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Saarbrücken
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Hannover
Hamburg
Dresden
Magdeburg
Schwerin
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Weimar
Baden-Württemburg
Bayern
Thüringen
Sachsen-Anhalt
Brandenburg
Mecklenburg-Vorpommern
Niedersachsen
Schleswig-Holstein
Saarland
Rheinland-Pfalz
Hessen
Bremen
Hamburg
Berlin
Nordrhein-Westfalen
Nordsee Ostsee
Kiel
Schwedt
Wittenberge
Hof
Frankfurt
Erfurt
Ilmenau
Berlin
Frankreich
Schweiz Italien
Österreich
Tschechien
Polen
Niederlande
Belgien
Luxemburg
Dänemark 14° 6°
48°
52°
TechnischeUniversität
Ilmenau
Mainz
Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau
Palestra IST
Configurarção de Produtos Modulares
na Mecatrõnica
Jun-02- 3 -
TECHNISCHE UNIVERSITÄT ILMENAU
Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
Configuration of Modular Products in MechatronicsConfigurarção de Produtos Modulares na Mecatrõnica
Prof. Dr.-Ing. habil. G. Höhne, TU Ilmenau
1 Introdução
2 Conceito para a estrutura construtiva
3 Projeto de uma unidade linear
4 Fases do projeto de elementos mecânicos em sistemas mecatrônicos
5 Sistemática dos elementos funcionais mecânicos
6 Conclusões
Palestra IST
Jun-02- 4 -
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Nanomâquina
Jun-02- 5 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
Nanomâquina
Jun-02- 6 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
processo
informaçãocontrole
informação
energia
energia mecânica
sensores atuadores
usuário
mostrarmanipular
Sistema mecatrônico
Jun-02- 7 -
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construção compacta construção modular ca
ract
erís
ticas
- integração de funções e estrutura também em diferentes áreas físicas
- redução do número de peças - geometria complicada - materiais especiais - miniaturização - construção de variantes como série - poucas interfaces internas - manutenção e reparação difíceis (produ-
tos descartáveis)
- estruturação do produto para a função e/ou produção
- possível maior participação de componentes comprados
- flexibilidade pela troca de módulos - maior esforço· para montagem e ajustagem - construção de sistemas modulares - maior necessidade de massa, material e
espaço - interfaces internas (fontes de interferências) - facilidade de reparação
exem
plos
- peças integrais fundidas e de plástico injetado
- sensores - acionamentos integrados - estruturas micromecânicas
- instalações, máquinas - sistemas metrológicos - equipamentos de produção - robôs - veículos
Formas construtivas de produtos técnicos
Jun-02- 8 -
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5
6
4
32
1
7
Cabeçotede leitura
1 diodo a laser2 placa de grelha3 lente colimadora
4 difusor de polarização5 placa de polarização
6 lente de focagem7 fotodiodo
Trilha Trilhan+1 n
Motor do CD
4λ Profundidade do sulco
CD
=Eletrônica de controle do cabeçote
laser
MicrocomputadorDecodi-ficação
Lógica decontrole
Correçãode erros
Memóriainterme-
diáriaTransfor-mador DA
Mostrador e campo de
manipulação
Diagrama de blocos de um toca-CDs
Jun-02- 9 -
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8
3mm
2 3 61 4 57 0,6m
m
1 2 3 4 5 6
7850mm 1 mola de flexão
2 ponte resistiva (placas fletoras desemicondutor para medição/resis-tências de Si implantadas/idem)
