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2023 | Buch

Einleitung Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Einführung in die Mechatronik

verfasst von: Werner Roddeck

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

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

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch zeigt sehr ausführlich die Grundlagen dieses interdisziplinären Arbeitsgebietes der Ingenieurwissenschaften. Sehr gelungen ist die Darstellung der Verzahnung der Gebiete in typischen mechatronischen Produkten anhand von Praxisbeispielen.
Die vorliegende Auflage wurde komplett überarbeitet. Vor allem die Kapitel Automatisierungstechnik, Modellbildung technischer Systeme und Steuerungs- und Prozessrechentechnik wurden aktualisiert und an den aktuellen Stand angepasst.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Der Begriff Mechatronik (engl. Mechatronics) ist ein Kunstwort und wurde vor ca. 40 Jahren in Japan von einem Entwickler aus dem Bereich der Robotertechnik geprägt. Es setzt sich aus den beiden Namen der bekannten Disziplinen der Ingenieurwissen-schaften - Mechanik oder Maschinenwesen (engl. Mechanics) und Elektronik (engl. Electronics) - zusammen.
Dieses Kapitel zeigt anhand der historischen Entwicklung der Ingenieurwissen-schaften auf, wie es zur Entwicklung der Mechatronik gekommen ist. Die Begriffe Mechatronik und mechatronisches System werden definiert und Grundbegriffe der Systemtechnik werden erläutert. Aus einer Zusammenschau von maschinenbau-lichen und elektrotechnischen Systemen wird die Bedeutung der Mechatronik für die modernen Ingenieurwissenschaften herausgearbeitet.
Werner Roddeck
Kapitel 2. Modellbildung technischer Systeme
Zusammenfassung
In Kapitel 1 wurde bereits kurz auf die Modellbildung technischer Systeme am Beispiel eines einfachen mechanischen und eines elektrischen Systems eingegangen. Um die Kinematik und die Dynamik eines komplexen Systems anschließend behandeln zu können und darauf aufbauend ein Steuerungs- und Regelungskonzept des Systems zu entwickeln, ist immer zuerst eine solche Modellbildung erforderlich. Dies beinhaltet letztendlich die Bildung eines Satzes mathematischer Beschreibungen des Systemverhaltens. Nach einer Definition des Systembegriffs werden unterschiedliche Modelle für technische Systeme behandelt und der Prozess und die Probleme der Modellbildung werden beschrieben. Anhand von Beispielen wird dargestellt, wo heute schon mechatronische Systeme eingesetzt werden und wodurch sich solche Systeme von anderen Systemen abgrenzen.
Werner Roddeck
Kapitel 3. Dynamik mechanischer Systeme
Zusammenfassung
Hat man ein Modell für das mechatronische System aufgestellt, so muss man die in ihm ablaufenden Bewegungen mathematisch beschreiben. Dazu gehören die Beschreibung der Lage und der Orientierung der einzelnen Körper zueinander und die Bestimmung der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die Kinematik beschäftigt sich mit den Bewegungen, ohne die Ursachen der Bewegungen, nämlich Kräfte oder Momente, in die Betrachtung mit einzubeziehen. Die Kinetik wiederum untersucht die Wechselwirkung zwischen den Ursachen und den Bewegungen von Massen. Die Beschreibung der Kinematik von mechanischen Systemen und die Berechnung ihres dynamischen Bewegungsverhaltens mit verschiedenen Methoden der Kinetik sind Inhalte dieses Kapitels.
Werner Roddeck
Kapitel 4. Schwingungen
Zusammenfassung
