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FACHINFORMATIONEN
Fachinformation
Thema: Mechatronik
Zusammengefasst: Sebastian Nöll Letzte Änderung: 07.11.2012
Inhaltsverzeichnis
1. Definition Mechatronik. 2
2. Übersicht Mechatronik. 2
3. Grundlagen der Mechatronik. 3
4. Komponenten der Mechatronik. 11
a) Mechanische Komponenten. 11
b) Elektrische Komponenten. 34
c) Informatische Komponenten. 52
5. Quellen. 55
Mechatronik nach VDI-Richtlinie 2206
Mechatronik bezeichnet das synergetische Zusammenwirken der Fachdisziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik beim Entwurf und der Herstellung industrieller Erzeugnisse sowie bei der Prozessgestaltung.
Der Begriff Mechatronik ist ein Kofferwort. Er wurde ab 1969 von dem japanischen Unternehmen Yaskawa Electric Corporation, einem der weltweit größten Hersteller von Industrierobotern, geprägt und findet seinen Ursprung in der Feinmechanik. Später kam die Informatik als neue Kerndisziplin hinzu. Der Begriff Mechatronik hat sich in den letzten Jahren in der Technik weltweit etabliert. Sie steht eng mit der Elektromechanik, der Feinwerktechnik, der Mikrosystemtechnik und der Adaptronik in Beziehung.
Die Mechatronik soll Mechanik, Elektronik und Informatik miteinander verschmelzen und anstelle von mehreren Modellen ein mechatronisches Gesamtsystem beschreiben. Mechatronische Systeme haben die Aufgabe, mit Sensorik, Prozessorik, Aktorik und Elementen der Mechanik, Elektronik und Informatik (sowie anderer funktionell erforderlicher Technologien) Energie, Stoff (Materie) und/oder Information umzuwandeln, zu transportieren und/oder zu speichern.
Mechatronische Systeme können somit in Funktionsgruppen unterteilt werden, die meist Regelkreise bilden und aus Modulen mit mechanisch-elektrisch-magnetisch-thermisch-optischen Bauelementen, Sensorik zur Erfassung von Messgrößen des Systemzustandes, Aktorik zur Regelung und Steuerung sowie Prozessorik und Informatik zur Informationsverarbeitung bestehen.
[Quelle: http.1]
Bild: Mechanische Systeme [Quelle: „Mechatronische Systeme", R. Isermann, 2. Auflage]
Bild: Mechatronische Systeme [Quelle: „Mechatronische Systeme", R. Isermann, 2. Auflage]
[Quelle: http.2]
Mechatronische Systeme
Mechatronische Systeme weisen folgende Grundstruktur auf:
Informations- und Energieströme mechatronischer Systeme zeigen sich folgendermaßen:
Steuerung/Regelung
Mechatronische Systeme haben häufig Regelungs- und Steuerungsaufgaben zu übernehmen, daher ist zunächst die Frage zu klären, was unter Regelung und Steuerung zu verstehen ist.
Steuern heißt nach DIN 19226:
"Das Steuern ist ein Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Eingangsgrößen eine oder mehrere Ausgangsgrößen auf eine bestimmte Art und Weise beeinflussen. Der Informationsfluss ist dabei offen. Ein Signal wird in das technische System als Eingangsgröße eingegeben und macht sich im System an einer anderen Stelle als Ausgangsgröße bemerkbar. Diese Ausgangsgröße beeinflusst die Eingangsgröße in keiner Weise."
Regeln heißt nach DIN 19226:
"Das Regeln, die Regelung ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (zu regelnde Größe), erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird."
Kennzeichen ist ein geschlossener Wirkungsablauf.
Adaptronik
Wird von Mechatronik gesprochen, steht ein weiterer Begriff zur Diskussion: die Adaptronik.
Nach /POR/ *) gilt:
"Adaptronik beschreibt den Technologiebereich zur Schaffung einer neuen Klasse so genannter Intelligenter Strukturen. Dieses Konzept geht von der Entwicklung adaptiver Systeme aus, die sich über autonome, d.h. selbst regelnde Mechanismen an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen. Voraussetzung dafür ist die systemoptimale Verknüpfung von Sensoren und Aktuatoren (Geräte, die elektronische in mechanische Operationen umwandeln)."
*) zitiert wird eine Definition des Instituts für Strukturmechanik beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Mikrosystemtechnik
Auch der Begriff Mikrosystemtechnik ist eng mit der Mechatronik verbunden.
Nach /POR/ *) gilt:
"Werden Sensoren, Signalverarbeitung und Aktoren in miniaturisierter Bauform so zu einem Gesamtsystem verknüpft, dass sie 'empfinden', 'entscheiden' und 'reagieren' können, spricht man ... von einem Mikrosystem."
"Mikrosystemtechnik ist der Überbegriff für die gemeinsame Verwendung verschiedener, mindestens zweier Basistechnologien. Unter diesen Basistechnologien haben die folgenden drei - Mikroelektronik, Mikromechanik und Mikrooptik - einen hohen Reifegrad erreicht, die zu ihrer häufigen Anwendung in Mikrosystemen führt." **)
*) zitiert wird eine Definition des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
**) zitiert wird eine Definition der VDE / VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik
Modellbildung und Entwurf
Mechatronik bedeutet mehr als nur eine Addition von Komponenten eines Systems. Vielmehr erfolgt eine gleichzeitige Berücksichtigung, Abstimmung, Funktionsaufteilung und Optimierung der mechanischen, elektrischen/elektronischen und informatischen Komponenten.
Der Entwurf mechatronischer Systeme wird durch folgende drei Schwerpunkte charakterisiert:
Modellbildung
Entwurf Mechatronischer Systeme
Der Entwurf mechatronischer Systeme läuft in folgenden Schritten ab /ISE/:
Eigenschaften Mechatronischer Systeme
Der Entwurf mechatronischer Systeme berücksicht folgende mögliche Eigenschaften und Tendenzen mechatronischer Systeme /ISE/:
Funktionen
Softwarewerkzeuge für Modellbildung und Simulation
Softwarewerkzeuge für Entwurf/Konstruktion der Mechanik und Elektronik
Echtzeitsimulation: Hardware-in-the-Loop, Simulation, Control Prototyping
Intelligentes Gesamtsystem
Angestrebt wird, mechatronische Systeme mit intelligenten Eigenschaften zu entwickeln. Beabsichtigt ist, einen Prozess mit vorgesehenem Automatisierungsgrad zu modellieren, sein Verhalten zu erlernen, Schlussfolgerungen zu ziehen und diesen dann gezielt zu beeinflussen. Hierzu sind folgende Funktionen erforderlich /ISE/:
Regelkreis Mechatronik
Der mechatronische Regelkreis funktioniert folgendermaßen:
[Quelle: http.2]
[Quelle: http.2]
Antriebssysteme
Antriebssysteme gehören zu einem Regelungs- und Steuerungssystem und werden gebraucht, um Ausgangssignale eines Mikrorechners in Steuerungsvorgänge in einer Maschine o.ä. umzuwandeln. Digitale oder elektrische Größen werden in mechanische umgesetzt, in lineare oder translatorische Bewegungen.
Mechanische Antriebssysteme
Mechanische Systeme oder Mechanismen sind Geräte, die Bewegungen von einer in eine andere umwandeln, z.B. eine Translations- in eine Rotations-Bewegung. Hierzu sind mechanische Elemente, wie Verbindungen, Nocken, Getriebe, Zahnstangen, Ketten, Bandantriebe u.a. erforderlich. Eine Vielzahl derartiger Elemente wurde mittlerweile von Mikroprozessorensystemen abgelöst. Trotzdem haben sie ihre Vorteile und sichere Einsatzgebiete.
Kinematische Ketten
Kinematische Ketten werden über Verbindungsglieder aufgebaut. Diese sind i.d.R. starr und besitzen zwei oder mehr Befestigungspunkte (Knoten), die der Verknüpfung weiterer Glieder dienen. Sind zwei oder mehrere Verbindungsglieder miteinander verbunden, so bezeichnet man sie als Gelenk /BOL/.
Abbildung: Beispiele für Verbindungsglieder mit zwei, drei und vier Knoten
Kinematische Ketten in Form von Viergelenkgetrieben sollen kurz vorgestellt werden /BOL/:
Viergelenkgetriebe
Schubkurbelmechanismus
Typisches Beispiel für eine kinematische Kette ist der Schubkurbelmechanismus, umgesetzt in der Motorbewegung.
Nocken
Eine Nocke dreht sich oder schwingt und versetzt ein benachbartes Element in eine Bewegung. Dreht sich z.B. eine Nocke, wird ein Stößel, der auf dieser Nocke aufliegt, bewegt in Form eines gezielten Hebens, Verweilens und Senkens. Im Maschinenbau war es gängig, komplizierte kinematische Bewegungen durch Kurvenscheiben, die auf einer Welle angebracht waren, zu erzeugen.
Die Nockenform bestimmt den vertikalen Bewegungsablauf des Stößels, bezogen auf die 360 °- Drehung der Nocke:
Nocken und Bewegungsablauf
Nockengesteuerte Regler werden zunehmend durch mikroelektronische Bauelemente ersetzt.
