Mechatronik im KFZ am Beispiel aktiver und passiver
Fahrzeugsicherheitssysteme
Prof. Dr.-Ing. habil. M. Hiller,
Universität-Gesamthochschule Duisburg
Lotharstr.1, 47048 Duisburg
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Mechatronische Systeme sind gekennzeichnet durch das Zusammenspiel
unterschiedlicher Teildisziplinen des Maschinenbaus, der Elektrotechnik
und der Informationsverarbeitung. Welche Teilgebiete dabei zum
Zuge kommen, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Es ist
jedoch festzustellen, daß das multidisziplinäre Konzept
der Mechatronik in immer stärkerem Maße den Entwicklungsprozess
vieler technischer Produkte prägt. Ein herausragendes Beispiel
hierfür ist die Kraftfahrzeugentwicklung, bei der sich die
Mechatronik inzwischen einen festen Platz erobert hat. Auf der
methodischen Seite kommt dabei der Simulation als Entwicklungswerkzeug
eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dies soll
am Beispiel der Entwicklung von aktiven Fahrzeugsicherheitssystemen
wie ABS/ASR, FDR (Fahrdynamikregelung) bzw. ESP (Elektronisches
Stabilitätsprogramm) und ACC (Adaptive Cruise Control) sowie
von Rückhaltesystemen zum Fahrzeuginsassenschutz exemplarische
demonstriert werden. Die vorgestellten Ergebnisse wurden in enger
Kooperation mit der Industrie erarbeitet.
Mikrosystemtechnik Mechatronik im Kleinstformat und mehr
Prof. Dr. rer. nat. A. Schütze, FH Niederrhein
Reinarzstr. 49, 47805 Krefeld
Tel. (02151) 822 362 www.fh-niederrhein.de/fb03
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Die Mikrosystemtechnik, kurz MST, stellt ähnlich wie die
Mechatronik ein relativ junges, interdisziplinäres Arbeitsgebiet
mit einer enormen Breite an Applikationsmöglichkeiten dar.
Sie ist mit der Mechatronik eng verwandt, da auch hier elektrische
und mechanische Komponenten mit intelligenter Signalverarbeitung
verknüpft werden besonders deutlich wird dies am amerikanischen
Synonym für MST Micro Electro Mechanical Systems (MEMS).
Ihre Wurzeln liegen primär in der Mikroelektronik, zusätzlich
vereint sie weiter (Mikro-) Techniken (u.a. Mikrooptik, LIGA,
aber auch chemische und biologische Techniken) sowie Systemtechniken
(AVT, Entwurf, Simulation und Test) unter dem übergreifenden
Aspekt der Systemminiaturisierung.
Der Vortrag soll einen kurzen Einblick in die MST, ihre heute
maßgeblichen Produkte sowie aktuelle Entwicklungen und sich
abzeichnende Trends geben. Dazu sollen Aspekte der gegenseitigen
Befruchtung von Mikrosystemtechnik und Mechatronik aufgezeigt
werden, daß die extreme Miniaturisierung mit typischen Abmessungen
im m m-Bereich im Vergleich zur klassischen
Mechanik neue Konzepte für mikromechanische Lösungen
erfordert.
Produktentwicklungs- und Innovationsprozesse in der Mechatronik:
Risikominimierung oder Chancenmaximierung ?
Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek
Heinz Nixdorf Institut, Paderborn
Fürstenallee 11, 33102 Paderborn
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Fax: (02151) 60 6278 jw@hni.uni-paderborn.de
Die Entwicklung neuer Technologien und Produkte erfolgt im
Spannungsfeld von Chancenmaximierung und Risikominimierung. In
der Mechatronik stellen sich aufgrund der Vielzahl der beteiligten
Disziplinen und Technologien besondere Herausforderungen, die
ein systematisches Vorgehen bei Entwicklungs- und Innovationsprozessen
erfordern. Die zeitnahe Umsetzung der sich ständig ändernden
Forderungen des Marktes und der sich ständig verändernden
technologischen Randbedingungen in konkrete Entwicklungsziele
stellt sich als schwierige Managementaufgabe dar und ist oft genug
Auslöser von Konflikten an der Schnittstelle von technischer
und kaufmännisch-wirtschaftlicher Betrachtungsweise.