3 massa sísmica (metal pesado/Wo/Si)4 batente (metal leve/vidro/Si) 5 meio amortecedor (óleo siliconizado)6 carcaça (metal leve/Al/Si) 7 contatos elétricos 8 saída do cabo
7 1 4 52 3 6
8
21mm
Integração de funções em um sensor de aceleração piezorresistivo
Jun-02- 10 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
a) feinmechanische Variante c) mikromechanische Variante
2 Widerstandsbrücke (Halbleiter-Dehnmessstreifen /implantierte Si-Widerstände / dto)
b) hybride feinmechanisch-mikro-mechanische Variante
Piezoresistive Beschleunigungsaufnehmer
8 Kabelaustritt7 elektrische Kontakte 6 Gehäuse (Leichtmetall / Al / Si)5 Dämpfungsmedium (Silikonöl )4 Anschlag (Leichtmetall / Glas / Si) 3 seismische Masse (Überschwermetall / Wo / Si)
1 Biegefeder (a: Federbronze / b: Si / c: Si)
1 2 3 4 5 6
7850mm
0,6m
m
8
3mm
2 3 61 4 57
7 1 4 52 3 6
8
21mm
Jun-02- 11 -
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Lesekopf-Steuer-
elektronik
Entschlüs-selung
Fehler-korrektur
Steuer-logik
Zwischen-speicher
DA-Wandler
Bedienfeldund
Display
Mikrorechner
CD-Motor
Spurn + 1
Spurn
CD
= Pit-Tiefel4
6
5
74
32
1 Lesekopf
1 Laserdiode, 2 Gitterplatte, 3 Kollimatorlinse, 4 Polarisations-Strahlenteiler5 Polarisationsplatte, 6 Fokussierlinse, 7 Fotodiode
Blockschaltbild eines CD-Wiedergabegerätes
Jun-02- 12 -
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xy
x
Dzy Dzx
y
Präzisionskoordinatentisch
Jun-02- 13 -
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LWMS
LWMS
RM G
M
G y
x
Präzisionskoordinatentisch
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
LWMS
LWMS
RM G
M
G y
x
Präzisionskoordinatentisch
Jun-02- 15 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
LWMS
LWMS
RM G
M
G y
x
Präzisionskoordinatentisch
Jun-02- 16 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
LWMS
LWMS
RM G
M
G y
x
Präzisionskoordinatentisch
Jun-02- 17 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
LWMS
LWMS
RM G
M
G y
x
LWMS - Laserwegmesssystem, G - Getriebe, M - Motor, R - Steuerrechner
Präzisionskoordinatentisch
Jun-02- 18 -
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LWMSII
LWMSIII
LWMSI
MI
MII
MIII
xy
LWMS - LaserwegmesssystemM - Motor
Präzisionskoordinatentisch
Jun-02- 19 -
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sFunção total UelIdes
Sistema de posiciona-mento de uma coordenada
MCCMASMSMCAMPMPH
M
Motor de CCMotor assíncrono Motor síncronoMotor de CAMotor de passoMotor de passo
híbrido
Princípios de solução
Guias dedeslizamento
cilíndrica
prismática
Guias demolas
Guias comelementos
de revolução
Guiasaerostáticas
rolamentos
roletes
laminares
de membrana
Fuso roscado
Parafuso de esferasrecirculantes
Mecanismo de tração
Mecanismo excên-trico
Engrenagens
Rodas de atrito
Correias
Engren. cônicas
Parafuso sem-fimHarmonic driveEngrenagens cicloidais
Elementos construtivos
Acoplamentospermanentes
Acoplamentosengatáveis
Acopl.rígidos
Acopl.diferenciais
Engateexterno
Engateautomático
Transmissão ss1 Guias = s1
TransmissãoMotorϕ1 = f (U,I,t)
Acoplamentoϕ1= ϕ2
ϕ1 ϕ2 ϕ3U, Iredutora transfomadoraϕ 3= ϕ2½ s1 = f (ϕ3)
Estrutura funcional
Representação esquemática de um sistema a ser configurado
Jun-02- 20 -
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s. . . .
