Was ist Mechatronik, mechatronische Elemente, Module, Maschinen und Systeme?

Das Wort „Mechatronik“ setzt sich aus zwei Wörtern zusammen – „Mechanik“ und „Elektronik“. Dieser Begriff wurde 1969 von einem leitenden Entwickler bei Yaskawa Electric, einem Japaner namens Tetsuro Mori, vorgeschlagen. Im 20. Jahrhundert spezialisierte sich Yaskawa Electric auf die Entwicklung und Verbesserung elektrischer Antriebe und Gleichstrommotoren und erzielte daher große Erfolge in dieser Richtung, beispielsweise wurde dort der erste Scheibenanker-Gleichstrommotor entwickelt.

Es folgten Entwicklungen zu den ersten Hardware-CNC-Systemen. Und 1972 wurde hier die Marke Mechatronics eingetragen. Schon bald machte das Unternehmen große Fortschritte bei der Entwicklung elektrischer Antriebstechnologien. Später beschloss das Unternehmen, das Wort „Mechatronik“ als Marke aufzugeben, da der Begriff sowohl in Japan als auch auf der ganzen Welt weit verbreitet war.

Auf jeden Fall ist Japan die Heimat der aktivsten Entwicklung eines solchen Ansatzes in der Technologie, als es notwendig wurde, mechanische Elemente, elektrische Maschinen, Leistungselektronik, Mikroprozessoren und Software zu kombinieren, um eine hochpräzise elektrische Antriebssteuerung zu implementieren.

Ein gängiges grafisches Symbol für Mechatronik ist ein Diagramm von der Website des RPI (Rensselaer Polytechnic Institute, NY, USA):

Die Mechatronik ist eines der neuesten Ingenieursgebiete der Welt und gehört laut UNESCO zu den zehn vielversprechendsten und gefragtesten.

Im Allgemeinen lässt sich der Begriff „Mechatronik“ wie folgt definieren: Es handelt sich um ein Gebiet der Wissenschaft und Technik, das auf einer systematischen Kombination von Einheiten für Präzisionsmechanik, Elektrotechnik, Elektronik, Mikroprozessortechnik, verschiedene Energiequellen, Elektrik, Hydraulik usw. basiert pneumatische Antriebe sowie deren intelligente Steuerung konzentrierten sich auf die Erstellung und den Betrieb von Blöcken moderner automatisierter Produktionssysteme.

Mechatronik ist computergestützte Bewegungssteuerung.

Ziel der Mechatronik ist es, qualitativ neue Bewegungsmodule, mechatronische Bewegungsmodule, intelligente mechatronische Module zu schaffen und darauf basierend intelligente Maschinen und Systeme zu bewegen.

Historisch gesehen entwickelte sich die Mechatronik aus der Elektromechanik und ging auf der Grundlage ihrer Errungenschaften einen Schritt weiter, indem sie elektromechanische Systeme systematisch mit Computersteuergeräten, eingebetteten Sensoren und Schnittstellen kombinierte.

Diagramm des mechatronischen Systems

Verallgemeinerte Struktur mechatronischer Systeme

Elektronische, digitale, mechanische, elektrische, hydraulische, pneumatische und Informationselemente können Teil des mechatronischen Systems sein, da zunächst Elemente unterschiedlicher physikalischer Natur jedoch zusammengeführt werden, um ein qualitativ neues Ergebnis des Systems zu erhalten, das nicht erreicht werden kann von jedem Element wie von einem separaten Darsteller.

Ein separater Spindelmotor wird das DVD-Player-Fach nicht von alleine auswerfen können, aber unter der Steuerung einer Schaltung mit Mikrocontroller-Software und ordnungsgemäßer Verbindung mit einem Schneckengetriebe funktioniert alles problemlos und sieht aus wie ein einfaches monolithisches System. Doch trotz der äußerlichen Einfachheit umfasst ein mechatronisches System per Definition mehrere miteinander verbundene und interagierende mechatronische Einheiten und Module, um bestimmte funktionale Aktionen zur Lösung einer bestimmten Aufgabe auszuführen.

Ein mechatronisches Modul ist ein eigenständiges Produkt (strukturell und funktionell), das darauf ausgelegt ist, Bewegungen unter gegenseitiger Durchdringung und gleichzeitiger gezielter Hardware- und Softwareintegration seiner Komponenten auszuführen.

