Książka zawiera najważniejsze zagadnienia modelowania maszyn roboczych, obejmujące modele procesu roboczego, kinematyki osprzętu, układów napędowych i in., które mogą być wykorzystane w syntezie i analizie mechanizmów maszyn roboczych oraz do badania dynamiki maszyn mobilnych i ich osprzętu.

Opisano także zagadnienia sterowania w układach otwartym i zamkniętym z elektronicznymi sprzężeniami zwrotnymi, wykorzystując układy mikroprocesorowe, dla których opracowano oryginalne algorytmy sterowania, tworząc system operator – maszyna – otoczenie. Wiele uwagi poświęcono automatyzacji pracy maszyn roboczych, którą przedstawiono na wybranych przykładach.

Odbiorcy książki: studenci wydziałów mechanicznych wyższych uczelni technicznych o specjalności maszyny robocze i pokrewnych, słuchacze studiów podyplomowych tej specjalności, inżynierowie zajmujący się zawodowo maszynami budowlanymi.

Rozdziały:

1. Wprowadzenie 9

2. Przejawy automatyzacji pracy wybranych maszyn roboczych 14
2.1. Narodziny zjawiska 14
2.2. Intensywność występowania zjawiska i jego zasięg 16
2.3. Przejawy automatyzacji w jednonaczyniowych koparkach hydraulicznych 17
2.3.1. Systemy wzajemnej kontroli silnika i układu hydraulicznego 18
2.3.2. Układy precyzyjnej realizacji założonego ruchu osprzętu 23
2.3.3. Układy zapewniające bezawaryjną i bezkolizyjną pracę 31
2.4. Przejawy automatyzacji w koparko-ładowarkach 37
2.4.1. Systemy wzajemnej kontroli silnika i układu hydraulicznego 37
2.4.2. Układy precyzyjnej realizacji założonego ruchu osprzętu 38
2.4.3. Układy zapewniające bezawaryjną i bezkolizyjną pracę 39
2.5. Przejawy automatyzacji w innych, masowo produkowanych maszynach roboczych 39
2.5.1. Systemy sterowania zespołem silnika, pomp i przekładni głównej 40
2.5.2. Automatyczne systemy wielofunkcyjnego sterowania 41
2.5.3. Układy zapewniające bezawaryjną i bezkolizyjną pracę 42
2.5.4. Układ automatycznej stabilizacji wysięgnika w czasie jazdy 44
2.5.5. Układ automatycznej kontroli procesu ładowania urobku 44
2.6. Przewidywane kierunki rozwoju automatyzacji w maszynach roboczych 45

3. Metodyka tworzenia modeli funkcjonalnych maszyn roboczych 46
3.1. Wprowadzenie 46
3.2. Kinematyka pracy maszyny 46
3.2.1. Wiadomości wstępne 46
3.2.2. Pole pracy koparki 49
3.2.3. Siły w polu pracy 51
3.2.4. Podsumowanie 55
3.3. Proces roboczy –urabianie gruntów 56
3.3.1. Wiadomości wstępne 56
3.3.2. Siły w procesie urabiania 59
3.3.3. Algorytmy sterowania procesem skrawania 61
3.3.4. Maksymalna siła skrawająca 62
3.4. Optymalizacja wielokryterialna w procesach roboczych koparek hydraulicznych 64
3.5. Budowa strukturalna maszyn 66
3.5.1. Silnik spalinowy 66
3.5.2. Układ hydrauliczny 67
3.5.3. Układ elektryczny 70
3.5.4. Układ mechaniczny 70
3.6. System diagnostyczny koparki 70
3.6.1. Parametry diagnostyczne systemu 71
3.6.2. Wymagania dotyczące warunków pracy układu diagnostycznego 71
3.6.3. Określenie parametrów pomiarowych (symbole) 71
3.6.4. Obwody czujnikowe 72
3.7. Podsumowanie 74
3.8. Literatura 74

