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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch beschreibt mit aussagekräftigen Abbildungen kurz und prägnant die Grundlagen und aktuellen Anwendungen der Mechatronik. Erstmalig wird durchgängig eine "ganzheitlich-systemtechnische" Behandlung mechatronischer Systeme vorgenommen. In der aktuellen Auflage wurden die Messtechnik und Sensorik sowie die Anwendungsgebiete Gerätetechnik, Computertechnik und Bauliche Infrastruktur erweitert. Mit Blick auf das Entwicklungsprojekt Industrie 4.0 werden auch Cyber-physische Systeme (CPS) im Verbund von Mechatronik und Internet-Kommunikation betrachtet. Neu aufgenommen wurden die technische Diagnostik und die Zustandsüberwachung zur Funktionssicherheit und Strukturintegrität. Auf Grund seines didaktischen Konzepts eignet sich das Buch auch sehr gut für das Selbststudium.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter

1. Technik und Mechatronik

Die Mechatronik ist mit der systemtechnischen Kombination von Mechanik – Elektronik – Informatik in Verbindung mit Sensorik und Aktorik für Regelung und Steuerung heute eine grundlegende interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft für alle Bereiche der Technik. Das erste Kapitel des Mechatronik-Buches gibt eine kurze Übersicht über die Entwicklung und die Aufgaben der Mechatronik als Wissenschafts- und Technikgebiet. Mit Blick auf das Entwicklungsprojekt

Industrie

4.0 werden auch

Cyber-physische Systeme

(CPS) im Verbund von Mechatronik und Internet-Kommunikation betrachtet.

Horst Czichos

2. Technische Systeme

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

3. Mechatronische Systeme

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

4. Regelung und Steuerung

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

5. Messtechnik und Sensorik

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

6. Aktorik

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

7. Maschinenbau

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

8. Positionierungstechnik und Robotik

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

9. Produktionstechnik

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

10. Gerätetechnik

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

11. Audio-Video-Technik

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

12. Computertechnik

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

13. Fahrzeugtechnik

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

14. Bauliche Infrastruktur

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

15. Medizintechnik

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

Backmatter

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