TRANSMECHATRONIK

Fachhochschule Aachen  Fachbereich Elektrotechnik  Prof. Dr.-Ing. Günter Schmitz

2. Workshop 

 
Aktoren - bildhaft als "Muskeln der Mikroelektronik" bezeichnet - steuern, schalten und regeln technische Prozesse. Hierfür wandeln sie elektrische Energie in mechanische Arbeit (Kraft X Weg) um. Aktoren sollen system- oder busfähig sein; sie bestehen aus einem Energiewandler, einer elektronischen Steuerschaltung, einem Gehäuse, evtl. mit integriertem Kraft-, Weg- oder Temperatursensoren, sowie einem mechanischem Impedanzwandler (Getriebe) zur Anpassung von Kräften und Wegen an eine mechanische Last oder an einen technischen Prozeß. Als neue Aktoren bezeichnet man Aktoren mit piezoelektrischen, elektrostriktiven, photostriktiven und magnetostriktiven Festkörperwandlern, Formgedächnismetall-Legierungen, elektro-/magnetotheologischen, dilatanten und elektrostriktiven Flüssigkeiten, elektrochemische und chemomechanische Aktoren sowie Mikroaktoren. Neue Aktoren nutzen unterschiedliche physikalische Wirkeffekte zur Krafterzeugung, wobei sich die entsprechenden Aktor-Realisierungen derzeit in unterschiedlichen Entwicklungsstadien befinden. Der Entwicklungsstand von neuen Aktoren und der Nutzen bei Verbesserung und Realisierung von Produkten mir neuen Aktoren wird u. a. von der Verfügbarkeit notwendiger Systemkomponenten wie elektronische Ansteuerung, mechanischen und elektrischen (Standart-) Schnittstellen, Signalverarbeitungskomponenten, sowie von der Beherschbarkeit der entsprechenden Fertigungsprozesse bestimmt. Neue Aktoren ermöglichen verbesserte Lösungen bei zahlreichen Antriebs- und Betätigungsaufgaben z. B. in Maschinenbau, Kraftfahrzeug- und Fluidtechnik sowie in Luft- und Raumfahrt. Aktoren in kommerziell verfügbaren Standartausführungen stellen dabei naturgemäß nicht in allen Fällen die technisch günstigste Lösung dar. Neben zahlreichen Bauformen ist eine Vielzahl von Werkstoffen mit unterschiedlichsten Eigenschaften hinsichtlich Dehnung, Hystereseverhalten, Wärmedissipation, Steifigkeit, Reaktionszeit sowie Lebensdauer und Kosten verfügbar. Der Vortrag gibt einen Überblick zum Stand von Entwicklungen und Technik. Wie müssen neue Aktoren aufgebaut sein, welche Fertigungstechnologien sind einzusetzen, welche Leistungsdaten bieten sie, wohin gehen zukünftige Entwicklungen mit neuen Aktoren? Diese und weitere Fragen zu mechanischem Aufbau, Möglichkeiten der Stellvergrößerung, elektronischer Ansteuerung sowie Technologie- und Marktpotentiale werden im Übersichtsvortrag behandelt. Anhand von ausgewählten Anwendungsbeispielen wird das unausgeschöpfte Einsatz- und Produktpotential der neuen Aktoren beschrieben und Anregungen für Designlösungen aufgezeigt.  

