OpenAdaptronik
OpenAdaptronik ist ein Projekt, welches die Adaptronik für die Maker-Bewegung in der Photonik aufbereitet. Im Rahmen von OpenAdaptronik werden einfache Vorgehensweisen zum Aufbau und Einbindung adaptronischer Maßnahmen in der Photonik erarbeitet, mit der Maker-Szene diskutiert und veröffentlicht. Es wird eine Plattform entstehen, auf der jeder mitmachen und seine eigne Kreativität ausleben kann.
Diese Seite ergänzt vorhandene Wikipedia-Seiten und erklärt das Thema Adaptronik für die Maker-Bewegung in der Photonik. Theoretische Grundlagen die in Wikipedia dargestellt werden, sind verlinkt.
Weitere Infos über das Projekt erhaltet ihr hier: Projekt OpenAdaptronik
Inhaltsverzeichnis
Adaptronik
Photonik und Adaptronik
Photonische Technologien ermöglichen höchste Genauigkeiten in technischen Anwendungen, beispielsweise bei der Nutzung von Lasern für messtechnische Aufgaben und in der Fertigung (Laserschneiden) oder in der optischen Messtechnik. Diese Präzision wird nur gewährleistet, wenn die entsprechenden Komponenten von störenden Einflüssen der Umwelt weitgehend isoliert werden. Eine der Hauptursachen für verringerte Genauigkeit bei der Anwendung photonischer Technologien sind störende Schwingungen. Die hohe Präzision photonischer Systeme lässt sich daher nur durch die Integration innovativer, aktiver Systeme zur Schwingungsminderung erreichen. Bekannte Beispiele sind die aktive Schwingungsisolierung für Mikroskope, astronomische Forschungsteleskope (z.B. SOFIA[1]), oder die optischen Tische für Versuche mit Lasern. Auch in Konsumprodukten auf Basis photonischer Technologien, z.B. in modernen Digitalkameras finden sich Bildstabilisierungen. Störende Schwingungen stellen auch bei alltäglichen Anwendungen der Photonik, wie bei der möglichst trittschallisolierten Aufstellung von Beamern, breite Kreise vor ähnliche Aufgaben. Eine interessante Herausforderung stellt auch die Störung der Sensoren und Kameras autonomer Fluggeräte für den Hobbybereich (Arducopter) dar. Innovationen in photonischen Technologien sind daher fest mit Innovationen im Bereich der Schwingungsminderung, z.B. der aktiven und adaptronischen Systeme verknüpft.
Grundlagen der Adaptronik
Früher wurde der Begriff Adaptronikfür ein sehr kleines Technologiefeld genutzt. Mittlerweile wurden von einigen Forschungseinrichtungen [2] die Themen aktive Schwingungs- und Lärmreduktion, aktive Formkontrolle, Monitoring (Schadenserkennung), Energy Harvesting und Smarte Komponenten unter dem Begriff Adaptronik gebündelt. Adaptronische Komponenten haben in den letzten Jahren den Einzug in immer mehr Produkte gefunden und den Bereich der reinen Forschung schon längst verlassen. Trotzdem ist die Entwicklung von adaptronischen Komponenten immer noch eine komplexe Aufgabe, die viel Erfahrung benötigt. OpenAdaptronik wird diese Themen anschaulich und für jeden verständlich aufbereiten.
Die Idee der adaptronischen Schwingungsminderung ist die Integration von Sensorik und Aktorik in eine elastische und damit schwingungsanfällige mechanische Struktur. Als Beispiel ist im Bild ein langer Ausleger für ein optisches Gerät einer Raumfahrtmission dargestellt, was in den 1980er Jahren tatsächlich eine der Herausforderungen war, welche zur Entwicklung adaptiver Strukturen führten[3]. Durch Manöver des die Struktur tragenden Space Shuttles kommt es aufgrund des extremen Leichtbaus (die Struktur hat bei 60m Länge nur eine Masse von unter 200kg) zu störenden Schwingungen am anderen Ende, an welchem das optische Instrument befestigt ist.
In die Struktur integrierte Sensorik erfasst die auftretenden Schwingungen. Ebenfalls integrierte Aktorik wird daraufhin so angesteuert, daß sie den störenden Kräften entgegenwirkt. Hierzu dient eine geeignete Regelung. Es lassen sich einige grundsätzliche Möglichkeiten der Schwingungsminderung unterscheiden, welche sich mitunter auch mit passiven Systemen realisieren lassen.
Zu den einzelnen Komponenten findet sich mehr in den folgenden Abschnitten und auf eigenen Seiten in unserem Wiki sowie extern verlinkten Quellen.
