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2008 | Buch

Integrierte mechanisch-elektronische Systeme Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Mechatronische Systeme

Grundlagen

verfasst von: Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Rolf Isermann

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Mechatronische Systeme entstehen durch Integration von vorwiegend mechanischen und elektronischen Systemen sowie zugehöriger Informationsverarbeitung. Wesentlich ist dabei die Integration der mechanischen und elektronischen Elemente durch ihre räumliche Anordnung und durch ihre Funktionen sowie die Erzielung synergetischer Effekte. Die örtliche Integration erfolgt durch den konstruktiven Entwurf, die funktionelle Integration durch die Informationsverarbeitung und damit durch die Gestaltung der Software.

Das vorliegende Buch führt in den Aufbau und die Modellbildung mechatronischer Systeme in einer einheitlichen Form ein und stellt das Verhalten von mechanischen Bauelementen, elektrischen Antrieben, Maschinen, Sensoren, Aktoren und Mikrorechnern dar. Ziel dabei ist, ein bestimmtes Systemverhalten zu erreichen.

Die zweite Auflage enthält wesentliche Erweiterungen bei der Entwicklungsmethodik, bei mechanischen Komponenten, elektrischen Antrieben, Beispielen von Maschinenmodellen, Sensoren, hydraulischen und pneumatischen Aktoren und fehlertoleranten Systemen. Aufgabensammlungen ergänzen die einzelnen Kapitel.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Integrierte mechanisch-elektronische Systeme

1. Integrierte mechanisch-elektronische Systeme
Auszug
Integrierte mechanisch-elektronische Systeme entstehen durch eine geeignete Kombination von Mechanik, Elektronik und Informationsverarbeitung. Dabei beeinflussen sich diese Bereiche wechselseitig. Man beobachtet zunächst eine Verlagerung von Funktionen der Mechanik zur Elektronik, dann die Hinzunahme von erweiterten und neuen Funktionen. Schließlich entwickeln sich Systeme mit gewissen intelligenten bzw. autonomen Eigenschaften. Für dieses Gebiet der integrierten mechanisch-elektronischen Systeme wird seit einigen Jahren der Begriff „Mechatronik“ verwendet.

Grundlagen der Modellbildung

Frontmatter
2. Grundlagen der theoretischen Modellbildung technischer Prozesse
Auszug
Das zeitliche Verhalten von technischen Systemen kann mit Hilfe der Systemtheorie nach einheitlichen Methoden beschrieben werden. Hierzu müssen jedoch mathematische Modelle für das statische und dynamische Verhalten der Systemkomponenten oder Prozesse bekannt sein.
3. Grundgleichungen für die Dynamik mechanischer Systeme mit bewegten Massen
Auszug
Die Bildung von mathematischen Modellen für mechanische Systeme ist Gegenstand der Mechanik. Ihre Aufstellung im Hinblick auf technische Anwendungen wird in der Technischen Mechanik und Maschinendynamik gelehrt. Dabei kann man das Gebiet wie in Bild 3.1 unterteilen.