 
Die Entwicklung elektronischer Steuer- und Regelsysteme für Kraftfahrzeuge ist unter enormen Komplexitäts-, Zeit- und Qualitätsdruck geraten. Dies zwingt zur Optimierung der Entwicklungsprozesse. Rapid Control Prototyping (RCP) für die schnelle Konzeptprüfung und Erprobung, sowie Hardware-in-the-Loop (HIL) Simulation für den Test der Produktions-Steuergeräte und anderer Komponenten sind wichtige Bausteine im modernen Entwicklungsprozess. RCP ermöglicht die frühe Rückkopplung vom Experiment zum Entwurf und erspart unnötige Iterationen. Die Ergebnisse der RCP Stufe, i.a. regelungstechnische Blockschaltbilder eines geeigneten Werkzeugs, und die zugehörigen Parameter, werden allerdings heute noch von Hand in Produktionscode des Steuergeräts übersetzt. Nicht nur bringt das eine Unterbrechung des Entwicklungsprozesses, es führt auch bei der heutigen Komplexität zu zusätzlichen Fehlern. Gerade auch deshalb ist die HIL Simulation so wichtig geworden. Sie ermöglicht traditionell die Verlagerung von Fahrversuchen ins Labor. Jetzt kommt ihr insbesondere noch die Software- und Funktionsprüfung bis hin zur Freigabeprüfung zu, was nur noch durch automatisierte Tests mit dem simulierten Fahrzeug durchführbar ist. Der Beitrag erläutert die Probleme und die Fortschritte bei deren Lösung anhand des V-Modells des Entwicklungsprozesses von der Spezifikation bis zum Produkt.
   

 
Verschärfte Anforderungen an die Abgasqualität moderner Kraftfahrzeuge haben zu steigender Komplexität der abgasrelevanten Motorkomponenten geführt.
 
Mechanische und pneumatische Stellantriebe werden zunehmend von intelligenten Aktuatoren verdrängt. Linearaktuatoren mit Hubmagnetantrieb und rotatorische Aktuatoren z. B. mit DC-Motorantrieb kommen zum Einsatz.
 
Die Elektronik in solchen motornahen Komponenten ist extremen Umweltbedingungen (Vibration und Temperatur) ausgesetzt, was eine entsprechende konstruktive Auslegung erfordert. Heutige in Serie befindliche Komponenten sind vielfach mit Microcontrollerbausteinen ausgerüstet. In Zukunft werden auch wegen der weiter steigenden Temperaturanforderungen ASICs zum Einsatz kommen.
 
Die Kommunikation zwischen dem Motorsteuergerät und den intelligenten Komponenten wird in Zukunft vermehrt durch Bussysteme (z. B. CAN-Bus) realisiert werden.

 
Mit dem Wunsch nach mehr Sicherheit und Komfort bei der Vorfeldbeleuchtung von Kfz steigen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Scheinwerfern stetig. Kfz-Scheinwerfer sind komplexe Systeme. Sie erfordern eine hohe Integration mechanischer und optischer Bauteile. Die gegenwärtigen, "statischen" Lichtfunktionen wie z. B. Abblend-, Fern- und Nebellicht werden aus einzelnen Lichtquellen erzeugt. Bei der Erweiterung der lichttechnischen Funktionalität für zukünftige Scheinwerfersysteme ist es jedoch sinnfällig, deren optische und bislang starr-mechanische Grundstruktur um eine kinematische Struktur zu ergänzen, um eine Lichtbeeinflussung durch bewegliche optische Komponenten zu ermöglichen.
Durch die enge Verzahnung von Lichttechnik, Aktorik, Sensorik und Mikroprozessor- sowie Regelungstechnik bereits in der Entwurfsphase wird der Scheinwerfer zum klassisch-mechatronischen System. Dazu läßt sich die bereits serienreife dynamische Leuchtweiteregulierung zählen, die störende Wirkung der Fahrzeugbewegungen mindert, ohne das Lichtbild selbst zu verändern. Erst beim gegenwärtig entwickelten bifunktionalen Projektionsscheinwerfer wird die Aktorik dazu eingesetzt, den Strahlengang direkt zu beeinflussen und das mechanische Umschalten zwischen Abblend- und Fernlicht vorzunehmen.
Eine Schrittmachertechnologie für den Scheinwerfer von morgen stellt insbesondere die Aktorik dar, der das Hauptaugenmerk dieses Beitrags gilt. Sie steht am Anfang der mechanischen Wirkkette und beeinflußt dadurch die Eigenschaften des Gesamtsystems ganz wesentlich. In diesem Beitrag wird ein Überblick über die Aktorbauformen gegeben, die auf elektrischen Energiewandlungsmechanismen basieren und für den lichttechnischen Einsatz von besonderem Interesse sind. Es werden wesentliche physikalische und geräteorientierte Merkmale wie z. B. Stellweite, Dynamik und Temperaturabhängigkeit untersucht.
Die konstruktive und steuerungs- bzw. regelungstechnische Gestaltung des mechatronischen Gesamtsystems wird maßgeblich durch lichttechnisch bedingte (geometrische, kinematische, thermische) Randbedingungen sowie die jeweilige Aktor-Charakteristik bestimmt. Daraus ergibt sich auch für eine vergleichsweise einfache lichttechnische Aufgabenstellung eine große Komplexität von Lösungsmöglichkeiten, die einer methodischen Aufbereitung bedarf, um die technisch und wirtschaftlich bestgeeignete Lösung zu ermitteln. Auch dafür soll der Beitrag ein Beispiel liefern.
   