Ein typisches mechatronisches System besteht aus miteinander verbundenen elektromechanischen und Leistungskomponenten, die wiederum von einem Computer oder Mikrocontrollern gesteuert werden.

Beim Entwurf und Bau eines solchen mechatronischen Systems wird versucht, unnötige Knoten und Schnittstellen zu vermeiden und alles so prägnant und nahtlos wie möglich zu gestalten, nicht nur um die Masse-Größen-Eigenschaften des Geräts zu verbessern, sondern auch die Zuverlässigkeit zu erhöhen des Systems im Allgemeinen.

Manchmal ist es für Ingenieure nicht einfach, sie sind gezwungen, sehr ungewöhnliche Lösungen zu finden, gerade weil sich verschiedene Einheiten in unterschiedlichen Arbeitsbedingungen befinden und völlig unterschiedliche Dinge tun. Beispielsweise funktioniert an einigen Stellen ein herkömmliches Lager nicht und es wird durch eine elektromagnetische Aufhängung ersetzt (dies geschieht insbesondere bei Turbinen, die Gas durch Rohre pumpen, da ein herkömmliches Lager aufgrund des Eindringens von Gas schnell ausfallen würde sein Schmiermittel).

Auf die eine oder andere Weise hat die Mechatronik heute alles durchdrungen, von Haushaltsgeräten über Baurobotik bis hin zu Waffen und der Luft- und Raumfahrt. Alle CNC-Maschinen, Festplatten, Elektroschlösser, das ABS-System in Ihrem Auto usw. — Überall ist Mechatronik nicht nur nützlich, sondern auch notwendig. Heutzutage findet man nur noch selten eine manuelle Steuerung. Alles läuft darauf hinaus, dass man ohne Fixierung den Knopf gedrückt oder einfach den Sensor berührt hat – man hat das Ergebnis erhalten – das ist vielleicht das primitivste Beispiel dafür, was Mechatronik heute ist.

Hierarchiediagramm der Integrationsstufen in der Mechatronik

Die erste Integrationsebene bilden mechatronische Geräte und deren Elemente. Die zweite Integrationsebene bilden die integrierten mechatronischen Module. Die dritte Integrationsebene wird durch die Integration mechatronischer Maschinen gebildet. Die vierte Integrationsebene bilden die Komplexe mechatronischer Maschinen. Die fünfte Integrationsebene wird auf einer einzigen Integrationsplattform von Komplexen mechatronischer Maschinen und Roboter gebildet, was die Bildung rekonfigurierbarer flexibler Produktionssysteme impliziert.

Mechatronische Module und Systeme werden heute häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Maschinenbau- und Automatisierungsgeräte, technologische Prozesse im Maschinenbau;

• Industrie- und Spezialrobotik;

• Luft- und Raumfahrttechnik;

• Militärausrüstung, Fahrzeuge für Polizei und Sonderdienste;

• Elektrotechnik und Rapid-Prototyping-Ausrüstung;

• Automobilindustrie (Motorradantriebsmodule, Antiblockiersysteme, Automatikgetriebe, automatische Parksysteme);

• nicht-traditionelle Fahrzeuge (Elektroautos, Elektrofahrräder, Rollstühle);

• Bürogeräte (z. B. Kopierer und Faxgeräte);

• Computerperipheriegeräte (z. B. Drucker, Plotter, CD-ROM-Laufwerke);

• medizinische und sportliche Geräte (bioelektrische und Exoskelettprothesen für Behinderte, Muskelaufbautrainer, kontrollierte Diagnosekapseln, Massagegeräte usw.);

• Haushaltsgeräte (Waschen, Nähen, Geschirrspüler, unabhängige Staubsauger);

• Mikromaschinen (für Medizin, Biotechnologie, Kommunikation und Telekommunikation);

• Kontroll- und Messgeräte und Maschinen;

• Aufzugs- und Lagerausrüstung, automatische Türen in Hotels und Flughäfen; Foto- und Videogeräte (Video-Disc-Player, Fokussiergeräte für Videokameras);

• Simulatoren zur Ausbildung von Bedienern komplexer technischer Systeme und Piloten;

• Schienenverkehr (Zugsteuerungs- und Stabilisierungssysteme);

• intelligente Maschinen für die Lebensmittel-, Fleisch- und Milchindustrie;

• Druckmaschinen;

• Intelligente Geräte für die Showbranche, Attraktionen.

Dementsprechend steigt der Bedarf an Personal mit mechatronischen Technologien.