OEMs von Fertigungssystemen und Endanwender von Automatisierungslösungen sind heute ständig auf der Suche nach technologischen Fortschritten, die ihnen das Leben 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 Wert für OEMs und Endnutzer steigert.

Das Verständnis der Möglichkeiten 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 erfolgen. 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, soweit zutreffend
• Präzise Steuerung und Ausführung von Bewegungsabläufen
• Automatisierte Verfolgung von Produktionsdaten und Durchsatz
• Einfache Konnektivität mit maschinen- und anlagenweiten 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 … und 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, die nur über Grundkenntnisse in elektrischer und hydraulischer Betätigung (einschließlich linearer Bewegung) und Bewegungssteuerung verfügen. 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 z. B. ein kartesischer Roboter, eine Pressmaschine oder eine Fügemaschine – in einem Schritt spezifiziert werden. Auf diese Weise erhalten Ingenieure eine Komplettlösung von einem einzigen Lieferanten – ein integriertes System mit vorprogrammierten Bewegungsabläufen, das sofort einsatzbereit ist.

Intelligentere, 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 betriebsspezifische mechatronische Funktionsbausätze einiger Hersteller zur Unterstützung einer solchen Überwachung. Ein Funktionsbausatz 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 Funktionsbausatz gebaut werden, sind einfach zu implementieren, da die Komponenten mit vorinstallierter Betriebssoftware und automatischer Parametrierung auf dem Servoantrieb geliefert werden. Daher 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.

Darüber hinaus kann die Maschine mit einem integrierten Kraftsensor zur Messung und Verfolgung von Vorgängen ausgestattet werden. Beispielsweise können solche Sensoren in einer Lagerpresse den Linearantrieb verfolgen, um sicherzustellen, dass er genau die richtige Kraft aufbringt, um die Kugeln in ihr Lagergehäuse einzusetzen. Gleichzeitig kann die Systemsteuerung auch eine Qualitätskontrolle durchführen, indem sie sicherstellt, dass die Antriebe ihre präzise gesteuerten Abläufe ordnungsgemäß durchlaufen. Da sich solche Abläufe an einer Pressmaschine typischerweise hunderte oder sogar tausende Male pro Stunde wiederholen, zeichnet die Systemsteuerung die Messungen jedes Bewegungszyklus auf und leitet sie zur Speicherung weiter. Bediener können dann Tools im Steuerungspaket verwenden, um Visualisierungen der Prozessergebnisse zu erstellen. Diese können darstellen, ob die Presskräfte Prozessschwellenwerte 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 … 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, beispielsweise für lineare Bewegungssysteme wie kartesische Handhabungsroboter für Pick-and-Place- oder Transportvorgänge. Sie nutzen ähnliche Online-Konfigurationstools, um alle für komplette Handhabungssysteme erforderlichen Linearmodule, Aktuatoren und Endeffektoren, Kabel, Sensoren, elektrischen Antriebe und Steuerungen zu dimensionieren und zu spezifizieren.

Intelligente Mechatronik-Anwendungen im Einsatz

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

In vielen Unternehmen oder bei Systemintegratoren ist es üblich, dass die Maschinenbauabteilung für die Spezifikation und Bestellung eines Komponentensatzes verantwortlich ist, während die Elektroabteilung 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 den Herstellern dabei 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. Wichtig ist auch die Bewertung der Qualität und Benutzerfreundlichkeit ihrer Konfigurationstools, um sicherzustellen, dass die von den intelligenten Mechatronik-Bewegungen versprochene Benutzerfreundlichkeit – von Anfang bis Ende – vollumfänglich gewährleistet wird. So können Maschinenbauer und Endanwender die Plug-and-Produce-Vorteile der intelligenten Mechatronik in ihren Betrieben voll ausschöpfen.