Mechatronik

Komponenten - Methoden - Beispiele
 
 
Hanser (Verlag)
  • 1. Auflage
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  • erschienen am 9. November 2015
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  • 447 Seiten
 
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978-3-446-44533-8 (ISBN)
 
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.
  • Deutsch
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  • 292
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  • 44 s/w Tabellen, 292 s/w Abbildungen
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  • 292 schwarz-weiße Abbildungen, 44 schwarz-weiße Tabellen
  • 15,12 MB
978-3-446-44533-8 (9783446445338)
http://dx.doi.org/10.3139/9783446445338
weitere Ausgaben werden ermittelt
Die Autoren Prof. Bodo Heimann, Prof. Tobias Ortmaier, Prof. Rissing und Prof. Amos Albert lehren und forschen an der Technischen Universität Hannover in den Bereichen Mechatronische Systeme, Robotik, Maschinendynamik und Regelungstechnik
1 - Inhalt [Seite 10]
2 - 1 Einleitung und Grundbegriffe [Seite 14]
2.1 - 1.1 Grundbegriffe der Mechatronik [Seite 14]
2.2 - 1.2 Prozessanalyse mechatronischer Systeme [Seite 17]
2.3 - 1.3 Modellbildung und Funktionsbegriff in der Mechatronik [Seite 22]
2.4 - 1.4 Entwurf mechatronischer Systeme [Seite 25]
2.5 - 1.5 Gliederung des Buches [Seite 28]
3 - 2 Aktoren [Seite 30]
3.1 - 2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Aktoren [Seite 31]
3.2 - 2.2 Aufbau und Wirkprinzipien elektromagnetischer Aktoren [Seite 35]
3.2.1 - 2.2.1 Grundlagen elektrodynamischer Wandler [Seite 36]
3.2.2 - 2.2.2 Bauformen elektrodynamischer Wandler [Seite 40]
3.2.3 - 2.2.3 Grundlagen elektromagnetischer Wandler [Seite 43]
3.2.4 - 2.2.4 Bauformen elektromagentischer Wandler [Seite 47]
3.2.5 - 2.2.5 Ausführungen und Kenndaten elektromagnetischer Aktoren [Seite 48]
3.3 - 2.3 Fluidische Aktoren [Seite 52]
3.3.1 - 2.3.1 Gegenüberstellung von hydraulischen und pneumatischen Aktoren [Seite 55]
3.3.2 - 2.3.2 Grundlagen hydraulischer Wandler [Seite 56]
3.3.3 - 2.3.3 Ausführungsformen und Kenndaten hydraulischer Aktoren [Seite 60]
3.4 - 2.4 Neuartige Aktoren [Seite 63]
3.4.1 - 2.4.1 Grundlagen piezoelektrischer Wandler [Seite 63]
3.4.2 - 2.4.2 Ausführungsformen und Kenndaten piezoelektrischer Aktoren [Seite 68]
3.5 - 2.5 Vergleich ausgewählter Aktoren [Seite 69]
4 - 3 Sensoren [Seite 72]
4.1 - 3.1 Einführung und Begriffe [Seite 73]
4.2 - 3.2 Sensoren zur Messung von Dehnung, Kraft, Drehmoment und Druck [Seite 81]
4.2.1 - 3.2.1 Sensoren zur Messung von Dehnungen [Seite 81]
4.2.2 - 3.2.2 Auswertung von DMS und Kraftmessung [Seite 85]
4.2.3 - 3.2.3 Weitere Sensoren zur Kraft- und Druckmessung [Seite 87]
4.3 - 3.3 Sensoren zur Messung von Weg- und Winkelgrößen [Seite 92]
4.3.1 - 3.3.1 Potentiometrische Verfahren [Seite 92]
4.3.2 - 3.3.2 Photoelektrische Messgeräte [Seite 94]
4.3.3 - 3.3.3 Längen- und Winkelmessung durch Nutzung magnetischer Prinzipien [Seite 104]
4.3.4 - 3.3.4 Optische Triangulation [Seite 114]
4.4 - 3.4 Geschwindigkeits- und Winkelgeschwindigkeitssensoren [Seite 116]
4.4.1 - 3.4.1 Tachogeneratoren [Seite 117]
4.4.2 - 3.4.2 Drehratensensoren [Seite 118]
4.4.3 - 3.4.3 Laservibrometer [Seite 119]
4.5 - 3.5 Beschleunigungs- und Winkelbeschleunigungssensoren [Seite 120]
4.5.1 - 3.5.1 Beschleunigungssysteme basierend auf dem Feder-Masse-Prinzip [Seite 120]
4.5.2 - 3.5.2 Ferraris-Sensor [Seite 124]
4.5.3 - 3.5.3 Beschleunigungssensor mit magnetischer Wandlung [Seite 124]
4.5.4 - 3.5.4 Weitere Beschleunigungssensorprinzipien [Seite 125]
