Der Maschinenbau hat den Ruf, eine konservative Sparte zu sein und größeren Neuerungen mit Zurückhaltung zu begegnen. Getrieben durch die Marktanforderungen und das Bestreben, bei steigender Produktkomplexität die Marktreife-Zeiten zu verkürzen, sind dennoch gewaltige Veränderungen in Gang. Dies hat zu einer Abkehr von traditionellen Entwicklungsmethoden hin zur Mechatronik geführt – ein Begriff, der zu den am meisten strapazierten Schlagwörtern zählt.
Dabei gibt es bislang kein einheitliches Verständnis von Mechatronik: Solange ein Produktentstehungsprozess noch auf einer sequenziellen Denkweise basiert, erfüllt ein Gebilde, das aus mechanischen Konstruktionen, elektrischen Komponenten und Software besteht, längst noch nicht den Tatbestand der Mechatronik. Sequenziell heißt: Zuerst wird die Maschine konstruiert, anschließend mit Steuerungs- und Regelungstechnik ausgestattet und zuletzt mittels Software „zum Leben“ erweckt.

Mechatronik verlangt Umdenken

Mechatronik ist in erster Linie eine Denkweise, die sich am Kundenbedürfnis und am Kundennutzen orientiert. Bei Mechatronik zählt die Funktionalität des Gesamtgebildes, deren einzelne Elemente – Mechanik, Elektrik und Software – in wechselseitiger Abstimmung parallel konzipiert, geplant und umgesetzt werden. Anders lässt sich die steigende Komplexität der Anforderungen an Serienmaschinen mit Unikats-Charakter (Losgröße 1) und die daraus resultierende Komplexität der Entwicklungsaufgabe nicht mehr bewältigen, jedenfalls nicht in der geforderten Zeit und zu den geforderten Kosten.

Ein häufig genanntes Beispiel für eine mechatronische Lösung ist die Fahrwerksregulierung eines Automobils, die dafür sorgt, dass durch eine bedarfsgesteuerte Nachführung die Grenzen der Mechanik ausgedehnt werden. Ähnliche Beispiele gibt es durchaus bereits im Maschinenbau, etwa bei Verpackungsmaschinen. Deren Verfahrgeschwindigkeiten sind teilweise so hoch, dass das natürliche Schwingungsverhalten der mechanischen Komponenten die Maschinendynamik limitiert. Eine intelligente Antriebsregelung kann diese negativen Effekte nicht nur kompensieren, sondern die bisherigen Grenzen verschieben.

Entwicklung disziplin­übergreifend optimieren

Die meisten Maschinen stoßen allerdings nicht an die physikalischen Grenzen der Mechanik. Hier verbessert  Mechatronik in erster Linie den Entwicklungsprozess und reduziert durch die Parallelisierung der Gesamtaufgabe den Termindruck, der im Software-Engineering – dem bislang letzten Glied beim sequenziellen Engineering – besonders hoch ist. Die gegenseitige Abstimmung von Mechanik- und Elektro-Engineering ist keine Option, da die Vorleistungen dieser Disziplinen bei der Programmierung als gegeben angesehen werden müssen.

Nicht jede Kombination von Mechanik, Elektrik und Software macht eine Maschine zur Mechatronik. Erst das ineinander greifende Zusammenspiel aller Disziplinen, auch und vor allem bereits im Entwicklungsprozess, führt zur Mechatronik.

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Im Gegensatz dazu können die an einem mechatronischen Projekt beteiligten Techniker durch disziplinübergreifende Optimierungs-Iterationen Lösungen entwickeln, die durch das klassische aufei­nander aufbauende Zusammenfügen der einzelnen Entwicklungsschritte nicht zu erreichen wären.

