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

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckhard A. Kirchner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426030644

Die Integration von Sensoren in genormte oder standardisierte Maschinenelemente kann eine in-situ Messung direkt im Arbeitsprozess deutlich erleichtern. Da die Maschinenelemente die Integration der Sensoren durch ihre genormten Schnittstellen erleichtern, werden die sensorisch ertüchtigen Maschinenelemente als sensorintegrierende Maschinenelemente (SiME) bezeichnet. Die Kenntnis der Beanspruchung des SiME ermöglicht mehr Verständnis von Systemverhalten und Betriebsbedingungen.Die Systemgrenze des mechatronischen Systems umfasst das SiME und seine konstruktive Umgebung sowie die Konstruktionselemente zur Umsetzung von Energie- und Signalübertragung. Das Maschinenelement muss trotz des integrierten Sensors seine Hauptfunktion erfüllen, es erfasst eine Messgröße im System und gibt ein Sensorsignal an eine ebenfalls unsicherheitsbehaftete Signalübertragungsstrecke ab. Die Signalübertragung wird durch elektrotechnische Konstruktionselemente aber auch über eine Signal- oder Energieübertragung durch mechanische Bauteile realisiert. An der Systemgrenze wird ein Sensorsignal an eine konventionelle Signalübertragungsstrecke abgegeben und dem Prozessrechner zur Verfügung gestellt. Die gesamte Übertragungsstrecke von der in-situ erfassten Messgröße bis zum prozessfern abgegebenen Signal ist relevant.Dieses Projekt soll Methoden und Hinweise zur Analyse und Synthese mechatronischer Systeme liefern, die eine zuverlässige, reproduzierbare Erfassung von Messgrößen und Übertragung von Signalen unter Verwendung von SiME ermöglichen.Im Fokus steht die Beherrschung von Unsicherheit, die aus dem Einwirken von mechanischen, thermischen, chemischen, elektrostatischen und elektromagnetischen Störgrößen auf die Wirkkette entsteht. Die gesamte Übertragungsstrecke umfasst die mechanische Übertragungsstrecke bis zum SiME und die Signalübertragungsstrecke. Durch die in-situ Position werden Störgrößen eliminiert, die mit der Sensorintegration verbundenen zusätzlichen Störgrößen sollen beherrschbar gemacht werden. Die Produktentwicklung neuer SiME ist nicht Antragsgegenstand, es werden bekannte Lösungen genutzt und in einen Systemkontext gestellt. Ferner werden Produktion, Bauteil- und Funktionszuverlässigkeit der SiME ausgeklammert.Daher sollen drei Fragen beantwortet werden:1.: Wie können die Störgrößen strukturiert identifiziert werden, die auf die gesamte Übertragungsstrecke einwirken?2.: Welche Störgrößen bewirken eine Veränderung des Signals bei der Signalübertragung und wie lassen sich die Auswirkungen der Störgrößen qualitativ beschreiben?3.: Welche Hinweise zur Synthese von mechatronischen Systemen mit SiME und zur Gestaltung der Schnittstellen lassen sich ableiten? Sind erste generische Anforderungen an die Gestaltung von SiME erkennbar?Das Projekt baut auf Methoden zur Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen auf, diese werden für mechatronische Systeme mit kombinierten mechanischen und elektronischen Übertragungspfaden erweitert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen