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2010 | Buch

Einleitung Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Systementwurf mechatronischer Systeme

Methoden – Modelle – Konzepte

verfasst von: Klaus Janschek

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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

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Über dieses Buch

In diesem Lehrbuch werden grundlegende methodische Ansätze für den modellbasierten Systementwurf von mechatronischen Systemen in systematischer und geschlossener Form dargestellt.

Der vorgestellte Methodenkanon umfasst domänenneutrale Methoden zur Modellbildung und Verhaltensanalyse: Multidomänenmodellierung (energie-/tor-/signalbasiert), Simulationstechnik (ODE-/DAE-/Hybride-Systeme), robuste Regelungsansätze, stochastische Verhaltensanalyse und quantitative Entwurfsbewertung über Systembudgets.

Den Modellkanon bilden analytische Verhaltensmodelle für wichtige physikalisch-technische Domänen der mechatronischen Funktionsrealisierung, wie Mehrkörperdynamik, digitale Informationsverarbeitung und elektromechanische Wandler. Aufbauend auf dem Modellansatz eines technologieunabhängigen generischen mechatronischen Elementarwandlers werden elektrostatische, piezoelektrische, elektromagnetische und elektrodynamische Wandler bis hin zu technischen Ausführungsformen konkretisiert.

Mehr als 50 durchgerechnete Entwurfsbeispiele demonstrieren anschaulich die dargestellten Methoden und Konzepte und unterstützen das Selbststudium.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Es muss gelernt werden, die ganze Aufmerksamkeit auf das tatsächliche Geschehnis zu richten und die innere Spannung zu koordinieren mit einer sinnvollen Beherrschung der schwierigen Aquarellmalerei, die man nicht korrigieren kann.
Klaus Janschek
2. Elemente der Modellbildung
Zusammenfassung
Hintergrund Abstrakte Verhaltensmodelle spielen im Entwurfsgeschehen für mechatronische Systeme eine zentrale Rolle. Das dynamische Verhalten von Systemkomponenten und deren gewollte (oder ungewollte) Interaktion bestimmen in fundamentaler Weise die positiven (und negativen) Produkteigenschaften. Die besondere Herausforderung bei der Modellbildung mechatronischer Systeme liegt in deren Multidomäneneigenschaften. In dem Maße wie heterogene physikalische Komponenten zu einer homogen wirkenden Funktionseinheit zusammengeschaltet werden, müssen natürlich auch deren Verhaltensmodelle in eine domänenunabhängige abstrakte Wirkstruktur abgebildet werden. Die relevanten physikalischen Verhaltenseigenschaften müssen dabei aus naheliegenden Gründen korrekt abgebildet werden und die Zuordnung von Parametern der realen Komponenten zu Modellparametern soll hinreichend transparent bleiben.
Klaus Janschek
3. Simulationstechnische Aspekte
Zusammenfassung
Hintergrund Das Experimentieren mit verhaltensbasierten Systemmodellen gehört zu den Standardaufgaben im Rahmen des Systementwurfes und die resultierenden Simulationsergebnisse sind die Grundlage für weit reichende Entwurfsentscheidungen. Oftmals arbeitet man mit bereits vorhandenen Modellbibliotheken, in der Regel nutzt man heute (kommerzielle) rechnergestützte Simulationswerkzeuge. Damit ist für diese extrem wichtige Entwurfsaufgabe eine oftmals gefährliche Distanz zwischen „computerisiertem“ Simulationsmodell und (im Extremfall naiven) Benutzer gegeben, bei ungünstigen Konstellationen kann dies leicht zu fehlerhaften Simulationsergebnissen führen. Deshalb ist die Kenntnis von simulationstechnischen Besonderheiten und Lösungsansätzen auch und gerade bei Verwendung von modernen Simulationswerkzeugen eine essenzielle Fähigkeit von Systemingenieuren. Erst dadurch wird es möglich, potenzielle Probleme überhaupt zu erkennen und durch geeignete Maßnahmen zu beheben, sei es auf Modellebene oder durch gezielte Auswahl und Parametrierung von vorhandenen Simulatorfunktionen – „Werkzeugnutzung mit Verständnis und Verstand“.
Klaus Janschek
4. Funktionsrealisierung – Mehrkörperdynamik
Zusammenfassung
