Der Elektronikkonstrukteur: Leitfaden für den innovativen Elektronikkonstrukteur, Wissen für den Konstrukteur von Elektromechanik aller Art, verständlich geschrieben - auch die elektrischen und elektronischen Grundlagen

Von Steffen Braun

Wissen für den Konstrukteur in der Elektromechanik und Mechatronik. Man nennt ihn auch Elektronikkonstrukteur oder MCAD-Designer.
In diesem Buch findest Du Spezialwissen für die Konstruktion von elektrischen oder elektronischen Geräten. Die Beschreibungen des elektrotechnischen Wissens wurden nur dort vertieft, wo es für die tägliche Arbeit notwendig ist.
Ziel dieser Buchreihe sowie weiterer Wissensmedien soll sein, für den Elektronikkonstrukteur vollständiges, verständliches und anwendbares Wissen zur Verfügung zu stellen. Er kann es zur Weiterbildung, zur Vertiefung oder auch zur Unterstützung einer Fachlaufbahn als Fachexperte nutzen.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: tredition
• Erscheinungsdatum: 1. Aug. 2023
• ISBN: 9783347722217

Steffen Braun

Das Studium im Maschinenbau und der Job in der Elektronik bringt ihm die Idee in den Sinn, für diese Nische das Wissen zusammenzustellen - für viele wichtige Innovationen in der Mechatronik, im Internet of things, Industrie 4.0, smart home und wichtiger medizinischer Produkte.

Buchvorschau

KAPITEL 1

Einleitung

Innovative mechatronische Produkte für zukunftsweisende Technologien wie das Internet of Things, E-Mobility oder die Industrie 4.0 entstehen im mechatronischen Entwicklungsteam.

Daher ist Fachexpertise in diesem Team unerlässlich.

Für die mechanische Produktentwicklung ist in diesem Team der Elektronikkonstrukteur verantwortlich. Er kann sich gezielt mit diesem Buch in seinem Spezialgebiet weiterbilden.

Der Autor Steffen Braun kombiniert sein Erfahrungen mit dem Wissen aus Literatur und Normen. Seine 20 Jahre Berufserfahrung haben gezeigt, dass es in diesem Beruf Spezialwissen gibt, das für einen Fachexperten unerlässlich ist.

Für wen ist das Buch?

Das Buch richtet sich an Sie als Produktentwickler von Gehäusen zum elektrischen und mechanischen Schutz und zur Benutzbarkeit der Elektronik. Sie haben entweder Maschinenbau oder Mechatronik als Techniker oder Bachelor bzw. Master absolviert.

Deswegen wurden die Inhalte besonders aus mechanischer Sicht mit mechanischem Fachjargon erklärt.

Bei der Literaturrecherche hat sich immer wieder gezeigt, dass sie nicht den mechanischen Entwickler als primäre Zielgruppe hat. Da die gefundenen Inhalte aus mechanischer Sicht nicht immer verständlich und vollständig sind, möchte dieses Buch diese Lücke schließen.

Der Autor definiert für Sie als Entwickler den neuen Berufsbegriff Elektronikkonstrukteur. Diese neue und einheitliche Bezeichnung hilft, Wissen und Jobangebote zu finden und sich mit Berufskollegen zu vernetzen.

Außerdem können auch alle Fachleute von diesem Buch profitieren, die in ihrem Beruf mit Elektronik-Flachbaugruppen zu tun haben.

Die mechanische Seite der Mechatronik verstehen lernen

Von Hanus [31, S.9] wird die Rolle der Mechanik in mechatronischen Geräten so dargestellt:

„Die Elektrotechnik [..] und die Mechanik hingen schon immer eng zusammen: Eine [Experimentier-, Anm. d. Verf.] Platine muss auf die erforderliche Größe geschnitten, gebohrt und angeschraubt werden, in das Gehäuse für ein elektronisches Gerät müssen Schalter, Stecker, Displays maßgerecht eingebaut werden usw. Zudem sind in vielen Geräten und Anlagen die elektronischen Systeme mit Elektromotoren und mechanischen Systemen unzertrennlich kombiniert. [..] Die Elektronik beschränkt sich dann nur darauf, als der „oberste Befehlshaber die Bewegungen zu steuern und zu regeln.

Die Notwendigkeit der mechanischen Konstruktion mit Elektronik ist ein wichtiger Faktor für erfolgreiche Produkte und dieser steigt immer mehr.

