Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 2: Anwendungen

Jedes technische System erfüllt eine Funktion. Diese lässt sich durch die Transformation definierter Eingangsgrößen in definierte Ausgangsgrößen beschreiben. Beispiele für technische Systeme sind Anlagen, Apparate, Maschinen, Geräte, Baugruppen oder Einzelteile. Technische Systeme können auch integrierte Dienstleistungen enthalten, sie werden dann als Produkt‐Service‐Systeme oder Hybride Leistungsbündel bezeichnet.Die Systembetrachtung zielt ab auf die Analyse und Synthese technischer Produkte. Ausgehend vom komplexen Gesamtsystem werden Teilfunktionen bzw. Teilsysteme in der gewünschten Detaillierungstiefe heruntergebrochen. Auf diesem Weg lässt sich die Gesamtaufgabe in Teilaufgaben zerlegen und parallel oder sequentiell bearbeiten. Die Teillösungen werden dann unter Berücksichtigung ihrer Wechselwirkungen wieder zur Gesamtlösung zusammengefügt. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine schrittweise Lösung des vorliegenden Problems sowie die Integration unterschiedlicher fachlicher Disziplinen für die Lösungsfindung.Ein System ist dadurch gekennzeichnet, dass es von seiner Umgebung abgegrenzt ist, wobei die Verbindungen zur Umgebung – die Eingangs‐ und Ausgangsgrößen – von der Systemgrenze geschnitten werden. Ein System lässt sich nach unterschiedlichen Kriterien in Teilsysteme untergliedern. Die umsatzorientierte Gliederung stellt den Fluss von Energie, Stoff und Signal zwischen den Eingangs‐ und Ausgangsgrößen des Systems dar.

Energie- und signalverarbeitende Systeme vgl. Bd. 2, Teile I, VII, IX, Bd. 3, Teile I, II, III und IX.

Die Natur hat das Rad nicht erfunden, weil die Hauptbewegungsarten Fliegen, Schwimmen, Tauchen, Laufen und Gleiten in Jahrmillionen kontinuierlicher Evolution, die noch anhält, zu derartiger Perfektion reiften. Die technischen Errungenschaften der Menschheit fallen gegen die der Natur zurück.Die oft in einer Sackgasse endende technologische Entwicklung ist gut beraten, die Naturphänomene in „Think Tanks“ durch zu deklinieren um die Bio‐Technologie (BIONIK) zu einem der Hauptaufgabengebiete für angehende Ingenieure zu machen.Hier einige Beispiele aus den Auftragsaufgabenstellungen des Kapitelautors Colani: Für eine international tätige Erdölfirma werden zurzeit hydrodynamische Formen für getauchte Riesentanker untersucht, um diese vor der zerstörerischen Wasseroberflächenproblematik (Grenze zweier Medien) in geringe beruhigte Tauchtiefe zu bringen. Eigene Erfahrungen beim Tauchen bestätigen das nicht optimierte Design z. B. neuester U‐Boot Konstruktionen, deren Form in halbgetauchtem Zustand eine fast kilometerlange weiße Gischtschleppe wegen schlechter Hydrodynamik hinterlässt. Die Natur gestaltete z. B. bei Orcas und Belugas, die genauso halbgetaucht gleiten, keine störenden Wasserwellen.Dieses Beispiel soll das optimierbare Design, einschließlich der Konstruktion z. B. antreibender Propeller, demonstrieren.

Die moderne Informations‐ und Kommunikationstechnologie ist zu einem integralen Bestandteil der Strategie von Unternehmen der Industrie geworden. Verstärkt wird ihre Bedeutung durch die zunehmende Digitalisierung, die aufbauend auf moderner Informations‐ und Kommunikationstechnologie weitere technologische Ansprüche verfolgt. Hierzu zählen insbesondere neue internetbasierte Geschäftsmodelle, Vernetzung von und Kommunikation zwischen cyber‐physischen Objekten, das Erheben, Analysieren und Auswerten von großen Datenmengen (engl.: big data) sowie das Management von anwendungsspezifischen Funktionen, unabhängig von physisch vorhandener Rechnerhardware (engl.: cloud computing).Die Digitalisierung erfasst alle Unternehmensbereiche und zielt auf einen medienbruchfreien, digitalen Informationsfluss sowohl zwischen den Unternehmensbereichen wie auch über Unternehmensgrenzen hinweg. Im Zusammenhang mit der Verbreitung von Industrie 4.0, der vierten industriellen Revolution, wird dabei von der sogenannten vertikalen und der horizontalen Integration gesprochen. Vertikale Integration definiert dabei den bidirektionalen, digitalen Informationsfluss von den entwickelnden und planenden Unternehmensbereichen hin zu den operativen Produktionsbereichen. Horizontale Integration definiert den digitalen Informationsfluss sowie die digitale Kommunikation zwischen cyber‐physischen Produktionssystemen auf operativer Ebene.

Die zentrale Aufgabe der Informationstechnologie ist die Verarbeitung und Bereitstellung von Daten. Als Daten werden im weitesten Sinne Informationen bezeichnet, die sich durch Zeichen in einem Code darstellen lassen, wobei sich der Begriff Daten auf Zahlen, Text oder auch physikalische Größen beziehen kann.Daten werden meist in Digitalrechnern verarbeitet. Zur Darstellung von analogen physikalischen Größen in einem Digitalrechner ist daher zunächst eine Umwandlung in eine diskretisierte Darstellung notwendig, d. h. unendlich viele Werte werden in endlich viele Werte abgebildet. Werden die endlich vielen Werte der diskretisierten Wertebereiche durch Symbolfolgen codiert, wird dies als Digitalisierung bezeichnet und das Ergebnis ist eine digitale Darstellung (Abb. 5.1).Die Verarbeitung von Daten in einem Digitalrechner beruht auf der Fähigkeit zur Ausführung von Operationen. Diese Operationen wirken auf Daten. Es werden arithmetische Operationen, logische Operationen und organisatorische Operationen unterschieden.Arithmetische Operationen sind die vier Grundrechenarten Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division. Die Bereitstellung zusätzlicher Operationen (wie z. B. trigonometrische Operationen) vereinfacht die Programmierung, diese werden jedoch auch auf die Grundrechenarten zurückgeführt.Logische Operationen dienen dem Vergleichen. Durch sie kann ein Verarbeitungsvorgang abhängig von Zwischenresultaten in seinem Ablauf gesteuert werden.