Hintergrund Mechatronische Produkte sind durch mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben charakterisiert. Unter dem Einfluss von Kräften und Drehmomenten sollen massebehaftete Körper gezielt bewegt werden. Die zu bewegende mechanische Struktur bestimmt maßgeblich die Regelstrecke für das zu entwerfende mechatronische System. Damit kommt dem Verständnis und einer geeigneten abstrakten Beschreibungsbasis der physikalischen Phänomene bewegter mechanischer Strukturen eine Schlüsselrolle zu.
Klaus Janschek
5. Funktionsrealisierung – Mechatronischer Elementarwandler
Zusammenfassung
Hintergrund Die funktionelle Schnittstelle zwischen Informationsverarbeitung in Form elektrischer Signale und der mechanischen Struktur in Form von Kräften und Momenten bzw. Bewegungsgrößen ist für ein mechatronisches Produkt von zentraler Bedeutung. Die bidirektionale Energiewandlung zwischen elektrischer und mechanischer Energie schafft eine Schlüsselvoraussetzung für die Hauptproduktaufgabe „gezieltes Bewegen“. Die heute zur Verfügung stehenden vielfältigen physikalischen Wandlungsprinzipien erlauben zudem eine funktionell wie konstruktiv kompakte Integration in das mechatronische Produkt - mechatronischer Wandler. Für den Systementwurf ist neben dem Verständnis der Wandlungsprinzipien im Besonderen der Einfluss von Wandlerparametern auf das Übertragungsverhalten von Interesse.
Klaus Janschek
6. Funktionsrealisierung – Elektrostatische Wandler
Zusammenfassung
Hintergrund Die Elektrostatik gilt als die am längsten bekannte Erscheinungsform von Elektrizität und hat es doch erst am Ende des 20. Jahrhunderts zu wirklicher technischer Bedeutung in Form von mikromechatronischen Systemen (MEMS – Micro-Electro-Mechanical Systems) gebracht. Aufgrund der physikalisch bedingten mikroskaligen Krafterzeugung können die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten als Sensor und Aktuator auch nur im mikroskaligen Bereich ausgespielt werden. Besonders attraktiv sind elektrostatische Wandler durch ihren relativ einfachen konstruktiven Aufbau. Es sind lediglich leitfähige Materialien als Elektroden erforderlich. So können mit etwas Bewegungsraum und Luft als Dielektrikum auf kleinstem Bauraum hochpräzise und hochdynamische mechatronische Systeme zur Bewegung kleiner und kleinster Massen geschaffen werden. Interessanterweise sind viele der für die technische Umsetzung relevanten Phänomene erst in der letzten Dekade des vergangenen Jahrhunderts wissenschaftlich detailliert untersucht worden, sodass diese Klasse von mechatronischen Systemen durchaus auch in Zukunft noch für viele wissenschaftliche Überraschungen gut ist.
Klaus Janschek
7. Funktionsrealisierung – Piezoelektrische Wandler
Zusammenfassung
Hintergrund Wohl kaum ein anderes elektromechanisches Wandlungsprinzip hat mehr zum Vordringen mechatronischer Produkte in den Konsumgüterbereich beigetragen wie die Piezoelektrizität. Als prominentester Vertreter sogenannter unkonventioneller Wandlungsprinzipien können Piezowerkstoffe ohne großen konstruktiven Aufwand als Festkörperwandler direkt in mechanische Strukturen integriert werden (smart structures), sie erzeugen große bis sehr große Kräfte auf kleinstem Bauraum, sie besitzen eine extrem hohe Dynamik und können in manchen Anwendungen sogar ohne Hilfsenergie betrieben werden (Schwingungsdämpfung, shunting) oder zur Energieerzeugung eingesetzt werden (energy harvesting).
Klaus Janschek
8. Funktionsrealisierung – Wandler mit elektromagnetischer Wechselwirkung
Zusammenfassung
Hintergrund Das technisch am längsten erschlossene Gebiet der elektromechanischen Energiewandlung nutzt die Phänomene der elektromagnetischen Wechselwirkungen. In vielfältiger Art und mit ausgeklügelten Lösungsansätzen sind heute solche Wandler in unserem Alltag vor allem im makromechatronischen Bereich in Form von leistungsstarken Generatoren, Antrieben und Schaltelementen sowie bewährten Sensorelementen präsent. Die aktuellen mechatronischen Forschungsthemen beschäftigen sich mit Fragen der Funktionsintegration, z.B. sensorlose (self-sensing) Lösungen. Aufgrund der speziellen werkstofftechnischen Voraussetzungen ist die Anwendung in der mikromechatronischen Welt auf spezielle Gebiete beschränkt, jedoch dort wo möglich, mit großem Potenzial verbunden. Für alle diese Aufgaben und Funktionserweiterungen ist ein tiefes Verständnis der inhärenten elektromagnetischen Wandlungsmechanismen essenziell.
