Synergie verschiedener Disziplinen

Mechatronik - Die Kombination von Mechanik und Software bietet ständig neue Möglichkeiten für individuelle Antriebsaufgaben. Mit steigender Integrationsdichte entstehen immer kompaktere, intelligente Aktuatoren. Sie bilden die Basis für dezentrale Automatisierungslösungen und völlig neue Funktionen.

15. November 2005

Mechatronik erweitert mechanische Systeme durch Sensoren, Mikrorechner, Software und Aktoren. Die so genannten integrierten Lösungen nehmen Signale aus ihrer Umgebung auf, verarbeiten sie und führen aufgaben- sowie situationsgerechte Aktionen aus. Durch Verknüpfung intelligenter Hard- und Softwarekomponenten wird die Leistungsfähigkeit klassischer Systeme verbessert und die Realisierung vollständig neuer Funktionen ermöglicht.

Der Integrationsgrad mechatronischer Systeme geht häufig so weit, dass eine Gesamtfunktion nur durch ein perfektes Zu­sammenspiel verschiedener Komponenten erreicht werden kann. So lassen sich beispielsweise oft hohe Genauigkeitsanforderungen in maschinellen Bearbeitungs- oder automatisierten Montageprozessen erst dann wirtschaftlich realisieren, wenn etwa mechanische Unzulänglichkeiten durch geeignete Sensorik erkannt und durch intelligente Informationsverarbeitung kompensiert werden. Das reduziert deutlich den Aufwand bei der Entwicklung und Fertigung einer Maschine. Hier wird Mechatronik zur Basis für gesteigerte Funktiona­lität, höhere Zuverlässigkeit und bessere Wirtschaftlichkeit.

Darüber hinaus ermöglicht Mechatronik in modernen Maschinenbaukonzepten rationelle Automatisierungslösungen durch intelligente Dezentralisierung. Oder umgekehrt: erlaubt dezentralisierte Intelligenz die individuelle Rechnersteuerung einzelner Bauteile. Steuerungsaufgaben müssen nicht mehr von einer übergeordneten Steuerung ausgeführt werden, sondern lassen sich durch intelligente Aktuatoren direkt vor Ort lösen. Dezentralisierung bei der Automatisierungstechnik trägt wesentlich dazu bei, die Effektivität bei Montage und Service zu verbessern. Der Platzbedarf im Schaltschrank sowie der Verdrahtungsaufwand reduzieren sich. Für die Ansteuerung solcher Lösungen genügt ein Versorgungs- und ein Feldbuskabel. Intelligente Aktua­toren arbeiten Positionieraufträge eigenständig ab. Prozessnahe Achssignale wie Endschalter lassen sich über lokale Eingänge direkt an den Antrieben verschalten.

Auf diesem Spezialgebiet gehört Berger Lahr zu den führenden Herstellern in Deutschland. Für alle industriellen Anwendungsbereiche steht ein komplettes Leistungsangebot aus Standardprodukten zur Verfügung. Darüber hinaus werden direkt, ausgehend von individuellen Kundenanforderungen in »Fast Track Solution«, spezifische Lösungen entwickelt.

Standardisierte Technologiebausteine

Die Basis für intelligente Aktuatoren bildet eine Produkt- und Technologieplattform aus standardisierten Motoren und Antrieben. Die Palette der Standardprodukte beginnt mit robusten und präzise arbeitenden Synchronmotoren. Sie können an einem 50- oder 60-Hz-Wechselspannungsnetz ohne zusätzliche Ansteuerelektronik betrieben werden. Für präzise Positionieraufgaben bilden hybride Schrittmotoren oder Klau­enpolschrittmotoren ideale, einfache und preiswerte Antriebskomponenten. Eine Variante sind die schon vor Jahren von Berger Lahr entwickelten 3-Phasen-Schrittmotoren. Sie wurden bisher mit Leistungselektroniken aus der Servo-Antriebstechnik eingesetzt. Die neue SD3 ist nun eine funktionell und nach ökonomischen Gesichtspunkten zugeschnittene Endstufe zu deren Ansteuerung. In kompakter Bauform sind Netzteil und Netzfilter bereits integriert. Ein weiteres Basisprodukt sind elektronisch kommutierte 3-Phasen-Synchronmotoren (EC-Motoren). Sie haben ein optimiertes Motorendesign und zeichnen sich durch hohe Abgabeleistung und Dynamik bei kleinstem Bauvolumen aus. Da die Motoren mit einem ausgeprägten oder niedrigen Selbsthaltemoment ausgeführt sind, kann häufig auf den Einsatz einer Haltebremse verzichtet werden. In Kombination mit Synchron- und Schrittmotoren sorgen Untersetzungsgetriebe für präzise Bewegungen. Durch verschiedene Grundtypen ergeben sich viele Übersetzungsvarianten. Abgerundet wird die Palette der Basiskomponenten durch Stellantriebe. Sie bringen Klappen, Ventile und Schieber mit hoher Wiederholgenauigkeit in definierte Stellpositionen. Im Platz sparenden Gehäuse sind Motor, Untersetzungsgetriebe und Steuerteil integriert. Zum Positionieren kleiner Massen oder zur Realisierung von Peripherie-Funktionen, wie etwa Formatverstellungen an Maschinen, hat Berger Lahr die intelligenten Kompaktantriebe ›IclA‹ mit integrierter Leistungs- und Positionierelektronik entwickelt. Ausgestattet mit allem, was zur Realisierung von Bewegungen gebraucht wird, stehen auch hier verschiedene Motorvarianten zur Verfügung. So lassen sich typische Antriebscharakteristiken beispielsweise für Kernprozesse mit Icla IFA (AC-Synchron-Servomotoren), für automatische Formatverstellungen mit hoher Flexibilität durch IclA IFE (EC-Motoren) und für Kurzstreckenpositionierungen mit IclA IFS (Schrittmotoren) mit einheitlicher Bedienung nutzen.

