Introduction to Mechatronics

Front Matter......Page 1
Preface......Page 3
Tables of Contents......Page 6
1.1 Synergy of Systems......Page 10
1.2 Definition of Mechatronics......Page 12
1.3.2 Software Integration......Page 14
1.3.5 Robotics......Page 15
1.3.8 Vibration and Noise Control......Page 16
1.3.10 Optics......Page 17
1.4 Objectives, Advantages, and Disadvantages of Mechatronics......Page 18
Illustrative Examples......Page 19
Exercises......Page 20
2.1 Production Unit......Page 21
2.2 Input/Output and Challenges in Mechatronic Production Units......Page 22
2.3 Knowledge Required for Mechatronics in Manufacturing......Page 25
2.4.1 Flexible Manufacturing System......Page 26
2.4.2 Manufacturing Automatic Protocol......Page 29
2.5 Computer Integrated Manufacturing......Page 30
2.6 Just-in-Time Production Systems......Page 31
Illustrative Examples......Page 32
Exercises......Page 35
3.1.1 Forces......Page 36
3.1.2 Friction......Page 38
3.1.3 Lubrication......Page 39
3.2.1 Stress and Strain......Page 41
3.2.2 Stress-Strain Behaviour......Page 42
3.2.3 Bending of Beams and Torsion on Shaft......Page 44
3.2.4 Trusses and Frames......Page 45
3.4 Heat Treatment......Page 47
3.6 Fits and Tolerance......Page 48
3.7 Surface Texture and Scraping......Page 49
3.8 Machine Structure......Page 50
3.9 Guideways......Page 51
3.11.1 Lever and Four-Bar Mechanisms......Page 53
3.11.2 Bearings......Page 55
3.11.3 Clutches......Page 57
Illustrative Examples......Page 61
Exercises......Page 65
4.1 Conductors, Insulators, and Semiconductors......Page 66
4.2 Passive Electrical Components......Page 67
4.2.1 Resistor......Page 68
4.2.2 Capacitor......Page 70
4.2.3 Inductor......Page 71
4.2.4 Transformer......Page 73
4.3.1 Semiconductor Devices......Page 74
4.3.2 Transistor......Page 78
4.3.3 Integrated Circuits......Page 80
4.4.1 Logic Gates......Page 81
4.4.2 Flip-Flops......Page 83
4.4.3 Shift Register......Page 84
4.4.4 Multiplexer......Page 85
4.4.5 Counter......Page 86
Illustrative Examples......Page 87
Exercises......Page 90
5. Computing Elements in Mechatronics......Page 91
5.1 Analog Computer......Page 92
5.2 Timer 555......Page 94
5.3 Analog to Digital Conversion......Page 95
5.4 Digital to Analog Conversion......Page 97
5.5 Digital Computer......Page 98
5.6 Architecture of a Microprocessor......Page 100
5.7 Microcontroller......Page 103
5.8 Programmable Logic Controller......Page 104
5.9.1 Hardware Devices Used for Computer Storage......Page 106
5.9.2 Computer Input Devices......Page 108
5.9.3 Computer Output Devices......Page 110
Illustrative Examples......Page 114
Exercises......Page 118
6. Systems Modelling and Analysis......Page 119
6.1.1 Classification of Systems......Page 121
6.1.2 Modelling of Systems......Page 123
6.1.3.2 First Order System......Page 124
6.1.3.3 Second Order System......Page 126
6.2 Standard Test Signals......Page 127
6.3.1 Time Response of a First Order System......Page 129
6.3.2 Time Response of a Second Order System......Page 131
6.3.3 Characteristics of an Under-Damped System......Page 134
6.3.4 Steady State Response......Page 138
6.4 Block Diagram Manipulation......Page 139
6.5 Automatic Controllers......Page 141
6.6 Frequency Domain Analysis......Page 143
6.7 Modern Control Theory......Page 144
6.7.1 State Space Equation of a System......Page 145
6.7.3 Feedback Controller Design......Page 147
6.9 Digital Control System......Page 150
6.9.1 Direct Digital Control System......Page 151
6.9.2 Computer Algorithm for Controller or Compensator......Page 152
6.9.3 Discrete Data Control System......Page 153
Illustrative Examples......Page 156
Exercises......Page 158
7. Motion Control Devices......Page 160