Der Produktentstehungsprozess ist Teil des Produktlebenszyklus und umfasst die Produktlebensphasen Produktplanung, Produktentwicklung und Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Produktherstellung (s. Kap. 1). Kennzeichnend für den Produktentstehungsprozess ist, dass es sich dabei insbesondere auch um einen informationsverarbeitenden Entscheidungsprozess handelt.Im Produktentstehungsprozess werden rechnerunterstützte Systeme eingesetzt, um sowohl das Produkt als auch dessen Herstellung mit ingenieurwissenschaftlichen Methoden zu entwickeln. Dabei steht das methodische Erarbeiten, Berechnen, Simulieren und Optimieren der Produkt‐ und Herstellungsmerkmale sowie das Absichern seiner Eigenschaften durch Analyse und Simulationsverfahren im Vordergrund. In Abb. 6.1 wird der Produktentstehungsprozess in den Produktlebenszyklus eingeordnet.

Moderne Produktionssysteme besitzen eine zunehmend komplexe Struktur und ein wachsend komplexes Verhalten. Insbesondere müssen sie möglichst flexibel an sich ändernde Bedingungen der Anlagennutzung anpassbar sein [1]. Dabei sollen sie sich je nach Anwendungsgebiet flexibel an sich ändernde Produktsortimente und Ausbringungsmengen, genutzte Produktionsressourcen und anwendbare Produktionstechnologien anpassen, um die effizienteste Produktionsweise sicherzustellen [2]. Diese Situation hat zum einen tiefgreifenden Einfluss auf die Architektur von Produktionssystemen und ihrer Steuerungssysteme und zum anderen verändert es ihren Entwurfsprozess. Die dabei notwendige Verknüpfung der physikalischen Daten sowie Vorgänge in einem Produktionssystem mit der entsprechenden virtuellen Repräsentation im Steuerungssystem, kann hierbei als Cyber‐Physical Production System (CPPS) angesehen werden, welches die Grundlage für die Implementierung von Agenten darstellt [3].

Kapitel basiert auf: H. Wohlfahrt†, K. Thomas† und M. Kaßner†.Beim Verbindungsschweißen werden die Teile durch Schweißnähte am Schweißstoß zum Schweißteil zusammengefügt. Mehrere Schweißteile ergeben die Schweißgruppe und mehrere Schweißgruppen die Schweißkonstruktion. Durch Auftragschweißen können verschlissene Flächen von Werkstücken neu aufgetragen, Oberflächen weniger verschleißfester Werkstoffe mit Schichten aus Verschleißwerkstoffen gepanzert (Schweißpanzern), korrosiv unbeständige Trägerwerkstoffe mit korrosionsbeständigen Werkstoffen „plattiert“ (Schweißplattieren) oder zwischen nichtartgleichen Werkstoffen kann durch den Auftragwerkstoff eine beanspruchungsgerechte Bindung erzielt werden (Puffern). Neben Metallen lassen sich auch viele Kunststoffe durch Schweißen miteinander verbinden.

Eine Feder ist ein Konstruktionselement mit der Fähigkeit Arbeit auf einem verhältnismäßig großen Weg aufzunehmen und diese ganz oder teilweise als Formänderungsenergie zu speichern. Wird die Feder entlastet, so wird die gespeicherte Energie ganz oder teilweise wieder abgegeben. Eine Feder kann damit durch ihre energiespeichernden und -verzehrenden Eigenschaften (durch Speicher- und Dämpfungsvermögen) beschrieben werden. Hieraus können folgende Aufgaben abgeleitet werden: Aufrechterhalten einer nahezu konstanten Kraft bei kleinen Wegänderungen durch Bewegung, Setzen und Verschleiß, z. B. Kontaktfedern, Ringspannscheiben zur Schraubensicherung, Andrückfedern in Rutschkupplungen, Vermeiden hoher Kräfte bei kleinen Relativverschiebungen zwischen Bauteilen durch Wärmedehnungen, Setzen oder andere eingeprägte Verformungen, z. B. Kompensatoren in Rohr- und Stromleitungen, Dehnfugenausgleich in Plattenkonstruktionen, Laschen oder Membranen in Kupplungen, Belastungsausgleich oder räumlich gleichmäßiges Verteilen von Kräften, z. B. für Federung von Fahrzeugen, für Federkernmatratzen, Spielfreies Führen von Maschinenteilen, z. B. mit parallelen Blattfedern, mit Gummigelenken, Speichern von Energie, z. B. Uhrenfedern oder Federmotoren für Spielzeuge, Rückführen eines Bauteils in seine Ausgangslage nach einer Auslenkung, z. B. Ventilfedern, Rückstellfedern in hydraulischen Ventilen und Messgeräten – auch für Rückschlagventile,

Kupplungen dienen zur Übertragung von Drehmomenten bei Wellen mit und ohne Verlagerung. Elastische Kupplungen beeinflussen das dynamische Verhalten von Antriebssträngen, schaltbare Kupplungen haben als Funktion die Schaltung und Begrenzung von Drehmomenten. Abb. 10.1 gibt einen Überblick über die Funktionen; die Kombination von Kupplungen unterschiedlicher Bauart erlaubt auch eine Kombination ihrer Eigenschaften.Kupplungen erfüllen im Gegensatz zu Getrieben (vgl. Kap. 13, 14, 15 und 16) keine Aufgaben der Energiewandlung und weisen im stationären Zustand gleich große Drehmomente Mt am Eingang und Ausgang auf. Systembedingte Energieaufnahmen und -abgaben können nur elastisch (Elastische Kupplungen) oder durch Wärme (Reibungskupplungen) erfolgen, daher stehen dynamische Beanspruchungen, Wärmespeicherungs‐ und Kühlungsprobleme und Verschleißvorgänge im Vordergrund der Auslegung von Kupplungen.

