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Bremen

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Baden-Württemburg

Bayern

Thüringen

Sachsen-Anhalt

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Mecklenburg-Vorpommern

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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 -



Nanomâquina

Jun-02- 5 -



Nanomâquina

Jun-02- 6 -



processo

informaçãocontrole

informação

energia

energia mecânica

sensores atuadores

usuário

mostrarmanipular

Sistema mecatrônico

Jun-02- 7 -



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 -



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 -



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 -



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 -



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 -



xy

x

Dzy Dzx

y

Präzisionskoordinatentisch

Jun-02- 13 -



LWMS

LWMS

RM G

M

G y

x


Jun-02- 14 -



LWMS

LWMS

RM G

M

G y

x


Jun-02- 15 -



LWMS

LWMS

RM G

M

G y

x


Jun-02- 16 -



LWMS

LWMS

RM G

M

G y

x


Jun-02- 17 -



LWMS

LWMS

RM G

M

G y

x

LWMS - Laserwegmesssystem, G - Getriebe, M - Motor, R - Steuerrechner


Jun-02- 18 -



LWMSII

LWMSIII

LWMSI

MI

MII

MIII

xy

LWMS - LaserwegmesssystemM - Motor


Jun-02- 19 -



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 -



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 -



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 -



a) b)

d) e)

c)

Excêntrico

Variantes de princípios

Jun-02- 23 -



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 -



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

Jun-02- 25 -



Module des Justierleitstandes

Jun-02- 26 -



Module des Justierleitstandes

Jun-02- 27 -



Modulares Steuersystem

Jun-02- 28 -



Steuerung des Positionier- undMesssystems

Aufbau für die Biegungvon Blattfedern

Aufbau für dieLinsenjustierung

Hauptcomputer

Justierleitstand

Jun-02- 29 -



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

Jun-02- 30 -



faseroptischeSensoren

Steuer-einheit

Feder

Linear-Einheit

DC-Motor

faseroptischeSensoren

Steuer-einheit

Feder

Linear-Einheit

DC-Motor

Aufbau zum Justieren von Federkennlinien

Jun-02- 31 -



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 -



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- 33 -



Simulation des Justierprozesses

Jun-02- 34 -



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

Jun-02- 35 -



M2

M1

z

x

y

optische Achsemechanische Achse

DM1x

LinsenzentrierungAnfangslage

Jun-02- 36 -



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 -



yz

Ringschneide

AKF

M1

M2

CCD-Kamera





DM ≠ 0

Ds1 ≠ 0DMSoll = 0

x

Linsenzentrierung

Jun-02- 38 -



yz

Ringschneide

AKF

M1

M2

CCD-Kamera





DM ≠ 0

Ds1 ≠ 0DMSoll = 0

x

Linsenzentrierung

Jun-02- 39 -



yz

Ringschneide

AKF

M1

M2

CCD-Kamera





DM ≠ 0

Ds1 ≠ 0DMSoll = 0

x

Linsenzentrierung

Jun-02- 40 -



z

Ringschneide M1

M2

CCD-Kamera

AKFJustierkreis





DM = 0

Ds1 = 0DMSoll = 0y

x

Linsenzentrierung

Jun-02- 41 -




JustierJustier--objektobjekt



Justierkreis

DMSoll = 0Ds1 = 0

CCD-Kamera

x

yz

Ringschneide

AKF

M1

M2

DM = 0

Justierkreis

Jun-02- 42 -




MessMess--elementelement


Justierkreis

DMSoll = 0Ds1 = 0

CCD-Kamera

x

yz

Ringschneide

AKF

M1

M2

StellStell--einrichtungeinrichtung

DM = 0

Justierkreis

Jun-02- 43 -







Justierkreis

DMSoll = 0Ds1 = 0

CCD-Kamera

x

yz

Ringschneide

AKF

M1

M2

DM = 0

Justierkreis

Jun-02- 44 -



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

Jun-02- 45 -



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 -



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 -



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 -



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 -



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 -






Jun-02- 51 -






Jun-02- 52 -



atuadores piezocerâmicos

ordenamento das resistências de medição

Acoplamento com piezoposicionadores

Jun-02- 53 -



Piezokeramik

Kupplung mit Piezostellern

Jun-02- 54 -



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 -



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 -



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

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Documents