Folien - Universität Paderborn

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HEINZ NIXDORF INSTITUT
Universität Paderborn
Mechatronik und Dynamik
Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek
Gliederung
1. Einleitung
Technische Informatik
2. Rechner als Entwurfswerkzeug
• Entwicklungsmethodik
• Modellbildung
• Simulation
Mikroelektronik und Software Schrittmachertechnologien für den Maschinenbau
3. Mikroprozessoren als Bestandteil moderner Maschinen
• Funktionsorientierter Entwurf mechatronischer Systeme
• Immaterielle Kopplung: X- by- w
ire
• Einbettung in informationsverarbeitende Netze
• Selbstoptimierung und Kognition
4. Schlüsseltechnologien für die Zukunft
• Was kommt nach X
- by- w
ire ?
• Miniaturisierung und Mikrosystemtechnik
5. Ausblick
Dezember
Dezember 2005
2005
© Alle Rechte bei Universität Paderborn, Prof. Dr.-Ing. J.Wallaschek, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
•
•
•
•
CNC gesteuerte Werkzeugmaschinen
Roboter, Fertigungszellen
Aktive Schwingungsdämpfung
Magnetisch gelagerte Spindeln
•
Mechatronische
System
Fertigungstechnik
Automobiltechnik
Elektronische Motorsteuerung
•
Automatische Blockierverhinderer
•
Antriebsschlupfregelung
•
Elektronische Stabilisierung
•
Airbag
•
Tempomat (abstandgeregelt)
•
Navigationssystem
•
Autopilot
(Grafiken: Mercedes-Benz, Robert Bosch GmbH, Pressearchiv)
•
•
•
CD-Player, Walkman
Autofokus-Kamera
Video-Rekorder, - Kamera
Rückblick:
Mechatronische
Systeme
Lang anhaltende Entwicklung der Mikroelektronik
und Software
Konsumgüter
Rechenleistung wurde immer billiger
Mikroelektronik
und Software als
Schrittmacher
Ohne leistungsfähige (und bezahlbare)
Mikroprozessoren und ohne geeignete Methoden
zu Ihrer Programmierung hätte die Entwicklung
der Mechatronik nicht stattfinden können.
Ausblick:
(Grafik: Canon)
Entwicklung hält weiterhin an
1
Rechenleistung wird immer billiger
Schrittmachertechnologie
Mikroelektronik
Die Verfügbarkeit preiswerter Mikroprozessoren
und die Entwicklung der Softwaretechnik
haben (auch weiterhin) wichtige Konsequenzen:
1. Für die technischen Systeme selbst:
Schrittmachertechnologie
Mikroelektronik
a) Funktionen die bisher mechanisch realisiert
wurden, können durch elektronische Systeme
besser erbracht werden. (Funktionsverlagerung)
b) Es entstehen neue Systemfunktionen, die nur
durch Einsatz der Informationstechnik realisiert
werden können. (Funktionserweiterung)
(Grafik: http://www.frc.ri.cmu.edu/~hpm/project.archive/
robot.papers/2001/RoboEvol.presentation/revo.slides/2030.html)
Gliederung
2. Für die Methodik des Systementwurfs:
Steigerung der verfügbaren Rechenleistung
ermöglicht den Einsatz leistungsfähiger
Berechnungs- und Simulations-Werkzeuge.
Klären und präzisieren
der Aufgabenstellung
Anforderungsliste
FUNKTION
1. Einleitung
• Modellbildung
• Simulation
Funktionsstruktur
Suche nach
Lösungsprinzipien
Prinziplösung
GESTALT
- by- w
ire ?
Gestalten der
maßgebenden Module u.
des gesamten Produkts
Modulare Struktur
Ausarbeiten von Ausführungsund Nutzungsangaben, etc.
weitere Realisierung
5. Ausblick
Generelles
Vorgehen bei der
Entwicklung
(nach VDI 2221)
Gliedern in
realisierbare Module
ire
Rechnung und Experiment
Ermitteln von Funktionen
und deren Strukturen
Gesamtentwurf
Objekt
Fragen
Abstraktion
Mathematisches Modell
m x + d x + cx = F + α U
1
[Q − α x ] + R Q − α x
C
U =
[
main( )
{
int i, MaxCount;
double y, yNeu, dt
...