Modelle mechanischer und elektrischer Komponenten und Maschinen

Frontmatter
4. Modelle mechanischer Komponenten
Auszug
Mechanische Systeme, Maschinen und Geräte bestehen in der Regel aus
  • Massen (Punktmassen, starre Körper),
  • Verbindungselementen (Stäbe, Balken, Federn, Riemen, Dämpfer),
  • Maschinenelementen (Lager, Getriebe, Führungen, Zylinder mit Kolben).
5. Modelle elektrischer Antriebe
Auszug
Elektrische Antriebe sind in mechatronischen Systemen in einer großen Vielfalt vertreten. Sie dienen hauptsächlich der Erzeugung von Kräften und Bewegungen für mechanische Systeme. Beispiele sind elektrische Kraftmaschinen (Motoren) zum Antrieb von Arbeitsmaschinen oder elektrische Aktoren (Stellmotoren, Servomotoren) zum Antrieb von Stellgliedern. In beiden Fällen kann man direkt erzeugte Kräfte und Bewegungen in translatorischer oder rotatorischer Form unterscheiden. Im Folgenden werden zunächst der Aufbau und die Modellbildung von Elektromagneten und Gleichstrommotoren mit mechanischer und elektronischer Kommutierung exemplarischen behandelt. Dabei werden die wichtigsten Gleichungen dieser elektromagnetischen Komponenten so angegeben, wie sie zur Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens mechatronischer Gesamtsysteme benötigt werden. Dann folgt eine Übersicht besonderer Bauarten von Gleichstrommotoren kleiner Leistung und ihres Betriebsverhaltens. Für Drehstrommotoren (Asynchron- und Synchronmotoren) und Wechselstrommotoren werden die wichtigsten Bauarten, das prinzipielle Betriebsverhalten und einige Modelle einschließlich der Leistungselektronik für drehzahlvariable Motoren betrachtet.
6. Modelle von Maschinen
Auszug
Bei Maschinen kann man Kraftmaschinen, Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge unterscheiden, siehe Kapitel 1. Im Hinblick auf die Energieströme lassen sich diese Maschinen wie folgt charakterisieren. Kraftmaschinen wandeln eine Primärenergie in mechanische Energie um. Sie geben an ihrer Abtriebsseite eine mechanische Energie ab. Arbeitsmaschinen wandeln dagegen eine mechanische Energie in eine Energie des Verbrauchers oder der Last um. Sie nehmen dabei auf der Antriebsseite eine mechanische Energie auf und geben sie auf der Abtriebsseite in unterschiedlicher Form wie z.B. Verformungsenergie, potentielle mechanische Energie oder Wärme wieder ab. Fahrzeuge können auch als Arbeitsmaschinen betrachtet werden. Der Verbraucher ist dabei das Fahrzeug mit Roll-, Steigungs- und Luftwiderstand. Zusätzlich zum Energiestrom kann noch ein Materiestrom vorhanden sein (z.B. Verbrennungsmotoren, Pumpen) oder nicht (z.B. Elektromotoren). Ein weiteres Kennzeichen der Maschinen ist die Erzeugung bestimmter Bewegungen über die jeweilige Kinematik, z.B. translatorisch oder rotatorisch.

Methoden der experimentellen Modellbildung

Frontmatter
7. Identifikation dynamischer Systeme (experimentelle Modellbildung)
Auszug
Auf dem Wege der theoretischen Modellbildung erhält man in der Regel die grundlegende Struktur des mathematischen Modells des Prozesses und auch einige Parameter. Die Parameter werden dabei aus physikalischen Prozesskoeffizienten oder Grunddaten des Prozesses berechnet, sofern dies möglich ist. Manche Prozessabläufe sind jedoch nicht genau bekannt, und bei der Bestimmung der Parameter sind die Unsicherheiten oft groß. Als Ergänzung zur theoretischen Modellbildung bietet sich deshalb die experimentelle Modellbildung an, die Prozess-Identifikation genannt wird. Hierbei verwendet man gemessene Signale und ermittelt das zeitliche Verhalten des Systems innerhalb bestimmter Klassen von mathematischen Modellen.
8. Modelle von periodischen Signalen und ihre Identifikation
Auszug
Viele technische Prozesse sind durch periodischen oder zyklischen Verlauf gekennzeichnet wie z.B. rotierende und oszillierende Maschinen, Wechselströme, etc. Die dabei auftretenden Signale y(t) sind dann periodisch oder enthalten periodische Anteile.

