Mechatronics Methodology

8/17/2019 Mechatronics Methodology

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VEREINDEUTSCHERINGENIEURE

Entwicklungsmethodik fürmechatronische Systeme

Design methodology formechatronic systems

VDI 2206

Ausg. deutsch/englisch

Issue German/English

VDI-Handbuch KonstruktionVDI-Handbuch Mikro- und Feinwerktechnik

VDI-RICHTLINIEN

Z u b e z i e h e n d u r c h / A v a i l a b l e f r o m B

e u t h V e r l a g G m b H ,

1 0 7 7 2 B e r l i n – A l l e

R e c h t e v o r b e h a l t e n / A l l r i g h t s r e s e r v e d ©

V e r e i n D e u t s c h e r I n g e n i e u r e ,

D ü s s e l d o r f 2 0 0 4

V e r v i e l f ä l t i g u n g – a u c h f ü r i n n e r b e t r i e b l i c h e Z w e c k e – n i c h t g e s t a t t e t / R e p r o d u c t i o n – e v e n f o r i n t e r n a l u s e – n o t p e r m i t t e d

Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.

ICS 03.100.40; 31.220Juni 2004June 2004

The German version of this guideline shall be taken as authorita-

tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-

lation.

Inhalt Seite

Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1 Motivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Zielgruppe. . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Einordnung der Richtlinie. . . . . . . . . . 81.5 Aufbau der Richtlinie . . . . . . . . . . . . 9

2 Einführung in die Entwicklungmechatronischer Systeme . . . . . . . . . . . 9

2.1 Charakterisierung des BegriffsMechatronik. . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Aufbau mechatronischer Systeme . . . . . 142.2.1 Grundstruktur. . . . . . . . . . . . . 14

2.2.2 Modularisierung undHierarchisierung . . . . . . . . . . . 16

2.3 Nutzenpotenzial der Mechatronik. . . . . . 182.4 Besonderheiten bei der Entwicklung . . . . 22

3 Entwicklungsmethodik Mechatronik . . . . . . 26

3.1 Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.1.1 Problemlösungszyklus als

Mikrozyklus . . . . . . . . . . . . . 273.1.2 V-Modell als Makrozyklus . . . . . . 293.1.3 Prozessbausteine für

wiederkehrende Arbeitsschritte . . . 32

3.1.4 Integrativer Entwurf von Produktund Produktionssystem. . . . . . . . 41

3.2 Modellbasierter Systementwurf. . . . . . . 463.2.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . 503.2.2 Modellanalyse . . . . . . . . . . . . 54

3.3 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.4 Organisation. . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.4.1 Zusammenstellen eines Projektteams 673.4.2 Umsetzung technischer Ergebnisse . 69

Contents Page

Preliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Goal setting . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Target group . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Classification of the guideline . . . . . . . 81.5 Structure of the guideline. . . . . . . . . . 9

2 Introduction to the development ofmechatronic systems . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1 Characterization of the termmechatronics . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Structure of mechatronic systems . . . . . 142.2.1 Basic structure . . . . . . . . . . . . 14

2.2.2 Modularization andhierarchization . . . . . . . . . . . . 16

2.3 Beneficial potential of mechatronics . . . . 182.4 Special aspects of the development. . . . . 22

3 Development methodology of mechatronics. 26

3.1 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.1.1 Problem-solving cycle as a

micro-cycle . . . . . . . . . . . . . 273.1.2 V model as a macro-cycle . . . . . . 293.1.3 Process modules for recurrent

working steps . . . . . . . . . . . . 32

3.1.4 Integrative design of product andproduction system . . . . . . . . . . 41

3.2 Model-based system design . . . . . . . . 463.2.1 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . 503.2.2 Model analysis . . . . . . . . . . . . 54

3.3 Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.4 Organization . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.4.1 Putting together a project team . . . 673.4.2 Implementation of technical results . 69

VDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion Vertrieb (VDI-EKV)Ausschuss Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme

F r ü h e r e A u s g a b e : 0 3 . 0

3 E n t w u r f , d e u t s c h

F o r m e r e d i t i o n : 0 3 / 0 3 d r a f t ,

i n G e r m a n o n l y

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All rights reserved © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004– 2 – VDI 2206

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4 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . 72

4.1 Von der mechanischen zur mechatronischenBremse in zwölf Dekaden . . . . . . . . . 734.1.1 Erste mechanische

Kraftfahrzeugbremsanlage. . . . . . 734.1.2 Verbesserung der mechanischenWirk- und Übertragungsprinzipien . 74