Dies zeigt der Trend zur „Elektronifizierung", also die Ausstattung von bisher rein mechanischen Geräten mit elektronischen Bauteilen.

Er findet sich in vielen Bereichen unseres Lebens: Ob das nun die sprachsteuerbare Glühbirne oder der Bluetooth-Lautsprecher ist, überall wird Elektronik zum Helfer für intelligentere, funktionalere Geräte.

Ohne die mechanische Integration mit Funktionen wie elektrische Isolation, Kühlung, Anzeige oder Bedienungselemente wären die Produkte nicht verkaufsfähig.

Also ist das Buch voll mit Wissen über Elektrotechnik?

Dieses Buch DER LEITFADEN FÜR DEN INNOVATIVEN ELEKTRONIKKONSTRUKTEUR wendet sich genau an diejenigen, die aufgrund Ihrer Ausbildung oder Studium vom mechanischen Fachgebiet kommen. Grundkenntnisse aus der Elektronik sind hilfreich, aber nicht notwendig. Darauf aufbauend werden die Randbedingungen vermittelt, die aus der Elektronik für die mechanische Konstruktion notwendig sind. Dies sind die wichtigen Handwerkzeuge für den Alltag des Elektronikkonstrukteurs.

Die Konstruktion eines Gehäuses für Elektronik macht ein Grundwissen über diesselbe notwendig. Es ist aber aus Sicht des Autors nicht erforderlich, komplexes Fachwissen aus der Elektrotechnik zu lernen, um als Elektronikkonstrukteur tätig zu sein. Die Netzwerkanalyse mithilfe von Maschenoder der Knotentechnik oder die Berechnung eines Schwingkreises mit Resonanzfrequenz gehören nicht zu den notwendigen Themengebieten. Die Beschreibungen des elektrotechnischen Wissens wurden nur dort vertieft, wo es für die tägliche Arbeit notwendig ist.

Wenn man darüber nachdenkt, sich elektronisches Wissen aneignen zu wollen, so meint Hanus [31, S.15]: „Der Umstieg von der Mechanik in die Elektronik fällt in den meisten Fällen etwas schwerer als der Umstieg von der Elektronik in die Mechanik. [..] In der Elektronik sind dagegen die meisten Funktionen und Vorgänge optisch nicht nachvollziehbar. Ohne Kenntnisse der theoretischen Grundlagen bleibt dieses Fachgebiet ein undurchschaubares Mysterium."

Die Struktur des Buches

Im Teil I des Buches wird auf den Fachbereich Mechatronik eingegangen. Er ist aus dem Maschinenbau entstanden und heute für viele Innovationen verantwortlich ↝ Kapitel 4 auf Seite 17.

Um die Geräte entwickeln zu können, muss das Entwicklerteam im mechatronischen Kreis gut aufeinander abgestimmt sein: Jeder kennt seinen eigenen Arbeitsbereich, aber auch die Grenzen zum anderen Kollegen sind klar kommuniziert. So kann das Team optimal zusammenarbeiten ↝ Kapitel 4.4 auf Seite 29.

Bisher fehlte eine Berufsbezeichnung für den mechanischen Part im Entwickler-Team. Dies war hinderlich für eine einfache Jobsuche und die Positionierung. Deswegen wird hier nach einem möglichen Berufsbegriff gesucht. Da die Suche zu keinem passenden Begriff führt, wird der neue Berufsbegriff Elektronikkonstrukteur eingeführt. Zum besseren mechanischen Verständnis werden die Arbeitsinhalte im Detail mit denen des Getriebe-Entwicklers verglichen. Der Autor will das Verständnis für den neuen Beruf stärken durch den Vergleich mit bekannten mechanischen Aufgaben des Getriebe-Entwicklers.

Im Teil II wird Top-Down die

Struktur des Buches: von ungenau nach genau - TOP-Down-Methode

Abkürzungen sind in der Nomenklatur 14 auf Seite 377 zu finden.

-Gender: ich spreche immer von konstrukteur, meine aber immer beide Geschlechter!

Stand der Technik

Ich arbeite seit 20 Jahren in der Produktentwicklung von elektromechanischen und mechatronischen Geräten. Dabei fragte ich mich sehr oft, welchen Anforderungen meine Tätigkeit genügen muss. Immer wieder gingen Meldungen durch die Presse, dass Produktentwickler Teil-Haftung übernehmen mussten für begangene Fehler. Meistens waren damit Schäden größeren Ausmaßes sowie Personenschäden gemeint.

