Was ist Mechatronik?
Die Mechatronik ist eine hybride Disziplin, die sich aus mechanischen, elektronischen und steuerungsbezogenen Aspekten zusammensetzt. Es ist die Disziplin, mit der Geräte entworfen und hergestellt werden, die in Echtzeit auf ihre Umgebung reagieren können. Die von den elektrischen Sensoren gelieferte Rückmeldung wird von einem zentralen Computer verwaltet, der Befehle zum Ausführen von Aktionen ausgibt. Diese Befehle steuern die Reaktion des Geräts, wodurch es in einer neuen Situation verbleibt. Das Mechatronik-Engineering ist nützlich, um viele Systeme zu entwerfen, die nicht ausschließlich auf menschlichem Betrieb beruhen.
Der erste Aspekt der Mechatronik ist der mechanische Aspekt. Der Maschinenbau befasst sich mit der Konstruktion physikalischer Strukturen in einer Maschine. Dem Maschinenbau liegt die Wissenschaft der Mechanik zugrunde, ein Zweig der Physik, der sich mit großen Kräften und Materie in Bewegung befasst. Ein weiteres Feld, das dazu beiträgt, ist die Materialwissenschaft, mit der Ingenieure eine Reihe von Materialien für die Produktgestaltung entwickeln können. In einem Auto würde der mechanische Aspekt beispielsweise die Karosserie, das Fahrgestell und den Motor umfassen.
Ein weiterer notwendiger Bestandteil der Mechatronik ist der elektronische Aspekt. Die Elektronik befasst sich mit der Entwicklung praktischer Geräte, bei denen die Bewegung elektrisch geladener Teilchen zum Betrieb genutzt wird. Dieser Stromfluss kann sowohl zum Transport von Energie als auch von Informationen genutzt werden. Elektrische Energie kann verwendet werden, um ein mechatronisches Gerät über einen Elektromotor anzutreiben. Von Sensoren erzeugte Informationen können von einem zentralen Steuerungssystem verwaltet werden.
Das letzte Element, das in der Mechatronik benötigt wird, ist eine Form der Steuerung. Die Steuerungstheorie befasst sich mit der Aufrechterhaltung eines optimalen Zustands in einem dynamischen System. Es funktioniert, indem es Feedback zu seinem aktuellen Status in einer Umgebung einholt, eine Entscheidung trifft und dann Befehle ausgibt, um Maßnahmen zu ergreifen. Wenn ein Objekt weiter von seinem optimalen Zustand entfernt ist, kann es stärker reagieren, um diesen Zustand zu erreichen. In einem mechatronischen Gerät wird die Steuerung normalerweise von einem Mikroprozessor verwaltet - einer einzelnen integrierten Schaltung mit einer zentralen Verarbeitungsfunktion.
Mechatronische Geräte sind in vielen Gesellschaften weit verbreitet. Ein Auto kombiniert beispielsweise mechanische Systeme mit elektrischen Systemen und einem zentralen Computer. Viele elektrische Sensoren erfassen Informationen über den Fahrzeugzustand, wie z. B. die Geschwindigkeit, den Kraftstoffstand und die Motortemperatur. Diese Signale werden auf elektrischem Weg zum Computer des Fahrzeugs übertragen, der Entscheidungen darüber trifft, wie reagiert werden soll. Wenn der Kraftstoff zu niedrig oder der Motor zu heiß ist, gibt der Computer möglicherweise einen Befehl aus, um dem Bediener eine Warnmeldung anzuzeigen.
In einem Auto teilen sich ein Computer und ein Bediener die Aufgabe, Entscheidungen zu treffen. Viele Mechatronikgeräte hingegen werden von Menschen nicht in Echtzeit bedient. Raumfahrzeuge müssen häufig Bordcomputer verwenden, um Entscheidungen in Echtzeit zu treffen, da es eine Kommunikationsverzögerung zwischen Raumfahrzeug und Erde gibt. Die Mars Exploration Rovers hatten eine Kommunikationsverzögerung von mehreren Minuten und verwendeten daher einen zentralen Computer, um viele schnelle Navigationsentscheidungen zu treffen. Ohne diese Fähigkeit könnten die Rover von einem Felsvorsprung gefallen sein oder von einem Gegenstand festgehalten worden sein, als die Bediener auf der Erde die Bedrohungen bemerkten.