OEMs von Fertigungssystemen und Endnutzer von Automatisierungslösungen sind heute ständig auf der Suche nach technologischen Fortschritten, die ihnen die Arbeit erleichtern. Innovationen im Bereich Industrie 4.0 haben eine neue Klasse intelligenter Technologien hervorgebracht, die digitale Elektronik und Kommunikationsschnittstellen für mehr Raffinesse, Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit kombinieren.

Immer mehr Fertigungsunternehmen setzen auf Industrie 4.0-fähige Technologien. Neue intelligente Mechatronik-Technologien verleihen Maschinen mehr Intelligenz und Flexibilität. Diese fortschrittlichen Systeme lassen sich zudem einfacher spezifizieren, bestellen und implementieren als bisherige Optionen – was ihren Mehrwert für OEMs und Endnutzer steigert.

Das Verständnis der Fähigkeiten intelligenter Mechatronik kann Systemdesign-Ingenieuren 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 umfasst Systeme und Baugruppen, die unterschiedliche mechanische und elektronische Komponenten zu aufgabenspezifischen Lösungen kombinieren. Beispiele aus der Bewegungstechnik sind die Produktmontage und der Transport, die durch mechatronische Linearbewegungssysteme und kartesische Roboter realisiert werden. Kern der Mechatronik ist die enge Integration von Elektromotoren, Steuerungen, Sensoren und Linearkomponenten. Mechatronik gilt als Vorreiter der Industrie 4.0-Technologien.

Intelligente Mechatronik geht noch einen Schritt weiter und bietet Komplettlösungen mit fortschrittlichen Sensoren und benutzerfreundlichen Steuerungsplattformen. Diese Systeme bieten:

• Echtzeitdaten zur Maschinenleistung
• Echtzeitdaten zur Fertigungsqualität, sofern zutreffend
• Präzise Steuerung und Ausführung von Bewegungsabläufen
• Automatisierte Verfolgung von Produktionsdaten und Durchsatz
• Einfache Konnektivität mit maschinen- und werksweiten Managementsystemen

Smarte Mechatronik – Schritt eins: Online-Konfiguration

Intelligente Mechatronik lässt sich schneller und einfacher entwickeln und in Betrieb nehmen als bisherige Mechatroniksysteme. Das ist hilfreich, denn Mechatronik ist naturgemäß recht komplex und erfordert die gleichzeitige Berücksichtigung und Dimensionierung mehrerer linearer Komponenten, Antriebe, Steuerungen und Bedienoberflächen sowie deren sorgfältige Kombination.

Der erste Schritt bei der Spezifikation, 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 bauen, die sofort einsatzbereit sind und nur minimalen Programmieraufwand erfordern. Sie sind daher besonders hilfreich für Ingenieure mit Grundkenntnissen in elektrischer und hydraulischer Antriebstechnik (einschließlich linearer Bewegung) und Bewegungssteuerung. Benutzer geben Parameter wie Hub, Werkstückgewicht und Zykluszeit ein, woraufhin eine Ausgabe generiert wird, die in der CAD-Umgebung des Online-Tools überprüft werden kann. Mit den folgenden Dimensionierungs- und Konfigurationsanweisungen können alle Komponenten für die komplette Mechatroniklösung – wie beispielsweise ein kartesischer Roboter, eine Pressmaschine oder eine Fügemaschine – in einem Schritt spezifiziert werden. So erhalten Ingenieure eine Komplettlösung von einem einzigen Anbieter – ein integriertes System mit vorprogrammierten Bewegungsabläufen, das sofort einsatzbereit ist.

Intelligentere und einfachere Betriebssteuerung

Intelligente Mechatronik kann die Produktivität und Flexibilität steigern, in der Regel durch „transparente“ Produktionsprozesse – mit Sensoren zur Zustandsüberwachung in Echtzeit.

Ein Beispiel hierfür sind die betriebsspezifischen mechatronischen Funktionsbausätze einiger Hersteller zur Unterstützung solcher Überwachungsaufgaben. Ein solcher Bausatz für eine Pressmaschine könnte beispielsweise einen elektromechanischen Zylinder, einen Servoantrieb, einen Motor, eine Steuerung, Sensoren und Bedienersoftware zur Unterstützung von Press- und Fügevorgängen enthalten. Maschinen, die mit einem solchen Bausatz gebaut werden, sind einfach zu implementieren, da die Komponenten mit vorinstallierter Betriebssoftware und automatischer Parametrierung auf dem Servoantrieb ausgeliefert werden. So sind keine Kenntnisse in der Motion-Control-Programmierung erforderlich, um die Maschine online zu bringen. Die Software verfügt über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) mit Drag-and-Drop-Funktion, mit der Bediener intuitiv Produktionsabläufe erstellen können – beispielsweise das Einpressen von Kugellagern in ein Gehäuse.