 
 
Der Entwurf von Geräten für Raumfahrtmissionen verlangt in ganz besonderer Weise die Kooperation verschiedener technischer Disziplinen. So enstehen neben den Problemstellungen, die sich direkt aus der gewünschten Funktionalität des Gerätes ergeben, weitere, die aus den sehr speziellen Randbedingungen resultieren. Sensorik und Elektronik, die häufig an der Grenze des technisch Machbaren arbeiten, sind zu vereinen mit Informationsverarbeitung und der umgebenden mechanischen Strukur, deren Layout wegen der Massenlimits und Vorgaben zur Akkomodation in der Regel erheblichen Berechnungs- und Simulationsaufwand erfordert. Besondere Aufmerksamkeit verdienen ferner Themenkomplexe wie z.B. Minimierung der elektrischen Leistungaufnahme, thermischer Haushalt, mechanische, elektrische und logische Interfaces, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Qualifikation und Dokumentation.
 
Am Beispiel eines Fourier-Infrarot-Spektrometers, das für das Raumflugexperiment MIRIAM (MIR - Infrarot - Atmosphären - Messung / höhenabhängige, qualititative und quantitative Spurengasuntersuchungen) von einem Konsortium aus KMU-Firmen und Universitäten gebaut wurde, sollen Anforderungen sowie der Entwicklungs- und Qualifikationszyklus geschildert werden. Es wird hierbei sowohl auf das Gesamtsystem wie auch auf die mechanischen, elektrischen und optischen Subsysteme eingegangen.
 
 
  

 
Bei der Entwicklung moderner Aktuatoren sind hohe Anforderungen hinsichtlich Kompaktheit, Energieverbrauch, Geräuschemissionen und Reproduzierbarkeit zu erfüllen. Dies gilt insbesondere für Aktuatoren, die zum Ziel haben, konventionelle Mechanik in Kraftfahrzeugen zu ersetzen.
Am Beispiel der Entwicklung eines Aktuators zur Betätigung der Ein- und Auslaßventile im Verbrennungsmotor wird aufgezeigt, wie entsprechende Entwicklungen mit Hilfe moderner Entwicklungswerkzeuge durchgeführt werden können. Zum Einsatz kommen dabei sowohl FE- Tools zur Magnetauslegung (MAXWELL) als auch Simulationssysteme für die gleichzeitige dynamische Simulation von Mechanik, Magnetik, Elektrik und Elektronik (SABER). Für die Auslegung eines System zur Ansteuerung wird die Methode des Rapid Controller Prototyping angewendet. Hierzu wird der Prototypaktuator durch eine schnelle Echtzeit- Hardware (dSpace-Box) gesteuert, die über eine Controller Simulation mittels MATLAB/Simulink programmiert wird.
Es werden beispielhafte Ergebnisse der Untersuchungen dargestellt und diskutiert.
   

