Der Begriff Mechatronik ist selbst ein Kunstwort: Der japanische Ingenieur Tetsuro Mori von Yaskawa Electric verband 1969 die Wörter Mechanik und Elektronik, weil sein Arbeitgeber Industrieroboter baute, die beide Disziplinen gleichzeitig brauchten. Yaskawa ließ sich den Namen 1971 als Marke schützen und gab ihn 1982 wieder zur freien Nutzung frei. Heute bezeichnet Mechatronik jedes System, das mechanische Bauteile, Elektronik und Software so kombiniert, dass ein Regelkreis aus Messen, Rechnen und Bewegen entsteht - ein Roboterarm, ein Aufzug und die Servolenkung eines Autos gehören alle dazu. Wie gut ein solches System läuft, hängt heute stark davon ab, wie seine eigenen Daten ausgewertet werden.
Wie Sensoren Messwerte aus dem System liefern
Ein mechatronisches System sammelt seine Daten über Sensoren, die an die jeweilige Messgröße angepasst sind: Drehgeber erfassen die Position einer Welle, Beschleunigungssensoren registrieren Vibrationen, und Thermoelemente messen die Temperatur an kritischen Bauteilen. Für die Übertragung dieser Werte hat sich in der Automobilindustrie der CAN-Bus durchgesetzt, den Bosch-Ingenieure um Uwe Kiencke ab 1983 entwickelten und 1986 auf dem SAE-Kongress vorstellten. Seit 1993 ist er als ISO 11898 genormt. In der Fabrikautomation übernimmt zunehmend EtherCAT diese Aufgabe, ein 2003 von Beckhoff Automation entwickeltes Echtzeit-Ethernet-Protokoll, das Zykluszeiten unter 100 Mikrosekunden erreicht und seit 2004 von der unabhängigen EtherCAT Technology Group weiterentwickelt wird.
Werkzeuge für die Auswertung der Messdaten
Für einfache Tabellen und Diagramme genügt häufig schon ein Office-Paket mit Excel. Sobald die Datenmenge wächst oder ein Modell des physikalischen Systems mitrechnen soll, wechseln Ingenieure zu MATLAB mit der Zusatzsoftware Simulink, die mechanische und elektronische Teilsysteme gemeinsam simuliert. In der Softwareentwicklung hat sich daneben Python mit den Bibliotheken pandas für Tabellenoperationen, NumPy für numerische Berechnungen und scikit-learn für maschinelles Lernen etabliert, weil sich damit auch sehr große Messreihen automatisiert auswerten lassen.
Wie Messdaten Wartung und Prozesse verbessern
Ein verschlissenes Kugellager erzeugt beim Drehen charakteristische Schwingungsfrequenzen, die von seiner Geometrie abhängen und lange vor dem eigentlichen Ausfall in den Vibrationsdaten sichtbar werden. Diese Methode heißt vorausschauende Wartung: Ein Beschleunigungssensor am Lagergehäuse liefert die Rohdaten, ein Analyseprogramm vergleicht das gemessene Frequenzspektrum mit dem Muster eines gesunden Lagers und meldet eine Abweichung, bevor ein Stillstand die Anlage zum Stehen bringt. Wo diese Auswertung fehlt, wird ein Lager entweder zu früh vorsorglich getauscht oder erst nach seinem Ausfall bemerkt.
Wohin sich datengetriebene Mechatronik entwickelt
Ein digitaler Zwilling bildet ein physisches System als virtuelles Modell ab und hält beide Versionen über laufende Messdaten synchron. Der Ingenieur Michael Grieves stellte das Konzept 2002 an der University of Michigan auf einer Konferenz der Society of Manufacturing Engineers vor. Den heute gebräuchlichen Namen "Digital Twin" prägte erst 2010 John Vickers von der NASA in einem Technologie-Fahrplan der Behörde. In der Mechatronik erlaubt ein solcher Zwilling, eine neue Steuerungssoftware zunächst gegen das virtuelle Modell einer Maschine zu testen, bevor sie auf die reale Anlage geladen wird. Dieser Schritt heißt virtuelle Inbetriebnahme und fängt Fehler ab, die sonst erst am laufenden System auffallen würden.
Häufig gestellte Fragen
Woher stammt der Begriff Mechatronik ursprünglich?
Der japanische Ingenieur Tetsuro Mori von Yaskawa Electric verband die Wörter Mechanik und Elektronik 1969, weil sein Arbeitgeber Industrieroboter baute, die beide Disziplinen gleichzeitig brauchten. Yaskawa ließ sich den Namen 1971 als Marke schützen und gab ihn 1982 wieder zur freien Nutzung frei.
Worin unterscheiden sich CAN-Bus und EtherCAT bei der Datenübertragung?
Der CAN-Bus wurde ab 1983 von Bosch-Ingenieuren um Uwe Kiencke entwickelt und ist seit 1993 als ISO 11898 genormt, vor allem in der Automobilindustrie im Einsatz. EtherCAT entstand später, 2003 bei Beckhoff Automation, als Echtzeit-Ethernet-Protokoll für die Fabrikautomation und erreicht Zykluszeiten unter 100 Mikrosekunden.
Wie erkennt vorausschauende Wartung ein verschlissenes Kugellager vor dem Ausfall?
Ein verschlissenes Kugellager erzeugt beim Drehen charakteristische Schwingungsfrequenzen, die von seiner Geometrie abhängen. Ein Beschleunigungssensor am Lagergehäuse liefert die Rohdaten, ein Analyseprogramm vergleicht das gemessene Frequenzspektrum mit dem Muster eines gesunden Lagers und meldet eine Abweichung, lange bevor ein Stillstand die Anlage zum Stehen bringt.
Wer prägte den Namen "Digital Twin" und wann?
Das Konzept selbst stellte der Ingenieur Michael Grieves bereits 2002 an der University of Michigan vor. Den heute gebräuchlichen Namen "Digital Twin" prägte erst 2010 John Vickers von der NASA in einem Technologie-Fahrplan der Behörde.