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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch beschreibt mit aussagekräftigen Wort-Bild-Graphik-Kombinationen kurz und prägnant die Grundlagen und zeigt aktuelle Anwendungen von mechatronischen Systemen. Erstmalig wird dabei durchgängig eine „ganzheitlich-systemtechnische" Behandlung mechatronischer Systeme vorgenommen. Die neue Auflage wurde durch den Buchteil „Mechatronik und Internet-Kommunikation“ mit den Kapiteln Cyber-physische Systeme und Industrie 4.0 aktualisiert und erweitert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter

1. Technik und Mechatronik – eine Übersicht

Zusammenfassung
Technik bezeichnet die Gesamtheit der von Menschen geschaffenen, nutzorientierten Gegenstände und Systeme sowie die zugehörige Forschung, Entwicklung, Herstellung und Anwendung. Technische Systeme haben die Aufgabe, Material, Energie und Information für Technik, Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar zu machen. Technische Systeme sind nach der Systemtheorie durch ihre Funktion und die sie tragende Struktur gekennzeichnet, siehe Abb. 1.1.
Horst Czichos

Kapitel 2. Technische Systeme

Zusammenfassung
Die Bezeichnung Technisches System wird heute statt der uneinheitlich gebrauchten und schwer abgrenzbaren Ausdrücke Maschine, Gerät, Apparat als fachübergreifender Grundbegriff zur Beschreibung technischer Produkte verwendet. Technische Systeme haben die Aufgabe, Energie, Stoffe (Material) und Information für Technik, Wirtschaft und Gesellschaft bereitzustellen und nutzbar zu machen. Es werden die systemtechnischen Grundlagen und die Eigenschaften technischer Systeme beschrieben, einschließlich der technischen Diagnostik und der Zustandsüberwachung für die Funktionssicherheit und die Strukturintegrität.
Horst Czichos

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Kapitel 3. Mechatronische Systeme

Zusammenfassung
Mechatronische Systeme sind technische Systeme, die auf dem Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik und Informatik basieren. Nach einer Übersicht über Aufbau und Modellbildung werden in knapper Form die Mechanik, die Elektronik und die Informatik in mechatronischen Systemen beschrieben. Die Darstellung der Elemente der Mechatronik wird ergänzt durch die systemtechnischen Gestaltungsgrundlagen und die interdisziplinäre Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme.
Horst Czichos

Kapitel 4. Regelung und Steuerung

Zusammenfassung
Regelung und Steuerung haben die Aufgabe, Funktionsgrößen technischer Systeme entsprechend vorgegebener Sollgrößen zu beeinflussen, wobei die Regelung mit Rückführung (feedback-Regelkreis), d. h. der sensorischen Erfassung von Prozess- und Störgrößen und einem Soll-Ist Abgleich arbeitet. Es werden Regelfunktionen, Regler-Module und die Binäre Steuerungstechnik beschrieben und die Anwendung der Mechatronik in der Steuerungs- und Regelungstechnik dargestellt.
Horst Czichos

Kapitel 5. Messtechnik und Sensorik

Zusammenfassung
Messtechnik und Sensorik sind von grundlegender Bedeutung für die Mechatronik. Die Messtechnik liefert Messdaten für die Funktionsgrößen technischer Produkte, Systeme und Anlagen. Die Sensorik wandelt Funktionsgrößen in elektrische Signale um. Sie ermöglicht damit die Anwendung der elektronischen Signal/Bild-Verarbeitung und den Einsatz der programmierbaren Prozesssteuerung für Aktorik, Regelung und Automatisierung. Ausgehend von der Metrologie, der Wissenschaft des Messens, werden Mess- und Sensortechniken zur Erfassung von geometrischen, kinematischen, dynamischen und thermischen Größen beschrieben. Einbezogen sind die Mikrosensorik, die strukturintegrierte Sensorik (embedded sensors) und sensorbasierte Cyber-physische Systeme.
Horst Czichos

Kapitel 6. Aktorik

Zusammenfassung
Aktoren haben in der Mechatronik die Aufgabe, mit einer geeigneten Hilfsenergie Bewegungen zu erzeugen, Kräfte auszuüben oder mechanische Arbeit zu leisten. Dargestellt sind die durch unterschiedliche Hilfsenergien gekennzeichneten elektromechanischen, piezoelektrischen, fluidmechanischen und thermomechanischen Aktoren mit ihren Prinzipien, Kenndaten und Funktionsdiagrammen. Einbezogen sind die Adaptronik und die Mikroaktorik.
Horst Czichos

