VDI 2206-2004 Design methodology for mechatronic systems.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREEntwicklungsmethodik fr mechatronische SystemeDesign methodology formechatronic systemsVDI 2206Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch KonstruktionVDI-Handbuch Mikro- und FeinwerktechnikVDI-RICHTLINIENZu beziehendurch/ Available fromBeuth VerlagGmbH,10772Berl

2、inAlle Rechtevorbehalten/ All rightsreservedVereinDeutscherIngenieure,Dsseldorf2004Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 03.100.40; 31.220Juni 2004June 2004The Germa

3、n version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1 Motivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4、.2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Zielgruppe. . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Einordnung der Richtlinie. . . . . . . . . . 81.5 Aufbau der Richtlinie . . . . . . . . . . . . 92 Einfhrung in die Entwicklung mechatronischer Systeme . . . . . . . . . . . 92.1 Charakterisierun

5、g des BegriffsMechatronik. . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Aufbau mechatronischer Systeme . . . . . 142.2.1 Grundstruktur. . . . . . . . . . . . . 142.2.2 Modularisierung undHierarchisierung . . . . . . . . . . . 162.3 Nutzenpotenzial der Mechatronik. . . . . . 182.4 Besonderheiten bei der Entw

6、icklung . . . . 223 Entwicklungsmethodik Mechatronik. . . . . . 263.1 Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.1.1 Problemlsungszyklus als Mikrozyklus . . . . . . . . . . . . . 273.1.2 V-Modell als Makrozyklus . . . . . . 293.1.3 Prozessbausteine fr wiederkehrende Arbeitsschritte . . . 323.1

7、.4 Integrativer Entwurf von Produkt und Produktionssystem. . . . . . . . 413.2 Modellbasierter Systementwurf. . . . . . . 463.2.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . 503.2.2 Modellanalyse . . . . . . . . . . . . 543.3 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.4 Organisation. . . . . . . . .

8、. . . . . . . . 673.4.1 Zusammenstellen eines Projektteams 673.4.2 Umsetzung technischer Ergebnisse . 69Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Goal setting . . . .

9、. . . . . . . . . . . . . 81.3 Target group . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Classification of the guideline . . . . . . . 81.5 Structure of the guideline. . . . . . . . . . 92 Introduction to the development of mechatronic systems. . . . . . . . . . . . . . 92.1 Characterization of the term mec

10、hatronics . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Structure of mechatronic systems . . . . . 142.2.1 Basic structure . . . . . . . . . . . . 142.2.2 Modularization andhierarchization . . . . . . . . . . . . 162.3 Beneficial potential of mechatronics . . . . 182.4 Special aspects of the development. . .

11、 . . 223 Development methodology of mechatronics. 263.1 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.1.1 Problem-solving cycle as amicro-cycle . . . . . . . . . . . . . 273.1.2 V model as a macro-cycle . . . . . . 293.1.3 Process modules for recurrentworking steps . . . . . . . . . . . . 323.1.

12、4 Integrative design of product andproduction system . . . . . . . . . . 413.2 Model-based system design . . . . . . . . 463.2.1 Modeling. . . . . . . . . . . . . . . 503.2.2 Model analysis . . . . . . . . . . . . 543.3 Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.4 Organization . . . . . . . .

13、 . . . . . . . . 673.4.1 Putting together a project team . . . 673.4.2 Implementation of technical results . 69VDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion Vertrieb (VDI-EKV)Ausschuss Entwicklungsmethodik fr mechatronische SystemeFrhereAusgabe:03.03 Entwurf,deutschFormeredition:03/03 draft,inGermanonly

14、B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 20042 VDI 2206 Seite4 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . 724.1 Von der mechanischen zur mecha

15、tronischenBremse in zwlf Dekaden . . . . . . . . . 734.1.1 Erste mechanische Kraftfahrzeugbremsanlage. . . . . . 734.1.2 Verbesserung der mechanischen Wirk- und bertragungsprinzipien . 744.1.3 Funktionale Integration der Elektronik . . . . . . . . . . . . . . 744.1.4 Funktionale und rumliche Inte-gr

16、ation der Sensorik und Aktorik . . 764.1.5 Neue Funktionen einer mechatronischen Bremsanlage. . . . 784.2 Entwurf der Antriebseinheit einer einfachen Lackieranlage . . . . . . . . . . 814.2.1 Ausgewhlte Anforderungen . . . . 834.2.2 Systementwurf . . . . . . . . . . . . 834.2.3 Modellbildung . . . .

