Mechatronisches Engineering für mehr Effektivität

Das Forschungsprojekt Meproma untersuchte existierende Methoden in der Mechatronik und formulierte zusammen mit Anwendern praxisgerechte Anforderungen an die nächste Methodengeneration.

Der Markt des Maschinen- und Anlagenbaus fordert in immer kürzeren Entwicklungszeiten flexible und auf den jeweiligen Einsatz zugeschnittene Lösungen. Diesen Anforderungen begegnen die Hersteller durch die Entwicklung innovativer und hochintegrierter mechatronischer Systeme, deren Komplexität gerade im Vergleich zu bestehenden Mechanik-orientierten Systemen in der Regel deutlich gestiegen ist.

Die heute eingesetzte Antriebstechnik verdeutlicht diesen Trend. An die Stelle zentraler Antriebe und starrer Getriebetechnik rücken vermehrt intelligente, dezentrale Lösungen,welche hoch synchrone Bewegungen realisieren. Die Echtzeitkommunikation ersetzt dabei die Königswelle.

Zunehmende Vernetzung inttelligenter Systeme

Unter den Schlagworten Industrie 4.0 und Cyber Physical Systems fordern heutige Trends eine zunehmende Vernetzung intelligenter Systeme. Der Anteil an Software in und um die Maschine ist in den letzten Jahren drastisch angestiegen. Der größte Funktionsanteil wird bereits heute von der Software geliefert, die damit eine große Bedeutung für den Produkterfolg einnimmt. Die erforderliche disziplinübergreifende Zusammenarbeit führt zu einer weiteren Komplexitätssteigerung der Entwicklungsprozesse. Diese zu beherrschen ist für die Zukunft des Innovations- und Produktionsstandorts Deutschland existentiell und nur mit Hilfe anwendungsgerechter Vorgehensweisen, Methoden und Werkzeuge möglich.

Mechanik mit Software entwickelt sich zu Software mit Mechanik.

Disziplinübergreifende Entwicklung

Die heutigen Vorgehensweisen zur Entwicklung komplexer mechatronischer Systeme stoßen oft an ihre Grenzen. Um die immer wichtiger werdende disziplinübergreifende Entwicklung zu fördern, engagieren sich mehrere Unternehmen unter Leitung des Dienstleistungsunternehmens ITQ seit 1997 in verschiedenen Forschungsprojekten. Auf Basis etablierter Standards der Softwareentwicklung und des Maschinenbaus wurde ein Vorgehen zur disziplinübergreifenden Entwicklung entworfen.

In weiteren Projekten wurde dieser kontinuierlich vervollständigt und aktualisiert. Aufbauend auf den IEEE Normen „830: Anforderungsspezifikation“ und „829: Testspezifikation“ wurden in Kooperation mit dem VDMA mehrere Leitfäden für die systematische Entwicklung mechatronischer Systeme entworfen. Daran anknüpfend widmete sich das Forschungsprojekt Meproma der detaillierten Beschreibung eines mechatronischen Entwicklungsprozesses, mit Fokus auf den Einsatz agiler Methoden sowie moderner Engineering-Werkzeuge.

Praxisgerechte Anwendungen

Um eine praxisgerechte Anwendung von bestehenden Ansätzen für ein mechatronisches Engineering zu stärken, verfolgte mit dem Projekt ein Kreis an nationalen und internationalen Anwendern sowie Institutionen mehrere Ziele:

• Lösungsansätze eines mechatronischen Engineerings aus Anwendersicht zu evaluieren und methodische Lücken aufzuzeigen,
• Anforderungen abzuleiten, wie Methoden und Werkzeuge künftig zu gestalten sind,
• Ideen, Konzepte und Lösungsansätze zu erarbeiten, wie diese Lücken zu schließen sind,
• praxisgerechte Einführungsstrategien und Schulungskonzepte zu entwickeln und
• alle Ergebnisse in Form von Best-Practice-Anleitungen zu dokumentieren.

Eingesetzte Methoden und Werkzeuge der Anwender des Konsortiums wurden zu Projektbeginn in einer Ist-Analyse erfasst und bewertet. „Neben der reinen Beschreibung des Ablaufes einer Entwicklung beziehungsweise des Durchlaufens durch die Firma, wurde der Schwerpunkt auf den Informationsaustausch zwischen den einzelnen Disziplinen und der verwendeten Tools gelegt“, erklärt Alfred Tenner, Leiter Elektrokonstruktion bei Kapp.

Neben der Firma Kapp nahmen am Projekt unter anderem der Verpackungsmaschinenhersteller Somic und der Werkzeugmaschinenhersteller Trumpf teil. Aufbauend auf Ergebnissen früherer Projekte entwickelte das Team ein Referenzmodell des mechatronischen Entwicklungsprozesses, welches die einzelnen Schritte „von der Idee bis zum fertigen Produkt“ beinhaltet. In Anlehnung an verbreitete Prozess- und Reifegradmodelle gibt das Modell Überblick über neun Prozessgebiete mit insgesamt 40 Aktivitäten für ein effizientes, mechatronisches Engineering.