Zusätzlich kann die Maschine mit einem integrierten Kraftsensor zur Messung und Verfolgung von Vorgängen ausgestattet werden. Beispielsweise können solche Sensoren in einer Lagerpresse den Linearantrieb überwachen, um sicherzustellen, dass er die exakt richtige Kraft aufbringt, um die Kugeln in ihr Lagergehäuse einzusetzen. Gleichzeitig kann die Systemsteuerung auch die Qualitätskontrolle übernehmen, indem sie sicherstellt, dass die Antriebe ihre präzise gesteuerten Abläufe korrekt durchlaufen. Da sich solche Abläufe an einer Pressmaschine typischerweise hunderte oder sogar tausende Male pro Stunde wiederholen, zeichnet die Systemsteuerung die Messwerte jedes Bewegungszyklus auf und speichert sie zur Speicherung. Bediener können dann Tools im Steuerungspaket verwenden, um Visualisierungen der Prozessergebnisse zu erstellen. Diese können beispielsweise darstellen, ob die Presskräfte Prozessgrenzwerte überschritten oder unterschritten haben, und ermöglichen es Bedienern, Kraft-Weg-Kurven in Echtzeit an ihren Arbeitsplätzen zu analysieren. Mithilfe dieser Daten können erfahrene Maschinenbediener höchste Fertigungsqualität und Produktivität aufrechterhalten, ohne dass spezielle Programmierung oder die Entwicklung von Qualitätsanalysen durch erfahrene Softwareentwickler erforderlich ist.

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

Ähnliche Funktionen werden auch für andere Szenarien der Fabrikautomation eingesetzt, beispielsweise für Linearbewegungssysteme wie kartesische Handling-Roboter für Pick-and-Place- oder Transportvorgänge. Sie nutzen ähnliche Online-Konfigurationstools zur Dimensionierung und Spezifikation aller Linearmodule, Aktoren und Endeffektoren, Verkabelungen, Sensoren, elektrischen Antriebe und Steuerungen, die für komplette Handlingsysteme erforderlich sind.

Intelligente Mechatronik-Anwendungen im Einsatz

Intelligente Mechatronik zeigt, wie hochentwickelte Technologie komplexe technische Probleme einfacher lösen kann. In der Industrie versuchen Maschinenbauer üblicherweise, eigene Mechatronik-Baugruppen zu entwickeln, indem sie einzelne Komponenten – Linearantriebe, Steuerungen, Stromversorgungen, Endeffektoren und mehr – bestellen und integrieren. Dieser Prozess ist oft mühsam und zeitaufwändig.

In vielen Unternehmen oder bei Systemintegratoren ist es üblich, dass die Maschinenbaugruppe für die Spezifikation und Bestellung eines Komponentensatzes verantwortlich ist, während die Elektrogruppe ihre Komponenten bestellt. Solche Vereinbarungen stellen für die Einkaufsabteilung eine größere Herausforderung dar, und die Ingenieure müssen alles physisch zusammenfügen und programmieren, um sicherzustellen, dass es wie angegeben funktioniert.

Das Konzept der intelligenten Mechatronik ändert dieses Paradigma und entlastet Ingenieure, sodass sie Zeit und Ressourcen für komplexere und anspruchsvollere Konstruktionsaufgaben nutzen können. Zweifellos werden die Vorteile der intelligenten Mechatronik Herstellern helfen, produktionsreifere Systeme mit integrierter Intelligenz und Sensorik zu entwickeln, die die Anforderungen von Industrie 4.0 erfüllen.

Obwohl das Konzept der intelligenten Mechatronik sehr intuitiv ist, ist es dennoch wichtig, mit Mechatronik-Anbietern zusammenzuarbeiten, deren Portfolio und technisches Know-how die gesamte Bandbreite an Komponenten – Linearantriebe, Steuerungen, Servoantriebe und Bedienersoftware – umfasst, die für die Entwicklung kompletter, leistungsstarker Mechatronik-Lösungen erforderlich sind. Darüber hinaus ist es wichtig, die Qualität und Benutzerfreundlichkeit ihrer Konfigurationstools zu bewerten, um sicherzustellen, dass die von den intelligenten Mechatronik-Bewegungen versprochene Benutzerfreundlichkeit – von Anfang bis Ende – vollständig gewährleistet ist. Dies trägt dazu bei, dass Maschinenbauer und Endnutzer die Plug-and-Produce-Vorteile der intelligenten Mechatronik in ihren Betrieben voll ausschöpfen können.