Abbildung: Substitution
Räderwerke
Räderwerke werden genutzt, um Drehbewegungen zu übertragen und umzuwandeln. Dabei verändern sich Geschwindigkeiten oder Drehmomente /BOL/.
Sie treten auf in Form von Zylinderwalzen, Stirn- und Kegelgetrieben/Schrägradgetrieben, Zahnstangengetrieben, Verbundgetrieben mit mindestens zwei Elementen.
Zylinderwalzen
Abbildung: Zylinderwalzen
Zahnradgetriebe
Abbildung: Stirn- und Kegelgetriebe
Abbildung: Schrägradgetriebe
Zahnstangengetriebe
Abbildung: Zahnstangengetriebe
Verbundgetriebe
Abbildung: Verbundgetriebe
Sperrzahnrad mit Sperrklinke
Ein Sperrzahnrad besitzt sägeförmige Zähne, in die eine Sperrklinke eingeschwenkt werden kann.
Sie verhindert somit die Bewegung des Sperrzahnrades in entgegengesetzter Richtung. Verwendet wird dieser Mechanismus für eine Lagesicherung, wenn Lasten bewegt oder fixiert werden sollen /BOL/.
Abbildung: Sperrzahnrad mit Sperrklinke
Riemen- und Kettenantriebe
Riemenantriebe bestehen aus paarweise zusammengehörigen Zylinderwalzen, die über einen umlaufenden Riemen miteinander verbunden sind. Zur Übertragung der Drehmomente wird die Reibung zwischen Walze und Riemen genutzt, es können jedoch Schlupf oder Durchrutschen auftreten. Vorteilhaft ist, dass größere Entfernungen überbrückt werden können (früher: Transmissionsantriebe)
.
Abbildung: Riemenantrieb
Abbildung: Riemenantriebe mit gekreuztem Riemen
Riementriebe können mit einem Flach-, Rund-, Keil- und Zahnriemen versehen sein. Eine noch größere Sicherheit gegen das Durchrutschen der Räder ist durch die Verwendung von Ketten, deren Drehzylinder in die Zähne einrasten, gegeben
.
Abbildung: Kettenantrieb
Lager
Lager haben die Aufgabe, Teile miteinander zu verbinden, auftretende Kräfte abzufangen bei größtmöglicher Genauigkeit und geringster Reibung. Dies gilt insbesondere, wenn über eine Welle Drehbewegungen zu übertragen sind /BOL/. Es wird unterschieden in Gleitlager und Wälzlager.
Tabelle: Unterschiede zwischen Gleit- und Wälzlager
Gleitlager
Gleitlager dienen der Führung rotierender Wellen, die in radialer Richtung belastet werden. Als Material werden eingesetzt: Weißguss, Aluminium- oder Kupferlegierung, Bronze (Sinterbronze) oder Polymer. Als Arten der Schmierung sind üblich: hydrodynamische, hydrostatische Schmierung, Festbeschichtung oder haftende Grenzschicht /BOL/
Abbildung: Gleitlager
Wälzlager
Die Hauptlast wird beim Wälzlager durch Wälzkörper übernommen. Das Lager besteht somit aus einem äußeren und inneren Ring, den Wälzkörpern und einem Abstandshalter für die Wälzkörper.
Abbildung: Wälzlager
Neben den bekannten Kugellagern sind häufig Zylinderrollen-, Kegelrollen- und Nadellager im Einsatz.
Kugellager
Abbildung: Kugellager
Zylinderrollenlager
Abbildung: Zylinderrollenlager
Nadellager
Abbildung: Nadellager
Kegelrollenlager
Abbildung: Kegelrollenlager
Tonnenlager
Abbildung: Tonnenlager
Toroidallager
Abbildung: Toroidallager
Pneumatische Antriebssysteme
Pneumatische Systeme sind vorteilhaft einsetzbar zur Betätigung großer Ventile und Hochleistungs-Stellglieder und somit hoher Lastenbewegung. Nachteilig ist die Komprimierbarkeit der Luft und somit Abstriche an der Genauigkeit.
Energieversorgung
Pneumatische Systeme sind vorteilhaft einsetzbar zur Betätigung großer Ventile und Hochleistungs-Stellglieder und somit hoher Lastenbewegung. Nachteilig ist die Komprimierbarkeit der Luft und somit Abstriche an der Genauigkeit.
Hydraulische Systeme ermöglichen noch größere Leistungen, sind aber teurer und durch mögliche Öllecks störanfälliger als pneumatische Systeme. /BOL/
Die Energieversorung beider Systeme unterscheidet sich:
Tabelle: Energieversorgung
Wegeventile
Wegeventile in pneumatischen und hydraulischen Systemen haben die Aufgabe, den Luft- oder Flüssigkeitsdurchfluss zu steuern. Sie sind entweder geöffnet oder geschlossen, regeln also nicht die Durchflussrate.
Wegeventile sind dadurch charakterisiert, dass der Fluss des Mediums nur in einer Richtung erfolgen kann.
Es gibt unter anderem Kolbenventile und Tellerventile (Druckventile).
Kolbenventile
Eine gebräuchliche Variante ist die des Kolbenventils, hier erzeugt ein Verschieben des Kolbens beide Zustände. Analog funktioniert das Drehkolbenventil mit einer Drehbewegung.
Tellerventil
Tellerventile befinden sich normalerweise im geschlossenen Zustand. Über Druck auf die Drucktaste wird das Ventil geöffnet.
Ventilsysteme
Ventilbetätigungsprinzipien und -symbole sind z.B.:
Abbildung: Ventilbetätigungsprinzipien und -symbole
Druckventile
Es sind drei Arten von Druckventilen bekannt:
Abbildung: Druckventile
Zylinder
Hydraulische und pneumatische Zylinder dienen als lineares Stellglied. Sie bestehen aus einem Rohr, in dem ein Kolben oder Stößel axial gleiten kann. Von der einen Seite des Kolbens erfolgt über Ventile eine Druckzufuhr, von der anderen Seite wird durch eine Feder ein Widerstand entgegengesetzt.
Abbildung: Zylinder
Prozessregelventile
Prozessregelventile dienen der Fließgeschwindigkeits- regelung von Flüssigkeiten. Stellglieder haben hier die Aufgabe, den Leitungsquerschnitt und somit den Durchfluss zu verändern. Ein typisches pneumatisches Stellglied ist das Membranstellglied. An der einen Seite der Membran wirkt ein Betriebsdruck, auf der anderen Seite das vom Regler kommende Drucksignal. Die Membran verformt sich und über einen an der Membran angebrachten Stab wird die Bewegung als Stellglied weitergemeldet.
Flüssigkeitsregelsystem
Die Zuflussgeschwindigkeit einer Flüssigkeit soll in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand in einem Behälter geregelt werden. Ein Sensor erfasst die Flüssigkeitshöhe. Dieses Signal wird in einen Strom bestimmter Größe umgewandelt, der Strom betätigt ein pneumatisches Regelventil. Auf diese Weise wird die Zulaufgeschwindigkeit nach oben oder unten geregelt.
Strom-Druck-Wandler
Wie funktioniert nun ein Strom-Druck-Wandler: der Eingangsstrom fließt durch Spulen, die an einem Kern angebracht sind. Der Kern wird von einem Magneten angezogen. Je größer der Strom, umso größer die Anziehung. Je größer die Anziehung, umso geringer wird der Spalt zwischen Zunge und Luftdüse und somit die Menge an ausströmender Luft. Der Luftdruck im System erhöht sich.
Elektrische Antriebssysteme
Elektrische Systeme, die als Stellglieder für Steuerungsvorgänge eingesetzt sind, bestehen aus den Komponenten:
Sie bewirken das Ein- und Ausschalten elektrischer Geräte (Heizgeräte, Motoren u.a.). Beispiele sind mechanische Schalter (Relais) oder Halbleiterschalter (Dioden, Thyristoren, Transistoren).
Magnetgeräte:
Magneten werden mit Strom versorgt, so dass sie weiche Eisenkerne als Ventile bewegen können. Beim hydraulischen / pneumatischen Magnetventil z.B. bewirkt der Strom durchflossene Magnet die Aktivierung des hydraulischen / pneumatischen Flusses.
Antriebssysteme:
Ein Motor wird mit Strom versorgt und Drehbewegungen entstehen. Zum Einsatz kommen Gleichstrom-, Drehstrom- und Schrittmotoren
Schaltgeräte
Zu der Gruppe der Schaltgeräte gehören mechanische Schalter und Halbleiterschalter.
Mechanische Schalter
sind üblich für z.B. das Einschalten von Elektromotoren, Heizgeräten oder Ventilen. Sie können auch als Sensoren genutzt werden, z. B. in Tastaturen, um über mechanische Signale digitale Daten an Rechner weiterzugeben.
Relais gehören zu dieser Gruppe. Hier sorgt die Änderung eines Stroms in einem Schaltkreis für das Ein- oder Ausschalten eines zweiten Schaltkreises.
Beispiel: Das Betätigen des Lichtschalters bewirkt das Schließen des Niederspannungsschaltkreises, der über Relais den Hochspannungs-Beleuchtungskreislauf und somit die Beleuchtung einschaltet.
