Mechatronik: Vom Labor über Entwurfsprojekte bis hin zur Forschung

Überblick

Mit dem NI ELVIS RIO Control Module hält die zum Industriestandard avancierte NI Reconfigurable I/O Architecture (NI RIO) auf der Unterrichtsplattform NI ELVIS Einzug. So erhalten Studenten die Möglichkeit, Konzepte in praktischen Mechatronikkursen zu erlernen und anzuwenden und zwar mit denselben Werkzeugen, die auch für den Entwurf von Mechatroniksystemen von Ingenieuren in der Forschung und Industrie verwendet werden. Durch die Kombination der grafischen Programmierung in LabVIEW, der NI-RIO-Architektur und der Messgeräteplattform NI ELVIS in einer einzigen Station für den Unterricht können Studenten Simulationen, Tests und Entwürfe umgehend anhand der erlernten Mechatronikkonzepte umsetzen. Da die NI-Hard- und -Software für Ausbildung und Lehre auf denselben Architekturen beruht wie NI-Hard- und -Software für die Industrie erwerben Studenten gleichzeitig wertvolle Fähigkeiten für ihre technischen Laufbahnen.

Inhaltsverzeichnis

  1. Die NI-RIO-Architektur
  2. Die gemeinsame Plattform NI RIO
  3. NI-RIO-Produkte für die Forschung – für das gesamte Spektrum an Embedded-, Überwachungs-, Steuer- und Regelanforderungen
  4. Erweiterung der Laborstationen für die Mechatronik mit dem NI ELVIS RIO Control Module
  5. Mechatronic Systems Add-on Board von Quanser und Laborressourcen
  6. Fazit
  7. Nächste Schritte

Die NI-RIO-Architektur

Das NI ELVIS RIO Control Module gehört zu einer Folge von Produkten, die alle auf der NI-RIO-Architektur beruhen. Diese Architektur erlaubt das Erstellen mechatronischer Entwürfe dank leistungsstarker I/O, einer äußerst flexiblen Steuerung des System-Timings und der Möglichkeit zur zügigen Entwicklung benutzerspezifischer Hardwareschaltungen.  Sie besteht aus vier Komponenten: einem Prozessor, einem rekonfigurierbaren FPGA, Ein- und Ausgängen sowie grafischer Designsoftware.

Durch Einsatz der grafischen Programmierung in LabVIEW können Entwickler mechatronischer Systeme den Systemstatus direkt in Echtzeit einsehen, was den iterativen Entwurfsprozess deutlich beschleunigt. Diese Lösung für den mechatronischen Entwurf wurde in der Ausbildung, Lehre, Forschung und Industrie gleichermaßen als erstklassige Lösung für die zügige Entwicklung komplexer, leistungsstarker Mechatronik-, Steuer- und Regelsysteme übernommen.

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Die gemeinsame Plattform NI RIO

Jedes NI-Produkt, das auf der RIO-Architektur beruht, wurde für einen bestimmten Anwendungsfall optimiert. Die Produkte unterscheiden sich in Formfaktor, Funktionen, Leistungsspezifikationen, anwendungsbezogenen Hard- und Softwarezusatzpaketen sowie Ressourcen.

Das NI ELVIS RIO Control Modulefür das Mechatroniklabor

Neben den Vorteilen der NI-RIO-Architektur bietet NI ELVIS auch eine strukturelle Grundlage für mechatronische Systeme. NI ELVIS bietet integrierte Messgeräte für unterschiedlichste Messungen im Rahmen mechatronischer Konzepte sowie für umgehende Tests und Fehlerbehandlungen. Studenten können die Hilfen zum einfachen Einstieg, LabVIEW-Express-VIs und integrierte Softwarevorlagen nutzen, um die Technologie schnell zu erlernen und einzusetzen.

Mechatroniklabore können auf komplexen Experimentierkarten mit hoher Detailtreue sowie Laborhandbüchern und Software von Quanser Inc aufgebaut werden. NI bietet außerdem modulares und flexibles Kursmaterial für das Erlernen der Grundlagen der Mechatronik und ihrer Anwendung in Mechatronikprojekten. 

Erfolgsbericht der Georgia Tech

Dr. David MacNair von der Georgia Tech entschied sich für das NI ELVIS RIO Control Module, da es die größte Flexibilität und Kontrolle über die Hard- und Softwareabstraktionsebenen bot, welche er seinen Mechatronikstudenten vorstellte. Mithilfe der Messgeräteplattform NI ELVIS waren seine Studenten in der Lage, Signalkonditionierung und Schaltungsdiagnosen in praktischer Art und Weise kennenzulernen und mit hohen Abtastraten und Spannungsbereichen zu experimentieren. Beim Entwurf komplexer mechatronischer Systeme konnten Studenten dann die High-Level-Abstraktion des NI ELVIS RIO Control Module nutzen. Mechatronikstudenten konnten so den maschinennahen und den High-Level-Entwurf umgehend kennenlernen – wobei sie bei Bedarf Einblick in die maschinennahe Hard- und Software hatten, aber auch abstrahieren konnten, um den Entwurf mechatronischer Systeme in einem einzigen Semester zu erlernen.

