Mechatronik

Prof. Dr.-Ing. habil. Bodo Heimann ist Hochschullehrer am Institut für Mechanik bzw. Regelungstechnik der Universität Hannover. Er ist weiterhin geschäftsführender Leiter des neugegründeten Mechatronik-Zentrums Hannover.

Die Mechatronik ist die Wissenschaft der intelligenten Verknüpfung von Lösungselementen der Fachgebiete Maschinenbau, Elektrotechnik/Elektronik und Informatik. Das Ziel der Mechatronik ist die vorgegebene Funktionalität eines Systems synergetisch unter Berücksichtigung von einschränkenden Randbedingungen möglichst optimal zu erreichen. Die Beispiele mechatronischer Systeme sind zahlreich: Fahrerassistenzsysteme im Kraftfahrzeug, Einrichtungen des aktiven Schwingungsschutzes, sensorgeführte Roboter, moderne Werkzeugmaschinen, mikromechanische Geräte der Medizintechnik und viele mehr.
Dieses Lehrbuch und Nachschlagewerk beschreibt die Methoden zur Analyse mechatronischer Systeme und der verschiedenen Komponenten zu ihrer Synthese. Die Darstellung enthält Beiträge zur Sensorik und Aktorik, zur Signal- und Prozessdatenverarbeitung sowie zur Modellierung und Regelung mechatronischer Systeme.
Das Buch richtet sich an Studierende des Maschinenbaus, der Elektrotechnik bzw. Elektronik, der Informatik und der Mechatronik an Technischen Universitäten und Hochschulen. Darüber hinaus dient es als Nachschlagewerk für den Ingenieur in der Praxis.
Die 4. Auflage wurde weitreichend überarbeitet und um Beiträge zur Robotik, zu Automotive-Anwendungen, zur Mikrosensorik, zur videobasierten Regelung sowie zur Analyse und Synthese mechatronischer Systeme einschließlich der Behandlung von Implementierungsaspekten erweitert.

Die Mechatronik ist die Wissenschaft der intelligenten Verknüpfung von Lösungselementen der Fachgebiete Maschinenbau, Elektrotechnik/Elektronik und Informatik. Das Ziel der Mechatronik ist die vorgegebene Funktionalität eines Systems synergetisch unter Berücksichtigung von einschränkenden Randbedingungen möglichst optimal zu erreichen. Die Beispiele mechatronischer Systeme sind zahlreich: Fahrerassistenzsysteme im Kraftfahrzeug, Einrichtungen des aktiven Schwingungsschutzes, sensorgeführte Roboter, moderne Werkzeugmaschinen, mikromechanische Geräte der Medizintechnik und viele mehr.

Dieses Lehrbuch und Nachschlagewerk beschreibt die Methoden zur Analyse mechatronischer Systeme und der verschiedenen Komponenten zu ihrer Synthese. Die Darstellung enthält Beiträge zur Sensorik und Aktorik, zur Signal- und Prozessdatenverarbeitung sowie zur Modellierung und Regelung mechatronischer Systeme.

Das Buch richtet sich an Studierende des Maschinenbaus, der Elektrotechnik bzw. Elektronik, der Informatik und der Mechatronik an Technischen Universitäten und Hochschulen. Darüber hinaus dient es als Nachschlagewerk für den Ingenieur in der Praxis.

Die 4. Auflage wurde weitreichend überarbeitet und um Beiträge zur Robotik, zu Automotive-Anwendungen, zur Mikrosensorik, zur videobasierten Regelung sowie zur Analyse und Synthese mechatronischer Systeme einschließlich der Behandlung von Implementierungsaspekten erweitert.

