Mechatronik: Grundlagen und Anwendungen technischer Systeme

354 Pages·2015·31.69 MB·German

by  Horst Czichos

Horst Czichos
Mechatronik
Grundlagen und Anwendungen
technischer Systeme
3. Auflage
Mechatronik
Horst Czichos
Mechatronik
Grundlagen und Anwendungen
technischer Systeme
3., überarbeitete und erweiterte Auflage
HorstCzichos
BeuthHochschulefürTechnik
Berlin,Deutschland
ISBN978-3-658-09949-7 ISBN978-3-658-09950-3(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-09950-3
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speicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
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rechtigtauch ohnebesondere Kennzeichnung nicht zuderAnnahme, dasssolcheNamenimSinneder
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Lektorat:ThomasZipsner
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
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Vorwort zur 3. Auflage
DieMechatronikistmitdersystemtechnischenKombinationvonMechanik–Elektronik–
Informatik in Verbindung mit Sensorik und Aktorik für Regelung und Steuerung heute
einegrundlegendeinterdisziplinäreIngenieurwissenschaftfüralleBereichederTechnik.
DasMechatronik-BuchisteinKompendiumfürStudierendeundIngenieureallerTech-
nikbereiche. Es führt historisch getrennt entstandene physikalische und technologische
Elemente– systemtechnisch bewertet – zusammen. DieKonzeption desBuchesund die
Besonderheiten der interdisziplinären Darstellung sind im Vorwort der ersten Auflage
(SeiteVII)undindenAnmerkungenzumBuch(SeiteXI)erläutert.
DasMechatronik-BuchvermitteltkompaktesGrundlagenwissen,unterstütztdenDia-
log zwischen den in der Mechatronik zusammenfließenden Einzeldisziplinen und illus-
triertdasbreiteAnwendungsspektrummechatronischerSysteme.SieentstehenalsInno-
vationenhäufigandenSchnittstellenvonDisziplinen.
Die aktuelle Auflage des Mechatronik-Bucheswurde in den Grundlagen vertieft und
indenAnwendungenerweitert.DiefolgendenStichwortegebeneineÜbersichtüberneu
aufgenommeneThemenfelder:
(cid:2) MetrologischeundmesstechnischeGrundlagenderSensorik,
(cid:2) SensorbasierteCyber-physischeSysteme,
(cid:2) FunktionssicherheitundStrukturintegritättechnischerSysteme,
(cid:2) ZustandsüberwachungvonMaschinen,
(cid:2) Nano-Interface-TechnologiezurErhöhungderSpeicherkapazitätvonComputern,
(cid:2) MonitoringderbaulichenInfrastruktur.
Für diezahlreichen konstruktivenKommentareund Hinweise zur Vertiefung und Er-
weiterung des Inhalts dieses Buches sowie zur Bild- und Textgestaltung danke ich sehr
herzlich – insbesondere Dr. Rosemarie Helmerich, BAM (Bauliche Infrastruktur), Dir.
und Prof. Dr. Robert Wynands, PTB (Metrologische Grundlagen), Prof. Dr. Frank Tal-
ke UCSD USA (Computertechnik) und Prof. Dr. Alexander Reinefeld ZIB (Technische
Informatik).
V
VI Vorwortzur3.Auflage
EbensoherzlichgiltmeinDankHerrnThomasZipsnerundFrauImkeZander,Lektorat
MaschinenbauSpringerVieweg,fürdiewiederumausgezeichneteZusammenarbeit.
Berlin,März2015 HorstCzichos
Vorwort der 1. Auflage
DieMechatronikbetrifftheutediegesamteTechnik.EinWissenschaftsmagazinformulier-
tediesso:VomSynonymfürkomplexeRegelkreisläufe,indenenelektronischeSchaltungen
oderdatenverarbeitendeSystememechanischeVorgängesteuern,hatsichdieMechatro-
nikindenletzten30Jahrenzueinerhandfesten„Zukunftswissenschaft“gewandelt.
Dieses Buch ist ein Kompendium – ein kurzes Lehrbuch und Nachschlagewerk. Es
verfolgtdas Ziel einer ganzheitlichen Darstellung der Mechatronik und führt dazu Teil-
bereiche verschiedener Ingenieurdisziplinen und der Physik integrierend und teilweise
vereinfachend im systemtechnischen Rahmen zusammen. Einbezogen sind Erkenntnis-
seausderTätigkeitalsPhysikerundIngenieurinderfachübergreifendenForschungund
Lehresowie interdisziplinäreBeiträgeausWissenschaftundIndustrie,wofürich beson-
dersfolgendenKolleginnenundKollegenherzlichdanke:
(cid:2) Grundlagen: Dr. G. Bachmann, VDI-Technologiezentrum: Nanotechnologie; Prof.
Dr. M. Kochsiek, Dir. u. Prof. Dr. R. Schwartz, PTB: Messen mechanischer Größen,
Kraftmess- und Wägetechnik; Dr. Anita Schmidt, BAM: Messunsicherheit; Dr. M.
Koch,UniStuttgart:Grenzwertbeurteilungen;Dr.W.Hässelbarth,BAM:Referenzma-
terialien, Referenzverfahren; Dr. K. Dobler, Dr. E. Zabler, BOSCH: Sensorik; Dr. J.
Goebbels, BAM: Computertomographie; Dr. W. Habel, BAM: Faseroptik-Sensoren;
