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Fachübungen 8 – Design und Erstellen mechatronischer Systeme - Mechatroniker

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Einleitung

Im zweiten Ausbildungsjahr lernst du im Lernfeld 8, ein mechatronisches System als Zusammenspiel aus Mechanik, Sensorik, Aktorik, Energieversorgung und digitaler Steuerung zu entwerfen, rechnerisch zu prüfen und anhand von Signalen zu beurteilen. Die folgenden Fachübungen trainieren Systemanalyse, Antriebsauslegung, Positionsbestimmung, Steuerung, Regelung, Fehlereingrenzung und Dokumentation. Du bearbeitest einen durchgängig frei erfundenen Modellauftrag auf drei Niveaus. Lösungen und Kriterien sind enthalten.

Grundlage ist der KMK-Rahmenlehrplan für Mechatroniker/Mechatronikerinnen, Lernfeld 8, Seite 16 (Beschluss 1998 in der Fassung 23.02.2018; zweites Ausbildungsjahr, 140 Stunden als Zeitrichtwert). Der Beruf ist ein einheitlicher anerkannter Ausbildungsberuf mit regulär 42 Monaten Ausbildungsdauer, nicht in frei erfundene Fachrichtungen aufgeteilt. Für rechtlich verbindliche Informationen gelten die konsolidierte Mechatroniker-Ausbildungsverordnung und das BIBB-Berufsprofil; die Neufassung der Ausbildungsordnung stammt vom 28.06.2018. Dieser Kurs enthält keine Originalprüfungsaufgaben und behauptet keine ungeprüften Prüfungstermine oder -gewichtungen.

Sicherheitsrahmen: Alle Werte, Bauteile, Messreihen und Prüfprotokolle sind synthetisch. Beschriebene Prüfungen werden auf Papier oder in einer Simulation bearbeitet. Keine reale Maschinenfreigabe, keine Arbeiten an spannungsführenden Teilen und kein eigenständiges Betätigen pneumatischer, hydraulischer oder bewegter Anlagen! Reale Tätigkeiten an Energiequellen, Antrieben und Schutzeinrichtungen erfolgen ausschließlich mit qualifizierter Anleitung, betrieblicher Gefährdungsbeurteilung und vorgeschriebenen Schutzmaßnahmen. Eine gewöhnliche SPS-Programmverriegelung ersetzt keine sicherheitsgerichtete Schutzeinrichtung.

Systemaufbau und Entwurfsauftrag verstehen

Funktionsstruktur und Signalweg

Mechatronik verbindet mechanische Bewegung, elektrische Energie und Informationsverarbeitung. Ein typischer Signalweg lautet: Bedienanforderung → Sensor beziehungsweise Eingang → Steuerung → Leistungsteil → Aktor → mechanische Bewegung → Rückmeldung. Parallel dazu fließt Energie von Versorgung über Antrieb und Übertragungselement bis zur Last. Schnittstellen verbinden Teilsysteme: mechanische Anschlussmaße, elektrische Pegel, logische Signalzustände und Kommunikationsprotokolle müssen zueinander passen.

Abbildung: Speicherprogrammierbare Steuerungen als Beispiele für den Steuerungsbaustein, nicht als Anschlussanleitung.

Komponente	Funktion	Signal oder Kenngröße	Typische dokumentierte Frage
Sensor	Erfasst eine physikalische Größe oder Schaltlage	Endlage, Impulsfolge, Spannung	Was bedeutet logisch 1?
Speicherprogrammierbare Steuerung	Wertet Eingänge aus und bildet Zustände	Eingang E, Ausgang A	Welcher Zustand liegt an?
Leistungstreiber	Stellt dem Antrieb Energie bereit	Freigabe, Strom, Belastung	Ist der Treiber passend dimensioniert?
Elektromotor und Getriebe	Wandeln elektrische in mechanische Leistung und passen Drehzahl/Drehmoment an	Drehzahl, Drehmoment	Wird die Last erreicht?
Mechanische Führung	Begrenzt Freiheitsgrade und führt eine Achse	Hub, Spiel, Reibung	Wo entstehen Verluste?
Überwachungsfunktion	Reagiert auf Abweichungen und Grenzwerte	Timeout, Diagnosekennung	Was erfolgt beim Fehler?

Eine Anforderungsliste trennt Muss-Anforderungen von Wünschen: geforderter Hub, Taktzeit, Last, Genauigkeit, Platz, Energiebedarf, Schutzkonzept, Umgebungsbedingungen, Wartbarkeit und Dokumentationsumfang. Schreibe Messgrößen immer mit Zahlenwert und Einheit; „schnell“ und „präzise“ allein sind nicht prüfbar.