1;Inhalt;10
2;1 Einleitung und Grundbegriffe;14
2.1;1.1 Grundbegriffe der Mechatronik;14
2.2;1.2 Prozessanalyse mechatronischer Systeme;17
2.3;1.3 Modellbildung und Funktionsbegriff in der Mechatronik;22
2.4;1.4 Entwurf mechatronischer Systeme;25
2.5;1.5 Gliederung des Buches;28
3;2 Aktoren;30
3.1;2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Aktoren;31
3.2;2.2 Aufbau und Wirkprinzipien elektromagnetischer Aktoren;35
3.2.1;2.2.1 Grundlagen elektrodynamischer Wandler;36
3.2.2;2.2.2 Bauformen elektrodynamischer Wandler;40
3.2.3;2.2.3 Grundlagen elektromagnetischer Wandler;43
3.2.4;2.2.4 Bauformen elektromagentischer Wandler;47
3.2.5;2.2.5 Ausführungen und Kenndaten elektromagnetischer Aktoren;48
3.3;2.3 Fluidische Aktoren;52
3.3.1;2.3.1 Gegenüberstellung von hydraulischen und pneumatischen Aktoren;55
3.3.2;2.3.2 Grundlagen hydraulischer Wandler;56
3.3.3;2.3.3 Ausführungsformen und Kenndaten hydraulischer Aktoren;60
3.4;2.4 Neuartige Aktoren;63
3.4.1;2.4.1 Grundlagen piezoelektrischer Wandler;63
3.4.2;2.4.2 Ausführungsformen und Kenndaten piezoelektrischer Aktoren;68
3.5;2.5 Vergleich ausgewählter Aktoren;69
4;3 Sensoren;72
4.1;3.1 Einführung und Begriffe ;73
4.2;3.2 Sensoren zur Messung von Dehnung, Kraft, Drehmoment und Druck ;81
4.2.1;3.2.1 Sensoren zur Messung von Dehnungen ;81
4.2.2;3.2.2 Auswertung von DMS und Kraftmessung ;85
4.2.3;3.2.3 Weitere Sensoren zur Kraft- und Druckmessung ;87
4.3;3.3 Sensoren zur Messung von Weg- und Winkelgrößen ;92
4.3.1;3.3.1 Potentiometrische Verfahren;92
4.3.2;3.3.2 Photoelektrische Messgeräte ;94
4.3.3;3.3.3 Längen- und Winkelmessung durch Nutzung magnetischer Prinzipien ;104
4.3.4;3.3.4 Optische Triangulation ;114
4.4;3.4 Geschwindigkeits- und Winkelgeschwindigkeitssensoren ;116
4.4.1;3.4.1 Tachogeneratoren ;117
4.4.2;3.4.2 Drehratensensoren ;118
4.4.3;3.4.3 Laservibrometer ;119
4.5;3.5 Beschleunigungs- und Winkelbeschleunigungssensoren ;120
4.5.1;3.5.1 Beschleunigungssysteme basierend auf dem Feder-Masse-Prinzip ;120
4.5.2;3.5.2 Ferraris-Sensor ;124
4.5.3;3.5.3 Beschleunigungssensor mit magnetischer Wandlung ;124
4.5.4;3.5.4 Weitere Beschleunigungssensorprinzipien ;125
4.6;3.6 Sensoren zur Messung von Temperatur und Strömung ;126
4.6.1;3.6.1 Thermistoren;126
4.6.2;3.6.2 Thermoelemente;129
4.6.3;3.6.3 Sensoren zur Strömungsmessung: Hitzdrahtanemometer;130
4.7;3.7 Ausblick auf weitere Sensoren ;131
5;4 Signalverarbeitung;138
5.1;4.1 Darstellung von Signalen ;138
5.1.1;4.1.1 Signalklassen ;138
5.1.2;4.1.2 Verteilungs- und Verteilungsdichtefunktion ;140
5.1.3;4.1.3 Signalkennwerte und Signalkennfunktionen ;142
5.1.4;4.1.4 Formfiltersynthese ;150
5.1.5;4.1.5 Überlagerung von Signalen;153
5.1.6;4.1.6 Zeitdiskrete Signale, periodische Abtastung;157
5.1.7;4.1.7 Näherungsformeln und Rechenvorschriften;160
5.2;4.2 Filtertechnologien ;165
5.2.1;4.2.1 Filter zur Signalverarbeitung ;165
5.2.2;4.2.2 Filter zur Erzeugung zeitlicher Ableitungen ;170
5.2.3;4.2.3 Optimale Filterung: Kalman-Filter ;173
5.2.4;4.2.4 Erweiterungen des Kalman-Filters ;180
6;5 Prozessdatenverarbeitung ;186
6.1;5.1 Begriffe der Echtzeitdatenverarbeitung;187
6.2;5.2 Ereignisbehandlung;188
6.3;5.3 Multitasking;192
6.3.1;5.3.1 Prozesszustände ;192
6.3.2;5.3.2 Task-Einplanung und Schedulingstrategien;196
6.3.3;5.3.3 Synchronisation von Prozessen;200
6.3.4;5.3.4 Spezielle Hardware-Architekturen;208
6.4;5.4 Echtzeitkonforme Netzwerke ;209
6.5;5.5 Bewertung von Echtzeitsystemen ;212
7;6 Modellbildung von Mehrkörpersystemen;216
7.1;6.1 Kinematik von Mehrkörpersystemen;218
7.1.1;6.1.1 Koordinatensysteme und Koordinatentransformationen;218
7.1.2;6.1.2 Beispiele für Rotationsmatrizen (Drehmatrizen);221
7.1.3;6.1.3 Homogene Koordinaten und homogene Transformationen;224
7.1.4;6.1.4 Mechanische Ersatzsysteme mit Baumstruktur ;228
7.1.5;6.1.5 Direkte und inverse Kinematik;231
7.1.6;6.1.6 Differentielle Kinematik und Jacobi-Matrix;235
7.2;6.2 Kinetik von Mehrkö