Komponenten der Online-Informationsverarbeitung

Frontmatter
9. Sensoren
Auszug
Sensoren und zugehörige Messsysteme liefern die für mechatronische Systeme wichtige, direkt messbare Information über den Prozess. Sie sind deshalb wesentliche Bindeglieder zwischen dem Prozess und dem informationsverarbeitenden Teil, der Mikroelektronik, Bild 9.1. Hierbei interessieren besonders diejenigen Sensoren, die eine mechanische oder thermische Größe erfassen und ein elektrisches Messsignal erzeugen. In diesem Kapitel soll aus dem weiten Gebiet der Messtechnik nur eine kurze Übersicht über einige für mechatronische Systeme wichtige Eigenschaften, Signalformen und Prinzipien von Sensoren gegeben werden. Für eine ausführliche Betrachtung sei auf die Fachliteratur verwiesen, z.B. Jones (1977), Jüttemann (1988), Juckenack (1990), Thiel (1990), Tränkler (1992), Schaumburg (1992), Beckwith et al. (1995), Bauer (1996), Christiansen (1996), Jurgen (1997), Webster (1999), Whitaker (2000), Profos und Pfeifer (2002), Czichos und Hennecke (2004), Schrüfer (2004).
10. Aktoren
Auszug
Die Beeinflussung technischer Prozesse erfolgt in der Regel über Stelleinrichtungen, die bestimmte Prozesseingangsgrößen verändern. Hierzu ist meistens eine elektrische, hydraulische oder pneumatische Hilfsenergie erforderlich. Die Eingangsgrößen der Stelleinrichtungen, die Stellgrößen, können dabei von einer Steuerung oder Regelung oder aber vom Bediener verstellt werden. Stelleinrichtungen greifen somit aufgrund einer Informationsverarbeitung in den Materie- oder Energiestrom des Prozesses ein und bilden ein wichtiges Bindeglied zwischen der Signalebene der Automatisierungseinrichtung und dem technischen Prozess, Bild 10.1. Für Stelleinrichtungen und deren Komponenten existieren unterschiedliche Begriffe, wie Stellsystem, Stellgerät, Stellglied oder Steller, siehe z.B. VDI/VDE-2174. Zunehmend wird jedoch in Anlehnung an das englische Wort „actuator“ der Begriff „Aktor“ oder „Aktuator“ verwendet, auch in Verbindung mit dem Wort „Sensor“ bei Messeinrichtungen.
11. Mikrorechner
Auszug
Die Informationsverarbeitung in mechatronischen Systemen findet im Allgemeinen in einem Mikrorechner oder in einem System von Mikrorechnern statt. Diese Mikrorechner werden dabei zum großen Teil als Prozessrechner betrieben, d.h. sie müssen Echtzeitverarbeitung durchführen und Schnittstellen für Prozesseingangssignale und -ausgangssignale haben. Deshalb werden sie auch als „embedded hardware-software systems“ bezeichnet. Im Folgenden wird eine kleine Übersicht zu Mikrorechnern, speziellen Prozessoren, Bussystemen und Architekturen gegeben, die in der Automatisierungstechnik allgemein und auch bei mechatronischen Systemen eingesetzt werden.
12. Fehlertolerante mechatronische Systeme
Auszug
Mechatronische Systeme ersetzen und ergänzen häufig rein mechanische, hydraulische, pneumatische und elektrische Systeme, die für sich alleine ein gutes Ausfallverhalten haben. Durch die Hinzunahme von Sensoren, elektronischer Hardware, Aktoren, Kabelverbindungen und Software entstehen nicht nur mehr Komponenten, sondern auch andere Ausfallverhalten. Während man mechanische Komponenten durch Werkstoffauswahl, Fertigungsverfahren und Überdimensionierung sehr zuverlässig bauen kann, trifft dies für die elektronischen Komponenten nicht unbedingt zu. Diese bestehen aus viel mehr Einzelelementen und können unerwartet plötzlich ausfallen.
13. Ausblick
Auszug
Wie im Vorwort und im Kapitel 1 beschrieben, umfasst das Gebiet der mechatronischen Systeme mehrere Disziplinen der Ingenieurwissenschaften. Deshalb ist es kaum möglich, mechatronische Systeme in nur einem Buch ausführlich darzustellen. Das vorliegende Buch beschränkt sich daher auf einige wichtige Gesichtspunkte zum Aufbau und zur Entwicklung mechatronischer Systeme und auf die Beschreibung der Eigenschaften des statischen und dynamischen Verhaltens von Komponenten. Dies erfolgt im Hinblick auf die Gestaltung (Entwurf, Simulation, experimenteller Test) von integrierten Gesamtsystemen. Dabei wurde sowohl die örtliche Integration durch den prinzipiellen Aufbau als auch die funktionelle Integration durch die Informationsverarbeitung mit Mikrorechnern betrachtet. Außer der Beschreibung des Verhaltens verschiedener mechanischer und elektrischer Prozesse wurden die Prinzipien wichtiger Sensoren und Aktoren dargestellt, um eine Übersicht häufig eingesetzter Bestandteile mechatronischer Systeme zu bekommen. Damit werden im wesentlichen einige Grundlagen behandelt und an diesen Beispielen erläutert.
Backmatter
Metadaten
Titel
Mechatronische Systeme
verfasst von
Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Rolf Isermann
Copyright-Jahr
2008
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-540-32512-3
Print ISBN
978-3-540-32336-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-540-32512-3

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    Bildnachweise