Reka Bentuk dan Teknologi nota, bab 1
Aplikasi teknologi: Reka bentuk mekatronik
Buku teks Reka Bentuk dan Teknologi Tingkatan 3 KSSM (2018), halaman 1–35
Matlamat bab ini
- Murid boleh menyatakan maksud reka bentuk mekatronik (1.1.1)
- Murid boleh mengenal pasti elemen mekatronik (1.1.2)
- Murid boleh menerangkan fungsi elemen mekatronik pada produk sedia ada (1.1.3)
- Murid boleh menghasilkan gambar rajah blok (block diagram) produk mekatronik sedia ada (1.1.4)
- Murid boleh menghasilkan lakaran bahagian reka bentuk produk yang akan diubah suai berdasarkan gambar rajah blok yang terlibat (1.1.5)
- Murid boleh membuat penambahbaikan kepada produk berdasarkan lakaran yang telah dibuat (1.1.6)
- Murid boleh membuat penilaian kefungsian produk yang telah diubah suai (1.1.7)
1.1Reka bentuk mekatronik
Mesin fotokopi, lif dan palang automatik ialah produk yang anda temui setiap hari. Semuanya digerakkan oleh motor, tetapi bukan manusia yang mengawal setiap gerakannya. Produk seperti ini ialah hasil reka bentuk mekatronik. Di Tingkatan 2 anda belajar reka bentuk mekanikal, elektrik dan elektronik. Dalam bab ini semuanya digabungkan dengan sistem kawalan dan pengaturcaraan.
Gambar foto 1.1: buku teks RBT Tingkatan 3, ms. 2.
1.1.1 Maksud reka bentuk mekatronik
Reka bentuk mekatronik ialah reka bentuk produk atau sistem yang menggabungkan disiplin ilmu elektrik, mekanikal, elektronik, kawalan dan pengaturcaraan untuk mencapai tujuan yang dikehendaki.
- Konsep mekatronik diperkenalkan oleh Tetsuro Mori, seorang jurutera di Jepun, pada tahun 1969. Beliau mendefinisikannya sebagai aplikasi elektronik dan teknologi komputer untuk mengawal pergerakan sistem mekanikal sesuatu produk.
- Istilah ini gabungan meka (daripada mekanikal) dan tronik (daripada elektronik).
- Apabila semua elemen disepadukan (integrasi), produk berfungsi secara automatik atau separa automatik. Pengguna hanya menekan suis kawalan; produk menjalankan tugasan yang ditetapkan dan berhenti sendiri apabila selesai.
Revolusi Industri
| Peringkat | Ciri utama |
|---|---|
| 1.0 | Reka bentuk mekanikal menggantikan tenaga manusia |
| 2.0 | Penemuan tenaga elektrik: produk dihasilkan dalam kuantiti lebih besar dan cepat |
| 3.0 | Penggunaan meluas reka bentuk elektronik, kemudian digabungkan menjadi reka bentuk mekatronik |
| 4.0 | Mekatronik digabungkan dengan Internet benda, data raya dan pengkomputeran awan untuk membentuk sistem pengeluaran pintar (konsep cyberphysical) |
Rajah 1.1: buku teks RBT Tingkatan 3, ms. 5.
Namakan dua teras Revolusi Industri 4.0 selain robot berautonomi.
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Mana-mana dua: keselamatan siber, persepaduan sistem, Internet benda, simulasi, pembuatan bahan tambah, pengkomputeran awan, realiti terimbuh, data raya.
1.1.2 Elemen mekatronik
Mekatronik menggabungkan empat elemen asas kejuruteraan. Gabungan ini membolehkan produk berfungsi dengan sempurna, cekap, produktif dan berkesan.