4. Projektowanie układów hydraulicznych sterowanych i regulowanych z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów 76
4.1. Wstęp 76
4.2. Wprowadzenie do projektowania układów hydraulicznych sterowanych i regulowanych z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów 76
4.3. Etapy studium projektowania złożonego systemu 77
4.4. Podstawy teoretyczne projektowania napędu i sterowania hydraulicznego 80
4.4.1. Podstawy działania układów hydraulicznych 80
4.4.2. Pompy 91
4.4.3. Odbiorniki hydrauliczne 92
4.4.4. Elementy sterujące 92
4.4.5. Układy hydraulicznego zasilania w samojezdnych maszynach roboczych 99
4.4.6. Czujniki pomiarowe 109
4.5. Od sterowania do regulacji układu hydraulicznego 113
4.5.1. Wiadomości wstępne 113
4.5.2. Tor sterowania 114
4.5.3. Układ regulacji 115
4.6. Metoda projektowania sterowania układem hydraulicznym 116
4.6.1. Wiadomości wstępne 116
4.6.2. Modele funkcjonalne systemów sterowania 117
4.6.3. Wymagania dotyczące wyposażenia manipulatora ratowniczego 118
4.6.4. Etapy pracy podczas usuwania materiałów niebezpiecznych 119
4.6.5. Podstawowe rodzaje napędów stosowane w manipulatorach ratowniczych 120
4.6.6. Napęd hydrauliczny 121
4.7. Przykład zrealizowanego układu hydraulicznego mechanizmu obrotu 152
4.7.1. Opis stanowiska badawczego mechanizmu obrotu manipulatora sterowanego cyfrowo, z napędem silnikiem hydraulicznym 153
4.7.2. Opis użytych elementów hydraulicznych badanego układu 156
4.7.3. Opis programu sterującego 162
4.7.4. Wyniki badań 166
4.8. Podsumowanie 171
4.9. Literatura 172

5. Technologie i projektowanie komputerowych systemów pokładowych dla maszyn roboczych 175
5.1. Wprowadzenie 175
5.2. Podstawowe pojęcia i problemy 175
5.2.1. Systemy cyfrowe, komputerowe, informatyczne 175
5.2.2. Systemy cyfrowe w przemyśle (produkcyjnym) 176
5.2.3. Systemy cyfrowe w pojazdach 177
5.2.4. Maszyny robocze i ich specyfika 177
5.3. Systemy informatyczne w automatyzacji i sterowaniu (w tym w maszynach roboczych) 179
5.3.1. Rola sprzętu i oprogramowania 179
5.3.2. System wbudowany 180
5.3.3. System reaktywny 180
5.3.4. System czasu rzeczywistego 181
5.3.5. System rozproszony 182
5.4. Technologia sprzętu komputerowego w systemach wbudowanych 183
5.4.1. Sprzęt dedykowany a komercyjny 183
5.4.2. Wymagania związane z warunkami pracy i niezawodnością 184
5.4.3. Budowa komputerów przemysłowych 185
5.4.4. Komunikacja 188
5.4.5. Sensory i aktuatory oraz układy wejścia-wyjścia 192
5.4.6. Komunikacja człowiek-maszyna, czyli interfejs dla operatora, diagnosty i in. 194
5.5. Oprogramowanie 195
5.5.1. Oprogramowanie systemowe i aplikacyjne 196
5.5.2. Systemy operacyjne czasu rzeczywistego (RTOS) 196
5.5.3. Środowisko kodowania, uruchamiania i testowania oprogramowania 200
5.5.4. Języki programowania (kodowania) systemów czasu rzeczywistego 201
5.6. Projektowanie systemów wbudowanych 203
5.6.1. Wprowadzenie 203
5.6.2. Modele projektowania w informatyce 203
5.6.3. Inżynieria oprogramowania i inżynieria systemów 204
5.6.4. Projektowanie architektury przez modelowanie (MDA) 206
5.6.5. UML i SysML 208
5.7. Eksperymentalny system dla koparki hydraulicznej 211
5.7.1. Założenia 212
5.7.2. Budowa systemu eksperymentalnego 212
5.7.3. Zadania i procesy w systemie 214
5.7.4. Struktura oprogramowania systemu 214
5.7.5. Uwagi końcowe 215
5.8. Podsumowanie 216
5.9. Rozwinięcia skrótów i akronimów 216
5.10. Literatura 217

