Einführung in die Mechatronik mit 9 Tabellen
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|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Teubner
2006
|
| Ausgabe: | 3., überarb. und erg. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Lehrbuch : Maschinenbau
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Beschreibung für Leser Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
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Inhalt
1 Einleitung 1
1.1 Entwicklung von Maschinenbau und Elektrotechnik 1
1.2 Entwicklung der Technik am Beispiel der Werkzeugmaschine 4
1.3 Mechatronik als neues Bindeglied 6
1.4 Maschinenbau und Elektrotechnik - grundsätzlich verschieden? 8
1.5 Unterschiede zwischen Maschinenbau, Elektrotechnik und Mechatronik 16
1.6 Teilgebiete der Mechatronik 21
2 Modellbildung technischer Systeme 25
2.1 Systembegriff 25
2.2 Verfahren der Modellbildung 28
2.2.1 Theoretische Modellbildung 29
2.2.1.1 Allgemein bekannte Modellvorstellungen 29
2.2.1.2 Vorgehensweise bei der Modellbildung 31
2.3 Klassifizierung dynamischer Systeme 38
2.4 Modellierung von Geometrie und Körpereigenschaften 40
2.4.1 Mehrkörpersysteme 41
2.4.2 Systeme mit elastischen Elementen 43
2.5 Modellierung elektrischer Komponenten 44
3 Dynamik mechanischer Systeme 49
3.1 Kinematik des Massenpunktes 49
3.2 Kinematik des starren Körpers 52
3.2.1 Die ebene Bewegung des starren Körpers 52
3.2.2 Die ebene Relativbewegung eines Punktes 58
3.2.3 Die Bewegung des starren Körpers im Raum 60
3.2.3.1 Rotation im Raum 61
3.2.3.2 Relativbewegung eines Punktes des starren Körpers 63
3.2.3.3 Darstellung der Bewegung des starren Körpers in 64
Matrizenschreibweise
3.3 Bindungen in Mehrkörpersystemen 75
3.4 Kinetik 86
3.4.1 Impuls-, Schwerpunkt- und Drallsatz 86
3.4.2 Energiesatz 94
3.4.3 Die Prinzipien der Mechanik 97
3.4.3.1 Prinzip der virtuellen Arbeit 97
3.4.3.2 Lagrangesche Bewegungsgleichungen 102
4 Schwingungen 108
4.1 Einmassenschwinger 108
4.1.1 Freie ungedämpfte Schwingungen 110
4.1.2 Freie gedämpfte Schwingungen 112
4.1.3 Erzwungene Schwingungen 115
VIII
_Inhalt
4.1.3.1 Nichtperiodische Erregung 116
4.1.3.2 Hannonische Erregung 118
4.1.4 Nichtlineare Schwinger 123
4.2 Mehrmassenschwinger 125
4.3 Schwingungsanalyse I32
4.3.1 Reelle Form der Fourier-Reihe 133
4.3.2 Komplexe Form der Fourier-Reihe 138
4.3.3
Fourier-Transformation
nichtperiodischer Funktionen 139
4.3.4 Diskrete
Fourier-Transformation
zur Analyse von Abtastsignalen 141
Sensoren 148
5.1 Messtechnik 151
5.1.1 Messgrößen und Maßeinheiten 151
5.1.2 Messgrößenaufnehmer und Messwertwandler 153
5.1.2.1 Messwertanpassung 155
5.1.2.2 Analog-ZDigital-Wandler 157
5.1.3 Kenngrößen von Messeinrichtungen 159
