Einführung in die Mechatronik
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
[2019]
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| Ausgabe: | 6., überarbeitete und erweiterte Auflage |
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Einführung in die Mechatronik
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Werner Roddeck
Hochschule Bochum
Bochum, Deutschland
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ISBN 978-3-658-27774-1 ISBN 978-3-658-27775-8 (eBook)
https://doi org/10 1007/978-3-658-27775-8
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Lektorat: Thomas Zipsner
Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist
ein Teil von Springer Nature
Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str 46,65189 Wiesbaden, Germany
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 29
221 Theoretische Modellbildung 30
2211 Allgemein bekannte Modellvorstellungen 30
2212 Vorgehensweise bei der Modellbildung 32
2 3 Klassifizierung dynamischer Systeme 38
2 4 Modellierung von Geometrie und Körpereigenschaften 41
241 Mehrkörpersysteme 42
242 Systeme mit elastischen Elementen 44
2 5 Modellierung elektrischer Komponenten 45
3 Dynamik mechanischer Systeme 50
3 1 Kinematik des Massenpunktes 50
3 2 Kinematik des starren Körpers 53
321 Die ebene Bewegung des starren Körpers 53
322 Die ebene Relativbewegung eines Punktes 59
323 Die Bewegung des starren Körpers im Raum 61
3231 Rotation im Raum 62
3232 Relativbewegung eines Punktes des starren Körpers 64
3233 Darstellung der Bewegung des starren Körpers in 66
Matrizenschreibweise
3 3 Bindungen in Mehrkörpersystemen 77
3 4 Kinetik 88
341 Impuls-, Schwerpunkt- und Drallsatz 89
342 Energiesatz 97
343 Die Prinzipien der Mechanik 100
3431 Prinzip der virtuellen Arbeit 100
3432 Lagrange sche Bewegungsgleichungen 105
4 Schwingungen 112
4 1 Einmassenschwinger 112
411 Freie ungedämpfte Schwingungen 114
412 Freie gedämpfte Schwingungen 116
413 Erzwungene Schwingungen 120
4131 Nichtperiodische Erregung 121
4132 Harmonische Erregung 122
414 Nichtlineare Schwinger 129
4 2 Mehrmassenschwinger 131
4 3 Schwingungsanalyse 139
431 Reelle Form der Fourier-Reihe 140
432 Komplexe Form der Fourier-Reihe 145
433 Fourier-Transformation nichtperiodischer Funktionen 146
434 Diskrete Fourier-Transformation zur Analyse von Abtastsignalen 149
VIII
Inhalt
Sensoren 158
5 1 Messtechnik 161
511 Messgrößen und Maßeinheiten 161
5,1 2 Messgrößenaufnehmer und Messwertwandler 163
5121 Messwertanpassung 165
5122 Analog-/Digital-Wandler 168
513 Kenngrößen von Messeinrichtungen 170
5131 Statische Kenngrößen 170
5132 Dynamische Kenngrößen 172
5133 Fehlerkenngrößen 174
5 2 Messeffekte 178
521 Widerstandseffekte 181
5211 Ohmsche Widerstandseffekte 181
5212 Piezowiderstandseffekt 184
522 Magnetische Effekte 185
5221 Induktionsprinzip 185
5222 Galvanomagnetische Effekte 186
5223 Magnetoelastische Effekte 188
523 Kapazitive Effekte 189
524 Piezo- und Pyroelektrische Effekte 190
525 Optische Effekte 192
5 3 Sensoren für mechatronische Systeme 195
531 Bewegungssensoren 195
5311 Positionssensoren 196
5312 Geschwindigkeitssensoren 205
5313 Beschleunigungssensoren 208
532 Kraft- und Momentensensoren 210
Aktoren 214
6 1 Klassische Aktoren 216
611 Elektromotorische, rotierende Antriebe 216
6111 Gleichstrommotoren 218
6112 Drehfeldmotoren 229
6113 Asynchronmotoren 231
6114 Schrittmotoren 236
