Geh aufs Ganze

Fertigung

Mechatronik - Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile. Dies gilt auch für mechatronische Systeme, bei denen Mechanik, Elektrik und Informatik quasi verschmelzen. Entstehen können daraus etwa intelligente Pumpen oder effiziente Handhabungslösungen.

12. Dezember 2012

Eine im Jahr 2012 durchgeführte Trendstudie des VDMA zu Informationstechnologie (IT) und Automation bestätigt, was sich schon seit einigen Jahren abzeichnet: Die Verlagerung bislang rein mechanisch realisierter Maschinenfunktionen in die IT und Automatisierungstechnik ist in vollem Gang. Der Anteil der Herstellkosten für Software, IT-Hardware und Elektrotechnik für ein Maschinenbauprodukt beläuft sich heute auf rund 30 Prozent, drei Prozentpunkte mehr als noch vor vier Jahren. Intelligente Steuerungs- und Regelungstechnik ersetzt dabei nach und nach eine aufwendige Mechanik. Als Konsequenz sind Maschinen nicht mehr als mechanisches, sondern als mechatronisches System zu betrachten.

Mechatronik bezeichnet ursprünglich die Synthese aus Mechanik, Elektrik und Informatik. In der Fabrikautomation lautet in Sachen Mechatronik die Devise: Weg von einzelnen Komponenten hin zu funktionsfähigen Subsystemen. Diese sind dabei weit mehr als die Summe ihrer Teile. So ebnet die Mechatronik nicht nur der zunehmenden Modularisierung in der Maschinenkonstruktion den Weg, sondern bietet Herstellern wie Betreibern verschiedene Stellhebel, um besser auf aktuelle Marktanforderungen reagierenzu können.

Mit Mechatronik Maschinen effizienter konstruieren

Und Maschinenhersteller sind heute mehr denn je gefordert, schnell am Markt zu agieren. Entwicklungszyklen müssen kurz gehalten und Innovationen innerhalb kürzester Zeit umgesetzt werden. Hinzu kommt, dass Hersteller heute eine Vielzahl von Produktvarianten beherrschen müssen, um Funktionen auf Kundenwunsch in die Maschine zu integrieren. Mit Blick darauf haben auf dem Baukastenprinzip beruhende mechatronische Systeme den Vorteil, dass sich Komponenten gemäß der gewünschten Anforderung schnell zusammenstellen lassen.

Weiterhin ist eine frühe Machbarkeits-Überprüfung erforderlich, um spätere kostspielige Korrekturen zu vermeiden. Dafür stehen über die Software Simulationstechniken für mechatronische Systeme zur Verfügung, sodass Hersteller die Anzahl zeitintensiver Funktionstests an der realen Maschine reduzieren können. Beziehen sie statt einzelner Komponenten zudem eine komplette mechatronische Einheit, können sie den Engineering-Aufwand weiter verringern.

Ein gutes Beispiel dafür sind Werkzeugmaschinen: Der Hersteller einer solchen Maschine greift für die Zuführung der Werkstücke in die Maschine auf einen kompletten kartesischen Portalroboter zurück. Kauf und Konfiguration einzelner Komponenten entfallen damit, und es bleibt mehr Zeit, um sich auf die eigenen Kernkompetenzen zu konzentrieren und das eigene Produkt zu optimieren.

Die Gesamtkosten entscheiden

So stehen bei Maschinenbetreibern heute verstärkt die Total Cost of Ownership im Fokus. In diese fließen auch Energieverbrauch und Stromkosten ein. Auch bei der Hydraulik greift der mechatronische Ansatz, um Energie effizient zu nutzen: Eine Konstantpumpe wird beispielsweise um Regelungstechnik und Software erweitert, in der das notwendige Hydraulikwissen bereits hinterlegt ist. Über die Anpassung der Drehzahl des Pumpenantriebs steht dem Prozess dann nur die tatsächlich benötigte Energie zur Verfügung.

