Table Of ContentWerner Roddeck
Einführung in die Mechatronik
Werner Roddeck
Einführung in die
Mechatronik
3., überarbeite und ergänzte Auflage
Mit 522 Abbildungen und 9 Tabellen
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Prof. Dr.-Ing. Werner Roddecklehrt am Fachbereich Mechatronik und Maschinenbau an der Fach-
hochschule Bochum.
1. Auflage 1997
2. Auflage 2003
3., überarbeitete und ergänzte Auflage August 2006
Alle Rechte vorbehalten
© B.G.Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006
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gen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen
Systemen.
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berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne
der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von
jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 3-8351-0071-8
Vorwort
Der Begriff Mechatronik (engl. mechatronics) ist ein Kunstwort und wurde vor ca. 30
JahreninJapanvoneinemEntwicklerausdemBereichderRobotertechnikgeprägt.Er
setzt sich aus den beiden Namen der bekannten Disziplinen der Ingenieur-
wissenschaften - Mechanik oder Maschinenwesen (engl. mechanics) und Elektronik
(engl.electronics)-zusammen.Indenletzten15JahrenisterauchinDeutschlandin
aller Munde und vor 13 Jahren wurde der erste Studiengang mit dem Abschluss
„Dipl.-Ing. Mechatronik“ an der Fachhochschule Bochum eröffnet. Diesem Beispiel
sind inzwischen viele Hochschulen gefolgt, indem sie Studiengänge „Mechatronik“
oderStudienrichtungenmitentsprechendenStudienanteileneinrichteten.Seiteinigen
Jahren ist der „Mechatroniker“ auch ein anerkannter Ausbildungsberuf, was die
NachfragederFachdisziplin„Mechatronik“inderIndustriedokumentiert.
DieNotwendigkeitfürdieseneueDisziplinderIngenieurwissenschaftenergibtsichaus
der immer weiter zunehmenden Durchdringung maschinenbaulicher Produkte mit
Anteilen aus dem Bereich der Elektrotechnik und der Informatik. Dabei werden nicht
nureinzelneKomponentenkonventionellerProdukteersetzt,sonderndieEntwicklung
folgteinemganzneuenDenkansatz.Manversucht,dasGesamtsystemzuverstehen
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 fachübergreifende Kenntnisse aus allen genannten Bereichen der
Ingenieurwissenschaftenbesitzen.
Im Prinzip sind alle Methoden und Komponenten, die in der Mechatronik eingesetzt
werden, als Teilgebiete bereits bekannt und es gibt darüber umfangreiche
Spezialliteratur. Bei Erscheinen der 1. Auflage dieses Buches fehlte jedoch eine
Gesamtschau der Mechatronik, die die Teilgebiete in einen Zusammenhang setzte.
Diese Lücke will das vorliegende Buch schließen und ist dabei so gestaltet, dass es
von vielen Technikern und Ingenieuren 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
BeispielefürmechatronischeSysteme.
Da die Mechatronik ein sehr umfangreiches Wissensgebiet umspannt, können
natürlichimRahmeneinessolchenBuchesnichtalleGrundlagenbehandeltwerden.
So sollten dem Leser mathematische Methoden wie die Differential-, Integral- und
Matrizenrechnungbekanntsein.EbensosindgrundlegendeKenntnissederPhysikin
den Bereichen Mechanik und Elektrotechnik erforderlich. Aufgrund der Stofffülle
könnenmancheThemennurangerissenwerden,sodassderLeserimBedarfsfalldas
entsprechendeWissenanhandderangeführtenLiteraturvertiefenmuss.
DiebehandelteThemenstellungerstrecktsichübervieleFachgebiete.Daherkannder
AutornatürlichnichtSpezialistfürjedeseinzelneThemasein.Ichbittedeshalbschon
jetztdieFachleuteeinzelnerFachgebiete,denendieDarstellungihresSpezialgebietes
VI Vorwort
zu kurz oder zu oberflächlich erscheint, um Nachsicht, da ich zugunsten der
GesamtschauanvielenStellenKompromisseeingehenmusste.
Im übrigen bin ich den Kollegen, Mitarbeitern und Studierenden an der
FachhochschuleBochumdankbar,diemichmitAnregungen,Beispielen undMaterial
zubestimmtenThemenunterstützthaben.DurchdieDiskussionmitIhnenunddurch
die gemeinschaftliche Weiterentwicklung mechatronischer Studiengänge an der
Fachhochschule Bochum konnte diese 3. Auflage gegenüber der 2. Auflage noch
klarer strukturiert, aktualisiert und den Erfordernissen eines Mechatronik-Studiums
angepasst werden. Rezensenten der 2. Auflage verdanke ich viele Anregungen zur
VerbesserungundzumAusmerzenvonFehlern.
