OMD - ein Objektmodell für den Mechatronikentwurf: Anwendung in der objektorientierten Modellbildung mechatronischer Systeme unter Verwendung von Mehrkörpersystemformalismen
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1999
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Verein Deutscher Ingenieure: [Fortschritt-Berichte VDI / 20]
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| adam_text | Titel: OMD - ein Objektmodell für den Mechatronikentwurf
Autor: Hahn, Martin
Jahr: 1999
Inhalt
1 Einleitung 1
1.1 Motivation 2
1.2 Modellbildung, eine Entwurfstechnik für mechatronische Systeme 6
2 Modellvorstellungen und Stand der Technik 9
2.1 Modelle in der Mechatronik 10
2.1.1 Topologische Modelle 11
2.1.2 Mathematische Modelle 12
2.1.3 Modellbildungswerkzeuge zum Entwurf mechatronischer Systeme 12
A. Kombination von Werkzeugen 13
A.l Werkzeuge der Einzeldomänen 13
A.2 Modellintegration 16
B. Multidomänenansätze 18
C. Zusammenfassung 19
2.2 Modellvorstellungen der Konstruktionssystematik 20
2.2.1 Nutzung struktureller Zusammenhänge im Entwurfsprozeß 21
2.2.2 Vorschlag einer erweiterten Wirkstruktur 22
2.2.3 Nutzung topologischer fachspezifischer Modelle als Entwurfsbasis 23
2.3 Modell der Objektorientierung 23
2.3.1 Objektmodell 24
A.Abstraktion 24
B. Kapselung 25
C. Modularität 25
D.Hierarchie 25
2.3.2 Objektorientierte Programmierung 27
A. Objektorientierte Programmiersprachen 27
B.Objekte 28
C. Klassen 2K
D. Metaklassen 28
E. Beziehungen zwischen Klassen und Objekten 29
F. Verhalten und das Versenden von Botschaften 29
2.3.3 Objektorientierte Softwareentwurfstnethodiken 30
3 Objektmodell des Mechatronikdesigns (OMD) 35
3.1 Domänenmodell der Mechatronikmodellbildung 37
3.2 Organisationsprinzipien objektorientierter Mechatronikmodelle 41
3.2.1 Koordinierte 3-Ebenen-Modellbildung 41
3.2.2 Modular-hierarchische Modellbildung mechatronischer Systeme 43
3.2.3 Objektorientierte Modellbildung mechatronischer Systeme 47
A. Objective-DSS-Metaklassen 47
B. Objective-DSS-Klassen 50
C. Kommunikation von Objekten mit Hilfe von Botschaften 51
D. Sharing von Bauelementklassen in Objective-DSS 52
3.3 Graphenbasierte Repräsentation, Analyse und Transformation mechatronischer Systeme 54
3.4 Workflowmodell für den Entwurf mechatronischer Systeme 57
3.4.1 Schnittstellenobjekte der Workflowprozesse 59
3.4.2 Modelle 60
A. Anforderungsmodelle 60
B. Analysemodelle 61
C. Modular-hierarchische topologieorientierte Systemmodelle 61
3.4.3 Workflowprozesse und ihre Modelle 63
A. Querverbindungen zur objektorientierten Modellbildung mechatr. Systeme 64
B. Graphische Notation der Workflowprozeßmodelle 65
C. Entwicklungsprozeß 65
D. Entwurfsprozeß 67
E. Modellbildungsprozeß 67
4 Mehrkörpersysteme und -formalismen 71
4.1 Mehrkörpersysteme 72
4.1.1 Topologie von Mehrkörpersystemen 74
4.1.2 Kinematische Bindungen in Mehrkörpersystemen 76
4.2 Mehrkörpersystemformalismen 76
4.2.1 Verwendete MKS-Formalismen und ihre Vor-und Nachteile 78
4.3 Formalismus der dynamischen Bindungen 83
4.3.1 Allgemeines 83
4.3.2 Mathematische Beschreibung der Mehrkörpersystembauelemente 87
A. Starre Körper 87
B. Umgebungsmodelle 90
C. Bindungen 91
D. Bindungs-/Bauteil-Konnektoren 93