Ablauffolge als Zustandsmodell

Ein Entwurf beschreibt nicht nur Einzelteile, sondern Übergänge. Für eine synthetische lineare Transportachse eignen sich die Zustände Bereit, Fahren, Ziel erreicht und Störung. Ein Startsignal ist nur bei erfüllten Voraussetzungen wirksam. Während der Fahrt wird eine Rückmeldung erwartet. Meldet sich das Ziel nicht innerhalb der vorgegebenen Zeit, endet die Fahranforderung und es wird ein Fehler protokolliert. Der Status „Ziel erreicht“ folgt aus einer plausibilisierten Rückmeldung, nicht allein aus der verstrichenen Zeit.

Begriffe: Ein Zustandsautomat legt erlaubte Zustandsübergänge fest. Ein Interlock ist eine Funktionsverriegelung; daraus darf ohne gesonderten Nachweis keine Personenschutzfunktion abgeleitet werden. Eine Rückmeldung bestätigt eine beobachtete Eigenschaft; ein Sollwert ist eine Vorgabe.

Typische Fehler: Start aus einem undefinierten Zustand, falsch angenommene Signallogik, fehlender Timeout, Doppelbelegung eines Ausgangs oder unklare Priorität bei Störungen. Erstelle vor dem Programmieren eine Signalliste und prüfe die Zustände mit einer Simulation.

Sensorik, Position und Schnittstellendiagnose

Binäre und inkrementelle Positionssignale

Ein Endlagensensor meldet einen Bereich oder eine Stellung. Ein Inkrementalgeber liefert Impulse proportional zur Bewegung; mit einem Referenzereignis lässt sich daraus eine Position relativ zur Referenz bilden. Bei einem A/B-Geber zeigt die Phasenfolge die Bewegungsrichtung. Wichtig: Ein Inkrementalgeber liefert nach Spannungsverlust nicht automatisch eine absolute Position. Vierfachauswertung benötigt eine geeignete Auswerteelektronik.

Schema: Zwei Hall-Endlagensensoren an einem pneumatischen Zylinder zeigen die Erfassung der eingefahrenen und ausgefahrenen Stellung.

Diagramm: Phasenversetzte A- und B-Impulse mit Referenzmarke eines Inkrementalgebers; Beschriftung im Original teilweise englisch.

Schema: Vereinfachte Codierscheibe; drei Binärspuren illustrieren digitale Wegcodierung, sind aber nicht identisch mit dem A/B-Inkrementalgeber.

Rechenregel: Bei N Impulsen pro Geberumdrehung und Vierfachauswertung erhältst du 4 · N Zählschritte je Geberumdrehung. Bei einem Getriebe mit Übersetzung i = n_Motor / n_Abtrieb und einem wirksamen Rollenradius r gilt bei schlupffreier Bewegung für die Wegeinheit: s_pro_Schritt = (2 · π · r) / (4 · N · i). Das ist eine theoretische Auflösung, nicht automatisch die absolute Positioniergenauigkeit. Mechanisches Spiel, Sensortoleranzen, Schlupf und Zeitverzögerungen können größere Abweichungen verursachen.

Fehler systematisch eingrenzen

Ordne jedem Signal eine eindeutige Bezeichnung zu. Vergleiche die erwartete Zustandsfolge mit einer synthetischen Ereignisliste. Gehe vom Symptom zur überprüfbaren Hypothese: Ist der Eingangszustand falsch? Fehlt ein Freigabesignal? Ist die Rückmeldung zeitlich unplausibel? Ist der Unterschied zwischen Soll- und Istposition erklärbar? Verändere niemals auf Verdacht Sicherheitsgrenzen.

Simulierter Zeitpunkt	START	Sensor Anfang	Sensor Ziel	Fahrbefehl	Diagnose
0,0 s	1	1	0	1	Start angenommen
0,2 s	0	0	0	1	Achse simuliert in Bewegung
1,8 s	0	0	1	0	Normalfall: Ziel vor Zeitlimit
2,0 s im Fehlerfall	0	0	0	0	Timeout; Ziel fehlt; Störmeldung

Fehlerdiagnose: In der unteren Zeile ist nur belegt, dass bei Fristablauf kein Zielsignal vorliegt. Daraus folgt nicht, ob ein Sensor, die mechanische Bewegung, die Auswertung oder eine Leitung die Ursache ist. Weitere Simulationen und dokumentierte Vergleichsdaten sind nötig. Prüfe Plausibilität, Zeitstempel, Einheit und Signalpolarität. Ein isolierter hoher Stromwert beweist ebenfalls keine bestimmte Fehlerursache.

Antriebe, Übersetzung und mechanische Auslegung

Drehzahl, Drehmoment und Wirkungsgrad

Die gewünschte lineare Geschwindigkeit ist v = s / t. Für eine Rolle mit Radius r gilt bei schlupffreier Bewegung n_Abtrieb = v / (2 · π · r) als Umdrehungen pro Sekunde. Für die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute multiplizierst du mit 60. Die Übersetzung i = n_Motor / n_Abtrieb ist dimensionslos. Bei idealisierter Kraft F und Radius r gilt M_Abtrieb = F · r. Mit dem gesamten mechanischen Wirkungsgrad η gilt näherungsweise M_Motor = M_Abtrieb / (i · η). Die mechanische Eingangsleistung beträgt P_Motor,mechanisch = F · v / η. Verwechsle das nicht mit elektrischer Eingangsleistung; für diese ist zusätzlich der Motorwirkungsgrad zu berücksichtigen.