5.1.3.1 Statische Kenngrößen 160
5.1.3.2 Dynamische Kenngrößen 162
5.1.3.3 Fehlerkenngrößen 164
5.2 Messeffekte 167
5.2.1 Widerstandseffekte 170
5.2.1.1 Ohmsche Widerstandseffekte 170
5.2.1.2 Piezowiderstandseffekt 172
5.2.2 Magnetische Effekte 173
5.2.2.1 Induktionsprinzip 173
5.2.2.2 Galvanomagnetische Effekte 175
5.2.2.3 Magnetoelastische Effekte 177
5.2.3 Kapazitive Effekte 177
5.2.4 Piezc-und Pyroelektrische Effekte 178
7.2.5 Optische Effekte 179
5.3 Sensoren für mechatronische Systeme 182
5.3.1 Bewegungssensoren 182
5.3.1.1 Positionssensoren 182
5.3.1.2 Geschwindigkeitssensoren 190
5.3.1.3 Beschleunigungssensoren 192
5.3.2 Kraft-und Momentensensoren 195
Aktoren 198
6.1 Klassische Aktoren 200
6.1.1 Elektromotorische, rotierende Antriebe 200
6.1.1.1 Gleichstrommotoren 202
6.1.1.2 Drehfeldmotoren 213
6.1.1.3 Asynchronmotoren 214
6.1.1.4 Schrittmotoren 220
6.1.2 Elektromotorische Linearantriebe 222
6.1.3 Fluidische Aktoren 223
Inhalt_
IX
6.1.3.1 Pneumatische Aktoren 224
6.1.3.2 Hydraulische Aktoren 224
6.1.3.3 Geschwindigkeitsverstellung von hydraulischenAktoren 228
6.2 Neuartige Aktoren 233
7 Automatisierungsstechnik 244
7.1 Automatisierungskonzepte 244
7.1.1 Intelligente Maschinen 246
7.1.2 Steuerung und Regelung 248
7.1.3 Schlussfolgern und regelbasiertes Wissen 250
7.1.4 Autonome intelligente Agenten 251
7.1.5 Lernen und Mustererkennung 252
7.1.6 Architektur intelligenter Maschinen 253
7.1.6.1 Hierarchien 254
7.1.6.2 Netzwerke 255
7.1.6.3 Schichtarchitekturen 261
7.2 Steuerungstechnik 261
7.2.1 Boole'sche Algebra 265
7.2.1.1 Kombinatorische Steuerungen 268
7.2.1.2 Sequentielle Steuerungen 271
7.2.2 Probleme der Modellbildung digitaler Systeme 275
7.2.3 Mehrwertige und unscharfe Logik
(Fuzzy
Logic) 277
7.2.3.1
Fuzzy
Mengen 278
7.2.3.2
Fuzzy- Inferenz
286
7.2.4 Neuronale Netzwerke 293
7.2.4.1 McCulloch-Pitts-Neuron 295
7.2.4.2 Perceptron 296
7.2.4.3 Backpropargation-Netzwerk 299
7.3 Regelungstechnik 301
7.3.1 Beschreibung und Analyse regelungstechnischer Systeme 302
7.3.1.1 Systembeschreibungen 304
7.3.1.2 Blockschaltbilder 312
7.3.1.3 Frequenzgang und Ortskurve 318
7.3.1.4 Verschiedenartige Übertragungssysteme 320
7.3.1.5 Frequenzkennlinien 327
7.3.1.6 Zustandsraumdarstellung 334
7.3.1.7 Regler 338
7.3.1.8 Stabilität von Regelkreisen 345
7.3.1.9 Systemidentifikation 358
7.3.2 Synthese von Regelkreisen 363
7.3.2.1 Spezifikationen 364
7.3.2.2 Einstellregeln 366
7.3.2.3 Mehrschleifige Regelkreise 369
7.4 Prozessdatenverarbeitung mit Mikrorechnern 373
7.4.1 Mikrorechner 374
7.4.1.1 Aufbau von Mikrorechnern 375
7.4.1.2 Software für Mikrorechner 384
7.4.2 Anwendungsspezifische Prozessoren und Bauelemente 385
x
_Inhalt
8 Simulation 389
8.1 Numerische Integration 391
