Die heutigen OEMs von Fertigungssystemen und Anwender von Automatisierungslösungen sind ständig auf der Suche nach technologischen Fortschritten, die ihnen die Arbeit erleichtern. Die Innovationen der Industrie 4.0 haben eine neue Generation intelligenter Technologien hervorgebracht, die digitale Elektronik und Kommunikationsschnittstellen kombinieren und so mehr Raffinesse, Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit bieten.

Da immer mehr Fertigungsunternehmen auf Industrie-4.0-fähige Technologien setzen, verleihen neue intelligente Mechatronik-Technologien Maschinen mehr Intelligenz und Vielseitigkeit. Diese fortschrittlichen Systeme sind zudem einfacher zu spezifizieren, zu bestellen und zu implementieren als bisherige Lösungen – was ihren Wert für OEMs und Endanwender steigert.

Das Verständnis der Leistungsfähigkeit intelligenter Mechatronik kann Systementwicklungsingenieuren helfen, einzuschätzen, wie sie diese Mechatronik am besten nutzen können, um ihre Fertigungslösungen wettbewerbsfähig zu gestalten.

Moderne Mechatronik ist integriert und vielseitig.

Mechatronik umfasst Systeme und Baugruppen, die unterschiedliche mechanische und elektronische Komponenten zu Lösungen für spezifische Aufgaben kombinieren. Im Bereich der Bewegungstechnik sind Produktmontage und Transport zwei Beispiele, die durch mechatronische Linearantriebe und kartesische Roboter realisiert werden. Kern der Mechatronik ist die enge Integration von Elektromotoren, Steuerungen, Sensoren und Linearkomponenten. Die Mechatronik kann als Vorläufer der Technologien von Industrie 4.0 betrachtet werden.

Intelligente Mechatronik führt dieses Konzept weiter und bietet Komplettlösungen mit fortschrittlichen Sensoren und benutzerfreundlichen Steuerungsplattformen. Diese Systeme ermöglichen Folgendes:

• Echtzeitdaten zur Maschinenleistung
• Echtzeitdaten zur Fertigungsqualität, soweit zutreffend
• Präzise Steuerung und Ausführung von Bewegungsabläufen
• Automatisierte Erfassung von Produktionsdaten und Durchsatz
• Einfache Anbindung an Maschinen- und Anlagenmanagementsysteme

Intelligente Mechatronik – Schritt eins: Online-Konfiguration

Intelligente Mechatroniksysteme lassen sich schneller und einfacher entwickeln und in Betrieb nehmen als bisherige Systeme. Das ist von Vorteil, da Mechatroniksysteme naturgemäß sehr komplex sind – sie erfordern die gleichzeitige Berücksichtigung und Dimensionierung mehrerer linearer Komponenten, Antriebe, Steuerungen und Bedienerschnittstellen sowie deren sorgfältige Kombination.

Der erste Schritt bei der Spezifizierung, dem Kauf und der Inbetriebnahme einer intelligenten Mechatronikmaschine ist die Nutzung von Online-Tools, die über Lieferantenportale zugänglich sind. Mit diesen Konfigurationstools können Ingenieure intelligente Systeme erstellen, die mit minimalem Programmieraufwand sofort einsatzbereit sind. Sie sind daher besonders hilfreich für Ingenieure mit grundlegenden Kenntnissen in elektrischer und hydraulischer Aktorik (einschließlich Linearbewegung) und Bewegungssteuerung. Benutzer geben Parameter wie Hub, Werkstückgewicht und Zykluszeit ein. Die generierten Daten können anschließend in der CAD-Umgebung des Online-Tools überprüft werden. Nach den folgenden Eingabeaufforderungen zur Dimensionierung und Konfiguration lassen sich alle Komponenten für die komplette Mechatroniklösung – wie beispielsweise ein kartesischer Roboter, eine Pressmaschine oder eine Fügemaschine – in einem Schritt spezifizieren. Diese Option ermöglicht es Ingenieuren, eine Komplettlösung von einem einzigen Lieferanten zu erhalten – ein integriertes System mit vorprogrammierten Bewegungssequenzen, das sofort einsatzbereit ist.

Intelligentere, einfachere Betriebssteuerung

Intelligente Mechatronik kann Produktivität und Flexibilität steigern, üblicherweise durch „transparente“ Produktionsprozesse – mit Sensoren zur Echtzeit-Zustandsüberwachung.

Man denke nur daran, wie manche Hersteller betriebsspezifische mechatronische Funktionsbausteine ​​zur Unterstützung solcher Überwachungsprozesse anbieten. Ein Funktionsbaustein für eine Pressmaschine könnte beispielsweise einen elektromechanischen Zylinder, einen Servoantrieb, einen Motor, eine Steuerung, Sensoren und eine Bedienersoftware zur Unterstützung von Press- und Fügevorgängen umfassen. Maschinen, die mit einem solchen Funktionsbaustein ausgestattet sind, lassen sich einfach implementieren, da die Komponenten mit vorinstallierter Betriebssoftware und automatischer Parametrierung für den Servoantrieb geliefert werden – sodass keine Kenntnisse in der Bewegungssteuerungsprogrammierung erforderlich sind, um die Maschine in Betrieb zu nehmen. Die Software verfügt über eine intuitive Drag-and-Drop-Benutzeroberfläche (GUI), mit der Bediener Produktionsabläufe erstellen können – beispielsweise das Einpressen von Kugellagern in ein Gehäuse.

