Gerätetechnische Antriebe

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1 Gerätetechnische Antriebe Herausgegeben von Eberhard Kallenbach Gerhard Bögelsack Mit 252 Bildern und 43 Tafeln Carl Hanser Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Antriebstechnik und Gerätetechnik Merkmale von Bewegungsvorgängen Grundaufbau eines Antriebssystems Antriebstechnik und Mikroelektronik Entwicklung von Antriebssystemen 18 2 Elektromechanische Antriebselemente Einteilung elektromechanischer Antriebselemente Elektromagnete Allgemeines 2l" Gleichstrommagnete Grundstruktur Ableitung der Magnetkraft mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes Berechnung der Magnetkraft realer Elektromagnete Kraft-Weg-Kennlinien von Gleichstrommagneten Stationäre Eigenschaften geometrisch ähnlicher Gleichstrommagnete Berechnung des dynamischen Verhaltens von Gleichstrommagneten Bewertung des dynamischen Verhaltens von Gleichstrommagneten mit Hilfe des dynamischen Kennlinienfeldes Berechnung der Grenzwerte der Schaltzeiten von Gleichstrommagneten Einfluß der Wirbelströme auf das dynamische Verhalten von Gleichstrommagneten Polarisierte Elektromagnete Allgemeines ' Magnetkraft polarisierter Elektromagnete Elektromagnetische Schrittmotoren Allgemeines Cf^L Konstruktiver Aufbau und Wirkungsweise von elektromagnetischen Schrittmotoren Reluktanzschrittmotoren Wechselpolschrittmotoren Hybridschrittmotoren Mehrkoordinatenschrittmotoren Dynamische Eigenschaften von Schrittmotoren Allgemeine Bewegungsgleichung Schrittmotorencharakteristik 57

3 8 Inhaltsverzeichnis Elektronische Schritteilung Prinzip der elektronischen Schritteilung Mathematische Grundlagen der Schritteilung Erregung von Schrittmotoren Schrittmotoren in Regelkreisen Anwendung von Schrittmotoren (63J 2.4 Piezoelektrische Antriebe (63) Einführung 63^ Physikalische Grundlagen des Piezoeffektes (' Allgemeines "" Beschreibung der piezoelektrischen Eigenschaften Temperaturabhängigkeit, Alterung, Großsignalverhalten Abschätzung der physikalischen Leistungsgrenzen piezoelektrischer Antriebselemente Quasistatische piezoelektrische Schrittmotoren Piezokeramische Vibroantriebe Gleichstrommotoren Wirkungsweise von Gleichstrommotoren 78" Grundgesetze des Gleichstrommotors mit konstantem Erregerfeld Stationäre Betriebskennlinien Drehzahlstellen des Gleichstrommotors Dynamisches Verhalten der Gleichstrommotoren Spezielle Konstruktionen von Gleichstromkleinmotoren Elektronikmotor, Gleichstrommotoren mit Scheibenläufer Gleichstrommotor mit Hohlläufer Gleichstromlinearmotoren Allgemeines Berechnungsgrundlagen Mehrkoordinaten-Gleichstrommotoren Literaturverzeichnis Mechanische Antriebselemente Begriffsbestimmung Federantriebe Schraubenfederantriebe Dynamische Modelle Grundlagen zur Dimensionierung Drehfederantriebe, Dynamische Modelle Grundlagen der Dimensionierung Blattfederantriebe : Dynamische Modelle Grundlagen zur Dimensionierung Fluidische Antriebe Charakterisierung und Strukturelemente 140

4 Inhaltsverzeichnis Grundschaltungen Modellierung hydraulischer Antriebe Modellierung pneumatischer Antriebe Antrieb durch gespeicherte kinetische Energie Literaturverzeichnis Mechanische Übertragungselemente Antriebsdynamische Zielstellung und Modellbildung Übertragungsfunktion und Übersetzung Massenträgheit Elastizität Dämpfung und Reibung Wirkungsgrad und Leistungsfluß ' Gelenkspiel Zusammenfassung der Modellelemente und Aufbereitung zur Simulation Mechanismen mit linearer Übertragungsfunktion Zahnradgetriebe Schraubengetriebe und Profilwellenpaarung Zugmittelgetriebe Mechanismen mit nichtlinearer Übertragungsfunktion Kurvengetriebe Koppelgetriebe Schrittgetriebe Malteserkreuzgetriebe : Sternradgetriebe Mechanismen mit offener kinematischer Kette Literaturverzeichnis Elektronische Leistungsstellglieder und Steuereinrichtungen Leistungsstellglieder für gerätetechnische Antriebe Anforderungen an Leistungsstellglieder für gerätetechnische Antriebe Elektronische Schaltelemente und deren Eigenschaften Grundschaltungen für Transistorleistungsstellglieder Analoge Transistorstellglieder Schaltende und gepulste Stellglieder Schutzschaltungen in Leistungsstellgliedern Steuereinrichtungen für gerätetechnische Antriebe Allgemeines Teilaufgaben der Informationsverarbeitung in gerätetechnischen Antrieben Vergleich analoger und digitaler Informationsverarbeitung in Antrieben Führungsgrößenbereitstellung für ein- und mehrachsige Antriebe Mikrorechner für die Steuerung und Regelung von Antrieben Aufbau und Eigenschaften von Mikrorechnern 221

5 10 Inhaltsverzeichnis Signalprozessoren für Antriebssteuerungen Beispiel eines mikrorechnergesteuerten Gleichstromantriebes Ausgewählte Aspekte der Reglerdimensionierung Meßsysteme für Präzisionsantriebe Anforderungen an antriebsspezifische Meßsysteme Wirkenergie- und Meßinformationsfluß in verschiedenen Positioniersystemstrukturen Fehlereinflüsse bei direkten Meßverfahren Meßfehler beim Einsatz von Meßsystemen Winkelübertragungsfehler von Kupplungen Struktur von Meßsystemen für Präzisionsantriebe Lagemeßsysteme Potentiometer Dehnmeßstreifen Induktive Meßsysteme Fotoelektrische Meßsysteme Geschwindigkeitsmeßsysteme Software für Mikrorechnersteuerungen Modellbildungen zur Software-Vorbereitung Regeln des Software-Entwurfs Gerätetechnisch begründete Regeln Programmiertechnisch begründete Regeln Sprachelemente für intelligente Gerätesteuerungen Antriebssteuerung Sensorsteuerung Allgemeine Sprachelemente Syntax der Sprachelemente Programmbeispiel: Binärer Sensor und Schrittmotor Literaturverzeichnis Beispiele für Entwurf und Analyse gerätetechnischer Antriebe Rechnergesteuerter Schrittmotorantrieb Aufgabenstellung und Funktionsprinzip Mathematisches Modell zur Berechnung des Schrittmotorhochlaufs Software zur Schrittmotorsteuerung Sensorgesteuerter Start-Stopp-Betrieb Hochlaufbetrieb Modular aufgebaute Steuereinrichtungen und Leistungsstellglieder Schrittmotorsteuerung mit integriertem Einchipmikrorechner Modular aufgebaute Steuerung für geregelte Gleichstromantriebe Modellierung und Simulation des dynamischen Verhaltens Antriebssystem mit Schrittmotor Antriebssystem mit Gleichstrommotor Literaturverzeichnis Sachwörterverzeichnis 303