7.1 Hydraulic and Pneumatic Actuators......Page 161
7.1.1 Hydraulic Servo System......Page 167
7.1.2 Pneumatic System......Page 168
7.2 Electrical Actuators......Page 169
7.2.1 Mechanical Switches......Page 170
7.2.2 Solid State Devices......Page 171
7.2.4 Electric Motors......Page 173
7.3 DC Servomotor......Page 175
7.4 Brushless Permanent Magnet DC Motor......Page 178
7.5 AC Servomotor......Page 179
7.6 Stepper Motor......Page 180
7.7 Microctuators......Page 181
7.7.1 Microgripper......Page 183
7.7.2 Micromotor......Page 184
7.8 Drive Selection and Applications......Page 185
Illustrative Examples......Page 188
Exercises......Page 192
8. Sensors and Transducers......Page 194
8.1 Static Performance Characteristics......Page 195
8.2 Dynamic Performance Characteristics......Page 196
8.3.1 Potentiometer......Page 198
8.3.3 Resolver......Page 200
8.3.4 Optical Encoder......Page 201
8.3.5 Hall Sensor......Page 202
8.3.6 Moire\'s Fringe Sensor......Page 203
8.4 External Sensors......Page 204
8.4.1 Proximity Sensors......Page 205
8.4.2 Range Finder......Page 206
8.4.3 Tactile Sensors......Page 208
8.4.4 Machine Vision......Page 211
8.4.5 Force Sensors......Page 214
8.5.1 Strain Gauges......Page 216
8.5.2 Thermocouples......Page 218
8.5.5 Chemical Sensors......Page 220
8.5.6 Optical Sensors......Page 221
Illustrative Examples......Page 222
Exercises......Page 224
9. CNC Machines......Page 225
9.1 Adaptive Control Machine System......Page 229
9.2.1 Compensation and Override......Page 230
9.2.2 Co-Ordinate System......Page 231
9.2.3 CNC Programming Procedure......Page 234
9.2.4 Interpolation......Page 238
9.2.5 Cutter Compensation......Page 240
9.2.6 Part Program......Page 242
Exercises......Page 255
10. Intelligent Systems and Their Applications......Page 257
10.1 Artificial Neural Network......Page 258
10.2 Genetic Algorithm......Page 266
10.3 Fuzzy Logic Control......Page 269
10.4 Nonverbal Teaching......Page 272
10.5 Design of Mechatronic Systems......Page 273
10.5.2 Stages in the Designing Process......Page 274
10.6 Integrated Systems......Page 277
10.6.1 Washing Machine System......Page 278
10.6.2 Automatic Camera System......Page 279
10.6.3 Inkjet Printer System......Page 281
10.6.4 Laser Printer System......Page 282
10.6.5 Bathroom Scale System......Page 283
10.6.6 Alarm Indicator and Data Logger Systems......Page 285
Case Study 10.1: Slip Casting Process......Page 286
Case Study 10.2: Pick-and-Place Robot......Page 291
Exercises......Page 294
11.1 Autotronics......Page 295
11.1.1 Car Engine Management......Page 297
11.1.2 Windscreen Wiper Mechanism......Page 298
11.1.3 Digital Speedometer and Odometer......Page 300
11.1.5 Radiator Water Level Indicator and Control of Radiator Fan......Page 302
11.1.6 Engine Temperature Measurement......Page 303
11.1.7 Vehicle Suspension System......Page 304
11.1.8 Car Park Barrier......Page 307
11.1.9 Antilock or Antiskid Device......Page 308
11.2 Bionics......Page 309
11.2.1 Biological Systems......Page 310
11.2.3 Glucose Detection and DNA Sensing......Page 312
11.2.5 Photodynamic Therapy......Page 314
11.2.7 Neuro-Electronic Interface......Page 315
11.2.9 Biotechnology......Page 316
11.3.1 Cockpit Instrumentation......Page 318
11.3.2 Alarms and Safety Devices......Page 320
11.3.3 Aircraft Guidance and Control......Page 321
11.3.4 Air Traffic Control......Page 322
11.3.5 Aircraft Engine Control......Page 323
Exercises......Page 325
Appendix A: Laplace Transform......Page 326
Bibliography......Page 328
A......Page 335
B......Page 336
C......Page 337
D......Page 338
G......Page 339
K......Page 340
M......Page 341
P......Page 343
S......Page 344
T......Page 345
W......Page 346