Darüber hinaus kann die Maschine mit einem integrierten Kraftsensor zur Messung und Überwachung der Vorgänge ausgestattet sein. Beispielsweise könnte ein solcher Sensor in einer Lagerpresse den Linearantrieb überwachen, um sicherzustellen, dass dieser die exakt benötigte Kraft zum Einpressen der Kugeln in das Lagergehäuse aufbringt. Gleichzeitig kann die Systemsteuerung die Qualitätskontrolle übernehmen, indem sie den korrekten Ablauf der präzise gesteuerten Bewegungssequenzen der Aktoren gewährleistet. Da sich diese Sequenzen an einer Pressmaschine typischerweise Hunderte oder sogar Tausende Male pro Stunde wiederholen, erfasst die Systemsteuerung die Messwerte jedes Bewegungszyklus und speichert sie. Die Bediener können anschließend mithilfe der Tools in der Steuerungssoftware Visualisierungen der Prozessergebnisse erstellen. Diese Visualisierungen zeigen beispielsweise, ob die Presskräfte die Prozessschwellenwerte überschritten oder unterschritten haben, und ermöglichen es den Bedienern, Kraft-Weg-Kurven in Echtzeit an ihren Arbeitsplätzen zu analysieren. Mit diesen Daten können erfahrene Maschinenbediener höchste Fertigungsqualität und Produktivität gewährleisten, ohne dass spezielle Programmierung oder die Entwicklung von Qualitätsanalysen durch Softwareentwickler erforderlich ist.

Darüber hinaus können Daten auch über Systemschnittstellen in werksweite oder cloudbasierte Fertigungsanalysesysteme exportiert werden… wodurch das intelligente Mechatroniksystem zu einem integralen Bestandteil der Industrie 4.0-Plattform eines Unternehmens wird.

Ähnliche Funktionen werden auch für andere Szenarien der Fabrikautomation eingesetzt, darunter Linearbewegungssysteme wie kartesische Handhabungsroboter für Pick-and-Place- oder Transportvorgänge. Sie verwenden ähnliche Online-Konfigurationstools, um alle für komplette Handhabungssysteme notwendigen Linearmodule, Aktuatoren und Endeffektoren, Kabel, Sensoren, elektrischen Antriebe und Steuerungen zu dimensionieren und zu spezifizieren.

Intelligente Mechatronik-Anwendungen im Einsatz

Intelligente Mechatronik demonstriert, wie hochentwickelte Technologie komplexe technische Probleme einfacher lösen kann. In der Industrie haben Maschinenbauer bisher typischerweise versucht, ihre eigenen Mechatronik-Baugruppen zu entwickeln, indem sie einzelne Komponenten – Linearantriebe, Steuerungen, Netzteile, Endeffektoren usw. – bestellten und integrierten. Dieser Prozess ist oft umständlich und zeitaufwändig.

Bei vielen Unternehmen und Systemintegratoren ist es üblich, dass die Maschinenbauabteilung für die Spezifikation und Bestellung eines Komponentensatzes zuständig ist, während die Elektrotechnikabteilung ihre Komponenten bestellt. Solche Aufteilungen stellen die Einkaufsabteilung vor größere Herausforderungen, und die Ingenieure haben die Aufgabe, die Komponenten physisch zusammenzufügen und so zu programmieren, dass sie wie spezifiziert funktionieren.

Das Konzept der intelligenten Mechatronik verändert dieses Paradigma und entlastet dadurch die Ingenieure, sodass sie Zeit und Ressourcen für komplexere und anspruchsvollere Konstruktionsfragen aufwenden können. Zweifellos werden die Vorteile der intelligenten Mechatronik-Technologie Herstellern helfen, serienreife Systeme mit integrierter Intelligenz und Sensorik zu entwickeln, die den Anforderungen von Industrie 4.0 gerecht werden.

Obwohl das Konzept der intelligenten Mechatronik sehr intuitiv ist, ist es dennoch wichtig, mit Mechatronik-Anbietern zusammenzuarbeiten, deren Portfolios und Engineering-Kompetenz die gesamte Bandbreite an Komponenten – von Linearantrieben über Steuerungen und Servoantriebe bis hin zu Bedienersoftware – abdecken, die für den Aufbau vollständiger, leistungsstarker Mechatronik-Lösungen erforderlich sind. Ebenso wichtig ist es, die Qualität und Benutzerfreundlichkeit ihrer Konfigurationstools zu bewerten, um sicherzustellen, dass die durch die intelligenten Mechatronik-Funktionen versprochene Benutzerfreundlichkeit – vom ersten bis zum letzten Schritt – vollständig gewährleistet ist. Dies trägt dazu bei, dass Maschinenbauer und Endanwender die Vorteile der Plug-and-Produce-Technologie der intelligenten Mechatronik in ihren Betrieben optimal nutzen können.