For (i=1;i<MaxCount,i++) {
...
]
Aufbereitung der Gln.
Algorithmisches Modell
Programmierung
Rechnerinternes Modell
Interpretation der Ergebnisse
Mentales Modell
Formalisierung
Modellierung und
Simulation
Visualisierung
Ergebnisse
2
Umsetzen der algorithmisch aufbereiteten mathematischen Gleichungen in einem lauffähigen
Rechnerprogramm:
Praxisbeispiel: Bi-Xenon - Projektionssystem
Programmierung
• Ein- / Ausgabegrößen festlegen
• Benutzer-Schnittstellen definieren,
• Interne Schnittstellen vorsehen,
• Programmiersprache / -werkzeuge auswählen,
• Code entwickeln, ...
Software-Lebenszyklus:
• Problemanalyse,
• Entwurf,
• Implementierung,
• Test,
• Nutzung.
Praxisbeispiel: Bi-Xenon - Reflektionssystem
Analyse der Systemdynamik
mit Hilfe eines MehrkörperModells
(ADAMS)
Lagerachse
Zündmodul
Gasentladungslampe
• Auslegung des Antriebs
• Optimierung der Kinematik
• Dimensionierung der Teile
Tragrahmen (5)
Anschlag FL
Blattfeder
Zapfenhülse (3)
Kulissenwelle (2)
Spiralfeder
Wenn
• eine korrekte Modellierung,
• geeignete Werkzeuge, und
• genaue Daten
Rechner als
Entwurfswerkzeug
zur Verfügung stehen, können durch den Einsatz der
Simulationstechnik folgende Vorteile erzielt werden:
• kürzere Entwicklungszeiten,
• niedrigere Entwicklungskosten,
• bessere Entwicklungsergebnisse,
• höhere Sicherheit.
Wenn jedoch noch keine einschlägigen Erfahrungen
vorliegen, ist der Aufwand (Zeit und Kosten) für die
erstmalige Modellierung und Simulation in der Regel
sehr groß.
3
Gliederung
System / Umgebung
Eingang {X}
1. Einleitung
• Modellbildung
• Simulation
ire
Ausgang {Y}
Energie
Energie
Stoff
Stoff
Information
Systemgrenze
SYSTEM
System
Information
Systemfunktion: {X} → {Y}
- by- w
ire ?
5. Ausblick
(Grafik: Pahl/Beitz)
(Grafik: Pahl/Beitz)
Funktionsorientierter
Entwurf
Aufgabenbeschreibung
Mechatronische Systeme
Energie-, Stoff- und Informationsfluss
Energie, Stoff
Grundstruktur
(meist mechanisch)
Analyse der Systemfunktion
Aktor(en)
Funktionsstruktur (Level 1)
Sensor(en)
Funktionale Zerlegung in
Elementarfunktionen
Messwerte
Funktionsstruktur (Level n)
Prozessor(en)
Funktionsintegration,
Funktionsseparation
Feedback
Modulare Strukturierung
Shift by wire
Gangwechsel wird durch Aktor im Getriebe
ausgelöst: Schaltgestänge entfällt
Brake by wire
Elektromechanische Bremse wird durch
Signal angesteuert: Bremsleitungen, usw.
entfallen
Steer by wire
Lenkwinkelsensor erfasst das Steuersignal
des Fahrers, Räder werden durch
Aktor gelenkt: Lenkmechanismus entfällt,
Lenkrad kann durch Joystick ersetzt werden
Beispiel:
X-by-Wire im Kfz
Mechatronik:
„ ... Mikroprozessoren und Informationsnetze
als Maschinenelemente ...“
„Mechatronics is really nothing but good
design practice.“
Mikroprozessoren
als Bestandteil
moderner Maschinen
(Tomizuka)
„Mechatronics is more than semantics, however.
It‘s a significant design trend that has a marked
influence on the product development process.“
(Ashley)
Mechanik (griech.):
„die Kunst, Maschinen zu bauen“
4
Gliederung
1. Einleitung
Ausblick
• Modellbildung
• Simulation
ire
- by- w
ire ?