Meiner Frau Renate bin ich zu großem Dank verpflichtet, die mir durch Ihre
Unterstützung die Zeit für die Fertigstellung dieses Buches freimachte. Herrn Dr. M.
Feuchte vom Teubner-Verlag danke ich für die gute Zusammenarbeit und die
AnregungenzurWeiterentwicklungdesBuches.
Witten,Februar 2006
WernerRoddeck
Inhalt
1 Einleitung 1
1.1 EntwicklungvonMaschinenbauundElektrotechnik 1
1.2 EntwicklungderTechnikamBeispielderWerkzeugmaschine 4
1.3 MechatronikalsneuesBindeglied 6
1.4 MaschinenbauundElektrotechnik-grundsätzlichverschieden? 8
1.5 UnterschiedezwischenMaschinenbau,Elektrotechnikund Mechatronik 16
1.6 TeilgebietederMechatronik 21
2 ModellbildungtechnischerSysteme 25
2.1 Systembegriff 25
2.2 VerfahrenderModellbildung 28
2.2.1 TheoretischeModellbildung 29
2.2.1.1 AllgemeinbekannteModellvorstellungen 29
2.2.1.2 VorgehensweisebeiderModellbildung 31
2.3 KlassifizierungdynamischerSysteme 38
2.4 ModellierungvonGeometrieundKörpereigenschaften 40
2.4.1 Mehrkörpersysteme 41
2.4.2 SystememitelastischenElementen 43
2.5 ModellierungelektrischerKomponenten 44
3 DynamikmechanischerSysteme 49
3.1 KinematikdesMassenpunktes 49
3.2 KinematikdesstarrenKörpers 52
3.2.1 DieebeneBewegungdesstarrenKörpers 52
3.2.2 DieebeneRelativbewegungeinesPunktes 58
3.2.3 DieBewegungdesstarrenKörpersimRaum 60
3.2.3.1 RotationimRaum 61
3.2.3.2 RelativbewegungeinesPunktesdesstarrenKörpers 63
3.2.3.3 DarstellungderBewegungdesstarrenKörpersin 64
Matrizenschreibweise
3.3 BindungeninMehrkörpersystemen 75
3.4 Kinetik 86
3.4.1 Impuls-,Schwerpunkt-undDrallsatz 86
3.4.2 Energiesatz 94
3.4.3 DiePrinzipienderMechanik 97
3.4.3.1 PrinzipdervirtuellenArbeit 97
3.4.3.2 LagrangescheBewegungsgleichungen 102
4 Schwingungen 108
4.1 Einmassenschwinger 108
4.1.1 FreieungedämpfteSchwingungen 110
4.1.2 FreiegedämpfteSchwingungen 112
4.1.3 ErzwungeneSchwingungen 115
VIII Inhalt
4.1.3.1 NichtperiodischeErregung 116
4.1.3.2 HarmonischeErregung 118
4.1.4 NichtlineareSchwinger 123
4.2 Mehrmassenschwinger 125
4.3 Schwingungsanalyse 132
4.3.1 ReelleFormderFourier-Reihe 133
4.3.2 KomplexeFormderFourier-Reihe 138
4.3.3 Fourier-TransformationnichtperiodischerFunktionen 139
4.3.4 DiskreteFourier-TransformationzurAnalysevonAbtastsignalen 141
5 Sensoren 148
5.1 Messtechnik 151
5.1.1 MessgrößenundMaßeinheiten 151
5.1.2 MessgrößenaufnehmerundMesswertwandler 153
5.1.2.1 Messwertanpassung 155
5.1.2.2 Analog-/Digital-Wandler 157
5.1.3 KenngrößenvonMesseinrichtungen 159
5.1.3.1 StatischeKenngrößen 160
5.1.3.2 DynamischeKenngrößen 162
5.1.3.3 Fehlerkenngrößen 164
5.2 Messeffekte 167
5.2.1 Widerstandseffekte 170
5.2.1.1OhmscheWiderstandseffekte 170
5.2.1.2Piezowiderstandseffekt 172
5.2.2 MagnetischeEffekte 173
5.2.2.1Induktionsprinzip 173
5.2.2.2GalvanomagnetischeEffekte 175
5.2.2.3MagnetoelastischeEffekte 177
5.2.3 KapazitiveEffekte 177
5.2.4 Piezo-undPyroelektrischeEffekte 178
7.2.5 OptischeEffekte 179
5.3 SensorenfürmechatronischeSysteme 182
5.3.1 Bewegungssensoren 182
5.3.1.1Positionssensoren 182
5.3.1.2Geschwindigkeitssensoren 190
5.3.1.3Beschleunigungssensoren 192
5.3.2 Kraft-undMomentensensoren 195
6 Aktoren 198
6.1 KlassischeAktoren 200
6.1.1 Elektromotorische,rotierendeAntriebe 200
6.1.1.1Gleichstrommotoren 202
6.1.1.2Drehfeldmotoren 213
6.1.1.3Asynchronmotoren 214
6.1.1.4Schrittmotoren 220
6.1.2 ElektromotorischeLinearantriebe 222