Halbleiterschalter
Halbleiterschalter treten auf als:
Dioden
Abbildung: Diode
Thyristoren und Triacs
Abbildung: Thyristoren und Triacs
Bipolare Transistoren
Abbildung: Bipolare Transistoren
Leistungs-MOSFETs
Abbildung: Leistungs-MOSFETs
Magnetgeräte
Magnetantriebe können als elektrisch betätigte Stellglieder eingesetzt werden. Fließt ein Strom durch eine Spule, so wird ein weicher Eisenkern in diese Spule gezogen. Der Eisenkern kann dabei Öffnungen schließen oder freigeben, hydraulische oder pneumatische Systeme sind auf diese Weise steuerbar.
Motoren
Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren und Schrittmotoren dienen als Antriebssysteme.
Sie sind als Stellglied in Positionssystemen oder Drehzahlregelungen einsetzbar.
Am häufigsten sind Gleichstrommotoren im Einsatz.
Zur Wiederholung ein paar Anmerkungen zur Funktionsweise eines Motors:
Gleichstrommotor
Aufbau
Im herkömmlichen Gleichstrommotor ist die Schleife zu Drahtspulen ausgebildet, die sich auf einem Anker (Zylinder aus magnetischem Material) befinden. Dauer- oder Elektromagneten erzeugen das umgebende Magnetfeld. Über Kollektoren und Kohlebürsten wird der Anker- oder Erregerstrom mit jeder halben Drehung umgepolt, damit eine gleichförmige Bewegung entsteht.
Abbildung: Aufbau Gleichstrommotor
Prinzip
Eine Drahtschlinge befindet sich im Feld eines Dauermagneten. Wird nun die Schlinge von Strom durchflossen entstehen Kräfte: gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Sie führen zur Drehbewegung der Schleife. Die Stromrichtung muss jedoch gewechselt werden, damit eine ständige Drehbewegung erfolgen kann. Das geschieht, wenn die Schleife jeweils in senkrechter Stellung zum Magnetfeld angekommen ist.
Abbildung: Prinzip Gleichstrommotor
Wechselstrommotor
Wechselstrommotoren werden mit Wechselstrom betrieben, sie treten in Form von Einphasen- oder Mehrphasenmotoren auf. Jede dieser Gruppen besitzt Synchron- oder Asynchronmotoren. Einphasenmotoren sind im Vergleich zu Mehrphasenmotoren für niedrigere Leistungsanforderungen einzusetzen Asynchronmotoren sind im Vergleich zu Synchronmotoren kostengünstiger und daher häufiger im Einsatz.
Abbildung: Wechselstrommotoren Systemantriebstechnik Dresden GmbH
Schrittmotor
Schrittmotoren erhalten digitale Impulse und führen eine Drehbewegung je Impuls aus. Diese immer gleichen Drehwinkel oder Schritte führen dazu, dass durch Vorgabe einer Impulsanzahl ein exakt definierter Drehwinkel erreicht wird. Entspricht ein Impuls 6°, so sind 60 Impulse erforderlich, um 360° zu realisieren.
Anwendungsgebiete sind Drucker, Diskettenlaufwerke, Robotertechnik, auch in Form von Linearmotoren.
Elektronische Baulemente sind in Form von Stelleinrichtungen/ Aktoren, vielfältigsten Sensoren, Schaltern und Signalaufbereitung vertreten. Ihre Integration in mechatronische Systeme wird behandelt.
Abbildung: Elektronik
Mechatronische Produkte zeichnen sich dadurch aus, dass die drei Komponenten Mechanik, Elektronik und Informatik als Einheit zusammenwirken. Die Tendenz geht in die Richtung, dass zunehmend Funktionen mechanischer Elemente durch elektronische und informatische Elemente übernommen oder unterstützt werden.
Hierzu einige Schlagworte:
Der mechatronische Regelkreis funktioniert folgendermaßen:
Abbildung: Mechatronischer Regelkreis
Stelleinrichtungen, Aktoren
Stelleinrichtungen bzw. Aktoren haben folgenden Aufbau:
Abbildung: Stelleinrichtungen
Sensoren
Sensoren sind Messsysteme, die Zustände eines Prozesses erfassen können. Dabei wandelt der Sensor die gemessenen physikalischen Größen in elektrische Größen zwecks Weiterverarbeitung um.
Ein einfacher Sensor kann aus einem Wandler bestehen, wie z.B. einem Piezoelement, das aus der elastischen Deformation infolge Druckeinwirkung sofort ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt.
Aufbau
Abbildung: Aufbau eines Sensors
Smart Sensor:
Die Verknüpfung von Sensorelement und Auswerteelektronik (auf einem Siliziumchip) führt zu "intelligenten" Sensoren. So können Korrekturfunktionen, Selbsttests, Eigenkalibrierung, Protokollierung, Diagnose und Überwachung von Systemfunktionen vom zentralen Rechner auf die Sensorebene verlagert werden.
Intelligente Sensoren kommunizieren untereinander über Bussysteme.
Messgrößenumformer:
Mechanische Messgrößen, wie Kraft oder Drehmoment werden in besser messbare mechanische Messgrößen, wie Länge, Winkel, Kraft oder Deformation umgewandelt.
Das geschieht über Hebel, Getriebe oder Federelemente.
Wandler:
Die Wandlung von der mechanischen zur elektrischen Größe kann über den induktiven Abgriff eines Tauchspulensystems, über optische Winkelinkrementaufnehmer, über die Änderung des elektrischen Widerstands von Dehnungsmessstreifen oder über die Messung von Kapazitäten erfolgen.
Signalaufbereitung:
Das elektrische Ausgangssignal des Wandlers muss u.U. noch elektronisch aufbereitet werden. Typisch sind: Signalverstärkung, Filterung, Linearisierung der Kennlinie, Einstellung des Nullpunktes sowie Umsetzung analoger in digitale Signale.
Sensorsysteme können in einem Fahrzeug den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit erhöhen.
Weg-, Lage- und Näherungssensoren
Wegesensoren messen die Strecke, die ein Objekt bewegt wurde.
Lagesensoren bestimmen die Position eines Objektes bezüglich eines bekannten Referenzpunktes.
Näherungssensoren ermitteln die kritische Annäherung/Entfernung von Objekt und Sensor.
Bei der Auswahl sind zu berücksichtigen:
Potenziometersensor
Abbildung: Potenziometersensor
Dehnungsmessstreifen
Abbildung: Dehnungsmessstreifen
Kapazitive Elemente
Abbildung: Kapazitive Elemente
Differenzialtransformatoren
Abbildung: Differenzialtransformatoren
Wirbelstrom-Näherungssensoren
Abbildung: Wirbelstrom-Näherungssensoren
Induktive Näherungsschalter
Abbildung: Induktive Näherungsschalter
Optische Geber
Abbildung: Optische Geber
Pneumatische Sensoren
Abbildung: Pneumatische Sensoren
Näherungsschalter
Abbildung: Näherungsschalter
Hall-Effekt-Sensoren
Abbildung: Hall-Effekt-Sensoren
Geschwindigkeits- und Bewegungssensoren
Sensoren können die Aufgabe übernehmen, lineare und Winkelgeschwindigkeiten sowie Bewegungen erfassen.
Inkrementalgeber
Abbildung: Inkrementalgeber
Tachogenerator
Abbildung: Tachogenerator
Pyroelektrische Sensoren
Abbildung: Pyroelektrische Sensoren
Kraftsensoren
Zu den Kraftsensoren gehört z.B. die Federwaage. Hier wird ein Gewicht auf die Waagschale oder an einem Haken hängend befestigt und somit eine Längenänderung der Feder bewirkt. Dieser Federweg ist ein Maß für die wirkende Kraft. Neben dieser mechanische Variante wir häufig ein elektrischer Widerstandsmessstreifen genutzt, um Dehnung, Stauchung oder Verformung von Werkstücken zu überwachen.
Abbildung: Kraftsensor
Flüssigkeitsdrucksensoren
Für die Überwachung von Flüssigkeitsdrücken in Betriebsabläufen werden Flüssigkeitsdrucksensoren eingesetzt. Der Flüssigkeitsdruck bewirkt eine elastische Verformung von Membranen, Kapseln, Faltenbälgen oder Rohren. Gemessen werden der absolute Druck (im Vergleich zum Nulldruck), die Druckdifferenz oder der Messdruck (im Verhältnis zum Luftdruck).
Membran
Abbildung: Membran
Piezoelektrische Sensoren
Abbildung: Piezoelektrische Sensoren
Tastsensoren
Abbildung: Tastsensoren
Flüssigkeitsdurchfluss - Sensoren
Die Durchflussmenge von Flüssigkeiten wird traditionell gemessen, indem diese Flüssigkeit durch eine Verengung geleitet wird und somit eine Druckverminderung entsteht. /DUB/
Die Sensorarten für die genannten Aufgaben:
Messblende
Abbildung: Messblende
Turbinendurchflussmeter
Abbildung: Turbinendurchflussmeter
Flüssigkeitspegel-Sensoren
Der Flüssigkeitspegel in einem Behälter wird entweder direkt über die Ebene der Flüssigkeitsoberfläche oder indirekt durch Messen einer höhenabhängigen Größe bestimmt werden. /DUB/
Die Sensorarten für die genannten Aufgaben:
Schwimmer
Abbildung: Schwimmer
Differenzdruck
Abbildung: Differenzdruck
Temperatur-Sensoren
Über Ausdehnung oder Kontraktion von Körpern, Flüssigkeiten und Gasen kann eine Temperaturüberwachung vorgenommen werden /DUB/.
