WING - Sensoren und Aktoren

Veränderung in der Molekülstruktur bestimmter kristalliner Werkstoffe. Spezifische physikalische Effekte in besonderen Materialien, in Zusammenwirken mit elektrischen oder magnetischen Feldern.

Über die Steuerung/Regelung werden sie automatisch oder manuell/visuell angesteuert. 

Spannung von ca. 1-2kV/mm bei einer auslenkung von 0.15%

• Piezokeramik
• Bimetall
• Dehnstoff

Lineare Mikroverstellungen mit grossen Druckkräften. z.B. in der Chip-Fertigung. Im Medizinal Bereich für Mikrodosierungseinrichtungen.

❑ Mikroelektronik: Wafer- und Maskenpositionierungen in der Chip-Fertigung.

❑ Fono- und Videotechnik: Mikrofon, Foto- und Videokameras, Mikrolithografie.

❑ Feinwerktechnik, Mechatronik und im Maschinenbau: Werkzeugeinstellungen, Verschleißkorrektur, Ansteuerung von Einspritzdüsen und Mikropumpen, Linearantriebe für Mikropositionierungen, Hexapods und 3-dimensionale Stelltische, Schlag-, Extrusions-, schnelle Bearbeitungs- und Mikrogravierwerkzeuge, aktive Schwingungsdämpfung mittels Hexapod (6 Freiheitsgrade), Steuerung und Stabilisierung von Laserstrahlen, Tonabnehmer und Drucksensoren, Gasanzünder. ❑ Medizintechnik: Mikromanipulator und Mikrodosierungseinrichtung, Stoßwellenanregung.

❑ Optik und Messtechnik: Spiegel- und Lichtwellenleiter-Positionierungen, Holografie, Interferometrie, Lasertuning, schnelle Spiegelscanner, adaptive und aktive Optik, Bildstabilisierung, Autofokussierung, Vibrationen und Vibrationsdämpfung, Interlacing.

Dehnstoffaktor: z.B. Bodenheizungsdurchflussaktor

Bimetall: früher z.B. Kühlmittelthermostat bei Automobilen

Das sind spezielle Flüssigkeiten, die im Einfluss von elektrischen bzw. magnetischenFeldern eine

Veränderung ihrer Viskosität zeigen.

• steuerbare Ventile,
• Stoßdämpfer,
• Kupplungen,
• Motorlager,
• Haptische Rückmeldung

Ein Hubmagnet

• Anheben von Lasten
• Auslöser für Stromsicherungsautomaten (FI-Schalter)
• Relais

• Gleichstrommotor
• Asynchronmotor
• Synchronmaschinen

Beim Wechselstrommotor wird Wechselstrom verwendet, beim Gleichstrommotor wird Gleichstrom verwendet.

Gleichstrommotoren sind in der Regel einfacher aufgebaut und haben eine geringere Anzahl beweglicher Teile.

Ein weiterer Unterschied liegt in der Regelung. Gleichstrommotoren lassen sich leichter in Bezug auf Drehzahl und Drehmoment regeln, indem man die Spannung oder den Strom anpasst.

Bürstenloser Gleichstrommotor (Brushless) 

Die elektronische Kommutierung schaltet die Wicklungsströme in einem bestimmten Zyklus Ein/Aus, somit entsteht ein schrittweises fortgeschaltetes Drehfeld im Luftspalt.

Im Gegensatz zum konventionellen GSM ist die Ankerwicklung mit mehreren Spulensträngen fest im Stator angeordnet, während das magnetische Erregerfeld von einem Permanentmagneten im Rotor erzeugt wird.

• Wartungsfreier Antrieb, da kein Bürstenverschleiss
• Hohe Lebensdauer
• Geringe Laufgeräusche und kein Bürstenfunken
• Hohe Drehzahlen und schnelle Richtungswechsel

Hohe Winkelschrittauflösung

Hohes Drehmoment im Vergleich zu Masse

kein Kommutator

Geringe Umkehrlose

erweiterte Umweltbedingungen

In CPPS werden Dienste und Funktionen gehalten, abgerufen und ausgeführt, wo es im Sinne einer flexiblen, effizienten Entwicklung und Produktion den größten Vorteil bringt.

Ziel ist die Selbstorganisation der Produktion

Cyber-physisches System

Gemäss Automatisierungspyramide ist der Informationsfluss hierarchisch aufgeteilt, Informationen werden von oben nach unten und von unten nach oben weitergegeben, bzw. in der jeweiligen Ebene weiterverarbeitet.

In einem CPS der Zukunft kommunizieren Gegenstände – Werkstücke, Werkzeuge, Maschinen usw. – untereinander und mit ihrem Dirigenten, dem Menschen. Im Prinzip kann jeder auf jede Information zugreifen.

Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0

Industriegeräte werden zukünftig noch mehr miteinander kommunizieren. Im Zeitalter von Industrie 4.0 wird die Kommunikationsschnittstelle zur Schlüsselfunktion. Die Herausforderung für Gerätehersteller liegt insbesondere darin, alle Kommunikationsfunktionen über eine einzige leistungsfähige Kommunikationsschnittstelle abzuwickeln, um die Forderungen für die Zukunft mit Industrie 4.0 und dem industriellen Internet der Dinge zu erfüllen.