Dr.H.Sturm,BAM:Rasterkraftmikroskopie;Dr.W.Daum,BAM:EmbeddedSensors;
Dr.M.Golze,BAM:Qualitätsmanagement.
(cid:2) Anwendungen:Prof.Dr.W.Gärtner,Dipl.Ing.R.Neumann,TFHBerlin:Fotokamera;
Prof.Dr.F.Talke,UniversityofCalifornia,SanDiego:Audio-Video-Computertechnik;
H.Petri,Dr.R.Herrtwich,Dr.W.Enkelmann:DaimlerChrysler:Fahrzeugtechnik;Prof.
Dr. R. Tränkler, Institut für Mess- und Automatisierungstechnik, UniBW München:
Gebäudetechnik,Sensorik, Aktorik; Dr. ChristianeMaierhofer, Dr. W. Rücker,Dr. H.
Wiggenhauser,BAM:ZfPBaulicherAnlagen.
Das Buch ist mit der Einteilung in Grundlagen und Anwendungen modular geglie-
dert und kann je nach Interesse – Informieren, Lernen, Anwenden – vielfach genutzt
werden. Um eine übersichtliche, knappe Darstellung zu erzielen wurden die Text-
passagen kurz gehalten und die jeweils wichtigsten Informationen als „Wort-Bild-
VII
VIII Vorwortder1.Auflage
Graphik-Kombinationen“indenAbbildungendesBucheskonzentriert.Studentenkönnen
das Buch sowohl beim Bachelor-Studium (Grundlagen-Kapitel plus studiengangorien-
tierte Anwendungs-Kapitel) als auch beim Diplom- bzw. Master-Studium (gesamtes
Buch) verwenden. Die Bilder können dabei als zusammenfassende Repetitoriums-
Unterlagen dienen. Für berufliche Anwendungen gibt das Buch kompakte Grundlagen-
Zusammenstellungen und Beispiele zum Stand der Technik in einer zum Nachschlagen
geeignetenForm.
FürdieRealisierungdesBuchesinderReiheViewegsFachbücherderTechnikunddie
hilfreichenHinweisezurGliederungundGestaltungdankeichHerrnEwaldSchmittund
HerrnThomasZipsnervomViewegVerlag.
Berlin,Juli2006 HorstCzichos
Anmerkungen zum Buch
DieMechatronikisteineinterdisziplinäreIngenieurwissenschaftundführthistorischge-
trenntentstandenephysikalischeundtechnologischeElementesystemtechnischbewertet
zusammen.UmgemäßderimVorworterläutertenKonzeptioneine„ganzheitlicheTextge-
staltung“zuerzielen,musstebeiderSchreibweisevondenFormelzeichen-Konventionen
der Einzeldisziplinen – die sich ja unabhängigvoneinander entwickelt hatten – abgewi-
chenwerden.
Auf die Problematik unterschiedlicher Terminologien in den Einzeldisziplinen der
Natur- und Ingenieurwissenschaften hat bereits Feynman aufmerksam gemacht. Er
schreibt in seinen Feyman Lectures: The difficulties of science are to a large extent
the difficulties of notations, the units, and all the other artificialities which are invented
bymannotbynature.Forexample,intheelectricalliterature,thesymboljiscommonly
p
usedinsteadofthesymbolitodenotetheimaginaryunit (cid:3)1.Electricalengineersinsist
thattheycannotusewhateveryoneelseintheworldusesforimaginarynumbersbecause
imustbetheelectricalcurrent.
FürdasinterdisziplinäreGebietderMechatroniklässtsichdieSchwierigkeiteinerein-
heitlichen Schreibweise von Systemparametern in Text, Formeln und Graphiken durch
ein einfaches Beispiel verdeutlichen. In der Elektrotechnik ist es üblich, zeitunabhängi-
ge Größen mit Großbuchstaben und Zeitfunktionen mit Kleinbuchstaben zu kennzeich-
nen, also z.B. Gleichspannung und Gleichstrom mit U und I sowie Wechselspannung
und Wechselstrom mit u und i. In der Technischen Mechanik ist dagegen diese Unter-
scheidungunüblich.SobezeichnendortbeispielsweisedieGroßbuchstabenFundMdie
mechanischen Größen Kraft und Moment, während die Kleinbuchstaben f und m Fre-
quenz und Masse kennzeichnen. Damit kann eine Zeitabhängigkeit von Kraft F oder
Moment M nicht durch die Kleinbuchstaben f oder m ausgedrückt werden; außerdem
können alle vier Größen zeitunabhängig oder zeitabhängig sein. Mechatronische Sys-
teme enthalten nun sowohl elektrische als auch mechanische Größen, so dass hier die
eleganteMethodederKennzeichnungderZeitabhängigkeitvonSystemparameterndurch
Groß- und Kleinschreibung von Formelgrößen nicht durchgängig anwendbar ist. Ähn-
lich schwierig ist es, die in Einzeldisziplinen üblichen konventionellen Schreibweisen
vonSkalaren,Vektoren,komplexenGrößenoderregelungstechnischenVariablenimZeit-
bereich, Bildbereich, Zustandsraum (z.B. Fettdruck, Kursivschrift, Unterstreichungen,
IX
X AnmerkungenzumBuch
^-Zusatzsymbole, Frakturschrift) im gesamten Buchtexteinheitlich zu gestalten. Da
esalsofürdasinterdisziplinäreGebietderMechatronikkaummöglichist,eineneinheitli-
chen„Formelzeichen-Katalog“aufzustellen,sindindiesemBuchdieBezeichnungenund
FormelzeichenpragmatischjeweilsdirektdenFormelnoderBildernzugeordnetunddort
definiert.