Die Sensorarten für die genannten Aufgaben:
Bimetallstreifen
Abbildung: Bimetallstreifen
Widerstandstemperaturmelder
Abbildung: Widerstandstemperaturmelder
Heißleiter
Abbildung: Heißleiter
Thermodioden und Transistoren
Abbildung: Thermodioden und Transistoren
Thermoelemente
Abbildung: Thermoelemente
Lichtsensoren
Fotodioden
Fotodioden sind Halbleiterflächendioden und Bestandteil eines Schaltkreises. Im Normalzustand sind diese Fotodioden in Sperrvorspannung geschaltet, so dass erst ein Strom fließt, wenn Licht auf die Fotodiodenfläche einfällt.
Einsatzgebiete sind Lichtmessung, Lichtschranken, Fernsteuerung.
Fototransistoren
Fototransistoren besitzen eine lichtempfindliche Kollektor-Basis p-n-Verbindungsstelle. Erst bei einfallendem Licht wird ein Basisstrom erzeugt, der zur Lichtintensität direkt proportional ist.
Fotowiderstände
Fotowiderstände haben einen vom Lichteinfall abhängigen Widerstand, der linear mit steigender Lichtintensität abnimmt.
Abbildung: Lichtsensoren
Aktoren
Aktoren erhalten elektrische Stellsignale von einer informationsverarbeitenden Einrichtung z.B. einem Mikroprozessor und wandeln diese in (meist mechanische) Prozessstellgrößen für die Steuerung des betreffenden Prozesses um.
So zeigt sich der Wirkungskreis:
Abbildung: Wirkungskreis Aktoren
Aktoren bestehen aus:
Abbildung: Aktoren
Dateneingabe über Schalter
Mechanische Schalter besitzen ein oder mehrere Kontaktpaar(e). Sie werden manuell mechanisch geöffnet oder geschlossen, so dass auf diese Weise Stromkreise unterbrochen bzw. geschlossen werden.
Abbildung: Schalter
Signalaufbereitung
Eine Signalaufbereitung für die Regelung und Steuerung technologischer Prozesse ist erforderlich, um empfangene Signale auf die nachfolgende Bearbeitung abzustimmen. Dazu gehören:
Abbildung: Signalaufbereitung
Für eine Signalaufbereitung können folgende Elemente zum Einsatz kommen:
Tabelle: Elemente der Signalaufbereitung
Die Informatik ist mit ihren Teildiszipinen tendenziell immer stärker in mechatronischen Systemen zu finden. Ihre Wirkungsweise als Mikroprozessoren / Rechnerkomponenten, Software, Speicher, Ein- und Ausgabeperipherie, Vernetzung, aber auch über Simulatoren stehen in diesem Kapitel im Vordergrund.
Abbildung: Informatik
Mechatronische Produkte zeichnen sich dadurch aus, dass die drei Komponenten Mechanik, Elektronik und Informatik als Einheit zusammenwirken. Die Tendenz geht in die Richtung, dass zunehmend Funktionen mechanischer Elemente durch elektronische und informatische Elemente übernommen oder unterstützt werden.
Hierzu einige Schlagworte:
Elektronik
Elektrisch gesteuerte Bewegungen
Wechselstrom-Motoren
Gleichstrom-Motoren
Elektromagnetische Aktoren
Schrittmotoren
Servoantriebe
Linearmotoren
Pneumatische Systeme
Hydraulische Systeme
Getriebe und Antriebe
Stirnrad-Getriebe
Schnecken-Getriebe
Keilriemenantriebe
Zahnriemenantriebe
Kettenantriebe
Kegel-Zahnräder
Zahnstangen und Gewindespindeln
Mechanische Grundbausteine der Antriebstechnik
Achsen und Wellen
Wälzlager und Gleitlager
Kupplungen
Sensoren als Sinnesorgane der Maschinen
Mechanisch betätigte Positions- und Endschalter
Magnetisch betätigte Schalter
Temperatur-Sensoren
Druck-Sensoren
Optoelektronische Sensoren
Lichtschranken
Bewegungssensoren
Bilderkennungssysteme
Messinstrumente und Messgeräte
Elektronische Messinstrumente
Mechanische Messinstrumente
Anzeige und Warngeräte
Einfache optische Anzeigen
Akustische Warn- und Meldesysteme
Displays und Bildschirme
Programmierung und Software
[Quelle: http.1] (abgerufen am 12.Januar 2011)
http://de.wikipedia.org/wiki/Mechatronik
[Quelle: http.2] (abgerufen am 11.Nov 2012)
http://mechatronik.elcms.de
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Zusammengefasst: Sebastian Nöll Letzte Änderung: 07.11.2012
Inhaltsverzeichnis
1. Definition Mechatronik. 2
2. Übersicht Mechatronik. 2
3. Grundlagen der Mechatronik. 3
4. Komponenten der Mechatronik. 11
a) Mechanische Komponenten. 11
b) Elektrische Komponenten. 34
c) Informatische Komponenten. 52
5. Quellen. 55
•1. Definition Mechatronik
Mechatronik nach VDI-Richtlinie 2206
Mechatronik bezeichnet das synergetische Zusammenwirken der Fachdisziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik beim Entwurf und der Herstellung industrieller Erzeugnisse sowie bei der Prozessgestaltung.
Der Begriff Mechatronik ist ein Kofferwort. Er wurde ab 1969 von dem japanischen Unternehmen Yaskawa Electric Corporation, einem der weltweit größten Hersteller von Industrierobotern, geprägt und findet seinen Ursprung in der Feinmechanik. Später kam die Informatik als neue Kerndisziplin hinzu. Der Begriff Mechatronik hat sich in den letzten Jahren in der Technik weltweit etabliert. Sie steht eng mit der Elektromechanik, der Feinwerktechnik, der Mikrosystemtechnik und der Adaptronik in Beziehung.
Die Mechatronik soll Mechanik, Elektronik und Informatik miteinander verschmelzen und anstelle von mehreren Modellen ein mechatronisches Gesamtsystem beschreiben. Mechatronische Systeme haben die Aufgabe, mit Sensorik, Prozessorik, Aktorik und Elementen der Mechanik, Elektronik und Informatik (sowie anderer funktionell erforderlicher Technologien) Energie, Stoff (Materie) und/oder Information umzuwandeln, zu transportieren und/oder zu speichern.
Mechatronische Systeme können somit in Funktionsgruppen unterteilt werden, die meist Regelkreise bilden und aus Modulen mit mechanisch-elektrisch-magnetisch-thermisch-optischen Bauelementen, Sensorik zur Erfassung von Messgrößen des Systemzustandes, Aktorik zur Regelung und Steuerung sowie Prozessorik und Informatik zur Informationsverarbeitung bestehen.
[Quelle: http.1]
•2. Übersicht Mechatronik
Bild: Mechanische Systeme [Quelle: „Mechatronische Systeme", R. Isermann, 2. Auflage]
Bild: Mechatronische Systeme [Quelle: „Mechatronische Systeme", R. Isermann, 2. Auflage]
•3. Grundlagen der Mechatronik
[Quelle: http.2]
Mechatronische Systeme
Mechatronische Systeme weisen folgende Grundstruktur auf:
Informations- und Energieströme mechatronischer Systeme zeigen sich folgendermaßen:
Steuerung/Regelung
Mechatronische Systeme haben häufig Regelungs- und Steuerungsaufgaben zu übernehmen, daher ist zunächst die Frage zu klären, was unter Regelung und Steuerung zu verstehen ist.
Steuern heißt nach DIN 19226:
"Das Steuern ist ein Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Eingangsgrößen eine oder mehrere Ausgangsgrößen auf eine bestimmte Art und Weise beeinflussen. Der Informationsfluss ist dabei offen. Ein Signal wird in das technische System als Eingangsgröße eingegeben und macht sich im System an einer anderen Stelle als Ausgangsgröße bemerkbar. Diese Ausgangsgröße beeinflusst die Eingangsgröße in keiner Weise."
Regeln heißt nach DIN 19226:
"Das Regeln, die Regelung ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (zu regelnde Größe), erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird."
Kennzeichen ist ein geschlossener Wirkungsablauf.
Adaptronik
){kind=link}
Wird von Mechatronik gesprochen, steht ein weiterer Begriff zur Diskussion: die Adaptronik.
Nach /POR/ *) gilt:
"Adaptronik beschreibt den Technologiebereich zur Schaffung einer neuen Klasse so genannter Intelligenter Strukturen. Dieses Konzept geht von der Entwicklung adaptiver Systeme aus, die sich über autonome, d.h. selbst regelnde Mechanismen an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen. Voraussetzung dafür ist die systemoptimale Verknüpfung von Sensoren und Aktuatoren (Geräte, die elektronische in mechanische Operationen umwandeln)."