17、 . . . . . . . . 844.2.4 Regelstruktur. . . . . . . . . . . . . 854.2.5 Analyse des geregelten Systems . . . 854.2.6 Weitergehende Einflussmglich-keiten erkennen . . . . . . . . . . . 864.3 Entwurf eines aktiven Feder-/Neigemoduls 874.3.1 Prinzipieller Aufbau . . . . . . . . . 894.3.2 Modellbildung

18、. . . . . . . . . . . . 914.3.3 Hierarchische Systemstruktur . . . . 944.3.4 Analyse des geregelten Systems . . . 954.3.5 Laborversuche . . . . . . . . . . . . 984.4 Entwurf von integrierten Mehrkoordinatenantrieben . . . . . . . . 1004.4.1 Strukturen . . . . . . . . . . . . . 1004.4.2 Entwurfsproze

19、ss fr Systeme mitVolumenintegration . . . . . . . . 1014.4.3 Konstruktiver Aufbau . . . . . . . 1054.4.4Steuerung1084.4.5 Parameter . . . . . . . . . . . . . 1104.4.6 Anwendungsfelder . . . . . . . . . 111Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . .

20、 . . . . . 115VorwortInnovative Produkte erfordern ein interdisziplinresZusammenwirken von Maschinenbau, Elektrotech-nik und Informationstechnik. Der Begriff Mecha-tronik“ bringt dies zum Ausdruck. Angesichts dieserSituation ist ein praxisorientierter Leitfaden fr diesystematische Entwicklung derart

21、iger Produkte not-wendig. Die vorliegende Richtlinie VDI 2206 solldiesem Anspruch gerecht werden.Page4. Application examples . . . . . . . . . . . . . 724.1 From the mechanical brake to themechatronic brake in twelve decades . . . 734.1.1 First mechanical motor-vehiclebrake system. . . . . . . . . .

22、 . . . 734.1.2 Improvement of the mechanical operating principle and transmission principle . . . . . . . . . . . . . . . 744.1.3 Functional integration of theelectronics . . . . . . . . . . . . . . 744.1.4 Functional and spatial integration of the sensor and actor technology . . . 764.1.5 New funct

23、ions of a mechatronic brake system. . . . . . . . . . . . . 784.2 Design of the drive unit of a simple painting system. . . . . . . . . . . . . . . 814.2.1 Selected requirements . . . . . . . . 834.2.2 System design . . . . . . . . . . . . 834.2.3 Modeling . . . . . . . . . . . . . . 844.2.4 Control

24、 structure. . . . . . . . . . . 854.2.5 Analysis of the controlled system . . 854.2.6 Identifying further possibilities forinfluence. . . . . . . . . . . . . . . 864.3 Design of an active spring/tilting module . 874.3.1 Basic construction . . . . . . . . . . 894.3.2 Modeling . . . . . . . . . . . .

25、. . 914.3.3 Hierarchical system structure . . . . 944.3.4 Analysis of the controlled system . . 954.3.5 Laboratory trials . . . . . . . . . . . 984.4 Design of integrated multicoordinatedrives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.4.1 Structures . . . . . . . . . . . . . 1004.4.2 Design process

26、 for systems with volume integration. . . . . . . . . 1014.4.3 Structural setup . . . . . . . . . . 1054.4.4 Control. . . . . . . . . . . . . . . 1084.4.5 Parameters . . . . . . . . . . . . . 1104.4.6 Fields of application. . . . . . . . 111Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Gloss

27、ary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Preliminary noteInnovative products require an interdisciplinary com-bination of mechanical engineering, electrical engi-neering and information technology. The term ”me-chatronics“ is the expression of this. In view of thissituation, a practical guid

28、eline for the systematic de-velopment of such products is necessary. The presentguideline, VDI 2206, is intended to meet this require-ment.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten

29、Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 VDI 2206 3Sie ersetzt nicht die bewhrten Leitfden wie z.B. dieVDI-Richtlinien und eingefhrte domnenspezifi-sche Entwurfsmethoden, sondern fhrt diese zusam-men. Die vorliegende Richtlinie behandelt die Ent-wicklung eines modernen mechatronischen Produk-tes

30、ganzheitlich. Damit wird eine wesentliche Grund-lage fr die Kommunikation und Kooperation derFachleute aus den beteiligten Disziplinen geschaffen.Hier liegen in der Praxis die meisten Defizite. DieRichtlinie frdert die interdisziplinre Zusammenar-beit, die sich als ein herausragender Erfolgsfaktor b

31、eider Entwicklung mechatronischer Systeme erwiesenhat.Die Richtlinie VDI 2206 ist das Ergebnis einer Ge-meinschaftsarbeit des VDI-Ausschusses A127 Ent-wicklungsmethodik fr mechatronische Systeme“.Allen ehrenamtlichen Mitarbeitern dieses Ausschus-ses sei an dieser Stelle fr ihr Engagement und daszur

32、Verfgung gestellte Fachwissen, Tabellen- undBildmaterial gedankt.Der Obmann des VDI-Richtlinienausschusses derVDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion Ver-trieb dankt allen Mitwirkenden, insbesondere demKernteam, fr die geleistete Arbeit.1 Einleitung1.1 MotivationDer globale Wettbewerb ist geprgt d

33、urch hoheInnovationsgeschwindigkeit, verkrzte Entwicklungs-und Produktlebenszyklen und steigende Kunden-erwartungen an Leistung, Qualitt und Preis zuknf-tiger Produkte. Produktinnovationen tragen in ent-scheidender Weise dazu bei, um sich in diesem globa-len Wettbewerb zu behaupten. Mechatronik einK