Im vorliegenden Beitrag werden zunächst die Besonderheiten
mechatronischer Produktentwicklungsprozesse und das Innovationspotential,
das durch die Verknüpfung unterschiedlicher Ingenieurdisziplinen
entsteht, dargestellt. Darauf aufbauend wird ein Modell des Entwicklungsprozesses
vorgestellt, indem neben methodischen Aspekten auch Gesichtspunkte
der technisch-wirtschaftlichen Bewertung und der kaufmännischen
Risikoabschätzung berücksichtigt werden. Übergeordnetes
Ziel ist dabei, Chancen und Risiken neuer Technologien und neuer
Produkte bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung
explizit zu erfassen und einer Quantifizierung zugänglich
zu machen, sowie die dabei gewonnenen Erkenntnisse im Management
von Innovationsprozessen zu nutzen. Die Anwendung des Modells
erfolgt an Praxisbeispielen aus der Kfz-Zulieferndustrie und der
Halbleiterfertigungstechnik.
Die Entwicklung mechatronischer Systeme mit CAMEL
Dipl.-Ing. U. Meier-Noe
Universität-Gesamthochschule Paderborn
Warburgerstr. 100, 33098 Paderborn
Tel. (05251) 60 2417 www.mlap.uni-paderborn.de
Fax: (05251) 60 3550 meier@mlap.uni-paderborn.de
Schlüsselwörter: Domänen-spezifische Modellierung, Objektorientierung, Analyse,
Optimierung
Der Vortrag erläutert die Entwicklung mechatronischer
Systeme mit der am MLaP entwickelten Entwurfsumgebung CAMeL. Diese
Entwurfsumgebung erlaubt die domänen-spezifische Modellierung
gemischt mechanischer, hydraulischer, regelungstechnischer und
diskreter Systeme mittels domänen-spezifischer Bauteile und
deren hierarchischer Verkopplung. Auf Basis der automatisch abgeleiteten
mathematischen Repräsentation können verschiedene Analyse-
und Optimierungsverfahren angewendet werden. Die Vorgehensweise
wird anhand unterschiedlicher Beispiele verdeutlicht.
Elektronische Regelung des Bewegungsverhaltens von Aktuatoren
für elektromechanische Ventilantriebe
Dr.-Ing F. v.d. Stay, Dipl.-Ing. C. Boie, Dipl.-Ing. L. Kather,
Dipl.-Ing. H. Kemper, FEV Motorentechnik Aachen
Neuenhofstr. 181, 52078 Aachen
Tel. (0241) 5689 668 www.fev.com
Fax: (0241) 5689 574 staay@fev.de
Stichworte:
Darstellung der Systemstruktur des elektromechaninischen Ventiltriebs
- Analyse des Anforderungsprofils an das Bewegungsverhalten (Akustik,
Thermodynamik, Mechanik) Umsetzung eines Regelungsansatzes
auf Basis von Simulation (SABER) und Rapid Prototyping (MATLAB/dSPACE)
Prozessketten in der digitalen Produktentwicklung Gewusst wie ?
Dr.-Ing. P. Ebbesmeyer, Dr. Wirt.-Ing. F. Thielemann,
UNITY AG Padeborn
Riemekestr. 160, 33106 Paderborn
Tel. (05251) 69090 157 www.unity.de
Fax: (05251) 69090 199 ebbesmeyer@unity.de
Unter dem Begriff Digital Mock-Up (DMU) werden Technologien
und Prozesse zur Erstellung digitaler Prototypen zusammengefaßt.
Der Zweck eines digitalen Prototypen ist es, ein neues Produkt
zunächst im Rechner zu simulieren bevor es hergestellt und
erprobt wird. Auf diese Weise können Produkteigenschaften
bereits in den frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses
ermittelt werden. Das Produkt kann bereits am Rechner optimiert
werden, wodurch sich die Zahl physikalischer Prototypen verringert.
Letzlich dient das Digital Mock-Up somit der Verkürzung der
Entwicklungszeit und der Senkung der Entwicklungskosten.
Für die effiziente Nutzung des Digital Mock-Up ist neben
dem gezielten Einsatz der entsprechenden Softwarewerkzeuge die
richtige Gestaltung der Produktentwicklungsprozesse von besonderer
Bedeutung. Digital Mock-Up bildet die Grundlage für die Produktentwicklung,
da es von der Gestaltung des Produktes bis zur Kommunikation und
Entscheidungsfindung alle Prozesse der Produktentwicklung unterstützt.
Somit wird die Qualität des Produktentwicklunsprozesses maßgeblich
durch Digital Mock-Up beeinflußt.
Der vorliegende Beitrag erläutert wie Digital Mock-Up
das Management der an der Produktenttwicklung beiteiligten Prozesse
beeinflußt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Darstellung
von Strategien zur methodischen Einführung von Digital Mock-Up.