*) zitiert wird eine Definition des Instituts für Strukturmechanik beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Mikrosystemtechnik
){kind=link}
Auch der Begriff Mikrosystemtechnik ist eng mit der Mechatronik verbunden.
Nach /POR/ *) gilt:
"Werden Sensoren, Signalverarbeitung und Aktoren in miniaturisierter Bauform so zu einem Gesamtsystem verknüpft, dass sie 'empfinden', 'entscheiden' und 'reagieren' können, spricht man ... von einem Mikrosystem."
"Mikrosystemtechnik ist der Überbegriff für die gemeinsame Verwendung verschiedener, mindestens zweier Basistechnologien. Unter diesen Basistechnologien haben die folgenden drei - Mikroelektronik, Mikromechanik und Mikrooptik - einen hohen Reifegrad erreicht, die zu ihrer häufigen Anwendung in Mikrosystemen führt." **)
*) zitiert wird eine Definition des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
**) zitiert wird eine Definition der VDE / VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik
Modellbildung und Entwurf
Mechatronik bedeutet mehr als nur eine Addition von Komponenten eines Systems. Vielmehr erfolgt eine gleichzeitige Berücksichtigung, Abstimmung, Funktionsaufteilung und Optimierung der mechanischen, elektrischen/elektronischen und informatischen Komponenten.
Der Entwurf mechatronischer Systeme wird durch folgende drei Schwerpunkte charakterisiert:
Modellbildung
- Beschreibung der gewünschten physikalischen (realen) Struktur und Eigenschaften/Funktion des Systems
- Abstrahierung des Systems zum geeigneten Modell
- Modellbeschreibung mit Eingangs-, Ausgangsgrößen, Struktur, Teilsystemen
- Computersimulationen am Modell
- Übergang zur realen Gesamt-Systemauslegung
- Bildung von Teilsystemen mit Teilfunktionen (Varianten)
- Parametrisierung der Bauteile
- Festlegung der Informationsflüsse
- Beschreibung der Aufgaben für Sensoren und Aktoren
- ...
- Wertung der Eignung mechanischer, elektrischer/elektronischer und informatischer Komponenten
- Aufteilung der Funktionen
- Test des Gesamtkonzepts
- Rapid Prototyping-Modelle herstellen
- Simulation und Test
- Bewertung von Fertigungs-, Betriebskosten, Energieverbrauch, dynamischem Verhalten, Umweltverträglichkeit, Flexibilität, Zuverlässigkeit
- Korrektur bei Bedarf
Entwurf Mechatronischer Systeme
Der Entwurf mechatronischer Systeme läuft in folgenden Schritten ab /ISE/:
Eigenschaften Mechatronischer Systeme
Der Entwurf mechatronischer Systeme berücksicht folgende mögliche Eigenschaften und Tendenzen mechatronischer Systeme /ISE/:
Funktionen
- Mechanische Grundkonstruktion: Vereinfachung
- Funktionsaufteilung: Mechanik - Elektronik - Informatik
- Betriebseigenschaften: Präzision, großer Bereich, nahe an Grenzwerten, ...
- Neue Funktionen: Regelung nicht messbarer Größen; dynamische Eigenschaften, adaptive Systeme, Fehlerdiagnose, Redundanzkonzepte
- Drive-by-wire-Fahrzeuge, Fly-by-wire-Flugzeuge (Fahren, Fliegen, Steuern ohne mechanische Kraftübertragung zu Stellelementen)
- Neue Sensoren: Mikromechanik, GaAs (Galliumarsenid)
- Neue Aktoren: elektromechanisch, piezoelektrisch, elektrorheologisch (Stofffließeigenschaften nutzend)
- Integration der Komponenten: Hardwareintegration, Integration der Sensoren, Aktoren und Mikroelektronik in die Mechanik
- Integration durch Informationsverarbeitung: Softwareintegration, modell- und prozesswissensbasierte algorithmische Methoden
- Informationsverarbeitende Kette: Sensoren - Mikrorechner - Aktoren
- Eingebettete Mikroelektronik
- Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, Mikrocontroller, ASICs (Application Specific Integrated Circuit)
- Bus-Systeme: CAN-, Profi-, Sercos (Serial Realtime Communication System)-Bus
- Redundante Strukturen: Duplex-, Triplex- Anordnung für sicherheitskritische Fälle
- Elektrische Pedale oder Hebel mit haptischer Rückwirkung (Tastsinne nutzend)
- Telemanipulation
- Neue Anzeigesysteme: Displaytechniken
Softwarewerkzeuge für Modellbildung und Simulation
Softwarewerkzeuge für Entwurf/Konstruktion der Mechanik und Elektronik
Echtzeitsimulation: Hardware-in-the-Loop, Simulation, Control Prototyping
Intelligentes Gesamtsystem
Angestrebt wird, mechatronische Systeme mit intelligenten Eigenschaften zu entwickeln. Beabsichtigt ist, einen Prozess mit vorgesehenem Automatisierungsgrad zu modellieren, sein Verhalten zu erlernen, Schlussfolgerungen zu ziehen und diesen dann gezielt zu beeinflussen. Hierzu sind folgende Funktionen erforderlich /ISE/:
- Inferenz-Mechanismus
- Kommunikation
- Wissensbasis
- Autorisierungs-Ebenen
Regelkreis Mechatronik
Der mechatronische Regelkreis funktioniert folgendermaßen:
|
Mechanisches System |
Einsatz |
Beispiel |
|
Mechanische Komponenten |
Maschinenelemente |
- Lager - Gelenke |
|
|
Kraft- und bewegungserzeugende Komponenten |
- Kinematische Verbindungen - Antriebsstränge - hydraulische, pneumatische Komponenten - elektromechanische Komponenten |
|
Maschinen |
Kraftmaschinen |
- Elektromotoren - Kolbenmotoren - Turbinen |
|
|
Arbeitsmaschinen |
- Elektrische Generatoren - Turbo-Generatoren - Kolbenmotoren - Werkzeugmaschinen - Fertigungsmaschinen - landwirtschaftliche Maschinen |
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Fahrzeuge |
Kraftfahrzeuge |
- PKWs - LKW - Traktoren - Militärische Fahrzeuge |
|
|
Bahnen |
- Lokomotiven, Dampf-, Elektro-, Diesel-, Magnetbahnen - Personen-, Güterwagen |
|
|
Flugzeuge |
- Allgemeine Luftfahrt - Passagierluftfahrt - Militärluftfahrt |
|
Feinmechanik |
Feinmechanische Komponenten |
- Lager - Gelenke - kinematische Verbindungen - Antriebsstränge - Schalter - Relais - Sensoren - Aktoren |
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|
Feinmechanische Geräte |
- Rekorder - Drucker - Kommunikationsgeräte - Endgeräte - optische Geräte - Medizinische Geräte |
|
Mikromechanik |
Mikromechen. Komponenten |
- Lager - Gelenke - kinematische Verbindungen - Antriebsstränge |
|
|
Mikromechan. Systeme |
- Sensoren - Aktoren - Motoren - Pumpen |
•4. Komponenten der Mechatronik
[Quelle: http.2]
•a) Mechanische Komponenten
[Quelle: http.2]
Antriebssysteme
Antriebssysteme gehören zu einem Regelungs- und Steuerungssystem und werden gebraucht, um Ausgangssignale eines Mikrorechners in Steuerungsvorgänge in einer Maschine o.ä. umzuwandeln. Digitale oder elektrische Größen werden in mechanische umgesetzt, in lineare oder translatorische Bewegungen.
Mechanische Antriebssysteme
Mechanische Systeme oder Mechanismen sind Geräte, die Bewegungen von einer in eine andere umwandeln, z.B. eine Translations- in eine Rotations-Bewegung. Hierzu sind mechanische Elemente, wie Verbindungen, Nocken, Getriebe, Zahnstangen, Ketten, Bandantriebe u.a. erforderlich. Eine Vielzahl derartiger Elemente wurde mittlerweile von Mikroprozessorensystemen abgelöst. Trotzdem haben sie ihre Vorteile und sichere Einsatzgebiete.
Kinematische Ketten
Kinematische Ketten werden über Verbindungsglieder aufgebaut. Diese sind i.d.R. starr und besitzen zwei oder mehr Befestigungspunkte (Knoten), die der Verknüpfung weiterer Glieder dienen. Sind zwei oder mehrere Verbindungsglieder miteinander verbunden, so bezeichnet man sie als Gelenk /BOL/.
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Abbildung: Beispiele für Verbindungsglieder mit zwei, drei und vier Knoten
Viergelenkgetriebe
Kinematische Ketten in Form von Viergelenkgetrieben sollen kurz vorgestellt werden /BOL/:
Viergelenkgetriebe
Schubkurbelmechanismus
Typisches Beispiel für eine kinematische Kette ist der Schubkurbelmechanismus, umgesetzt in der Motorbewegung.
Nocken
Eine Nocke dreht sich oder schwingt und versetzt ein benachbartes Element in eine Bewegung. Dreht sich z.B. eine Nocke, wird ein Stößel, der auf dieser Nocke aufliegt, bewegt in Form eines gezielten Hebens, Verweilens und Senkens. Im Maschinenbau war es gängig, komplizierte kinematische Bewegungen durch Kurvenscheiben, die auf einer Welle angebracht waren, zu erzeugen.