Trotz der Prüfungen vor der Freigabe des Produktes nach der gültigen Maschinenrichtlinie und davon abgeleiteten Normen muss der Entwickler trotzdem nach einem gültigen Standard, dem Stand der Technik arbeiten.

Die Norm DIN EN 45020 schreibt zum Thema Stand der Technik:

Stand der Technik

Entwickeltes Stadium der technischen Möglichkeiten zu einem bestimmten Zeitpunkt, soweit Produkte, Prozesse und Dienstleistungen betroffen sind, basierend auf entsprechend gesicherten Erkenntnissen von Wissenschaft, Technik und Erfahrung. [DIN EN 45020]

Die Norm nennt Wissenschaft, Technik und Erfahrung als Basis für den sogenannten Stand der Technik. Ich konnte während meiner Tätigkeit als Elektronikkonstrukteur keine vollständige Dokumentation zum Stand der Technik finden. Den Grund dafür konnte ich mir bis heute nicht erklären.

Ziel dieser Buchreihe sowie weiterer Wissensmedien soll sein, für den Elektronikkonstrukteur vollständiges, verständliches und anwendbares Wissen zur Verfügung zu stellen. Er kann es zur Weiterbildung, zur Vertiefung oder auch zur Unterstützung einer Fachlaufbahn als Fachexperte nutzen.

Teil I.

Der Beruf des

Elektronikkonstrukteurs

KAPITEL 2

Beschreibung des Arbeitsumfeldes und Begriffsbildung

Der Wissensstand in unserer Gesellschaft hat sich in den letzten Jahrzehnten stark verändert. Durch viele Erfolge in der Wissenschaft sind wir große Schritte vorangekommen, und es ist nicht verwunderlich, wie sich die aktuelle Revolution zur sogenannten Industrie 4.0 ¹ vollziehen konnte. Immer mehr Produkte werden mit Elektronik bestückt, die ihnen Zugang gibt zur vernetzten Welt. Sie werden Teil des sogenannten IoT , dem Internet of Things. Andere aktuelle Top-Trends, weswegen elektronische Geräte und deren Vernetzung in den Markt gedrängt werden, sind der Digital Twin, künstliche Intelligenz (KI ² ), der Mobilfunkstandard 5G, WLAN6, OPC-UA ³ oder die europäische Cloud Gaia-X.

In diesem Prozess der letzten Jahrzehnte entstanden die Berufsfelder Elektronik und Informationstechnik neu oder lösten sich aus anderen heraus ↝ Bild 4.1 auf Seite 22.

Abbildung 2.1.: Rechner Zuse Z3 (Nachbau) zu sehen im Deutschen Museum in München [84]

Ein Teil des Wandels begann mit dem Z3, dem ersten funktionsfähigen Universalrechner [85]. Ich habe in auf einer Messe als Ausstellungsmodell gesehen. Er gilt als der erste funktionsfähige Universalrechner [85]. Vor mir stand nicht das Original, denn dieses wurde im Jahr 1944 zerstört. Aber der originalgetreue Nachbau (↝ Bild 2.1) konnte gut zeigen, wie die Anfänge der Computertechnik aussahen. Der Z3 bestand aus sehr vielen Telefonrelais, die in einem großen Schrank untergebracht waren. Damit war er ähnlich groß wie zwei normale Kleiderschränke. Bedient wurde er mit einem Gerät, das an eine historische Registrierkasse erinnert. Der Z3 besaß damals schon die Hauptbestandteile, die wir bei den heutigen Rechnern kennen, nur eben alles viel größer: Speicher, CPU, Arbeitsspeicher, Display und Keyboard. Es war ganz beeindruckend zu hören, wie sich das typische Geräusch der Relais im Rechenbetrieb angehört hat.