Bewertung von Methoden und Werkzeugen

Darauf aufbauend wurden die von den Anwendern eingesetzten Methoden und Werkzeuge bewertet und Schwachstellen identifiziert. Anschließend diskutierte das Projektkonsortium die Anforderungen an ein durchgängiges mechatronisches Engineering, die schließlich in einem Lastenheft dokumentiert und festgehalten wurden. Damit können nun Hersteller von Engineering-Werkzeugen Produkte auf Grundlage konkreter Branchen-Anforderungen des Maschinen- und Anlagenbaus effizient gestalten.

Konsolidierte Phasen eines Einführungsprozesses.

Aufbauend auf dem erfassten Status-Quo und den umfangreichen Anforderungen an zukünftige Methoden und Werkzeuge in der Mechatronik wurden mit Hilfe der Anwendungspartner von Meproma heute eingesetzte Methoden erfasst und bei der Einführung und Anwendung gemachte Erfahrungen dokumentiert. Die Ergebnisse werden derzeit in Form von Best Practice Anleitungen in einem Leitfaden zusammengefasst.

In Kooperation mit der Technischen Universität München (TUM) wurden zudem neue Ansätze aus dem Bereich der Forschung hinsichtlich einer einfachen Anwendung bei kleinen und mittelständischen Unternehmen überdacht und geeignet angepasst. Insbesondere wurde dabei auf folgende Elemente und Methoden näher eingegangen:

• Anforderungen an ein durchgängiges mechatronisches Engineering,
• agile Methoden für ein mechatronisches Anforderungs- und Projektmanagement,
• Systemspezifikation mit „Mechatronischen Objekten“,
• Systementwurf anhand eines modularen Systems Engineering,
• Einsatz von Simulationsmodellen für ein durchgängiges Systems Engineering,
• durchgängig modellbasiertes mechatronisches Engineering,
• Unternehmens- und projektspezifische Methoden- und Werkzeugauswahl,
• Strategien zur anwendergerechten Einführung neuer Methoden und Werkzeuge.

Eine Anwendung der mit Meproma definierten Methoden führen zu einer nachhaltigen und tiefgreifenden Veränderung etablierter Vorgehensweisen und Denkmuster. Die größte Herausforderung dabei ist die nachhaltige Verankerung der vorgestellten Methoden. Im Rahmen des Projektes wurde deshalb eine umfangreiche Recherche durchgeführt, um eine Vielzahl von Einführungsstrategien miteinander zu vergleichen.

Erfolgreiche Einführung

Die Erfolgswahrscheinlichkeit eines Einführungsvorhabens hängt sehr stark von der Unterstützung der Mitarbeiter ab. Bilden sich Widerstände in einem Unternehmen durch mangelnde Einbindung oder falsche Besetzung einer Position, droht das gesamte Vorhaben zu scheitern. Deswegen sind auch Besetzungs- und Auswahlprozesse von großer Bedeutung.

In diesem Rahmen wurden im Projekt einige Werkzeuge entwickelt, die es ermöglichen, die Einstellung von Personen gegenüber Veränderungen und damit ihr potenzielles Verhalten zu messen. Eine entwickelte Methode soll nun die Fähigkeiten von Personen aufnehmen und diese mit den notwendigen Fähigkeiten einer Aufgabe oder Position automatisiert vergleichen.

Mit diesem Thema befassten sich die TUM und Patrick Haberstroh vom Cluster Mechatronik. „Im Bereich der Einführungsstrategien haben wir versucht neue Wege zu gehen. Wir haben den Menschen mit seinen Persönlichkeitsmerkmalen und seinen Fähigkeiten in den Mittelpunkt gestellt“, erklärt Haberstroh.

Durch die Entwicklung eines komplexen Formelwerks und dessen Überführung in eine Software konnte ein Werkzeug entwickelt werden, dass es erlaubt die Fähigkeiten einer Person in Relation zu der Aufgabe oder Position darzustellen.

Zur Ermittlung der Einstellung zu Veränderungen kamen unter anderem das Bochumer Inventar zur Berufsbezogenen Persönlichkeitsbeschreibung (BIP), zum Einsatz. Diese Tests erlauben es, Persönlichkeitsmerkmale zu erfassen und zu interpretieren. Zusätzlich wurden Versuche mit Planspielen und Beobachtungen durchgeführt.

Bei der Analyse der Fähigkeiten der Personen wurde ebenfalls auf die Fragebogentechnik zurückgegriffen. Die Herausforderung war eine exakte Abbildung der notwendigen Fähigkeiten sowie deren Gewichtung zueinander. Durch die Entwicklung eines komplexen Formelwerks und dessen Überführung in eine Software konnte ein Werkzeug entwickelt werden, das es erlaubt, die Fähigkeiten einer Person in Relation zu der Aufgabe oder Position darzustellen sowie ein Ranking von verschiedenen Personen abzuleiten. In ersten prototypischen Anwendungen führten alle entwickelten Methoden zu sehr vielversprechenden Ergebnissen. Jedoch bietet sie lediglich eine Unterstützung bei der Auswahl von Personen.