Foto: Mechanische Planetengetriebe-Baugruppe als Beispiel für die Drehmoment- und Drehzahlanpassung.

Kennliniendiagramm: Qualitativer Drehmoment-Drehzahl-Zusammenhang eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Das Bild ersetzt keine Datenblatt-Kennlinie eines ausgewählten Antriebs.

Größe	Formel beziehungsweise Ansatz	Einheit	Häufiger Fehler
Geschwindigkeit	v = s / t	m/s	Millimeter nicht in Meter umgerechnet
Winkelgeschwindigkeit	ω = 2 · π · n mit n in 1/s	rad/s	U/min ohne Umrechnung verwendet
Mechanische Leistung	P = M · ω	W	Elektrische und mechanische Leistung gleichgesetzt
Abtriebsdrehmoment	M = F · r	N·m	Durchmesser statt Radius eingesetzt
Übersetzung	i = n_Motor / n_Abtrieb	1	Richtung der Übersetzung vertauscht
Wirkungsgrad	η = Nutzleistung / zugeführte Leistung	1	Verluste ignoriert

Freiheitsgrade, Kopplung und Überlast

Eine lineare Führung soll die gewünschte translatorische Bewegung zulassen und unerwünschte Freiheitsgrade begrenzen. Kupplungen gleichen je nach Bauart geringe Fluchtungsabweichungen aus oder übertragen Drehmomente starr; sie sind kein Ersatz für eine korrekte Lagerung. Bei einer Übersetzung steigen bei verringerter Abtriebsdrehzahl unter idealisierten Bedingungen die verfügbaren Abtriebsmomente. Reale Verluste und zulässige Drehmomente begrenzen das Ergebnis.

Überlastschutz wird aus den realen Herstellerdaten, thermischen Randbedingungen, mechanischer Belastbarkeit und Risikobeurteilung bestimmt. Ein pauschaler Faktor ersetzt weder Motorschutz noch Sicherheitsfunktionen. Für die Fachübung wird ein frei vorgegebener rechnerischer Reservefaktor genutzt; aus ihm darf keine Einstellung an einer realen Anlage abgeleitet werden.

Animation: Grundbewegung eines pneumatischen Zylinders als alternative Aktorik zum elektrischen Lineartrieb. Die Auslegungsrechnung für den Modellfall unten betrifft dagegen einen elektrischen Motor.

Video: EduVision – Technical Education: Doppeltwirkender Zylinder im Simulationsprogramm FLUIDSIM (2023); Anschauen und analysieren, nicht ohne Fachaufsicht nachbauen.

Steuerungsentwurf, Regelkreis und sichere Simulation

Steuern gegenüber Regeln

Beim Steuern entsteht die Stellgröße aus Vorgaben und Eingängen, ohne dass die betrachtete Ausgangsgröße laufend als Abweichung zum Sollwert zurückgeführt werden muss. Beim Regeln wird die Istgröße gemessen, mit dem Sollwert verglichen und die Stellgröße anhand der Regelabweichung verändert. Für eine Drehzahlregelung gehören Sollwert, Vergleichsstelle, Regler, Antrieb als Regelstrecke und Drehzahlsensor in den geschlossenen Kreis. Ein einfacher Fahrbefehl mit Endlagenabschaltung ist deshalb noch keine kontinuierliche Positionsregelung.

Blockschaltbild: Aufbau eines PID-Regelkreises (englische Beschriftung). P reagiert proportional auf aktuelle Regelabweichung, I berücksichtigt die aufsummierte Abweichung, D die Änderungsrate. Eine Reglerwahl verlangt eine geeignete Modellierung der Strecke.

Video: F.M.H. Studios: Begriff „Regelkreis“ (2016), ergänzende Erklärung zur Rückkopplung.

Ablaufalgorithmus und Schnittstellenprüfung

Das folgende Beispiel ist herstellerunabhängiger Pseudocode für eine Simulation, kein zertifiziertes SPS-Programm und keine Sicherheitssteuerung:

Zustand := BEREIT
wenn Start und Modellfreigabe und Sensor_Anfang:
    Zustand := FAHREN
    Zeit_bei_Start := Simulationszeit
wenn Zustand = FAHREN:
    wenn Sensor_Ziel:
        Fahrbefehl := AUS
        Zustand := ZIEL
    sonst wenn Simulationszeit - Zeit_bei_Start >= Zeitlimit:
        Fahrbefehl := AUS
        Zustand := STOERUNG
    sonst:
        Fahrbefehl := EIN
sonst:
    Fahrbefehl := AUS

Bei gleichzeitiger Zielmeldung und Zeitlimit ist im Beispiel die Zielabfrage vorrangig. Diese Priorität muss im Anforderungsdokument begründet und im Test berücksichtigt werden. Sicherheits-Stopp, Schutzhaube, sicherheitsgerichtete Abschaltung und Wiederanlaufbedingungen werden hier ausdrücklich nicht implementiert; sie benötigen eine gesondert fachgerecht entwickelte und geprüfte Sicherheitslösung.

