Mechatronics

Supply of a good quality product or a system to the market is the basic aim of the manufacturing industry. The product should satisfy the needs of the customers and it must be reliable. To achieve this important product-parameter during a short lead time is really a challenge to the manufacturing industry. This can be achieved by building up the ‘quality’ right from the product design stage; and maintaining the standards during the ‘production stages’ till the product-delivery to the market. A number of sensors and systems have been developed that can monitor quality continuously  with  or  without  the  assistance  of  the  operator.  These  technologies include various sensors and data acquisition systems, machine vision systems, metrology instruments such as co-ordinate measuring machine (CMM), optical profilometers, digital calipers and screw gauges etc. Now days the quality control activities are being carried out right from the design stage of product development. Various physics based simulation software is used to predict the performance of the product or the system to be developed. In the manufacture of products such as spacecrafts or airplanes, all the components are being critically monitored by using the digital imaging systems throughout their development. In the next module we will study the various sensors, signal conditioning devices and data   conversion   devices   which   are   commonly   used   in   mechatronics   and manufacturing automation. Assignment 1 Visit to your nearby tool room or CNC work shop and prepare a case study on a real life example on tool wear monitoring system employed in the same. Assignment 2 Differentiate between an FMS and a CIM system. Prepare a report on how automation can enhance the productivity of a mold-making tool room to cater the changing customer demands in terms of shape, size and…

we have seen that  a number of activities and operations viz. designing, analyzing, testing, manufacturing, packaging, quality control, etc. are involved in the life cycle of a product or a system (see Figure 1.1.4). Application of principles of automation to each of these activities enhances the productivity only at the individual level. These are termed as ‘islands of automation’. Integrating all these islands of automation into a single system enhances the overall productivity. Such a system is called as “Computer Integrated Manufacturing (CIM)”. The Society of Manufacturing Engineers (SME) defined CIM as ‘CIM is the integration  of  the  total  manufacturing  enterprise  through  the  use  of  integrated systems and data communications coupled with new managerial philosophies that improve organizational and personal efficiency’. CIM basically involves the integration of advanced technologies such as computer aided design (CAD), computer aided manufacturing (CAM), computer numerical control (CNC), robots, automated material handling systems, etc. Today CIM has moved a step ahead by including and integrating the business improvement activities such as customer satisfaction, total quality and continuous improvement. These activities   are   now   managed   by   computers.   Business   and   marketing   teams continuously feed the customer feedback to the design and production teams by using the networking systems. Based on the customer requirements, design and manufacturing teams can immediately improve the existing product design or can develop an entirely new product. Thus, the use of computers and automation technologies made the manufacturing industry capable to provide rapid response to the changing needs of customers.

Nowadays customers are demanding a wide variety of products. To satisfy this demand, the manufacturers’ “production” concept has moved away from “mass” to small “batch” type of production. Batch production offers more flexibility in product manufacturing. To cater this need,Flexible Manufacturing Systems (FMS) have been evolved. As per Rao, P. N. [3], FMS combines microelectronics and mechanical engineering to bring the economies of the scale to batch work. A central online computer controls the machine tools, other work stations, and the transfer of components and tooling. The computer also providesmonitoring and information control. This combination of flexibility and  overall  control  makes  possible the production  of  a wide range of products in small numbers. FMS is a manufacturing cell or system consisting of one or more CNC machines, connected by automated material handling system, pick-and-place robots and all operated under the control of a central computer. It also has auxiliary sub-systems like component load/unload station,automatic tool handling system, tool pre-setter, component measuring station, wash station etc. Figure 1.2.4 shows a typical arrangement of FMS system and its constituents. Each of these will have further elements depending upon the requirement as given below, A.  Workstations – CNC machine tools – Assembly equipment – Measuring Equipment – Washing stations B.  Material handling Equipment – Load unload stations (Palletizing) – Robotics – Automated Guided Vehicles (AGVs) – Automated Storage and retrieval Systems (AS/RS) C.  Tool systems – Tool setting stations – Tool transport systems D.  Control system – Monitoring equipment’s – Networks It can be noticed that the FMS is shown with two machining centers viz. milling center and turning center.  Besides it has the load/unload stations, AS/RS for part and raw material storage, and a wire guided AGV for transporting the parts between various elements of the FMS. Thissystem is fully automatic means it has automatic tool changing (ATC) and automatic pallet changing (APC) facilities. The central computer controls the overall operation and coordination amongst the various constituents…