5. Ausblick
Anwendung
S-Kurve der
Technologiephasen
Schlüsseltechnologien
Entwicklung
Forschung
• Mikroelektronik- und Software-Entwicklung hält an
• Drahtlose Kommunikation
• Miniaturisierung von Sensoren und Aktoren
• Optoelektronik, optische Technologien
Basistechnologien
(nach A.D.Little)
Schrittmachertechnologien
Visionen
Enstehung
Technologie
Wachstum
Reife
Alter
Mikro-Kettentrieb
Piezo-Technik
Ventilsteuerung bei
Common
- Rail DieselEinspritzsystem
(Quelle: F.A.Z., 23.1.2002)
(Quelle: F.A.Z., 23.1.2002)
Parallelogramm
- Aktor
zur Feinpositionierung
in Bondmaschinen
5
Die vierte Generation der Lichtquellen
Optische Technologien
Haitz et.al., 1999:
„We do not believe that an efficiency of 50 lm/W
is the ultimate limit for semiconductor light sources.“
„We propose a research program with the following goals:
a) 50 % conversion efficiency at any wavelength from blue
to red by 2012 (corresponding to 200 lm/W)
b) Low cost manufacturing technology leading to solid state
lamp retail prices of $20- $25 per klm of flux by 2020.“
Piezoelektrischer Drehratensensor
MST im Automobil:
Drehratensensor für ESP
•
•
•
•
Zwei-Chip-Ausführung
Auswerte-IC (oben)
Sensor in MST-Bauweise
Gehäuse steht auf Wafer mit
Sensorchips
(Bildmaterial: Robert Bosch GmbH)
(Foto und Grafik: Robert Bosch GmbH))
•
•
•
Metallischer Hohlkörper wird durch Piezos zu radialer Resonanzschwingung
angeregt (4 achsiale Schwingungsknoten, auf konstante Amplitude geregelt)
Zweites Piezosystem detektiert die bei Rotation um die Längsachse infolge
der Coriolis- Beschleunigung eintretende Verschiebung der Knotenlage
Problem: Temperaturabhängigkeit, Alterung der Piezokeramiken
Nachtsicht-Display oder Aktives Licht ?
Funktionsorientierter Entwurf (Level 1)
Passe Licht an Strassenverlauf an
Vermeide Blendung anderer Verkehrsteilnehmer
Idee:
Augmented Reality statt Virtual Reality !
Markiere Gefahrenobjekte
6
Optikkonzept: Mikrospiegelsystem
Digitale Mikrospiegel (1)
DMD-Chip
Spiegel
Lichtquelle und Kollimator
Absorber
Digitale Mikrospiegel (2)
mirror pitch width 17µm
mirror transit time <20 µs
tilt angle +10°
Starting point: conventional DMD beamer
Infocus LP530
Insect foot on DMD array:
5 mirrors ~ diameter of a human hair
Quelle: Carl Zeiss Jena GmbH
Technologiedemonstrator (1)
State of the art - Surround sensing (1)
Video (50 m)
• Lane departure warning
77 GHz Radar (200 m)
US (2,5 m)
• ACC
• Parking
LIDAR (150 m)
Emax = 75 lx
Φ = 850 lm
Emax > 100 lx Φ > 1000 lm
• ACC
24 GHz Radar (45 m)
• Stop & Go
• Pre-crash detection
IR-Scanner (35 m)
• Stop & Go
• Collision avoidance
7
State of the art – Surround sensing (2)
Field tests
Versuchsfahrzeug für Aktives Licht
Messergebnisse statisch
Leuchtdichte im Fahrzeugvorfeld bei Abblendlicht (links)
im Vergleich zu Aktivem Licht (rechts)
Messergebnisse bei Begegnungsfahrt
0,5 lux Linie
Sensorreichweite zu klein,
Nahfeldauflösung zu grob
Vrel. = 80 km/h, Messung durch Photometer im Augenpunkt des
entgegenkommenden Fahrzeugs (Fahrzeug mit aktivem Licht steht)
8

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