Für den laufenden Betrieb bieten mechatronische Systeme zudem neue Optionen für Wartung und Service, die der Produktivität zu Gute kommen. Ausgestattet mit Condition-Monitoring-Software überwachen sich Maschinen heute selbst. Das ermöglicht es Betreibern zum Beispiel, über die kontinuierliche Auswertung von Antriebsdaten einen sich anbahnenden Verschleiß rechtzeitig zu erkennen. Der Austausch von Komponenten kann damit geplant stattfinden, und vor allem bevor die Maschine ausfällt.

Schneller betriebsbereit

Mit der Leistungsfähigkeit und Funktionsvielfalt der Systeme steigt jedoch auch deren Komplexität. Automatisierungshersteller sind gefordert, die Handhabung der Technik zu vereinfachen. Bosch Rexroth beispielsweise setzt sein technologieübergreifendes Know-how als Antriebs- und Steuerungsspezialist auch für die Entwicklung praxisorientierter Softwarewerkzeuge ein. Diese unterstützen Anwender durchgängig von der Projektierung bis zur Inbetriebnahme und zielen insbesondere darauf ab, die Effizienz beim Engineering zu erhöhen.

Viele Möglichkeiten

Welche Potenziale sich hier heben lassen, zeigt das Beispiel eines Handhabungssystems. Je nach Anforderung der Applikationen ergänzen sich Ein- und Mehrachslinearsysteme, Motoren, pneumatische Komponenten, Servoregler und Steuerung zu einer mechatronischen Komplettlösung. Anwendungsspezifische Funktionen sind in der Steuerungssoftware bereits vordefiniert. Die Programmierung geht damit schneller vonstatten. Zusätzlich sind im Inbetriebnahmewerkzeug achsindividuelle elektrische und mechanische Daten bereits hinterlegt. Eine Achse ist damit nach nur wenigen Minuten betriebsbereit.

Kurzer Engineering-Prozess

Maschinenhersteller können die Mechatronik zudem nutzen, um den vormals sequentiellen Ablauf beim Engineering zu beschleunigen: Konstruktion und Software-Programmierung laufen damit zeitglich ab. Möglich macht dies die Aufgliederung der Maschine in intelligente Subsysteme. Konstrukteure und Programmierer denken nicht länger in Komponenten, sondern in Funktionseinheiten bestehend aus Mechanik, Elektrik und fertigen Softwarebausteinen. So ist ein Handhabungssystem über entsprechende, im Antrieb integrierte Funk-tionen für sich bereits funktionsfähig. Für die Konstrukteure vereinfacht und verkürzt sich so die Integration in die Maschine.

Die Möglichkeiten der Mechatronik sind heute noch lange nicht ausgereizt. Allein die Vernetzung über das weltweite Internet wird hier neue Perspektiven, auch für Diagnose und Inbetriebnahme, eröffnen. So können Servicemitarbeiter heute beispielsweise auf mobilen Endgeräten wie Tablet-PCs vor Ort zusätzliche Produktinformationen abrufen und eine automatische Hilfestellung für die Fehlerbehebung bekommen. Auch die Einbindung externer Experten verbessert sich, wenn diese an ihrem PC ein realistisches Abbild der Anlage und ihres aktuellen Zustandes erhalten.

Hintergrund

Die Mechatronik soll Mechanik, Elektronik/Elektrotechnik und Informatik miteinander verschmelzen und anstelle von mehreren Modellen ein mechatronisches Gesamtsystem beschreiben. Mechatronische Systeme haben die Aufgabe, mit Sensorik, Prozessorik, Aktorik und Elementen der Mechanik, Elektronik und Informatik (sowie anderer funktionell erforderlicher Technologien) Energie, Stoff (Materie) und/oder Information umzuwandeln, zu transportieren und/oder zu speichern.

Mechatronische Systeme können somit in Funktionsgruppen unterteilt werden, die meist Regelkreise bilden und aus Modulen mit mechanisch-elektrisch-magnetisch-thermisch-optischen Bauelementen, Sensorik zur Erfassung von Messgrößen des Systemzustandes, Aktorik zur Regelung und Steuerung sowie Prozessorik und Informatik zur Informationsverarbeitung bestehen.

Erschienen in Ausgabe: Industrie Handbuch/2013