Technische Gestaltung > Planen und Konzipieren > Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen > Synthese von Funktionsstrukturen > Zerlegen der Gesamtfunktion in Teilfunktionen  

Um die für die Überführung von Funktionsgrößen vom Eingang zum Ausgang der Gesamtfunktion erforderlichen Teilfunktionen oder Operationen zu bestimmen, gibt es mehrere Vorgehensweisen. Suche und Verknüpfung der Teilfunktion/ Operation lassen sich wie folgt ausführen:

Methode a) Nutzen gegebener Teilfunktionen aus der präzisierten Aufgabe (Funktionsplan, Forderungsliste)
Methode b) Strukturieren der Blackbox für das gesuchte System
Methode c) Entwickeln der Struktur mittels dominierender Systemelemente

Beispiel: Planspiegelverstelleinrichtung

Aus der Gesamtfunktion

Bild: Gegebene Gesamtfunktionen

sind neben der Lagerung zwei weitere gegebene Teilfunktionen erkennbar (siehe Bild).

Bild: Gegebene Teilfunktionen

Die Teilfunktion F1 überführt den durch Handbetätigung erzeugten Drehwinkel α in die Spiegelkippung Δ, die ca. zweitausendfach untersetzt ist und somit die Teilfunktionreduzierung erfüllt. Über die Teilfunktion F2 zu Anzeige Inf λ ist nur bekannt, dass diese durch eine Skala erfolgen soll, das heißt ein relativer Weg Sa, der zwischen einer Mark und einer Skala zur Anzeige der Wellenlänge dient. Dazu ist die Teilfunktion Wandeln zu realisieren.

Die Tabelle liefert unterschiedliche Konzepte für die konstruktive Ausführung der Planspiegelverstelleinrichtung indem die Funktionsstrukturen durch Zerlegen der Gesamtfunktion ermittelt werden.

Beispiel: Spiegelkippung
1. F1, F2 extern gekoppelt  2. F1, F2 gekoppelt  3. F1, F2 weiter zerlegt

In Variante 1 wird ein durch den Spiegel abgelenkter Strahl zu Anzeige genutzt. Die Teilfunktion F1 und F2 sind über den Spiegel gekoppelt. Eine direkte Kopplung kann durch die Reihen- und Parallelschaltung von F1 und F2 erfolgen. Dabei ist die Variante 2.1 günstiger, weil die Stellgröße Δ direkt genutzt wird, während bei Variante 2.2 eine bekannte und reproduzierbare Übertragungsfunktion des Reduzierers zu fordern ist. Wegen einer hohen Untersetzung ist es technisch sinnvoll den Reduzierer von α in Δ nicht in einer Stufe zu realisieren, sondern in zwei oder mehr Stufen zu untergliedern. Damit kann entsprechende Variante 3.1 die Bewegung α in eine physikalische Größe X gewandelt werden, die sich zum Beispiel gut anzeigen lässt. Weitere Varianten lassen sich unter Anwendung des Vorgehens in Spalte 2 erarbeiten.

Methode b) Strukturieren der Blackbox für das gesuchte System

Der Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsgrößen der gegebenen Gesamtfunktion wird analysiert. Unter Zuhilfenahme bekannter Funktionselemente baut man, ausgehend vom bekannten Systemrand, die Funktionsstruktur so auf, dass der festgestellte Unterschied überwunden wird.

Aufgabe:Bestimmen der Funktionsstruktur für eine weikoordinatenpositioniereinrichtung

Tabelle: Funktionsstrukturen einer Zweikoordinatenpositioniereinrichtung
Bemerkungen Lösungsschritte
Aufgabe:
Zweikoordinaten
positionierein-
richtung mit hoher
Genauigkeit
Gesamtfunktion
Antrieb führt alle
Positionier-
operationen aus
Funktionsstruktur 1
Antrieb und
Getriebe für
2 Koordinaten
problematisch
Funktionsstruktur 2
Start-Stopp-
Verhalten der Antriebe bestimmt
Positionierzeit
sowie mit Getrieben
und Führungen
Positionier-genauig
keit
Funktionsstruktur 3
Lösung entspricht
den Forderungen,
Funktionsblock
Messeinrichtung
zu komplex
Funktionsstruktur 4
Weitere Konkretisierung
auf der
Prinzipebene
Funktionsstruktur 5