mGesamtfunktionWel
Isoll
Einkoordinaten-positioniersystem
s
Eingabegrößen
NR. PARAMETER WERT EINHEIT WICHTUNG
123456789
1011121314151617
Wirkungsgrad nUmkehrspannePositionierweg sPositionierfehler DsFührungsfehler Steifigkeit cPositioniergeschwindigkeit vBeschleunigung aMasse mNeigung der FührungsbahnDämpfungsvermögenAusregelzeitBauraumGeräuschentwicklungKonstruktiver AufwandFertigungsaufwandStick-Slip
35355423114424135
%mmmmnmmm/mNmm/radmm/smm/s2
kggrdohneohneohneohneohneohneohne
676,6
800600
3,87000
25250100
Projektdatenblatt –Beispielpositioniersystem
Jun-02- 21 -
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Figura 4: Representação esquemática de um sistema a ser configuradoTabela 2: Parâmetros dos sistemas global e parciais
Sistema global Motor Acoplamento Transmissãoredutora
Transmissãotransformadora Guia
FunçãoCurso de posiciona- mento (s)Erro de posição (∆s)Erro da guia ∆x, ∆y, ∆α, ∆β, ∆γTensão de inversãou = u1+u2+...+u5
Rendimentoη = η1*η2*...*η5
Rigidez
521 c1...
c1
c1
c1
+++=
...
ϕ1 = f(U, I, Z1)
∆ϕ1 = f(∆∅1, ∆Z2, ϕ1)
u1
η1
c1
ϕ1 = ϕ2
∆ϕ2 = f(∆ϕ1, ∆Z2, ϕ1)
u2
η2
c2
ϕ2 = i*ϕ3
∆ϕ3 = f(∆ϕ2, ∆i, ϕ2)
u3
η3
c3
s1 = k*ϕ3
∆s1 = f(∆ϕ3, ∆Z3, ϕ3)
u4
η4
c4
s1 = s
∆s1 = ∆s
∆x, ∆y∆α, ∆β, ∆γ
u5
η5
c5
EstruturaVolumeComprimento (l)Largura (b)Altura (h)...
l1
b1
h1
l2
b2
h2
l3
b3
h3
l4
b4
h4
l5
b5
h5
CustosK = K1+K2+...+K5+ Krest
...
K1 K2 K3 K4 K5
Parâmetros dos sistemasglobal e parciais
Jun-02- 22 -
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a) b)
d) e)
c)
Excêntrico
Variantes de princípios
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Bildschirmausgabe: Präferenzdiagramm Antriebselemente
DKMX 1 - ANTRIEBSELEMENTE
GMM 12 M
GMM 15M
GMM 22M
GMM 26M
GMM 32M
HSM 150
GMP 52/63
SUMME DER PARAMETERABWEICHUNGEN
HSM 60
Bildschirmausgabe: Parameterabweichungen GMM12M
DKMX 1 - ANTRIEBSELEMENT-GMM 12M
PARAMETERABWEICHUNGEN –BAUGRUPPE
WIRKUNGSGRAD
MTM
STEIFIGKEIT
NENNLEISTUNG
MAX. DREHZAHL
WINKELBESCHL.