4.1.3 Funktionale Integration derElektronik . . . . . . . . . . . . . . 74

4.1.4 Funktionale und räumliche Inte-gration der Sensorik und Aktorik . . 76

4.1.5 Neue Funktionen einermechatronischen Bremsanlage. . . . 78

4.2 Entwurf der Antriebseinheit einereinfachen Lackieranlage . . . . . . . . . . 81

4.2.1 Ausgewählte Anforderungen . . . . 834.2.2 Systementwurf . . . . . . . . . . . . 834.2.3 Modellbildung . . . . . . . . . . . . 844.2.4 Regelstruktur. . . . . . . . . . . . . 854.2.5 Analyse des geregelten Systems . . . 854.2.6 Weitergehende Einflussmöglich-

keiten erkennen . . . . . . . . . . . 864.3 Entwurf eines aktiven Feder-/Neigemoduls 87

4.3.1 Prinzipieller Aufbau . . . . . . . . . 894.3.2 Modellbildung . . . . . . . . . . . . 914.3.3 Hierarchische Systemstruktur . . . . 944.3.4 Analyse des geregelten Systems . . . 95

4.3.5 Laborversuche . . . . . . . . . . . . 984.4 Entwurf von integrierten

Mehrkoordinatenantrieben . . . . . . . . 1004.4.1 Strukturen . . . . . . . . . . . . . 1004.4.2 Entwurfsprozess für Systeme mit

Volumenintegration . . . . . . . . 1014.4.3 Konstruktiver Aufbau . . . . . . . 105

4.4.4Steuerung1084.4.5 Parameter . . . . . . . . . . . . . 1104.4.6 Anwendungsfelder . . . . . . . . . 111

Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Vorwort

Innovative Produkte erfordern ein interdisziplinäresZusammenwirken von Maschinenbau, Elektrotech-nik und Informationstechnik. Der Begriff „Mecha-tronik“ bringt dies zum Ausdruck. Angesichts dieserSituation ist ein praxisorientierter Leitfaden für die

systematische Entwicklung derartiger Produkte not-wendig. Die vorliegende Richtlinie VDI 2206 solldiesem Anspruch gerecht werden.

Page

4. Application examples . . . . . . . . . . . . . 72

4.1 From the mechanical brake to the

mechatronic brake in twelve decades . . . 73

4.1.1 First mechanical motor-vehicle

brake system. . . . . . . . . . . . . 734.1.2 Improvement of the mechanical

operating principle and transmission

principle . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.1.3 Functional integration of the

electronics . . . . . . . . . . . . . . 74

4.1.4 Functional and spatial integration of

the sensor and actor technology . . . 76

4.1.5 New functions of a mechatronic

brake system. . . . . . . . . . . . . 78

4.2 Design of the drive unit of a simple

painting system. . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2.1 Selected requirements . . . . . . . . 834.2.2 System design . . . . . . . . . . . . 83

4.2.3 Modeling . . . . . . . . . . . . . . 84

4.2.4 Control structure. . . . . . . . . . . 85

4.2.5 Analysis of the controlled system . . 85

4.2.6 Identifying further possibilities for

influence. . . . . . . . . . . . . . . 86

4.3 Design of an active spring/tilting module . 87

4.3.1 Basic construction . . . . . . . . . . 89

4.3.2 Modeling . . . . . . . . . . . . . . 91

4.3.3 Hierarchical system structure . . . . 94

4.3.4 Analysis of the controlled system . . 95

4.3.5 Laboratory trials. . . . . . . . . . . 984.4 Design of integrated multicoordinate

drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.4.1 Structures . . . . . . . . . . . . . 100

4.4.2 Design process for systems with

volume integration. . . . . . . . . 101

4.4.3 Structural setup . . . . . . . . . . 105

4.4.4 Control. . . . . . . . . . . . . . . 108

4.4.5 Parameters . . . . . . . . . . . . . 110

4.4.6 Fields of application. . . . . . . . 111

Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Preliminary note

Innovative products require an interdisciplinary com-bination of mechanical engineering, electrical engi-neering and information technology. The term ”me-chatronics“ is the expression of this. In view of thissituation, a practical guideline for the systematic de-

velopment of such products is necessary. The presentguideline, VDI 2206, is intended to meet this require-ment.

