Heutige Hersteller von Fertigungssystemen und Automatisierungsendbenutzer sind ständig auf der Suche nach technologischen Fortschritten, die ihnen das Leben erleichtern. Innovationen in der Industrie 4.0 haben eine neue Klasse intelligenter Technologien hervorgebracht, die digitale Elektronik und Kommunikationsschnittstellen für mehr Raffinesse, Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit kombinieren.

Da immer mehr produzierende Unternehmen auf Industrie 4.0-fähige Technologien setzen, verleihen neue intelligente Mechatronik-Technologien Maschinen mehr Intelligenz und Vielseitigkeit. Diese fortschrittlichen Systeme sind außerdem einfacher zu spezifizieren, zu bestellen und bereitzustellen als frühere Optionen – was ihren Wert für OEMs und Endbenutzer steigert.

Das Verständnis der Fähigkeiten intelligenter Mechatronik kann Systemdesigningenieuren dabei helfen, zu beurteilen, wie sie diese Mechatronik am besten nutzen können, um ihre Fertigungslösungen äußerst wettbewerbsfähig zu machen.

Moderne Mechatronik ist integriert und vielseitig

Mechatronik sind Systeme und Baugruppen, die unterschiedliche mechanische und elektronische Komponenten zu Lösungen für spezifische Aufgaben kombinieren. In der Welt der Bewegung sind zwei Beispiele die Produktmontage und der Transport, die durch mechatronische Linearbewegungssysteme und kartesische Roboter abgedeckt werden. Der Kern der Mechatronik ist die enge Integration elektronischer Motoren, Steuerungen, Sensoren und linearer Komponenten. Die Mechatronik könnte als Vorreiter der Industrie 4.0-Technologien gelten.

Intelligente Mechatronik führt das Konzept weiter – in Form von Komplettlösungen, die fortschrittliche Sensoren und bedienerfreundliche Steuerungsplattformen integrieren. Diese Systeme ergeben:

• Echtzeitdaten zur Maschinenleistung
• Gegebenenfalls Echtzeitdaten zur Fertigungsqualität
• Präzise Steuerung und Ausführung von Bewegungsabläufen
• Automatisierte Verfolgung von Produktionsdaten und Durchsatz
• Einfache Konnektivität mit Managementsystemen auf Maschinenebene und im gesamten Werk

Smarte Mechatronik Schritt eins: Online-Konfiguration

Intelligente Mechatronik lässt sich schneller und einfacher entwerfen und in Betrieb nehmen als bisherige Mechatroniksysteme. Das ist hilfreich, da Mechatronik von Natur aus recht komplex ist – sie erfordert die gleichzeitige Betrachtung und Dimensionierung mehrerer linearer Komponenten, Antriebe, Steuerungen und Bedienerschnittstellen … und dann deren sorgfältige Kombination.

Der erste Schritt bei der Spezifikation, dem Kauf und der Inbetriebnahme einer intelligenten mechatronischen Maschine besteht in der Nutzung von Online-Tools, die über Lieferantenportale zugänglich sind. Mit diesen Konfigurationstools können Ingenieure intelligente Systeme erstellen, die mit minimalem Programmieraufwand „out of the box“ betriebsbereit sind. Daher sind sie möglicherweise am hilfreichsten für Ingenieure, die nur über grundlegende Kenntnisse der elektrischen und fluidtechnischen Betätigung (einschließlich linearer Bewegung) und Bewegungssteuerung verfügen. Benutzer geben Parameter wie Hub, Werkstückgewicht und Zykluszeit ein, wodurch dann eine Ausgabe generiert wird, die in der CAD-Umgebung des Online-Tools überprüft werden kann. Über die folgenden Dimensionierungs- und Konfigurator-Eingabeaufforderungen können alle Komponenten für die komplette mechatronische Lösung – etwa ein kartesischer Roboter, eine Pressmaschine oder eine Fügemaschine – in einem Rutsch spezifiziert werden. Mit dieser Option können Ingenieure eine Komplettlösung von einem einzigen Anbieter erhalten – sie erhalten ein integriertes System mit vorprogrammierten Bewegungsabläufen, das für die Plug-and-Produce-Implementierung bereit ist.

Intelligentere und einfachere Betriebssteuerung

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

Bedenken Sie nur, dass einige Hersteller zur Unterstützung einer solchen Überwachung betriebsspezifische mechatronische Funktionskits anbieten. Beispielsweise könnte ein Funktionssatz für eine Pressmaschine einen elektromechanischen Zylinder, einen Servoantrieb, einen Motor, eine Steuerung, Sensoren und eine Bedienersoftware zur Unterstützung von Press- und Verbindungsmontagevorgängen umfassen. Maschinen, die mit einem solchen Funktionsbaukasten gebaut werden, sind einfach zu implementieren, da die Komponenten mit vorinstallierter Betriebssoftware … und automatischer Parametrierung für den Betrieb auf dem Servoantrieb geliefert werden – es sind also keine Kenntnisse in der Motion-Control-Programmierung erforderlich, um die Maschine online zu bringen. Die Software verfügt über eine grafische Drag-and-Drop-Benutzeroberfläche (GUI), mit der Bediener Produktionsabläufe intuitiv erstellen können – beispielsweise das Einpressen von Kugellagern in ein Gehäuse.