Wälzlager übertragen – wie auch Gleitlager (vgl. Kap. 12) – Kräfte zwischen relativ zueinander bewegten Maschinenteilen und führen sie. Durch Zwischenschaltung von Wälzkörpern wird das Gleiten durch ein Rollen mit kleinem Gleitanteil (Wälzen) ersetzt, Abb. 11.1, mit den Vorteilen: leichter Aufbau eines elastohydrodynamischen Schmierfilms, geringer Bewegungswiderstand auch beim Anlauf aus dem Stillstand, geringer Kühlungs- und Schmierstoffbedarf; Fettschmierung meist ausreichend, radiale, axiale und kombinierte Belastbarkeit mit geringem Aufwand erzielbar, annähernd spielfreier bzw. vorgespannter Betrieb möglich, Wälzlager sind als einbaufertige Normteilbaureihen weltweit verfügbar. Nachteile sind: radialer Raumbedarf der Wälzkörper (weniger bei Nadellagern und Dünnringlagern), hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Umbauteile, Empfindlichkeit gegenüber Stößen, Stillstandserschütterungen, oszillierenden Bewegungen kleiner Amplitude und Stromdurchgang, Ein- und Ausbau oft schwieriger als bei Gleitlagern, da nur in Sonderausführung teilbar, hohe Anforderungen an die Sauberkeit, starke Streuung der Lebensdauer einzelner Lager. Überlebenswahrscheinlichkeit nur für eine hinreichend große Gruppe gleichartiger Lagerungen berechenbar, Schwingungsanregung (Geräusche) durch die bewegten Einzelkontakte, begrenzte Drehzahl u. a. durch Fliehkraft der umlaufenden Wälzkörper.

Gleitlager sollen relativ zueinander bewegte Teile möglichst genau, reibungsarm und verschleißfrei führen und Kräfte zwischen den Reibpartnern übertragen. Je nach Art und Richtung der auftretenden Kräfte werden statisch oder dynamisch belastete Radial‐ und Axialgleitlager unterschieden. Gleitlager werden mit Öl, Fett, Gasen oder Festschmierstoffen, welche auch aus dem Lagerwerkstoff stammen können, geschmiert.Gleitlager sind unempfindlich gegen Stöße und Erschütterungen und wirken schwingungs‐ und geräuschdämpfend. Sie vertragen geringe Verschmutzungen und und können bei dauerhafter Gas‐ bzw. Flüssigkeitsreibung, richtiger Werkstoffwahl und einwandfreier Wartung praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer erreichen. Gleitlager können bei sehr hohen und bei niedrigen Gleitgeschwindigkeiten eingesetzt werden. Der Aufbau ist relativ einfach und der Platzbedarf gering. Sie können ungeteilt, aber auch geteilt ausgeführt werden, was den Ein‐ und Ausbau stark vereinfacht. Nachteilig sind bei Gleitlagern ein häufig höheres Anlaufreibmoment gegenüber Wälzlagern und der verschleißbehaftete Betrieb bei niedrigen Drehzahlen (Ausnahme: hydrostatische Gleitlager) und bei öl‐ oder fettgeschmierten Gleitlagern die höhere Reibung gegenüber öl‐ oder fettgeschmierten Wälzlagern.

Zugmittelgetriebe dienen zur Wandlung von Drehzahlen und Drehmomenten zwischen zwei oder mehr nichtkoaxialen Wellen, auch mit größeren Wellenabständen, bei geringem Bauaufwand. Als Zugmittel finden endlose Flachriemen, Keilriemen, Synchronriemen oder Ketten Verwendung, die die Riemenscheiben oder Kettenräder von An- und Abtriebswellen umschlingen und dabei Umfangsgeschwindigkeiten und Umfangskräfte übertragen [1, 2].

Reibradgetriebe oder auch Wälzgetriebe sind gleichförmig übersetzende Reibschlussgetriebe [1], bei denen im Gegensatz zu Zugmittelgetrieben keine großflächige Berührung auftritt, sondern näherungsweise punkt- oder linienförmige Kontakte vorliegen. Die Größe der durch Abplattung entstehenden Berührfläche sowie die Pressungsverteilung lassen sich mit Hilfe der Hertz’schen Gleichungen (s. Bd. 1, Kap. 22) bestimmen. Bei weichen nichtmetallischen Werkstoffen findet die Theorie der Stribeck’schen Wälzpressung Anwendung. Die Momentenübertragung erfolgt durch Umfangskräfte $$F_\mathrm{t}$$ F t , die zwischen den rotationssymmetrischen Rädern unter der Anpresskraft $$F_\mathrm{n}$$ F n (Abb. 14.1a) wirken. Man definiert einen Kraftschlussbeiwert f bzw. Nutzreibwert (s. a. Tab. 14.2) 14.1 $$\mu_\mathrm{N}=f=\frac{F_\mathrm{t}}{F_\mathrm{n}}\:,$$ μ N = f = F t F n , der stets kleiner als der tatsächliche Reibwert $$\mu$$ μ ist. Damit ist die Kraftschlussausnutzung bzw. der tangentiale Nutzungsgrad 14.2 $$\upsilon_\mathrm{t}=\frac{\mu_\mathrm{N}}{\mu}=\frac{f}{\mu}\:.$$ υ t = μ N μ = f μ . Die Drehachsen liegen zumeist in einer Ebene, um den bei windschiefen Achsen auftretenden Schräglauf zu vermeiden. Bei Verstellgetrieben muss jedoch eine Bohrbewegung (s. Abschn. 14.3.1) in Kauf genommen werden. Nur wenn die Spitzen der beiden Wälzkegel in einem Punkt zusammenfallen, ist reines Rollen möglich (Abb. 14.1b). Die Übersetzung ist definiert als Drehzahlverhältnis von Antriebs- (Index 1-) und Abtriebs-(Index 2-)welle: 14.3 $$i=\frac{n_1}{n_2}=\frac{d_2}{d_1}\:.$$ i = n 1 n 2 = d 2 d 1 .

Kennzeichen des Hydrostatischen Getriebes ist, dass die von der Antriebsmaschine bereitgestellte mechanische Energie in dem hydrostatischen Getriebe in die Energie einer Flüssigkeit gewandelt wird, als Flüssigkeitsenergie transportiert und wieder in mechanische Energie zurückgewandelt wird (Abb. 17.1). Dabei kann die Energieform – Rotationsenergie oder Translationsenergie – zwischen Ein‐ und Ausgang des Getriebes verändert werden (siehe Abb. 19.1a), das Verhältnis der die Energiehöhe bestimmenden Größen – Drehmoment, Drehzahl, Kraft und Geschwindigkeit – verändert werden (Getriebeübersetzung, siehe Abschn. 17.1.1 und 19.2) und die Energiehöhe begrenzt werden (Druckbegrenzung, siehe z. B. Abb. 19.1a).Wesentliches Merkmal des Hydrostatischen Getriebes ist, dass der Energieinhalt der Flüssigkeit durch hohen Druck und kleines Volumen, d. h. bei kontinuierlicher Energieübertragung kleinen Volumenströmen erreicht wird; im Gegensatz dazu wird die Energie bei hydrodynamischen Getrieben (hydrodynamischer Wandler) bei mäßigen Drücken und hohen Volumenströmen übertragen.