Rajah 1.2: buku teks RBT Tingkatan 3, ms. 7.
| Elemen | Maksud | Contoh komponen |
|---|---|---|
| Sistem elektrik | Sistem yang menggunakan arus elektrik, arus terus (AT) atau arus ulang-alik (AU), sebagai bekalan kuasa. Membekalkan arus kepada peranti dan mengambil kira keselamatan, kedudukan peranti dan sambungan litar. | Bateri, panel solar, pengawal pengecas solar, pengubah, motor AT, motor AU |
| Sistem mekanikal | Gabungan komponen mekanikal yang berfungsi sebagai penghantar memindahkan sumber gerakan (motor) kepada bentuk gerakan lain, sama ada bergerak atau berputar. | Gear, tali sawat, takal, gear rak dan pinan, dram, galas bebola |
| Sistem elektronik | Susunan dan sambungan fizikal komponen elektronik dalam suatu litar untuk menjalankan operasi sesuatu sistem. | Perintang, diod, kapasitor, transistor, suis, penderia, papan litar, litar bersepadu |
| Sistem kawalan dan pengaturcaraan | Kaedah mengurus, mengarah atau mengawal atur tindakan supaya produk berfungsi secara automatik. Pengaturcaraan ialah menulis atur cara untuk mikropengawal. | Mikropengawal, papan litar mikropengawal, atur cara (C++, Python, Scratch, mBlock) |
- Bahasa pengaturcaraan berasaskan teks termasuk Java, Python, Visual Basic dan C++. Yang berasaskan blok arahan termasuk Scratch, mBlock, JavaScript Block dan Ardublock.
- Sintaks ialah peraturan yang menguasai struktur sesuatu bahasa. Semantik ialah proses yang dilalui komputer semasa melaksanakan atur cara.
Sistem kawalan ialah kaedah mengawal tindakan produk. Pengaturcaraan ialah proses menulis arahan yang dimuat naik ke mikropengawal. Pengaturcaraan menyediakan arahan; sistem kawalan melaksanakannya pada produk.
Sebuah pemain DVD menggunakan gear rak dan pinan serta tali sawat untuk membuka dan menutup dulang cakera. Elemen mekatronik apakah ini?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Sistem mekanikal, kerana gear dan tali sawat memindahkan gerakan motor.
1.1.3 Fungsi elemen mekatronik pada produk sedia ada
Setiap elemen dalam produk mekatronik ada fungsi tersendiri. Jadual berikut meringkaskan tiga produk dalam buku teks.
| Elemen | Kereta kawalan jauh (ms. 12–13) | Pintu gelangsar automatik (ms. 14–15) | Mesin basuh automatik (ms. 16–17) |
|---|---|---|---|
| Mekanikal | Gear: mengurangkan atau meningkatkan halaju dan menambah daya kilas (torque) motor | Takal dan tali sawat membuka dan menutup pintu; gear pada motor memudahkan pergerakan | Takal, tali sawat, gear, dram dan galas bebola menghasilkan putaran dram |
| Elektronik | Menerima isyarat input dari alat kawalan jauh dan menukarnya kepada isyarat elektrik untuk memacu motor AT (pemacu motor, modul geganti) | Litar pemacu motor; penderia gerakan mengesan pergerakan dan menghantar isyarat kepada sistem kawalan | Butang panel kawalan (ON/OFF, START, PAUSE); kapasitor dan diod pada papan litar tercetak |
| Elektrik | Bateri sebagai sumber tenaga; motor AT | Motor AT dan pengubah (transformer) membekalkan tenaga elektrik | Pengubah dan motor AU membekalkan tenaga kepada kawalan motor dan motor |
| Kawalan dan pengaturcaraan | Mikropengawal mengawal halaju dan arah putaran motor AT | Memproses isyarat dari penderia gerakan dan menghantar isyarat output kepada pemacu motor AT | Mikropengawal diatur cara untuk mengawal sistem elektrik, elektronik dan mekanikal |
Pengubah menaikkan atau menurunkan voltan bekalan arus ulang-alik. Motor AT memerlukan bekalan arus terus (contohnya bateri), manakala motor AU pada mesin basuh menggunakan bekalan arus ulang-alik.
Pada pintu gelangsar automatik, apakah fungsi penderia gerakan dan apakah yang berlaku jika ia tidak mengesan sebarang gerakan?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Penderia gerakan mengesan sebarang pergerakan di hadapan pintu dan menghantar isyarat input kepada sistem kawalan. Jika tiada pergerakan dikesan, pintu kekal tertutup.