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Die Mechatronik bietet Erfolgspotenziale, stellt aberzugleich besondere Anforderungen an den Entwick-lungsprozess: Mechatronische Systeme sind auf Grund des vernetzten Zusammenspiels verschiedenerWissensdomänen durch hohe Komplexität gekenn-zeichnet. Die Komplexität ergibt sich auf Grund der

im Vergleich zu mechanischen Systemen größerenAnzahl von verkoppelten Elementen, die zudem inverschiedenen Fachdisziplinen realisiert werden(Heterogenität). Diese Problematik ist bereits in derfrühen Phase des Entwurfs zu berücksichtigen, da dieWechselwirkungen von mechanischen, elektrotech-nischen und informationsverarbeitenden Komponen-ten das Verhalten und die Gestalt des mechatro-nischen Gesamtsystems beeinflussen.

Die Entwicklung erfolgt bislang meist getrennt in deninvolvierten Domänen auf der Basis etablierter, spe-

zifischer Entwicklungsmethoden, die durch eigeneDenkweisen, Begriffswelten und Erfahrungen ge-prägt sind. Die Integration heterogener Komponentenzu mechatronischen Systemen erfordert jedochdomänenübergreifende Kommunikation und Koope-ration zwischen den beteiligten Fachdisziplinen, umeine gemeinsame Vorstellung des zukünftigen Pro-dukts zu gewinnen und eine gesamtoptimierteLösung herbeizuführen. Mit der fortschreitendenEntwicklung der Informationstechnik ist eine Viel-zahl von IT-Werkzeugen entstanden, die den Entwurf unterstützen. Diese sind jedoch nur unzureichend in-

tegrierbar; durchgängige Entwurfsumgebungen sindebenfalls nur in Ansätzen vorhanden. Diese Werk-zeuge ermöglichen eine frühzeitige modelltechnischeAbbildung und Simulation mechatronischer Sys-teme, führen aber auch zu veränderten Arbeitsweisenund werfen neue Probleme wie Integration undSchnittstellenbildung auf. Das Entwickeln mechatro-nischer Systeme über verschiedene Abteilungen undauch Unternehmensgrenzen hinweg ist ferner durchgeeignete Formen interdisziplinärer Zusammenarbeitorganisatorisch zu unterstützen.

Die Entwicklung am Beispiel einer rein mechani-schen Kraftfahrzeugbremse zu einem mechatroni-schen System wird im nachfolgenden Kasten gezeigt.

Mechatronics offers potential for success but at thesame time imposes special requirements on the devel-opment process: on account of the integrated combi-nation of various intellectual domains, mechatronicsystems are characterized by a high level of complex-ity. The complexity is attributable to the greater

number of coupled elements in comparison with me-chanical systems, elements which are, moreover, re-alized in different technical disciplines (heterogene-ity). This problem is already taken into account in theearly phase of design, since the interactions of me-chanical, electrotechnical and information processingcomponents influence the behavior and form of theoverall mechatronic system.

Until now, the development has mostly taken placeseparately in the domains involved, on the basis of es-

tablished, specific development methods which arecharacterized by their own ways of thinking, concep-tual ranges and experiences. However, the integrationof heterogeneous components into mechatronic sys-tems requires cross-domain communication and co-operation between the technical disciplines involved,in order to obtain a common conception of the futureproduct and bring about a solution that is optimizedoverall. With the advancing development of informa-tion technology, many IT tools which support the de-sign process have been created. However, they canonly be integrated inadequately; universal design en-

vironments likewise only exist in their initial stages.These tools make it possible for mechatronic systemsto be modeled and simulated at an early time, but alsolead to changed working practices and give rise tonew problems such as integration and interfacing.The development of mechatronic systems that in-volves different departments and also crosses corpo-rate boundaries must also be supported organization-ally by suitable forms of interdisciplinary co-operation.

The development taken as an example of a purely me-chanical motor-vehicle brake into a mechatronic sys-tem is shown in the following graphic.

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Alle Rechte vorbehalten © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004 VDI 2206 – 6 –

From the mechanical brake to the mechatronicbrake in twelve decades

Efficient brake systems have been one of the mostimportant safety features of an automobile sincethe beginning of individual motorized mobility inthe year 1885. They must be absolutely failsafe andcapable of bringing the vehicle to a standstill overthe shortest distance under all driving conditions,while maintaining stability.

The success story of the service brake in a motorvehicle illustrates the development of a purely me-chanical system into a mechatronic system, whileretaining the basic principle of the braking function– the conversion of kinetic energy into heat by fric-tion between bodies – unchanged.