Der Rechneraufbau mit den Relais hat damals den Begriff des Softwarebug⁴ geprägt. Ein kleines Insekt (Englisch: Bug) konnte damals in die Computerschränke eindringen und eins oder mehrere Telefonrelais in ihrer Funktion stören oder blockieren. Die Operationen des Rechners waren damit nicht mehr sicher gewährleistet, und es kam zu Fehlberechnungen. In den heutigen Computern gibt es keine störenden Insekten mehr (außer sie blockieren Lüfter). Dennoch macht es Sinn, den Begriff Softwarebug weiterzuverwenden. Falsche Rechenoperationen, die zu unvorhergesehenen Zuständen führen, werden heute als Softwarebug bezeichnet. Je nach Software-Qualität kann das an der Tagesordnung sein. Jeder, der regelmäßig mit dem Computer arbeitet, kennt die Situation, dass sich der Rechner „aufhängt und ein Schließen (bzw. „killen) des Programmes oder ein hartes Ausschalten des Rechners nur noch die letzte Rettung zu sein scheinen.

Damit der Z3 vom Schrankrechner zum heutigen Convertible entwickelt werden konnte, musste die Wissenschaft noch einen langen Weg gehen. Es mussten sich neue Berufsfelder bilden. Der klassische Maschinenbau hat sich gewandelt und durch Abspaltung daraus entstand die Elektrotechnik ↝ Bild 4.3 auf Seite 25.

Nach Roddeck [59] war die Fachrichtung Elektrotechnik, insbesondere der Starkstrombereich, in den Anfängen erst ein Teil des Maschinenbaus gewesen, denn wichtige Know-How-Träger wie Ferdinand Braun plädierten im Jahr 1883 dafür, der Elektrotechnik noch keine Fakultät an Universitäten zuzuweisen.

Erst Anfang der 1950er Jahre fand die Elektrotechnik ihren Stammplatz in Fakultäten der Universitäten [59, S.3].

Die Informationstechnik, die sich nach und nach als alleinstehende Disziplin aus der Hardware-Entwicklung entpuppte, bekam ab 1970 ihren eigenen Stellenwert.

Erst als es programmierbare Bauteile gab, die mit eigenständiger Software programmiert werden konnten, wurde auch der Begriff der Informationstechnik notwendig. Diese nannte man speicher-programmierbare Steuerungen (=SPS).

Davor war man davon ausgegangen, dass die Steuerung von Elektronikbausteinen untrennbar mit dem Bauteil und dessen Verdrahtung vereint war. Dies nannte man „verbindungs-programmierbare Steuerung".

Damit aber ein elektronisches Gerät funktionsfähig entwickelt werden konnte, mussten nun alle diese 3 Berufsfelder in einem gemeinsamen Kontext zusammenarbeiten.

Ein neues Arbeitsumfeld aus Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik musste geschaffen werden.

¹siehe Bild 4.1: Industrierevolutionen: 1. ab 1880, 2. ab 1910, 3. ab 1970, 4. ab 2000

²im englischen unter AI=Artificial Intelligence bekannt

³Open Platform Communications Unified Architecture=Datenaustauschformat im industriellen Umfeld, das gleichartig und herstellerunabhängig funktionieren soll

⁴Der Bug ist schon aus dem 18. Jahrhundert bekannt, als Tiere die Funktionen mechanischer Geräte störten.

KAPITEL 3

Das Elektromechanische System

Im vorigen Kapitel wird von einem Arbeitsumfeld gesprochen, das in der Historie aus Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik zusammengeführt werden musste.

Abbildung 3.1.: Das Relais (geschalteter Zustand=angezogen) im Schaltbild als elektromechanisches Bauteil [86]

Dieser Prozess verlief langsam und dauerte einige Jahrzehnte.

Der Prozess begann mit der ersten industriellen Revolution, die im 18. Jahrhundert durch die Erfindung der Dampfmaschine eingeleitet wurde.

Die Industrie ändert sich grundlegend, weil nun die menschliche und tierische Kraft durch die Dampfmaschine ersetzt werden konnte.

Um 1910, kurz vor dem ersten Weltkrieg, gelang es in der zweiten industriellen Revolution, elektrische Maschinen zu bauen.

Zahlreiche Erfindungen im Bereich Maschinenbau, aber auch in der sich bildenden Elektrotechnik waren die Grundlage für diesen Durchbruch. Hierbei wurden viele weitere mechanische Vorgänge und industrielle Anwendungen mithilfe elektrischer Energie möglich.

Die Verschmelzung aus Maschinenbau und Elektrotechnik nennt man das Elektromechanische System oder die Elektromechanik.

