Il y a beaucoup de composants ou de pièces et la construction est très complexe. Mais aujourd'hui, ces montres mécaniques ou les horloges sont remplacées par des horloges ou des montres électroniques. Dans l'horloge ou les montres électroniques, nous utilisons la technologie à base de quartz. Nous allons connaître la signification de cette technologie à base de quartz et comment elle remplace la technologie mécanique existante dans la prochaine section. Depuis quelques années, nous recevons des montres et des horloges de plus en plus avancées. Ces montres et horloges plus avancées ont de nombreuses technologies de capteurs associées et avec l'ajout de ces capteurs, les montres ou horloges sont devenues des dispositifs intelligents. Donc, on peut appeler ça comme une horloge intelligente ou une montre intelligente. Nous utilisons ces appareils intelligents régulièrement. Maintenant, si nous regardons la montre mécanique, elle ne nécessite aucune batterie, elle n'a pas de circuits électroniques aussi. Toutes les opérations sont mécaniques. L'élément de base de la montre mécanique est le ressort et le ressort est appelé le printemps principal. Nous devons vent ce printemps en utilisant une vis. Nous devons retirer la vis, puis faire pivoter la vis. Cette rotation de la vis donnera de l'énergie mécanique au printemps principal. Le ressort stocke l'énergie mécanique. Nous devons liquions périodiquement ce printemps principal. Le ressort principal est une roue équilibrée. Cette roue d'équilibre est reliée à un ensemble d'engrenages. La roue équilibrée oscille, elle se déplace et ces oscillations conduisent un dispositif appelé dispositif d'échappement. Le son que nous obtenons de la montre mécanique est de ce dispositif d'échappement. Le dispositif d'échappement déplace les mains de la montre par une petite quantité avec chaque balancement de la roue. Ainsi, les mains de montre se déplacent à taux constant avec les oscillations du dispositif d'échappement. Le mouvement ou le balayage de ces mains peut être vu sur le manomètre. L'opération est donc très simple. Cependant, la construction de la montre mécanique est très complexe. Comme on peut le voir, la montre mécanique a beaucoup d'engrenages, de nombreuses broches, de nombreuses vis et toutes ces vis sont de très petite taille, de taille meso et de micro-dimensions. Ainsi, la fabrication de ces petits éléments mécaniques est une tâche très difficile, elle nécessite des procédés d'usinage avancés, des procédés de fabrication avancés. Par conséquent, le coût associé à la montre mécanique est également très élevé. De plus, nous les fabrions mécaniquement. Il peut donc y avoir certaines imperfections associées à tous ces éléments. Donc, en raison de cela, la précision de ce type de montre mécanique est d'environ deux à trois secondes par jour. Cette erreur est donc attribuée aux imperfections associées à la montre mécanique et à l'enroulement périodique des ressorts. , Si nous manquons l'enroulement, alors la montre s'arrêtera de travailler et de redémarrer la montre à nouveau, nous devons la mettre en marche à partir de l'heure précédente ou commencer par les emplacements précédents de la main. Donc, cela peut ajouter à l'erreur de ce genre de montres. Ainsi, le coût est élevé et la fabrication est aussi une tâche fastidieuse ou difficile. C'est pourquoi les ingénieurs ou les scientifiques ont essayé de développer une technologie de pointe, connue sous le nom de technologie à base de quartz. Ces nouvelles montres sont gérées par batterie. Dans la figure, on peut voir une montre à quartz typique. Ces montres nécessitent une très petite quantité d'énergie électrique, comme nous pouvons remarquer dans notre montre à quartz, la batterie peut durer longtemps pendant quelques mois ou dans certains cas elle peut durer 1 ou 2 ans aussi. La quantité d'énergie électrique requise est inférieure et la précision de ces montres est également élevée. Alors, comment ces montres fonctionnent? Ils travaillent sur la base du concept électromécanique. Le système de ces montres à quartz possède un circuit électrique, une batterie et un ensemble de vitesses, qui peuvent être appelées en général, un système mécanique. L'ensemble des engrenages tourne les mains. Les mains peuvent être la seconde main ou la main de la minute ou la main de l'heure et ces mains se font pivoter ou balayer le manomètre, s'il s'agit d'un type analogique de montre à quartz. Mais si c'est un type numérique de montre à quartz, alors nous obtenons l'affichage numérique. Alors, comment allons-nous voir, que ces mains se font pivoter? Nous devons bouger ou avoir le mouvement mécanique de l'ensemble de vitesses. Cet ensemble de vitesses sera exploité par un moteur électrique ou un micro ou un petit moteur électrique. Maintenant, qui exploite ce moteur électrique? Le moteur électrique sera acti­mis par le circuit électrique. Le circuit électrique est à nouveau dirigé par un matériau cristalline, que nous appelons la matière de quartz. Le quartz n'est rien, mais un minéral commun de la terre et il a de la silice et de l'oxygène. Le quartz a une caractéristique particulière, c'est-à-dire qu'il s'agit de matériaux piézo-électriques. L'électricité de Piezo n'est rien d'autre qu'un couplage entre l'état mécanique et l'état électrique du matériau. Quelle est exactement la signification de l'électricité piezo? Lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée sur le quartz, elle produit de l'électricité et cette capacité à convertir la tension en contrainte mécanique est appelée piezoélectricité. Ce procédé est également effectué dans l'inverse, c'est-à-dire que si une contrainte mécanique est appliquée sur le matériau, ils produisent des charges électriques sur leur surface. Cette propriété est utilisée dans les montres ou horloges. Comme nous appliquons l'énergie électrique à ce minuscule cristal, il vibre à une fréquence très précise et cette fréquence précise est d'environ 32768 fois par seconde. Ainsi, lorsque nous appliquons l'énergie électrique, il vibre pour 32768 fois avec précision. I If we have an electronic circuit, which will count the vibrations, and generate a pulse when the counter atteindra at 32768 number .. On peut dire qu'en appliquant l'énergie électrique, le cristal vibre et les vibrations seront comptées. Lorsqu'il atteint 32768, le circuit électronique génère une impulsion, une impulsion de tension et cette impulsion de tension fera un affichage sur l'écran s'il s'agit d'une montre numérique et que l'affichage n'est rien, mais une seconde. S'il ne s'agit pas d'une montre numérique, l'impulsion donnera de l'énergie au moteur. Le moteur va conduire les engrenages et ces engrenages vont conduire les mains, les mains qui sont en train de balayer le manomètre. De cette façon, nous pouvons générer le nombre d'impulsions et les impulsions nous donnent du temps sur notre affichage ; il peut s'agir d'un affichage numérique ou de l'affichage analogique. Si on regarde la construction de la montre à quartz, la construction est très simple, elle a beaucoup moins de pièces. Comme le nombre de pièces est moins élevé, le coût de fabrication de ces montres est également moindre. Si vous regardez la construction nous pouvons voir ça, il y a une batterie et c'est l'élément de quartz. En plus de cela, il y a très peu de pièces qui sont montres dans la figure. La précision de la technologie de quartz est aussi relativement élevée que la montre mécanique. La précision est d'environ 15 secondes par mois. Il peut y avoir une chance d'avoir une erreur de 15 secondes par mois ; cependant, dans toutes les montres avancées, les précisions sont encore améliorées, les erreurs sont encore réduites, disons de 3 à 4 secondes par mois. L'idée qui sous-tend cette discussion est que le système complexe d'une montre mécanique peut facilement être remplacé par un système électronique simple. Bien que nous utilisions ici des pièces mécaniques, nous prenons en compte les circuits électroniques et l'énergie électrique ensemble, et nous les appliquons sur les mécanismes des systèmes mécaniques et sur les systèmes de machines. Il s'agit d'améliorer l'efficacité du système, mais aussi de réduire le coût du système. Donc, ce n'est rien, mais la mécatronique, donc nous remplaça les mécaniciens, nous remplaça le système de ressort, le dispositif d'échappement, beaucoup d'engrenages à l'aide d'un simple cristal minuscule et d'un ensemble de circuits électroniques. Un jour, nous obtenons les technologies intelligentes et nous les appelons les montres intelligentes. Inutile de mentionner que ces montres intelligentes sont à nouveau des montres mécatroniques. Quelles sont les caractéristiques de ces montres intelligentes? Nous ajoutons le lien avec Internet, la connexion avec le monde extérieur. Ce lien avec Internet donne accès au monde et cet accès est la capacité potentielle de ce smartwatches. Les Smartwatches nous donnent des notifications de messages. Ils nous aident à la navigation grâce à la technologie GPS. Qu'est-ce que le GPS? Technologie du système de positionnement global. Les smartwatches nous aident à organiser nos activités quotidiennes. Nous pouvons planifier notre travail ; il peut s'agir de réunions ou de tout autre travail. Cette planification a de nouveau la caractéristique des alarmes. Les smartwatches nous donnent des alarmes sur une base régulière. Ils ont aussi la technologie Bluetooth. Cette technologie Bluetooth est utile pour envoyer les appels ou pour recevoir le message ou pour se connecter avec les appareils électroniques disponibles sans Internet. Pour ce qui est du point de vue technologique, les montres intelligentes ont différents capteurs. Alors, quels capteurs il a? Le premier capteur, c'est des accéléromètres. Les accéléromètres mesurent le mouvement du corps. Cette mesure du moment du corps nous aide à suivre nos étapes et nos habitudes de sommeil. Sur la base du suivi de nos étapes et de notre mode de sommeil, les capteurs nous aident à surveiller vos conditions de santé. Les gyroscopes mesure la rotation. Si nous tournons notre poignet, l'écran de téléphone se réveillera. Alors que nous tournons notre poignet, le téléphone est en train de s'afficher, l'écran est en train de s'afficher. Troisièmement, le capteur qu'il possède est le magnétomètre, ce qui permet d'avoir la boussole dans notre appareil intelligent. Cette boussole permet également de suivre les mouvements. En plus de ces trois capteurs en général, les montres intelligentes ont un capteur de pression barométrique pour détecter les pressions et le capteur de température ambiante. Donc, avec cette technologie de capteur, les montres ne nous montrent pas seulement le temps, elles nous aident à gérer nos activités quotidiennes. Ils nous aident aussi à maintenir notre santé.