The first brake of Benz’s patented model 1 ”horse-less carriage“ was designed as a band brake with atransmission belt pulley which was actuated manu-ally via a mechanism. The further developmentsthat followed were exclusively an improvement of the mechanics or hydraulics and were motivated bythe aspects of functional improvement, safety andreliability. The limits of the purely mechanicalbrake systems were reached when more complexcontrol tasks, control by means of characteristiccurves and also the storing and processing of large

amounts of information were required as a precon-dition for further innovations by the developers.

The introduction of the antilock function for thebraking of the wheels (ABS) in the year 1978 be-came possible as electronics were incorporated inthe brake system; the mechanical functions weresupplemented by: 1) sensors which operate withelectronic operating principles, 2) electronic con-trol devices which serve for storing and processinginformation, and 3) electronically actuated, hy-draulic shift valves, which work as actors to controlthe brake pressure in the individual wheel brakecylinders. Only the functional integration of thesensors, the control unit and the hydraulic actors(also known as actuators) ensures the overall func-tionality, the ABS function.

The next innovative step took place in the year2001 with the separation of the hydraulic connec-

tion between the brake pedal and the wheel brakesin the electrohydraulic brake (EHB). The previ-ously known actuation of the brake pedal is re-placed by an actuating unit which comprises apedal feeling simulator and sensors for detectingthe wishes of the driver. The signals of this unit andfurther sensors are transmitted by electronic means(by wire) to the controller in the control unit. In themost important part of the EHB, the central me-chatronic control unit, the interdisciplinary cooper-ation of mechanical engineering, electrical engi-neering and information technology shows itsgreatest advantages: the microprocessor, software,sensors, hydraulic valves and electric pump oper-ate together and make a completely novel, highlydynamic type of brake management possible.

1885 2006 ~ ~

1978

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Die Elektromechanische Bremse (EMB), die ausheutiger Sicht etwa im Jahre 2006 die nächste Inno-vation beschreibt, geht noch einen Schritt weiterund verzichtet auf Bremszylinder, -leitungen und -schläuche, die durch elektrische Kabel ersetzt wer-den. Der Einsatz der Elektronik verringert den War-tungsaufwand; zudem kann auf die teure Entsor-gung der Bremsflüssigkeit verzichtet werden. Wiestark der Bremswunsch des Fahrers ist, ermittelnauch bei der EMB Sensoren im Bremspedalsimula-tor. Das Steuergerät verarbeitet die empfangenenSignale, verknüpft sie gegebenenfalls mit Daten an-derer Sensoren und Regelungssysteme und errech-net für jedes Rad die Kraft, mit der die Bremsbelägean die Bremsscheibe gedrückt werden sollen. DieRadbremsmodule bestehen hauptsächlich aus einerelektrischen Steuereinheit, einem Elektromotor und

einem Getriebe, die im Bremssattel die Zuspann-kräfte erzeugen. Die vier Aktoren können inner-halb von Millisekunden jeweils Kräfte bis zu meh-reren Kilo-Newton bereit stellen. Die EMB ver-spricht durch das schnelle Ansprechen der Bremsenverkürzte Anhaltewege. Durch das elek-

tronische Bremspedal, seine ergonomische Anord-nung und die geringeren Bedienkräfte kann einZeitgewinn von einer halben Sekunde realisiertwerden, der den Anhalteweg aus 100 km/h umetwa 20 % verkürzt. Auf Grund der ausschließlichelektrischen Signalübertragung kann das Pedalmo-dul im Gegensatz zur rein mechanisch-hydrauli-schen bzw. elektro-hydraulischen Bremse näher andie Spritzwand rücken. Dadurch entsteht mehrPlatz im Innenraum und das Verletzungsrisiko imFußraum wird reduziert.

Die Forderungen an die Kraftfahrzeugbremsanlagenach mehr Verzögerungsleistung bzw. steigenderFunktionalität, Sicherheit, Komfort, Wirtschaft-lichkeit und besserer Umweltverträglichkeit beigleichzeitig immer kürzer werdenden Produktzyk-len bedingt einen hohen Integrationsgrad auf Sys-

temebene und lässt die Mechatronik zu einem im-mer bedeutenderen und wettbewerbsbestimmende-ren Faktor für zukünftige Innovationen werden.

