mechatronika musí projít rukama studentů
V životě nás potkává množství situací, kdy bychom rádi myšlenku nebo „sen“ přeměnili na realitu. Takové sny máme i my dospělí, kteří pracujeme s virtuální realitou. Něco se navrhne, namodeluje, ale mnohokrát nedojde z různých příčin k realizaci projektu. Ale jsou i případy, kdy autor realizaci obětuje všechen svůj čas, o úsporách nemluvě. Takto to bylo i v případě modelu výtahu, kdy v duchu „škola hrou“ byla možnost se něco naučit a naučené zúročit realizací, abychom si pak mohli trochu pohrát a dále zdokonalovat.

Inspirace a cíl

Článek se zabývá konstrukcí funkčního modelu výtahu, který byl vytvořen pro didaktické účely. Tento funkční model byl vyvinut na Strojní fakultě Technické univerzity v Košicích. Některé funkční části byly v porovnání se skutečnými výtahy zjednodušené. Studenti mají možnost prakticky si ověřit své získané poznatky o aplikacích snímačů, akčních a řídicích členech. Mechatronika tak může projít doslova rukama studentů.
Cílem bylo vytvořit didaktický plně funkční model výtahu, který by bylo možno využívat v pedagogickém procesu. Snahou bylo vytvořit řešení, které by napodobovalo konstrukci skutečných výtahů, avšak některé funkční části byly zjednodušeny, za účelem jednoduchosti realizace tohoto modelu.

         
Virtuální model výtahu a jeho praktická realizace

Trocha historie

První výtah, o kterém víme, sestrojil slavný řecký učenec Archimedes asi v roce 236 př. n. l. Kabina visela na kovovém lanu a do výšky ji zvedal ruční vrátek. Výtah měl i římský císař Nero (37–68 n. l.). Jeho výtah měl dokonce bezpečnostní zařízení, a to kožený nafukovací vak, který měl zmírnit následky případného pádu. Výtah v obytném domě použil pravděpodobně v roce 1670 E. Weigel v Jeně, ale pravá éra výtahů začíná až od roku 1853, kdy Američan Elisha Graves Otis zkonstruoval a vystavěl výtah v podstatě dnešní konstrukce. Výtah byl po stranách vedený lištami a měl bezpečnostní zařízení. To tvořily tzv. zachytávače, které v případě přetržení lana zabrzdily kabinu výtahu na vodítku.
Mechanika a celkové uspořádání našeho modelu výtahu byly navrženy s podporou CAD systémů, kde byly navrženy některé členy a některé mechanismy pro jednotlivé funkce výtahu [1].

Funkce didaktického modelu výtahu

Didaktický model výtahu obsahuje čtyři podlaží. Čtyři podlaží jsou zvolena kvůli rozměrovému omezení modelu, který je určen jako didaktická pomůcka pro využití v laboratorních podmínkách na fakultě. Na každém podlaží mohou čekat „Aktivní cestující“, kteří budou inicializovat přivolávání výtahu. Z hlediska řízení je model výtahu vybaven funkcí snímání přítomnosti osob v kabině. Tato funkce má zajistit splnění požadavku vyšší priority zadávání příkazů z kabiny a má přispět k zamezení zadávání matoucí příkazů, které s oblibou zadávají někteří neukáznění uživatelé. Jelikož někteří uživatelé výtahů velmi rádi zkoušejí rozměrovou a hmotnostní kapacitu výtahových kabin, má význam také zavedení funkce snímání přetížení kabiny výtahu.

Signalizace polohy kabiny na podlažích je realizována i v tomto didaktickém modelu. Model je vybaven na každém podlaží modulem signalizace o okamžité poloze kabiny na poschodí. Tato signalizace je vytvořena pomocí světelných LED diod. Signalizace polohy kabiny je umístěna i v kabině, tedy v našem případě na boku kabiny z vnější strany, aby bylo možno zadávat příkazy i během pohybu kabiny.
Přivolávač se signalizací polohy kabiny, řízení kabiny a praktická realizace

Konstrukce modelu umožňuje realizovat i plynulý rozběh a dojezd výtahové kabiny, což je z hlediska uživatele také důležitá funkce. Pro účely ovládání pohybu kabiny modelu je zajištěna funkce detekce polohy kabiny. Snímání polohy bylo navrženo tak, aby bylo možné bezpečně určit polohu kabiny i v případě výpadku napájecího napětí.
Didaktický model disponuje funkcí plynulého zavírání a otevírání dveří – dveře výtahu se neotevírají na jednotlivých podlažích skokově, ale s plynulým rozběhem nebo dojezdem při zavírání dveří.


