Der Elektronikkonstrukteur (eBook)

Leitfaden für den innovativen Elektronikkonstrukteur, Wissen für den Konstrukteur von Elektromechanik aller Art, verständlich geschrieben - auch die elektrischen und elektronischen Grundlagen

Steffen Braun (Autor)

eBook Download: EPUB

2023 | 1. Auflage
392 Seiten
tredition (Verlag)
978-3-347-72221-7 (ISBN)

Infos

Wissen für den Konstrukteur in der Elektromechanik und Mechatronik. Man nennt ihn auch Elektronikkonstrukteur oder MCAD-Designer. In diesem Buch findest Du Spezialwissen für die Konstruktion von elektrischen oder elektronischen Geräten. Die Beschreibungen des elektrotechnischen Wissens wurden nur dort vertieft, wo es für die tägliche Arbeit notwendig ist. Ziel dieser Buchreihe sowie weiterer Wissensmedien soll sein, für den Elektronikkonstrukteur vollständiges, verständliches und anwendbares Wissen zur Verfügung zu stellen. Er kann es zur Weiterbildung, zur Vertiefung oder auch zur Unterstützung einer Fachlaufbahn als Fachexperte nutzen.

Das Studium im Maschinenbau und der Job in der Elektronik bringt ihm die Idee in den Sinn, für diese Nische das Wissen zusammenzustellen - für viele wichtige Innovationen in der Mechatronik, im Internet of things, Industrie 4.0, smart home und wichtiger medizinischer Produkte.

Textauszug

KAPITEL 4

Mechatronik

4.1
Die Entstehung der Mechatronik

Aus der Elektromechanik, die im vorigen Kapitel beschrieben wurde, entwickelte sich die Mechatronik.

Zur Beschreibung der Mechatronik gibt es sowohl in der Literatur als auch unter Fachleuten keine eindeutige begriffliche Herleitung. Nach dem Studium einiger Bücher habe ich den Weg gewählt, der für den Leser die am Besten nachvollziehbare Herleitung zeigt.

Der Begriff Mechatronik entstand zu Beginn der 1970er-Jahre in Japan und war anfangs wegen weltweitem Markenschutz nicht sehr gebräuchlich [59]. Erst Anfang der 1990er verbreitete sich der Begriff in Deutschland, und die ersten Studiengänge wurden angeboten. Die Berufsakademie5 in Karlsruhe begann z. B. im Jahr 1999 mit dem ersten dualen Studiengang Mechatronik.

Im Bild 4.1 auf Seite 22 wird der Entstehungsprozess der Studienfächer Maschinenbau, Elektrotechnik, Elektromechanik, Informationstechnik und Mechatronik sowie die Abhängigkeiten übersichtlich dargestellt.

Die Elektromechanik wird gebildet aus dem Maschinenbau und der Elektrotechnik. Ergänzt man zum elektromechanischen System die Informationstechnik, dann wird daraus die sogenannte Mechatronik.

Ähnlich beschreibt es auch die englische Definition von mechatronics aus [41], der IEEE und der ASME :

Mechatronics

Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering with electronic and intelligent computer control in the design and manufacturing of industrial products and processes.

Der Wechsel zur Mechatronik auf Bauteil-Ebene erklärt sich so: Bisher enthielt ein elektromechanisches System passive Bauteile wie Widerstände, Spulen oder Anschlussklemmen. Mit „electronic and intelligent computer control“ kommen neben passiven Bauteilen auch Halbleiter (Dioden, Transistoren) und ICs (Integrated Circuits) zum Einsatz. Elektronische Bauteile mit programmierbarem Software-Code half nun, die Produkte intelligenter zu entwickeln: Der nächste Durchbruch für die mechatronischen Gerätegenerationen begann mit dem Einsatz von intelligenten und selbst programmierbaren Bauteilen.

