Sissejuhatus mehhatroonikasse

Väljavõte

1 Sissejuhatus mehhatroonikasse Elmo Pettai Elektroenergeetika ja mehhatroonika instituut Tallinna Tehnikaülikool (vers )

2 Mehhatroonika mõiste visuaalne seletus erinevad tehnikavaldkonnad integreeritakse Termin: Mehhatroonika loodi 50 aastat tagasi Selles mõistes põimuvad erinevad tehnikavaldkonnad When the word Mechatroncis first appeared nearly 50 years ago, most people had no idea what it was. With time and technological advancements, however, mechatronics has become a familiar term in the field of engineering worldwide.

3 Mis on mehhatroonika? (1) Mehhatroonika on tehnikavaldkonna mõiste, mis Seostub ettevõtete tootmise automatiseerimisega Toote automatiseeritud valmistussüsteemide loomisega Valmistusprotsesside loomise ja integreerimisega (seostamisega) rakenduseks Tehnilistes protsessides vajalike masinate modelleerimise, projekteerimise ja ehitamisega Toote (materjalide mehhaanilise) töötlemiseks vajalike tööpinkide, robotite, masinate arendamisega Masinate moodulite arendamisega: andurid, täiturid (sh. elektriajamid) Masinate (elektrooniliste) juhtimissüsteemide loomisega (tööstusarvutid, kontrollerid) Juhtimisarvutite tarkvaraga, juhtimisprogrammide loomisega Seostub masinate (mehhaanilise) liikumise juhtimisega Rakenduse haldusjuhtimisega (näiteks toote valmistusprotsessi juhtimine) Töömasinate automaatjuhtimisega Kontrollerite juhtimisalgoritmid, kontrollerite programmid Operaatori kasutajaliidesed

4 Mehhatrooniline masin: tööstusrobot

5 Mis on mehhatroonika? (2) Mehhatroonika on teadus Teadus, mis seletab kuidas (inseneride) loodud asjad üheskoos toimivad (ehk töötavad) Mehhatroonika on ka tehniline metoodika Mida insener saab oma mõtlemisel ja erialatöös kasutada Mehhatroonika aitab inimestel töötada targemalt - mitte kõvemini Mechatronics is the concept of working smarter not harder and to inexpensively get the most done in as little time as possible

6 Teadmistepõhine tootmine Teadus ja tehnika astus selle aastatuhande vahetusel uude arenguetappi Tööstuses toimub üleminek toodete automatiseeritud koostamisele. Võtmesõnad: Tööstus 4.0 Industry4.0 Tööstus 4.0 tõhustab teadmiste ja tarkuse kasutamist Mehhatrooniliste süsteemide kasutamine eeldab Eriala piires kokkulepitud tähendusega terminite kasutamist (eriti mehhatroonikainseneride) mõtlemisel ja omavahelisel suhtlemisel Mehhatroonika terminitest koostatakse ka valdkonna sõnastikke

7 Neljas tööstusrevolutsioon Tööstusasjade internet, Industry 4.0; IIoT Toimub oluline muutus kaupade tootmisel ja turustamisel Energia Tootlikkus Tarkus?

8 Sellel slaidil seletame lahti keeles kasutatava sõna: mõiste (concept) Täistähenduslikul mõistel on kolm koostisosa: 1. mõiste nimi, 2. mõiste tähendus ja 3. sisu väärtus Struktureeritud (ehk keeruka) mõiste tähendusel on ülesehitus Teiste sõnadega: keerukal mõistel on oma (kokkulepitud) arhitektuur Mõiste tähenduse ülesehitus on sageli hierarhiline Mõiste tähendus kirjeldab mateeria sisu erinevaid kvaliteete; Mõiste sisu väärtus kirjeldab mateeria liikumist (kvantiteeti) Kokkuvõtteks: 3D ruumis nimetatud punktis toimuvat liikumist kirjeldatakse: 1. mõiste nimega (mateeria omaduse kokkulepitud nimetusega) 2. mõiste tähendusega ehk (sisu) kvalitatiivse ülesehitusega 3. mõiste sisuga (sisu) kvantitatiivse väärtusega