Typische Geräte der Elektromechanik sind: der Elektromotor, das Relais (↝ Bild 3.1 auf der vorherigen Seite) und der Schalter. Weitere Baugruppen sind in Tabelle 3.1 beschrieben.

Mit der Zeit werden die elektromechanischen Systeme weiterentwickelt. Sie werden anhand Ihrer Bauteilgröße und der damit verbundenen kleinsten Strukturabmessungen in drei Bereiche unterteilt. Dementsprechend werden bestimmte Fertigungsverfahren angewendet. Genaueres zeigt Tabelle 3.2 auf Seite 16.

Zur Entwicklung und Auslegung von Elektromechanischen Systemen wird auf theoretische Berechnungen zurückgegriffen. So können die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen gekoppelten Elemente berechnet werden. Nach Rüdiger G. Ballas [60, Kapitel 1] besteht das Elektromechanische System aus miteinander gekoppelten elektrischen und mechanischen Funktionselementen. Themengebiete bei der Erstellung eines elektromechanischen Systems sind die Schnittstelle Mensch-Maschine als auch die Schnittstellen innerhalb der Maschine zwischen den sensorischen Prozessgrößen und deren Verarbeitung.

Tabelle 3.1.: Beispiele der Elektromechanik [60, Tabelle 1.1]

Zur Beschreibung der Systeme Feinwerktechnik, Mikrotechnik oder Mikrosystemtechnik nutzt man die Netzwerktheorie. Diese Berechnungen sind aus der Elektrotechnik bekannt. Sie werden genutzt, um zum Beispiel die mathematischen Zusammenhänge zwischen den elektrischen und magnetischen Feldern mit Hilfe von Differentialgleichungen zu beschreiben.

Da dieses Buch aber praxisorientiert geschrieben ist, werden wir diese Berechnungen nicht näher vertiefen.

Nur kurz dazu: Die Nutzung der Netzwerktheorie zeigt eine wichtige Eigenschaft des elektromechanischen Systems: Die mögliche Kombinatorik aus mehreren Fachdisziplinen wie zum Beispiel Akustik, Mechanik, Optomechanik, Optoelektronik, Halbleiter- oder Schaltungstechnik vereint die Vorteile ihrer Komponenten. Das bedeutet aber auch, dass alle gleichermaßen am Ergebnis beteiligt und zu gewichten sind.

Tabelle 3.2.: Unterteilung der Elektromechanischen Systeme [60, Tab. 1.2]

KAPITEL 4

Mechatronik

4.1

Die Entstehung der Mechatronik

Aus der Elektromechanik, die im vorigen Kapitel beschrieben wurde, entwickelte sich die Mechatronik.

Zur Beschreibung der Mechatronik gibt es sowohl in der Literatur als auch unter Fachleuten keine eindeutige begriffliche Herleitung. Nach dem Studium einiger Bücher habe ich den Weg gewählt, der für den Leser die am Besten nachvollziehbare Herleitung zeigt.

Der Begriff Mechatronik entstand zu Beginn der 1970er-Jahre in Japan und war anfangs wegen weltweitem Markenschutz nicht sehr gebräuchlich [59]. Erst Anfang der 1990er verbreitete sich der Begriff in Deutschland, und die ersten Studiengänge wurden angeboten. Die Berufsakademie⁵ in Karlsruhe begann z. B. im Jahr 1999 mit dem ersten dualen Studiengang Mechatronik.

Im Bild 4.1 auf Seite 22 wird der Entstehungsprozess der Studienfächer Maschinenbau, Elektrotechnik, Elektromechanik, Informationstechnik und Mechatronik sowie die Abhängigkeiten übersichtlich dargestellt.

Die Elektromechanik wird gebildet aus dem Maschinenbau und der Elektrotechnik. Ergänzt man zum elektromechanischen System die Informationstechnik, dann wird daraus die sogenannte Mechatronik.

Ähnlich beschreibt es auch die englische Definition von mechatronics aus [41], der IEEE und der ASME :

Mechatronics

Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering with electronic and intelligent computer control in the design and manufacturing of industrial products and processes.

Der Wechsel zur Mechatronik auf Bauteil-Ebene erklärt sich so: Bisher enthielt ein elektromechanisches System passive Bauteile wie Widerstände, Spulen oder Anschlussklemmen. Mit „electronic and intelligent computer control" kommen neben passiven Bauteilen auch Halbleiter (Dioden, Transistoren) und ICs (Integrated Circuits) zum Einsatz. Elektronische Bauteile mit programmierbarem Software-Code half nun, die Produkte intelligenter zu entwickeln: Der nächste Durchbruch für die mechatronischen Gerätegenerationen begann mit dem Einsatz von intelligenten und selbst programmierbaren Bauteilen.