 
Das Experiment am mechanischen Prototypen ist die entscheidende Phase in der Entwicklung eines mechatronischen Systems. Daher ist man bestrebt, die Experimentierphase möglichst weit vorzuziehen. Liegt bei paralleler Entwicklung der Konstruktion und der Steuerung und Regelung noch kein mechanischer Prototyp vor, ist das sogenannte Virtual Prototyping eine Möglichkeit, zumindest die algorithmischen Teile des Systems möglichst früh auf der Steuerungs- und Regelungshardware unter realistischen Bedingungen zu testen und zu optimieren. Die Regelstrecke wird dabei durch die Echtzeitsimulation eines so weit wie möglich aus den konstruktiven Entwürfen abgeleiteten dynamischen Modells ersetzt. In diesem Beitrag werden das Virtual Prototyping und die damit verbundenen weitergehenden Möglichkeiten am Beispiel eines dreiachsigen Roboterversuchstandes gezeigt. Die Realisierung des virtuellen Prototypen erfolgt mit Hilfe der mechatronischen Entwicklungswerkzeuge MATLAB/SIMULINK durch automatische Codegenerierung auf einem dSPACE Multiprozessorsystem. Sie erlaubt nicht nur die Berücksichtigung von Effekten, die durch die Echzeitrealisierung der Steuerung und Regelung entstehen, sondern bietet auch einen erheblichen Rechenzeitvorteil und die Möglichkeit einer Echtzeitanimation der Bewegungen des Robotermechanismus. Ferner kann auf der Basis des virtuellen Prototypen eine Optimierung aller nicht endgültig festgelegten Parameter erfolgen. Für das betrachtete Robotersystem geschieht das für Parameter der Konstruktion und der Bahnsteuerung. Ziel ist die Minimierung der Verfahrzeit des Endeffektors auf vorgegebenen Bahnen. Dies soll über die Armlängen und Getriebestufungen und die maximale Sollbeschleunigung in Bahnrichtung erreicht werden. Einschränkende Nebenbedingungen sind die begrenzten Stellgrößen und die Forderung nach Erreichbarkeit der vorgegebenen Bahnpunkte durch den Gelenkmechanismus des Roboters. Die Durchführung der Optimierung erfolgt unter MATLAB mit Hilfe der Optimization Toolbox und Interfacesoftware zum verwendeten Multiprozessorsystem und führt zu einer deutlichen Verringerung der Verfahrzeit des Endeffektors für eine vorgegebene Bahn. Das Beispiel ist damit geeignet, auch den häufig noch zurückhaltenden Konstrukteur vom Potential der mechatronischen Entwicklungsmethodik für die Entwicklung eines optimalen Produktes zu überzeugen.