Automatisierung von Entwicklungsprozessen bei der Realisierung
komplexer ECU-Anwendungen: Innovationshindernis oder Kostenvorteil
Dipl.-Ing. R. Hupfer, Dipl.-Ing.U. Finis, AFT Werdohl
Postfach 1107, 58771 Werdohl
Tel. (02392) 809 201 www.aft-wehrdohl.de
Fax: (02392) 809 100 r.hupfer@aft-werdohl.de
Die Elektronik ist heute eine der Schlüsseltechnologien
für das moderne Auto und wird die Zukunft der Automobilentwicklung
prägen wie kaum eine andere Technologie. Der Anteil der Kosten
Elektrik/Elektronik liegt inzwischen bei 15 bis 30 Prozent der
Gesamtkosten eines Fahrzeuges mit stark zunehmender Tendenz. Die
Expansion der Elektrik/Elektronik-Systeme und damit die Steigerung
des Wertschöpfungsanteils in allen Anwendungsgebieten des
Fahrzeuges sowie die rapide Zunahme der Funktionalität und
Systemvernetzung wird damit zu einem wettbewerbsentscheidenden
Faktor. Mit den steigenden Anforderungen an Qualität, Time-To-Market
und Kosten stellt die Beherrschung der Systemkomplexität
eine entscheidende Herausforderung dar. Diese Systemkomplexität
stellt einen leistungsfähigen Entwicklungsprozeß in
den Focus für zukünftige Elektronik-Systementwicklungen.
Die Entwicklungsmethodik dient dabei der systematischen Beschreibung
aller Entwicklungsschritte von der Idee bis zur Umsetzung
im Fahrzeug _ und bildet damit die Grundlage zur Definition der
Sollprozesse. Aufgrund der stringenten Entwicklungszeiten müssen
Entwicklungsaktivitäten hochgradig parallelisiert und automatisiert
werden. Dies erfordert die Integration der Entwicklungsschritte
im Sinne eines Concurrent Engineering und einer Verbesserung der
Prozeßsicherheit. Entwicklungsschritte müssen aufeinander
abgestimmt bzw. miteinander integriert werden. Werkzeuge, Schnittstellen
und Standards müssen diese integrierten Entwicklungsprozesse
massiv unterstützen. Die Prozeßoptimierung fokussiert
die Einführung automatisierter, rechnergestützer Entwicklungsmethoden.
Die exemplarische Darstellung eines Entwicklungsprozesses unter
Einbeziehung der Simulation, automatischer Codegenerierung und
entsprechender Einbindung entwicklungsbegleitender Case- sowie
Meß- und Applikationstools erläutert den Nutzen dieser
Methodik für innovative, zukunftweisende Systementwicklungen
in der Kraftfahrzeugelektronik.
Simulation und Realität: Systemanalyse und
Realisierung zur Montage einer Kfz-Armaturentafel
Dipl.-Ing. B. Bruckert IGB Automation
Osemundstr. 20-22, 58809 Neuenrade
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Prof. Dr.-Ing. P. Renvert, FH Iserlohn
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Das realisierte Projekt umfaßt die Analyse, Simulation
und Realisierung einer flexiblen Roboteranlage zur Montage von
Stabilisierungsträgern für Kraftfahrzeug-Armaturentafeln.
Aufgrund der hohen Anforderungen entstand nach konstruktiver und
steuerungstechnischer Vorarbeit eine Echtzeit-Simulation in der
neben der angestrebten Taktzeit und Kollisionsbetrachtungen vor
allem die Bereitstellung und Fixierung des zu erstellenden Stabilisierungsträgers
im Vordergrund standen. Ergebnis war eine flexible und technologisch
neuartige Fertigungsstrategie die in ihrer Ausführung höchste
Ansprüche an das mechatronische System stellen. Bei der Ausführung
des Automatisierungssystems liegt der Schwerpunkt in der Berücksichtigung
von Maß- und Toleranzvorgaben der Automobilindustrie. Diese
sind daher so bedeutend, weil man sich entschied die Verbindungstechnik
der Stabilisierungsträger-Komponenten durch den neuen Produktionsablauf
noch stärker zu automatisieren als ursprünglich geplant
und das, obwohl das Fahrzeug zu diesem Zeitpunkt kurz vor der
Vorserien-Produktion stand.
Automatische Lenksysteme in Landmaschinen
mittels Laser-Sensoren
Dipl.-Ing. H. Thiemann, CLAAS Harsewinkel
Tel. (05247) 12 2318 www.claas.com
Fax: (05247) 12 1714 thieman@claas.com
Die Lösung landwirtschaftlicher Problemstellungen beeinhaltet naturgemäß ein hohes Maß an mechanischen Systemen. Ein Blick auf moderne, selbstfahrende Erntemaschinen wie Mähdrescher, Feldhäcksler oder auch multifunktionale Traktoren zeigt die immense Komplexität dieser Maschinen.
