Struktur, Komponenten, elektronische Verkabelung, Wartbarkeit.

Die Zusammenführung von Mechanik, Elektrik, Programmierung und Steuerungstechnik ist nicht mühelos. Aber die Integration technologischer Fortschritte und die Konzentration auf diese fünf Bereiche können den Prozess vereinfachen und sicherstellen, dass die Mechatronik einfacher wird.

Die heutigen schnelllebigen Produktentwicklungszyklen und die rasanten Fortschritte in der Technologie haben den Bedarf an stärker interdisziplinärer Technik erhöht. Konnte sich der Maschinenbauingenieur einst ausschließlich auf die Hardware konzentrieren, der Elektroingenieur auf die Verkabelung und Leiterplatten und der Steuerungsingenieur auf die Software und die Algorithmenprogrammierung, vereint der Bereich Mechatronik diese Bereiche und schafft so einen Schwerpunkt für eine komplette Bewegungslösung. Fortschritte und die Integration aller drei Bereiche optimieren das mechatronische Design.

Es ist diese Vereinfachung, die Fortschritte in der Robotik und mehrachsigen kartesischen Systemen für industrielle Anwendungen und Fertigung, Automatisierung für Verbrauchermärkte in Kiosken und Liefersystemen sowie die schnelle Akzeptanz von 3D-Druckern in der Mainstream-Kultur vorantreibt.

Hier sind fünf Schlüsselfaktoren, die zusammengenommen zu einem einfacheren mechatronischen Design führen.

1. Integrierte lineare Führungen und Struktur

In der Maschinenkonstruktion gibt es Lager- und Linearführungsbaugruppen schon so lange, dass die Mechanik eines Bewegungssystems oft erst nachträglich behandelt wird. Fortschritte bei Materialien, Design, Funktionen und Herstellungsmethoden machen es jedoch lohnenswert, über neue Optionen nachzudenken

Beispielsweise bedeutet die vorgefertigte Ausrichtung, die während des Herstellungsprozesses in parallele Schienen eingebaut wird, geringere Kosten aufgrund weniger Komponenten, höherer Präzision und weniger Variablen, die über die Länge einer Schiene auftreten. Solche parallelen Schienen verbessern auch die Installation, da mehrere Befestigungselemente und die manuelle Ausrichtung entfallen.

In der Vergangenheit war es fast eine Garantie, dass ein Ingenieur für jedes Linearführungssystem, das er wählte, auch Montageplatten, Stützschienen oder andere Strukturen für die erforderliche Steifigkeit berücksichtigen musste. Neuere Komponenten integrieren Stützstrukturen in die Linearschiene selbst. Diese Verlagerung von der Konstruktion einzelner Komponenten hin zu technisch gefertigten einteiligen Konstruktionen oder integrierten Unterbaugruppen reduziert die Anzahl der Komponenten und senkt gleichzeitig Kosten und Arbeitsaufwand.

2. Kraftübertragungskomponenten

Auch die Wahl des richtigen Antriebsmechanismus oder der richtigen Kraftübertragungskomponenten spielt eine Rolle. Der Auswahlprozess, bei dem es darum geht, die richtige Geschwindigkeit, das richtige Drehmoment und die richtige Präzisionsleistung mit dem Motor und der Elektronik abzustimmen, beginnt mit dem Verständnis, welche Ergebnisse jeder Antriebstyp erzielen kann.

Ähnlich wie das Getriebe in einem Auto, das im vierten Gang läuft, eignen sich Riemenantriebe für Anwendungen, bei denen Höchstgeschwindigkeiten über längere Hübe erforderlich sind. Am anderen Ende des Leistungsspektrums stehen Kugel- und Leitspindeln, die eher einem Auto mit einem kraftvollen, reaktionsschnellen ersten und zweiten Gang ähneln. Sie bieten ein gutes Drehmoment und zeichnen sich gleichzeitig durch schnelles Starten, Stoppen und Richtungswechsel aus. Das Diagramm zeigt die Unterschiede zwischen der Geschwindigkeit von Riemen und dem Drehmoment von Schrauben.