Schaltungsskizze: H-Brücke zur Richtungsumkehr eines Gleichstrommotors in einem Demonstrationsaufbau (italienische Beschriftung); kein freigegebener Schaltplan für Maschinen.

Simulationsprüfung: Testfälle umfassen zulässigen Start, Start ohne Anfangssignal, normalen Endlagenwechsel, ausbleibende Rückmeldung, widersprüchliche Endlagen und erneuten Start nach Störung. In eine Testtabelle gehören Erwartung, Istbeobachtung, Abweichung und Entscheidung. Veränderungen an Schnittstellen sind mit Datum, Versionskennung und begründeter Änderung im Schaltplan und in der Signalliste nachzuführen.

Berufstypischer Modellfall: elektrische Positionierachse

Auftrag und synthetische Eckdaten

Eine fiktive Anlage „M-8“ soll kleine, ungefährliche Prüfplättchen auf einem eingehaust gedachten Fördermodul über 160 mm transportieren. Für die Übung wird eine motorgetriebene Rolle mit Riemen angenommen. Gewünschte Fahrzeit höchstens 2,0 s, wirksamer Rollenradius 20 mm, vereinfachte erforderliche Vorschubkraft inklusive normaler Widerstände 90 N, mechanischer Gesamtwirkungsgrad der Übertragung 0,75, vorgesehene Motornenndrehzahl 1.200 U/min. Für die überschlägige Bauteilauswahl soll die notwendige Kraft mit einem reinen Übungsreservefaktor von 1,5 betrachtet werden. Ein fiktiver Motor A liefert bei 1.200 U/min ein Nennmoment von 0,15 N·m. Das sind keine Daten für eine Maschinenzulassung.

Vollständiger Rechenweg und begründete Auswahl

Schritt 1 – Sollgeschwindigkeit: 160 mm = 0,160 m. v = 0,160 m / 2,0 s = 0,080 m/s.

Schritt 2 – Rollendrehzahl: Rollen-Umfang u = 2 · π · 0,020 m = 0,12566 m. n_Abtrieb = 0,080 / 0,12566 = 0,6366 1/s = 38,20 U/min.

Schritt 3 – Übersetzung: i = 1.200 / 38,20 = 31,4. Die Übung nimmt ein ideales verfügbares Übersetzungsverhältnis 31,4:1 an; eine reale Auswahl muss verfügbare Stufen und Kennlinien prüfen.

Schritt 4 – Kraft und Lastmoment: Die unskalierte Modellkraft ist 90 N. Bei dem Übungsreservefaktor 1,5 beträgt die rechnerisch zugrunde gelegte Auslegungskraft 135 N. M_Abtrieb = 135 N · 0,020 m = 2,70 N·m.

Schritt 5 – erforderliches Motormoment: M_Motor,erf = 2,70 / (31,4 · 0,75) = 0,1146 N·m. Motor A mit 0,15 N·m überschreitet den rechnerischen Modellbedarf. Er ist damit für die vereinfachte Übung vorläufig geeignet, nicht real freigegeben. Temperatur, Anlaufmoment, Betriebsart, Bauteilfestigkeit, Bremsung und Schutzfunktionen bleiben offen.

Schritt 6 – Kontrollrechnung: Ohne den zusätzlichen Reservefaktor beträgt die erforderliche mechanische Motorleistung am modellierten Betriebspunkt P = 90 N · 0,080 m/s / 0,75 = 9,60 W. Mit Übungsreserve 1,5 wären es 14,4 W. Für Motor A ergibt sich am genannten Nennpunkt P = 0,15 N·m · 2 · π · 1.200 / 60 = 18,85 W mechanisch. Die Angaben sind in sich plausibel, aber ohne reale Kennlinie keine Betriebsgarantie.

Schritt 7 – Positionsinformation: Angenommen, ein Motor-Geber erzeugt 500 Impulse pro Motorumdrehung und die Simulation nutzt Vierfachauswertung. Dann sind es 2.000 Zählschritte je Motorumdrehung. Bei 160 mm Hub sind 0,160 / 0,12566 = 1,273 Rollen-Umdrehungen zu erwarten; mit Übersetzung 31,4 ergeben sich rund 40 Motorumdrehungen und damit rund 80.000 Zählschritte. Die Näherung setzt schlupffreien Transport voraus. Eine Endlagen-Rückmeldung plausibilisiert das Ergebnis, ersetzt aber keine normgerechte Positions- oder Sicherheitsüberwachung.