9 Termin (teatud eluvaldkonna teadmusüksus) Tehnikas kasutatakse näiteks terminit nimetusega: energia Definitsioon: Energia mõiste kirjeldab mateeria põhiomadusi Energiat ei saa luua ega hävitada. Suletud süsteemis olev energiakogus on jääv (Termodünaamika 1. seadus) Süsteemi energia on konserveeritud, kuid süsteemis saab energiat siiski edastada Energia avaldub liikumises Vaba energiat saab ruumis edastada Tuntud on töö mõiste, (A = F * s), kus F - on kehale mõjuv jõud; s - on keha läbitud tee Energia mõiste on kasutusel ka elektrotehnikas Näide: Termin nimega alalisvoolu elektrienergia, Alalisvooluga (edastatud) elektrienergia = alalispinge alalisvool aeg Elektrivõrgu juhtmetega edastatud elektrienergia ehk töö (sisu) väärtus arvutatakse kolme mõõtesuuruse: pinge, voolu ja aja korrutisena. Veel on kasutusel ka termin (suurus) nimetusega vahelduvvoolu elektrienergia

10 Väljakutseid mehhatroonika inseneridele Eesti koolides (sh ülikoolis) emakeelse hariduse edendamine Iga insener vajab mõtlemiseks tõhusaid keelevahendeid Kõige täpsemalt ja selgemini mõtleme ikka oma emakeeles Kasutatav keel modelleerib meie mõtete ja terminite tähendust Terminite tähenduse selgitamine noorele insenerile on tähtis!!! Struktureeritud infol põhinevate mudelite tähtsuse kasv, eriti tehnikas Data science Terminite täpsem modelleerimine (st. terminite tähenduse täpsustamine) Tööstus 4.0 kasutuselevõtt Andmemudelite tähtsuse kasv tootmise automatiseerimisel Graafilised (ehk piltlikud) kirjeldusvahendid nüüd kasutusel ka tootmises

11 Mehhatroonika lühendeid (võtmesõnu) Education in the scope of Industrial Automation and Mechatronics Factory Automation Digital Factory ERP / MES F4.0 Mechatronics Modelling Networking Controller CIM / FMS Simulation CAD CAM CNC Internet of Things Safety Quality Microcontroller C++ VR Basics Robotics Sensorics Software WEB Mechanics IT El Drives Electronic Globalization Pneumatics Electric CNC PLC

12 Haridusest. Eesti kvalifikatsiooniraamistik Euroopa kvalifikatsiooniraamistikud ja Eesti kvalifikatsiooniraamistik on analoogsed: Bakalaureusekraad annab 6. taseme kvalifikatsiooni. Magistrikraad annab 7. taseme kvalifikatsiooni. kompetentsus edukaks kutsetegevuseks vajalik teadmiste, oskuste, kogemuste ja hoiakute kogum. Kutsekoja (kutsekomisjon) annab kompetentsele inimesele kutsetunnistuse.

13 Eesti kvalifikatsiooniraamistiku nõuded Määratlevad haridussüsteemis õpitulemuste ja kutsete süsteemis kutsetasemete üldnõuded. Eesti kvalifikatsiooniraamistiku tasemed vastavad Euroopa kvalifikatsiooniraamistikule. Eesti kvalifikatsiooniraamistik eristab kolme erinevat valdkonda 1. Teadmised - teoreetilised ja faktiteadmised 2. Oskused kognitiivsed ja praktilised oskused ning nende oskuste kasutamine kognitiivsed oskused: loogilise, intuitiivse ja loova mõtlemise kasutamine praktilised oskused: käelised oskused ning meetodite, materjalide, tööriistade ja vahendite kasutamine 3. Suhtumine. Vastutuse ja iseseisva tegutsemise ulatuse kasv. Emotsionaalne areng, huvitatus, pühendumine, fokuseerumine