Ein sehr häufig in maschinenbaulichen und elektrotechnischen Systemen auftretender dynamischer Vorgang ist die Schwingung. Anhand des sehr einfachen mechanischen Systems „Einmassenschwinger“ werden die mathematische Beschreibung des Schwingungsverhaltens und die wichtigsten Darstellungs-methoden erläutert und später auch auf Mehrmassensysteme erweitert. Weiterhin wird die Analyse von Schwingungsvorgängen mit Hilfe der Fourier-Transformation behandelt.
Werner Roddeck
Kapitel 5. Sensoren
Zusammenfassung
Ein mechatronisches System muss Informationen aus seiner Umwelt und über seinen inneren Zustand erfassen, um daraus die Regelung und Steuerung seines Bewegungsverhaltens abzuleiten. Zu diesem Zweck benötigt es Messwertauf-nehmer. Diese sind in Sensoren enthalten, die teilweise deutlich mehr Aufgaben als die reine Messwerterfassung beinhalten. Es werden im einzelnen verschiedene Messeffekte wie Widerstandseffekte, piezoelektrische, magnetische, induktive kapazitive und optische Effekte beschrieben und dargestellt, wie sie in unterschiedlichen Sensoren zur Messwerterfassung eingesetzt werden
Werner Roddeck
Kapitel 6. Aktoren
Zusammenfassung
Für die Erzeugung von Bewegungen, oder das Aufbringen von Kräften und Momenten, werden in mechatronischen Systemen Antriebe (Aktoren oder Aktuatoren) benötigt. Da sie häufig in lagegeregelten Antriebssystemen (Servosystemen) eingesetzt werden, kommen hier im Wesentlichen drehzahl- oder geschwindigkeitsregelbare Antriebe in Frage. Diese Anforderung erfüllen die meisten elektrischen oder fluidischen Antriebe, auf denen das Hauptaugenmerk dieses Kapitels liegt. Der Begriff Aktor geht aber über den Begriff Antrieb (engl. actuator) hinaus und umfasst alle Arten von Ausgabeelementen für Bewegungen, Kräfte und Momente, die sowohl analog als auch binär wirken können. Ein weiterer wichtiger Bestandteil dieses Kapitels ist die Behandlung neuartiger, häufig miniaturisierter neuartiger Aktoren, die Effekte wie die Piezoelektrizität oder die statische elektrische Abstoßung benutzen oder Formgedächtnislegierungen und Dehnstoffe verwenden.
Werner Roddeck
Kapitel 7. Automatisierungstechnik
Zusammenfassung
Der zentrale Bereich eines mechatronischen Systems, die Verwertung von gemessenen Daten aus der Außenwelt und aus dem System selber, die Datenverarbeitung, sowie die Steuerung und Regelung der Stellsysteme wurden in den vorhergegangenen Kapiteln noch nicht behandelt.
Mit den bisher behandelten Methoden kann man die Teile des Systems, die Kräfte oder Bewegungen erzeugen sollen, modellieren und mathematisch beschreiben. Es fehlen aber noch die Möglichkeiten, diesen Systemen ein dynamisches Sollverhalten vorzugeben und bei Abweichungen von diesem Verhalten entsprechend darauf zu reagieren. Die Methoden, Verfahren und Einrichtungen hierzu beschreibt die Prozessdatenverarbeitung und Regelungstechnik, die man zusammenfassend auch als Automatisierungstechnik bezeichnet.
In diesem ersten allgemeinen Kapitel über die Automatisierungstechnik werden unterschiedliche Automatisierungskonzepte und -strukturen behandelt, deren technische Details in Form der Steuerungs- und Regelungstechnik in den beiden folgenden Kapiteln präzisiert werden.
Werner Roddeck
Kapitel 8. Steuerungs- und Prozessrechentechnik
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden digitale Steuerungen und Digitalrechner, insbesondere Mikrorechner behandelt. Wichtige Kapitel dabei sind die Boole’sche Algebra, die unscharfe Logik (Fuzzy Logic), neuronale Netzwerke und Digitalrechner mit Echtzeitverhalten. Die Konzepte der Fuzzy Logic und der neuronalen Netzwerke werden anhand von Beispielen und durch Simulation mit entsprechenden Software-Tools verdeutlicht.