Servomechanismus ovládání dveří

Přivolávání výtahu na podlažích – při přivolávání kabiny výtahu bude k dispozici možnost volby směru, kterým chceme cestovat. Takto bude ošetřeno druhé a třetí podlaží. Na prvním a posledním podlaží bude samozřejmě jen jedna možnost.
Model výtahu je vybaven bezpečnostními koncovými spínači, které mají zabránit havárii systému v případě selhání nebo chybně navrženého algoritmu řízení. Tuto možnost budou zajišťovat koncové havarijní dorazy umístěné v koncových polohách dráhy pohybu kabiny.
Kabina výtahu obsahuje kromě tlačítek pro volbu cílového podlaží i tlačítko STOP, po jeho stisknutí by měl výtah zastavit. Po tomto kroku bude možnost navolení nových požadavků pro přepravu. Tato možnost bude k dispozici i při poruše vlivem výpadku energie, kdy kabinka zastaví v náhodné poloze.
Model výtahu disponuje také několika bezpečnostními prvky, které mají zamezit riziku poranění uživatele modelu při nesprávné manipulaci. K dispozici je i snímání prostoru dveří, přičemž při přítomnosti objektu u dveří se dveře nezavřou [2, 3].

Konstrukční řešení didaktického modelu výtahu

Pro zajištění pohybu kabiny byl vybrán stejnosměrný motor s cizím buzením, přičemž přenos točivého momentu byl zajištěn pomocí převodu ozubenými koly na závitovou tyč. Kabina je spojena s pohybovou maticí, a tedy otáčením pohybového šroubu dochází k pohybu výtahové kabiny. Samotná kabina se pohybuje ve vedení. Jde o nestandardní řešení oproti skutečným výtahům, kde se využívají střídavé pohony v kombinaci s lanovými převody. Toto řešení však bylo zvoleno hlavně z důvodu jednoduchosti realizace [2, 3].

Konstrukce vedení kabiny a řešení pohonu závitové tyče

Praktické řešení pohonu závitové tyče, připevnění matice ke kabině a závitová tyč v matici

Funkce snímání přítomnosti osob a přetížení kabiny je realizována pomocí dvojité podlahy. Snímání tíhové síly objektů v kabině je realizováno pomocí snímání deformace tlačné pružiny.

Dvojitá podlaha kabiny s podlahovým spínačem, servomechanismus dveří a ovládání výtahu

Funkce snímání polohy kabiny je realizována pomocí infračervených optických závor, přičemž neprůhledná závora je upevněna na kabině, takže při pohybu kabiny dochází k přerušení světelného toku v optické bráně. Rozmístění optických závor a jejich počet byl navržen tak, aby v každé poloze byla „aktivována“ minimálně jedna optická závora. Tím je dosaženo podrobné informace o poloze výtahové kabiny [2, 3].

Závěr

Finální konstrukční řešení didaktického modelu výtahu je uvedeno na obr. 3. Toto řešení je koncipováno tak, aby umožňovalo vysokou míru variability, tj. aby bylo možno sestavit různé zapojení a aby bylo možno jednotlivé moduly používat i zvlášť při výuce vybraných problémů. Studenti si tedy v první fázi musí pomocí drátových propojek nejprve sestavit hardwarové řešení výtahu a v další fázi vypracují algoritmus provádění jednotlivých funkcí a vhodný software. Některé moduly byly obohaceny o ochranné prvky, které mají zabránit jejich poškození při nesprávné manipulaci s nimi. Zároveň byly doplněny i ochranné kryty a další prvky, aby nedošlo k poranění nebo kolizi s jinými předměty.
Model je vyroben z lehkých a průhledných materiálů, aby byl zajištěn požadavek názornosti pro studenty. Celý model má výšku cca 500 mm tak, aby manipulace s ním byla jednoduchá.

Článek byl vypracován s podporou projektu VEGA 1/0201/08 „Výskum štruktúr a správania sa modulov mechatronickej mobilnej technickej sústavy na úrovni orgánov a stavebných prvkov za účelom zlepšenia vlastnosti mobilnej technickej sústavy“, VEGA 1/4164/07 „Výskum špecifických problémov pri meraní dĺžok a bilancovaní neistôt merania“ a VEGA 1/0156/09 „Optimalizácia biomimetického návrhu miniatúrneho mechatronického systému a jeho aplikácia v roji kooperujúcich systémov“.

Literatura

[1] Historie výtahů [on-line] 2006, [citace z 20. prosince 2006], dostupné na internetu: <vytahy.sk/Vynalez.html – 8k>.
[2] Kubinec, S.: Návrh didaktického modelu výťahovej sústavy. Diplomová práce. TU SjF Košice, vedoucí práce: doc. Ing. Michal Kelemen, PhD., 2007.
[3] Kubinec, S.: Didaktický model výťahu. In: AT & P journal plus. Č. 1 (2007), s. 283–285. ISSN 1336-5010.
[4] Baranová, Eva - STANOVY, Eva: Helical-cyclic motion. In: Transactions of the Technical University of Košice. Košice: TU, 1997. s. 24–27. ISSN 1335-2334.