Einfach ist besser

Mechatronik - Mechatronische Elemente vereinfachen die Konstruktion. Wer sie einsetzt, erreicht schnellere Inbetriebnahme und muß weniger in Sachen Software koordinieren. Das Erfolgsrezept der Mechatronik kann die Simplifizierung des Maschinenbaus sein. Denn dort liegen große Rationalisierungspotentiale.

06. Juli 2005

Der klassische Maschinenbau betrachtet Mechanik, Elektrik und Software als getrennte Einheiten. Entsprechend sind Personalstrukturen in der mechanischen Konstruktion, in der Elektrokonstruktion und in der Softwareentwicklung aufgebaut. Jeder Konstrukteur bearbeitet im horizontalen Engineering Teile der Maschine. Dies erscheint sinnvoll, wenn man betrachtet, daß der Mechanik-Konstrukteur Maschinenbauer ist und die Elektroplanung oder Softwareentwicklung nicht seine Schwerpunkte sind. Das horizontale Engineering bringt jedoch viele Nachteile mit sich. Die Abstimmung zwischen Konstrukteuren und Entwicklern, die Realisierbarkeit der Lösungen sowie die Planbarkeit der Aufwände sind bekannte Probleme. Die direkte Wiederverwendung von kompletten Baugruppen wird durch das horizontale Engineering nicht unterstützt, sondern eher behindert, da die Teile der Lösung wie mechanisches Layout, Elektroplanung und Software über verschiedene Systeme verstreut sind. Das vertikale Engineering, welches Maschinenteile durchgängig durch alle Disziplinen betrachtet, bietet an dieser Stelle große Vorteile. Als Hersteller von Engineering-Systemen stellt Phoenix Contact mit Software-Werkzeugen, die auf dem ›Automation Framework‹ des Lemgoer Software-Unternehmens KW-Software basieren, die Technologie zur Verfügung, Maschinen im vertikalen Engineering zu entwickeln. Bei konsequentem Einsatz des vertikalen Engineerings führt dies zu autarken, funktionalen Baugruppen, die als mechatronische Einheiten ausgeführt werden können.

Mechatronische Einheiten sind die Konsequenz des vertikalen Engineerings, das mit seinen mechatronischen Elementen vor allem dazu dienen soll, bei komplexer werdenden Maschinenfunktionen die Konstruktion der Maschine zu vereinfachen. Simple is best je einfacher die Konstruktion, desto weniger Aufwand und Fehler entstehen. Denn diese gehen unmittelbar in die Kalkulation von Maschinen ein und beeinflussen die Wettbewerbsfähigkeit entscheidend.

Mechatronik ist als interdisziplinärer Ansatz in den 70er Jahren in Japan entstanden, als bei der Entwicklung neuer Maschinen die Komplexität einen Höhepunkt erreichte und neue Konzepte zur Simplifizierung der Maschinenkonstruktion gesucht wurden. Mechatronische Systeme sollten mechanische, elektronische und Software-technische Komponenten verknüpfen, um die Leistungsfähigkeit klassischer Systeme zu verbessern und neue Funktionen zu ermöglichen. Als Merkmal mechatronischer Elemente wird meist die räumliche und vor allem funktionale Integration eines Bauteils angesehen, in dem Sensoren Signale aufnehmen, Prozessoren Informationen verarbeiten und elektromotorische, hydraulische oder pneumatische Aktoren eingesetzt werden, um auf ein mechanisches System einzuwirken.

Mechatronische Elemente stammen heute oft von etablierten Lieferanten für Antriebstechnik und mechanische Elemente. Dies ist historisch bedingt, da Mechanik und Antriebe die Plattform bildeten, zu der immer mehr Elektronik und Software also Funktionalität hinzugefügt wurden. Jedes mechatronische Element benötigt eine Plattform und eine mechanische Funktion. Antriebe boten sich zum Beispiel als eine solche Plattform an. Motoren, Umrichter und Getriebe bilden schon seit langem eine Einheit im Maschinenbau. Die an dieser Einheit angeschlossene Sensorik dient allein der richtigen Steuerung der mechanischen Funktion dieser Einheit. Die Steuerung der Maschinenabläufe durch eine SPS und die Steuerung der Bewegung durch ›Numerical Control‹ (NC) und Motion Control wird auf dieser Basis integriert.

Viele mechatronische Elemente zeichnen sich durch die hohe Integration von Mechanik, Elektronik und Software auf einem Funktionsträger aus und besitzen damit eine hohe Kompaktheit. Dadurch wird wertvoller Platz an einer Maschine gespart.

Warum Mechatronik gerade im Maschinenbau?

Die Diskussion, die oft geführt wird, wenn es um den Einsatz mechatronischer Elemente und Systeme geht, offenbart die Schwierigkeiten beim Paradigmenwechsel im Maschinenbau. Die Gründe, die für den Einsatz mechatronischer Elemente in Maschinen sprechen, werden nicht immer gesehen. Auch ohne Mechatronik werden so wird argumentiert zuverlässige Maschinen gebaut. Die Maschinenbauer führen auch gerne ihre Erfahrungen ins Feld, bestehende Entwürfe schnell und effizient zu modifizieren und daraus neue, zuverlässige Maschinen zu bauen. Ein Wechsel zu mechatronischen Elementen würde Maschinen teurer machen, das Know-how vom Maschinenbauer zum Elemente-Hersteller transferieren und die Maschinenbauer austauschbar machen.