E. Mechanische Aktoren 94
5 Domänenbasierte Modellbildung mit Objective-DSS 95
5.1 Grundaufbau von Objective-DSS-Beschreibungselementen 96
5.1.1 Modellklassen in Objective-DSS 98
A. Klassendefinition 100
B. Schnittstellendefinition 101
C. Implementierung 103
D.Verhalten 103
E. Beispiel: Objektorientierte Modellbildung von Eingrößenreglern 104
5.1.2 Parametrisierungen (ParametrizationOdss) 107
5.1.3 Mathematische Objekte und Gleichungen 109
5.2 Bauelementklassen regelungstechnischer, gleichungsorientierter Systeme 113
5.2.1 Nichtlineare Zustandsraumbeschreibung (StateSpaceOdss) 113
5.2.2 Lineare Zustandsraumbeschreibung (LinearStateSpaceOdss) 116
5.2.3 Kennlinien und -felder (Table2dOdss und Table3ä0dss) 118
5.3 Bauelementklassen der Mehrkörperdynamik 119
5.3.1 Starre Körper (RigidBodyMbs) 121
5.3.2 Umgebungsmodelle (EnvironmejitMbs) 125
5.3.3 Gelenke (JointMbs und JointSpringDawperHbs) 129
A. Gelenke der Klasse JointMbs 130
B. Gelenke der Klasse JointSpringDamperMbs 133
5.3.4 Bindungs-/Bauteil-Konnektoren (PartPairConnectorMbs) 134
5.3.5 Mechanische Aktoren (ActuatorMbs) 138
5.4 Hierarchische Elemente 141
5.4.1 Topologiediagrammelemente (MecbatronicHcsOdss) 141
5.4.2 Blockdiagrammelemente (MathematicHcsOdss) 145
6 Graphenbasierte Repräsentation, Analyse und Transformation mechatroni-
scher Systeme 149
6.1 Graphen und Algorithmen 150
6.2 Modular-hierarchische Graphen 153
6.3 Systemtopologie und -hierarchie 154
6.4 Ableitung domänenspezifischer Teilsysteme 156
6.5 Bestimmung kinematischer Schleifen in Mehrkörpersystemen 15S
6.6 Berechnung der Absolutkoordinaten in Mehrkörpersystemen 161
6.7 Ableitung des mathematischen Modells 161
6.7.1 Konzeptionelle Gesichtspunkte 163
6.7.2 Anmerkungen zum implementierten Ableitungsformalismus 164
6.7.3 Struktur des Ableitungsalgorithmus 166
6.7.4 Ableitung des mathematischen Modells der Mehrkörperteilsysterne 16H
7 Anwendungsbeispiele 171
7.1 OMD-basierte Werkzeuge 172
7.1.1 Die Modellbildungsumgebung MOOMo 173
7.1.2 Graphikunterstützte Modellbildung mit Visual-MOOMo 174
7.1.3 Applikationsspezifische Oberflächen 175
7.2 Anwendungsbeispiel: Aktiv und passiv gefederte McPherson-Radaufhängung 177
7.3 Anwendungsbeispiel: Educational-Truck (EduTruck) 184
7.3.1 Ableitung effizienter mathematischer Modelle für den EduTruck 186
7.3.2 Analyse- und Syntheseergebnisse für den EduTruck 188
8 Zusammenfassung und Ausblick 191
8.1 Zusammenfassung 191
8.2 Ausblick 194
Anhang A: Bindungen in Mehrkörpersystemen 197
A. 1 Drehgelenk mit einem Freiheitsgrad 197
A.2 Schubgelenk mit einem Freiheitsgrad 197
A.3 Ebene Führung 198
A.4 Kardangelenk 199
A.5 Kugelgelenk 199
A.6 Dreh-Schub-Gelenk 200
A.7 Freies Gelenk 201
A.8 Starre Bindung 202
Anhang B: Koordinatentransformationen der Rotation 203
B.l Kardanwinkel 205
B.2 Eulerwinkel 208
B.3 Quaternionen 210
Anhang C: Der inkrementelle Objective-DSS-Compiler 217
C.l Spezifikation der Syntax in EBNF 218
C.2 Grammatik der Beschreibungssprache Objective-DSS 219
C.3 Binäre Operatoren in Objective-DSS 223
C.4 Ergänzungen zur Syntax von Objective-DSS-Script 223
Glossar 225
Literatur 229
Stichwortverzeichnis 241
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