14 Kutsehariduses arvestatakse (põhiliselt) kolme liiki oskustega (1) 1. Vaimsed oskused (tunnetuslikud võimed), Vaimse oskuse mõiste hõlvab teadmisi ja mõistmisi (arusaamisi) sh. uue info tähenduse mõistmist, teaduslikest mõistetest ja juhtnööridest arusaamist (seega ka protseduurilised oskused) Sh. tuntud meetodite rakendamist uutes oludes, et lahendada probleeme (arvutamine, mõtlemine ja teised vaimsed oskused). Kõigepealt arendatakse koolis õppurite teadmisi, kuid sellest veel ei piisa (kutse omandamiseks)

15 Oskused saadakse (erialase) praktika käigus. Mehhatroonika õppeaine seab eesmärgiks arendada ka teistsuguseid oskusi. (2) 2. Suhtlemisoskused Õppuri kasv tunnete ja emotsioonide alal (sh. aktiivse kuulamise oskus, esitluste tegemise oskus, läbirääkimiste, empaatia (kaastundlikkuse avaldamine), mõttelaadi, huvitatuse jne aladel 3. Psühhomotoorsed (ehk käelised) oskused Kaasa arvatud füüsiliste liikumiste ja liigutuste ettekujutamise võime arendamine (käeline vilumus näiteks mingi toote valmistamisel). Selliste oskuste arendamine nõuab tegelikku teostamist (nõuab praktiseerimist, harjutamist), mille tulemuslikkust mõõdetakse protseduuride kiiruse, täpsuse, kaugusega ja meetoditega mida teostamisel kasutatakse. Neid oskusi rakendatakse käsitöös, (näiteks masina pesemine) aga ka keerukate mehhatrooniliste masinate ja süsteemide juhtimisel (näiteks drooni juhi kasutajaliides).

16 Bloom-i õppimise taksonoomia, e-õppe platvormi tööriistad ja teadmisi omandav õppur (see mudel on loodud MechMate projektis 2018 a.) Loomine, süntees Hindamine Analüüsimine Rakendamine (alustamine, teostamine) Arusaamine asjast Meeldejätmine Informatsiooni saamine Õppekava loominea Õppimise kvaliteedi hindamine (sertifitseerimine) Analüüsimine (teadmiste kvantitatiivne hindamine) E-õppeplatvormi käivitamine õpilastele, kursuste tegemine Enesekontrolli tööriistad, testid üldise arusaamise kontrolliks Mehhatroonika terminite thesaurus. Õppimise metoodika Õppeinfo koostamine ja salvestamine e-õppe-keskkonda Loomine, leiutamine, Süsteemide süntees Projektis saadud tulemuste kvaliteedi hindamine Analüüsimine, kasulikkuse kvantitatiivne hindamine Uute teadmiste rakendamine, projekti alustamine, tegutsem. Arusaamine, teadmiste testide ja laboris harjutuste tegemine Uue info meelde jätmine oma isiklike teadmiste kontekstis Uue info ja tehniliste andmete vastuvõtmine Bloom i õppimise taksonoomia MechMate platform Õppiv (üli)õpilane

17 Bloom-i õppimise taksonoomia, MechMate e-õppe platvormi tööriistad ja teadmisi omandav õppur (ingl. k.) Creating Evaluating Analysing Appliying (starting, acting) Understanding Rememberinging Receiving information Creating learning curricula Evaluating learning quality (certification process tools) Analysing (quantitative assessment of knowledge) Activating e-learning platform, providing courses for students) Self-check tools, questions for testing general understanding Thesaurus for mechatronics terms. Learning methodology Receiving information. Storage area for new learning content. Creating, inventing, restructuring of a system Evaluating the qualitative results of the project or tasks Analysing (quantitative examination of practicability) Applying new knowledge (starting a project, acting) Understanding, completing tests and exercises Remembering new info using his or her personal context Receiving new information and technical data Bloom s learning taxonomy MechMate platform Learning student

18 Andmed, informatsioon, teadmised, tarkus Meie tarkuse ülesehitus (ehk meie enda peas tekkivate mõtete arhitektuur) Merit telg (see taksonoomia on vajalik teostuse kvaliteedi tasandite määramiseks) Merit, L