Die Nockenform bestimmt den vertikalen Bewegungsablauf des Stößels, bezogen auf die 360 °- Drehung der Nocke:
Nocken und Bewegungsablauf
Nockengesteuerte Regler werden zunehmend durch mikroelektronische Bauelemente ersetzt.
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Abbildung: Substitution
Räderwerke
Räderwerke werden genutzt, um Drehbewegungen zu übertragen und umzuwandeln. Dabei verändern sich Geschwindigkeiten oder Drehmomente /BOL/.
Sie treten auf in Form von Zylinderwalzen, Stirn- und Kegelgetrieben/Schrägradgetrieben, Zahnstangengetrieben, Verbundgetrieben mit mindestens zwei Elementen.
Zylinderwalzen
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Abbildung: Zylinderwalzen
Zahnradgetriebe
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Abbildung: Stirn- und Kegelgetriebe
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Abbildung: Schrägradgetriebe
Zahnstangengetriebe
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Abbildung: Zahnstangengetriebe
Verbundgetriebe
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Abbildung: Verbundgetriebe
Sperrzahnrad mit Sperrklinke
Ein Sperrzahnrad besitzt sägeförmige Zähne, in die eine Sperrklinke eingeschwenkt werden kann.
Sie verhindert somit die Bewegung des Sperrzahnrades in entgegengesetzter Richtung. Verwendet wird dieser Mechanismus für eine Lagesicherung, wenn Lasten bewegt oder fixiert werden sollen /BOL/.
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Abbildung: Sperrzahnrad mit Sperrklinke
Riemen- und Kettenantriebe
Riemenantriebe bestehen aus paarweise zusammengehörigen Zylinderwalzen, die über einen umlaufenden Riemen miteinander verbunden sind. Zur Übertragung der Drehmomente wird die Reibung zwischen Walze und Riemen genutzt, es können jedoch Schlupf oder Durchrutschen auftreten. Vorteilhaft ist, dass größere Entfernungen überbrückt werden können (früher: Transmissionsantriebe)
.
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Abbildung: Riemenantrieb
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Abbildung: Riemenantriebe mit gekreuztem Riemen
Riementriebe können mit einem Flach-, Rund-, Keil- und Zahnriemen versehen sein. Eine noch größere Sicherheit gegen das Durchrutschen der Räder ist durch die Verwendung von Ketten, deren Drehzylinder in die Zähne einrasten, gegeben
.
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Abbildung: Kettenantrieb
Lager
Lager haben die Aufgabe, Teile miteinander zu verbinden, auftretende Kräfte abzufangen bei größtmöglicher Genauigkeit und geringster Reibung. Dies gilt insbesondere, wenn über eine Welle Drehbewegungen zu übertragen sind /BOL/. Es wird unterschieden in Gleitlager und Wälzlager.
|
Gleitlager |
Wälzlager |
|
|
|
|
Gleitlager kommen i.d.R. mit einer Buchse zwischen z.B. Gehäuse und Welle aus. |
Wälzlager können Wellen führen und reduzieren die Reibung über Wälzkörper (Kugeln, Nadeln, Zylinder, Kegel, Tonnen). |
|
Diese trockenen Gleitlager sind für Wellen mit geringen Durchmessern, für geringe Belastungen und Geschwindigkeiten vorgesehen. |
Wälzlager kommen zum Einsatz bei einem größeren Bereich an Wellendurchmessern und hohen Belastungen. |
|
Sie können auch mit einer hydrodynamischen Schmierung versehen werden, sinnvoll bei großen Wellendurchmessern und hohen Belastungen |
Eine elastohydrodynamische Schmierung ist möglich. |
Tabelle: Unterschiede zwischen Gleit- und Wälzlager
Gleitlager
Gleitlager dienen der Führung rotierender Wellen, die in radialer Richtung belastet werden. Als Material werden eingesetzt: Weißguss, Aluminium- oder Kupferlegierung, Bronze (Sinterbronze) oder Polymer. Als Arten der Schmierung sind üblich: hydrodynamische, hydrostatische Schmierung, Festbeschichtung oder haftende Grenzschicht /BOL/
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Abbildung: Gleitlager
Wälzlager
Die Hauptlast wird beim Wälzlager durch Wälzkörper übernommen. Das Lager besteht somit aus einem äußeren und inneren Ring, den Wälzkörpern und einem Abstandshalter für die Wälzkörper.
Abbildung: Wälzlager
Neben den bekannten Kugellagern sind häufig Zylinderrollen-, Kegelrollen- und Nadellager im Einsatz.
Kugellager
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Abbildung: Kugellager
Zylinderrollenlager
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Abbildung: Zylinderrollenlager
Nadellager
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Abbildung: Nadellager
Kegelrollenlager
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Abbildung: Kegelrollenlager
Tonnenlager
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Abbildung: Tonnenlager
Toroidallager
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Abbildung: Toroidallager
Pneumatische Antriebssysteme
Pneumatische Systeme sind vorteilhaft einsetzbar zur Betätigung großer Ventile und Hochleistungs-Stellglieder und somit hoher Lastenbewegung. Nachteilig ist die Komprimierbarkeit der Luft und somit Abstriche an der Genauigkeit.
Energieversorgung
Pneumatische Systeme sind vorteilhaft einsetzbar zur Betätigung großer Ventile und Hochleistungs-Stellglieder und somit hoher Lastenbewegung. Nachteilig ist die Komprimierbarkeit der Luft und somit Abstriche an der Genauigkeit.
Hydraulische Systeme ermöglichen noch größere Leistungen, sind aber teurer und durch mögliche Öllecks störanfälliger als pneumatische Systeme. /BOL/
Die Energieversorung beider Systeme unterscheidet sich:
|
pneumatische Energieversorgung |
hydraulische Energieversorgung |
|
|
|
Wegeventile
Wegeventile in pneumatischen und hydraulischen Systemen haben die Aufgabe, den Luft- oder Flüssigkeitsdurchfluss zu steuern. Sie sind entweder geöffnet oder geschlossen, regeln also nicht die Durchflussrate.
Wegeventile sind dadurch charakterisiert, dass der Fluss des Mediums nur in einer Richtung erfolgen kann.
Es gibt unter anderem Kolbenventile und Tellerventile (Druckventile).
Kolbenventile
Eine gebräuchliche Variante ist die des Kolbenventils, hier erzeugt ein Verschieben des Kolbens beide Zustände. Analog funktioniert das Drehkolbenventil mit einer Drehbewegung.
Tellerventil
Tellerventile befinden sich normalerweise im geschlossenen Zustand. Über Druck auf die Drucktaste wird das Ventil geöffnet.
Ventilsysteme
Ventilbetätigungsprinzipien und -symbole sind z.B.:
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Abbildung: Ventilbetätigungsprinzipien und -symbole
Druckventile
Es sind drei Arten von Druckventilen bekannt:
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Abbildung: Druckventile
Zylinder
Hydraulische und pneumatische Zylinder dienen als lineares Stellglied. Sie bestehen aus einem Rohr, in dem ein Kolben oder Stößel axial gleiten kann. Von der einen Seite des Kolbens erfolgt über Ventile eine Druckzufuhr, von der anderen Seite wird durch eine Feder ein Widerstand entgegengesetzt.
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Abbildung: Zylinder
Prozessregelventile
Prozessregelventile dienen der Fließgeschwindigkeits- regelung von Flüssigkeiten. Stellglieder haben hier die Aufgabe, den Leitungsquerschnitt und somit den Durchfluss zu verändern. Ein typisches pneumatisches Stellglied ist das Membranstellglied. An der einen Seite der Membran wirkt ein Betriebsdruck, auf der anderen Seite das vom Regler kommende Drucksignal. Die Membran verformt sich und über einen an der Membran angebrachten Stab wird die Bewegung als Stellglied weitergemeldet.
Flüssigkeitsregelsystem
Die Zuflussgeschwindigkeit einer Flüssigkeit soll in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand in einem Behälter geregelt werden. Ein Sensor erfasst die Flüssigkeitshöhe. Dieses Signal wird in einen Strom bestimmter Größe umgewandelt, der Strom betätigt ein pneumatisches Regelventil. Auf diese Weise wird die Zulaufgeschwindigkeit nach oben oder unten geregelt.
Strom-Druck-Wandler
Wie funktioniert nun ein Strom-Druck-Wandler: der Eingangsstrom fließt durch Spulen, die an einem Kern angebracht sind. Der Kern wird von einem Magneten angezogen. Je größer der Strom, umso größer die Anziehung. Je größer die Anziehung, umso geringer wird der Spalt zwischen Zunge und Luftdüse und somit die Menge an ausströmender Luft. Der Luftdruck im System erhöht sich.
Elektrische Antriebssysteme
Elektrische Systeme, die als Stellglieder für Steuerungsvorgänge eingesetzt sind, bestehen aus den Komponenten:
- Schaltgeräte
- Magnetgeräte
- Antriebssysteme
Sie bewirken das Ein- und Ausschalten elektrischer Geräte (Heizgeräte, Motoren u.a.). Beispiele sind mechanische Schalter (Relais) oder Halbleiterschalter (Dioden, Thyristoren, Transistoren).