4.6 - 3.6 Sensoren zur Messung von Temperatur und Strömung [Seite 126]
4.6.1 - 3.6.1 Thermistoren [Seite 126]
4.6.2 - 3.6.2 Thermoelemente [Seite 129]
4.6.3 - 3.6.3 Sensoren zur Strömungsmessung: Hitzdrahtanemometer [Seite 130]
4.7 - 3.7 Ausblick auf weitere Sensoren [Seite 131]
5 - 4 Signalverarbeitung [Seite 138]
5.1 - 4.1 Darstellung von Signalen [Seite 138]
5.1.1 - 4.1.1 Signalklassen [Seite 138]
5.1.2 - 4.1.2 Verteilungs- und Verteilungsdichtefunktion [Seite 140]
5.1.3 - 4.1.3 Signalkennwerte und Signalkennfunktionen [Seite 142]
5.1.4 - 4.1.4 Formfiltersynthese [Seite 150]
5.1.5 - 4.1.5 Überlagerung von Signalen [Seite 153]
5.1.6 - 4.1.6 Zeitdiskrete Signale, periodische Abtastung [Seite 157]
5.1.7 - 4.1.7 Näherungsformeln und Rechenvorschriften [Seite 160]
5.2 - 4.2 Filtertechnologien [Seite 165]
5.2.1 - 4.2.1 Filter zur Signalverarbeitung [Seite 165]
5.2.2 - 4.2.2 Filter zur Erzeugung zeitlicher Ableitungen [Seite 170]
5.2.3 - 4.2.3 Optimale Filterung: Kalman-Filter [Seite 173]
5.2.4 - 4.2.4 Erweiterungen des Kalman-Filters [Seite 180]
6 - 5 Prozessdatenverarbeitung [Seite 186]
6.1 - 5.1 Begriffe der Echtzeitdatenverarbeitung [Seite 187]
6.2 - 5.2 Ereignisbehandlung [Seite 188]
6.3 - 5.3 Multitasking [Seite 192]
6.3.1 - 5.3.1 Prozesszustände [Seite 192]
6.3.2 - 5.3.2 Task-Einplanung und Schedulingstrategien [Seite 196]
6.3.3 - 5.3.3 Synchronisation von Prozessen [Seite 200]
6.3.4 - 5.3.4 Spezielle Hardware-Architekturen [Seite 208]
6.4 - 5.4 Echtzeitkonforme Netzwerke [Seite 209]
6.5 - 5.5 Bewertung von Echtzeitsystemen [Seite 212]
7 - 6 Modellbildung von Mehrkörpersystemen [Seite 216]
7.1 - 6.1 Kinematik von Mehrkörpersystemen [Seite 218]
7.1.1 - 6.1.1 Koordinatensysteme und Koordinatentransformationen [Seite 218]
7.1.2 - 6.1.2 Beispiele für Rotationsmatrizen (Drehmatrizen) [Seite 221]
7.1.3 - 6.1.3 Homogene Koordinaten und homogene Transformationen [Seite 224]
7.1.4 - 6.1.4 Mechanische Ersatzsysteme mit Baumstruktur [Seite 228]
7.1.5 - 6.1.5 Direkte und inverse Kinematik [Seite 231]
7.1.6 - 6.1.6 Differentielle Kinematik und Jacobi-Matrix [Seite 235]
7.2 - 6.2 Kinetik von Mehrkörpersystemen [Seite 238]
7.2.1 - 6.2.1 Grundgleichungen für den starren Körper [Seite 240]
7.2.2 - 6.2.2 Newton-Euler-Methode [Seite 244]
7.2.3 - 6.2.3 Lagrange'sche Methode [Seite 248]
8 - 7 Systembeschreibung [Seite 254]
8.1 - 7.1 Lineare, zeitinvariante Systeme [Seite 254]
8.1.1 - 7.1.1 Klemmenmodell [Seite 255]
8.1.2 - 7.1.2 Zustandsraumdarstellung [Seite 258]
8.1.3 - 7.1.3 Stabilitätsbegriff [Seite 263]
8.1.4 - 7.1.4 Stabilitätskriterien - Systemmatrix [Seite 266]
8.1.5 - 7.1.5 Stabilitätskriterien - Übertragungsfunktion [Seite 269]
8.2 - 7.2 Modellvereinfachung und -reduktion [Seite 274]
8.2.1 - 7.2.1 Approximation [Seite 275]
8.2.2 - 7.2.2 Linearisierung [Seite 278]
8.2.3 - 7.2.3 Ordnungsreduktion [Seite 282]
8.3 - 7.3 Parameter- und Systemidentifikation [Seite 287]
8.3.1 - 7.3.1 Einführung in Schätzprobleme [Seite 288]
8.3.2 - 7.3.2 Prozess zur Identifikation [Seite 292]
8.3.3 - 7.3.3 Identifikation parametrischer, linearer, zeitdiskreter Systeme [Seite 294]
8.4 - 7.4 Aspekte der Identifikation in der Praxis [Seite 302]
8.4.1 - 7.4.1 Datenvorverarbeitung [Seite 302]
8.4.2 - 7.4.2 Bestimmung der Modellordnung [Seite 303]
8.4.3 - 7.4.3 Identifizierbarkeit und Anregung [Seite 308]
8.4.4 - 7.4.4 Identifikation im geschlossenen Regelkreis [Seite 312]
8.4.5 - 7.4.5 Identifikation kontinuierlicher Systeme [Seite 314]
8.4.6 - 7.4.6 Parameteridentifikation mechatronischer Systeme [Seite 318]
9 - 8 Regelung [Seite 322]
9.1 - 8.1 Entwurfsziele und Grundlagen [Seite 323]