 
Von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt werden Fahrzeugregelsysteme bei ITT mit Hilfe einer Vielzahl von Simulationsexperimenten getestet, bewertet und überprüft. So finden in den ersten Entwicklungsphasen, bei denen Chancen und Risiken neuer Produkte erfaßt und bewertet werden, sogenannte Off-Line Simulationen (OLS) statt. Bei der OLS ist das dynamische Verhalten der Regelstrecke (Fahrzeug, Bremse, Räder, Antriebsstrang etc.) und des Reglers in Software abgebildet und wird mit Hilfe verschiedener Simulationswerkzeuge auf einer Workstation oder einem PC detailliert analysiert [JU95, LA97]. Derzeit werden hierzu bei ITT ein selbst entwickeltes Programmpaket zur Vollfahrzeugsimulation, das Mehrkörpersimulationssystem ADAMS sowie die universellen Simulationswerkzeuge MATLAB / SIMULINK und MATRIXx / SYSTEMBUILD genutzt.
Auf der Basis dieser Voruntersuchungsergebnisse erfolgt die applikationsorientierte Codierung neuer oder erweiterter Reglerfunktionen. Während dieser Entwicklungsphase steht dem Softwareentwicklern die sogenannte Real-Time Simulation (RTS) zur Verfügung [FE92]. Hier wird die Hardware des Steuergeräts mit dem softwaretechnisch abgebildeten dynamischen Verhalten der Regelstrecke kombiniert. So können die im Steuergerätecode eingefügten oder modifizierten Regelfunktionen mit Hilfe eines virtuellen Fahrzeugs direkt am Arbeitsplatz getestet und auf ihre Wirksamkeit hin überprüft werden.
Anschließend werden Programmänderungen durch Fahrversuche mit dem realen Fahrzeug verifiziert. Bis zur endgültigen Freigabe der Software erfolgt jedoch parallel eine große Anzahl weiterer Simulationsexperimente mit der Reglerhardware als festem Bestandteil der Simulationsschleife. Dies geschieht im Rahmen des sogenannten Black-Box-Test (BBT) und der SAVE-Verifikation. Beim BBT steht die Änderung der Reglercharakteristik aufgrund neuer oder modifizierter Reglerfunktionen im Mittelpunkt der Untersuchungen [SV98]. Dagegen analysiert die SAVE-Verifikation insbesondere die Auswirkungen von Softwareänderungen auf das Sicherheitskonzept der Regler [SA94].
Jedes dieser Simulationswerkzeuge (OLS, RTS, BBT, SAVE) besitzt seine spezifischen Einsatzbereiche während der einzelnen Phasen in der Produktentwicklung. Gemeinsam ist ihnen jedoch, daß die Auswirkungen neuer oder modifizierter Regel- und Überwachungsalgorithmen auf das dynamische Verhalten eines Fahrzeugs im Rahmen von Simulationsexperimenten untersucht und bewertet werden. Dies bedeutet, daß eine Vielzahl von Komponenten der Regelstrecke softwaretechnisch nachgebildet werden muß. Wird die softwaretechnische Beschreibung unabhängig voneinander für die unterschiedlichen Entwicklungswerkzeuge durchgeführt, so können zwar ganz bewußt die Vorteile der jeweiligen Simulationsumgebung gezielt ausgenutzt werden, dem gegenüber steht jedoch der n-fache Aufwand für die Erstellung und Überprüfung der Korrektheit sowie für Softwareerweiterungen, -wartungen und -anpassungen.
Hinzu kommen Probleme beim Vergleich der Ergebnisse aus den unterschiedlichen Werkzeugen, da die Simulationsmodelle häufig verschiedene Detailierungsgrade und damit auch verschiedenartige Eingabeparameter besitzen. Als Konzequenz aus einer derartigen Vorgehensweise ist dann auch eine Vervielfachung des Aufwands bei der Pflege von Modellparametern und bei der Ursachenforschung für Ergebnisabweichungen zwischen den einzelnen Simulationswerkzeugen zu sehen.
Die bei ITT gefundene Lösung aus dem Dilemma des immer weiter steigenden Aufwands zur Wartung, Erweiterung und Pflege der Simulationssoftware bildet den Kern des Vortrags. Aufbauend auf einer detaillierten Analyse der Anforderungen und Randbedingungen, wird das Pflichtenheft für eine werkzeugübergreifende Modulbibliothek vorgestellt. Die wesentliche Restriktion für die Modulentwicklung stellt die Einbeziehung von Embedded Controllern in die Liste der zu unterstützenden Hardwarearchitekturen dar. Die Einbeziehung dieser Hardware ist jedoch für wirtschaftliche Lösungen im Bereich der Hardware-in-the-Loop Simulation bei einer größeren Anzahl von Nutzern unumgänglich.
Da die meisten der Embedded Controller nur die Programmiersprache C zur gemeinsamen Programmierung unterstützen, mußte ein Lösungskonzept auf der Ebene einer prozeduralen C Programmierung, welches die geforderten Ansprüche hinsichtlich der Qualitätsnormen Korrektheit, Erweiterbarkeit, Wiederverwendbarkeit und Kompatibilität der Simulationssoftware erfüllt, gefunden werden. Dabei wurden auch bewährte Vorzüge eines objektorientierten Programmierstils (z.B. information hiding, data encapsulation, modularity, reusability), soweit sie sich unter den gegebenen Rahmenbedingungen berücksichtigen lassen, mit in die Überlegungen einbezogen.
Das Ergebnis, ein Konzept für eine werkzeugübergreifende Modulbibliothek, wurde durch Ausarbeitung geeigneter Programmier- und Codierungsvorschriften in die Praxis umgesetzt. Dabei wird die Wiederverwertbarkeit der Software durch eine implementierungsunabhängige Modularisierung unter konsequenter Einhaltung des Geheimnisprinzips gewährleistet. Hierzu mußten Defizite, die die Programmiersprache C mit sich bringt (z.B. das Fehlen von Konstruktoren bzw. Destruktoren), durch geeignete Implementierungsvorschriften, die ihrerseits alle Möglichkeiten des durch C erzwungenen prozeduralen Programmierkonzepts geschickt ausnutzen, kompensiert werden.
Beim Aufbau der Modulbibliothek erfordert die Modulerstellung gemäß der zuvor angesprochenen Richtlinien von jedem einzelnen Modulentwickler zunächst das grundsätzliche Verständnis für die Abbildung eines objektorientierten Modulkonzepts mit Hilfe einer prozeduralorientierten Programmiersprache und darüber hinaus auch eine größere Disziplin bei der Codierung der Simulationsmodule. Dieser zusätzliche Aufwand wird jedoch durch die sehr einfache und vielseitige implementierungsunabhängige Verwendung derart programmierter Programmteile in allen genutzten Simulationswerkzeugen mehr als kompensiert.
Zum Abschluß des Vortrags wird das Verständnis für die erarbeiteten Programmier- und Codierungsrichtlinien anhand eines einfachen Beispiels weiter vertieft, bevor eine kurze Präsentation typischer Einsatzbeispiele und Simulationsergebnisse die praktische Anwendung der Modulbibliothek demonstriert.