8.2 Modellbildung mit Bond-Graphen 397
8.2.1 Elemente von Bond_Graphen 397
8.2.1.1 Träge Komponenten 399
8.2.1.2 Kapazitive Komponenten 400
8.2.1.3
Resistive
Komponenten 401
8.2.1.4 Transformer und Gyratoren 401
8.2.1.5 Quellen 402
8.2.1.6 Verzweigungen von
Effort
und
Flow
402
8.2.2 Zusammenführung elementarer Komponenten zu Systemen 403
8.3 Simulationssysteme 406
8.3.1 Simulationssprachen 406
8.3.2 Simulation elektrischer Schaltungen 406
8.3.3 Simulation mechanischer Systeme 408
8.3.4 Modellbeschreibung mit Blockschaltbild-Editoren 408
8.3.5 Objektorientierte Modellbildung 415
8.3.5.1 Dymola 416
8.3.5.2 BondSim 419
8.3.5.3 CAMel-View 421
8.3.6 Hardware-in-the-Loop, Software-in-the-Loop 425
8.3.6.1 Hardware-in-the-Loop 425
8.3.6.2 Software-in-the-Loop 426
8.3.6.3 Kopplung von Modellen und Prototypen 426
8.3.7 Simulationssysteme für Industrieroboter 427
9 Mechatronische Systeme 430
9.1 Wann ist der Einsatz der Mechatronik sinnvoll? 430
9.2 Entwicklung mechatronischer Systeme 433
9.3 Mechatronische Teilsysteme 441
9.3.1 Magnetlager 442
9.3.2 Aktives Fahrwerk 446
9.3.2.1 Aktive Federung mit Hydrozylinder 448
9.3.2.2 Aktive Federung mit Hydrozylinder und aktivem Tilger 450
9.3.3 Mechatronische Anwendungen bei Industrierobotern 453
9.3.3.1 Nachführen eines Roboteranns an einer Freiformfläche 454
9.3.3.2 Zusätzliche Bewegungsachsen für Industrieroboter 459
9.4 Mechatronische Gesamtsysteme 466
9.4.1 Hexapodenkonzepte 466
9.4.2 Fahrrad mit aktiver Neigetechnik 470
Literaturverzeichnis 476
Sachregister 478 |
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Inhalt
1 Einleitung 1
1.1 Entwicklung von Maschinenbau und Elektrotechnik 1
1.2 Entwicklung der Technik am Beispiel der Werkzeugmaschine 4
1.3 Mechatronik als neues Bindeglied 6
1.4 Maschinenbau und Elektrotechnik - grundsätzlich verschieden? 8
1.5 Unterschiede zwischen Maschinenbau, Elektrotechnik und Mechatronik 16
1.6 Teilgebiete der Mechatronik 21
2 Modellbildung technischer Systeme 25
2.1 Systembegriff 25
2.2 Verfahren der Modellbildung 28
2.2.1 Theoretische Modellbildung 29
2.2.1.1 Allgemein bekannte Modellvorstellungen 29
2.2.1.2 Vorgehensweise bei der Modellbildung 31
2.3 Klassifizierung dynamischer Systeme 38
2.4 Modellierung von Geometrie und Körpereigenschaften 40
2.4.1 Mehrkörpersysteme 41
2.4.2 Systeme mit elastischen Elementen 43
2.5 Modellierung elektrischer Komponenten 44
3 Dynamik mechanischer Systeme 49
3.1 Kinematik des Massenpunktes 49
3.2 Kinematik des starren Körpers 52
3.2.1 Die ebene Bewegung des starren Körpers 52
3.2.2 Die ebene Relativbewegung eines Punktes 58
3.2.3 Die Bewegung des starren Körpers im Raum 60
3.2.3.1 Rotation im Raum 61
3.2.3.2 Relativbewegung eines Punktes des starren Körpers 63