Im Abschnitt über die Prozessrechentechnik werden die dafür erforderlichen Konzepte in Digitalrechnern behandelt, wobei ein Schwerpunkt auf der Technik von Mikrorechnern liegt. Weiterhin werden spezielle hardwareprogrammierbare, anwendungsspezifische Bauelemente vorgestellt.
Werner Roddeck
Kapitel 9. Regelungstechnik
Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt ausführlich die Konzepte und Methoden der Regelungstechnik und zwar sowohl die Analyse als auch die Synthese regelungstechnischer Systeme. Im Bereich der Analyse werden alle wichtigen Methoden der Regelungstechnik wie die Laplace-Transformation, die Blockschaltbilddarstellung, Frequenzgang und Ortskurve und die Frequenzkennlinien beschrieben. Die Zustandsraumdarstellung, die den Ausgangspunkt der meisten Simulationsverfahren darstellt, wird ebenfalls behandelt. Dazu gehört auch die Untersuchung der Stabilität von Regelkreisen. Bei der Synthese von Regelkreisen geht es um deren Spezifikationen und die Optimierung des Regelverhaltens und um so genannte Einstellregeln.
Werner Roddeck
Kapitel 10. Simulation
Zusammenfassung
In der Entwicklungs- oder Planungsphase von komplexen Bewegungssystemen mit unübersichtlichen Bewegungsvorgängen ist es heute vielfach üblich, solche Systeme nicht an körperlich vorhandenen Prototypeneinrichtungen zu erproben und zu optimieren, sondern sie auf einem Digitalrechner zu simulieren. Die dazu erforderliche Software wird als Simulationssystem bezeichnet. Solche Simulations-systeme gibt es zur Simulation der Kinematik (Beispiel Robotersimulationssystem), zur Simulation dynamischer Vorgänge (Beispiel regelungstechnisches Simulations-system) oder auch zur Simulation statischer Belastungen (Beispiel Finite-Element-System). Weitere Simulationssysteme befassen sich mit der Simulation des elektrischen Verhaltens von Schaltungen und Bewegungssystemen.
In diesem Kapitel werden die Methoden der Simulationstechnik wie die numerische Integration zur Lösung von Bewegungsdifferentialgleichungen beschrieben. Vertieft wird beispielhaft ein System beschrieben das Blockschaltbilder als Ausgangspunkt der Simulation benutzt und des Weiteren ein Simulationssystem, das eine objektorientierte Modellierung ermöglicht.
Werner Roddeck
Kapitel 11. Mechatronische Systeme
Zusammenfassung
In diesem abschließenden Kapitel werden einige Systeme vorgestellt, die typischerweise in der Mechatronik behandelt werden. Anhand der Beispiele soll nochmals aufgezeigt werden, wie die Prinzipien und Methoden, die in den vorhergehenden Kapiteln erläutert wurden, zur Anwendung kommen und bei realen technischen Produkten zu verbesserten Problemlösungen führen. Dazu wird anfänglich am allgemeinen Beispiel des invertierten Pendels, dessen Modellvorstellung beispielsweise wichtiger Bestandteil eines Segway-Rollers ist, ausführlich das Entwurfsprinzip und die anschließende Realisierung beschrieben. Danach werden mechatronische Teilsysteme wie Magnetlager, aktive Fahrwerke und das ABS-System beschrieben. Die Darstellung wird zum Schluss durch Beispiele kompletter realisierter mechatronischer Systeme aus den Bereichen Produktions-technik, Robotertechnik und Fahrzeugtechnik abgerundet.
Werner Roddeck
Backmatter
Metadaten
Titel
Einführung in die Mechatronik
verfasst von
Werner Roddeck
Copyright-Jahr
2023
Electronic ISBN
978-3-658-41950-9
Print ISBN
978-3-658-41949-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-41950-9

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