Einführung in die Mechatronik

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 (engl. Electronics) — zusammen. Damit ist dieser Name bereits ein Programm und deutet an, daß die Mechatronik Inhalte der beiden oben genannten Disziplinen zusammenfügt. In Japan legt man den Begriff Mechatronics sehr weit aus. In Europa wurde eine eher enge Definition geprägt, die den Eindruck nahelegt, es handele sich bei dem Begriff um eine neue Wissenschaftsdiziplin. Diese Definition lautet:

Mechatronik ist ein interdisziplinäres Gebiet der Ingenieurwissenschaften, das auf den klassischen Disziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik aufbaut. Ein typisches mechatronisches System nimmt Signale auf, verarbeitet sie und gibt Signale aus, die es z. B. in Kräfte und Bewegungen umsetzt [1.1].

In Kapitel 1 wurde bereits kurz auf die Modellbildung technischer Systeme am Beispiel eines einfachen mechanischen und eines elektrischen Systems eingegangen. Um die Kinematik und die Dynamik eines komplexen Systems anschließend behandeln zu können und darauf aufbauend ein Steuerungs- und Regelungskonzept des Systems zu entwickeln, ist immer zuerst eine solche Modellbildung erforderlich, d. h. letztendlich die Bildung eines Satzes mathematischer Beschreibungen des Systemverhaltens. Diese mathematische Beschreibung durch Differentialgleichungen und Anfangsbedingungen ist dann zwar exakt und läßt genaue Aussagen für das Modell zu, aber die Gleichungen gelten eben nicht für das reale Objekt der Betrachtung, sondern für sein Modell. Dies bedeutet, daß das Modell häufig nicht exakt das reale Verhalten beschreibt und meist auch gar nicht soll.

Hat man ein Modell für das mechatronische System aufgestellt, so muß man die in ihm ablaufenden Bewegungen mathematisch beschreiben. Dazu gehören die Beschreibung der Lage und der Orientierung der einzelnen Körper zueinander und die Bestimmung der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die Kinematik beschäftigt sich mit den Bewegungen, ohne die Ursachen der Bewegungen, nämlich Kräfte oder Momente, in die Betrachtung mit einzubeziehen. Die Kinetik wiederum untersucht die Wechselwirkung zwischen den Ursachen und den Bewegungen von Massen.

Für viele mechanische Strukturen ist das einfachste Modell der Einmassenschwinger, so wie er in Bild 4-1 dargestellt ist. Er besteht aus einer Masse, einer Feder und einem Dämpfungselement. Dieses Modell geht davon aus, daß alle Massen der Anordnung in der Masse m konzentriert sind und somit die Feder und der Dämpfer masselos sind. Die aus Gründen der besseren Darstellbarkeit räumlich gezeichnete Masse muß man sich als Punktmasse denken. Weiterhin wird in der Regel für die Feder die Gültigkeit des Hooke’schen Gesetzes (Robert Hooke: engl. Naturphilosoph 1635 – 1703) angenommen. Es besagt, daß die Verformung eines elastischen Körpers der verformenden Kraft proportional ist. Dies gilt natürlich nur im sogenannten elastischen Bereich des Körpers; bei sehr großen Kräften tritt plastische Verformung auf, ein nichtlineares Verhalten. Die Feder wird daher als ein Element angenommen, bei dem ein linearer Zusammenhang zwischen Belastung und Dehnung besteht. Das Dämpfungselement ist ein viskoser Dämpfer, für das ein linearer Zusammenhang zwischen der Dämpfungskraft und der Relativgeschwindigkeit der sich bewegenden Dämpferteile besteht. Diese Gesetzmäßigkeit wird auch als Newton’sches Reibungsgesetz bezeichnet. Die Masse selber hat nur einen Freiheitsgrad, kann sich also nur in vertikaler Richtung in der Bildebene bewegen. Um ein solches System in Schwingungen zu versetzen, muß eine äußere Erregerkraft auf die Masse einwirken.

Schaut man sich die Grundstruktur eines mechatronischen Systems in Bild 5-1 an, so sieht man, daß die Beschreibung des Verhaltens eines Teils der Systemkomponenten bereits in den vorausgegangenen Kapiteln erfolgt ist. Die dick umrahmten Systeme sind mechanische Systeme, deren mathematische Behandlung in Kapitel 3 und 4 ausführlich durchgeführt wurde. Die Modellbildung und die Mechanik der gestrichelt umrahmten Systeme wurde ebenfalls in den Kapiteln 2 bis 5 behandelt.

Für die Erzeugung von Bewegungen, oder das Aufbringen von Kräften, werden in mechatronischen Systemen Antriebe (Aktoren oder Aktuatoren) benötigt. Da sie häufig in lagegeregelten Antriebssystemen (Servosystemen) eingesetzt werden, kommen hier im wesentlichen drehzahl- oder geschwindigkeitsregelbare Antriebe in Frage. Diese Anforderung erfüllen die meisten elektrischen oder fluidischen Antriebe, auf denen das Hauptaugenmerk dieses Kapitels liegen wird. Der Begriff Aktor geht aber über den Begriff Antrieb (engl. actuator) hinaus und umfaßt alle Arten von Ausgabeelementen für Bewegungen und Kräfte, die sowohl analog als auch binär wirken können. In Bild 8-1 ist eine Übersicht über Energiewandlungsprinzipien und darauf

beruhende Aktoren dargestellt. Eine umfassende Behandlung aller im Bild aufgeführten Aktorprinzipien geht über den Rahmen dieses Buches hinaus und kann hier nicht allzusehr vertieft werden. Viele der aufgeführten Möglichkeiten, insbesondere beim Einsatz für mikromechanische Aktoren, sind auch heute noch nicht über das Laborstadium hinausgekommen. Weit verbreitet und eingeführt sind im wesentlichen Aktoren, die mit elektrischer oder fluidischer Energie betrieben werden.

In diesem abschließenden Kapitel werden nun einige Systeme vorgestellt, die typischerweise in der Mechatronik behandelt werden. Anhand der Beispiele soll nochmals aufgezeigt werden, wie die Prinzipien und Methoden, die in den vorhergehenden Kapiteln erläutert wurden, zur Anwendung kommen. Als ein Schwerpunkt werden dabei die Industrieroboter behandelt. Diese Systeme sind der eigentliche Ausgangspunkt der Mechatronik in der Vergangenheit gewesen und sie enthalten als Systeme alle Komponenten, die bereits behandelt wurden. Daher werden Industrieroboter und ihr Praxiseinsatz in dem hier möglichen Umfang vertieft behandelt.