3.2.3.3 Darstellung der Bewegung des starren Körpers in 64
Matrizenschreibweise
3.3 Bindungen in Mehrkörpersystemen 75
3.4 Kinetik 86
3.4.1 Impuls-, Schwerpunkt- und Drallsatz 86
3.4.2 Energiesatz 94
3.4.3 Die Prinzipien der Mechanik 97
3.4.3.1 Prinzip der virtuellen Arbeit 97
3.4.3.2 Lagrangesche Bewegungsgleichungen 102
4 Schwingungen 108
4.1 Einmassenschwinger 108
4.1.1 Freie ungedämpfte Schwingungen 110
4.1.2 Freie gedämpfte Schwingungen 112
4.1.3 Erzwungene Schwingungen 115
VIII
_Inhalt
4.1.3.1 Nichtperiodische Erregung 116
4.1.3.2 Hannonische Erregung 118
4.1.4 Nichtlineare Schwinger 123
4.2 Mehrmassenschwinger 125
4.3 Schwingungsanalyse I32
4.3.1 Reelle Form der Fourier-Reihe 133
4.3.2 Komplexe Form der Fourier-Reihe 138
4.3.3
Fourier-Transformation
nichtperiodischer Funktionen 139
4.3.4 Diskrete
Fourier-Transformation
zur Analyse von Abtastsignalen 141
Sensoren 148
5.1 Messtechnik 151
5.1.1 Messgrößen und Maßeinheiten 151
5.1.2 Messgrößenaufnehmer und Messwertwandler 153
5.1.2.1 Messwertanpassung 155
5.1.2.2 Analog-ZDigital-Wandler 157
5.1.3 Kenngrößen von Messeinrichtungen 159
5.1.3.1 Statische Kenngrößen 160
5.1.3.2 Dynamische Kenngrößen 162
5.1.3.3 Fehlerkenngrößen 164
5.2 Messeffekte 167
5.2.1 Widerstandseffekte 170
5.2.1.1 Ohmsche Widerstandseffekte 170
5.2.1.2 Piezowiderstandseffekt 172
5.2.2 Magnetische Effekte 173
5.2.2.1 Induktionsprinzip 173
5.2.2.2 Galvanomagnetische Effekte 175
5.2.2.3 Magnetoelastische Effekte 177
5.2.3 Kapazitive Effekte 177
5.2.4 Piezc-und Pyroelektrische Effekte 178
7.2.5 Optische Effekte 179
5.3 Sensoren für mechatronische Systeme 182
5.3.1 Bewegungssensoren 182
5.3.1.1 Positionssensoren 182
5.3.1.2 Geschwindigkeitssensoren 190
5.3.1.3 Beschleunigungssensoren 192
5.3.2 Kraft-und Momentensensoren 195
Aktoren 198
6.1 Klassische Aktoren 200
6.1.1 Elektromotorische, rotierende Antriebe 200
6.1.1.1 Gleichstrommotoren 202
6.1.1.2 Drehfeldmotoren 213
6.1.1.3 Asynchronmotoren 214
6.1.1.4 Schrittmotoren 220
6.1.2 Elektromotorische Linearantriebe 222
6.1.3 Fluidische Aktoren 223
Inhalt_
IX
6.1.3.1 Pneumatische Aktoren 224
6.1.3.2 Hydraulische Aktoren 224
6.1.3.3 Geschwindigkeitsverstellung von hydraulischenAktoren 228
6.2 Neuartige Aktoren 233
7 Automatisierungsstechnik 244
7.1 Automatisierungskonzepte 244
7.1.1 Intelligente Maschinen 246
7.1.2 Steuerung und Regelung 248
7.1.3 Schlussfolgern und regelbasiertes Wissen 250
7.1.4 Autonome intelligente Agenten 251
7.1.5 Lernen und Mustererkennung 252
7.1.6 Architektur intelligenter Maschinen 253
7.1.6.1 Hierarchien 254
7.1.6.2 Netzwerke 255
7.1.6.3 Schichtarchitekturen 261
7.2 Steuerungstechnik 261
7.2.1 Boole'sche Algebra 265
7.2.1.1 Kombinatorische Steuerungen 268