Die wohl komplexeste Erntemaschine, der Mähdrescher, verdeutlicht die Vielzahl an zu automatisierenden Funktionen: Regelung der Schnitthöhe, automatische Lenkung, Hangausgleich, Fahrgeschwindigkeit, Haspeldrehzahl, Dreschtrommeldrehzahl .... Wo anfänglich in erster Linie mechanische und elektrohydraulische Lösungen zur Verfügung standen, gewinnt auch hier seit mehr als 10 Jahren die Mikroelektronik mehr und mehr an Gewicht. Je näher die Automatisierung der Maschinenfunktionen durch rein elektrohydraulische Regelkreise an ihre Grenzen kommt, desto mehr muß die Optimierung der Ernteprozesse durch Einsatz "intelligenter Sensor- und Aktorsysteme" erreicht werden.
Der Begriff der "Intelligenz" in Bezug auf den Sensor bzw. die Elektronik steht für den Einzug der softwaremäßigen Datenverarbeitung in die Automatisierung der Landmaschinen. Diese Sensoren zeichnen sich durch eigenintelligente Funktionen aus. Die Lösung erntespezifischer Problemstellungen stellt demnach ein klassisch mechatronisches Anwendungsfeld dar. Eine Aufgabe wird durch das Zusammenspiel mechanischer Elemente (Erntemaschine, Hydraulik ...), [mikro]elektronischer Steuerungen und Prozessoren (Regelkreise, Ansteuerung von Hydraulikkomponenten, AD/DA-Wandler ...) und Informatik (Software, Softwareregler, Logik...) gelöst.
Eine typische Aufgabenstellung ist die automatische Lenkung von Erntemaschinen. Die Vielzahl von Steuer- und Kontrollaufgaben mit dem der Fahrer einer modernen Erntemaschine konfrontiert ist, zwingt ihn zu höchster Aufmerksamkeit. In Verbindung mit den langen Arbeitszeiten werden die Anforderungen an den Fahrer stetig erhöht. Automatische Lenksysteme könnten den Fahrer entlasten und somit auch die Produktivität der Maschinen steigern.
Neben einer allgemeinen Darstellung der Mechatronik im landwirtschaftlichen
Kontext, am Beispiel eines CLAAS Mähdreschers, stellt mein
Vortrag einen Lösungsansatz zur automatischen Lenkung bzw.
Spurführung von Erntemaschinen mittels 2d-Lasertelemetrie
vor. Ein mechanisches Autopilotsystem für z.B. Maisernte
ist optional für CLAAS Maschinen schon lange im Praxiseinsatz.
Dies stellt an weitere berührungslose Abtastsysteme (Lasertelemetrie)
die Anforderung alle Schritte der Sensorstrecke (integrierter
Sensor + Verarbeitungseinheit) im Sensor abzuarbeiten und nur
ein Steuersignal für das Autopilotsystem zur Verfügung
zu stellen. Eine zukünftige Lösung kann also nur ein
intelligenter Sensor im Sinne mechatronischer Systeme sein.
Entwicklung einer Funktion zur Steigungs- und Beladungserkennung
für das Antriebsmanagement im Kfz mit Hilfe modernster Entwicklungsmethodik
Dipl.-Ing. C. Howold, AFT Werdohl
Postfach 1107, 58771 Werdohl
Tel. (02392) 809 201 www.aft-wehrdohl.de
Fax: (02392) 809 100 c.howold@aft-wehrdohl.de
Im Zuge der stetig wachsenden Möglichkeiten elektronischer
Systeme im Fahrzeug wird es mehr und mehr möglich, Teilaufgaben
des Fahrers durch intelligente Automatisierungen abzudecken. Der
Fahrer kann damit von den Aufgaben entlastet werden, die ihn seinem
eigentlichen Ziel, von A nach B zu kommen, nicht näherbringen.
