Die Werkzeugmaschine als mechatronisches System - Cheatsheet

Definition und Historie der Mechatronik

Definition:

Mechatronik = Interdisziplinäres Feld: Mechanik, Elektronik, Informatik; Ziel: Entwicklung und Optimierung technischer Systeme

Details:

• Begriff: Erste Verwendung in 1969 (Yaskawa Electric Corporation)
• Mechatronik verbindet: Maschinenbau, Elektrotechnik, Informatik
• Anwendungen: Robotik, Automatisierungstechnik, Medizintechnik, u.a.
• Ziele: Effizienzsteigerung, Präzision, Flexibilität bei technischen Systemen
• Moderne Werkzeugmaschinen = mechatronische Systeme

Wechselwirkung zwischen Mechanik und Elektronik

Definition:

Interaktion zwischen mechanischen und elektronischen Systemen in einer Werkzeugmaschine, wodurch eine präzise und effiziente Steuerung und Überwachung ermöglicht wird.

Details:

• Bewegungssteuerung: Achsen und Motoren über Elektronik gesteuert
• Sensordaten: mechanische Zustände erfasst und zur Elektronik übertragen
• Signalverarbeitung: Elektronik wertet Sensordaten aus und passt Mechanik an
• Integration: nahtlose Umsetzung mechanischer Anforderungen durch elektronische Kontrolle
• Feedback-Schleifen: kontinuierliches Monitoring und Anpassung der Mechanik durch Elektronik

Schnittstellen zwischen mechanischen und elektronischen Komponenten

Definition:

Interaktion zwischen mechanischen und elektronischen Komponenten zur funktionalen Integration in mechatronischen Systemen.

Details:

• Signalübertragung: Analog oder digital
• Sensoren: Erfassen mechanischer Zustände und Umwandlung in elektrische Signale
• Aktoren: Umwandlung elektrischer Signale in mechanische Bewegungen
• Verbindungselemente: Kabel, Stecker, Bussysteme
• Kompatibilitätsanforderungen: Spannungen, Ströme, Datenformate
• EMV-Schutz: Maßnahmen gegen elektromagnetische Störungen
• Echtzeitfähigkeit: Synchronisation und Timing

Feedback- und Feedforward-Kontrollsysteme

Definition:

Feedback-Kontrolle: Systemreaktion auf Abweichungen durch rückwirkende Signale. Feedforward-Kontrolle: Vorverhalten aufgrund der Vorhersage möglicher Störungen.

Details:

• Feedback: Reagiert auf Abweichungen vom Sollwert.
• Regelkreis: Enthält Sensor, Regler, Aktuator.
• Feedforward: Nutzt vorab berechnete Signale zur Steuerung.
• Vorhersage: Basierend auf bekannten Störgrößen.
• Feedback: \[E(s) = R(s) - Y(s)\]
• Feedforward: \[U(s) = G_d(s) D(s)\]
• Oft Kombination beider Systeme in Werkzeugmaschinen.

Einsatz von Mikrocontrollern und SPS in der Steuerung

Definition:

Einsatz von Mikrocontrollern und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) in der Steuerung von Werkzeugmaschinen für präzise und automatisierte Prozesse.

Details:

• Mikrocontroller: Einsatz in Embedded Systemen für Echtzeitanwendungen, z.B. Positionserfassung, Sensordatenverarbeitung.
• SPS: Programmiert in Sprachen wie AWL, FUP, SCL für die Automatisierung und Überwachung komplexer Steuerungsaufgaben.
• Integration: Kombination beider Systeme für flexible und leistungsfähige Steuerungslösungen.
• Vorteile: Hohe Zuverlässigkeit, Wiederverwendbarkeit von Programmen, einfache Anpassung an verschiedene Anwendungen.
• Anwendungsbeispiele: CNC-Maschinen, Robotik, Fertigungslinien.

Integration von Sensoren und Aktoren in mechatronische Systeme

Definition:

Integration von Sensoren und Aktoren in mechatronische Systeme: Kombination von Messtechnik und Antriebstechnik zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen.

Details:

• Sensoren: Erfassen physikalischer Größen wie Position, Kraft, Temperatur.
• Aktoren: Umsetzen elektrischer Signale in mechanische Bewegung oder andere Aktionen.
• Signalverarbeitung: Rohdaten von Sensoren werden verstärkt, gefiltert und digitalisiert.
• Regelkreise: Rückkopplungsschleifen zur präzisen Steuerung von Bewegungen und Prozessen.
• Datenkommunikation: Per Bus-Systeme z.B. CAN, Profibus.
• Beispiele: Enkoder für Positionsmessung, Piezoaktoren für hochpräzise Bewegungen.

Fehlerdiagnose und -behebung in Sensorik und Aktorik

Definition:

Identifikation und Behebung von Fehlfunktionen in Sensoren und Aktoren in mechatronischen Systemen.

Details:

• Fehlererkennung: Identifikation abnormer Signale oder Verhalten.
• Fehlertypen: Verschleiß, Kalibrierungsfehler, Verdrahtungsprobleme.
• Diagnosetechniken: Signalüberwachung, Nutzung von Testsignalen, Sensorkalibrierung.
• Fehlerbehebung: Austausch defekter Komponenten, Neukalibrierung, Anpassungen in der Steuerungssoftware.
• Werkzeuge: Diagnosesoftware, Multimeter, Oszilloskop.

Detaillierte Fallstudien mechatronischer Systeme

Definition:

Detaillierte Untersuchung spezifischer mechatronischer Systeme in der Vorlesung. Veranschaulichung von Konzepten, Prozessen und Optimierungen anhand realer Beispiele.

Details:

• Analyse von Aufbau, Funktion und Integration mechatronischer Systeme
• Betrachtung der Wechselwirkungen mechanischer, elektrischer und softwaretechnischer Komponenten
• Meistens Verwendung von Werkzeugmaschinen als Hauptbeispiele
• Mathematische Modellierung und Simulation zur Optimierung
• Behandlung von Regelungstechnik und Steuerungskonzepten
• Einbindung von Sensorik und Aktorik
• Mögliche Themen: Zustandsüberwachung, Energieeffizienz, Prozessautomatisierung
• Analyse von Fehlerbildern und Störungsbehebungen