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2003 | Buch | 2. Auflage

Einführung in die Mechatronik

verfasst von: Prof. Dr.-Ing. Werner Roddeck

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

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Über dieses Buch

Der Begriff Mechatronik (engl. mechatronics) ist ein Kunstwort und wurde vor ca. 30 Jahren in Japan von einem Entwickler aus dem Bereich der Robotertechnik geprägt. Er setzt sich aus den beiden Namen der bekannten Disziplinen der Ingenieur-wissenschaften -Mechanik oder Maschinenwesen (engl. mechanics) und Elektronik (engl. electronics) -zusammen. ln den letzten 10 Jahren ist er auch in Deutschland in aller Munde und vor 9 Jahren wurde der erste Studiengang mit dem Abschluss "Dipl.-lng. Mechatronik" an der Fachhochschule Bochum eröffnet. Diesem Beispiel sind inzwischen viele Hochschulen gefolgt, indem sie Studiengänge "Mechatronik" oder Studienrichtungen mit entsprechenden Studienanteilen einrichteten. Seit einigen Jahren ist der "Mechatroniker" auch ein anerkannter Ausbildungsberuf, was die Nachfrage der Fachdisziplin "Mechatronik" in der Industrie dokumentiert. Die Notwendigkeit für diese neue Disziplin der Ingenieurwissenschaften ergibt sich aus der immer weiter zunehmenden Durchdringung maschinenbaulicher Produkte mit Anteilen aus dem Bereich der Elektrotechnik und der Informatik. Dabei werden nicht nur einzelne Komponenten konventioneller Produkte ersetzt, sondern die Entwicklung folgt einem ganz neuen Denkansatz. Man versucht, das Gesamtsystem zu verstehen und zu modellieren und wählt dann für die verschiedenen Teilsysteme solche Komponenten und Methoden aus, die zu einfacheren, preiswerteren und funktionaleren Gesamtsystemen führen. Dies ist nur dann möglich, wenn Produktentwickler fachübergreifende Kenntnisse aus allen genannten Bereichen der Ingenieurwissenschaften besitzen. Im Prinzip sind alle Methoden und Komponenten, die in der Mechatronik eingesetzt werden, als Teilgebiete bereits bekannt und es gibt darüber umfangreiche Spezialliteratur. Bei Erscheinen der 1. Auflage dieses Buches fehlte jedoch eine Gesamtschau der Mechatronik, die die Teilgebiete in einen Zusammenhang setzte.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Der Begriff Mechatronik (engl. Mechatronics) ist ein Kunstwort und wurde vor ca. 30 Jahren in Japan von einem Entwickler aus dem Bereich der Robotertechnik geprägt. Es setzt sich aus den beiden Namen der bekannten Disziplinen der Ingenieurwissenschaften — Mechanik oder Maschinenwesen (engl. Mechanics) und Elektronik (engl. Electronics) — zusammen. Damit ist dieser Name bereits ein Programm und deutet an, dass die Mechatronik Inhalte der beiden oben genannten Disziplinen zusammenfügt. In Japan legt man den Begriff Mechatronics sehr weit aus.
Werner Roddeck
2. Modellbildung technischer Systeme
Zusammenfassung
In Kapitel 1 wurde bereits kurz auf die Modellbildung technischer Systeme am Beispiel eines einfachen mechanischen und eines elektrischen Systems eingegangen. Um die Kinematik und die Dynamik eines komplexen Systems anschließend behandeln zu können und darauf aufbauend ein Steuerungs- und Regelungskonzept des Systems zu entwickeln, ist immer zuerst eine solche Modellbildung erforderlich, d. h. letztendlich die Bildung eines Satzes mathematischer Beschreibungen des Systemverhaltens (Bild 2-1). Diese mathematische Beschreibung durch Differentialgleichungen und Anfangsbedingungen ist dann zwar exakt und lässt genaue Aussagen für das Modell zu, aber die Gleichungen gelten eben nicht für das reale Objekt der Betrachtung, sondern für sein Modell. Dies bedeutet, dass das Modell häufig nicht exakt das reale Verhalten beschreibt und meist auch gar nicht soll.
Werner Roddeck
3. Dynamik mechanischer Systeme
Zusammenfassung
Hat man ein Modell für das mechatronische System aufgestellt, so muss man die in ihm ablaufenden Bewegungen mathematisch beschreiben. Dazu gehören die Beschreibung der Lage und der Orientierung der einzelnen Körper zueinander und die Bestimmung der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die Kinematik beschäftigt sich mit den Bewegungen, ohne die Ursachen der Bewegungen, nämlich Kräfte oder Momente, in die Betrachtung mit einzubeziehen. Die Kinetik wiederum untersucht die Wechselwirkung zwischen den Ursachen und den Bewegungen von Massen.
Werner Roddeck
4. Schwingungen
Zusammenfassung