Magnetgeräte:
Magneten werden mit Strom versorgt, so dass sie weiche Eisenkerne als Ventile bewegen können. Beim hydraulischen / pneumatischen Magnetventil z.B. bewirkt der Strom durchflossene Magnet die Aktivierung des hydraulischen / pneumatischen Flusses.
Antriebssysteme:
Ein Motor wird mit Strom versorgt und Drehbewegungen entstehen. Zum Einsatz kommen Gleichstrom-, Drehstrom- und Schrittmotoren
Schaltgeräte
Zu der Gruppe der Schaltgeräte gehören mechanische Schalter und Halbleiterschalter.
Mechanische Schalter
sind üblich für z.B. das Einschalten von Elektromotoren, Heizgeräten oder Ventilen. Sie können auch als Sensoren genutzt werden, z. B. in Tastaturen, um über mechanische Signale digitale Daten an Rechner weiterzugeben.
Relais gehören zu dieser Gruppe. Hier sorgt die Änderung eines Stroms in einem Schaltkreis für das Ein- oder Ausschalten eines zweiten Schaltkreises.
Beispiel: Das Betätigen des Lichtschalters bewirkt das Schließen des Niederspannungsschaltkreises, der über Relais den Hochspannungs-Beleuchtungskreislauf und somit die Beleuchtung einschaltet.
Halbleiterschalter
Halbleiterschalter treten auf als:
Dioden
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Abbildung: Diode
Thyristoren und Triacs
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Abbildung: Thyristoren und Triacs
Bipolare Transistoren
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Abbildung: Bipolare Transistoren
Leistungs-MOSFETs
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Abbildung: Leistungs-MOSFETs
Magnetgeräte
Magnetantriebe können als elektrisch betätigte Stellglieder eingesetzt werden. Fließt ein Strom durch eine Spule, so wird ein weicher Eisenkern in diese Spule gezogen. Der Eisenkern kann dabei Öffnungen schließen oder freigeben, hydraulische oder pneumatische Systeme sind auf diese Weise steuerbar.
Motoren
Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren und Schrittmotoren dienen als Antriebssysteme.
Sie sind als Stellglied in Positionssystemen oder Drehzahlregelungen einsetzbar.
Am häufigsten sind Gleichstrommotoren im Einsatz.
Zur Wiederholung ein paar Anmerkungen zur Funktionsweise eines Motors:
- § befindet sich ein stromführender Leiter in einem Magnetfeld, wird auf ihn eine Kraft ausgeübt
- § bewegt sich dieser im Magnetfeld, wird in ihm eine Spannung induziert.
Gleichstrommotor
Aufbau
Im herkömmlichen Gleichstrommotor ist die Schleife zu Drahtspulen ausgebildet, die sich auf einem Anker (Zylinder aus magnetischem Material) befinden. Dauer- oder Elektromagneten erzeugen das umgebende Magnetfeld. Über Kollektoren und Kohlebürsten wird der Anker- oder Erregerstrom mit jeder halben Drehung umgepolt, damit eine gleichförmige Bewegung entsteht.
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Abbildung: Aufbau Gleichstrommotor
Prinzip
Eine Drahtschlinge befindet sich im Feld eines Dauermagneten. Wird nun die Schlinge von Strom durchflossen entstehen Kräfte: gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Sie führen zur Drehbewegung der Schleife. Die Stromrichtung muss jedoch gewechselt werden, damit eine ständige Drehbewegung erfolgen kann. Das geschieht, wenn die Schleife jeweils in senkrechter Stellung zum Magnetfeld angekommen ist.
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Abbildung: Prinzip Gleichstrommotor
Wechselstrommotor
Wechselstrommotoren werden mit Wechselstrom betrieben, sie treten in Form von Einphasen- oder Mehrphasenmotoren auf. Jede dieser Gruppen besitzt Synchron- oder Asynchronmotoren. Einphasenmotoren sind im Vergleich zu Mehrphasenmotoren für niedrigere Leistungsanforderungen einzusetzen Asynchronmotoren sind im Vergleich zu Synchronmotoren kostengünstiger und daher häufiger im Einsatz.
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Abbildung: Wechselstrommotoren Systemantriebstechnik Dresden GmbH
Schrittmotor
Schrittmotoren erhalten digitale Impulse und führen eine Drehbewegung je Impuls aus. Diese immer gleichen Drehwinkel oder Schritte führen dazu, dass durch Vorgabe einer Impulsanzahl ein exakt definierter Drehwinkel erreicht wird. Entspricht ein Impuls 6°, so sind 60 Impulse erforderlich, um 360° zu realisieren.
Anwendungsgebiete sind Drucker, Diskettenlaufwerke, Robotertechnik, auch in Form von Linearmotoren.
•b) Elektrische Komponenten
[Quelle: http.2]Elektronische Baulemente sind in Form von Stelleinrichtungen/ Aktoren, vielfältigsten Sensoren, Schaltern und Signalaufbereitung vertreten. Ihre Integration in mechatronische Systeme wird behandelt.
Abbildung: Elektronik
Mechatronische Produkte zeichnen sich dadurch aus, dass die drei Komponenten Mechanik, Elektronik und Informatik als Einheit zusammenwirken. Die Tendenz geht in die Richtung, dass zunehmend Funktionen mechanischer Elemente durch elektronische und informatische Elemente übernommen oder unterstützt werden.
Hierzu einige Schlagworte:
- § Mikroelektronik,
- § Leistungselektronik,
- § Aktorik,
- § Sensorik
Der mechatronische Regelkreis funktioniert folgendermaßen:
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Abbildung: Mechatronischer Regelkreis
Stelleinrichtungen, Aktoren
Stelleinrichtungen bzw. Aktoren haben folgenden Aufbau:
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Abbildung: Stelleinrichtungen
Sensoren
Sensoren sind Messsysteme, die Zustände eines Prozesses erfassen können. Dabei wandelt der Sensor die gemessenen physikalischen Größen in elektrische Größen zwecks Weiterverarbeitung um.
Ein einfacher Sensor kann aus einem Wandler bestehen, wie z.B. einem Piezoelement, das aus der elastischen Deformation infolge Druckeinwirkung sofort ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt.
Aufbau
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Abbildung: Aufbau eines Sensors
Smart Sensor:
Die Verknüpfung von Sensorelement und Auswerteelektronik (auf einem Siliziumchip) führt zu "intelligenten" Sensoren. So können Korrekturfunktionen, Selbsttests, Eigenkalibrierung, Protokollierung, Diagnose und Überwachung von Systemfunktionen vom zentralen Rechner auf die Sensorebene verlagert werden.
Intelligente Sensoren kommunizieren untereinander über Bussysteme.
Messgrößenumformer:
Mechanische Messgrößen, wie Kraft oder Drehmoment werden in besser messbare mechanische Messgrößen, wie Länge, Winkel, Kraft oder Deformation umgewandelt.
Das geschieht über Hebel, Getriebe oder Federelemente.
Wandler:
Die Wandlung von der mechanischen zur elektrischen Größe kann über den induktiven Abgriff eines Tauchspulensystems, über optische Winkelinkrementaufnehmer, über die Änderung des elektrischen Widerstands von Dehnungsmessstreifen oder über die Messung von Kapazitäten erfolgen.
Signalaufbereitung:
Das elektrische Ausgangssignal des Wandlers muss u.U. noch elektronisch aufbereitet werden. Typisch sind: Signalverstärkung, Filterung, Linearisierung der Kennlinie, Einstellung des Nullpunktes sowie Umsetzung analoger in digitale Signale.
Sensorsysteme können in einem Fahrzeug den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit erhöhen.
Weg-, Lage- und Näherungssensoren
Wegesensoren messen die Strecke, die ein Objekt bewegt wurde.
Lagesensoren bestimmen die Position eines Objektes bezüglich eines bekannten Referenzpunktes.
Näherungssensoren ermitteln die kritische Annäherung/Entfernung von Objekt und Sensor.
Bei der Auswahl sind zu berücksichtigen:
- § Länge des Weges
- § ist der Weg linear oder winklig
- § erforderliche Auflösung
- § erforderliche Genauigkeit
- § Material des zu messenden Objektes
- § Kosten
- § Taktiles oder berührungsloses Messen
Potenziometersensor
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Abbildung: Potenziometersensor
Dehnungsmessstreifen
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Abbildung: Dehnungsmessstreifen
Kapazitive Elemente
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Abbildung: Kapazitive Elemente
Differenzialtransformatoren
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Abbildung: Differenzialtransformatoren
Wirbelstrom-Näherungssensoren
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Abbildung: Wirbelstrom-Näherungssensoren
Induktive Näherungsschalter
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Abbildung: Induktive Näherungsschalter
Optische Geber
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Abbildung: Optische Geber
Pneumatische Sensoren
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Abbildung: Pneumatische Sensoren
Näherungsschalter
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Abbildung: Näherungsschalter
Hall-Effekt-Sensoren
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Abbildung: Hall-Effekt-Sensoren
Geschwindigkeits- und Bewegungssensoren
Sensoren können die Aufgabe übernehmen, lineare und Winkelgeschwindigkeiten sowie Bewegungen erfassen.