MAX. MOMENT
Bewertung von Bauelementen
Jun-02- 24 -
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1
2
3 4
5
6
7
4 parafuso de esferas recirculantes5 guia do parafuso
1 motor2 transmissão por correia3 mancal de rolamentos
Variante gerada para um sistema de acionamento
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Module des Justierleitstandes
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
Module des Justierleitstandes
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Modulares Steuersystem
Jun-02- 28 -
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Steuerung des Positionier- undMesssystems
Aufbau für die Biegungvon Blattfedern
Aufbau für dieLinsenjustierung
Hauptcomputer
Justierleitstand
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Lösen des Justierproblems Konfigurieren der Justiereinrichtung
Justieraufgabe
FehleranalyseEntwurf eines Justierkreises
Modellbildung
Simulation
Festlegung der Justiergrößen,
Messgrößen, Stellgrößen
Erarbeiten von Justierplan und
Justieralgorithmus
Entwurf des Justier-werkzeugs
Auswahl der Sensoren
Bestimmen der Stellgrößen für Justierwerkzeug, Justierobjekt
und Sensoren
Auswahl derPositioniereinheiten
Konfigurieren desSteuermoduls
Erarbeiten desLayouts
Entwickeln derSteuersoftware
Entwurf, Beschaffungzusätzlicher Elemente
Montage, Implementation,Inbetriebnahme der Justiereinrichtung
Arbeitsschritte bei Entwurf und Aufbaueiner Justiereinrichtung
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faseroptischeSensoren
Steuer-einheit
Feder
Linear-Einheit
DC-Motor
faseroptischeSensoren
Steuer-einheit
Feder
Linear-Einheit
DC-Motor
Aufbau zum Justieren von Federkennlinien
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
Biegekraft [N]Auslenkung [mm]
Kraf
t [N
]Biegekennlinie
0,00 0,50 1,00 1,50 2,000,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
Justieren der Federkennlinie
Jun-02- 32 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
Biegekraft [N]Auslenkung [mm]
Kraf
t [N
]Biegekennlinie
0,00 0,50 1,00 1,50 2,000,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
Justieren der Federkennlinie
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Simulation des Justierprozesses
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Halterung
KugelzentrierfutterLuftlagerVakuum
Linearmeßtisch
Träger
Ringschneide
Steuerrechner mitFramegrabber und GONIO
x
y
Linse Druckluft
rϕ
Druckluft
Dsx
Dsy
x
z
ϕy
ϕX
y
xy
xy
xy
z
ϕy
ϕx
x
y
CCD -Kamera
AKF
Piezo-Positioniermodul
Linse 2Linse 1
V-Schneiden-Manipulator
Einrichtung zum Linsenzentrieren
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M2
M1
z
x
y
optische Achsemechanische Achse
DM1x
LinsenzentrierungAnfangslage
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x
yz
Linse auf Linse auf RingschneideRingschneide
ManipulatorManipulator
Ds1 ≠ 0
Ringschneide
CCDCCD--KameraKamera
DM ≠ 0
DMSoll = 0
CCD-Kamera
AKF
VerVer--gleichgleich
M1
M2
Ds1
Linsenzentrierung
Jun-02- 37 -
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yz
Ringschneide
AKF
M1
M2
CCD-Kamera
Linse auf Linse auf RingschneideRingschneide
CCDCCD--KameraKamera
ManipulatorManipulator
VerVer--gleichgleich
DM ≠ 0
Ds1 ≠ 0DMSoll = 0
x
Linsenzentrierung
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yz
Ringschneide
AKF
M1
M2
CCD-Kamera
Linse auf Linse auf RingschneideRingschneide
CCDCCD--KameraKamera
ManipulatorManipulator
VerVer--gleichgleich
DM ≠ 0
Ds1 ≠ 0DMSoll = 0
x
Linsenzentrierung
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yz
Ringschneide
AKF
M1
M2
CCD-Kamera
Linse auf Linse auf RingschneideRingschneide
CCDCCD--KameraKamera
ManipulatorManipulator
VerVer--gleichgleich
DM ≠ 0
Ds1 ≠ 0DMSoll = 0
x
Linsenzentrierung
Jun-02- 40 -
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z
Ringschneide M1
M2
CCD-Kamera
AKFJustierkreis