Darüber hinaus kann die Maschine mit einem integrierten Kraftsensor zur Messung und Verfolgung von Vorgängen ausgestattet sein. Beispielsweise könnten solche Sensoren in einer Lagerpressanwendung den Linearantrieb verfolgen, um sicherzustellen, dass er genau die richtige Kraft aufbringt, um die Kugeln in ihr Lagergehäuse einzuführen. In der Zwischenzeit können Systemsteuerungen auch eine Qualitätskontrolle durchführen, indem sie sicherstellen, dass die Aktoren ihre präzise gesteuerten Abläufe ordnungsgemäß durchlaufen. Da sich solche Abläufe auf einer Pressmaschine typischerweise hunderte oder sogar tausende Male pro Stunde wiederholen, zeichnet die Steuerung des Systems die Messungen jedes Bewegungszyklus auf und leitet sie dann zur Speicherung weiter. Anschließend können Bediener mithilfe der Tools im Controller-Paket Visualisierungen der Prozessergebnisse erstellen. Diese könnten abbilden, ob die Druckkräfte die Prozessschwellenwerte überschritten oder nicht eingehalten haben … und es den Bedienern ermöglichen, Kraft-Weg-Kurven in Echtzeit an ihren Arbeitsplätzen zu analysieren. Mithilfe dieser Daten können erfahrene Maschinenbediener die höchste Fertigungsqualität und Produktivität aufrechterhalten, ohne dass spezielle Programmierungen oder Qualitätsanalysen durch erfahrene Softwareentwickler erforderlich sind.

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

Ähnliche Fähigkeiten werden auch für andere Fabrikautomatisierungsszenarien eingesetzt, darunter lineare Bewegungssysteme wie kartesische Handhabungsroboter für Pick-and-Place- oder Transportvorgänge. Sie verwenden ähnliche Online-Konfigurationstools, um alle für komplette Handhabungssysteme erforderlichen Linearmodule, Aktoren und Endeffektoren, Verkabelungen, Sensoren, elektrischen Antriebe und Steuerungen zu dimensionieren und zu spezifizieren.

Intelligente Mechatronik-Anwendungen in Aktion

Intelligente Mechatronik zeigt, wie anspruchsvolle Technologie komplexe technische Probleme einfacher lösen kann. In einem gängigen Branchenszenario haben Maschinenbauer typischerweise versucht, ihre eigenen mechatronischen Baugruppen zu entwickeln, indem sie separate Komponenten bestellten und integrierten – Linearantriebe, Steuerungen, Netzteile, Endeffektoren und mehr. Dieser Vorgang ist oft umständlich und zeitaufwändig.

Bei vielen Unternehmen oder Systemintegratoren ist es üblich, dass die Maschinenbaugruppe für die Spezifikation und Bestellung eines Komponentensatzes verantwortlich ist, während die Elektroabteilung ihre Komponenten bestellt. Solche Vorkehrungen stellen eine größere Herausforderung für die Einkaufsabteilung dar, und das technische Personal hat die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass alles physisch zusammenpasst und es so zu programmieren, dass es wie spezifiziert funktioniert.

Das Konzept der intelligenten Mechatronik ändert dieses Paradigma und entlastet die Ingenieure dabei, sodass sie Zeit und Ressourcen für komplexere und anspruchsvollere Konstruktionsfragen aufwenden können. Kein Zweifel – die Vorteile und Vorzüge der intelligenten Mechatronik-Technologie werden Herstellern dabei helfen, produktionsbereitere Systeme mit integrierter Intelligenz und Sensortechnologie zu bauen, um die Anforderungen von Industrie 4.0 zu unterstützen.

Obwohl das Konzept der intelligenten Mechatronik sehr intuitiv ist, ist es dennoch wichtig, mit Mechatroniklieferanten zusammenzuarbeiten, deren Portfolios und technisches Fachwissen das gesamte Spektrum an Komponenten umfassen – Linearbewegungsprodukte, Steuerungen, Servoantriebe und Bedienersoftware –, die für den Aufbau vollständiger, leistungsstarker Mechatronik erforderlich sind Lösungen. Es ist auch wichtig, die Qualität und Benutzerfreundlichkeit ihrer Konfigurationstools zu bewerten, um sicherzustellen, dass die von den intelligenten mechatronischen Bewegungen versprochene Benutzerfreundlichkeit – von Anfang bis Ende – vollständig erfüllt wird. Dies trägt dazu bei, dass Maschinenbauer und Endanwender die Plug-and-Produce-Vorteile der intelligenten Mechatronik in ihren Betrieben voll ausschöpfen können.