Quelle: [Ber02]

The electromechanical brake (EMB), which fromthe current perspective describes the next innova-tion in the year 2006, goes another step further anddispenses with brake cylinders, lines and hoses,which are replaced by electric cables. The use of electronics reduces the amount of maintenance re-quired; moreover, the expensive disposal of brakefluid is no longer necessary. The degree of brakingdesired by the driver is also determined in the case

of EMB by sensors in the brake pedal simulator.The control unit processes the signals received, pos-sibly combines them with data from other sensorsand control systems and calculates for each wheelthe force with which the brake liners are to bepressed against the brake disk. The wheel brakemodules principally comprise an electronic controlunit, an electric motor and a transmission, whichgenerate the tensile forces in the brake caliper. Thefour actors can each produce forces of up to severalkilonewtons within milliseconds.The EMB prom-ises to deliver reduced stopping distances by therapid response of the brakes. The electronic brakepedal, its ergonomic arrangement and the lower op-

erating forces can provide a time gain of half a sec-ond, which reduces the stopping distance from 100km/h by approximately 20 %. On account of theexclusively electrical signal transmission, thepedal module can be moved closer to the bulkhead,by contrast with the purely mechanical-hydraulicor electrohydraulic brake. This creates more spacein the passenger compartment and reduces the riskof injury in the foot well.

The requirements imposed on the motor-vehiclebrake system for greater decelerating power or in-creasing functionality, safety, comfort, cost-effec-tiveness and better environmental compatibility,with at the same time ever shorter product cycles,brings about a high degree of integration at systemlevel and makes mechatronics become an evermore significant and competitive-determining fac-tor for future innovations.

Source: [Ber02]

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1.2 Zielsetzung

Ziel dieser Richtlinie ist, das domänenübergreifendeEntwickeln mechatronischer Systeme methodisch zuunterstützen. Hauptaugenmerk sollen hierbei Vor-gehensweisen, Methoden und Werkzeuge für diefrühe Phase des Entwickelns mit Schwerpunkt

Systementwurf bilden. Ergebnis des Systementwurfsist das abgesicherte Konzept eines mechatronischenSystems. Darunter wird die prinzipiell festgelegteund durch Verifikation und Validierung1) überprüfteLösung verstanden. Je nach Anwendungsfall undRisikobetrachtung sind unterschiedliche Validie-rungsgenauigkeiten erforderlich: Die Validierung desKonzepts kann am virtuellen, am in Teilen realenoder am vollständig realen Prototyp erfolgen.

Die vorliegende Richtlinie bezieht sich bevorzugt auf die mechatronischen Systeme, die aus diskreten

mechanischen und elektronischen Komponenten inSymbiose mit der Informationstechnik bestehen.

Die Richtlinie soll dazu beitragen, die Vielfalt der inden letzten Jahren durch Forschungs- und Praxis-arbeiten entstandenen Erkenntnisse aufzubereitenund dem Praktiker in Form einer Leitlinie für das Ent-wickeln mechatronischer Systeme zugänglich zumachen. Anhand von Anwendungsbeispielen sollendie Umsetzung der Leitlinie illustriert und zugleichdas Erfolgspotenzial mechatronischer Lösungen ver-deutlicht werden.

1.3 ZielgruppeDie Richtlinie soll sich in erster Linie an Entwickler2)von mechatronischen Systemen in der Praxis wen-den. Sie soll die Grundzüge des Entwickelns mecha-tronischer Systeme vermitteln und zu einer ganzheit-lichen Sichtweise über die einzelne Fachdisziplinhinaus anregen.

1.4 Einordnung der Richtlinie

Die Richtlinie soll ergänzend zu den RichtlinienVDI 2221 und VDI 2422 positioniert werden. An-alog der Richtlinie VDI 2221, die allgemeingülti-ge, branchenunabhängige Grundlagen methodi-schen Entwickelns und Konstruierens behandelt, sol-len in der Richtlinie VDI 2206 die Methoden zur Ent-wicklung mechatronischer Systeme beschrieben wer-den. Die mechatronischen Ansätze der RichtlinieVDI 2422, die vor dem Hintergrund des Einzugs derMikroelektronik in die Gerätetechnik entstand, sollenerweitert und zu einem durchgängigen domänenüber-greifenden Leitfaden ausgebaut werden.

1) Definition von „Verifikation“ und „Validierung“ siehe Ab-schnitt 3.1.3 „Eigenschaftsabsicherung“.2) In diesem Dokument wird ausschließlich zur besseren Lesbarkeit diemaskuline Form verwendet. Wenn wir von Entwicklern schreiben,meinen wir selbstredend auch Entwicklerinnen.

