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Mechatronik

Kommunikationsfähigkeit ist entscheidend für den Erfolg mechatronischer Bauteile

23.08.2007 | Autor / Redakteur: Knut Noack / Reinhold Schäfer

Die Magnetlagertechnik eröffnet der Mechatronik völlig neue Einsatzmöglichkeiten. Bild: SKF
Die Magnetlagertechnik eröffnet der Mechatronik völlig neue Einsatzmöglichkeiten. Bild: SKF

Mechanik und Elektronik wachsen immer mehr zusammen. Dabei sorgt die Mechatronik für weitgehend ausfallsichere Antriebskomponenten. Über Erfolg oder Misserfolg entscheidet jedoch die Kommunikationsfähigkeit der mechatronischen Komponenten.

Die Mechatronik entwickelt sich zur Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Sie verändert Arbeitsplätze ebenso wie Arbeitsweisen. Unternehmen begegnen der Herausforderung mit neuen Strategien und für Menschen, die mit dem technologischen Fortschritt konfrontiert werden, ist die permanente Weiterbildung unabdingbar. Die Kommunikationsfähigkeit steht ganz oben auf der Prioritätenliste.

Mechatronik-Systeme erfordern ganzheitlichen Ansatz

Mechatronische Systeme erfordern den ganzheitlichen Lösungsansatz, so lautet der einhellige Tenor der Veröffentlichungen in den einschlägigen Medien. Das Problem auf den Punkt bringt der VDMA in seinem Bericht über den Kompass Steuerungstechnik 2007:

„In vielen Maschinenbau-Unternehmen sind mechanische und elektrische Konstruktion sowie die Entwicklung der Software getrennt organisiert. Die mechanische Konstruktion ist beendet, bevor die elektrische Konstruktion beginnt; die Software wird zuletzt eingebunden. Gewachsene Hierarchien und eine nach Gewerken getrennte Organisation verzögern die Abläufe und führen zu kostenintensiven Änderungen, häufig noch kurz vor dem Projektabschluss.“

Die Lösung sieht der VDMA in einer Veränderung der Organisation, der so genannten „mechatronischen Organisation“. Danach sollen alle Disziplinen von Anfang an in das Projekt mit einbezogen werden und Konstruktionsentscheidungen gemeinsam getroffen werden. Probleme werden in der Disziplin gelöst, in der sie am einfachsten gelöst werden können.

Parallele Entwicklungsmöglichkeiten verkürzen Durchlaufzeiten, Probleme werden früher erkannt und behoben. Das Anpassen von Hierarchien führt zu einer verbesserten Zusammenarbeit und erweitert den kreativen Spielraum der am Projekt Beteiligten.

Ein Beispiel ist die funktionsorientierte Konstruktion, die aus Teams besteht, die sich mit Teilaufgaben beschäftigen, die sie ganzheitlich lösen, das heißt, sowohl die mechanischen und elektrischen beziehungsweise elektronischen als auch die softwaretechnischen Aspekte. Das Ergebnis sind dann mechatronische Maschinenfunktionen, die einfach in die Maschine integriert werden können.

Voraussetzung für erfolgreiche Mechatronik-Lösungen ist Bündelung von Spezialwissen

Dieser Lösungsansatz, der die Bündelung von Spezialwissen voraussetzt, erfordert von allen Beteiligten das Denken in Systemen und vor allem eine gemeinsame Kommunikationsbasis. Will heißen, die unterschiedlichen Disziplinen müssen sich untereinander verstehen lernen. Die Arbeitsgrundlage des Maschinenbauers ist die technische Zeichnung, der Elektro- und Steuerungstechniker denkt in Zeitabläufen und der Softwarespezialist spricht von Zuständen.

Es gilt also, dort eine gemeinsame Basis zu schaffen, um das Verständnis der einzelnen Disziplinen füreinander, angefangen von der Projektierung über die Konstruktion, die Beschaffung und die Montage bis hin zur Inbetriebnahme eines Systems einschließlich des Service an der Maschine, sicherzustellen. Funktionalität und Leistungsfähigkeit von Produkten allgemein und von mechatronischen Systemen im Besonderen werden immer stärker von der eingebauten Informationstechnik geprägt.