Die Konstruktion dieser mechatronischen Geräte ist noch anspruchsvoller als die der Elektromechanik. Kleinere Strukturen und kleinere Bauteile mit höherer Leistungsdichte stellen höhere Herausforderungen an die Gehäusetechnik: Entwärmungskonzepte, höhere Integrationsdichte mehrerer Funktionen, EMV-gerechte Konstruktion, kundenfreundliche Anschlusstechnik, Anzeige- und Bedienelemente werden optimal integriert ist ein Gehäuse mit ansprechendem Design und vieles mehr.

Sie benötigen eine professionellere Gehäusekonstruktion. Elektrotechnische Probleme wie EMV, ESD sowie Hotspots auf der Leiterplatte treten nun in den Vordergrund und müssen für hochwertige mechatronische Geräte gelöst werden.

4.2
Das mechatronische Entwicklungsteam

Die Beschreibung oben in der Box „Mechatronics“ bringt mit „synergetic integration..in the design..of industrial products“ meiner Meinung nach eine wichtige Eigenschaft der Mechatronik auf den Punkt: eine synergetische6 Integration meint eine kooperative Zusammenarbeit unter den Einzeldisziplinen Mechanik, Elektronik und Software. Von diesem 3er-Team hängt die Qualität und Professionalität des Mechatronik-Produktes ab. Das Unternehmen resp. der Teamleiter müssen für dieses Team zuerst die Rahmenbedingungen festlegen und folgende Fragen beantworten:

• Welche Aufgaben hat jedes Team-Mitglied?

• Wo beginnt das Aufgabengebiet? Wo endet es?

• Kennt das Team-Mitglied auch das Aufgabengebiet der anderen zwei Disziplinen? Eine grobe Kenntnis reicht in den meisten Fällen aus.

• Hat jeder Beteiligte das richtige Know-How für seine Tätigkeit? Bei der mechanischen Seite der Mechatronik stellt Teil II auf Seite 73 dieses Buches die wichtigste Grundlage für eine Fachexpertise.

Mit diesem Team hat man die Chance, aus der jeweiligen Einzeldisziplin das Beste, Preiswerteste und Funktionalste herauszuholen und zu einem neuen ganzen Gesamtprodukt zusammenzusetzen. Das mechatronische System kann damit viel besser bekanntes Wissen mit neuen Technologien verbinden.

Der „Mechatronische Kreis“ in Kapitel 4.4 auf Seite 29 verdeutlicht bildlich die Situation des 3er-Teams sowie des restlichen Projektteams in einem Schaubild ↝ 4.5 auf Seite 29: Das 3er-Team gestaltet aktiv das Mechatronik-Produkt. Der Rest ist verantwortlich für andere wichtigte Projekt-Bereiche wie Termine, Qualität, Kosten und Fertigung, Montage und Logistik.

Genauso wie bei der Elektromechanik stellt laut Roddeck [59] die Modellbildung, Analytik und Simulation von mechatronischen Systemen einen wichtigen Aspekt dar, um die heterogenen Teilgebiete zu integrieren und auszulegen. Die vorherrschenden komplexen Zusammenhänge sind im Entwicklungsprozess zu eruieren und zu lösen, was zu enormer Produktverbesserung beitragen kann. Die dabei zum Einsatz kommende gleichzeitige Optimierung und gegenseitige Abstimmung der drei Teilgebiete bedeutet ein besseres Gesamtprodukt im Vergleich zum reinen mechanischen Ergebnis [54].

Das Bild 4.2 auf Seite 23 zeigt die Verbindung der genannten Arbeitsumfelder und deren gegenseitigen Überschneidungen.

In einer beispielhaften Anwendung wurde ein bisher mechanisches Gerät mit Elektronik und Software ergänzt: die klassische Fahrwerks-Dämpfung beim Auto wird verändert zur aktiven Fahrwerks-Federung mit Hydraulikzylinder und Servoventil.

Die mechanische Stabilität belasteter Strukturen wird reduziert zugunsten der Gewichtsoptimierung. Die dadurch entstehende Elastizität des Systems wird von Sensoren erfasst. Die Messdaten werden von Elektronik und Software berechnet. Durch die Steuerung der Zylinder (Aktoren) mit es mit variabler Steifigkeit ausgestattet. Das Gerät wird auf eine höhere technologische Stufe gehoben.