Testprotokoll, Fehlerdiagnose und Musterarbeitsprodukt

Prüffall im Simulator	Vorgabe	Synthetischer Befund	Fachliche Entscheidung
Nennfahrt	Ziel bis 2,0 s	Ziel bei 1,8 s, Fahrbefehl aus	Modelltest bestanden
Fehlende Zielrückmeldung	Abschalten bis 2,0 s	Bei 2,0 s kein Ziel, Fahrbefehl aus, Diagnose Timeout	Fehler sicher im Modellzustand behandelt; Ursache offen
Kein Anfangssignal	Nicht starten	Start = 1, Anfang = 0; Fahrbefehl bleibt aus	Modelltest bestanden
Unplausible Sensoren	Widerspruch melden	Anfang = 1 und Ziel = 1 zugleich	Zusatzdiagnose entwerfen und nachtesten

Musterarbeitsprodukt – Kurzprotokoll M-8, Version 1.0: Anforderungen Hub 160 mm, Fahrzeit höchstens 2,0 s. Antriebsauslegung v = 0,080 m/s, Abtrieb 38,20 U/min, i = 31,4, Auslegungsmoment 0,1146 N·m, fiktiver Motor A mit 0,15 N·m. Signale: Start, Anfang, Ziel, Fahrbefehl, Timeout, Diagnose. Das normale Simulationsszenario erfüllt die Fahrzeit. Beim fehlenden Zielsignal erfolgt die definierte Modellreaktion Timeout; die Fehlerursache wird erst nach ergänzender Analyse bewertet. Die widersprüchliche Sensorkombination wurde als offener Änderungsbedarf dokumentiert. Ergebnis: Simulation teilweise bestanden; keine Freigabe einer realen Anlage.

Musteränderung Version 1.1: Ergänze die Zustandsregel „Sind Anfang und Ziel gleichzeitig aktiv, wird ein Plausibilitätsfehler gemeldet und kein Fahrbefehl erzeugt“. Überarbeite Signalliste, Zustandsdiagramm, Pseudocode und Testfall. Prüfe anschließend alle bestehenden Testfälle erneut als Regressionstest.

Bewertungsraster für den Modellfall

Kriterium	Punkte	Erfüllungsmaßstab
Anforderungs- und Systemanalyse	4	Hub, Zeit, Energie- und Signalfluss fachlich richtig beschrieben
Rechenweg und Einheiten	6	Geschwindigkeit, Abtriebsdrehzahl, Übersetzung, Drehmoment und Leistungsprüfung nachvollziehbar
Signal- und Zustandslogik	4	Eindeutige Eingänge, Zustandsübergänge und Timeout berücksichtigt
Fehleranalyse	3	Befund und Hypothese getrennt; mindestens zwei weitere Prüfideen
Dokumentation und Sicherheit	3	Versioniertes Protokoll, offene Punkte und fehlende reale Freigabe klar benannt
Gesamt	20	18–20 sehr sicher, 15–17 sicher, 11–14 grundlegende Leistung, bis 10 Überarbeitung

Lösungsqualität: Die Auswahl von Motor A kann im synthetischen Modell begründet werden, wenn der vollständige Rechenweg stimmt. Wer dagegen behauptet, Motor A sei durch diese Rechnung real sicher, verliert Punkte in Dokumentation und Sicherheit. Für den Transfer erläutere zusätzlich mindestens einen fehlenden Datenblattwert und einen möglichen mechanischen Fehler.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Fachwissen anwenden

Womit beginnt eine überprüfbare Anforderung an eine Positionierachse? (Mit messbarem Hub und maximal zulässiger Fahrzeit) (!Mit einer nur geschätzten Motorfarbe) (!Mit der Auswahl irgendeines Sensors) (!Mit dem späteren Ausblenden aller Grenzwerte)

Rückmeldung: Messbare Anforderungen ermöglichen den späteren Soll-Ist-Vergleich; eine Bauteilwahl ohne Lastenheft wäre voreilig.

Welche Komponente gibt die Position einer Achse als Sensorsignal zurück? (Ein geeigneter Positionssensor) (!Eine starre Abdeckung ohne Sensor) (!Ein ungekennzeichnetes Kabel) (!Eine beliebige mechanische Schraube)

Rückmeldung: Ein Positionssensor erzeugt aus der erfassten Lage ein auswertbares Signal; die Auswertung muss zum Sensortyp passen.

Welcher Ausdruck liefert die mittlere Geschwindigkeit bei bekanntem Weg und bekannter Zeit? (Weg geteilt durch Zeit) (!Zeit multipliziert mit Weg) (!Zeit geteilt durch Kraft) (!Drehmoment geteilt durch Spannung)

Rückmeldung: v = s / t; bei 0,160 m und 2 s ergeben sich 0,080 m pro Sekunde.