Anwendungen

Frontmatter

Kapitel 7. Maschinenbau

Zusammenfassung
Die Entwicklung des Maschinenbaus ist dadurch gekennzeichnet, dass durch das Zusammenwirken mechanischer, elektrischer und elektronischer Komponenten die Leistungsfähigkeit technischer Systeme erheblich gesteigert werden kann (Dubbel). Ausgehend von den klassischen mechanischen Konstruktionselementen und der heutigen Konstruktionssystematik werden mechatronische Funktionsprinzipien für Maschinenelemente und tribologische Systeme beschrieben. Eine wichtige Anwendung der Mechatronik im Maschinenbau betrifft die sensorbasierte Zustandsüberwachung (condition monitoring) der Funktionssicherheit und Strukturintegrität von Maschinen.
Horst Czichos

Kapitel 8. Positionierungstechnik und Robotik

Zusammenfassung
Positionierungstechnik und Robotik haben als Teilbereiche der Handhabungstechnik zwei große Aufgabenfelder: Durchführung von Bewegungsfunktionen von technischen Objekten (z. B. für Sortier- und Logistikprozesse) sowie Fertigungsfunktionen von Werkzeug/Werkstück-Systemen (z. B. beim Schweißen, Lackieren, Laserschneiden). Es werden Prinzipien und Technologien der mechatronischen Positionierungstechnik zur Handhabung technischer Objekte mit Aktorik, Sensorik, Steuerungs- und Regelungstechnik beschrieben sowie Aufbau und Funktion von Industrierobotern dargestellt.
Horst Czichos

Kapitel 9. Produktionstechnik

Zusammenfassung
Die Produktionstechnik dient der Erzeugung von Bauteilen und gebrauchsfertigen Gütern durch Produktionsanlagen und Werkzeugmaschinen. Es wird gezeigt, dass Werkzeugmaschinen heute mechatronische Systeme mit einer mechanischen Grundstruktur, elektro-mechanisch-fluidischen Antrieben, Sensorik, Aktorik und numerischer Prozesssteuerung sind. Die Übersicht über die herkömmlichen Makro- Produktonstechnologien wird ergänzt durch Mikroproduktionstechnologien und Mikrotechnologien für mechatronische Sensoren und Aktoren.
Horst Czichos

Kapitel 10. Gerätetechnik

Zusammenfassung
Die mechatronische Gerätetechnik hat sich aus der Feinwerktechnik entwickelt, die bereits vor Begründung der Mechatronik eine interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft mit der Kombination Feinmechanik–Optik–Elektrik war. Als charakteristische mechatronische Geräte werden Fahrscheinautomaten, elektronische Waagen, Spiegelreflex- und Digitalkameras mit ihrem Aufbau und ihrer Funktion dargestellt. Außerdem werden die Prinzipien der Mikrosystemtechnik behandelt, die mit Bauteilabmessungen im mm/μm-Bereich Funktionalitäten aus Mikromechanik, Mikrofluidik, Mikrooptik, Mikromagnetik und Mikroelektronik gerätetechnisch vereint.
Horst Czichos

Kapitel 11. Audio-Video-Technik

Zusammenfassung
Die Audio-Video-Technik basiert auf der Kombination informationstechnischer mit optischmechanischen oder magnetisch-elektronischen Aufnahme-, Speicher- und Wiedergabetechnologien. Es werden Aufbau und Funktion von CD-Playern und DVDPlayern beschrieben. Sie basieren auf optischen Datenspeichern, bei denen digitalisierte Informationen in mikrogeometrischer Form auf Compact Discs (Audio-CD) oder Digital Versatile Discs (Video-DVD) mittels Lasern „geschrieben“ und „gelesen“ werden, wobei optische Reflexions- und Beugungseigenschaften des Speichermediums genutzt werden.
Horst Czichos

Kapitel 12. Computertechnik

Zusammenfassung
Computer sind programmierbare Rechengeräte. Ihre Funktion basiert auf dem Zusammenwirken geeigneter Programme (Software) und gerätetechnischer Hardware. Die Datenspeicherung erfolgt in einem Festplattenlaufwerk (hard disc drive, HDD). Es bildet ein mechatronisches System, bestehend aus einem rotierenden magnetischen Speichermedium und einem stationären elektro-magnetischen Daten-Schreib-Lesekopf. Es werden Aufbau und Funktion von Festplattenlaufwerken beschrieben – einschließlich von Mikromechanik und Tribologie sowie der neuen Nano-Interface-Technologie zur Erhöhung der Speicherkapazität und damit zur Leistungssteigerung von Computern.
Horst Czichos

