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Erarbeitung von Analyse- und Synthesemethoden zur Beherrschung von Unsicherheit beim Entwickeln von mechatronischen Systemen mit sensorintegrierenden Maschinenelementen

Ausgangslage

Die Integration sensorischer Funktionen in genormte oder standardisierte Maschinenelemente stellt einen vielversprechenden Ansatz zur direkten Messung relevanter Prozess- oder Zustandsgrößen in technischen bzw. mechatronischen Systemen dar. Diese sogenannten sensierenden Maschinenelemente (SME) ermöglichen ein tieferes Verständnis des Systemverhaltens sowie der vorherrschenden Betriebsbedingungen. Durch die direkte Messung relevanter Prozess- und Zustandsgrößen an ihrem Entstehungsort im System, der sog. In situ Messung, wird auftretende Unsicherheit grundsätzlich reduziert. Die Signalübertragungsstrecke einer Messgröße von ihrem Entstehungsort im mechatronischen System über das sensierende Maschinenelement bis hin zum empfangenden Prozessregler ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Übertragungsstrecke einer Messgröße in einem mechatronischen System mit integriertem SME

Auftretende Störgrößen können allerdings einen Einfluss auf die gesamte Übertragungsstrecke der Messgröße ausüben und dadurch das vom Prozessregler empfangene Signal S* verfälschen. Um die daraus resultierende Unsicherheit effektiv zu beherrschen, bedarf es einer systematischen Herangehensweise in Form anwendbarer Methoden, Modelle sowie Hinweisen.

Projektziele

Ziel dieses Projekts ist die Erarbeitung von Methoden, Modellen und Hinweisen zur Analyse und Synthese mechatronischer Systeme mit SME, die eine zuverlässige und reproduzierbare Erfassung von Messgrößen und deren Übertragung in Form von Signalen auch unter der Einwirkung von Störgrößen ermöglichen. Im Fokus steht dabei die qualitative Beherrschung auftretender Unsicherheit, die durch einwirkende Störgrößen hervorgerufen wird.

Vorgehensweise

Zunächst wird die bereits am pmd entwickelte UMEA-Methodik zur Analyse von Unsicherheit in lasttragenden Systemen hinsichtlich der darin enthaltenen Methoden und Modelle erweitert, um Störgrößen, die auf die gesamte Übertragungsstrecke der Messgröße einwirken, identifizieren sowie deren Einfluss und Wirkung auf das am Prozessregler empfangene Signal S* qualitativ beschreiben zu können. Daran anschließend werden Robust-Design (RD) Hinweise zur Synthese von mechatronischen Systemen mit integrierten SME erarbeitet, die eine Beherrschung der aus den einwirkenden Störgrößen resultierenden Unsicherheit ermöglichen. Im nächsten Schritt werden die entwickelten Methoden und Modelle zur Analyse auftretender Unsicherheit sowie die erarbeiteten RD-Hinweise in einer übergeordneten Methodik zusammengeführt und aufeinander abgestimmt. Das Ergebnis ist eine Methodik, deren Anwendung die robuste Integration von SME in mechatronische Systeme absichert. Das Vorgehen dieser resultierenden Methodik ist in Abbildung 2 anhand eines mechatronischen Systems mit einer integrierten sensierenden Ausgleichskupplung illustriert.

Abbildung 2: Beispielhafte Anwendung der resultierenden Methodik auf ein mechatronisches System mit integrierter sensierender Ausgleichskupplung

Abschließend erfolgt die experimentelle Validierung der erarbeiteten Methodik anhand einiger beispielhafter mechatronischer Systeme mit integrierten SME.