Welche Einheit gehört zum Drehmoment? (Newtonmeter) (!Meter pro Sekunde) (!Wattstunden pro Meter) (!Umdrehungen pro Sekunde)

Rückmeldung: Das Drehmoment ist Kraft mal senkrechter Hebelarm; daher N·m statt N oder W.

Wie wirkt ein mechanischer Wirkungsgrad unter eins bei gleichem gefordertem Abtriebsmoment? (Der benötigte Antrieb muss die Verluste mit abdecken) (!Die Verluste erhöhen automatisch die nutzbare Leistung) (!Das erforderliche Motormoment wird immer null) (!Der Übersetzungsfaktor entfällt grundsätzlich)

Rückmeldung: Weil nicht die gesamte Eingangsleistung als Nutzleistung ankommt, muss der Wirkungsgrad in der Auswahlrechnung berücksichtigt werden.

Was kennzeichnet einen geschlossenen Regelkreis? (Die Istgröße wird zurückgeführt und mit der Vorgabe verglichen) (!Der Sollwert wird niemals verwendet) (!Es existieren grundsätzlich keine Sensoren) (!Eine Rückmeldung ist ausdrücklich ausgeschlossen)

Rückmeldung: Rückführung und Soll-Ist-Vergleich sind Merkmale der Regelung; eine reine Ablaufsteuerung ist nicht automatisch eine Regelung.

Was bedeutet es, wenn eine Endlage vor dem eingestellten Zeitlimit nicht zurückgemeldet wird? (Die Diagnose muss eine fehlende Zielrückmeldung festhalten) (!Der Sensor ist damit als einzige Ursache bewiesen) (!Die Achse ist automatisch mechanisch zerstört) (!Ein Sicherheitstest darf entfallen)

Rückmeldung: Der Fehlerzustand steht fest, seine physikalische Ursache jedoch nicht; weitere Mess- und Plausibilitätsdaten sind erforderlich.

Welche Aussage zur Vierfachauswertung eines Inkrementalgebers ist richtig? (Sie kann vier Zählschritte pro ursprünglichem Impulszyklus liefern) (!Sie liefert immer absolute Positionen ohne Referenz) (!Sie beseitigt mechanisches Spiel vollständig) (!Sie macht Endlagenplausibilisierung überflüssig)

Rückmeldung: Die zusätzliche Flankenauswertung erhöht die Zählauflösung, nicht automatisch die Messgenauigkeit oder die absolute Kenntnis der Achsenlage.

Welche Maßnahme ist für einen überarbeiteten Simulationsablauf fachlich sinnvoll? (Die Änderung versionieren und alte Testfälle erneut durchführen) (!Alle bisherigen Fehlerberichte löschen) (!Nur die sichtbare Bildschirmfarbe prüfen) (!Einen fehlgeschlagenen Test als bestanden markieren)

Rückmeldung: Nach Änderungen sind Dokumente und Regressionstests nötig, damit keine frühere Funktion unbemerkt verschlechtert wird.

Welche Aussage zur Sicherheit gilt für das Übungsprogramm? (Eine normale SPS Funktionslogik ist kein Ersatz für eine geprüfte Sicherheitsfunktion) (!Ein Zeitlimit genügt immer als vollständiger Personenschutz) (!Ein erfolgreicher Modelltest erlaubt reale Maschinenfreigabe) (!Auszubildende dürfen Schutzfunktionen eigenständig überbrücken)

Rückmeldung: Sicherheitsfunktionen verlangen qualifizierte Planung, Risikobeurteilung, passende Komponenten und fachgerechte Prüfung; die Übung erteilt keine Freigabe.

Memory

Sollwert	Gewünschte Größe für einen Vergleich
Istwert	Gemessener aktueller Wert
Endlagensensor	Meldet eine definierte Stellung
Übersetzung	Verhältnis von Antriebs- zu Abtriebsdrehzahl
Wirkungsgrad	Verhältnis von Nutz- zu zugeführter Leistung
Timeout	Reaktion auf Überschreitung eines Zeitlimits

Drag-and-drop

Ordne jedem Begriff die passende Fachbeschreibung zu.	Beschreibung
Lastenheft	Beschreibt überprüfbare Anforderungen an eine Lösung
Signalplan	Dokumentiert Eingänge und Ausgänge eines Systems
Getriebe	Passt Drehzahl und Drehmoment an
Regler	Bildet eine Stellgröße aus der Regelabweichung
Prüfprotokoll	Vergleicht erwartete und beobachtete Ergebnisse

Kreuzwort

Sensor	Welcher Baustein erfasst eine physikalische Größe?
Aktor	Welcher Baustein setzt ein Steuersignal in Wirkung um?
Drehzahl	Welche Größe zählt Umdrehungen pro Zeit?
Kupplung	Welches Maschinenelement verbindet drehende Wellen?
Getriebe	Welches Bauteil verändert die Drehzahlanpassung?
Sollwert	Wie heißt der vorgegebene Zielwert einer Regelung?