6.1.3 FluidischeAktoren 223
Inhalt IX
6.1.3.1PneumatischeAktoren 224
6.1.3.2HydraulischeAktoren 224
6.1.3.3GeschwindigkeitsverstellungvonhydraulischenAktoren 228
6.2 NeuartigeAktoren 233
7 Automatisierungsstechnik 244
7.1 Automatisierungskonzepte 244
7.1.1 IntelligenteMaschinen 246
7.1.2 SteuerungundRegelung 248
7.1.3 SchlussfolgernundregelbasiertesWissen 250
7.1.4 AutonomeintelligenteAgenten 251
7.1.5 LernenundMustererkennung 252
7.1.6 ArchitekturintelligenterMaschinen 253
7.1.6.1 Hierarchien 254
7.1.6.2 Netzwerke 255
7.1.6.3 Schichtarchitekturen 261
7.2 Steuerungstechnik 261
7.2.1 Boole’scheAlgebra 265
7.2.1.1KombinatorischeSteuerungen 268
7.2.1.2SequentielleSteuerungen 271
7.2.2 ProblemederModellbildungdigitalerSysteme 275
7.2.3 MehrwertigeundunscharfeLogik(FuzzyLogic) 277
7.2.3.1FuzzyMengen 278
7.2.3.2Fuzzy-Inferenz 286
7.2.4 NeuronaleNetzwerke 293
7.2.4.1 McCulloch-Pitts-Neuron 295
7.2.4.2 Perceptron 296
7.2.4.3 Backpropargation-Netzwerk 299
7.3 Regelungstechnik 301
7.3.1 BeschreibungundAnalyseregelungstechnischerSysteme 302
7.3.1.1Systembeschreibungen 304
7.3.1.2Blockschaltbilder 312
7.3.1.3FrequenzgangundOrtskurve 318
7.3.1.4VerschiedenartigeÜbertragungssysteme 320
7.3.1.5Frequenzkennlinien 327
7.3.1.6Zustandsraumdarstellung 334
7.3.1.7Regler 338
7.3.1.8StabilitätvonRegelkreisen 345
7.3.1.9Systemidentifikation 358
7.3.2 SynthesevonRegelkreisen 363
7.3.2.1Spezifikationen 364
7.3.2.2Einstellregeln 366
7.3.2.3 MehrschleifigeRegelkreise 369
7.4 ProzessdatenverarbeitungmitMikrorechnern 373
7.4.1 Mikrorechner 374
7.4.1.1 AufbauvonMikrorechnern 375
7.4.1.2 SoftwarefürMikrorechner 384
7.4.2 AnwendungsspezifischeProzessorenundBauelemente 385
X Inhalt
8 Simulation 389
8.1 NumerischeIntegration 391
8.2 ModellbildungmitBond-Graphen 397
8.2.1 ElementevonBond_Graphen 397
8.2.1.1TrägeKomponenten 399
8.2.1.2KapazitiveKomponenten 400
8.2.1.3ResistiveKomponenten 401
8.2.1.4TransformerundGyratoren 401
8.2.1.5Quellen 402
8.2.1.6VerzweigungenvonEffortundFlow 402
8.2.2 ZusammenführungelementarerKomponentenzuSystemen 403
8.3 Simulationssysteme 406
8.3.1 Simulationssprachen 406
8.3.2 SimulationelektrischerSchaltungen 406
8.3.3 SimulationmechanischerSysteme 408
8.3.4 ModellbeschreibungmitBlockschaltbild-Editoren 408
8.3.5 ObjektorientierteModellbildung 415
8.3.5.1Dymola 416
8.3.5.2BondSim 419
8.3.5.3CAMel-View 421
8.3.6 Hardware-in-the-Loop,Software-in-the-Loop 425
8.3.6.1 Hardware-in-the-Loop 425
8.3.6.2 Software-in-the-Loop 426
8.3.6.3 KopplungvonModellenundPrototypen 426
8.3.7 SimulationssystemefürIndustrieroboter 427
9 MechatronischeSysteme 430
9.1 WannistderEinsatzderMechatroniksinnvoll? 430
9.2 EntwicklungmechatronischerSysteme 433
9.3 MechatronischeTeilsysteme 441
9.3.1 Magnetlager 442
9.3.2 AktivesFahrwerk 446
9.3.2.1 AktiveFederungmitHydrozylinder 448
9.3.2.2 AktiveFederungmitHydrozylinderundaktivemTilger 450
9.3.3 MechatronischeAnwendungenbeiIndustrierobotern 453
9.3.3.1 NachführeneinesRoboterarmsaneiner Freiformfläche 454
9.3.3.2ZusätzlicheBewegungsachsenfürIndustrieroboter 459
9.4 MechatronischeGesamtsysteme 466
9.4.1 Hexapodenkonzepte 466
9.4.2 FahrradmitaktiverNeigetechnik 470
Literaturverzeichnis 476
Sachregister 478
1 Einleitung
Der Begriff Mechatronik (engl. Mechatronics) ist ein Kunstwort und wurde vor ca. 30
JahreninJapanvoneinemEntwicklerausdemBereichderRobotertechnikgeprägt.