 

 

NI myRIOfür Studenten- und Mechatronikprojekte

 

Nachdem Studenten die Mechatronikgrundlagen im Labor erworben haben, können sie ihre Fertigkeit mit myRIO an komplexen Mechatronikprojekten erproben. myRIO ist ein weiteres Produkt für Ausbildung und Lehre, das auf der NI-RIO-Architektur beruht.

NI myRIO bietet zusätzliche Ein- und Ausgänge sowie integrierte Geräte wie programmierbare LEDs, ein Beschleunigungsmesser und ein WLAN-Funksystem. Der Formfaktor von myRIO eignet sich für stationäre oder mobile Projekte, da die Hardware einfach auf Host-Geräten angebracht und entfernt werden kann. NI myRIO kann mit derselben Software bedient werden wie das NI ELVIS RIO Control Module und bietet dieselbe I/O-Pinbelegung, sodass der Übergang für Studenten nahtlos ist. NI bietet Leitfäden wie den Project Essentials Guide und den Vision Essentials Guide, die Studenten bei der Anbindung von myRIO an gängige Mechatronikschnittstellen sowie -sensoren und -aktoren unterstützen.

NI myRIO beinhaltet auch Zubehör zur Erweiterung mechatronischer Entwürfe. Ein Großteil davon kann für das NI ELVIS RIO Control Module konfiguriert werden.  

ETH Zürich

Als Studenten eines anwendungsorientierten Designabschlussprojekts an der ETH Zürich die Herausforderung annahmen, einen Rollstuhl zu entwerfen, der auf zwei Rädern balancieren und Treppen mit jedem Steigungswinkel erklimmen kann, entschieden sie sich für myRIO als Steuerungssystem des Rollstuhls und für LabVIEW als Programmiersprache. Die grafische Programmierung in LabVIEW war ein riesiger Vorteil für die Maschinenbauer des Teams, die nur wenig Programmiererfahrung hatten. Das Team verwendete myRIO zum Auslesen von Daten aus der inertialen Messeinheit und den Motor-Impulsgebern des Systems, zur Ausführung von Steuerungsalgorithmen und zum Antrieb der Motoren. Dank seiner kompakten Größe, den Montagemöglichkeiten und der umfassenden Anzahl an I/O ist myRIO das ideale Gerät zur Steuerung dieses treppensteigenden Rollstuhls und versetzt die Studenten in die Lage, das Leben körperlich eingeschränkter Menschen zu erleichtern. Lesen Sie hier die Kundenlösung.

 

 

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NI-RIO-Produkte für die Forschung – für das gesamte Spektrum an Embedded-, Überwachungs-, Steuer- und Regelanforderungen

Wenn Studenten bereits den Umgang mit dem NI ELVIS RIO Control Module und myRIO erlernt haben, können sie zügig auf NI-RIO-basierte Produkte umsteigen, wie sie in der Forschung und Industrie häufig zu finden sind. NI bietet mehrere RIO-Produktreihen für die Industrie an, die sich hinsichtlich Formfaktor, Größe, Leistung und I/O-Optionen unterscheiden. NI CompactRIO eignet sich dank des robusten Formfaktors und modularer I/O-Anschlüsse für extreme Umgebungsbedingungen und spezielle I/O. NI Single-Board RIO ist ideal für Embedded-Systeme und OEM-Anforderungen, da es einen kleinen Formfaktor bietet und weniger Budget erfordert. Weitere Beispiele für NI-RIO-Produkte für die Industrie sind die PXI- und PCI-Karten der R-SerieFlexRIO und das NI System on Module (SOM)

Hyundai

Das Central Advanced Research and Engineering Institute von Hyundai Motor standardisierte auf die NI-RIO-Architektur für die Prototypenerstellung und den Einsatz der als Gehhilfe am Körper tragbaren Robotertechnik des Unternehmens. Als die Auswahl eines Haupt-Controllers für die Exoskelette anstand, benötigte das Institut eine Möglichkeit zur Hochgeschwindigkeitsverarbeitung von Daten von verschiedenen Sensoren, eine Datendarstellung in Echtzeit für die Entwicklung der Steuerungsalgorithmen sowie eine Anbindungsoption an weitere intelligente Geräte. Unter diesen Voraussetzungen waren LabVIEW und NI RIO die offenkundige Wahl. Während der Prototypenerstellung wurde CompactRIO aufgrund der modularen I/O eingesetzt, wobei sich die Flexibilität des FPGAs als vorteilhaft für die sich weiterentwickelnde Systemarchitektur erwies. Um den Controller in den mechanischen Entwurf zu integrieren, stiegen sie auf ein NI System on Module (SOM) um, da SOM geringe Abmessungen, wenig Gewicht und einen effizienten Stromverbrauch bietet. Dieselbe RIO-Architektur, anhand derer Studenten Mechatronikkonzepte und Systemdesign mit dem ELVIS RIO Control Module und myRIO erlernten, wurde auch für diesen komplexen Entwurf verwendet. Sie ermöglichte den Ingenieuren, verschiedene Entwicklungsstufen schnell umzusetzen, eine Schnittstelle zu zahlreichen Sensoren herzustellen und komplexe Steuerungsalgorithmen auszuführen, so wie die Studenten in ihren Mechatronikkursen. Lesen Sie hier die Kundenlösung.