Eine Auswahl von Sinnbildern zur Darstellung von Bauelementen in Schaltplänen gibt Abb. 17.7.

Der Umlauf der Druckflüssigkeit in einem hydrostatischen Getriebe heißt Kreislauf, der oder , mit oder ohne Speisepumpe ausgeführt wird. Ein Kreislauf ist durch mindestens ein Druckbegrenzungsventil (DBV) gegen Überlastung zu sichern, ggf. ist zusätzlich ein DBV zwischen Motor und Steuerventil erforderlich, wenn schiebende Last auftreten kann (Abb. 19.1a, Zylindertrieb). Beim Kreislauf erfolgt der Umlauf über den Ölbehälter. Die Pumpe fördert immer in gleicher Stromrichtung, vom Motor fließt das Öl nahezu drucklos in den Ölbehälter zurück. Eine Änderung der Arbeitsrichtung des Motors erfolgt durch Umschalten des Stroms mittels eines 4‑Wegeventils. Hydrokreise mit Konstantpumpen werden mit und ohne drucklosen Umlauf des Pumpenförderstroms in Ruhestellung ausgeführt. Verstellpumpen schwenken üblicherweise auf Nullförderung zurück. Offene Kreisläufe werden typisch angewendet, wenn Differentialzylinder verwendet werden und/oder mehrere Verbraucher (Motoren) parallel und ggf. gleichzeitig betrieben werden müssen. Vorteile des offenen Kreises sind die Abfuhr der Verlustwärme mit dem Ölstrom sowie die Kühlung und Reinigung des Öls im Tank. Nachteilig ist die konstante Energieflussrichtung. Bremsleistung des Hydromotors (Rotationsmotor, Zylinder), die z. B. beim Senken von Lasten anfällt, kann nur durch Drosselung auf dem Abflussweg abgeführt werden (Ablaufdrosselventil, bei höheren Anforderungen spez. Senkbremsventile).

Pumpen und Motoren werden über Leitungen und Ventile miteinander verbunden. Jeder Anschluss eines Motors bzw. eines Zylinders wird über zwei Widerstände gesteuert, die bei Schaltventilen die Zustände Widerstand groß (Ventil geschlossen) und Widerstand klein (Ventil offen) und bei Stetigventilen auch Zwischenzustände einnehmen können. Durch die möglichen Zustandskombinationen kann dem angesteuerten Verdrängerraum Medium zugeführt, von ihm Medium abgeführt oder der Verdrängerraum abgesperrt werden (siehe Abb. 20.1a). Beim Einsatz von Schaltventilen wird der gesamte Pumpenförderstrom entweder zum Motor oder zum Tank gefördert, der Einsatz von Stetigventilen lässt eine Zumessung nur eines Teils des Pumpenförderstroms zum Motor/Zylinder zu (beide Widerstände haben endlichen Wert).Technisch wird die Widerstandsanordnung nach Abb. 20.1 entweder in Form von Kolbenschieberventilen (s. Abb. 18.13), Sitzventilen (s. Abb. 18.11) oder 2‐Wege‐Einbauventilen (s. Abb. 18.12) ausgeführt. Kolbenschieberventile bedeuten feste, durch die Kolben‐ und Gehäusegestaltung vorgegebene Schaltlogik (s. Abb. 20.1b); Sitzventile, insbesondere 2‐Wege‐Einbauventile, bedeuten beliebige Schaltlogik, abhängig von der Ansteuerung der Ventile. Alle Sinnbilder nach Abb. 20.1b können durch die Kombination der Stellwerte der vier Widerstände W 1 bis W 4 realisiert werden.

Eigenschaften der Pneumatikantriebe sind:

Die Elektrotechnik umfasst die Gesamtheit der technischen Anwendungen, in denen die Wirkungen des elektrischen Stroms und die Eigenschaften elektrischer und magnetischer Felder ausgenutzt werden. Ihre Verfahren und Produkte unterliegen der laufenden Weiterentwicklung und durchdringen zunehmend alle Bereiche des öffentlichen und privaten Lebens. Die Einteilung der Elektrotechnik, bei der verschiedene Varianten in Gebrauch sind, kann in folgender Weise erfolgen: Als grundlegende Fachgebiete kommen die Theoretische Elektrotechnik und die Werkstoffe der Elektrotechnik in allen genannten Bereichen zur Anwendung.

Ein einfacher Transformator weist zwei Wicklungen (Primärwicklung 1 und Sekundärwicklung 2) auf, die magnetisch gekoppelt sind [1–3]. Er stellt damit einen umkehrbaren Vierpol dar. Aktive Teile des Transformators sind das Wicklungskupfer und das den magnetischen Fluss führende Eisen; je nach Aufbau spricht man vom Kern- oder Manteltransformator (Abb. 23.1).Die magnetischen Eigenschaften werden durch die Induktivitäten L1, L2 der Wicklungen und durch die Gegeninduktivität M beschrieben. Fließen die Wicklungsströme i1, i2, so entstehen die mit der Primär- und Sekundärwicklung verketteten Flüsse (Gesamtflüsse): 23.1 $$\Psi_1=L_1 i_1+M i_2\:,\quad\Psi_2=L_2 i_2+M i_1\:.$$ Ψ 1 = L 1 i 1 + M i 2 , Ψ 2 = L 2 i 2 + M i 1 . Der Grad der magnetischen Kopplung äußert sich in dem Streukoeffizienten 23.2 $$\sigma=1-\frac{M^2}{L_1 L_2}\:.$$ σ = 1 - M 2 L 1 L 2 . Außerdem weisen die Wicklungen die ohmschen Widerstände R1, R2 auf. Dem Transformator lässt sich ein Ersatzschaltbild nach Abb. 23.2a zuordnen. Das Verhalten im eingeschwungenen Zustand bei sinusförmigen Klemmengrößen der Kreisfrequenz ω wird dann beschrieben durch die Spannungsgleichungen 23.3 $$\begin{aligned} & \underline{U}_1=(R_1+\mathrm{j}\omega L_1)\;\underline{I}_1 +\mathrm{j}\omega M\underline{I}_2\:,\\ & \underline{U}_2=\mathrm{j}\omega M \underline{I}_1 +(R_2+\mathrm{j}\omega L_2)\;\underline{I}_2\:.\end{aligned}$$ U ¯ 1 = ( R 1 + j ω L 1 ) I ¯ 1 + j ω M I ¯ 2 , U ¯ 2 = j ω M I ¯ 1 + ( R 2 + j ω L 2 ) I ¯ 2 .