19 Targad inimesed kasutavad mõtlemisel ja omavahelisel suhtlemisel struktureeritud mõisteid Insenerid kasutavad tootmise ja äri valdkonna asjade selgitamisel erinevaid taksonoomiaid (hierarhilisi ontoloogiaid) Taksonoonia (visuaalne) näide. Tehnikavaldkond: Tootmise automatiseerimine

20 Kompleksne teadmusüksus Näide: Süsteem mikrokiibis - SoCs Digibox (Set-Top Box Design) Peripheral Control Cable TV Transceiver Irvine, CA 250 MHz 60 clocks 2 40MSps 10 bit ADC s 1 125MHz 10 bit DAC Graphics Processor San Jose, CA 81 MHz 3 clocks Audio DAC External vendor IP Customer IP DMA San Diego, CA DAVIC MAC Atlanta, CA MIPS Processor Irvine, CA Quadruple DAC Irvine, CA MPEG Transport & Decoder Customer IP 81 MHz 3 clocks Single Chip Cable-TV Set-Top Box Source: Samueli, BROADCOM

21 Keeruka süsteemi koostis Koostise näide: optiline andmeside moodul

22 Protsessi 1 konveier Protsessi 2 konveier Protsessi 3 konveier Protsessi 4 konveier Rakenduse mõiste (näide tehasest, tootmisest) Tehnilistest protsessidest seotakse kokku üks terviklik võrgustik. Protsessidest võrgustikus saab tekkida asjade (ja energia) sisuline liikumine. Valmistoode Tehase peakonveier liidab (koostab) erinevad protsessid

23 Kuuemõõtmeline mõtlemine. 6D-ruumi komponendid Meie emakeeles kasutatavatest mõistetest hierarhiad (taksonoomiad) on loogiliselt (sisult) palju sügavamad kui me seni arvanud oleme Teostumise ülesehitus (teostuse ruum, dimensioonid: L, T, V ) Time, T Koostise ülesehitus (3D-ruum, Karteesian ruum, Dimensioonid: X, Y, Z ) Merit, L Y Origin Z O X- Coordinate 3D- realization space, where complex (real) motion happens Sisuline edastus; Valuable content motion, V P (Geometric Point) Z- Coordinate X Y- Coordinate L12 L11 R11 L10 R10 L9 R9 L8 R8 L7 R7 L6 R6 L5 R5 L4 R4 L3 R3 L2 R2 L1 R1 L0 R0 RM Merit telg, L Usaldus Unistus Unistused Vaatleja suudab tegelikult Elu tunnetada merit telje mõistes Elud nimetatud erinevaid kihte, Programm kasutades keele vahendeid, Programmid (kokkulepitud keele reegleid), Projekt selles nimetatud (füüsikaliste) Projektid suuruste sümboleid, mõõtmise Mäng meetodeid ja mõõtevahendeid, Mängud näiteks liitreaalsuse tööriistu. Rakendus Rakendused Protsess Protsessid Ülesanne Ülesanded Töö Esimene loogiline kiht Tööd Tegevus Tegevused Esimene loogiline Toiming tasand Toimingud Logistiline ühendus Seade D1...x; (objekti mateeria), (merit telje sügavamad ressursid) Mateeria mõiste eraldab ja seob kõik merit telje kihid kokku.

24 The geometrized 6D-space action illustration (visualization) A set of steadily bounded different actions of matter (each described with a conceptual name) is generally called (named) a motion. 3D geometric point for the resource Z Source part of the action of the concept. The geometrized action (valuable content) is defined in higher dimensions (4-6) The 3D geometric space reference item, (3D axis system) Z-coordinate 3D point for the subject Resource part of the action of the concept Y X-coordinate Y-coordinate X