7.2.1.2 Sequentielle Steuerungen 271
7.2.2 Probleme der Modellbildung digitaler Systeme 275
7.2.3 Mehrwertige und unscharfe Logik
(Fuzzy
Logic) 277
7.2.3.1
Fuzzy
Mengen 278
7.2.3.2
Fuzzy- Inferenz
286
7.2.4 Neuronale Netzwerke 293
7.2.4.1 McCulloch-Pitts-Neuron 295
7.2.4.2 Perceptron 296
7.2.4.3 Backpropargation-Netzwerk 299
7.3 Regelungstechnik 301
7.3.1 Beschreibung und Analyse regelungstechnischer Systeme 302
7.3.1.1 Systembeschreibungen 304
7.3.1.2 Blockschaltbilder 312
7.3.1.3 Frequenzgang und Ortskurve 318
7.3.1.4 Verschiedenartige Übertragungssysteme 320
7.3.1.5 Frequenzkennlinien 327
7.3.1.6 Zustandsraumdarstellung 334
7.3.1.7 Regler 338
7.3.1.8 Stabilität von Regelkreisen 345
7.3.1.9 Systemidentifikation 358
7.3.2 Synthese von Regelkreisen 363
7.3.2.1 Spezifikationen 364
7.3.2.2 Einstellregeln 366
7.3.2.3 Mehrschleifige Regelkreise 369
7.4 Prozessdatenverarbeitung mit Mikrorechnern 373
7.4.1 Mikrorechner 374
7.4.1.1 Aufbau von Mikrorechnern 375
7.4.1.2 Software für Mikrorechner 384
7.4.2 Anwendungsspezifische Prozessoren und Bauelemente 385
x
_Inhalt
8 Simulation 389
8.1 Numerische Integration 391
8.2 Modellbildung mit Bond-Graphen 397
8.2.1 Elemente von Bond_Graphen 397
8.2.1.1 Träge Komponenten 399
8.2.1.2 Kapazitive Komponenten 400
8.2.1.3
Resistive
Komponenten 401
8.2.1.4 Transformer und Gyratoren 401
8.2.1.5 Quellen 402
8.2.1.6 Verzweigungen von
Effort
und
Flow
402
8.2.2 Zusammenführung elementarer Komponenten zu Systemen 403
8.3 Simulationssysteme 406
8.3.1 Simulationssprachen 406
8.3.2 Simulation elektrischer Schaltungen 406
8.3.3 Simulation mechanischer Systeme 408
8.3.4 Modellbeschreibung mit Blockschaltbild-Editoren 408
8.3.5 Objektorientierte Modellbildung 415
8.3.5.1 Dymola 416
8.3.5.2 BondSim 419
8.3.5.3 CAMel-View 421
8.3.6 Hardware-in-the-Loop, Software-in-the-Loop 425
8.3.6.1 Hardware-in-the-Loop 425
8.3.6.2 Software-in-the-Loop 426
8.3.6.3 Kopplung von Modellen und Prototypen 426
8.3.7 Simulationssysteme für Industrieroboter 427
9 Mechatronische Systeme 430
9.1 Wann ist der Einsatz der Mechatronik sinnvoll? 430
9.2 Entwicklung mechatronischer Systeme 433
9.3 Mechatronische Teilsysteme 441
9.3.1 Magnetlager 442
9.3.2 Aktives Fahrwerk 446
9.3.2.1 Aktive Federung mit Hydrozylinder 448
9.3.2.2 Aktive Federung mit Hydrozylinder und aktivem Tilger 450
9.3.3 Mechatronische Anwendungen bei Industrierobotern 453
9.3.3.1 Nachführen eines Roboteranns an einer Freiformfläche 454
9.3.3.2 Zusätzliche Bewegungsachsen für Industrieroboter 459
9.4 Mechatronische Gesamtsysteme 466
9.4.1 Hexapodenkonzepte 466
9.4.2 Fahrrad mit aktiver Neigetechnik 470
Literaturverzeichnis 476
Sachregister 478 |
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