Elektrische Maschinen wandeln mechanische in elektrische Energie (Generator) oder umgekehrt (Motor). Jede Maschine weist (mindestens) ein ruhendes und ein bewegliches Hauptelement auf; bei drehenden Maschinen sind dies Stator und Rotor. In der Regel sind sie aus lamelliertem Eisen aufgebaut und tragen Wicklungen aus isolierten Kupferleitern. Die Drehmomentbildung geschieht überwiegend elektromagnetisch durch Kraftwirkung im magnetischen Feld. Maßgebend dafür sind der Strombelag der Wicklung, die den Laststrom führt, und die magnetische Flussdichte im Luftspalt zwischen Stator und Rotor [1–5].

Die Aufgaben der Leistungselektronik sind das Schalten, Steuern und Umformen elektrischer Energie mittels elektronischer Bauelemente. In der elektrischen Antriebstechnik, in der Energieverteilung, in Elektrochemie und Elektrowärme werden Betriebsmittel der Leistungselektronik in zunehmendem Umfange eingesetzt [3–6].Aufgabe der Stromrichter ist das Umformen oder Steuern elektrischer Energie. Nach ihren Grundfunktionen sind es Gleichrichter und Wechselrichter, des Weiteren Umrichter für Gleichstrom und Umrichter für Wechselstrom. In allen Fällen werden Wechsel‐ und/oder Gleichstromsysteme miteinander gekoppelt. Beim Gleichrichterbetrieb fließt elektrische Energie vom Wechsel‐ zum Gleichstromsystem; im Wechselrichterbetrieb ist es umgekehrt.Stromrichterventile sind Bauelemente der Leistungselektronik [1, 2], mit denen Stromzweige abwechselnd in elektrisch leitenden und sperrenden Zustand versetzt werden. Hauptsächlich auf Siliziumbasis stehen unterschiedliche Ventilbauelemente zur Verfügung. In schneller Entwicklung werden die Leistungsgrenzen verbessert, und es kommen neue Elemente hinzu.Stromrichterventile weisen ein nichtlineares Verhalten im Strom‐∕Spannungsdiagramm auf. Nicht steuerbar ist die Diode (s. Abb. 22.3, Abschn. 29.2). Steuerbare Ventile sind Thyristoren und Transistoren (s. Abschn. 29.3 und 29.4).

Antriebe sollen in geeigneter Form die Energie für technische Bewegungs‐ und Stellvorgänge liefern. Die anzutreibenden Arbeitsmaschinen sind hauptsächlich Werkzeugmaschinen (s. Abschn. 45.2, Kap. 48 und 49), Aufzüge, Krananlagen, Fördereinrichtungen, Pumpen, Lüfter, Kompressoren, Walzanlagen, Kalander, Ventile, Schieber, Positioniereinrichtungen, Roboter (s. Abschn. 45.2 und 51.2). Dazu kommen Fahrzeugantriebe für Schienenfahrzeuge [15] und für elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge [16, 17].Für den Antrieb bestehen dabei folgende Aufgaben: Bereitstellung von Drehmomenten (Kräften) und Winkelgeschwindigkeiten (Geschwindigkeiten) in Anpassung an die Arbeitsmaschine bzw. den technologischen Prozess, Sicherstellung eines nach den Kriterien des Prozesses möglichst optimalen zeitlichen Bewegungsablaufs und Durchführung der elektromechanischen Energiewandlung mit möglichst geringen Verlusten. Als Antriebsmotoren kommen alle in Kap. 24 genannten rotierenden Maschinen (Asynchron‑, Synchron‐ und Gleichstrommaschinen sowie ihre Sonderbauformen) in Frage. Für manche Zwecke werden auch Linearmotoren eingesetzt.

Zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie in Netzen und Anlagen werden Freileitungen und Starkstromkabel sowie Transformatoren und Schaltgeräte eingesetzt (s. Bd. 3, Kap. 50). Weitere Betriebsmittel sind Messwandler, Sicherungen, elektrische Relais und Meldeeinrichtungen. Schließlich sind unter den Betriebsmitteln hier auch Stromrichter zu nennen [1–8]. Die Betriebsführung der Netze erfolgt mit Rechnern.In den Hochspannungsnetzen wird Drehstrom mit Spannungen bis zu 765 kV übertragen. Gleichstromübertragungen gibt es mit Spannungen von einigen hundert kV (Hochspannungs‐Gleichstromübertragung, HGÜ), u. a. auch als Kurzkupplungen zur asynchronen Verbindung zweier Netze bei gleichzeitiger Entkopplung der Kurzschlussleistungen.In den europäischen Ländern beträgt die Betriebsfrequenz der Drehstromnetze 50 Hz. Speziell für die Bahnstromversorgung wird in den deutschsprachigen und skandinavischen Ländern auch Einphasenstrom von 16,7 Hz (bisher $$16\,2/3\,\mathrm{Hz}$$ 16 2 / 3 Hz ) eingesetzt.Die Nennspannungen der Hochspannungs‐Drehstromübertragung sind 110, 220 und 380 kV. In Energieverteilungssystemen wird eine Spannungsebene von 10 oder 20 kV eingesetzt. Die Niederspannungsversorgung in den Ortsnetzen hat die Nennspannung 230∕400 V.Gesichtspunkte bei der Wahl der Spannung sind technischer und wirtschaftlicher Art. Für die Fernübertragung sind Spannungshaltung und Stabilität, in den Netzen die Beherrschung der Kurzschlussströme von vordringlichem Interesse.

Beim Stromdurchgang durch einen ohmschen Widerstand wird nach $${P_\mathrm{w} = UI \cos \varphi= I^2 R} = U^2/R$$ P w = U I cos φ = I 2 R = U 2 / R elektrische Leistung in Wärme umgewandelt. Die verschiedenen Elektrowärmeverfahren unterscheiden sich nach der Art des Widerstands und der Energiezufuhr in Widerstands‐, Lichtbogen‐, Induktions‐ und dielektrische Erwärmung. Für Schmelz‐(Ofen‐)anlagen werden nur die ersten drei Prinzipien angewandt, vgl. Abb. 28.1.Bei den Verfahren nach Abb. 28.1a,e,f wirkt das zu erhitzende Gut selbst als ohmscher Widerstand, bei Abb. 28.1c,d  das Plasma eines Lichtbogens. Praktisch einzige Anwendung des Verfahrens nach Abb. 28.1c ist der Lichtbogen‐Stahlofen [1–3]. Die meisten Reduktionsöfen, z. B. zur Herstellung von Carbid, Ferrosilicium, Korund sind Mischformen von Abb. 28.1a,c.