Die Konstruktion dieser mechatronischen Geräte ist noch anspruchsvoller als die der Elektromechanik. Kleinere Strukturen und kleinere Bauteile mit höherer Leistungsdichte stellen höhere Herausforderungen an die Gehäusetechnik: Entwärmungskonzepte, höhere Integrationsdichte mehrerer Funktionen, EMV-gerechte Konstruktion, kundenfreundliche Anschlusstechnik, Anzeige- und Bedienelemente werden optimal integriert ist ein Gehäuse mit ansprechendem Design und vieles mehr.

Sie benötigen eine professionellere Gehäusekonstruktion. Elektrotechnische Probleme wie EMV, ESD sowie Hotspots auf der Leiterplatte treten nun in den Vordergrund und müssen für hochwertige mechatronische Geräte gelöst werden.

4.2

Das mechatronische Entwicklungsteam

Die Beschreibung oben in der Box „Mechatronics" bringt mit „synergetic integration..in the design..of industrial products" meiner Meinung nach eine wichtige Eigenschaft der Mechatronik auf den Punkt: eine synergetische⁶ Integration meint eine kooperative Zusammenarbeit unter den Einzeldisziplinen Mechanik, Elektronik und Software. Von diesem 3er-Team hängt die Qualität und Professionalität des Mechatronik-Produktes ab. Das Unternehmen resp. der Teamleiter müssen für dieses Team zuerst die Rahmenbedingungen festlegen und folgende Fragen beantworten:

• Welche Aufgaben hat jedes Team-Mitglied?

• Wo beginnt das Aufgabengebiet? Wo endet es?

• Kennt das Team-Mitglied auch das Aufgabengebiet der anderen zwei Disziplinen? Eine grobe Kenntnis reicht in den meisten Fällen aus.

• Hat jeder Beteiligte das richtige Know-How für seine Tätigkeit? Bei der mechanischen Seite der Mechatronik stellt Teil II auf Seite 73 dieses Buches die wichtigste Grundlage für eine Fachexpertise.

Mit diesem Team hat man die Chance, aus der jeweiligen Einzeldisziplin das Beste, Preiswerteste und Funktionalste herauszuholen und zu einem neuen ganzen Gesamtprodukt zusammenzusetzen. Das mechatronische System kann damit viel besser bekanntes Wissen mit neuen Technologien verbinden.

Der „Mechatronische Kreis" in Kapitel 4.4 auf Seite 29 verdeutlicht bildlich die Situation des 3er-Teams sowie des restlichen Projektteams in einem Schaubild ↝ 4.5 auf Seite 29: Das 3er-Team gestaltet aktiv das Mechatronik-Produkt. Der Rest ist verantwortlich für andere wichtigte Projekt-Bereiche wie Termine, Qualität, Kosten und Fertigung, Montage und Logistik.

Genauso wie bei der Elektromechanik stellt laut Roddeck [59] die Modellbildung, Analytik und Simulation von mechatronischen Systemen einen wichtigen Aspekt dar, um die heterogenen Teilgebiete zu integrieren und auszulegen. Die vorherrschenden komplexen Zusammenhänge sind im Entwicklungsprozess zu eruieren und zu lösen, was zu enormer Produktverbesserung beitragen kann. Die dabei zum Einsatz kommende gleichzeitige Optimierung und gegenseitige Abstimmung der drei Teilgebiete bedeutet ein besseres Gesamtprodukt im Vergleich zum reinen mechanischen Ergebnis [54].

Das Bild 4.2 auf Seite 23 zeigt die Verbindung der genannten Arbeitsumfelder und deren gegenseitigen Überschneidungen.

In einer beispielhaften Anwendung wurde ein bisher mechanisches Gerät mit Elektronik und Software ergänzt: die klassische Fahrwerks-Dämpfung beim Auto wird verändert zur aktiven Fahrwerks-Federung mit Hydraulikzylinder und Servoventil.