612 Elektromotorische Linearantriebe 238
613 Fluidische Aktoren 240
6131 Pneumatische Aktoren 240
6132 Hydraulische Aktoren 241
6133 Geschwindigkeitsverstellung von hydraulischen Aktoren 244
6 2 Neuartige Aktoren 250
621 Piezoelektrische Aktoren 252
622 Aktoren aus Formgedächtnislegierungen 255
623 Dehnstoffaktoren 258
624 Mikrostrukturierte Aktoren 259
Automatisierungstechnik 262
7 1 Automatisierungskonzepte 262
7 2 Intelligente Maschinen 264
7 3 Steuerung und Regelung 266
7 4 Schlussfolgern und regelbasiertes Wissen 268
7 5 Autonome intelligente Agenten 270
7 6 Lernen und Mustererkennung 270
7 7 Architektur intelligenter Maschinen 272
771 Hierarchien 272
772 Netzwerke 273
773 Schichtarchitekturen 279
Inhalt
IX
8 Steuerungs- und Prozessrechentechnik 281
8 1 Boole sche Algebra 284
811 Kombinatorische Steuerungen 288
812 Sequentielle Steuerungen 290
8 2 Probleme der Modellbildung digitaler Systeme 294
8 3 Mehrwertige und unscharfe Logik (Fuzzy Logic) 296
8 4 Neuronale Netzwerke 302
841 McCulloch-Pitts-Neuron 304
842 Perceptron 305
843 Backpropargation-Netzwerk 308
8 5 Prozessdatenverarbeitung 310
851 Mikrorechner 311
852 Aufbau von Mikrorechnern 313
853 Software für Mikrorechner 326
8 6 Anwendungsspezifische Prozessoren und Bauelemente 329
9 Regelungstechnik 333
9 1 Beschreibung und Analyse regelungstechnischer Systeme 333
911 Laplace-Transformation 335
912 Blockschaltbilder 344
913 Frequenzgang und Ortskurve 350
914 Verschiedenartige Ubertragungssysteme 352
915 Frequenzkennlinien 359
916 Zustandsraumdarstellung 366
917 Regler 371
918 Stabilität von Regelkreisen 377
919 Systemidentifikation 391
9 2 Synthese von Regelkreisen 396
921 Spezifikationen 397
922 Einstellregeln 399
923 Mehrschleifige Regelkreise 402
10 Simulation 406
10 1 Numerische Integration 408
10 2 Objektorientierte Modellbildung 416
10 2 1 Bondgraphen 417
10 2 2 1-Port Bauelemente 421
10 221 1-Port R-Elemente 421
10 222 I-Port C-Elemente 422
10 223 I-Port I-Elemente 423
10 224 I-Port Quellen 424
10 2 3 2-Port Bauelemente 424
10 231 2-Port Transformer 425
10 232 2-Port Gyrator 426
10 2 4 Multi-Ports 427
10 2 5 Erstellung von Modellen komplexerer Systeme 429
10 3 Simulationssysteme 431
10 3 1 Simulationssprachen 431
10 3 2 Simulation elektrischer Schaltungen 432
10 3 3 Simulation mechanischer Systeme 433
10 3 4 Modellbeschreibung mit Blockschaltbild-Editoren 434
10 3 5 Objektorientierte Modellbildung 439
10 351 20-Sim 439
10 352 CAMel-View 445
10 3 6 Hardware-in-the-Loop, Software-in-the-Loop 447
10 361 Flardware-in-the-Loop 447
X
Inhalt
10 362 Software-in-the-Loop 447
10 363 Kopplung von Modellen und Prototypen 448
10 3 7 Simulationssysteme für Industrieroboter 449
11 Mechatronische Systeme 452
11 1 Wann ist der Einsatz der Mechatronik sinnvoll? 452
11 2 Entwicklung mechatronischer Systeme 455
11 3 Mechatronische Teilsysteme 464
11 3 1 Magnetlager 465
11 3 2 Anti-Blockier-System (ABS) 470
11 3 3 Aktives Fahrwerk 472
11 331 Aktive Federung mit Hydrozylinder 473
11 332 Aktive Federung mit Hydrozylinder und aktivem Tilger 475
11 3 4 Mechatronische Anwendungen bei Industrierobotern 479
11 341 Nachführen eines Roboterarms an einer Freiformfläche 480
11 342 Zusätzliche Bewegungsachsen für Industrieroboter 485
11 4 Mechatronische Gesamtsysteme 492
11 4 1 Hexapodenkonzepte 492
11 4 2 Fahrrad mit aktiver Neigetechnik 496
Literaturverzeichnis 502
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