TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT

MECHATRONISCHE SYSTEME

      Kurzfassung:

      Eine zunehmende digitalelektronische Automatisierung von Maschinen und feinwerktechnischen Geräten erhöht die Funktionsvielfalt und führt zu einer Integration mechanischer und elektronischer Komponenten. Damit entwickeln sich mechatronische Systeme, die zu einer Reihe von grundsätzlichen Überlegungen führen. Im folgenden wird in das Gebiet der Mechatronik kurz eingeführt. Dann werden derzeitig laufende Entwicklungen anhand von Beispielen beschrieben.

      Einführung

      In mehreren Bereichen technischer Systeme ist das Zusammenwachsen von Prozessen und Elektronik zu beobachten. Dies ist besonders deutlich bei rein mechanischen Prozessen, aber auch bei elektrischen, thermischen und thermodynamischen Prozessen mit mechanischem Anteil zu erkennen. Zu dieser Gruppe gehören insbesondere die Maschinenelemente, Maschinen, Fahrzeuge und feinwerktechnischen Geräte, Bild 1. Durch die Integration von Mikrorechnern wird in Verbindung mit Sensoren, Aktoren und Bedieneinheiten eine Informationsverarbeitung möglich, die mehrere Aufgaben einer modernen Automatisierungstechnik beinhaltet. Dies erlaubt eine Vielfalt an ergänzenden oder neuen Funktionen, aber auch eine Beeinflussung des konstruktiven Aufbaus.
      Im folgenden sollen solche Entwicklungen kurz beschrieben und an verschiedenen Beispielen erläutert werden. Da dies besonders mit dem Begriff "Mechatronik" verbunden ist, wird zunächst hierauf eingegangen.

      Mechatronische Systeme

      Bei mechanisch-elektronischen Systemen wird der mechanische Prozess durch ein elektronisches System ergänzt. Dieses elektronische System wirkt aufgrund der Messgrössen und von aussen kommenden Führungsgrössen in steuerndem und regelndem Sinne auf den mechanischen Prozess ein. Wenn dann das mechanische und elektronische System zu einem untrennbaren Gesamtsystem verschmelzen, entsteht ein integriertes mechanisch-elektronisches System. Solche integrierten Systeme werden zunehmend als "mechatronische Systeme" bezeichnet. Mechatronische Systeme können dann, stark vereinfacht, durch einen Energiestrom und einen Informationsstrom gekennzeichnet werden.
      · Mechanische Systeme (Maschinenbau, Feinwerktechnik)
      · Elektronische Systeme (Mikroelektronik, Leistungselektronik, Sensorik, Aktorik)
      · Informationstechnik (Systemtheorie, Modellbildung, Automatisierungstechnik, Software-Technik, künstliche Intelligenz).
      Bei mechatronischen Systemen erfolgt die Lösung der Aufgaben sowohl auf mechanischem als auch digital-elektronischem Wege. Hierbei spielen die Wechselbeziehungen bei der Konstruktion eine Rolle. Während bei einem konventionellen System sowohl der Entwurf als auch die räumliche Unterbringung der mechanischen und elektronischen Komponenten getrennt sind, zeichnet sich ein mechatronisches System dadurch aus, dass der Prozess und das elektronische System von Anfang an als räumlich und funktionell integriertes Gesamtsystem zu betrachten ist. Dann wird die Gestaltung des Prozesses schon beim Entwurf auch vom elektronischen System her beeinflusst. Dies wird auch als simultanes Entwerfen (simultaneous engineering) bezeichnet. Dabei sind in der Regel synergetische Effekte zu erwarten, die mehr beinhalten als die reine Addition der Disziplinen.

      Aufbau mechatronischer Systeme

      Mechatronische Systeme ermöglichen oft einen einfacheren und leichteren mechanischen Aufbau.
      Konstruktion
      Die mechanische Grundkonstruktion hat zunächst die Aufgabe, den mechanischen Energiestrom (Kraft, Geschwindigkeit) zu übertragen oder Bewegungsvorgänge zu erzeugen. Mit den zunehmenden Verbesserungen elektronischer Komponenten (Miniaturisierung, Robustheit, Leistung) kann man ein grösseres Gewicht auf die elektronische Seite legen und die mechanische Konstruktion von Anfang an als mechanisch-elektronisches Gesamtsystem auslegen. Dabei ist auch anzustreben, zu einer grösseren Autonomie zu kommen, z.B. durch steckerfertige integrierte Komponenten oder sogar durch eine gewisse eigene Energieversorgung und berührungslose Signalübertragungen, so dass man bewegte oder gekapselte Anordnungen möglichst ohne Drahtverbindungen ausführen kann.
      Funktionsaufteilung Mechanik - Elektronik
      Bei mechatronischen Systemen spielt die Aufteilung der Funktionen auf den prozessseitigen und elektronischen Teil eine wesentliche Rolle. Im Vergleich zu rein mechanischen Lösungen führte bereits die Einführung von Verstärkern und Aktoren mit elektrischer Hilfsenergie zu wesentlichen Vereinfachungen des konstruktiven Aufbaus. Eine weitere Vereinfachung des mechanischen Aufbaus ergab sich durch den Einsatz von Mikrorechnern in Verbindung mit dezentralen elektrischen Antrieben.
      Im Zuge des Leichtbaus entstehen relativ elastische und durch den Werkstoff schwach gedämpfte Systeme, die somit zu Schwingungen neigen. Hier kann man nun durch zusätzliche Rückführungen über eine geeignete Sensorik, Elektronik und Aktorik eine elektronische Dämpfung verwirklichen und sie auch noch einstellbar machen. Beispiele sind elastische Roboter, elastische Antriebsstränge, hydraulische Systeme, Hebebühnen, weitauskragende Kräne und Konstruktionen im Weltraum.
      Durch den Einbau von Regelungen z.B. für Position, Geschwindigkeit oder Kraft kann nicht nur eine vorgegebene Führungsgrösse relativ genau eingehalten werden, sondern es kann auch ein näherungsweises lineares Gesamtverhalten erzeugt werden, obwohl das ungeregelte mechanische System nichtlineares Verhalten besitzt. Durch den wegfallenden Zwang der Linearisierung des mechanischen Teils kann der konstruktive und fertigungstechnische Aufwand kleiner gehalten werden. Beispiele sind mechanisch einfach aufgebaute pneumatische oder elektromagnetische Aktoren oder Durchflussventile mit ihren nichtlinearen Kennlinien.
      Ein weiteres Beispiel sind magnetische Lager, bei denen die Führung eines Rotors (Turbine, Pumpe) nicht durch mechanische Gleit- und Wälzlager erfolgt, sondern durch geregelte magnetische Felder. Hierdurch entfallen ölkreisläufe zur Schmierung und die mechanischen Reibungsverluste. Unwucht und Schwingungen werden durch Regelungen kompensiert, und es sind sehr hohe Drehzahlen erreichbar, z.B. für Ultrazentrifugen und Werkzeugspindeln (bis zu 100000 U/min).
      Mit Hilfe von frei programmierbaren Führungsgrössengebern kann die Anpassung eines nichtlinearen mechanischen Systems an die Bedienung durch den Menschen verbessert werden. Hiervon wird z.B. beim elektronischen Gaspedal (Fahrregler) von Verbrennungsmotoren, bei hydraulischen Aggregaten (Bagger, Schwerlastfahrzeuge) und bei ferngesteuerten Manipulatoren, Fahrzeugen und Flugzeugen Gebrauch gemacht.