Uninterrupted machining is one of the challenges in front manufacturers to meet the production goals and customer satisfaction in terms of product quality. Tool wear is a critical factor which affects the productivity of a machining operation. Complete automation of a machining processrealizes when there is a successful prediction of tool  (wear)  state  during  the  course  of  machining  operation.  Mechatronics  based cutting tool-wear condition monitoring system is an integral part of automated tool rooms and unmanned factories. These systems predict the tool wearand give alarms to the system operator to prevent any damage to the machine tool and workpiece. Therefore it is essential to know how the mechatronics is helping in monitoring the tool wear.  Tool wear can be observed in a variety of ways. These can be classified in two groups (Table1.2.1). Table 1.2.1 Tool monitoring systems [2] Direct methods Indirect methods Electrical resistance Torque and power Optical measurements Temperature Machining hours Vibration & acoustic emission Contact sensing Cutting forces & strain measurements Direct methods deal with the application of various sensing and measurement instruments such as micro-scope, machine/camera vision; radioactive techniques to measure the tool  wear.  The used  or  worn-out  cutting tools  will  be taken  to  the metrology or inspection section of the toolroom or shop floor where they will be examined by using one of direct methods. However, these methods can easily be applied  in  practice when  the cutting tool  is  not  in  contact  with  the work  piece. Therefore they are called as offline tool monitoring system. Figure 1.2.2 shows a schematic of tool edge grinding or replacement scheme based on the measurement carried out using offline tool monitoring system. Offline methods are time consuming and difficult to employ during the course of an actual machining operation at the shop floor.            Figure 1.2.2 Off-line and on-line tool monitoring system for tool edge grinding Indirect methods predict the condition of the cutting tool by analyzing the relationship between cutting conditions and response of machining process as a measurable quantity through sensor signals output such as force, acoustic emission, vibration, or current. Figure 1.2.2…

CNC machine is the best and basic example of application of Mechatronics in manufacturing automation. Efficient operation of conventional machine tools such as Lathes, milling machines, drilling machine is dependent on operator skill and training. Also a lot of time is consumed inwork part setting, tool setting and controlling the process parameters viz. feed, speed, depth of cut. Thus conventional machining is slow and expensive to meet the challenges of frequently changing product/part shape and size. Figure 1.2.1 Comparison between a conventional machine tool and a CNC machine tool Computer numerical control (CNC) machines are now widely used in small to large scale industries. CNC machine tools are integral part of Computer Aided Manufacturing (CAM) or Computer Integrated Manufacturing (CIM) system. CNC means operating a machine tool by a series of…

Mechatronics has a variety of applications as products and systems in the area of ‘Manufacturing automation’. Some of these applications are as follows: 1.   Computer numerical control (CNC) machines 2.   Tool monitoring systems 3.   Advanced manufacturing systems a.   Flexible manufacturing system (FMS) b.   Computer integrated manufacturing (CIM) 4.   Industrial robots 5.   Automatic inspection systems: machine vision systems 6.   Automatic packaging systems Now, let us know in brief about these applications one by one.

Figure 1.1.3 Operations involved in design and manufacturing of a product Today’s customers are demanding more variety and higher levels of flexibility in the products. Due to these demands and competition in the market, manufacturers are thriving to launch new/modified products to survive. It is reducing the product life as well as lead-time tomanufacture a product.  It is therefore essential to automate the manufacturing and assembly operations of a product. There are various activities involved in the product manufacturing process.  These are shown in figure 1.1.3. These activities can be classified into two groupsviz. design and manufacturing activities. Mechatronics concurrently employs the disciplines of mechanical, electrical, control and computer engineering at the stage of design itself. Mechanical discipline is employed in terms of various machines and mechanisms, whereas electrical engineering as various electric primemovers viz. AC/DC, servo motors and other systems is used. Control engineering helps in the development of various electronics- based control systems to enhance or replace the mechanics of the mechanical systems. Computers are widely used to write various software’s to controlthe control systems; product design and development activities; materials and manufacturing resource planning, record keeping, market survey, and other sales related activities. Using computer aided design (CAD) / computer aided analysis (CAE) tools, three- dimensional models of products can easily be developed. These models can then be analyzed and can be simulated to study their performances using numerical tools. These numerical tools are beingcontinuously updated or enriched with the real-life performances of the similar kind of products. These exercises provide an approximate idea about performance of the product/system to the design team at the early stage of the  product  development.  Based  on  the  simulation  studies,  the  designs  can  be modified to achieve better performances. During the conventional design- manufacturing process, the design assessment is generally carried out after the production of first lot of the products. This consumes a…

Graduates with a Mechatronics degree can take up careers in a wide spectrum of industries including robotics, aerospace, chemical, defence and automotive and manufacturing where complex software plays a major role, as well as in businesses that require extensive computer support, such as banking and commerce. Contributions can be made to these industries in a…

Mechatronics combines mechanical, electrical and software engineering in the design, development and control of diverse systems used in a range of industries including manufacturing, medicine and the service industries. Examples of mechatronic systems include aircraft, dishwashers, motor vehicles, automated manufacturing plants, medical and surgical devices and systems, robots of all types, many toys, artificial organs…

The evolution of modern mechatronics can be illustrated with the example of the automobile. Until the 1960s, the radio was the only significant electronics in an automobile. All other functions were entirely mechanical or electrical, such as the starter motor and the battery charging systems. There were no “intelligent safety systems,” except augmenting the bumper…