Strukturdynamik
Die Strukturdynamik untersucht die Antwort von Strukturen auf dynamische, also zeitlich veränderliche, Lasten. Die Strukturen können dabei rein mechanische Strukturen oder multiphysikalisch, zum Beispiel elektromechanisch, sein. Lasten sind die auf die Struktur einwikenden Einflüsse wie Kräfte, Drücke oder auch elektrische Spannungen an elektromechanischen Strukturen. Die Antwort der Struktur sind zum Beispiel resultierende Verformungen oder Dehnungen. Das Antwortverhalten einer Struktur kann experimentell durch Frequenzganganalyse oder Modalanalysen oder durch numerische Analysen zum Beispiel an diskreten Merhkörpermodellen oder diskretisierten Finite-Elemente-Modellen kontinuierlicher Strukturen ermittelt werden. Das Antwortverhalten der Struktur kann Ausganspunkt für Festigkeits- und Lebensdauerbetrachtungen, Kompfortbetrachtungen oder Strukturoptimierungen sein.
Sind die Lasten in hinblick auf die resultierende Anregung des Systems klein, so liegt häufig ein - zumindest annähernd - linearer Zusammenhang zwischen Last und Antwort vor, so dass von linear-elastischen Systemen geprochen werden kann. Solche Systeme lassen sich vorteilhaft im Frequenzbereich untersuchen, das Antwortverhalten wird dann durch die Übertragungsfunktion im Frequenzbereich beschrieben.
Sensorik
Die Sensorik ist ein Teilgebiet der Messtechnik und befasst sich mit der Entwicklung und dem Einsatz von Sensoren. In der Adaptronik werden Sensoren vorzugsweise zum Erfassen mechanischen Größen verwendet. Dabei wandelt der Sensor nichtelektrische Größen wie Druck, Kraft, Drehmoment, Ausschlag, Beschleunigung und Geschwindigkeit in eine elektrische Größe (Widerstand, Kapazität, Ladung, Induktivität, Frequenz, Spannung oder Strom). Im allgemeinem setzt sich der Sensor dabei aus den Wandlungsblöcken Primärsensor, Primärelektronik und Sekundärelektronik zusammen. Je nach Integrationsgrad können jedoch einzelne Varianten davon abweichen. Der Primärsensor oder auch Sensorelement vollzieht die Umwandlung der nichtelektrischen Größe in eine elektrische Zwischengröße (∆R, ∆C, ∆Q, ∆L oder ∆f). Die Primärelektronik erzeugt aus diesen Zwischengrößen ein verstärktes Spannungs- oder Stromsignal. Der Verstärker ist hierbei signifikant, um den Störabstand zu gewährleisten. Des Weiteren wird in dieser Stufe der minimale und maximale Ausgangspegel an die Eingangsstufe der Sekundärelektronik angepasst. Häufig erfolgt hierbei auch schon eine Analog-Digital-Umsetzung. Die Sekundärelektronik dient zur Signalaufbereitung einschließlich der Fehlerkorrektur, Speicherung und Umwandlung in ein standardisiertes analoges Ausgangssignal (z.B. 4mA bis 20mA). Oft wird an dieser Stelle auch eine digitale Ausgabe realisiert mit einer entsprechenden Bus-Ankopplung. Das so erzeugte Ausgangssignal kann unteranderem zur Überwachung von Prozessen oder als Eingangsparameter einer Regelung verwendet werden.
Regelung
Bei der Regelung handelt es sich um einen weiteren Baustein der Adaptronik. Im Regler werden die Zustände eines physikalischen Systems mit Hilfe von Sensoren erfasst und ein Ausgangssignal berechnet. Das Ausgangssignal wird dann zur Ansteuerung einer oder mehrerer Aktoren genutzt. Die Berechnung der Ausgangssignale geschieht dabei mit Hilfe von bestimmten Regelgesetzen. Während einfache Regelgesetze wie der aus zahlreichen technischen Anwendungen bekannte PID-Regler über elektronische Schaltungen auf Basis von Operationsverstärkern realisiert werden können, werden komplexere Digitale Regelungen mit Hilfe digitalen Signalprozessoren umgesetzt.
Beim Entwurf von Regelungen muss das Verhalten der Regelstrecke (d.h. das Übertragungsverhalten des Aktors bis zum Sensor) berücksichtigt werden. Hierfür wird das Verhalten der Regelstrecke meist im Rahmen einer Systemidentifikation ermittelt und fließt dann in die Berechnung der Regelgesetzte mit ein.
Aktorik
Aktoren sind sozusagen die Muskeln adaptronischer Anwendungen. Die vom Regler berechneten Stellgrößen werden über den Aktor in die Struktur eingeleitet und äußern sich dort als Kraft oder Verformung der Struktur. Das ist Abhängig vom Verhältnis der mechanischen Impedanz des Aktors zur Impedanz der der Struktur.