Es wird gleichzeitig gewichtsoptimiert, effizienter, kleiner und intelligenter im Vergleich zum ursprünglichen Produkt [54, Bild 9-29]

Abbildung 4.1.: Zeitliche Entstehung der Studienberufe rund um die Mechatronik sowie die 4 Industriellen Revolutionen

Abbildung 4.2.: Mechatronik-Synergie verschiedener Disziplinen [59, Abb.1-1]

4.2.1. Das Team in Abhängigkeit vom Produkt, dem Markt, dem Kunden

Die Darstellung des mechatronischen Entwicklungsteams im vorigen Kapitel wird dann notwendig, wenn das Zielprodukt in jedem Fachgebiet die höchste Expertise benötigt. Das neu entwickelte Produkt ist auf dem neuesten Entwicklungsstand sowohl in der Mechanik, der Elektronik und der Software.

Nicht jedes Produkt hat genau diesen Anspruch, da der Markt und der Kunde das auch fordern. Es kann mechatronische Produkte geben, die zwar die innovative Elektronik-Schaltung mit aktuellsten Bauelementen enthält. Die Software wurde jedoch von vorigen Produkten übernommen. Bei der Mechanik stellt der Kunde keine hohen Ansprüche auf Design, Bedienerfreundlichkeit oder guten Anzeigen. Er ist einen gewissen Standard gewöhnt und würde keinen höheren Preis für eine bessere Ausstattung ausgeben. Als Beispiel kann in der Hausinstallationstechnik die Verteilerboxen genannt werden. Da diese entweder Unterputz oder im Kellerraum befestigt werden, gelten hier andere Anforderungen als Geräte, die bei Kunden täglich genutzt werden.

Ähnlich beschreibt es Bauer [6], indem die Mechanik in der Regel zum Großteil verfügbare und vorverarbeitete Funktionsblöcke und standardisierte Normteile verwende. Diese seien für den Konstrukteur komplett im CAD verfügbar und direkt einsetzbar. Für mich klingt diese Beschreibung sehr vereinfachend. Sie ist nicht präzise genug, wenn es um die allgemeine Beschreibung der Entwicklung eines mechatronischen Geräte geht. Aber sie zeigt, dass es durchaus Produkte gibt, die im mechanischen Teilaspekt „nur“ aus Katalog- und Normteilen bestehen.

tbd: die Synergie notwendig, aber nicht immer die hohe Innovation überall tbd

4.3
Das mechatronische Produkt

Ein mechatronisches Gerät kann aus folgenden Systemteilen bestehen, die im Bild 4.3 auf der nächsten Seite vereinfacht dargestellt werden.

• Mechanisches Gehäuse: beinhaltet den Digitalrechner, die Messwerterfassung, das Leistungsteil;

• Energiequelle: speist die gesamte Elektronik und die Aktoren; Energie wird im mechanischen Gehäuse auf die verschiedenen Elektronik-Baugruppen verteilt;

• Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS): mithilfe von Eingabemitteln, z. B. Taster gibt der Mensch ein Steuersignal an das Gerät;

• Sensoren: verarbeiten die physikalischen Größen, damit die Elektronik sie interpretieren...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 1.8.2023
• Verlagsort: Ahrensburg
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Schulbuch / Wörterbuch ► Lexikon / Chroniken
• Themenwelt: Technik
• Themenwelt: Wirtschaft ► Betriebswirtschaft / Management ► Planung / Organisation
• Schlagworte: Anforderungen • Design • Energie • Entwicklung • Funktionen • Gefahr • Gefahren • Konstruktion • Luft • Luft- und Kriechstrecken • Maschinenbau • Mechanik • Spannung • Technik • THR • Verbindung • Wissen
• ISBN-10: 3-347-72221-3 / 3347722213
• ISBN-13: 978-3-347-72221-7 / 9783347722217