 

NI-RIO-Produkte im Vergleich 

In der nachfolgenden Tabelle sind weitere Angaben zu NI-RIO-Geräten für Ausbildung, Lehre und Industrie aufgeführt:

 

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Erweiterung der Laborstationen für die Mechatronik mit dem NI ELVIS RIO Control Module

Praktische Laborerfahrungen sind für Studenten wichtig, um anhand von Simulationen, Experimenten und Entwürfen mechatronische Konzepte zu erlernen. NI arbeitete mit weiteren führenden Unternehmen im Bereich der technischen Ausbildung und Lehre zusammen, um in diesem Bereich umfangreiche Lösungen anzubieten. Jede Lösung umfasst Hardware, Software und Lehrmaterial, mit denen Studenten praktische Erfahrungen sammeln, von den Grundlagen bis hin zu komplexen Anwendungen. 

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Mechatronic Systems Add-on Board von Quanser und Laborressourcen

 

Das Mechatronic Systems Add-on Board ist die vierte Experimentierkarte zu NI ELVIS von Quanser Inc in einer Reihe von Lehrplattformen für die Mechatronik. Die ersten drei Experimentierkarten für die Mechatronik werden direkt mit NI ELVIS eingesetzt und unterstützen die Einführung in die Grundlagen von Mechatroniksensoren, -aktoren und -schnittstellen. Die Experimentierkarte Mechatronic Systems vereint all diese Konzepte sowie Prinzipien der Mechanik und der Programmierung, um einen praktischen Umgang mit der Mechatronik auf Systemebene zu ermöglichen. 

Das System ist sofort einsatzbereit und beinhaltet ein Gelenkviereck, Gleichstrommotoren, Impulsgeber und eine Kamera. Die Aufgaben für Studenten unterscheiden sich hinsichtlich Komplexität und Aktivitätsumfang. Aufgaben zur Verfahrenstechnik sind auf die Funktionalität und das Testen einzelner Abläufe ausgerichtet. Aufgaben auf Systemebene fordern Studenten heraus, einzelnen Abläufe miteinander zu kombinieren, um Aufgaben durchzuführen. Zu jeder Aufgabe gehören LabVIEW-Softwareressourcen, Laborhandbücher und ein Handbuch mit Antworten für den Kursleiter. Die Studenten erwerben Kenntnisse in der Bildverarbeitung, Motorsteuerung, Tasksteuerung und mehr und wenden diese an. 

Durch das Arbeiten mit Hardware mit hoher Detailtreue, die in einem feststehenden, aber dennoch flexiblen System implementiert ist, können Studenten umgehend komplexe Entwurfskonzepte mechatronischer Systeme erlernen. Dabei entfällt der zeitaufwendige Faktor der Fehlerbehebung bei inkorrekten Schaltkreisen, Hardware mit unzureichenden Spezifikationen oder schnell überbeanspruchten Mechanismen. Die mit dem Mechatronic Systems Add-on Board von Quanser erlernten und angewandten Konzepte lassen sich gleichzeitig oder nacheinander mit offenen Mechatronikentwurfsprojekten mit myRIO einsetzen.

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Fazit

Beim Erlernen von Mechatronikkonzepten und -entwürfen müssen Studenten die passenden Werkzeuge und Lernplattformen zur Verfügung stehen, mit denen sie mechatronische Systeme simulieren, als Prototyp umsetzen und entwerfen können. Sie müssen außerdem Fertigkeiten entwickeln, die sich übertragen lassen, indem sie dieselben Technologien verwenden, denen sie in der Forschung und der Industrie begegnen werden. Durch Standardisierung auf das NI ELVIS RIO Control Module im Mechatroniklabor haben Studenten direkten Zugriff auf Messgeräte, schnelle und flexible I/O sowie grafische Programmierung – alles in einer einzigen Laborstation. Dadurch haben sie die Möglichkeit, nicht nur Wissen zu einzelnen Mechatronikelementen, sondern zu kompletten mechatronischen Systemen zu erwerben, indem sie mehrere Hardwareschichten und Softwareabstraktion für ein schnelles, praxisorientiertes Lernen nutzen. Durch den Einsatz eines Produkts, das Teil der NI-RIO-Reihe ist, erwerben Studenten zudem Fähigkeiten, auf die sie bei Designprojekten mit LabVIEW und myRIO aufbauen können. Dieselben Fähigkeiten können sie anschließend in ihren Laufbahnen in technischen Berufen anwenden.

 

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