In adaptronischen Anwendungen sind typischerweise Piezoaktoren oder elektrodynamische Aktoren vorzufinden. Trotz ihrer komplementären Eigenschaften lassen sich beide Aktorprinzipien gut zur Schwingungsminderung nutzen.
Bei der Auswahl der Aktortechnologie ist es entscheidend welche Kräfte und Stellwege der Aktor zur Verfügung stellen muss, wo der Betriebsfrequenzbereich liegt und ob der Aktor auch statisch wirkenden Lasten ausgesetzt ist. Teilweise werden in adaptronischen Anwendungen auch elektromagnetische Aktoren verwendet, die sich sehr kostengünstig herstellen lassen. Auch die sogenannten Dielektrischen Elastomere, die kommerziell praktisch noch nicht verfügbar sind, sind hier sehr vielversprechend. Die beiden Letzteren sind allerdings insbesondere aufgrund ihres nichtlinearen Verhaltens für schwingungsmindernde Systeme schwer handhabbar und stellen besondere Anforderungen an die Regelung. Weitere eher seltener Wirkprinzipien elektromechanischer Wandler werden in der Literatur z.B. von Janocha behandelt. [4].
kommerzielle Anwendungen
In den letzten Jahren wurden immer mehr Systeme mit einer aktiver Schwingungsminderung auf dem Markt gebracht. Der Marktanteil wächst und die vielen Vorteile die ein aktives System bietet, wird das Wachstum anhalten lassen. Insbesondere die Reduktion der Kosten bei den elektronischen Komponenten und die Steigerung bei der Prozessorleistung haben diese Entwicklung möglich gemacht. Folgend einige Beispiele für den Einsatz aktiver Schwingungsminderung:
- Aktive Motorlager werden bei einigen Fahrzeugherstellern eingesetzt und von verschiedenen Motorlagerherstellern entwickelt.
- Aktive Dämpfungssysteme in optischen Tischen reduzieren störende Schwingungen bei hochpräziser Messtechnik.
- Gimbal stabilisiert aktiv die Kameras von Drohnen, Multicopter und Quadrocoptern.
- Die Mechanical Simulation Toolbox unterstützt bei der Auslegung aktiver Systeme und ist die professionelle Variante der Auslegungstools von OpenAdaptronik.
Fertigungsmöglichkeiten für Sensorgehäuse in FabLabs/MakerSpaces
In diesem Abschnitt werden Möglichkeiten zur Fertigung von Sensorgehäusen thematisiert unter Verwendung von Werkzeugen die typischerweise in FabLabs und MakerSpaces zur Verfügung stehen.
Sensoren
| Bezeichnung | Hersteller | Achsen | Länge in mm | Breite in mm | Platinenhöhe in mm | Gesamthöhe in mm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LIS344ALH | isys Adaptive Solutions | 3 | 9,6 | 9,6 | 1 | 2,56 |
| ADXL335 | SparkFun | 3 | 17,78 | 17,78 | TBD | TBD |
| ADXL345 | SparkFun | 3 | ca. 21,00 | ca 17,78 | TBD | TBD |
Modelle für den 3D Druck
In diesem Bereich werden im Laufe des Projektes u. a. Modelle für Sensorgehäuse hochgeladen und die Designs dokumentiert.
Gehäuse aus dem Lasercutter
Wir werden testen, wie gut sich der Lasercutter eignet um Sensorgehäuse zu erstellen oder wie er andere Verfahren unterstützen kann.
Anwendungsbeispiele
Im Rahmen der Arbeiten von OpenAdaptronik sollen verschiedene Demonstratoren aufgebaut werden und die Anleitungen frei zur Verfügung gestellt werden. Geplant sind aktuell Anleitungen zu folgenden Themen:
- Aktive Lagerung Kamera
- Aktive Motorlagerung
- Schwingungsentkopplung von sensiblen Aufbauten, z.b. Versuchstisch
Die Liste wird zukünftig weiter ergänzt und nach Feedback aus der Maker-Szene angepasst.
Weblinks
http://www.adaptronik.fraunhofer.de/ – Fraunhofer-Allianz Adaptronik
Einzelnachweise
- ↑ Stepp, Larry M. et. al. (2014): Implementation of an active vibration damping system for the SOFIA telescope assembly, SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, Montréal.
- ↑ Fraunhofer-Allianz Adaptronik
- ↑ 1. Wie B. Active vibration control synthesis for the control of flexible structures mast flight system. Journal of Guidance, Control, and Dynamics 1988; 11: 271–277.
- ↑ Hartmut Janocha (2013): Unkonventionelle Aktoren, Eine Einführung, Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH. ISBN: 978-3-486-71886-7