34、unstwort aus Mechanik und Elektronik stellt einErfolgspotenzial fr die Gestaltung zuknftiger Pro-dukte dar: Durch das enge Zusammenwirken von Ma-schinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnikwerden neue Prinziplsungen mglich, die das Kos-ten/Nutzen-Verhltnis heute bekannter Produkte er-heblich v

35、erbessern, aber auch neue, heute noch nichtbekannte Produkte stimulieren knnen. Erfolgsge-schichten wie z.B. die Entwicklung vom Plattenspielerzum tragbaren CD-Player, vom manuellen Schaltge-triebe zum adaptiven Automatikgetriebe und alltglichgewordene Produktinnovationen wie die Autofokus-kamera od

36、er der geregelte Katalysator im Fahrzeug be-legen die Leistungsfhigkeit der Mechatronik (sieheauch Textkasten Von der mechanischen zur mecha-tronischen Bremse in zwlf Dekaden“ sowieAbschnitt 4.1).It does not supersede the tried-and-tested guidelinessuch as the VDI guidelines and adopted domain-spe-c

37、ific design methods, but instead brings them to-gether. The present guideline deals with the develop-ment of a modern mechatronic product in its entirety.In this way it creates an essential basis for the com-munication and cooperation of experts in the disci-plines involved. This is where most of th

38、e deficien-cies are to be found in practice. The guidelinepromotes interdisciplinary cooperation, which hasproven to be an outstanding factor in the success ofthe development of mechatronic systems.The guideline VDI 2206 ”Entwicklungsmethodik frmechatronische Systeme“ (Development methodol-ogy for m

39、echatronic systems) is the result of collabo-rative work by VDI committee A127 ”Entwicklungs-methodik fr mechatronische Systeme“. At this pointwe would like to thank all the co-workers of this com-mittee for their commitment and also for the technicalknowledge and material for tables and figures the

40、yhave provided.The chairman of the VDI guideline committee of theVDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion Ver-trieb (VDI Society for Development, Design andMarketing) would like to thank all co-workers, in par-ticular the core team, for the work they have contrib-uted.1 Introduction1.1 MotivationTh

41、e global economy is characterized by rapid innova-tion, shortened development and product life cyclesand rising customer expectations in terms of the per-formance, quality and price of future products. Productinnovations make a decisive contribution to the way inwhich these products maintain their p

42、osition in thisglobal economy. Mechatronics a word made up ofmechanics and electronics represents a potentialmeans of successfully creating future products: theclose integration of mechanical engineering, electricalengineering and information technology makes possi-ble new fundamental solutions whic

43、h considerably im-prove the cost/benefit ratio of currently known prod-ucts, but can also provide a stimulus for new, as yetunknown products. Success stories, such as for exam-ple the development of record players into portable CDplayers and the development from the manual gearboxto the adaptive aut

44、omatic transmission, and product in-novations that have become part of everyday life, suchas the automatically focusing camera or the controlledcatalytic converter in a motor vehicle, bear testimonyto the capabilities of mechatronics (see also graphic”From the mechanical brake to the mechatronic bra

45、kein twelve decades“ and also Section 4.1).B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 20044 VDI 2206 Die Mechatronik bietet Erfolgspotenziale, stel

46、lt aberzugleich besondere Anforderungen an den Entwick-lungsprozess: Mechatronische Systeme sind aufGrund des vernetzten Zusammenspiels verschiedenerWissensdomnen durch hohe Komplexitt gekenn-zeichnet. Die Komplexitt ergibt sich auf Grund derim Vergleich zu mechanischen Systemen grerenAnzahl von ver

47、koppelten Elementen, die zudem inverschiedenen Fachdisziplinen realisiert werden(Heterogenitt). Diese Problematik ist bereits in derfrhen Phase des Entwurfs zu bercksichtigen, da dieWechselwirkungen von mechanischen, elektrotech-nischen und informationsverarbeitenden Komponen-ten das Verhalten und d

48、ie Gestalt des mechatro-nischen Gesamtsystems beeinflussen.Die Entwicklung erfolgt bislang meist getrennt in deninvolvierten Domnen auf der Basis etablierter, spe-zifischer Entwicklungsmethoden, die durch eigeneDenkweisen, Begriffswelten und Erfahrungen ge-prgt sind. Die Integration heterogener Komp

49、onentenzu mechatronischen Systemen erfordert jedochdomnenbergreifende Kommunikation und Koope-ration zwischen den beteiligten Fachdisziplinen, umeine gemeinsame Vorstellung des zuknftigen Pro-dukts zu gewinnen und eine gesamtoptimierteLsung herbeizufhren. Mit der fortschreitendenEntwicklung der Informationstechnik ist eine Viel-zahl von IT-Werkzeugen entstanden, die den Entwurfuntersttzen. Diese sind jedoch nur unzureichend in-tegrierbar; durchgngige Entwurfsumgebungen sindeben