EssetztsichausdenbeidenNamenderbekanntenDisziplinenderIngenieurwissen-
schaften - Mechanik oder Maschinenwesen (engl. Mechanics) und Elektronik (engl.
Electronics)-zusammen.DamitistdieserNamebereitseinProgrammunddeutetan,
dassdieMechatronikInhaltederbeidenobengenanntenDisziplinenzusammenfügt.
InJapanlegtmandenBegriffMechatronicssehrweitaus.InEuropawurdeeineeher
engeDefinitiongeprägt,diedenEindrucknahelegt,eshandelesichbeidemBegriffum
eineneueWissenschaftsdiziplin.DieseDefinitionlautet:
MechatronikisteininterdisziplinäresGebietderIngenieurwissenschaften,dasaufden
klassischenDisziplinenMaschinenbau,ElektrotechnikundInformatikaufbaut.Einty-
pischesmechatronischesSystemnimmtSignaleauf,verarbeitetsieundgibtSignale
aus,dieesz.B.inKräfteundBewegungenumsetzt[1.1].EineähnlicheDefinitionwird
auchin[1.2]angeführt:
Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering with electronic
andintelligentcomputercontrolinthedesignandmanufacturingofindustrialproducts
andprocesses(IEEE/ASMETransactionsonMechatronics1996).
EsscheinthinterdemAufkommendiesesBegriffesjedochnichtnurdieNotwendigkeit
zu stehen, für neuartige Produkte eine neue Beschreibungsmethode oder ein neues
Denkenzuschaffen.AndemWortinterdisziplinärerkenntmaneintieferesBedürfnis
nach Zusammenarbeit von Disziplinen in Wissenschaft, Forschung und Ausbildung,
die heute noch meist strikt voneinander getrennt existieren. Die Ursachen für diese
Trennung sind einerseits historisch bedingt und andererseits durch die rasante Ent-
wicklung der Elektrotechnik geprägt. Viele technische Produkte des Maschinenbaus
sindheuteinsohohemMaßemitelektrotechnischenKomponentenausgestattet,dass
eine interdisziplinäre Zusammenarbeit der ingenieurwissenschaftlichen Gebiete Ma-
schinenbauundElektrotechnikgeradezuzwingenderforderlichist.
WarumbestehtaberüberhauptdieNotwendigkeitderZusammenführungderDiszipli-
nen?Wiewaresdazugekommen,dasseinBedürfnisentstand,getrennteDisziplinen
wiedernäherzusammenzubringen?
1.1 Entwicklung von Maschinenbau und Elektrotechnik
In der Renaissance und bis ins 18. Jahrhundert hinein waren die Ingenieurwissen-
schaften durch Künstler-Ingenieure geprägt, Vertreter einer vorwiegend “höfischen”
Technik.SiewaraufwenigeBereichebeschränktundbeidenvonihnenentwickelten
Objekten bildeten Funktion und künstlerische Formgebung eine Einheit. Erst in der
zweitenHälftedes18.Jahrhunderts,inderdieErfindungderselbstständiglaufenden
Dampfmaschine durch James Watt den Beginn der industriellen Revolution signali-
siert, entstand eine “ bürgerliche” Technik, deren Entwicklung durch Ökonomie und
Funktionalität bestimmt wurde. Die durch die industrielle Revolution ausgelöste
sprunghafteZunahmetechnischenWissensverlangteschonbaldnachgutausgebil-
detenTechnikernvorallemimBereichdesBergbaus,derArchitekturaberauchimMi-