Kapitel 13. Fahrzeugtechnik

Zusammenfassung
Bei Anwendungen der Mechatronik in der Fahrzeugtechnik muss die mechatronische Technik im Zusammenwirken mit Mensch und Umwelt gesehen werden. Die Mechatronik im Kraftfahrzeug unterstützt den Fahrer als Operator im „virtuellen Regelkreis“ von Fahrer – Fahrzeug – Umwelt bei der Optimierung des Fahrverhaltens. Es werden die für das Fahrverhalten elementaren Funktionen Fahren – Lenken – Bremsen – Beleuchten – Tasten analysiert und die dafür erforderlichen mechatronischen Techniken im Kraftfahrzeug beschrieben, insbesondere Sensorik und Aktorik.
Horst Czichos

Kapitel 14. Bauliche Infrastruktur

Zusammenfassung
Bauliche Infrastruktur bezeichnet die Gesamtheit aller Bauwerke, die Aufgaben der technischen Infrastruktur (Energieversorgung, Kommunikationstechnik) und der Verkehrsinfrastruktur erfüllen. Es wird gezeigt, wie durch Sensorik, Aktorik und Zerstörungsfreie Prüfung die Standsicherheit, die Verkehrssicherheit und die Dauerhaftigkeit von Infrastrukturbauwerken analysiert und die Strukturintegrität und Funktionalität überwacht werden können (Beispiel: Hauptbahnhof Berlin). In der Gebäudetechnik und bei infrastrukturellen Versorgungsnetzwerken kommt Mechatronik auch bei Heizungstechnik, Lüftungstechnik, Sanitärtechnik zur Anwendung.
Horst Czichos

Kapitel 15. Medizintechnik

Zusammenfassung
Der technische Gegenstand der Medizintechnik sind Medizinprodukte: Geräte, Instrumente, Apparate, die zur Erkennung (Diagnostik), Verhütung (Prävention), Überwachung (Monitoring) und Behandlung (Therapie) von Erkrankungen sowie zur Gesundheitsfürsorge dienen. (EU-Medizinprodukterichtlinie, 1993). Medizintechnische Geräte sind mechatronische Systeme. Sie bestehen aus Mechanik-Elektronik-Informatik-Komponenten und arbeiten mit Sensorik-Aktorik-Funktionselementen. Es werden die Grundlagen der Biosensorik und der Bioaktorik zur Erfassung und Beeinflussung von Körperfunktionen des Menschen beschrieben und gerätetechnische Anwendungen dargestellt, z. B. Blutdrucksensorik, Sonographie, Tomographie.
Horst Czichos

Mechatronik und Internetkommunikation

Frontmatter

16. Cyber-physische Systeme

Zusammenfassung
Cyber-physische Systeme (CPS) sind Mechatronische Systeme mit Internet-Kommunikation. CPS benutzen Sensoren, die Funktionsgrößen technischer Systeme erfassen und über digitale Netze mittels Aktoren auf Produktions-, Logistik- und Engineeringprozesse einwirken, wobei sie über multimodale Mensch-Maschine-Schnittstellen verfügen. Das Kapitel beschreibt das Prinzip Cyber-physischer Systeme sowie die für CPS erforderlichen Technologien der Objektidentifikation, Sensorik und Digitalisierung. Die Anwendung Cyber-physischer Systeme wird am Beispiel der Gefahrgutlogistik dargestellt.
Horst Czichos

17. Industrie 4.0

Zusammenfassung
Industrie 4.0 ist ein Entwicklungsprojekt zur umfassenden Digitalisierung der industriellen Technik. Durch die Anwendung Cyber-physischer Systeme soll die Physische Welt (Produkte, Strukturen, Prozesse) mit der Digitalen Welt (Cloud Computing, Digitale Dienstleistungen) durch die Konnektivität des Internets (www) verbunden werden. Das Kapitel beschreibt die technologische Konzeption von Industrie 4.0 und skizziert das Anwendungspotenzial in den Technikbereichen Produktionstechnik, Energietechnik, Verkehrstechnik und Medizintechnik.
Horst Czichos

Backmatter

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