1.1.4 Gambar rajah blok produk mekatronik
Gambar rajah blok ialah lukisan yang mewakili litar atau elemen dalam bentuk blok. Anak panah menunjukkan urutan blok. Setiap blok dilabel mengikut fungsi, nama elemen atau litar.
| Bahagian | Fungsi | Contoh |
|---|---|---|
| Input (peranti masukan) | Menerima dan menghantar isyarat kepada bahagian pengawal | Panel kawalan tanpa wayar, penderia, mod pilihan |
| Proses (pengawal) | Memproses isyarat mengikut pengaturcaraan | Mikropengawal |
| Output (peranti keluaran) | Melaksanakan tindakan selepas menerima isyarat daripada pengawal | Pemacu motor, motor, pembaz, lampu LED |
Rajah 1.7 hingga 1.10: buku teks RBT Tingkatan 3, ms. 18–21, dilukis semula.
Pemacu motor, motor dan komponen mekanikal yang digerakkan ialah output, bukan input. Mikropengawal sahaja ialah bahagian proses. Setiap produk ada gambar rajah blok yang berbeza.
Lukis gambar rajah blok ringkas bagi kipas siling automatik yang dihidupkan melalui telefon pintar.
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Input: panel kawalan tanpa wayar (telefon pintar) → Proses: mikropengawal → Output: pemacu motor → motor → bilah kipas berputar. Setiap blok dilabel dan dihubungkan dengan anak panah dari kiri ke kanan.
1.1.5 Lakaran bahagian yang akan diubah suai
Buku teks menggunakan kereta kawalan jauh sebagai contoh. Pengubahsuaian dikenal pasti mengikut urutan berikut.
- Kenal pasti masalah melalui sumbang saran. Masalah yang dikenal pasti: kereta tidak mempunyai lampu, tidak mempunyai kawalan kelajuan dan mudah rosak apabila berlanggar dengan dinding (Rajah 1.11).
- Analisis fungsi menggunakan model fungsi, iaitu gambaran hubung kait antara komponen dan fungsi (contohnya roda memegang lantai, gear mengawal roda).
- Analisis berantai punca-kesan: bertanya "Mengapa?" berulang kali sehingga sampai kepada punca dan batasan (limitation).
- Penyelesaian masalah inventif menggunakan prinsip inventif.
Rajah 1.12 dan 1.13: buku teks RBT Tingkatan 3, ms. 23.
Batasan yang ditemui: pencahayaan di kawasan gelap tidak mencukupi dan gerak balas perlahan untuk memberhentikan kereta sebelum berlanggar. Kedua-dua masalah berlaku pada waktu tertentu sahaja (di kawasan gelap; ketika ada halangan), maka kaedah pemisahan masa dipilih.
| Prinsip inventif | Penerangan | Pengubahsuaian |
|---|---|---|
| Tindakan awal (preliminary action) | Melakukan tindakan awal untuk mengawal risiko | Perintang peka cahaya (LDR) mengesan tahap cahaya, mikropengawal menghidupkan lampu LED. Penderia inframerah mengesan jarak selamat, mikropengawal memberhentikan kereta dan menghidupkan pembaz. |
Seterusnya, lakaran perkembangan idea dihasilkan berdasarkan gambar rajah blok dan perlu mengambil kira elemen dan prinsip reka bentuk. Tiga idea dilakar; idea ketiga dipilih kerana memenuhi kriteria pemilihan dan mampu dibangunkan, lalu dipersembahkan sebagai lakaran 3D bermaklumat.
Rajah 1.15 dan 1.16: buku teks RBT Tingkatan 3, ms. 25–26.
Kriteria pemilihan lakaran: menarik perhatian pengguna; warna seimbang dan sesuai; bentuk mudah dihasilkan; mempunyai nilai estetika; maklumat lakaran lengkap.
Mengapakah kaedah pemisahan masa dipilih untuk menyelesaikan masalah kereta kawalan jauh?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Kerana masalah pencahayaan hanya berlaku pada waktu tertentu (di kawasan gelap) dan masalah gerak balas hanya berlaku apabila ada halangan di laluan kereta.