Software hat bei Mechatronik hohen Anteil am Entwicklungsaufwand

Man kann davon ausgehen, dass die Software bereits 40 bis 50% des gesamten Entwicklungsaufwands beträgt und sie bestimmt damit maßgeblich nicht nur den Wert einzelner Produkte, sondern macht sie auch unterscheidbarer voneinander. In den letzten 10 Jahren sind bereits eine ganze Reihe von Projekten mit sehr intelligenten Ansätzen auf den Weg gebracht worden, und die Anzahl von zum Teil fantastischen Lösungen in der Kraftfahrzeugtechnik, der Luftfahrttechnik (Bild 1), der Medizintechnik, der Robotik und nicht zuletzt in der Produktionstechnik (Bild 2) ist immens.

Die wirklichen Potenziale, die uns die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts bietet, sind bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Man betrachte nur die Entwicklung der vergangenen Jahre in der Sensorik, der Aktorik, der Elektromechanik, der Optoelektronik und die Fortschritte bei Prozessrechnern, bei Simulationsverfahren, in der Messtechnik und Mikrosystemtechnik. Damit bei den Entwicklungsprozessen von Hard- und Software ein Zahn in den anderen greift, ist in der Kommunikationsfähigkeit, in der noch fehlenden Standardisierung sowie in der Frage der Prozessabläufe selbst im Jahre 2007 noch eine Menge zu tun.

Mechatronik bietet hohe Innovationspotenziale

Schon früh erkannte SKF die erheblichen Innovationspotenziale, die sich aus dem Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik, Regelungstechnik, Software und gegebenenfalls neuen Werkstoffen ergeben. Entsprechend der Bedeutung dieser noch jungen Technologie bildet das Geschäftsfeld der Mechatronik eine eigenständige Plattform innerhalb der strategischen Ausrichtung von SKF, bestehend aus den fünf Kompetenzplattformen Lager und Lagereinheiten, Dichtungen, Schmiersysteme Mechatronik und Dienstleistungen.

1995 begann das Unternehmen mit der Fertigung von Sensorlagereinheiten, zunächst nur in Kleinserien. Seitdem ersetzen Sensorlager zunehmend Messwertgeber in Anwendungen wie Synchronmotoren in der Industrie und „Steer-by-wire“-Systemen. Im November 2005 feierte SKF den Verkauf der einmillionsten Sensorlagereinheit aus der Produk-tion in St.-Cyr-sur-Loire in Frank-reich.

Basierend auf der Sensorlagertechnik konnte eine Reihe von Produkten wie Lenkungseinheiten (Bild 3) und Rolleneinheiten entwickelt werden, die sich bereits im industriellen Umfeld bewährt haben. Die Lenkungseinheiten werden in unterschiedlichen Ausführungen als „Steer-by-wire“-Systeme in Gabelstaplern und Arbeitsfahrzeugen eingesetzt. „Steer by wire“, „Drive by wire“ und „Fly by wire” sind die Schlagworte, hinter denen sich bereits ausgereifte mechatronische Produkte verbergen, mittels derer „per Draht“ Befehlsinformationen umgesetzt werden. Die Zukunft heißt „wireless“, eine Herausforderung, an der in der Industrie mit Hochdruck gearbeitet wird.

150 Elektromotoren sorgen im Auto für Komfort

Kein Auto geht heute mehr vom Band, ohne ein umfassendes, ausgeklügeltes Mechatronik-Paket mit weitreichenden Funktionen, angefangen von ABS über ASR und EPS bis hin zum Einparkassistenten. Die Anzahl der Steuerprozessoren in einem Automobil nimmt ständig zu, ebenso die zu verarbeitende Datenmenge. Organisiert in mehreren Netzwerken, bewegen die Prozessoren schon über 150 Elektromotoren im Dienste des Komforts und der Sicherheit in einem Automobil des Baujahres 2007. Eine ähnlich stürmische Entwicklung wie im Automobilsektor ist auf dem Gebiet moderner Schienenfahrzeuge zu beobachten, ganz zu schweigen von der Luft- und Raumfahrt, aber auch der Medizintechnik.

Miniaturisierung und Softwareentwicklung schreiten unentwegt voran und die heutige Generation mechatronischer Systeme ist nur eine Zwischenetappe auf dem Weg in eine neue Technik-Ära. Auffällig auch die Entwicklung im klassischen Maschinenbau, in dem durch die Mechatronik Maschinenkonzepte realisierbar sind mit dem Ergebnis von Einsparung an Kosten bei gleichzeitiger Leistungssteigerung. Dort werden durch die Mechatronik die Anforderungen neu definiert. Werkzeugmaschinen mit selbsteinstellenden Werkzeugen, Systeme zur Maschinen- und Anlagendiagnose und autonom arbeitende Roboter sind bereits Stand der Technik.