Der Weg zu mehr Effizienz

Das Handling für Optimierung, Diagnose und Inbetriebnahme sowie Einbindung in ein Maschinenkonzept ist bei allen drei Antriebsvarianten gleich. Durch Kombination von Mechanik mit elektronischen Funktionen lassen sich ständig neue Möglichkeiten für individuelle Automatisierungsaufgaben und Funktionen realisieren. Aus deren Anforderungsprofilen entstehen intelligente Aktuatoren. Ein typisches Beispiel ist ein Hub- und Schwenkantrieb für den Maschinenbau, mit dem eine Baugruppe für Reinigungs- und Servicearbeiten besser zugängig gemacht

wird. Spezielle Überwachungsfunktionen gewährleisten den sicheren Betrieb. Ein weiteres Beispiel sind speziell entwickelte Antriebe zum Justieren von Druckzylindern. Sie übernehmen die genaue Positionierung von Seitenregistern im Bereich von hundertstel Millimetern. Die Positionierantriebe sind in einem massiven Stahlgussgehäuse integriert.

Kompakt mit höherer Integrationsdichte

Bei steigender Integrationsdichte entstehen immer kompaktere Einheiten wie etwa die neuen Elektrospanner der Firma De-Sta-Co, mit denen Pneumatikzylinder ersetzt werden können. Sie bestehen aus einem Motor und einer Positioniersteuerung. Ein spezielles Getriebe setzt die Kraft in eine Linerarbewegung um. Der Aktuator lässt sich modular mit bestehenden Spannköpfen verbinden. Mit der neuen mechatronischen Lösung lassen sich die allgemein hohen Energie-Betriebskosten der Pneumatik senken. Außerdem ist der Installationsaufwand erheblich geringer. Funktionell betrachtet bietet die mechatronische Lösung einfache Möglichkeiten, ein impuls- und prellfreies Spannen zu erreichen. Damit werden Fahrprofile ermöglicht, die mechanische Beanspruchung der Bauteile und somit auch die Geräuschentwicklung reduziert sowie letztlich die Lebensdauer verlängert.

Mit dem Fortschritt der Technik und einer rasanten Entwicklung der Rechner- und Kommunikationshardware werden mechatro-

nische Systeme mit zunehmend mehr Prozessoren, Elektronik, Sensorik und Aktorik bei ständig steigender Integra­tionsdichte ausgestattet. In Synergie der verschiedenen Komponenten entstehen intelligente Aktuatoren für dezentrale An­triebs­konzepte. So ermöglicht die Mechatronik dem Maschinenbau besser auf individuelle Anforderungen zu reagieren und effizientere Produktionsabläufe zu erreichen.

Dr. Björn Hagemann, Bereichsleiter Fast Track Solutions, Berger Lahr GmbH Co. KG

17. Januar - Vorteil Mechatronik

Das Dilemma des klassischen Maschinenbaus ist die Reihenschaltung aus Mechanik, Elektrik und Software. Der Strukturwandel zur Parallelschaltung ist gekoppelt mit einer neuen Denkweise zur interdisziplinären Harmonisierung dieser Teilbereiche. Als Schlüsselwort gilt Mechatronik. Sie bündelt Wertschöpfungspotenziale in der Konstruktion noch besser als dies der klassische Maschinenbau bisher vermochte. Mechatronik ist zwar noch lange nicht selbstverständlich im Maschinenbau, doch was sich dort im technologischen Spitzenfeld abzeichnet, hat durchaus etwas mit Mechatronik zu tun. Beim Mechatronischen Forum in Blomberg wird gezeigt, wie Mechatronik die Konstruktion erleichtert. ›Vorteil Mechatronik‹, so titelt dieses nach der Veranstaltung in Esslingen bei Festo zweite Forum Mechatronik im Maschinenbau. Am 17. Januar 2006 steht bei Phoenix Contact praktische mechatronische Kompetenz auf Top 1. »Wir wollen keine akademischen Vorträge, sondern namhafte Referenten aus verschiedenen Branchen«, waren sich die Organisatoren vom Mechatronischen Arbeitskreis der :K einig. Im ersten Block des Forums kommt der Maschinenbau aus der Verpackungsindustrie, der Holzbearbeitung und der Montage zu Wort. ›Mechatronik verbindet‹, so lautet das Motto des ›OpenSpace‹ im zweiten Block der Veranstaltung. Wie Mechatronik die Teile verbindet, werden im OpenSpace Ideen ausgetauscht, um Prozesse zu vereinfachen. Jeder kann sein Thema auf die Agenda setzen und in einer Arbeitsgruppe diskutieren - auch über den Tag hinaus. Denn ein wichtiges Anliegen des Forums sind Netzwerke, die auch nach dem 17. Januar noch funktionieren.

Erschienen in Ausgabe: 08/2005