Klaus Janschek
9. Funktionsrealisierung – Digitale Informationsverarbeitung
Zusammenfassung
Hintergrund Die Funktionalität eines mechatronischen Produktes hängt in fundamentaler Weise von dessen informationstechnischen Fähigkeiten, populär ausgedrückt, von der „Produktintelligenz“ in Form der Betriebssoftware ab. Damit sind diejenigen Fähigkeiten gemeint, hardwareorientierte Systemelemente in geeigneter Weise so anzusteuern, dass die auf hoher abstrakter Ebene formulierten Benutzerwünsche in eine bestmögliche, d.h. robuste und genaue, Bewegungsführung übertragen werden. Im Extremfall können für ein und dieselbe Hardwarekonfiguration durch unterschiedliche Softwarevarianten völlig unterschiedliche Produktaufgaben gelöst werden („intelligente Mechanik“). Systemtheoretisch betrachtet wird über die in der Betriebssoftware realisierten Regelungs- und Steuerungsalgorithmen der Regelkreis geschlossen und das resultierende dynamische Verhalten festgelegt, woraus sich die Quelle der „Produktintelligenz“ erschließt.
Klaus Janschek
10. Regelungstechnische Aspekte
Zusammenfassung
Hintergrund Das Systemverhalten eines mechatronischen Systems wird entscheidend durch den geschlossenen Wirkungskreislauf geprägt. Hier müssen alle relevanten physikalischen Phänomene von allen beteiligten Systemkomponenten auf einer gemeinsamen abstrakten Modellebene behandelt werden. Das rückgekoppelte Zusammenwirken aller Systemkomponenten kann damit auf die Betrachtungsebene eines Regelkreises zurückgeführt werden und mit bekannten Methoden der Regelungstheorie analysiert und gezielt gestaltet werden. In diesem Sinne spielt die Regelungstechnik für den Systementwurf eine zentrale Rolle: „Mechatronics is much more than control, but there is no Mechatronics without control“.
Klaus Janschek
11. Stochastische Verhaltensanalyse
Zusammenfassung
Hintergrund Mechatronische Produkte sind meist auf eine hohe Regelungsgenauigkeit der mechanischen Zustandsgrößen ausgelegt. Damit gewinnen Kleinsignalverhalten und stochastische Einflussgrößen eine besondere Bedeutung für das Systemverhalten. Letztlich bestimmen die durch Sensoren, Aktuatoren und Umwelteinflüsse induzierten Rauschpegel die erreichbaren Genauigkeitseigenschaften. Grundlegend für belastbare Voraussagen sind aussagekräftige quantitative Berechnungsmöglichkeit, um die Auswirkung der stochastischen Eingangsgrößen bereits im Entwurfsmodell abschätzen zu können
Klaus Janschek
12. Entwurfsbewertung – Systembudgets
Zusammenfassung
Hintergrund Das ultimative Ziel des Systementwurfes ist das Sicherstellen von Leistungseigenschaften eines technischen Systems, hier mechatronisches System, in Bezug zu gestellten Produktanforderungen. Der Erfüllungsgrad dieser Anforderungen sollte, wenn immer möglich, durch quantifizierbare Maßzahlen bewertbar sein. Diese Maßzahlen sollen die Verhaltenseigenschaften zeitabhängiger Systemgrößen in kompakter Form beschreiben (Informationsverdichtung) und im günstigsten Fall analytische Zusammenhänge mit wichtigen Entwurfsparametern abbilden. Letztlich hängt ein spezielles Systemverhalten (mechanische Zustandsgrößen, Energieaufnahme, Thermalverhalten, etc.) aber immer von mehreren, im Allgemeinen ebenfalls zeitveränderlichen Einflussgrößen ab. Aus diesem Grund sind die einzelnen Verhaltensmaßzahlen in geeigneter Weise zu überlagern, man spricht in diesem Zusammenhang vom Aufstellen eines Budgets bzw. budgetieren von Maßzahlen.
Klaus Janschek
Backmatter
Metadaten
Titel
Systementwurf mechatronischer Systeme
verfasst von
Klaus Janschek
Copyright-Jahr
2010
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-540-78877-5
Print ISBN
978-3-540-78876-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-540-78877-5

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