Diese Gründe, die durchaus nachvollziehbar sind, werden oft als Argument gegen die Mechatronik eingesetzt. Der Einsatz mechatronischer Elemente läßt sich aber nicht aufhalten, weil die Vorteile immer häufiger überwiegen. Maschinen werden durch Mechatronik schneller konstruierbar, schneller realisierbar und einfacher wartbar. Das Baugruppen-Konzept der Mechatronik faßt Zusammenhänge in der Maschine auch räumlich zusammen. Dies sind Vorteile, die den höheren Preis gegenüber klassischen Bauelementen rechtfertigen. Auch der Maschinenbau profitiert von kürzeren Innovationszyklen der mechatronischen Elemente. Auch in Zukunft werden Maschinen nicht ausschließlich aus mechatronischen Elementen bestehen. In allen Einsatzbereichen müssen sämtliche Vor- und Nachteile, die der Einsatz der Mechatronik mit sich bringt, sorgfältig abgewogen werden und die Vorteile müssen zu Verkaufsargumenten ausgebaut werden. Früher hat die Mechanik den Maschinenbau bestimmt. Heute belegen Untersuchungen des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V, (VDMA), daß die Soft-ware bereits 50 Prozent der Funktionalität und der Kosten im Maschinenbau ausmacht. Diese Quote steigt stetig. In ei-nigen Maschinenbau-Unternehmen ist die Software-Abteilung bereits größer als die Mechanik-Konstruktion. Einige Maschinen-hersteller bauen Steuerungen selber, damit diese nicht kopiert werden können. Sind Elektronik und Software heute der Schlüssel zur Abgrenzung und zur Definition der wichtigsten Verkaufsargumente? Muß jeder Maschinenbauer eine große Elektronik- und Software-Abteilung aufbauen? Viele Unternehmen sind bereits auf dem Weg dorthin.

Eine interessante Alternative zum Aufbau eigener Software-Abteilungen ist der Einsatz von mechatronischen Elementen. Diese beinhalten die komplexen Einzelfunktionen, die fertig zugekauft werden. Die Kombination und Synchronisation dieser Elemente ist einfacher als die selbständige Realisierung einer komplexen Maschinenfunktion. Spezielles Know-how wird von Spezialisten zugekauft und muß nicht selbst aufgebaut werden. Die Verkettung und Parametrierung der Einzelfunktionen zum Maschinenprozeß, und damit das Prozeß-Know-how, bleibt beim Maschinenbauer.

Vergleicht man dies mit der heutigen Vorgehensweise, zum Beispiel beim Einsatz von Positionierantrieben, ändert sich bis auf den Aufwand nicht viel. Umrichter, Motor und Getriebe werden oft aus einer Hand erworben, damit das System aufeinander abgestimmt ist. Die Mechatronik integriert diese Bauteile auf einem Baugruppenträger, anstatt die Elektronik in den Schaltschrank zu verbannen. ›Schlanke‹ Maschinen sind so realisierbar. Was bleibt, ist die Vernetzung der mechatronischen Elemente mit Energie und Steuerungsinformationen.

Es gibt einfache mechatronische Elemente, die nur mechanisch an der Maschine angebracht und mit Energie versorgt werden müssen. Mittels ihrer Sensoren und ihrem Programm können diese dann ihren Prozeß durchführen. Um in der Maschine eine größere Flexibilität zu erreichen, ist es aber sinnvoller, mechatronische Elemente datentechnisch miteinander zu vernetzen. Dazu bieten sich Netzwerke wie Interbus oder Profinet an. Die Vernetzung dient der Übertragung neuer Software, geänderten Parametersätzen, der Status- und Fehleranzeige oder der Synchronisation von Bewegungen. Der Konstrukteur kann bei den Herstellern mechatronischer Systeme heute oft die Schnittstelle für die Vernetzung wählen. Wichtige Schnittstellen, wie Interbus oder Profinet, findet man an vielen mechatronischen Elementen am Markt. In Zukunft wird aber gerade bei den mechatronischen Elementen die Wireless-Technologie, also Funk- oder Infrarot-Verbindungen, eine immer bedeutendere Rolle spielen. Phoenix Contact bietet schon heute Wireless-Technologie zur Anbindung und Vernetzung mechatronischer Elemente an. Maschinen werden noch einfacher, wenn mechatronische Elemente nur noch eine Spannungsversorgung benötigen und ansonsten nur an der richtigen Stelle angebracht werden müssen. Durch den Einsatz mechatronischer Elemente und Konzepte muß die Komplexität im Maschinenbau einfacher beherrschbar werden. Komplexe Abläufe und Funktionen müssen innerhalb mechatronischer Einheiten soweit gekapselt sein, daß der Konstrukteur sie anhand ihrer Beschreibung einfach nutzen kann.

Das Erfolgsrezept für die Mechatronik kann die Simplifizierung des Maschinenbaus sein, denn dort liegen derzeit die größten Rationalisierungspotentiale.

Claus Kühnl, Strategisches Marketing Automatisierung, Phoenix Contact

Erschienen in Ausgabe: 06/2004