6. Modelowanie dynamiczne maszyn roboczych 219
6.1. Uwagi ogólne 219
6.2. Kinematyka koparki 220
6.2.1. Wprowadzenie 220
6.2.2. Współrzędne opisujące ruch koparki 221
6.2.3. Funkcje opisujące położenie punktów koparki 223
6.2.4. Prędkość i przyspieszenie punktów koparki 225
6.2.5. Kinematyka ostrza łyżki 228
6.2.6. Kinematyka siłowników 231
6.2.7. Kinematyka ruchu obrotowego 240
6.2.8. Kinematyka podwozia 243
6.3. Statyka koparki 246
6.3.1. Statyka siłowników 246
6.3.2. Siły nacisku na podłoże 249
6.4. Dynamika koparki 252
6.4.1. Wprowadzenie 252
6.4.2. Wyznaczanie uogólnionej siły bezwładności metodą Lagrange’a 252
6.4.3. Wyznaczanie uogólnionej siły bezwładności metodą Gaussa 255
6.4.4. Opis siły bezwładności według metody Newtona-Eulera 257
6.4.5. Siły obciążające koparkę 259
6.4.6. Dynamika napełniania i rozładowania łyżki koparki 262
6.5. Podsumowanie 263
6.6. Literatura 265

7. Problemy konfiguracji toru pomiarowego 266
7.1. Wprowadzenie 266
7.2. Realizacja fizyczna toru pomiarowego 271
7.3. Parametry toru pomiarowego 272
7.3.1. Właściwości statyczne toru pomiarowego 273
7.3.2. Właściwości dynamiczne toru pomiarowego 274
7.4. Wpływ struktury toru pomiarowego na błąd 278
7.5. Zasilanie układów pomiarowych 279
7.6. Przesyłanie informacji 282
7.6.1. Przesyłanie sygnałów elektrycznych 282
7.6.2. Transmisja radiowa 285
7.6.3. Sieci wymiany danych 285
7.7. Podsumowanie 286
7.8. Literatura 286

8. Algorytmy sterowania maszynami roboczymi 287
8.1. Automatyczny system diagnostyczny 287
8.1.1. Budowa systemu 287
8.1.2. Testy 290
8.1.3. Obwody czujnikowe 292
8.1.4. Algorytm działania systemu diagnostycznego 297
8.2. Automatyczny system pozycjonowania 297
8.3. Podsumowanie 310
8.4. Literatura 311

9. Komunikacja człowiek-maszyna robocza 312
9.1. Wprowadzenie 312
9.2. Podstawowe zasady projektowania interfejsów HMI 314
9.2.1. Standaryzacja interfejsów HMI 315
9.2.2. Podstawowe zasady projektowania interfejsów HMI 315
9.3. System wspomagania operatora koparki 323
9.4. System diagnostyczny koparki BRAWAL 327
9.4.1. Automatyczny system diagnostyczny 327
9.4.2. System automatycznego pozycjonowania 329
9.5. Symulator diagnostyki koparki z interfejsem operatora 332
9.5.1. Schemat funkcjonalny 333
9.5.2. Sygnały diagnostyczne 334
9.5.3. Selekcja i hierarchizacja wyświetlanych informacji 335
9.5.4. Projekt interfejsu 335
9.5.5. Program sterujący interfejsem 355
9.6. Podsumowanie 363
9.7. Literatura 364

10. Praktyczne zastosowania systemów automatyzujących pracę maszyn roboczych 365
10.1. Wprowadzenie 365
10.2. System Wspomagania Operatora Maszyny Roboczej 366
10.3. Automatyzacja ruchów roboczych minikoparki 371
10.4. Badania energooszczędnych procesów urabiania 380
10.4.1. Wprowadzenie 380
10.4.2. Metoda przygotowania ośrodka gruntowego 380
10.4.3. Procedura badań procesu urabiania 381
10.4.4. Przygotowanie wzorcowej trajektorii 381
10.4.5. Narzędzie do weryfikacji trajektorii 385
10.4.6. Badania wpływu kąta skrawania na opory urabiania 387
10.4.7. Podsumowanie 390
10.5. Zdalne sterowanie pracą koparki 392
10.6. Zastosowanie sieci CAN w sterowaniu maszyn roboczych 397
10.7. Modularny zautomatyzowany system sterowania agregatem ciągnikowym 404
10.7.1. Wprowadzenie 404
10.7.2. Model funkcjonalny układu ciągnik-narzędzie-podłoże 406
10.7.3. Model komputerowy agregatu ciągnikowego 409
10.7.4. Budowa systemu sterowania agregatu ciągnikowego 413
10.7.5. Modularny system sterowania 415
10.7.6. Podsumowanie wyników badań 427
10.7.7. Podsumowanie aplikacji sterowania agregatem ciągnikowym 428
10.8. Literatura 430

11. Podsumowanie 433

12. Literatura uzupełniająca 438