Eine der wesentlichsten Veränderungen für die Automatisierungstechnik durch die mechatronische Maschinenentwicklung sind Zeitpunkt und Dauer des Einsatzes der Software-Entwicklungssysteme: Diese beginnt bereits beim Übergang von der Produktidee zur Spezifikation. Denn bereits zu diesem Zeitpunkt muss die Software-Entwicklung die Umsetzbarkeit von Funktionen klären und vorteilhafte Abläufe festlegen. Mit wechselnder Intensität ist die Software-Entwicklung während aller Phasen des Produktlebenszyklus gefordert, von Design und Simulation über Inbetriebnahme, Feldtest und Serienfertigung bis zu Instandhaltung und Wartung.

Da die Software-Entwicklung immer mehr zum Treiber des gesamten Projekts wird, muss sie mehr als nur den Programm-Code beisteuern und sich von Beginn an in den interdisziplinären Systementwurf mit einbringen. Dadurch steigen die Komplexität der Software-Entwicklung und ihr Anteil an der Gesamtverantwortung. Das bedingt auch eine Verschiebung der Verantwortlichkeiten im Entwicklungsprozess in Richtung Software.

Der Schlüsselfaktor Kommunikation

Es gilt, nicht nur Strategien zur Beherrschung dieser Komplexität zu finden, sondern durch organisatorische Maßnahmen auch die verschiedenen an der Maschinenentwicklung beteiligten Teams enger zusammenzubringen. Wichtig ist darüber hinaus eine Erweiterung des Horizonts aller Beteiligten. Es reicht nicht länger aus, dass nur Projektleiter die Gesamtaufgabe kennen. Das Gesamtverständnis einer Maschine muss vielmehr in den Köpfen aller am Projekt beteiligten Spezialisten sein; der Zugang zu den erforder­lichen Informationen muss selbst­verständlich gegeben sein. Eine Voraussetzung dafür ist, die Sprachbarrieren zu beseitigen: Jede Disziplin wendet unterschiedliche Methoden bei der Problem- und Systembeschreibung an und hat ihre Werkzeuge.

In mechatronischen Systemen findet die Software-Entwicklung in unterschiedlicher Intensität während des Produktlebenszyklus statt. Das führt dazu, dass der „Software-Fraktion“ schon früh im Prozess mehr Aufgaben und Verantwortlichkeiten zufallen.

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Der mechatronische Lösungsansatz erfordert, den Mitarbeitern Mechanismen zur Verfügung zu stellen, die einerseits Freiraum für spezifische Beschreibungsformen lassen, andererseits die Komplexität reduzieren und den Kommunikationsbedarf auf die wesent­lichen Punkte reduzieren. Nur so entsteht ein inhärentes Verständnis im Team und nur so kann die zu entwickelnde Funktion die logische gemeinsame Konvention aller Beteiligten bilden, ohne dass überzogene Qualifikationsansprüche erfüllt sein müssen.

Vor allem unter diesem Aspekt ist der Ansatz kritisch zu betrachten, die hohe Systemkomplexität durch objektorientierte Entwicklungsmethoden und -werkzeuge zu reduzieren. Auch wenn sich diese Methoden in der IT-Welt durchaus bewährt haben, wird die objektorientierte Programmierung nicht in alle Bereiche der Industrie-Automatisierung vordringen können. Denn in der Lebenszyklus-Betrachtung ist auch der Fall zu berücksichtigen, dass Servicetechniker Software-Änderungen durchführen. Vor Ort ist objektorientierter Code, womöglich mit aufwendigen Klassenstrukturen und Vererbungshierarchien, jedoch zu unhandlich.

Prozessmanagement als Kernkompetenz

Entwicklungsumgebungen der Zukunft müssen offen und mit einer rollenbasierten Systemmodellierung und Darstellung ausgestattet sein. Um über den gesamten Produktlebenszyklus einsetzbar zu sein, sind zudem Werkzeuge und Automatismen für die Dokumentation, für das Änderungs- und Variantenmanagement sowie für Simulation, Test und Diagnose erforderlich.