Elektronische Schaltungen in mechatronischen Systemen werden überwiegend auf Leiterplatten realisiert. Auf Leiterplatten kann eine Vielzahl von Einzelschaltkreisen untergebracht werden, jedoch stellt die Leiterplattengröße selbst oft ein Problem dar. In derartigen Fällen lässt sich Abhilfe schaffen durch die sogenannte System‐in‐Package‐Integration, bei der Chips sowie passive und aktive Einzelbauelemente auf einer isolierenden Zwischenschicht mit eingebetteten Leiterzügen gemeinsam in einem Gehäuse platziert und kontaktiert werden, so dass Chips verschiedener Herstellungstechnologien auf engstem Raum miteinander verbunden werden können auch z. B. durch alternative Verbindungstechniken wie optische Leiter, Abb. 29.1.Eine weitere Miniaturisierung des Aufbaus elektronischer Schaltungen ermöglichen 3D‐Integrationstechniken. Die Einbeziehung der dritten Dimension in die Systemintegration erfolgt, indem einzelne Schaltkreislagen übereinander angeordnet werden. Dadurch entstehen sehr kurze Leitungslängen und die Anzahl integrierbarer Chips sowie der Anschlüsse zwischen Chips ist wesentlich weniger limitiert wie bei einer zweidimensionalen Integration [1].

Aufgabe der Messtechnik ist die experimentelle Bestimmung quantitativ erfassbarer Größen in Wissenschaft und Technik. Für die Ingenieurwissenschaften liefert die Mess‐ und Prüftechnik Unterlagen zur Optimierung der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung von Bauteilen und technischen Systemen sowie zur Beurteilung der Eigenschaften, Funktion, Qualität und Zuverlässigkeit technischer Produkte.

Die Messgrößen und Messverfahren der Technik basieren auf dem Internationalen Einheitensystem sowie auf geeigneten Aufnehmer‐ und Sensorprinzipien.

Die mit den verschiedenen Messaufnehmern und Sensoren erfassten Messsignale sind i. Allg. Zeitfunktionen von statischen oder dynamischen, z. B. periodischen, sinusoidalen, impulsförmigen oder stochastischen Vorgängen. Dabei bestehen die folgenden grundlegenden Signalarten:Bei den Signalfunktionen $$ S(t)$$ S ( t ) kann unterschieden werden zwischen wert‐ oder zeitkontinuierlichen sowie wert‐ oder zeitdiskreten Verläufen (Abb. 32.1).

Jedes Messsystem hat prinzipiell die kombinierten Aufgaben der Messgrößenaufnahme, Messsignalverarbeitung und Messwertausgabe zu erfüllen (s. Abb. 30.1). Die Messgrößenaufnahme führt entweder unmittelbar zu einer Messwertdarstellung (Ausschlagmethoden, s. Abschn. 31.2.1) oder liefert elektrische Signale für eine analoge oder digitale Messwertanzeige bzw. Messwertregistrierung.

Ein technischer Regelvorgang beeinflusst gezielt physikalische, chemische oder andere Größen in technischen Systemen, die als Regelgrößen einer vorgegebenen zeitlichen Änderung folgen oder die beim Einwirken von Störungen einen konstanten Wert behalten sollen. Um diese Ziele zu erreichen, wirkt im Regelkreis ein Regler oder ein Regelalgorithmus auf eine Regelstrecke.

Ausgangspunkt der Entwicklung mechatronischer und geregelter Systeme ist die Erfassung der physikalischen (realen) Struktur eines Systems sowie die analytische Beschreibung seines statischen und dynamischen Verhaltens anhand eines geeigneten mathematischen Modells. Bei genauer Kenntnis der Funktion einzelner Komponenten eines Systems sowie des Prozesses kann die Modellbildung auf rein theoretischer Basis erfolgen. Häufig ist es jedoch notwendig, experimentelle Daten zur Modellbildung mit einzubeziehen. Dies kann z. B. bei Komponenten und Subsystemen erforderlich sein, deren Verhalten sich nicht analytisch beschreiben lässt. Bei der experimentellen Modellbildung (Identifikation) werden Kennwerte oder Übertragungsfunktionen ermittelt, mit dem Ziel einfache Parameterbeschreibungen von Eingangs-Ausgangs-Abhängigkeiten des Gesamtsystems oder von Teilsystemen zu erhalten [1, 2]. Die Beschreibung des Gesamtprozesses geschieht auf der Basis von Block- und Flussdiagrammen [3]. Kritisches Verhalten lässt sich durch Computersimulation betrachten.

Das Ziel einer Regelung besteht darin, die Regelgröße y so zu beeinflussen, dass sie möglichst gut mit der Führungsgröße w (und ggf. deren Änderungen) übereinstimmt.Die Regeleinrichtung besteht nicht nur aus dem Regler, der die Regeldifferenz e nach einer von ihm verwirklichten Funktion in die Reglerausgangsgröße u umformt, sondern zusätzlich aus dem zuvor angeordneten Vergleichsglied. Dieses ist eine Additionsstelle, welcher das von der Messeinrichtung gebildete Signal der Regelgröße y mit negativem Vorzeichen zugeführt wird, wodurch die Differenzbildung zustandekommt. Das Vergleichsglied ist in der technischen Ausführung entweder gerätetechnischer Bestandteil des Reglers oder funktionelles Element des Regelalgorithmus.

