Taschenbuch der Mechatronik

Frontmatter

1. Mathematik

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden ausgewählte Teile der Mathematik behandelt, die für die Mechatronik besonders wichtig sind.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

2. Regelungstechnik

Zusammenfassung

Die Regelungstechnik ist neben der Steuerungstechnik das wichtigste Teilgebiet der Automatisierungstechnik. Ihre Aufgabe ist es, Größen eines Systems (z. B. Position, Geschwindigkeit) auf vorgegebene Werte einzuregeln und dort gegen den Einfluss von Störungen zu halten. Dazu werden Methoden der Systemtheorie verwendet.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

3. Analogtechnik

Zusammenfassung

Die Analogtechnik befasst sich mit Schaltungen, die analoge, d. h. in Zeit- und Signalwert kontinuierliche Signale verarbeiten. Wichtige Grundaufgaben der Analogtechnik sind: Verstärkung von Signalen, Verstärkung von Differenzen zwischen Signalen sowie ganz allgemein die Erzeugung analoger Ausgangssignale als Funktion analoger Eingangssignale.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

4. Digitaltechnik

Zusammenfassung

Die heutige Technik der Informationsverarbeitung ist im Wesentlichen durch die Digitaltechnik auf der Basis elektronischer Schaltungen geprägt. Seit mehr als 60 Jahren spielen dabei Halbleiterbauelemente eine entscheidende Rolle, weil sie in immer kleineren Abmessungen herstellbar sind und dabei pro Schaltprozess immer weniger Energie benötigen. Im Zuge der Integration dieser Bauelemente eröffneten sich Perspektiven, komplexe und aus vielen Millionen Einzeloperationen zusammengesetzte Algorithmen mit praktikablen Reaktionszeiten und vertretbarem technischen Aufwand zur Anwendung zu bringen. Die hiermit verbundenen technischen Entwicklungslinien entstammen den folgenden Kategorien:

• ■ Entwicklung algorithmischer Methoden zur Informationsverarbeitung und Bereitstellung der hierzu nötigen Entwurfswerkzeuge.
• ■ Technische Abbildung der Informationen und logischen Verarbeitungsschritte mit extrem hohen Arbeitsgeschwindigkeiten.
• ■ Technologische Voraussetzungen für die preisgünstige Herstellung einer sehr großen Anzahl von binären Schaltelementen.
• ■ Hierarchische Strukturierung und Definition von Funktionsblöcken mit universellem Charakter.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

5. Leistungselektronik

Zusammenfassung

Die Leistungselektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik und beschäftigt sich mit dem Steuern und Umformen von elektrischer Energie mithilfe von elektronischen Ventilen. Dabei erfolgt das Steuern und Umformen der elektrischen Energie so, dass möglichst wenig Verluste entstehen. Der Begriff Leistungs-elektronik umfasst auch die zugehörigen Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen (Bild 5.1).

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

6. Modellbildung

Zusammenfassung

Als Prozess wird ein Phänomen verstanden, das zeitlich-räumlichen Veränderungen unterworfen ist.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

7. Mechanische Systeme

Zusammenfassung

Die Analyse und Synthese mechatronischer Systeme ist unmittelbar mit der Untersuchung mechanischer Bewegungen verbunden. Aufgabe der Mechanik ist es, die Werkzeuge für den Abstraktionsprozess vom realen technischen System über das mechanische Modell bis zum mathematischen Gleichungssystem für die Beschreibung des dynamischen Verhaltens bereitzustellen.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

8. Sensoren

Zusammenfassung

Ein Sensor ist ein technisches Bauteil, das aus einer zu erfassenden physikalischen oder chemischen Größe ein eindeutiges, in der Regel elektrisch auswertbares Signal erzeugt.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

9. Elektrische Aktoren

Zusammenfassung

Aktoren oder Stelleinrichtungen sind wichtige Komponenten in mechatronischen Systemen. Sie stellen Kräfte oder Drehmomente, um eine Bewegungen auszuführen.

Unter einem elektrischen Aktor versteht man einen elektromechanischen Energiewandler.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

10. Hydraulische Aktoren

Zusammenfassung

Bei einem hydraulischen Antrieb wird eine Flüssigkeit (Öl, Wasser) durch eine Pumpe verdichtet und über Rohrleitungen und schaltende oder stetig arbeitende Ventile einem Stellglied zugeführt. Für lineare Bewegungen ist das Stellglied ein Zylinder, für drehende Bewegungen ein Hydraulikmotor.

Hydraulische Antriebe werden eingesetzt, wenn große Kräfte und eine hohe Dynamik gefordert sind.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

11. Pneumatische Aktoren

Zusammenfassung

Bei einem pneumatischen Antrieb wird Luft in einem Verdichter komprimiert und über Leitungen und schaltenden oder stetig arbeitenden Ventilen einem Stellglied zugeführt. Für lineare Bewegungen ist das Stellglied ein Zylinder, für rotatorische Bewegungen ein Pneumatikmotor. Eine Rückleitung der Druckluft von Stellglied zum Verdichter ist nicht erforderlich. Zum Aufnehmen und Positionieren von Werkstücken können pneumatische Antriebe durch pneumatische Greifer und Sauger ergänzt werden.

Pneumatische Antriebe werden eingesetzt, wenn kleine bis mittlere Stellkräfte sowie eine hohe Dynamik gefordert sind.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

12. Informatik (Computer Science)

Zusammenfassung

Informatik: Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen, insbesondere unter Einsatz von Computersystemen.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

13. Mikrorechentechnik

Zusammenfassung

Elektronische Datenverarbeitungsanlagen auf der Grundlage digitaler Schaltungen (Digitalrechner, Computer) waren in ihrer Anfangszeit lediglich als Großrechner (Mainframes) verfügbar. Sie benötigten große Räume für ihre Unterbringung und waren wenigen Spezialisten vorbehalten. Inzwischen verfügen die meisten Anwender über mehrere Computer unterschiedlichster Ausprägung (z. B. Personal Computer, Laptop oder Tablet). Die nächste Phase der Computernutzung liegt im „Ubiquitous Computing“, auch „Netz der Dinge“ genannt, bei dem sich elektronische Geräte automatisch miteinander verbinden und kommunizieren können.

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

14. Mechatronische Systeme

Zusammenfassung

Der elektronische Zündstartschalter ersetzt den klassischen Zündschalter. Er ist von der Lenkungsverriegelung entkoppelt und nicht mehr für die mechanische Diebstahlsicherheit zuständig. Er kann somit in ein Kunststoffgehäuse verbaut werden. Durch die Integration mechanischer, elektronischer und informationsverarbeitender Funktionen stellt er ein komplexes mechatronisches System mit folgenden Funktionen dar:

• ■ Verriegelung des Lenkrades
• ■ Mechanische Schlüsselaufnahme und Erfassen des Signals: „Schlüssel steckt“
• ■ Erfassen der Drehposition (aus, Radio-Stellung, Zündung ein, Motorstart)
• ■ Energieversorgung des elektronischen Schlüssels durch induktive Leistungsübertragung
• ■ Bidirektionale Datenkommunikation zwischen Schlüssel und Fahrzeug
• ■ Austausch von Informationen über den CAN-Bus über „Botschaften“

Ekbert Hering, Heinrich Steinhart

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