Einführung in die Mechatronik

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1 Einführung in die Mechatronik Von Prof. Dr.-Ing. Werner Roddeck Fachhochschule Bochum Mit 406 Bildern B. G. Teubner Stuttgart 1997

2 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Roddeck, Werner: Einführung in die Mechatronik / von Wemer Roddeck. Stuttgart : Teubner, 1997 ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jeder Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist 9hne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1997 Gesamtherstellung: Präzis-Druck GmbH, Karlsruhe Einbandgestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart

3 Vorwort Der Begriff Mechatronik (engl. mechatronics) ist ein Kunstwort und wurde vor ca. 15 Jahren in Japan von einem Entwickler aus dem Bereich der Robotertechnik geprägt. Es setzt sich aus den beiden Namen der bekannten Disziplinen der Ingenieurwissenschaften - Mechanik oder Maschinenwesen (engl. Mechanics) und Elektronik (eng I. electronics) - zusammen. In den letzten Jahren ist er auch in Deutschland in aller Munde und es wurden bereits an mehreren Hochschulen Studiengänge "Mechatronik" oder Studienrichtungen mit entsprechenden Studien anteilen eröffnet. Die Notwendigkeit für diese neue Disziplin der Ingenieurwissenschaften ergibt sich aus der immer mehr zunehmenden Durchdringung maschinen baulicher Produkte mit Anteilen aus dem Bereich der Elektrotechnik und der Informatik. Dabei werden nicht nur einzelne Komponenten konventioneller Produkte ersetzt, sondern die Entwicklung folgt einem ganz neuen Denkansatz. Man versucht, das Gesamtsystem zu verstehen und zu modellieren und wählt dann für die verschiedenen Teilsysteme solche Komponenten und Methoden aus, die zu einfacheren, preiswerteren und funktionaleren Gesamtsystemen führen. Dies ist nur dann möglich, wenn Produktentwickler integrierte Kenntnisse aus allen genannten Bereichen der Ingenieurwissenschaften besitzen. Im Prinzip sind alle Methoden und Komponenten, die in der Mechatronik eingesetzt werden, als Teilgebiete bereits bekannt und es gibt darüber umfangreiche Spezialliteratur. Es fehlt jedoch bis heute eine Gesamtschau der Mechatronik, die die Teilgebiete in einen Zusammenhang setzt. Diese Lücke will das vorliegende Buch schließen und ist dabei so gestaltet, daß es von vielen Technikern sowohl im Studium, als auch in der Berufspraxis verwendet werden kann. Es behandelt das Thema beginnend mit den erforderlichen Analyse- und Synthesemethoden von Systemen, über die Beschreibung einsetzbarer Systemkomponenten bis zur Darstellung ausgeführter Beispiele für mechatronische Systeme. Da die Mechatronik ein sehr umfangreiches Wissensgebiet umspannt, können natürlich im Rahmen eines solchen Buches nicht alle Grundlagen behandelt werden. So sollten dem Leser mathematische Methoden wie die Differential-, Integral- und Matrizenrechnung bekannt sein. Ebenso sind grundlegende Kenntnisse der Physik in den Bereichen Mechanik und Elektrotechnik erforderlich. Aufgrund der Stoffülle können manche Themen nur angerissen werden, so daß der Leser im Bedarfsfall den Stoff an hand der angeführten Literatur vertiefen muß. Obwohl Mikrorechner für die Mechatronik von großer Bedeutung sind, mußte auf die Darstellung der Rechnertechnik und die dort verwendeten Programmiersprachen aus Gründen des Umfangs dieses Buches ganz verzichtet werden. Der Mechatroniker sollte sich ohnehin weniger mit der genauen Funktion solcher Bauelemente sondern mit seinen Einsatzmöglichkeiten beschäftigen. Außerdem existiert umfangreiche Literatur über dieses Thema, da es seit längerem sowohl im Maschinenbau- als auch im Elektrotechnikstudium behandelt wird. Das behandelte Thema erstreckt sich über viele Fachgebiete. Daher kann der Autor natürlich nicht Spezialist für einzelne Themen sein. Ich bitte deshalb schon jetzt die Fachleute einzelner Fachgebiete, denen die Darstellung ihres Spezialgebietes zu kurz oder zu oberflächlich erscheint, um Nachsicht, da ich zugunsten der Gesamtschau an vielen Stellen Kompromisse eingehen mußte.

4 IV Vorwort Im übrigen bin ich den Kollegen und Mitarbeitern an der Fachhochschule Bochum dankbar, die mich mit Anregungen und Material zu Themen, mit denen ich mich in der Vergangenheit nicht so intensiv befaßt habe, unterstützt haben. Insbesondere möchte ich mich bei meinem Kollegen Prof. Dr.-Ing. Frieske für die sorgfältige Durchsicht der Kapitel 3 und 4 bedanken. Meiner Frau Renate bin ich zu großem Dank verpflichtet, die mir durch Ihre Unterstützung die Zeit für die Fertigstellung dieses Buches freimachte. Herrn Dr. J. Schlembach vom Teubner-Verlag danke ich für die gute Zusammenarbeit und die Geduld während der Fertigstellung der Druckvorlage. Die Bearbeitung der Druckvorlage dieses Buches ließ mich erkennen, daß die optimale Software tür die Textverarbeitung wohl erst noch entwickelt werden muß und bis dahin Autoren erst durch Schaden, den solche Systeme durch instabiles Verhalten anrichten, lernen müssen, die höchsten Sicherheitsstandards bei der Datensicherung einzuhalten. Witten, Herbst 1996 Werner Roddeck