Tempo und Flexibilität bestimmen die Geschäftsprozesse unserer Zeit und alle Experten sind sich darin einig, dass die daraus resultierenden Anforderungen für Unternehmen aufgrund des sich verschärfenden internationalen Wettbewerbs weiter steigen werden. Dies führt zu Veränderungen der Unternehmensstrategien und darüber hinaus zu völlig neuen Produkten und Systemen.

Kleiner, schneller und leistungsdichter sind die bestimmenden Adjektive, und so gilt es, die Produktqualität zu verbessern, die Produktivität zu erhöhen, eine größere Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten und die vorhandenen Ressourcen im Sinne der Nachhaltigkeit und zur Schonung der Umwelt besser zu nutzen. Alle Forderungen spielen der Mechatronik in die Hände, setzen aber voraus, dass die Menschen, die mit dieser Technik arbeiten und mit dem technischen Fortschritt konfrontiert werden, ihre Ausbildung an die steigenden Anforderungen anpassen: Permanente Weiterbildung ist unabdingbar.

Die Arbeitsplätze in der Industrie werden sich ebenso ändern wie die Arbeitsweisen, denn an die Stelle des konventionellen Wettbewerbs tritt der Wettbewerb der Ideen, und darüber hinaus erhalten die Beziehungen zwischen Anbietern und Kunden eine neue Qualität. Je komplexer die Aufgabenstellung wird, umso deutlicher und klarer müssen Funktionen, Bedingungen, Anforderungen an Strukturen und beeinflussende Faktoren dargestellt werden. Die schon erwähnte Kommunikationsfähigkeit wird zur Schlüsseldisziplin und entscheidet über Erfolg oder Misserfolg. Neue Technologien, wie beispielsweise Laser-, Nano- und Mikrosystemtechnik, sind mittlerweile aus dem Stadium der Laborversuche herausgetreten und werden die Anwendung mechatronischer Lösungen beflügeln.

Bei der Softwareentwicklung stehen nicht mehr Einzellösungen von Teilprozessen im Mittelpunkt, sondern die Betrachtung des Gesamtprozesses, weil mittlerweile die Speicherplätze und die Rechenleistungen der Computer enorme Möglichkeiten bieten. Dass die Technik sich am Menschen orientieren muss, versteht sich von selbst, und so steht die nutzergerechte Gestaltung von Produkten der Zukunft im Vordergrund. Standards für die Verbindung zwischen Prozess und Bediensystem werden künftig geräteunabhängig, kontextbezogen, aufgabenorientiert und selbsterklärend sein. Sensoren und Aktoren wird eine noch stärkere Bedeutung zukommen. Durch Standardisierung von Schnittstellen und Funktionen werden sie integrale Bestandteile von Systemen und werden damit umfangreiche Überwachungs- und Diagnoseaufgaben übernehmen.

Komplette Mechatronik-Systeme in Modulbauweise sind gefragt

Die Kunst in der Mechatronik ist, Mechanik, Elektrik und Software unter einen Hut zu bringen. Gelingt es, mechatronische Ansätze konsequent zu verfolgen, können selbst mit geringen Anfangsinvestitionen beachtliche Ergebnisse erzielt werden, zum Beispiel durch die intelligente Kombination von Standards zu angepassten Systemlösungen.

Der Kunde verlangt heutzutage komplette, perfekt vorkonfigurierte Systeme in Modulbauweise, kompakt in der Ausführung, mit hohen Leistungsmerkmalen und integrierten Lösungen, angepasst an den individuellen Bedarfsfall. So sind beispielsweise in der Lebensmittelproduktion und der Medizintechnik die speziellen Reinheitsgebote einzuhalten. In anderen Fällen sind bestimmte Richtlinien des Explosions-, Brand- und Umweltschutzes einzuhalten.

Perfekte Lösungen erzielt man schon heute, indem man die Synergien zwischen den vorhandenen Technologien ausnutzt, eine Arbeitsweise, die sich gerade in der Mechatronik als Erfolgsrezept schlechthin erwiesen hat. In der SKF-Gruppe geschieht diese Ausnutzung von Synergien plattformübergreifend, indem das vorhandene Know-how aus den unterschiedlichsten Disziplinen gebündelt zur Verfügung gestellt wird. Dabei kommt dem partnerschaftlichen Dialog mit den Kunden eine ganz besondere Bedeutung zu.

Empfehlenswert sind Partnerschaften über den gesamten Produktzyklus hinweg, angefangen von klaren Absprachen und genau definierten Zielsetzungen vom Anfang bis zum Ende eines gemeinsamen Projektes.MM

Knut Noack ist Market Communications Segment Manager bei SKF Group Communications in Schweinfurt

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