Für viele mechanische Strukturen ist das einfachste Modell der Einmassenschwinger, so wie er in Bild 4-1 dargestellt ist. Er besteht aus einer Masse, einer Feder und einem Dämpfungselement. Dieses Modell geht davon aus, dass alle Massen der Anordnung in der Masse m konzentriert sind und somit die Feder und der Dämpfer masselos sind. Die aus Gründen der besseren Darstellbarkeit räumlich gezeichnete Masse muss man sich als Punktmasse denken. Weiterhin wird in der Regel für die Feder die Gültigkeit des Hooke’schen Gesetzes (Robert Hooke: engl. Naturphilosoph 1635 – 1703) angenommen. Es besagt, dass die Verformung eines elastischen Körpers der verformenden Kraft proportional ist. Dies gilt natürlich nur im sogenannten elastischen Bereich des Körpers; bei sehr großen Kräften tritt plastische Verformung auf, ein nichtlineares Verhalten. Die Feder wird daher als ein Element angenommen, bei dem ein linearer Zusammenhang zwischen Belastung und Dehnung besteht. Das Dämpfungselement ist ein viskoser Dämpfer, für das ein linearer Zusammenhang zwischen der Dämpfungskraft und der Relativgeschwindigkeit der sich bewegenden Dämpferteile besteht. Diese Gesetzmäßigkeit wird auch als Newton’ sches Reibungsgesetz bezeichnet. Die Masse selber hat nur einen Freiheitsgrad, kann sich also nur in vertikaler Richtung in der Bildebene bewegen. Um ein solches System in Schwingungen zu versetzen, muss eine äußere Erregerkraft auf die Masse einwirken.
Werner Roddeck
5. Sensoren
Zusammenfassung
Um solche und andere Signale, wie sie im letzten Kapitel dargestellt wurden, erfassen zu können und daraus Informationen über die Umwelt und den inneren Zustand des mechatronischen Systems zu gewinnen, benötigt man Sensoren. Schauen wir uns das schon mehrfach behandelte Strukturbild eines mechatronischen Systems in Bild 1–22 an, so finden wir die in diesem Kapitel zu behandelnden Sensoren oder Messwertaufnehmer an zwei Stellen. Zum einen dienen sie dazu, dem System Informationen über physikalische Größen (Kräfte, Temperaturen, Magnetfelder usw.) aus der Umwelt zu verschaffen und zum anderen finden sie sich als Aufnehmer für Rückmeldungen aus den systemeigenen Bewegungssystemen. Bei der letzten Gruppe, die in jedem mechatronischen System in verschiedenartigem Umfang vorhanden ist, handelt es sich um Sensoren für die Messung von Wegen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, die benötigt werden, um den Bewegungszustand des Systems zu erfaßen und zu regeln. Die erstgenannte Gruppe kann praktisch alle denkbaren Messwerterfaßungen beinhalten, wobei nicht ausschließlich Größen außerhalb des Systems, sondern möglicherweise auch innere Zustände wie beispielsweise Motor- oder Öltemperaturen erfasst werden müssen.
Werner Roddeck
6. Aktoren
Zusammenfassung
Für die Erzeugung von Bewegungen, oder das Aufbringen von Kräften, werden in mechatronischen Systemen Antriebe (Aktoren oder Aktuatoren) benötigt. Da sie häufig in lagegeregelten Antriebssystemen (Servosystemen) eingesetzt werden, kommen hier im wesentlichen drehzahl- oder geschwindigkeitsregelbare Antriebe in Frage. Diese Anforderung erfüllen die meisten elektrischen oder fluidischen Antriebe, auf denen das Hauptaugenmerk dieses Kapitels liegen wird.
Werner Roddeck
7. Prozessdatenverarbeitung- und Regelungstechnik
Zusammenfassung
Schaut man sich die bereits mehrfach angesprochene Grundstruktur eines mechatronischen Systems in Bild 7-1 an, so sieht man, dass die Beschreibung des Verhaltens eines Teils der Systemkomponenten bereits in den vorausgegangenen Kapiteln erfolgt ist. Die dick umrahmten Systeme sind mechanische Systeme, deren mathematische Behandlung in den Kapiteln 3 und 4 ausführlich durchgeführt wurde. Die hellgrau unterlegten Systeme Sensoren und Aktoren wurden ebenfalls in den Kapiteln 5 und 6 behandelt.
Werner Roddeck
8. Simulation
Zusammenfassung
In der Entwicklungs- oder Planungsphase von komplexen Bewegungssystemen mit unübersichtlichen Bewegungsvorgängen ist es heute vielfach üblich, solche Systeme nicht an körperlich vorhandenen Prototypeneinrichtungen zu erproben und zu optimieren, sondern sie auf einem Digitalrechner zu simulieren. Die dazu erforderliche Software wird als Simulationssystem bezeichnet. Solche Simulationssysteme gibt es zur Simulation der Kinematik (Beispiel Robotersimulationssystem), zur Simulation dynamischer Vorgänge (Beispiel regelungstechnisches Simulationssystem) oder auch zur Simulation statischer Belastungen (Beispiel Finite-Element-System). Weitere Simulationssysteme befassen sich mit der Simulation des elektrischen Verhaltens von Schaltungen und Bewegungssystemen.
Werner Roddeck
9. Mechatronische Systeme
Zusammenfassung
In diesem abschließenden Kapitel werden nun einige Systeme vorgestellt, die typischerweise in der Mechatronik behandelt werden. Anhand der Beispiele soll nochmals aufgezeigt werden, wie die Prinzipien und Methoden, die in den vorhergehenden Kapiteln erläutert wurden, zur Anwendung kommen und bei realen technischen Produkten zu verbesserten Problemlösungen führen.
Werner Roddeck
Backmatter
Metadaten
Titel
Einführung in die Mechatronik
verfasst von
Prof. Dr.-Ing. Werner Roddeck
Copyright-Jahr
2003
Verlag
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-322-91180-3
Print ISBN
978-3-519-16357-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-322-91180-3