Ein Feldbussystem ist ein Netzwerk, das entwickelt wurde, um verschiedene Komponenten in der Automatisierungstechnik miteinander zu verbinden. Etablierte Systeme bzw. Protokolle, welche den bidirektionalen Austausch von Daten und Signalen zwischen Sensoren, Aktoren und Steuerungssystemen über eine gemeinsame Kommunikationsleitung ermöglichen.

- die Industrieautomation (Fertigungs-/Prozessautomation)

- die Gebäudeautomation,

- die Netzleittechnik,

- Geräteautomation.

• Applikationsschicht: Nutzer hat Zugriff auf das System
• Cloud Schicht: Daten werden über Cloud verwaltet
• Edge Schicht: Transport der Daten
• Sensoren Schicht: Daten werden durch Sensoren erfasst.

Die IoT-Geräte sind intelligent und liefern ihre Informationen an eine Cloud weiter. Dies geschieht über das Edge Computing, wodurch eine dezentrale Verarbeitung in physischer Nähe zum Gerät realisiert werden kann. Edge Computing hat zum Ziel, bei grossen Datenmengen das Ethernet nicht zu überlasten, indem leichte Funktionen zentral geschehen und ressourcenschwere Algorithmen in der Cloud ausgeführt werden.

Erfasst physikalische Grösse und liefert entsprechende Informationen in Form von elektrischen Signalen.

- Erfassen

- Überwachen

- Dokumentieren

Ein Aktor setzt elektrische Signale in mechanische oder physische Bewegung um. Wird auch als Macher/Stellglied bezeichnet. Durch den Aktor wird die physikalische Grösse verändert, indem der Aktor in den Prozess eingreift.

betätigen

stellen

bewegen

• erfasste physikalische Grösse
• Aufgabe
• physikalisches Wirkprinzip 
• Informationsträger des Ausgangssignals (analog / digital)

• Mechanisch
• Thermisch
• Optisch
• Chemisch
• Akustisch

• Messaufgabe: Messbereich und Genauigkeit
• Störungen: Beeinflussung durch andere Messgrössen
• Zeitliches Verhalten: Lebensdauer und Verschleiss
• Kosten: Einzelkosten und Wartungskosten
• Systemintegration: Weiterverarbeitung des Signals, Anzeige, Bedienung, Konfiguration)

• resistiv
• elektrochemisch
• Magnetoelastisch
• Optoelektronisch
• Piezoelektrisch
• piezoresistiv
• kapazitiv
• induktiv
• magnetfeld

COULOMB: Körper mit gleicher elektrischer Ladung stossen sich ab (FI-Schutzschalter)

BIOT-SAVARD: Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld erfahren eine Kraft (Elektromotor)

CURIE: Asymmetrien im Kristallgitter bestimmter Kristalle führen bei Anlegen äusserer Spannungsfelder zu Verschiebungen (umkehrbar und reversibel, Piezo-Aktoren)

JOULE: Ausgewählte Legierungen (z.B. Eisen / Nickel) verspannen sich im Magnetfeld und ändern ihre Abmessungen (Wurm-Motor)

HERON: Körper dehnen sich bei Erwärmung aus (Bodenheizunsaktoren)

OULOMB:

• Messgrösse
• Baugrösse
• Fertigungstechnik
• Einsatz- und Verwendungszweck
• Wirkungsweise beim Umformen der Messgrössen
  • Passive Sensoren
  • Aktive Sensoren
  • Digitale Sensoren
• Messprinzip/Wirkprinzip
  • Induktive Sensoren
  • Kapazitive Sensoren
  • Temperatursensoren
  • Elektrochemische Sensoren

• Standards

NAMUR, KTA, Automotive…

• Lebenswissenschaften (Biologie, Pharmazie, Medizin)
• Naturwissenschaften (physikalische Prozesse, Raumfahrt)
• Automatisierte Prozesse (Signalgeber Steuerung und Regelung)
• Robotik

• Beeinflussbare Grösse
  • Temperatur
  • Drehbewegung
  • Lineare Bewegung
• Baugrösse (z.B. Mikroaktoren)
• Aktor/Wirkprinzip
  • Fluidtechnische: Hydraulik- und Pneumatikzylinder
  • Bimetall
  • Piezoelektrische
  • Induktiv arbeitende Elektromotoren
  • Elektromechanische Aktoren
  • Thermomechanische Aktoren (Thermostat, Dehnelement)

• Lebenswissenschaften
  • Biologie
  • Medizin
  • Pharmazie
• Naturwissenschaften
  • Astronomie
  • Raumfahrt
• Automatisierte Prozesse
  • Steuerung der Grössen
  • Gebäudeautomation
• Robotik
  • Zur Aufnahme der Signale die den Roboter steuern

Der Sensor erfasst physikalische oder chemische Grössen und wandelt diese in ein elektrisches Signal um. Somit entnimmt der Sensor Daten aus dem Prozess. Durch eine Informationsverarbeitung wird, falls notwendig, ein Signal an den Aktor gegeben und dieser greift in den Prozess ein.

Diejenige Baueinheit, die aus einem (mechanischen) Umsetzelement und einem elektrischen Sensorelement besteht, heißt Elementarsensor oder Messwertaufnehmer