Inkrementalgeber
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Abbildung: Inkrementalgeber
Tachogenerator
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Abbildung: Tachogenerator
Pyroelektrische Sensoren
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Abbildung: Pyroelektrische Sensoren
Kraftsensoren
Zu den Kraftsensoren gehört z.B. die Federwaage. Hier wird ein Gewicht auf die Waagschale oder an einem Haken hängend befestigt und somit eine Längenänderung der Feder bewirkt. Dieser Federweg ist ein Maß für die wirkende Kraft. Neben dieser mechanische Variante wir häufig ein elektrischer Widerstandsmessstreifen genutzt, um Dehnung, Stauchung oder Verformung von Werkstücken zu überwachen.
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Abbildung: Kraftsensor
Flüssigkeitsdrucksensoren
Für die Überwachung von Flüssigkeitsdrücken in Betriebsabläufen werden Flüssigkeitsdrucksensoren eingesetzt. Der Flüssigkeitsdruck bewirkt eine elastische Verformung von Membranen, Kapseln, Faltenbälgen oder Rohren. Gemessen werden der absolute Druck (im Vergleich zum Nulldruck), die Druckdifferenz oder der Messdruck (im Verhältnis zum Luftdruck).
Membran
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Abbildung: Membran
Piezoelektrische Sensoren
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Abbildung: Piezoelektrische Sensoren
Tastsensoren
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Abbildung: Tastsensoren
Flüssigkeitsdurchfluss - Sensoren
Die Durchflussmenge von Flüssigkeiten wird traditionell gemessen, indem diese Flüssigkeit durch eine Verengung geleitet wird und somit eine Druckverminderung entsteht. /DUB/
Die Sensorarten für die genannten Aufgaben:
Messblende
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Abbildung: Messblende
Turbinendurchflussmeter
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Abbildung: Turbinendurchflussmeter
Flüssigkeitspegel-Sensoren
Der Flüssigkeitspegel in einem Behälter wird entweder direkt über die Ebene der Flüssigkeitsoberfläche oder indirekt durch Messen einer höhenabhängigen Größe bestimmt werden. /DUB/
Die Sensorarten für die genannten Aufgaben:
Schwimmer
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Abbildung: Schwimmer
Differenzdruck
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Abbildung: Differenzdruck
Temperatur-Sensoren
Über Ausdehnung oder Kontraktion von Körpern, Flüssigkeiten und Gasen kann eine Temperaturüberwachung vorgenommen werden /DUB/.
Die Sensorarten für die genannten Aufgaben:
Bimetallstreifen
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Abbildung: Bimetallstreifen
Widerstandstemperaturmelder
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Abbildung: Widerstandstemperaturmelder
Heißleiter
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Abbildung: Heißleiter
Thermodioden und Transistoren
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Abbildung: Thermodioden und Transistoren
Thermoelemente
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Abbildung: Thermoelemente
Lichtsensoren
Fotodioden
Fotodioden sind Halbleiterflächendioden und Bestandteil eines Schaltkreises. Im Normalzustand sind diese Fotodioden in Sperrvorspannung geschaltet, so dass erst ein Strom fließt, wenn Licht auf die Fotodiodenfläche einfällt.
Einsatzgebiete sind Lichtmessung, Lichtschranken, Fernsteuerung.
Fototransistoren
Fototransistoren besitzen eine lichtempfindliche Kollektor-Basis p-n-Verbindungsstelle. Erst bei einfallendem Licht wird ein Basisstrom erzeugt, der zur Lichtintensität direkt proportional ist.
Fotowiderstände
Fotowiderstände haben einen vom Lichteinfall abhängigen Widerstand, der linear mit steigender Lichtintensität abnimmt.
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Abbildung: Lichtsensoren
Aktoren
Aktoren erhalten elektrische Stellsignale von einer informationsverarbeitenden Einrichtung z.B. einem Mikroprozessor und wandeln diese in (meist mechanische) Prozessstellgrößen für die Steuerung des betreffenden Prozesses um.
So zeigt sich der Wirkungskreis:
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Abbildung: Wirkungskreis Aktoren
Aktoren bestehen aus:
- Energiesteller (sie entstehen durch elektrische Stellsignale und Hilfsenergie) und
- Energiewandler (sie wandeln die Energie des Energiestellers in mechanische Energie um):
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Abbildung: Aktoren
Dateneingabe über Schalter
Mechanische Schalter besitzen ein oder mehrere Kontaktpaar(e). Sie werden manuell mechanisch geöffnet oder geschlossen, so dass auf diese Weise Stromkreise unterbrochen bzw. geschlossen werden.
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Abbildung: Schalter
Signalaufbereitung
Eine Signalaufbereitung für die Regelung und Steuerung technologischer Prozesse ist erforderlich, um empfangene Signale auf die nachfolgende Bearbeitung abzustimmen. Dazu gehören:
- Signale zu verstärken
- Störungen zu beseitigen
- Signale oder Verläufe zu linearisieren
- analoge Signale zu digitalisieren oder umgekehrt
- Signalformen ineinander umzuwandeln, z.B. Widerstands- in Stromänderung.
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Abbildung: Signalaufbereitung
Für eine Signalaufbereitung können folgende Elemente zum Einsatz kommen:
|
Elemente |
Aufgabe |
|
Operationsverstärker |
invertierender Verstärker nichtinvertierender Verstärker Summationsverstärker Integrationsverstärker Differenzverstärker logarithmischer Verstärker Komparator |
|
Schutz vor Strom und Spannung |
Sie sind erforderlich, um Schäden infolge zu hoher Stromstärken oder Spannungen an nachfolgenden Elementen, z.B. am Mikrorechner zu vermeiden. Polschutz oder Schaltkreise zur Spannungsbegrenzung werden genutzt. |
|
Filterung |
Die Entfernung von unerwünschten Frequenzbändern aus dem Signal ist mitunter erforderlich. |
|
Wheatstonebrücke |
Eine Widerstandsänderung wird in eine Spannungsänderung umgewandelt. |
|
Umwandler analoger und digitaler Signale |
Analoge Signale, z.B. Länge- oder Winkelangaben werden in digitale Werte (0 und 1) umgewandelt und umgekehrt. |
|
Multiplexer |
Mehrere Eingangssignale werden aufgenommen, aber nur eines dieser Signale wird freigegeben und als Ausgangssignal weitergeleitet. |
|
Geräte zur Datenerfassung |
Über Sensoren oder manuelle Dateneingaben gelangen Input-Informationen in den Mikrorechner. |
|
Digitale Signalverarbeitung |
Empfangene digitale Signale werden im Mikroprozessor digital zu benötigten Ausgangswerten für eine Regelung und Steuerung verarbeitet. |
|
Geräte zur Impulsmodulation |
Um eine Datenverfälschung bei dynamisch anfallenden Datenmengen zu vermeiden werden Signalverläufe in eine Kette von Impulsen zerhackt und möglicherweise verstärkt. |
•c) Informatische Komponenten
[Quelle: http.2]Die Informatik ist mit ihren Teildiszipinen tendenziell immer stärker in mechatronischen Systemen zu finden. Ihre Wirkungsweise als Mikroprozessoren / Rechnerkomponenten, Software, Speicher, Ein- und Ausgabeperipherie, Vernetzung, aber auch über Simulatoren stehen in diesem Kapitel im Vordergrund.
Abbildung: Informatik
Mechatronische Produkte zeichnen sich dadurch aus, dass die drei Komponenten Mechanik, Elektronik und Informatik als Einheit zusammenwirken. Die Tendenz geht in die Richtung, dass zunehmend Funktionen mechanischer Elemente durch elektronische und informatische Elemente übernommen oder unterstützt werden.
Hierzu einige Schlagworte:
- Systemtheorie,
- Automatisierungstechnik,
- Softwaretechnik,
- künstliche Intelligenz,
Elektronik
Elektrisch gesteuerte Bewegungen
Wechselstrom-Motoren
Gleichstrom-Motoren
Elektromagnetische Aktoren
Schrittmotoren
Servoantriebe
Linearmotoren
Pneumatische Systeme
Hydraulische Systeme
Getriebe und Antriebe
Stirnrad-Getriebe
Schnecken-Getriebe
Keilriemenantriebe
Zahnriemenantriebe
Kettenantriebe
Kegel-Zahnräder
Zahnstangen und Gewindespindeln
Mechanische Grundbausteine der Antriebstechnik
Achsen und Wellen
Wälzlager und Gleitlager
Kupplungen
Sensoren als Sinnesorgane der Maschinen
Mechanisch betätigte Positions- und Endschalter
Magnetisch betätigte Schalter
Temperatur-Sensoren
Druck-Sensoren
Optoelektronische Sensoren
Lichtschranken
Bewegungssensoren
Bilderkennungssysteme
Messinstrumente und Messgeräte
Elektronische Messinstrumente
Mechanische Messinstrumente
Anzeige und Warngeräte
Einfache optische Anzeigen
Akustische Warn- und Meldesysteme
Displays und Bildschirme
Programmierung und Software
•5. Quellen
[Quelle: http.1] (abgerufen am 12.Januar 2011)
http://de.wikipedia.org/wiki/Mechatronik
[Quelle: http.2] (abgerufen am 11.Nov 2012)
http://mechatronik.elcms.de