Struktur, Komponenten, Elektronikverdrahtung, Wartungsfreundlichkeit.

Die Zusammenführung von Maschinenbau, Elektrotechnik, Programmierung und Steuerungstechnik ist nicht einfach. Doch die Integration technologischer Fortschritte und die Fokussierung auf diese fünf Bereiche können den Prozess vereinfachen und Mechatronik zugänglicher machen.

Die heutigen, rasanten Produktentwicklungszyklen und der schnelle technologische Fortschritt haben den Bedarf an interdisziplinärer Ingenieursarbeit verstärkt. Konnte sich der Maschinenbauingenieur früher ausschließlich auf die Hardware, der Elektrotechniker auf die Verkabelung und Leiterplatten und der Regelungstechniker auf die Software und Algorithmenprogrammierung konzentrieren, vereint die Mechatronik diese Bereiche und ermöglicht so die Entwicklung umfassender Bewegungslösungen. Fortschritte und die Integration aller drei Bereiche optimieren die mechatronische Konstruktion.

Diese Vereinfachung treibt die Fortschritte in der Robotik und bei mehrachsigen kartesischen Systemen für industrielle Anwendungen und die Fertigung, die Automatisierung für Verbrauchermärkte in Kiosken und Liefersystemen sowie die rasche Akzeptanz von 3D-Druckern in der breiten Öffentlichkeit voran.

Hier sind fünf Schlüsselfaktoren, die, wenn sie zusammen betrachtet werden, zu einer einfacheren Mechatronik-Konstruktion führen.

1. Integrierte Linearführungen und Struktur

Im Maschinenbau sind Lager- und Linearführungsbaugruppen schon so lange etabliert, dass die Mechanik eines Bewegungssystems oft vernachlässigt wird. Fortschritte bei Materialien, Konstruktion, Funktionen und Fertigungsmethoden machen es jedoch lohnenswert, neue Optionen in Betracht zu ziehen.

Beispielsweise führt die bereits im Herstellungsprozess integrierte Ausrichtung von Parallelschienen zu geringeren Kosten durch weniger Bauteile, höhere Präzision und weniger Einflussfaktoren entlang der Schienenlänge. Solche Parallelschienen vereinfachen zudem die Montage, da mehrere Befestigungselemente und die manuelle Ausrichtung entfallen.

Früher war es fast immer erforderlich, dass Ingenieure bei der Auswahl eines Linearführungssystems auch Montageplatten, Stützschienen oder andere Strukturen für die notwendige Stabilität berücksichtigen mussten. Neuere Komponenten integrieren die Stützstrukturen direkt in die Linearführung. Dieser Wandel von der Konstruktion einzelner Komponenten hin zu einteiligen, vorgefertigten Konstruktionen oder integrierten Baugruppen reduziert die Anzahl der Bauteile und senkt gleichzeitig Kosten und Arbeitsaufwand.

2. Komponenten der Kraftübertragung

Die Wahl des richtigen Antriebsmechanismus oder der passenden Kraftübertragungskomponenten ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Der Auswahlprozess, bei dem die richtige Drehzahl, das richtige Drehmoment und die optimale Präzision in Bezug auf Motor und Elektronik aufeinander abgestimmt werden müssen, beginnt mit dem Verständnis, welche Ergebnisse die einzelnen Antriebsarten erzielen können.

Ähnlich wie das Getriebe eines Autos im vierten Gang eignen sich Riemenantriebe für Anwendungen, die hohe Drehzahlen über große Hublängen erfordern. Am anderen Ende des Leistungsspektrums stehen Kugel- und Gewindespindeln, die eher einem Auto mit einem kraftvollen und reaktionsschnellen ersten und zweiten Gang ähneln. Sie bieten ein hohes Drehmoment und zeichnen sich durch schnelles Anfahren, Anhalten und Richtungswechsel aus. Die Grafik veranschaulicht die Unterschiede zwischen der Drehzahl von Riemen und dem Drehmoment von Gewindespindeln.

Ähnlich wie bei Linearführungen hat sich auch die Konstruktion von Gewindespindeln durch präzise Ausrichtung weiterentwickelt, um in dynamischen Anwendungen eine höhere Wiederholgenauigkeit zu erzielen. Bei Verwendung einer Kupplung ist auf die korrekte Ausrichtung von Motor und Spindel zu achten, um ein „Wackeln“ zu vermeiden, das Präzision und Lebensdauer beeinträchtigt. In manchen Fällen kann die Kupplung vollständig entfallen und die Spindel direkt am Motor befestigt werden. Dadurch werden mechanische und elektrische Komponenten direkt miteinander verbunden, was zu einem Wegfall von Bauteilen, erhöhter Steifigkeit und Präzision bei gleichzeitiger Kostenreduzierung führt.

3. Elektronik und Verkabelung

Herkömmliche Konfigurationen für die Elektronik in Bewegungssteuerungsanwendungen umfassen komplizierte Verkabelungen sowie Gehäuse und Montagevorrichtungen zur Unterbringung aller Komponenten. Das Ergebnis ist oft ein System, das nicht optimal arbeitet und zudem schwer einzustellen und zu warten ist.

Neue Technologien bieten Systemvorteile, indem Treiber, Steuerung und Verstärker direkt auf einem „intelligenten“ Motor integriert werden. Dadurch wird nicht nur der Platzbedarf für zusätzliche Komponenten reduziert, sondern auch die Gesamtanzahl der Bauteile verringert und die Anzahl der Anschlüsse und Kabel vereinfacht. Dies minimiert das Fehlerrisiko und spart Kosten und Arbeitsaufwand.

4. Für die Fertigung konzipiert (DFM)

• Klammerung

Neben der einfacheren Montage integrierter Konstruktionen durch Schienensysteme verbessern Erfahrung und neue Technologien wie der 3D-Druck Ihre Möglichkeiten, Prototypen mechatronischer und robotischer Baugruppen nach DFM-Standards zu fertigen. Beispielsweise war die Herstellung kundenspezifischer Verbindungsstücke für Bewegungssysteme in Werkzeugmachereien oder Fertigungsbetrieben bisher oft kostspielig und zeitaufwendig. Dank 3D-Druck können Sie heute ein CAD-Modell erstellen, es an den 3D-Drucker senden und erhalten in einem Bruchteil der Zeit und zu einem Bruchteil der Kosten ein brauchbares Modellteil.

• Konnektierung

Ein weiterer, bereits behandelter Bereich von DFM ist der Einsatz intelligenter Motoren, bei denen die Elektronik direkt am Motor angebracht ist, was die Montage vereinfacht. Darüber hinaus vereinfachen neuere Technologien, die Steckverbinder, Kabel und Kabelmanagement in einem Gehäuse integrieren, die Montage und machen herkömmliche, schwere Kabelträger aus Kunststoff überflüssig.

5. Langfristige Wartungsfreundlichkeit

Neuere Technologien und Designverbesserungen wirken sich nicht nur auf die Herstellbarkeit aus, sondern auch auf die spätere Wartungsfreundlichkeit eines Systems. Beispielsweise vereinfacht die Integration von Steuerung und Antrieb in den Motor die Fehlersuche erheblich. Der Zugang zu Motor und Elektronik ist übersichtlich und unkompliziert. Darüber hinaus lassen sich viele Systeme vernetzen, sodass Ferndiagnosen von nahezu jedem Ort aus möglich sind.