1.1.6 Penambahbaikan produk berdasarkan lakaran
Idea, bahan dan teknologi yang dipilih mesti dijustifikasikan untuk menentukan sama ada produk berfungsi sebahagian atau sepenuhnya.
| Bahagian | Penambahbaikan | Justifikasi | Tindakan |
|---|---|---|---|
| Hadapan | LDR dan lampu LED | LDR mengesan tahap cahaya dan menghantar isyarat kepada mikropengawal; lampu LED menyala apabila cahaya berada di luar julat yang ditetapkan | Pasang LDR dan lampu LED; atur cara supaya mikropengawal menghidupkan lampu |
| Hadapan | Penderia inframerah | Mengesan halangan pada jarak yang ditetapkan dan menghantar isyarat kepada mikropengawal | Pasang penderia dan pembaz; atur cara supaya motor AT berhenti dan pembaz hidup serentak |
| Atas bumbung | Pembaz | Berbunyi apabila jarak dengan halangan berada dalam julat yang ditetapkan | Pasang pembaz |
Enam langkah proses penambahbaikan
| Langkah | Perkara penting |
|---|---|
| 1. Membuat lakaran | Mengambil kira elemen dan prinsip reka bentuk supaya memenuhi keperluan dan kehendak pengguna |
| 2. Memilih bahan | Penderia inframerah, pembaz, LDR, lampu LED dan wayar |
| 3. Membuat pengaturcaraan | Membangunkan atur cara dan memuat naik kepada papan litar mikropengawal |
| 4. Membina dan memasang | Memasang komponen; faktor keselamatan diutamakan |
| 5. Membuat kemasan | Menambah daya tarikan, melindungi komponen elektrik daripada sentuhan dan mengurangkan risiko kecederaan |
| 6. Produk akhir | Kereta kawalan jauh yang telah ditambah baik |
Pengaturcaraan dibuat sebelum pemasangan akhir dan kemasan. Kemasan bukan sekadar hiasan: ia juga melindungi pengguna daripada sentuhan komponen elektrik.
1.1.7 Penilaian kefungsian produk yang diubah suai
Penilaian kefungsian menentukan sama ada penambahbaikan mencapai objektif yang ditetapkan. Ujian parameter dijalankan dalam situasi sebenar untuk menilai keberkesanan penambahbaikan terhadap kefungsiannya tanpa mengubah fungsi asal produk.
Gambar foto 1.11: buku teks RBT Tingkatan 3, ms. 30.
| Penambahbaikan | Ujian parameter | Keputusan |
|---|---|---|
| LDR dan lampu LED | Gerakkan kereta ke kawasan gelap | Lampu LED menyala di kawasan gelap |
| Penderia inframerah dan pembaz | Gerakkan kereta ke kawasan berhalangan; uji pembaz apabila halangan dikesan. Ujian dilaksanakan 3 kali. | Kereta berhenti secara automatik dan pembaz berbunyi |
Penilaian juga mengambil kira keupayaan produk, nilai estetika dan keselamatan. Senarai semak menilai perkara seperti: adakah reka bentuk menyelesaikan masalah, berkualiti baik, selamat digunakan, tiada bahagian tajam, tiada bahagian elektronik yang membahayakan pengguna dan boleh dihasilkan dengan kos yang efektif.
Cadangan penambahbaikan lanjutan dalam buku teks: kawalan melalui isyarat tangan, kelajuan yang boleh dikawal, dan span di hadapan sebagai penyerap hentakan. Nilai murni: jujur dan tepat semasa merekod keputusan ujian.
Mengapakah ujian terhadap pembaz dilaksanakan sebanyak 3 kali dan bukan sekali sahaja?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Mengulang ujian memastikan produk berfungsi dengan konsisten, bukan kebetulan sekali sahaja, supaya keputusan lebih boleh dipercayai.
Rumusan
| Topik | Perkara penting |
|---|---|
| Maksud | Gabungan elektrik, mekanikal, elektronik, kawalan dan pengaturcaraan; diperkenalkan oleh Tetsuro Mori pada 1969. |
| Elemen (4) | Sistem elektrik, mekanikal, elektronik, kawalan dan pengaturcaraan. |
| Produk contoh | Kereta kawalan jauh, pintu gelangsar automatik, mesin basuh automatik. |
| Gambar rajah blok | Input, proses (mikropengawal), output; anak panah menunjukkan urutan. |
| Mengenal pasti pengubahsuaian | Sumbang saran, model fungsi, analisis berantai punca-kesan, prinsip inventif (tindakan awal). |
| Lakaran | Lakaran perkembangan idea, kemudian lakaran 3D bermaklumat idea terpilih. |
| Proses penambahbaikan (6) | Lakaran, bahan, pengaturcaraan, membina dan memasang, kemasan, produk akhir. |
| Penilaian | Ujian parameter dalam situasi sebenar; senarai semak keupayaan, estetika dan keselamatan. |