Die mechanische Stabilität belasteter Strukturen wird reduziert zugunsten der Gewichtsoptimierung. Die dadurch entstehende Elastizität des Systems wird von Sensoren erfasst. Die Messdaten werden von Elektronik und Software berechnet. Durch die Steuerung der Zylinder (Aktoren) mit es mit variabler Steifigkeit ausgestattet. Das Gerät wird auf eine höhere technologische Stufe gehoben.

Es wird gleichzeitig gewichtsoptimiert, effizienter, kleiner und intelligenter im Vergleich zum ursprünglichen Produkt [54, Bild 9-29]

Abbildung 4.1.: Zeitliche Entstehung der Studienberufe rund um die Mechatronik sowie die 4 Industriellen Revolutionen

Abbildung 4.2.: Mechatronik-Synergie verschiedener Disziplinen [59, Abb.1-1]

4.2.1. Das Team in Abhängigkeit vom Produkt, dem Markt, dem Kunden

Die Darstellung des mechatronischen Entwicklungsteams im vorigen Kapitel wird dann notwendig, wenn das Zielprodukt in jedem Fachgebiet die höchste Expertise benötigt. Das neu entwickelte Produkt ist auf dem neuesten Entwicklungsstand sowohl in der Mechanik, der Elektronik und der Software.

Nicht jedes Produkt hat genau diesen Anspruch, da der Markt und der Kunde das auch fordern. Es kann mechatronische Produkte geben, die zwar die innovative Elektronik-Schaltung mit aktuellsten Bauelementen enthält. Die Software wurde jedoch von vorigen Produkten übernommen. Bei der Mechanik stellt der Kunde keine hohen Ansprüche auf Design, Bedienerfreundlichkeit oder guten Anzeigen. Er ist einen gewissen Standard gewöhnt und würde keinen höheren Preis für eine bessere Ausstattung ausgeben. Als Beispiel kann in der Hausinstallationstechnik die Verteilerboxen genannt werden. Da diese entweder Unterputz oder im Kellerraum befestigt werden, gelten hier andere Anforderungen als Geräte, die bei Kunden täglich genutzt werden.

Ähnlich beschreibt es Bauer [6], indem die Mechanik in der Regel zum Großteil verfügbare und vorverarbeitete Funktionsblöcke und standardisierte Normteile verwende. Diese seien für den Konstrukteur komplett im CAD verfügbar und direkt einsetzbar. Für mich klingt diese Beschreibung sehr vereinfachend. Sie ist nicht präzise genug, wenn es um die allgemeine Beschreibung der Entwicklung eines mechatronischen Geräte geht. Aber sie zeigt, dass es durchaus Produkte gibt, die im mechanischen Teilaspekt „nur" aus Katalog- und Normteilen bestehen.

tbd: die Synergie notwendig, aber nicht immer die hohe Innovation überall tbd

4.3

Das mechatronische Produkt

Ein mechatronisches Gerät kann aus folgenden Systemteilen bestehen, die im Bild 4.3 auf der nächsten Seite vereinfacht dargestellt werden.

• Mechanisches Gehäuse: beinhaltet den Digitalrechner, die Messwerterfassung, das Leistungsteil;

• Energiequelle: speist die gesamte Elektronik und die Aktoren; Energie wird im mechanischen Gehäuse auf die verschiedenen Elektronik-Baugruppen verteilt;

• Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS): mithilfe von Eingabemitteln, z. B. Taster gibt der Mensch ein Steuersignal an das Gerät;

• Sensoren: verarbeiten die physikalischen Größen, damit die Elektronik sie interpretieren kann;

• Steuerung: Digitalrechner, Messwerterfassung und Leistungsteil bilden die elektronische Basis für das Gerät; werden mit Energie versorgt; interpretieren die Sensorinformationen; erfassen die Eingabesignale über die MMS; wandeln Energie für die Aktoren;

• Aktoren: Antriebe, Getriebe: erzeugen und wandeln Drehmoment und ermöglichen dadurch Bewegungen; Umwandlung von Energie, z. B. elektrische Energie in rotatorische oder translatorische Energie.

Abbildung 4.3.: Mechatronisches System [59, Abbildung 1-24]

Die elektronischen Komponenten Digitalrechner, Messwertverarbeitung und Leistungsteil werden versorgt mit Energie und Sensordaten aus dem Regelkreis.

Die Aktoren, Getriebe und Führungen setzen die gespeiste Energie in Bewegungen und Kräfte um,