 
Nach einer kurzen Vorstellung der Verfahrenstechnik der Maschinen zur Herstellung von Papiersäcken werden beispielhaft für den Einsatz der Drehstrom-Servotechnik die Haupt- und Hilfsantriebe der Schlauchmaschine AM2155CNC erläutert. Ihre Funktionen werden mit denen der früheren mechanischen Lösungen verglichen. Dabei geht der Verfasser auf die Regelungsverfahren, die eingesetzte Hardware und die Hilfsmittel zur Erstellung und Diagnose der Software ein. In Teilbereichen konnte auf die Erfahrung eines 2-Motoren-Antriebs einer Vorgängermaschine zurückgegriffen werden. Die Vorgehensweise bei der Konstruktion und Entwicklung war im wesentlichen darauf ausgerichtet, innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens eine verkaufsfähige Lösung zu erarbeiten, die den Ansprüchen der Kunden an die Wirtschaftlichkeit der Maschine und Qualität der Papiersäcke in vollem Umfang genügt.
 

 
Die Ausbildung von Mechatronik-Ingenieuren erfordert die Vermittlung von Kenntnissen aus den Ingenieurwissenschaften Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik. Im Dezember1997 hat die Fachhochschule Bochum die ersten Mechatronik-Ingenieure Deutschlands entlassen. Basis dieser Ausbildung ist ein Studienplan, der den zukünftigen Ingenieuren die Kenntnisse aller drei Ingenieurwissenschaften vermittelt. Dabei gilt es, den Gedanken der Integration in mechatronischen Produkten und in der hochautomatisierten Produktion zu vermitteln. Es werden das Curriculum mit Praktika, Praxisstudiensemester und Projektseminaren dargestellt. Es stellt sich auch die Frage, inwieweit die bisherigen "Grenzziehungen" zwischen den Ingenieurwissenschaften sinnvoll sind und "Denkblockaden" provozieren.