Ähnlich wie bei den Fortschritten bei linearen Schienen ist auch die vorkonstruierte Ausrichtung ein weiterer Bereich, in dem die Leitspindelkonstruktion weiterentwickelt wurde, um eine höhere Wiederholgenauigkeit bei dynamischen Anwendungen zu ermöglichen. Achten Sie bei der Verwendung einer Kupplung auf die Ausrichtung von Motor und Schraube, um ein „Wackeln“ zu vermeiden, das die Präzision und Lebensdauer beeinträchtigt. In einigen Fällen kann auf die Kupplung vollständig verzichtet und die Schraube direkt am Motor befestigt werden, wodurch Mechanik und Elektrik direkt zusammengeführt werden, Komponenten entfallen, die Steifigkeit und Präzision erhöht und gleichzeitig die Kosten gesenkt werden.

3. Elektronik und Verkabelung

Herkömmliche Konfigurationen für die Elektronik in Bewegungssteuerungsanwendungen umfassen komplizierte Verdrahtungsanordnungen sowie Schränke und Montageteile für die Montage und Unterbringung aller Komponenten. Das Ergebnis ist oft ein System, das nicht optimiert ist und sich nur schwer anpassen und warten lässt.

Neue Technologien bieten Systemvorteile, indem sie Treiber, Controller und Verstärker direkt auf einem „intelligenten“ Motor platzieren. Es wird nicht nur der für die Unterbringung zusätzlicher Komponenten benötigte Platz eingespart, sondern auch die Gesamtzahl der Komponenten reduziert und die Anzahl der Anschlüsse und Verkabelungen vereinfacht, wodurch das Fehlerpotenzial verringert und gleichzeitig Kosten und Arbeitsaufwand eingespart werden.

4. Entwickelt für die Fertigung (DFM)

• Klammerung

Neben der einfacheren Schienenmontage integrierter Designs verbessern Erfahrung und neue Technologien wie der 3D-Druck Ihre Fähigkeit, Prototypen mechatronischer und robotischer Baugruppen nach DFM-Standards zu erstellen. Beispielsweise war die Verarbeitung kundenspezifischer Verbindungshalterungen für Bewegungssysteme in einem Werkzeugbau oder einer Fertigungswerkstatt oft kostspielig und zeitaufwändig. Heutzutage können Sie mit dem 3D-Druck ein CAD-Modell erstellen, es an den 3D-Drucker senden und in einem Bruchteil der Zeit und zu einem Bruchteil der Kosten ein verwendbares Modellteil erhalten.

• Konnektorisierung

Ein weiterer Bereich von DFM, der bereits abgedeckt wurde, ist der Einsatz intelligenter Motoren, bei denen die Elektronik direkt am Motor angebracht ist, was die Montage erleichtert. Darüber hinaus vereinfachen neuere Technologien, die Steckverbinder, Verkabelung und Kabelmanagement in einem Paket integrieren, die Montage und machen herkömmliche, schwere Kabelträger aus Kunststoffketten überflüssig.

5. Langfristige Wartbarkeit

Neuere Technologien und Fortschritte im Design wirken sich nicht nur auf die Herstellbarkeit im Vorfeld aus, sondern können auch die laufende Wartbarkeit eines Systems beeinflussen. Beispielsweise vereinfacht die Verlagerung der Steuerung und des Antriebs an Bord des Motors die eventuell erforderliche Fehlerbehebung. Der Zugang zum Motor und zur Elektronik ist übersichtlich und unkompliziert. Darüber hinaus können viele Systeme jetzt vernetzt werden, sodass von praktisch jedem Ort aus auf sie zugegriffen werden kann, um Ferndiagnosen durchzuführen.