25 Merit telg ja teostumise mõiste ülesehitus Teostumise mõiste piltlik selgitus. Geometriseeritud ülesehitus. merit telje ülesehitus, L Elusobjektide unistus on sümboolses vormis. L11 Dream Ühisteadvust kirjeldab R11 Dreams filosoofia, teadus, L10 Life religioon, metodoloogia R10 Lives Elusobjekt on aine väikseim osake L9 Programme millel säilib teovõimeline teadvus R9 Programmes L8 Project An observer can really sense R8 Projects axis all layers using a L7 Game symbolic language and a R7 Games methods for the system L6 Application values measurement R6 Applications L5 Process R5 Processes L4 Task R4 Tasks L3 Work R3 Works L2 Activity R2 Activities L1 Act First layer R1 Actions First level L0 Logistic links R0 Device D 1... x (object rest mass) RM Matter (Existence of 5D space) Matter support all realization levels Eeldusplokk, sisendandmed Mõte Elu sündimine Eluetapi kava Eesmärk, raha Tehakse käik Tehn.probleem Tootmiskäsk Üles. püstitus Meetod, energia Takistuse määr Lähtepinge Ühendused Obj. Aeg-ruum Teostuse nimetus, funktsiooni blokid Unistus Mõtlemist toetav teadvus Elamise kava Elava olendi alateadvus Programm Programmiline ressurss Projekt Projektide ressurss, raha Mäng Mänge toetavad reeglid Rakendus Lahendusi tagav ressurss Protsess Protsesse tagav metoodik Ülesanne Ülesannete teost. meetod Töö Töid toetav energiasalv Tegevus Tegevusi tagavad takistid Toiming Toiminguid tagav kood Liikumine, vool Edastust toetav aine Mateeria olemine Teostustulem, väljundandmed Soovi teostus Õnnelik olek Meie missioon Tegel.saavutus Mängu seis Saadi lahendus Toode valmis Üles. täidetud Energia ülek. Rak. võimsus Tehe teostatud edastus kanalis Mat-aalne asi Teostuse lõpp, tagajärg Armastus Läbitud elutee Eluvõimelisus Proj. tulemus Võit ja kaotus Lõpplahendus Tehtud tulem Asi edeneb Valmis töö En. muundus Obj. uus pinge Seostatud asi Teost võimalus

26 Väärtuslikkus. Inseneri teadmiste erinevad kvaliteedid. Sisu edastamine toimub eri tasanditel (subjektilt objektile ja ka vastupidi) Erinevad kvaliteedi tasandid kirjeldab merit telg Mina (subjekt) Tarkus Teadmiste kasutamine Teadmiste edastamine Tema (objekt) Tarkus Teadmised info Andmed Teooriad, ontoloogiad Õppimine Temperatuur 20 ºC nime lisamine sisule ja tähenduse andmine Reaalne, materiaalne sisu Teadmised info Andmed

27 Another example may help you to understand the IEC data architecture approach

28 Info sisaldab kolme määrateletud koostisosa: nime, tähendust ja väärtuslikku sisu (ehk andmeid ) Info toetub sisulistele andmetele. (Big Data) We are now firmly in the era of Big Data It is estimated that: 90% of the world's data was created in the past two years, and 90% of this data is of the unstructured variety, which demands omputeintensive processing and analytics.

29 What is Energy? Is Energy conserved? USA füüsik Sabine Hossenfelder Mehhatroonikud kasutavad mõtlemisel energia mõistet. Vaadake lisaks värsket Youtube videot energia ja töö mõistete selgituseks, see on avaldatud november

30 How language shapes the way we think Lera Boroditsky vaatamist 2. mai 2018 There are about 7,000 languages spoken around the world -- and they all have different sounds, vocabularies and structures. But do they shape the way we think? Cognitive scientist Lera Boroditsky shares examples of language -- from an Aboriginal community in Australia that uses cardinal directions instead of left and right to the multiple words for blue in Russian -- that suggest the answer is a resounding yes. "The beauty of linguistic diversity is that it reveals to us just how ingenious and how flexible the human mind is," Boroditsky says. "Human minds have invented not one cognitive universe, but 7,000."