Die Aufgabe fordert die Positionierung eines Objektes, z.B. eines Werkstückes oder eines Messobjektes in den Koordinaten Sx und Sy, deren Werte durch die Information i-SOLL angegeben werden. Als Antriebsenergie steht elektrische Energie V elektrisch zur Verfügung. Beginnend mit der geforderten Ausgangsgröße mit den Parametern Sx und Sy findet man zunächst als notwendiges Funktionselement einen Objektträger, der ebenfalls die gewünschten Positionierbewegungen ausführt. Das erforderliche Antriebselement erhält die aufbereitete Steuerinformation aus i-SOLL und erzeugt die Stellwege Sx und Sy. Hierfür wird ein Zweikoordinatenantrieb benötigt.

In Funktionsstruktur 2 sind zwischen Antrieb und Objektträger ein Getriebe und bei der XY-Führung, auch als Kreuztisch bekannt, eingefügt. Die Parameter des Antriebs sind noch nicht spezifiziert. Das umschaltbare Getriebe kann beide Koordinaten seriell betreiben. Funktionsstruktur 3 modifiziert den Ansatz aus Variante 2 so, dass für jede Koordinate ein eigenes Antriebs- und Übertragungselement zur Verfügung steht, wodurch ähnlich wie bei Variante 1 ein effektives Positionieren möglich ist. Für höhere Genauigkeit wird (die Variante 4 zeigt) die aktuelle Position von Führung oder besser des Objektträgers bzw. des Objektes gemessen und von der Steuereinrichtung für die Verstellung der Motoren genutzt. Funktionsstruktur 5 substituiert das Funktionselement Messeinrichtung durch seine Teilfunktionselemente. In gleicher Weise lassen sich weitere Varianten erarbeiten.

Die Bestimmung der günstigsten Funktionsstruktur aus der Lösungsmenge kann durch Überprüfen der Realisierungsmöglichkeit für die Funktionselemente erfolgen.

Methode c) Entwickeln der Struktur mittels dominierender Systemelemente

Bei einer Reihe von Produkten ist zu beachten, dass einzelne physikalische oder technische Operationen die Gesamtfunktion und die Funktionsstruktur maßgeblich bestimmen (z. B. die Lampe in einem Beleuchtungssystem, der Energiewandler in einem Heizungssystem). Nach Ermittelung dieser dominierenden Teilfunktion lassen sich Funktionsstrukturen für das Gesamtsystem entwickeln.

Bild: Nutzung physikalischer Effekte

Für die Betätigung von Bremsen, Kupplung, Klemmeinrichtungen und Ähnlichem benötigt man Kräfte, deren Größe durch einen Parameter P einstellbar ist. Für die Gesamtfunktion der gesuchten Baugruppe ist nur die Ausgangsgröße Fp gegeben. Die Eingangsgröße ist beliebig wählbar. Zunächst sucht man physikalische Zusammenhänge, die eine Verknüpfung von Kräften mit anderen Größen beinhalten wie in der Tabell ein Auszug zeigt. Jeder physikalische Effekt führt zu einem eigenen Konzept für das man wiederum mehrere Funktionsstrukturen eingeben kann. Der ausgewählte Effekt nutzt die Zentrifugalkraft, die entsteht, wenn eine Masse M im Abstand R mit der Winkelgeschwindigkeit Ω um eine Achse rotiert. Der Aufbau der zu Realisierung notwendigen Funktionsstruktur beginnt zweckmäßig mit der Ausgangsgröße Fp, die man an einer rotierenden Masse abnehmen kann. Die Masse muss dann im Abstand R gehalten werden und über ein Lager eine Drehachse erhalten. Die Winkelgeschwindigkeit wird, z.B., durch einen elektrischen Antrieb erzeugt. In der gefundenen linearen Funktionskette wird nun analysiert, welche Parameter P sich als Stellgröße für die Variation von F anbieten. Strom und Spannung des Antriebs, das Reibungsmoment des Lagers, ggf. mit einer Bremse versehen, der Abstand R und selbst die Masse M kommen als Stellgröße in Betracht, so dass sich aus diesem Ansatz sofort vier unterschiedliche Funktionsstrukturen ergeben.

Das Bild zeigt zwei Varianten einer Fliehkraftkupplung, die in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit die Übertragung der Drehbewegung ein- oder ausschaltet.

Bild: Nutzung physikalischer Effekte
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