Mechanische Systeme in Form von Maschinen und Geräten nutzen i. A. die Wandlung elektrischer, thermischer, chemischer oder mechanischer Energie in die jeweils benötigte Energieform. Dabei muss die Steuerung und Regelung des Energieflusses sowie des Gesamtprozesses aufgrund der zunehmenden Komplexität technischer Systeme eine hohe Flexibilität aufweisen. Dies erfordert, dass die messtechnische Erfassung von Prozess‐ und Störgrößen möglichst vollständig durch Sensoren gesichert ist sowie eine intelligente Informationsverarbeitung erfolgt. Demgemäß ist eine Festverdrahtung analoger Baugruppen nur noch selten anzutreffen. Meist werden Digitalrechner eingesetzt, wodurch die gesamte Informationstechnik zur Anwendung gelangt. Die Wissensbasis des Fachgebiets Mechatronik umfasst daher gegenwärtig folgende Gebiete: Informationsverarbeitung, Maschinenbau und Feinwerktechnik sowie Elektrotechnik und Elektronik (vgl. Abb. 37.1). Ziel ist es dabei, durch Verknüpfung und integrativen Einsatz dieser Wissensgebiete eine ganzheitliche und übergreifende Denkweise zu erreichen. Es ist zu erwarten, dass – produktgetrieben – zukünftig weitere Disziplinen, z. B. Mikrosystemtechnik und Werkstoffwissenschaft, in die Wissensbasis und Methodik der Mechatronik mit einbezogen werden.

Fertigen ist Herstellen von Werkstücken geometrisch bestimmter Gestalt (Kienzle).Anders als die übrigen Produktionstechniken, das sind die Verfahrenstechnik (chemische, thermische oder mechanische Verfahrenstechnik, s. Bd. 3, Teil IV) oder die Energietechnik (s. Bd. 3, Teil VIII), erzeugt die Fertigungstechnik Produkte, die durch stoffliche und geometrische Merkmale gekennzeichnet sind. Zum Fertigen bedarf es folglich neben technologischer auch geometrischer Informationen über die Form des herzustellenden Werkstücks. Diese können physisch in einem formgebenden Werkzeug wie z. B. beim Gesenkschmieden oder digital in Dateien oder Programmen wie in einer numerischen Steuerung gespeichert sein (Abb. 38.1). Die digitale Repräsentanz der Arbeitsinformationen (geometrische und technologischer Informationen) ermöglichen einen ununterbrochenen Informationsfluss über sämtliche Stufen des Herstellungsprozesses hinweg.

Das ist eine Hauptgruppe der Fertigungsverfahren. Wie Tab. 39.1 zeigt, ist es den anderen Fertigungsverfahren vorgeordnet und schafft Voraussetzungen für deren Anwendung. Nach DIN 8580 wird die Hauptgruppe Urformen innerhalb der Fertigungsverfahren wie folgt definiert: Urformen ist das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammenhalts. Hierbei treten die Stoffeigenschaften des Werkstücks bestimmbar in Erscheinung. Als werden Gase, Flüssigkeiten, Pulver, Fasern, Späne, Granulat und ähnliche Stoffe bezeichnet. Bestimmungsgemäß umfasst deshalb das Urformen die Schaffung von Körpern aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand (Überführen verdampften Metalls in geometrisch bestimmte feste Form; Beispiel: Herstellen von Urformwerkzeugen aus Ni-Karbonyl Ni(CO)4) aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand (Beispiel: Gießen von Maschinenteilen) durch elektrolytische Abscheidung (Erzeugen eines geometrisch bestimmten festen Körpers auf galvanischem Wege; Beispiel: Herstellung von Elektrolytkupfer, spezifischer Prägewerkzeuge, insbesondere in der Mikroproduktionstechnik oder z. B. im Kunsthandwerk) aus dem festen, körnigen oder pulvrigen Zustand (Beispiel: Herstellung von Teilen aus Metallpulvern unter hohem Druck, meist mit nachfolgendem Sintern). Die meisten urgeformten Werkstücke werden aus dem flüssigen Zustand heraus erzeugt.Das Urformen ist die Ausgangsstufe im Prozess der Herstellung aller metallischen Einzelteile.

Trennen ist Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers. Der Stoffzusammenhalt wird örtlich aufgehoben. Die Endform ist in der Ausgangsform enthalten. Das Zerlegen zusammengesetzter (gefügter) Körper wird dem Trennen zugerechnet (nach DIN 8580).Die Hauptgruppe Trennen lässt sich in sechs Gruppen gliedern: Zerteilen (DIN 8588), Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden (DIN 8589, Teil 0), Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden (DIN 8589, Teil 11), Abtragen (DIN 8590), Zerlegen (DIN 8591) und Reinigen (DIN 8592). Trennen durch Zerteilen und Spanen erfolgt unter mechanischer Einwirkung eines Werkzeugs auf ein Werkstück. Zerlegen ist das Trennen ursprünglich gefügter Körper oder das Entleeren oder Evakuieren von gasförmigen, flüssigen oder körnigen Stoffen aus Hohlkörpern. Beim Trennen durch Abtragen werden Stoffteilchen von einem festen Körper auf nicht-mechanischem Wege entfernt. Beim Trennen durch Reinigen werden unerwünschte Stoffe oder Stoffteilchen von der Oberfläche eines Werkstücks entfernt.

Die Gewindefertigung umfasst sämtliche Verfahren die zur Herstellung von Gewinden verwendet werden. Die Unterteilung kann in Anlehnung an die DIN 8580 ff. [76] erfolgen (Abb. 42.1). Die Verfahrensauswahl erfolgt unter Berücksichtigung der Gewindefunktion, der Anforderungen an das Gewinde und unter Beachtung wirtschaftlicher Gesichtspunkte. Durch die verfahrenscharakteristische Kinematik wird die Eignung zur Herstellung von Innen‐ und/oder Außengewinden limitiert.Die Herstellung von Gewinden durch Druckgießen ist dem Urformen zuzuordnen. Das Verfahren hat nur eine geringe Bedeutung. Der Gewindefertigung mittels trennender Verfahren ist die größte Verfahrensvielfalt zuzuordnen. Die Vielfalt ist dabei nicht gleichbedeutend mit dem Marktanteil der Verfahren. Innerhalb des Trennens werden die Verfahren gemäß DIN 8580 ff. [76] weiter unterteilt. So werden das Gewindeschneiden und Gewindebohren der Gruppe Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide zugeordnet, während beispielsweise das Gewindeerodieren in die Gruppe Abtragen einzugliedern ist. Weitere Verfahren wie das Gewindewalzen oder Gewindedrücken werden dem Umformen zugewiesen.

Dieses Kapitel behandelt die Organisation der Produktion mit seinen Schwerpunkten in den Grundlagen des Managements und der Gestaltung des gesamten Systems der Produktion. Es enthält Aufgaben und grundlegende Methoden einzelner Bereiche der Organisation industrieller Produktionen, die auf der traditionellen Methodenlehre beruhen. Vertieft werden darin die wesentlichen Managementfunktionen der Planung und des Betriebes einschließlich des Auftrags‐ und Qualitätsmanagements. Die abschließenden Kapitel gehen auf moderne Konzepte der Digitalen Produktion ein und erläutern grundlegende Ansätze integrierter Systeme von Fertigung und Montage. Ferner werden Grundlagen der Kosten‐ und Wirtschaftlichkeitsrechnung behandelt.