9.1.1 - 8.1.1 Bewertungskriterien [Seite 324]
9.1.2 - 8.1.2 Empfindlichkeitsfunktionen und Entwurfslimitierungen [Seite 327]
9.2 - 8.2 Klassische Regelung linearer Systeme [Seite 337]
9.2.1 - 8.2.1 PID-Regler [Seite 337]
9.2.2 - 8.2.2 Auslegungsverfahren [Seite 339]
9.3 - 8.3 Zustandsregelung [Seite 345]
9.3.1 - 8.3.1 Einführung in die Zustandsregelung [Seite 345]
9.3.2 - 8.3.2 Beobachter und beobachtergestützte Regelung [Seite 349]
9.4 - 8.4 Optimale und robuste Regelung [Seite 354]
9.4.1 - 8.4.1 Optimale Regelung mit quadratischem Gütemaß [Seite 355]
9.4.2 - 8.4.2 Robuste Regelung (H2-, H-Regelung) [Seite 362]
9.5 - 8.5 Digitale Regelung (Abtastregelung) [Seite 370]
9.5.1 - 8.5.1 Zeitdiskrete Systembeschreibung [Seite 371]
9.5.2 - 8.5.2 Entwurf und Implementierung digitaler Regelungen [Seite 383]
9.6 - 8.6 Ausblick: Weitere Regelungsverfahren [Seite 397]
10 - 9 Beispiele mechatronischer Systeme [Seite 400]
11 - A Mathematische Grundlagen [Seite 404]
11.1 - A.1 Integraltransformationen [Seite 404]
11.1.1 - A.1.1 Laplace-Transformation [Seite 404]
11.1.2 - A.1.2 Fourier-Transformation [Seite 405]
11.1.3 - A.1.3 Z-Transformation [Seite 407]
11.1.4 - A.1.4 Korrespondenztabellen und deren Anwendung [Seite 408]
11.2 - A.2 Matrizenrechnung [Seite 410]
11.2.1 - A.2.1 Begriffe und einfache Rechenregeln [Seite 410]
11.2.2 - A.2.2 Eigenwerte, Eigenvektoren [Seite 411]
11.2.3 - A.2.3 Ähnlichkeitstransformation (Hauptachsentransformation) [Seite 412]
11.2.4 - A.2.4 Normen [Seite 413]
11.2.5 - A.2.5 Lineare Gleichungssysteme und Singulärwertzerlegung [Seite 415]
11.3 - A.3 Lineare, zeitinvariante dynamische Systeme [Seite 417]
12 - Formelzeichen und Abkürzungen [Seite 420]
13 - Literatur [Seite 428]
14 - Index [Seite 438]
1. Grundbegriffe, Entwurf und entwicklungsmethodik
2. Aktoren
3. Sensoren
4. Signalverarbeitung
5. Prozessdatenverarbeitung, Echtzeit, Scheduling, Kooperative, preemptive Systeme, Filter- und Reglerstrukturen
6. Modellbildung von Mehrkörpersystemen
7. Regelung mechatronischer Systeme
8. Ausgewählte Beispiele für mechatronische Systeme
9. Mathematische Grundlagen
Mechatronik ist die Wissenschaft der intelligenten Verknüpfung von Lösungselementen der Fachgebiete Maschinenbau, Elektrotechnik/Elektronik und Informatik, mit dem Ziel die vorgegebene Funktionalität eines Systems unter Berücksichtigung von einschränkenden Randbedingungen möglichst optimal zu erreichen. Beispiele mechatronischer Systeme sind Fahrerassistenzsysteme im Kraftfahrzeug, Einrichtungen des aktiven Schwingungsschutzes, sensorgeführte Roboter, moderne Werkzeugmaschinen, mikromechanische Geräte der Medizintechnik u.v.m.
Dieses Lehrbuch beschreibt Methoden zur Analyse mechatronischer Systeme, wobei die einheitliche Beschreibung der Methoden zur Analyse mechatronischer Systeme und der verschiedenen zu ihrer Synthese verwendeten Komponenten im Vordergrund steht. Inhaltliche Schwerpunkte sind Sensoren und Aktoren, die Signal- und Prozessdatenverarbeitung und auch die Modellierung und Regelung mechatronischer Systeme. Es richtet sich an Studierenden des Maschinenbaus, der Elektrotechnik bzw. Elektronik, der Informatik und der Mechatronik an Technischen Universitäten und Fachhochschulen.
Die 4. Auflage wurde weitreichend überarbeitet und beispielsweise zur Medizintechnik, zur Mikroaktorik und -sensorik, zu Visual Servoing sowie zur Analyse und Synthese mechatronischer Systeme erweitert. Dazu kommen neu aufgenommene Fallstudien und Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Bereichen der Mechatronik.

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