LearningApps

Suche nach geeigneten externen Zuordnungsübungen zu Mechatronik, Antrieb, Sensorik und Steuerung. Die angezeigten Treffer sind nicht automatisch fachlich geprüft:

Lückentext

Ein mechatronisches System verbindet Mechanik mit Sensorik und

.

Ein überprüfbarer Entwurf beginnt mit einer

.

Der Weg geteilt durch die Zeit ergibt die

.

Das Produkt aus Kraft und Hebelarm heißt

.

Das Verhältnis von Motor- zu Abtriebsdrehzahl ist die

.

Ein Wirkungsgrad unter eins beschreibt vorhandene

.

Beim geschlossenen Regelkreis wird die Istgröße an die Vergleichsstelle

.

Ein Sensor für eine definierte Endposition heißt

.

Bei fehlender Zielmeldung nach Ablauf des Zeitlimits meldet das Modell einen

.

Nach einer Änderung dokumentiert man mindestens die neue

.

Offene Aufgaben

Bearbeite vier Aufgaben je Niveau. Reale Schaltungen und gefährliche Versuche bleiben ausgeschlossen; Skizzen, Tabellen, Texte und Simulationen reichen. Nutze jeweils das fachliche Prüfkriterium in der Aufgabenbeschreibung.

Leicht

Systemskizze: Zeichne Sensor, SPS, Treiber, Motor, Getriebe und Achse mit gerichteten Signal- und Energiepfeilen. Lösungskriterium: beide Flüsse korrekt unterschieden.
Signalliste: Ordne fünf fiktiven Signalen ihre Aufgabe und ihren logischen Zustand zu. Lösungskriterium: eindeutige Namen sowie Start-, Ziel- und Diagnosefunktion.
Hubzeit: Berechne v für s = 0,120 m und t = 3 s. Musterlösung: 0,040 m/s mit Einheit.
Begriffe: Erkläre Sollwert, Istwert, Steuern und Regeln an der fiktiven Achse. Lösungskriterium: Rückkopplung nur bei Regelung klar bezeichnet.

Standard

Rollenübersetzung: Berechne für r = 0,025 m, v = 0,10 m/s und 1.500 U/min die notwendige Übersetzung. Musterlösung: n_Abtrieb rund 38,2 U/min und i rund 39,3.
Antriebsauswahl: Bestimme bei F = 100 N, r = 0,020 m, i = 25 und η = 0,8 das Motormoment. Musterlösung: 0,100 N·m; Auswahl benötigt zusätzliche Randbedingungen.
Signaldiagnose: Werte die vier simulierten Zeilen aus dem Kapitel Sensorik aus und formuliere drei Ursachenhypothesen zum Timeout. Kriterium: Befund klar von Vermutung getrennt.
Zustandsdiagramm: Entwirf vier Zustände mit Start-, Ziel- und Timeout-Übergängen. Kriterium: kein Fahrbefehl im Störzustand; widersprüchliche Sensoren werden erkannt.

Schwer

Geberauflösung: Berechne die theoretische Wegauflösung für r = 0,020 m, i = 20, N = 500 und Vierfachauswertung. Musterlösung: ungefähr 0,00314 mm je Zählschritt; unterscheide Auflösung von realer Genauigkeit.
Regelstrategie: Vergleiche eine offene Drehzahlvorgabe mit einer geschlossenen Drehzahlregelung bei wechselnder Last. Kriterium: Rückführung, Sensorik, Stellgröße und Grenzen nachvollziehbar.
Änderungsprüfung: Ergänze im Modell M-8 die Plausibilitätsprüfung beider Endlagen und erstelle fünf Regressionstests mit Soll- und Istwert. Kriterium: Versionsstand, Prioritäten und Fehlreaktionen dokumentiert.
Entwurfsentscheidung: Stelle zwei fiktive Antriebsvarianten in einer Entscheidungsmatrix nach Kraft, Fahrzeit, Energie, Kosten, Wartung und Sicherheit gegenüber. Kriterium: Annahmen transparent; keine reale Maschinenfreigabe behauptet.

Lernkontrolle

Analyse: Erläutere, welche Informationen einer Anforderungsliste zur Wahl von Motor, Übersetzung und Sensor fehlen können. Erwartet werden begründete Abhängigkeiten und konkrete Datenarten.
Fachrechnen: Prüfe für eine fiktive Rolle r = 0,015 m, Last F = 120 N, i = 30 und η = 0,75 das erforderliche Motormoment. Lösung: 120 · 0,015 / 22,5 = 0,080 N·m.
Diagnose: Simuliere den Fall „Start vorhanden, Anfangssensor aktiv, Zielsignal kommt nicht“ und schlage zwei weitere Prüfungen vor. Trenne Messbefund, Hypothese und Maßnahme.
Datenanalyse: Ein Simulator erwartet 80.000 Zählschritte, meldet aber nur 64.000. Berechne die prozentuale Abweichung vom Soll. Lösung: 20 Prozent unter dem Erwartungswert; Ursache damit nicht bestimmt.
Übertragung: Übertrage die vier Zustände von der Transportachse auf einen fiktiven automatischen Schieber und benenne die veränderten Sensoren und Fehlerfälle.
Prüfnachweis: Begründe, warum eine erfolgreiche Simulation, eine Motorberechnung und eine normale SPS-Verriegelung gemeinsam trotzdem keine Freigabe einer echten Maschine ergeben.