Linse auf Linse auf RingschneideRingschneide
CCDCCD--KameraKamera
ManipulatorManipulator
VerVer--gleichgleich
DM = 0
Ds1 = 0DMSoll = 0y
x
Linsenzentrierung
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
ManipulatorManipulator
JustierJustier--objektobjekt
CCDCCD--KameraKamera
VerVer--gleichgleich
Justierkreis
DMSoll = 0Ds1 = 0
CCD-Kamera
x
yz
Ringschneide
AKF
M1
M2
DM = 0
Justierkreis
Jun-02- 42 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
JustierJustier--objektobjekt
MessMess--elementelement
VerVer--gleichgleich
Justierkreis
DMSoll = 0Ds1 = 0
CCD-Kamera
x
yz
Ringschneide
AKF
M1
M2
StellStell--einrichtungeinrichtung
DM = 0
Justierkreis
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ManipulatorManipulator
JustierJustier--objektobjekt
CCDCCD--KameraKamera
VerVer--gleichgleich
Justierkreis
DMSoll = 0Ds1 = 0
CCD-Kamera
x
yz
Ringschneide
AKF
M1
M2
DM = 0
Justierkreis
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Unidade de controle
Hardware Software
Ides
Guia
Transmissão tradutora
Transmissão redutora
AcoplamentoSensor de
posição
Objeto
Transformador eletromecânico
(U,I,t)ϕ1
s1
ϕ3
ϕ2
Uel
ϕ1
Estrutura funcional com elementos mecatrônicos
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
Função Esboço
suportar
elementos de suporte
Elemento mecatrônicoElemento construtivoElemento funcional
por material
articulação f>2
guia
juntas
móveis
fixas por forma
por força
1. A
rranj
o do
s el
emen
tos
isolar
haste, viga, quadro, chassis, tripé,
mancal magnético,elementos com guiagem por campo
ligas com memória,parafusos sensores
caixa, vaso de contenção,tampa, vedação
mancal
elementos de proteção
motor, eletroímã, bimetal, piezoelemento
armazenadores
disparadores
transformadorestransfor-mar
arma-zenar
2. F
orne
cim
ento
de
en. m
ecân
ica
motor de passo de quartzo
atuadores eletroquímicos,piezo-resistivos, com me-mória; motor ultrassônico; piezotradutor
vibrador de quartzopeça de massa, volante, pêndulo, mola, mola pneumática
acionador
acionador intermitente
disparador
Sistemática dos elementos funcionais mecânicos (I)
Jun-02- 46 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
mecanismos
limitadores
travamentos
rodas dentadas, rodas de atrito, correias, correntes, barras articuladas, cones, mecanismos de molas
bloqueadores, impedido-res com limitações
amortecedor, freio, fim-de-curso
Elemento construtivoElemento funcionalFunção
3. A
dapt
ação
de
ener
gia
mec
ânic
aElemento mecatrônicoEsboço
transmitir
ampliar
reduzir
bloquear
comutar
freio por correntes para-sitas, freios e amortece-dores eletricamente re-guláveis, detecção de desgaste em freioseletroímã, piezo-retentor, travamento eletrostático, retentor c/ memória, retí-culas magnéticas
acoplamentos
condutores
distribuidores diferenciais e adiciona-dores
embreagens, acoplamen-tos flexíveis e rígidos
eixos, tubos, mecanis-mos (i=1)
4. T
rans
mis
são
de e
n. m
ecân
ica
conduzir
acoplar
dividir
unir
acopl. eletromag. e ele-trostático, acopl. c/ pó magnético, acopl. c/ pie-zoposicionadores, detec-ção de desgaste em aco-plamentos
atuadores acoplados, acionamento em cascata
eixo "elétrico", eixo “magnético"
Sistemática dos elementos funcionais mecânicos (II)
Jun-02- 47 -
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mecanismos
limitadores
travamentos
rodas dentadas, rodas de atrito, correias, correntes, barras articuladas, cones, mecanismos de molas
bloqueadores, impedido-res com limitações
amortecedor, freio, fim-de-curso
Elemento construtivoElemento funcionalFunção
3. A
dapt
ação
de
ener
gia
mec
ânic
aElemento mecatrônicoEsboço
transmitir
ampliar
reduzir
bloquear
comutar
freio por correntes para-sitas, freios e amortece-dores eletricamente re-guláveis, detecção de desgaste em freioseletroímã, piezo-retentor, travamento eletrostático, retentor c/ memória, retí-culas magnéticas
