Die Werkzeugmaschine als mechatronisches System - Cheatsheet

Definition und Geschichte der Mechatronik

Definition:

Interdisziplinäres Fachgebiet, das Mechanik, Elektronik und Informatik zur Entwicklung intelligenter Systeme kombiniert

Details:

• Entstanden in den 1970er Jahren in Japan
• Beispiele: CNC-Werkzeugmaschinen, Industrieroboter, Fahrzeuge mit Fahrassistenzsystemen
• Integration von Sensoren, Aktuatoren und Steuerungssystemen
• Erlaubt höhere Präzision, Effizienz und Flexibilität in technischen Systemen

Integration und Vernetzung mechanischer und elektronischer Systeme

Definition:

Integration und Vernetzung mechanischer und elektronischer Systeme in Werkzeugmaschinen als mechatronische Systeme.

Details:

• Ziel: erhöhte Effizienz und Präzision
• Verwendung von Sensoren und Aktoren für Feedback-Systeme
• Beispiel: CNC-Maschinen, die durch elektronische Steuerungen mechanische Bewegung präzise steuern
• Datenübertragung über Netzwerke wie Ethernet oder drahtlose Kommunikation
• Integration: Hardware (Motoren, Sensoren) und Software (Steueralgorithmen, Simulationen)
• Wichtig: Synchronisation der Komponenten für reibungslose Funktion

Sensorik und Aktuatorik

Definition:

Sensorik und Aktuatorik umfassen die Erfassung von physikalischen Größen sowie die Beeinflussung von Systemen in der Werkzeugmaschine.

Details:

• Sensorik: Erfassung von Daten (z.B. Position, Geschwindigkeit, Temperatur)
• Aktuatorik: Umsetzung von Steuerbefehlen in mechanische Bewegungen oder andere physikalische Reaktionen
• Schnittstelle zwischen Mechanik und Elektronik im mechatronischen System
• Wichtige Sensoren: Drehgeber, Kraftsensoren, Temperatursensoren
• Wichtige Aktuatoren: Elektromotoren, Hydraulikzylinder, Pneumatikzylinder

Regelungssysteme und deren Komponenten

Definition:

Regelungssysteme: Systeme zur Steuerung und Regelung von Maschinen, nutzen Rückkopplung

Details:

• Regelkreis: Geschlossener Kreislauf mit Leitwerten und Stellgrößen
• Regler: Verarbeitet Eingangssignal und erzeugt Steuersignal
• Strecke: Teil des Systems, der das Steuersignal beeinflusst
• Sensoren: Erfassen Ist-Werte der Regelgröße
• Aktoren: Setzen Steuersignal in physikalische Größe um
• Sollwert: Zielwert der zu regelnden Größe

Mathematische Modelle und Simulation

Definition:

Mathematische Modelle und Simulationen dienen zur Analyse und Optimierung von Werkzeugmaschinen als mechatronische Systeme, indem sie physikalische Verhaltensweisen und Systemdynamiken mathematisch darstellen.

Details:

• Zweck: Vorhersage und Verstehen des Systemverhaltens
• Mathematische Darstellung: Differentialgleichungen, Zustandsraumdarstellung
• Simulationswerkzeuge: MATLAB/Simulink, ANSYS
• Parameteridentifikation und Modellvalidierung

Behandlung von Störungen und Signalanalysen

Definition:

Analyse und Behandlung von Störungen bei Werkzeugmaschinen durch Signalanalyse und Umsetzung von Korrekturmaßnahmen.

Details:

• Identifikation von Störungen: Überwachung durch Sensoren und Datenauswertung.
• Signalverarbeitung: Fourier-Transformation \( \mathcal{F}(x(t)) = X(f) \), Filtermethoden.
• Klassifizierung: Mustererkennung und Vergleich von Störsignalen.
• Behandlung: Implementierung von Regelungs- und Steuerungsmaßnahmen zur Korrektur.
• Präventive Maßnahmen: Wartungsstrategien basierend auf Signalbildern.

Werkzeugmaschinen in der modernen Fertigung

Definition:

Anspruchsvolle Maschinen, die für die präzise Bearbeitung von Werkstoffen unter Einsatz von computergesteuerten Systemen verwendet werden.

Details:

• Automatisierung: CNC (Computer Numerical Control) für präzise Steuerung
• Integration: Bestandteil von CIM (Computer Integrated Manufacturing)
• Flexibilität: Anpassbar für verschiedene Aufgaben und Werkstoffe
• Effizienz: Verbessert Produktionsrate und Genauigkeit
• Mechatronik: Kombination von Mechanik, Elektronik und Informatik
• Wichtige Konzepte: Achsen, Vorschubgeschwindigkeit, Spindeldrehzahl
• Beispiele: Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Schleifmaschinen

Echtzeitsteuerung und Implementierung

Definition:

Echtzeitsteuerung bezieht sich auf Steuerungssysteme, die Prozesse in Echtzeit überwachen und steuern.

Details:

• Erfordert deterministische Reaktion auf Eingaben.
• Wird in zeitkritischen Anwendungen verwendet.
• Implementierung oft mit Echtzeitbetriebssystemen (RTOS).
• Verwendet zur Einhaltung von Zeitvorgaben.
• Beispiel: CNC-Maschinen in der Fertigungstechnik.
• Dynamische Priorisierung und Task-Management sind entscheidend.
• Hardware-Komponenten: Sensoren, Aktuatoren, Schnittstellenkarten.
• Beispielgleichung für Reaktionszeit: \[ R = D - (L + C) \] wobei R die Reaktionszeit, D die Deadline, L die Latenzzeit und C die Rechenzeit ist.