Lernnachweis

Dein Lernportfolio enthält Wissen: eine präzise Begriffskarte für Signalweg, mechanische Leistung, Rückmeldung, Übersetzung und Störgrößen. Als Fertigkeiten dokumentierst du drei vollständige, einheitenrichtige Rechnungen, ein eigenes Zustandsdiagramm, eine Signalliste und eine begründete Fehleranalyse. Als Produkte lieferst du Anforderungsliste, beschriftete Systemskizze, mindestens fünf simulierte Testfälle, Änderungsstand und ausgefülltes 20-Punkte-Bewertungsraster. Der Transfer besteht in der begründeten Gegenüberstellung zweier Aktoren und der Erklärung, welche Grenzen das synthetische Modell bei realen Maschinen hat.

Musterbewertung: Fachlich überzeugend sind ein nachvollziehbarer Rechenweg, überprüfbare Anforderungen, widerspruchsfreie Signalzustände und die explizite Trennung von Beobachtung, Hypothese, Simulation und realer Freigabe. Auch begründete Hinweise auf nicht verfügbare Kennlinien, Toleranzen und Sicherheitsnachweise sind ein positives Ergebnis.

OER und Wikipedia

Berufliche Grundlagen und Normquellen:

KMK: Rahmenlehrplan Mechatroniker/Mechatronikerin, Lernfeld 8 auf S. 16 – amtliche curricular-inhaltliche Quelle, kein freier Bildlizenznachweis.
BIBB: Mechatroniker/Mechatronikerin – Berufsprofil, Ausbildung und Verordnungszugang.
Mechatroniker-Ausbildungsverordnung – aktuelle konsolidierte Rechtsfassung als maßgebliche Normquelle.
Speicherprogrammierbare Steuerung, Inkrementalgeber, Regelungstechnik, Getriebe, Elektromotor – fachliche Ergänzungen in MediaWiki beziehungsweise Wikipedia; eigenständig gegen Fachliteratur und Normen prüfen.

Bildmaterial – geprüfte Wikimedia-Commons-Dateiseiten und Rechte (Einbettung setzt voraus, dass MOOCwiki die Commons-Datei über seine Medienkonfiguration einbinden kann; andernfalls führt der Quellenlink zur Originaldatei):

Datei	Verifizierte Quelle	Urheber laut Commons	Lizenzhinweis laut Datei
File:Programmable logic controller.jpg	Commons-Dateiseite	Bisgaard	CC BY-SA 3.0 / GFDL
File:Cylinders with Hall sensors.png	Commons-Dateiseite	IMeowbot	CC BY-SA 3.0
File:AB Signal and Ref.svg	Commons-Dateiseite	MatthiasDD	Lizenzdetails auf Commons-Dateiseite nachlesen
File:Encoder disc (3-Bit binary).svg	Commons-Dateiseite	Cburnett	GFDL und Lizenzangaben der Datei beachten
File:Planetary gears train.jpg	Commons-Dateiseite	Sergiy Sheyko	CC BY-SA 4.0
File:Brushless DC Electric Motor Torque-Speed Characteristics.png	Commons-Dateiseite	Ken962	CC BY-SA 3.0 / GFDL
File:Pneumatic cylinder (animation).gif	Commons-Dateiseite	Kamarton	GFDL und weitere Lizenzangaben auf Commons
File:PID en updated.svg	Commons-Dateiseite	TravTigerEE	CC BY-SA 3.0
File:Controllo motore DC con Arduino.svg	Commons-Dateiseite	Giacomo Alessandroni	CC BY-SA 4.0

Videos und Nutzungsrechte: EduVision – Technical Education: Grundlagen Pneumatik, Video 2 (2023) und F.M.H. Studios: Regelkreis, Begriffserklärung (2016). Die verlinkten Videos sind öffentlich auffindbare Inhalte der genannten Herausgeber. Die Einbettung im offiziellen YouTube-Player bedeutet nicht CC-Lizenz oder freie Weiterverwertung; Rechte bleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern. Keine Sofatutor-Inhalte.

Wikipedia als ergänzendes Nachschlagewerk: Mechatronik, Regelungstechnik, Speicherprogrammierbare Steuerung.

Die erklärenden Abschnitte, Aufgaben, synthetischen Daten und Musterlösungen dieses aiMOOC wurden eigens für den Kurs verfasst. Bild- und Videolizenzen gelten jeweils separat; amtliche Quellen sind nicht pauschal als freie Bildmedien lizenziert.