Die Einteilung der Fertigungsanlagen ist an die Gliederung der Fertigungsverfahren für die Metallbearbeitung, DIN 8590, angelehnt. Der Begriff Werkzeugmaschine beschränkt sich auf die Fertigungsverfahren des Umformens, Trennens und Fügens. Werkzeugmaschinen werden definiert als „mechanisierte und mehr oder weniger automatisierte Fertigungseinrichtungen, die durch relative Bewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück eine vorgegebene Form oder Veränderung am Werkstück erzeugen“. Einzel- und Mehrmaschinensysteme bestehen aus einem bzw. mehreren Maschinengrundsystemen sowie weiteren Funktions- und Hilfssystemen.

Dieses Kapitel behandelt die unterschiedlichen Ausprägungen von Steuerungen für die Fertigungstechnik. Nach einer Einführung und Begriffsdefinition wird insbesondere auf elektronische Steuerungen und deren Komponenten, wie sie heute in der Automatisierung Anwendung finden, eingegangen.DIN IEC 60050-351 [22] definiert Steuerung als Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen auf Grund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Die Benennung Steuerung wird auch als Gerätebezeichnung verwendet. Die Steuerung bildet den unabdingbaren Bestandteil einer Maschine, um einen Arbeitsprozess nach vorgegebenem Programm selbstständig ablaufen lassen zu können.Nach der Informationsdarstellung unterscheidet man zwischen analog (z. B. Kurven-, Nocken-, Nachformsteuerungen) und digital (z. B. NC-Steuerungen) arbeitenden Steuerungen. Letztere arbeiten mit digitalen (quantisierten) Signalen, die üblicherweise binär (zweiwertig) dargestellt werden.Werden Maschinenfunktionen (z. B. Bewegungen, Schaltfunktionen) von Hand aufgerufen, spricht man von einer Handsteuerung, werden sie dagegen über die einzelnen Schritte eines gespeicherten Programms aufgerufen, handelt es sich um eine Programmsteuerung [1]. Digital arbeitende Programmsteuerungen verfügen über ein Schaltwerk, das schrittweise das Anwenderprogramm interpretiert.

Der für das Schneiden typische Kraft-Weg-Verlauf (Abb. 47.1) erfordert Maschinen mit hoher Nennkraft bei nur relativ geringem Arbeitsvermögen. Beim Schneiden von Blechwerkstoffen mit großer Bruchdehnung muss das Arbeitsvermögen aufgrund der sich dann ergebenden längeren Scherwege größer sein als beim Schneiden von Blechwerkstoffen mit gleicher Festigkeit und geringerer Bruchdehnung.

Das Gestell einer Umformpresse, auch Pressenkörper oder Pressenrahmen genannt, muss folgende Funktionen erfüllen: Aufbringen der Umformkräfte Führung eines oder mehrerer Stößel (Zieh‑, Blechhalter‑, Auswerferstößel etc.) Schließen des Kraftflusses.

Drehmaschinen ermöglichen die spanabhebende Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile mit geschlossener, meist kreisförmiger Schnittbewegung sowie quer zur Schnittrichtung ausgerichteter Vorschubbewegung [1]. Hierbei führt in der Regel das Werkstück die umlaufende Schnittbewegung und das Werkzeug die in einer zur Schnittrichtung senkrechten Ebene liegende Vorschub‐ und Zustellbewegung aus. Weiterhin existieren Sonderbauformen von Drehmaschinen, die eine umlaufende Werkzeugbewegung sowie die Integration einer Fräs‐ beziehungsweise Bohrbearbeitung ermöglichen.

Schweißen und Löten s. Abschn. 8.1–8.2.

Bei Industrierobotern handelt es sich um flexibel einsetzbare Handhabungsgeräte, die auch Fertigungsaufgaben übernehmen können. Nach VDI-Richtlinie 2860 definiert sich ein Industrieroboter folgendermaßen: Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei programmierbar (d. h. ohne mechanischen Eingriff vorzugeben bzw. änderbar) und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- oder andere Fertigungsaufgaben ausführen. In Abgrenzung zu anderen Handhabungseinrichtungen, wie Manipulatoren, Telemanipulatoren und Einlegegeräten, ist der Roboter automatisch ansteuerbar und hinsichtlich Sollwertvorgaben frei programmierbar. Werkzeugmaschinen unterscheiden sich vom Industrieroboter durch die Spezialisierung auf eine bestimmte Arbeitsaufgabe und den diesbezüglich optimierten kinematischen Aufbau. Zudem verfügen Industrieroboter über einen vergleichsweise größeren Arbeitsraum. Der mechanische Aufbau von Industrierobotern lässt sich durch kinematische Ketten darstellen. Die aneinandergereihten Kettenglieder werden auch als Bewegungsachsen bezeichnet und bestehen aus Gelenk, Hebel und Antrieb. Die Verbindung kann sowohl rotatorisch (Drehachsen) als auch translatorisch (Linearachsen) erfolgen. Der Getriebefreiheitsgrad F bezeichnet die Anzahl der unabhängig voneinander angetriebenen Achsen.

Maschinenkomponenten, Werkzeuge und Fertigungstechnologien für Werkzeugmaschinen zur Mikroproduktion sind an die Anforderungen zur reproduzierbaren Herstellung kleiner Bauteile und Geometriemerkmale angepasst. Die Abmessungen von Mikrobauteilen liegen üblicherweise im Bereich von 100 µm bis 10 mm. Mikrostrukturen mit Abmessungen von wenigen hundert Mikrometern und mit Fertigungstoleranzen kleiner 2 µm werden darüber hinaus in größere Bauteile eingebracht. Die hohen Genauigkeitsanforderungen sowie die Vielfalt der Anwendungen mit den vielfältigen geforderten Geometriemerkmalen und Oberflächenqualitäten haben zur Entwicklung spezifischer Werkzeugmaschinen für die Hochpräzisions-, Ultrapräzisions-, Mikrofunkenerosions- und Laserbearbeitung geführt. Die Grenzen zwischen der Mikro- und Makrozerspanung sowie der Hoch- und Ultrapräzisionsbearbeitung sind nicht einheitlich definiert.