acoplamentos
condutores
distribuidores diferenciais e adiciona-dores
embreagens, acoplamen-tos flexíveis e rígidos
eixos, tubos, mecanis-mos (i=1)
4. T
rans
mis
são
de e
n. m
ecân
ica
conduzir
acoplar
dividir
unir
acopl. eletromag. e ele-trostático, acopl. c/ pó magnético, acopl. c/ pie-zoposicionadores, detec-ção de desgaste em aco-plamentos
atuadores acoplados, acionamento em cascata
eixo "elétrico", eixo “magnético"
Sistemática dos elementos funcionais mecânicos (II)
Jun-02- 48 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
1 23 45
67 8
9
101112 13
6 eixo oco 7, 8 mancais
9 acoplamento10 motor II
11 anel de fricção12 embreagem13 corpo do cabeçote fixo
1 fuso 2 rotor do motor I
3, 4 mancais5 estator do motor I
Unidade de fuso de alta velocidade
Jun-02- 49 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
1 - Spindel2 - Rotor von Motor I3,4 - Lager5 - Stator von Motor I6 - Hohlwelle7,8 - Lager
9 - Kupplung10 - Motor II11 - Schleifringe12 - Schaltkupplung13 - Spindelstockkörper
Geschwindigkeits-Spindeleinheit
Jun-02- 50 -
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1 - Spindel2 - Rotor von Motor I3,4 - Lager5 - Stator von Motor I6 - Hohlwelle7,8 - Lager
9 - Kupplung10 - Motor II11 - Schleifringe12 - Schaltkupplung13 - Spindelstockkörper
Geschwindigkeits-Spindeleinheit
Jun-02- 51 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
1 - Spindel2 - Rotor von Motor I3,4 - Lager5 - Stator von Motor I6 - Hohlwelle7,8 - Lager
9 - Kupplung10 - Motor II11 - Schleifringe12 - Schaltkupplung13 - Spindelstockkörper
Geschwindigkeits-Spindeleinheit
Jun-02- 52 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
atuadores piezocerâmicos
ordenamento das resistências de medição
Acoplamento com piezoposicionadores
Jun-02- 53 -
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Piezokeramik
Kupplung mit Piezostellern
Jun-02- 54 -
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filme piezoelétrico
a) medição por ultra-som durante a montagem (Fa. Ultracoat,Stedtfeld)
a)
acionamento da ferramenta
porcapino de con-tato elétrico
parafuso
transdutor
parafuso
ondas transversaisondas longitudinais
eletrodo de topo
Vista em corte da camada de filme ultrassônico
b) medição de deformação por sensor de fibra óptica (Fa. Tetra,Ilmenau)
b)parafuso de deformação
sensor de fibra óptica
Medição da deformação de parafusos
Jun-02- 55 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
Etapas Gerais de Configuração
Base da configuração: estrutura generalizada do sistema
• estrutura de função• estrutura de princípios técnicos• módulos componentes do sistema
1. Estabelecimento dos requisitos do sistema global
2. Seleção de componentes de catálogos
3. Determinação dos parâmetros
4. Composição
5. Variação para satisfazer os requisitos
Etapas Gerais de Configuração
Jun-02- 56 -
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Institut für Maschinenelementeund Konstruktion
Design task
Task specificationDevelopment of a mechatronic device for adjustment (accuracy, resolution, costs...)
Analysis and Determination of the technical processAdjustment process, properties of the adjustment objekt error analysis, simulation,determination of the quantities to be adjusted, measuring parameters, operatingmovements, adjustment algorithm
Establish function structurese.g: positioning subsystem:
control
actuator guidemechan. transmit. adjustment tool
Desicion
Compact design of the object
controller adjustment tool withintegrated positioner
Modular design of solution prinziplescontroller adjustment
tool
Design of the overall system frame
Design of control
Configuration of the system
Separate development orselection of componentsfrom the market
informationaboutmarketcomponents
Documentation
° ° ° ° °°DC-Motor
Design process with configuration principles
top related