5 Inhalt 1 Einleitung 1.1 Entwicklung von Maschinenbau und Elektrotechnik Entwicklung der Teclmik am Beispiel der Werkzeugmaschine Mechatronik als neues Bindeglied Maschinenbau und Elektrotechnik - grundsätzlich verschieden? Teilgebiete der Mechatronik 15 2 Modellbildung technischer Systeme 2.1 Allgemeine Probleme der Modellbildung 2.2 Klassifizierung dynamischer Systeme 2.3 Modellierung von Geometrie und Körpereigenschaften Mehrkörpersysteme Systeme mit elastischen Elementen 2.4 Modellierung elektrischer Komponenten Dynamik mechanischer Systeme Kinematik des Massenpunktes Kinematik des starren Körpers Die ebene Bewegung des starren Körpers Die ebene Relativbewegung eines Punktes Die Bewegung des starren Körpers im Raum Rotation im Raum Relativbewegung eines Punktes des starren Körpers Darstellung der Bewegung des starren Körpers in Matrizenschreibweise Bindungen in Mehrkörpersystemen Kinetik Impuls-, Schwerpunkt- und Drallsatz Energiesatz Die Prinzipien der Mechanik Prinzip der virtuellen Arbeit Lagrangesche Bewegungsgleichungen 83 4 Schwingungen 4.1 Einmassenschwinger Freie ungedämpfte Schwingungen Freie gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Nichtperiodische Erregung Harmonische Erregung Nichtlineare Schwinger 4.2 Mehrmassenschwinger 4.3 Schwingungsanalyse Reelle Form der Fourier-Reihe

6 VI Inhalt Komplexe Form der Fourier-Reihe Fourier-Transformation nichtperiodischer Funktionen Diskrete Fourier-Transformation zur Analyse von Abtastsignalen Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik Meßtechnik Meßgrößen und Maßeinheiten Meßgrößenaufnehmer und Meßwertwandler Kenngrößen von Meßeinrichtungen Statische Kenngrößen Dynamische Kenngrößen Fehlerkenngrößen Steuerungstechnik Boole'sche Algebra Kombinatorische Steuerungen Sequentielle Steuerungen Probleme der Modellbildung digitaler Systeme Entwurfsmethoden digitaler Steuerungen Kombinatorische Standardschaltungen Entwurfsverfahren und sequentielle Standardschaltungen Beschreibungsverfahren sequentieller Steuerungen Mehrwertige und unscharfe Logik (Fuzzy Logic) Fuzzy Mengen Fuzzy- Inferenz Regelungstechnik Beschreibung und Analyse regelungstechnischer Systeme Systembeschreibungen Blockschaltbilder Frequenzgang und Ortskurve Verschiedenartige Übertragungssysteme Frequenzkennlinien Zustandsraumdarstellung Regler Stabilität von Regelkreisen Systemidentifikation Synthese von Regelkreisen Spezifikationen Einstellregeln Mehrschleifige Regelkreise Simulation Numerische Integration Simulationssysteme Simulationssprachen Simulation elektrischer Schaltungen Simulation mechanischer Systeme 285

7 Inhalt VII 7 8 Sensoren Modellbeschreibung mit Blockschaltbild-Editoren Objektorientierte Modellbildung 7.1 Meßeffekte Widerstandseffekte Ohmsche Widerstandseffekte Piezowiderstandseffekt Magnetische Effekte Induktionsprinzip Galvanomagnetische Effekte Magnetoelastische Effekte Kapazitive Effekte Piezo- und Pyroelektrische Effekte Optische Effekte 7.2 Sensoren für mechatronische Systeme Bewegungssensoren Positionssensoren Geschwindigkeitssensoren Beschleunigungssensoren Kraft- und Momentensensoren Aktoren Klassische Aktoren Elektromotorische, rotierende Antriebe Gleichstrommotoren Drehfeldmotoren Asynchronmotoren Schrittmotoren Elektromotorische Linearantriebe Fluidische Aktoren Pneumatische Aktoren Hydraulische Aktoren Geschwindigkeitsverstellung von hydraulischen Aktoren Neuartige Aktoren Mechatronische Systeme Wann ist der Einsatz der Mechatronik sinnvoll? Mechatronische Teilsysteme Magnetlager Aktives Fahrwerk Aktive Federung mit Hydrozylinder Aktive Federung mit Hydrozylinder und aktivem Tilger Industrieroboter Anfänge Grundlagen der Robotertechnologie 390

8 VIII Inhalt Historische Entwicklungen der Robotertechnik Abgrenzung des Begriffes Industrieroboter Gründe tür den Einsatz von Industrierobotern Derzeitige Einsatzgebiete von Industrierobotern Kenndaten von Industrierobotern Anzahl der notwendigen Achsen und Ärbeitsbereich Tragkraft Antriebssysteme Geschwindigkeit und Beschleunigung Positionier- und Wiederholgenauigkeit Robotersteuerungen Punktsteuerung (PTP) Bahnsteuerung (CP) Vielpunkt-Steuerung (MP) Intelligente Steuerungen Komponenten von Robotersteuerungen Programmierverfahren tür Industrieroboter Industrieroboteranwendung 424 Literaturverzeichnis 431 Sachregister 435