31 Iseseisvaks tutvumiseks füüsikahuvilistele. SEAN CARROLL, Something Deeply Hidden, Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime Link videole Youtube-s. Video avaldati 22. sept 2019 On September 11, 2019, the Midtown Scholar Bookstore welcomed physicist Sean Carroll to Harrisburg to present and sign copies of his new book, Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime. About the Book: Something Deeply Hidden begins with the news that physics is in a crisis. Quantum mechanics underlies all of modern physics but major gaps in the theory have been ignored since Science popularizers keep telling us how weird it is, how contradictory, how impossible it is to understand. Academics discourage students from working on the "dead end" of quantum foundations. Putting his professional reputation on the line, Carroll says that crisis can now come to an end. We just have to accept that there is more than one of us in the universe. There are many, many Sean Carrolls. Many of every one of us. The Many Worlds Theory of quantum behavior says that every time there is a quantum event, a world splits off with everything in it the same, except in that other world the quantum event didn't happen. As you read this, you are splitting into multiple copies of yourself thousands of times per second. Step-bystep in Carroll's uniquely lucid way, he sets out the major objections to this utterly mind-blowing notion until his case is inescapably established. The holy grail of modern physics is reconciling quantum mechanics with Einstein's general relativity his theory of curved spacetime. Carroll argues that our refusal to face up to the mysteries of quantum mechanics has blinded us, and that spacetime and gravity naturally emerge from a deeper reality called the wave function. No book for a popular audience has attempted to make this radical argument. We're on the threshold of a new way of understanding the cosmos.

32 The many worlds of quantum reality with Sean Carroll Video avaldati 14. mail This is an extremely good lecture. For more cool science visit What is quantum mechanics, and why is it so mysterious? What is the Many-Worlds version of quantum mechanics, and why would anyone find it compelling? How do we explain that Schrödinger's cat is both dead and alive? Isn't it unscientific to postulate an infinite number of unobservable worlds? How can space and time emerge from quantum mechanics? One of the great intellectual achievements of the twentieth century was the theory of quantum mechanics, according to which observational results can only be predicted probabilistically rather than with certainty. Yet, after decades in which the theory has been successfully used on an everyday basis, most physicists would agree that we still don't truly understand what it means. Sean Carroll will talk about the source of this puzzlement, and explain why an increasing number of physicists are led to an apparently astonishing conclusion: that the world we experience is constantly branching into different versions, representing the different possible outcome of quantum measurements. What does this have anything do to with space and time? Kategooria Inimesed ja blogid When you observe reality you re just discovering (motional) content qualitative and quantitative values and which timeline point you re in. Elmo Pettai soovitus insenerile, mehhatroonikule. Thinking using the 6D space model

33 Veel huvitavat infot iseseisvaks mõtlemiseks We Might Be Living In Higher Dimensions Neil degrasse Tyson We Might Be Living In Higher Dimensions But Our Senses Can t Tell Yet. Link YouTube-s olevale videole Avaldatud 7. august 2017 During the presentation of his latest book Astrophysics for the rest of us, Neil degrasse Tyson answers questions about events that cannot be explained by our traditional senses, like near death experience. With Robert Krulwich, June Do the Past and Future Exist? Aja mõiste selgitus füüsikult PBS Space Time, 13. oktoober 2020

34 Suudad teostada oma unistused, kui sa ei piira oma mõtlemist. Iseseisvaks mõtlemiseks: Võrdle Sadhguru videos toodud 4D-ruumi mudelit selle esitluse slaididel nr esitatud 6D-ruumi mudeliga. Manifest Your Dreams Into Reality Using 4-Dimensions of Mind By Sadhguru Law of Attraction TIM Avaldati 8. okt 2019 When everything happens as you've desired, you feel happy. You feel sad when nothing happens according to your plans in your life. Have you ever thought why this happens? Ever wondered how to achieve anything you want in your life despite being a mediocre? Does law of attraction really works? Does faith in god really works? In this video, Sadhguru talks about the ways which can help you manifest anything you desire. Sadhguru speech can help you transform your dreams in reality, manifest your dreams into reality. Experience this life-changing motivational speech by Sadhguru.

35 Tänan.