Das Automatgetriebe ist ein typisches Beispiel hierfür;es
nimmt dem Fahrer die Aufgabe des Gangwechsels ab. Warum aber empfinden
viele Fahrer die Funktion eines Automatgetriebes als nicht vollständig
befriedigend, wenn sie durch die Übernahme des Gangwechsels
doch eigentlich entlastet werden ? Eine der Antworten ist recht
einfach: Der Fahrer würde andere Entscheidungen treffen,
als die Steuerung des Automatgetriebes. Dies begründet sich
unter anderem darin, daß das Gesamtsystem Antriebsstrang
über wesentlich weniger sensorische Informationen als der
Fahrer verfügt: Es "sieht" nur begrenzt die aktuelle
Verkehrssituation, "fühlt" nur einige Aspekte der
Fahrzeugbewegung, kann nicht "vorausschauen" oder gar
erkennen, welche Stimmung der Fahrer im Moment hat. Im Idealfall
aber verhält sich eine Automatisierung so, daß ihre
Entscheidungen denen des manuell eingreifenden Fahrers soweit
entsprechen, wie es weitere Kriterien (Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission,
Verschleiß etc.) zulassen. Es gilt also, die sensorischen
Fähigkeiten des Fahrzeuges weiter zu verbessern; möglichst
ohne Kostensteigerung durch zusätzliche Sensorik. Wichtige
Informationen für die Steuerung des Antriebsstranges sind
z.B. die Fahrzeugmasse und die Steigung der Fahrstrecke, deren
Erkennung dem Fahrer gefühlsmäßig recht leicht
fällt. Ein Großteil der Basis-Informationen, aus denen
der Fahrer sein Urteil ableitet, steht aber auch dem Antriebsstrangmanagement
zur Verfügung: Z.B. Fahrpedalstellung, Geschwindigkeit und
Beschleunigung sind Größen, die im Antriebsstrangmanagement
üblicherweise vorliegen. Darüberhinaus sind einige Informationen
der Steuerung wesentlich genauer als dem Fahrer bereits bekannt
oder leicht "erlernbar", wie z.B. die Abhängigkeit
der Antriebsleistung von Fahrpedalstellung, Motordrehzahl, Getriebeübersetzung
etc. Der Prozeß wird dargestellt, mit dem eine Funktion
für die Erkennung der Fahrzeugmasse und Fahrbahnsteigung
entwickelt wird, ausgehend von einer Kombination aus Modellrechnungen
und gemessenen Vorgängen, gefolgt von der modellhaften Beschreibung
einer Funktion bis hin zur Umsetzung dieser Funktion in das Antriebsstrangmanagement.
Es wird aufgezeigt, wie mit modernen Entwicklungsmethoden "intelligente"
Software entwickelt werden kann, die ohne zusätzliche Hardware-Kosten
hilft, Fahrzeuge noch "anwenderfreundlicher" zu gestalten.
Mechatronische Komponenten als intelligentes Subsystem
Dipl.-Ing. R. Wecke, Dipl.-Ing. H. Scharlibbe
Berstein AG Porta Westfalica
Tieloser Weg 6, 32457 Porta Westfalica
Tel. (0571) 793 0 www.bernstein-gmbh.de
Fax: (0571) 793 555 h.scharlibbe@bernstein-gmbh.de
In der Vergangenheit bestimmen einzelne Komponenten wie mechanische
Schalter, Sensoren, Taster, Schütze und viele andere die
Ausrüstung in der Automatisierungstechnik. Zur Zeit übernehmen
in wachsendem Umfang Subsysteme vernetzte Aufgaben. Beispielhaft
sind hier Aktor-Sensor-Kombinationen, die am Beispiel von aktuellen
Sicherheitsschaltgeräten beschrieben werden. Sensorisch werden
hier Maschinenzustände erfasst und aktorisch z.B. erlektromagnetische
Verriegelungen gesteuert und auf ihren Zustand überwacht.
Zukünftig dringen Informationstechnologien in diese Produkte.
Das bedeutet, daß zunehmend intelligente Subsysteme Signale
vorort am Prozeß verarbeiten, daß zukünftig eine
Fernparametrierung der Sensorik Realität wird und daß
auch sicherheitsgerechte Informationen auf Feldbussen übertragen
werden. Maßgeblicher Wegbereiter für solche Sensor-Aktor-Subsysteme
ist oft eine mechatronische Lösung.
Ist die Ausbildung zum Mechatronik-Ingenieur
in Deutschland Weltspitze ?
Prof. Dr.-Ing. R. Dudziak, FH Bochum
Lennershofstr. 140, 44801 Bochum
Tel. (0234) 700 7159 www.fh-bochum.de
Fax. (0234) 7094 276 reiner.dudziak@fh-bochum.de
TransMechatronik Ein innovatives Kooperationsmodell
zwischen Hochschulen und KMU
Prof. Dr.-Ing. J.Benner, FH-Aachen
Goethestr. 1, 52064 Aachen
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Fax: (0241) 6009 2681 benner@fh-aachen.de