1.2 Objective

The objective of this guideline is to provide method-ological support for the cross-domain development of mechatronic systems. The main aspects here are in-tended to be the procedures, methods and tools for theearly phase of development, concentrating on system

design. The result of system design is the assuredconcept of a mechatronic system. This is understoodas meaning the solution established in principle andchecked by verification and validation1). Dependingon the application and risk assessment, different val-idation accuracies are required: the validation of theconcept may be performed on the virtual prototype,on the partly real prototype or on the completely realprototype.

The present guideline relates preferably to the me-chatronic systems that comprise discrete mechanical

and electronic components in symbiosis with the in-formation technology.

The guideline is intended to contribute to presentingthe diversity of knowledge acquired in recent yearsby research and practical work and make it availableto practitioners in the form of a guideline for the de-velopment of mechatronic systems. Application ex-amples are to be used as a basis for illustrating the im-plementation of the guideline and at the same timethe potential for the success of mechatronic solutions.

1.3 Target groupThe guideline is aimed primarily at practical develop-ers2) of mechatronic systems. It is intended to conveythe principles of the development of mechatronic sys-tems and encourage a fully inclusive viewpoint to betaken of individual technical disciplines.

1.4 Classification of the guideline

The guideline is intended to supplement the guide-lines VDI 2221 and VDI 2422. By analogy with theguideline VDI 2221, which deals with generally ap-plicable, sector-independent fundamentals of meth-odological development and design, the guidelineVDI 2206 is intended to describe the methods of de-veloping mechatronic systems. The mechatronicpremises of guideline VDI 2422, conceived againstthe background of the incorporation of microelec-tronics into transmission technology, are to be ex-panded and developed into a universal cross-domainguideline.

1) For a definition of ”verification“ and ”validation“ see Section 3.1.3”Assurance of properties“.2) [Translator’s note: Footnote in original German text, concerning useof masculine form, not relevant in the English.]

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1.5 Aufbau der Richtlinie

Die Richtlinie weist folgende Struktur auf:

Abschnitt 2

Einführung in die Entwicklung mechatronischer Sys-

teme

Hier werden die Grundlagen mechatronischer Sys-teme behandelt. Diese beinhalten ein definiertes Be-griffsverständnis der Mechatronik und den grund-sätzlichen Aufbau mechatronischer Systeme. Fernerwerden das Nutzenpotenzial der Mechatronik ver-deutlicht und die Besonderheiten beim Entwickelnmechatronischer Systeme skizziert.

Abschnitt 3

Entwicklungsmethodik Mechatronik

Die Entwicklungsmethodik bildet den Kern derRichtlinie. Dieser besteht aus einem dreiteiligen Vor-

gehensmodell ( Mikrozyklus, Makrozyklus, Prozess-bausteine), den Methoden des modellbasiertenSystementwurfs, unterstützenden IT-Werkzeugen so-wie ausgewählten Aspekten der Organisation.

Abschnitt 4

Anwendungsbeispiele

Konkrete Praxisbeispiele veranschaulichen die Um-setzung der Entwicklungsmethodik mit unterschied-lichen Schwerpunkten. Die Entwurfsaufgaben ausder Kraftfahrzeug- und Bahntechnik, dem Maschi-nen- und Anlagenbau sowie der Antriebstechnik be-

legen zudem das Erfolgspotenzial der Mechatronikfür die Gestaltung der Produkte von morgen.

Abschnitt 5; Abschnitt 6

Schrifttum; Glossar

Das Verzeichnis der verwendeten Literatur und einGlossar der wichtigsten Begriffe runden die Richtli-nie ab.

2 Einführung in die Entwicklungmechatronischer Systeme

2.1 Charakterisierung des Begriffs Mechatronik

1969 prägte der Japaner Ko Kikuchi, Präsident derYASKAWA Electric Corporation, den Begriff Mechatronics (deutsch Mechatronik) [HTF96]. DerHersteller automatisierungstechnischer Produkte,wie Servoantriebe und Roboter, verstand darunter dieelektronische Funktionserweiterung mechanischerKomponenten. Der Begriff setzt sich zusammen ausMechanism (später mechanics, Mechanik oder allge-meiner Maschinenbau) und Electronics (Elektronik

oder allgemeine Elektrotechnik) und war im Zeit-raum von 1971 bis 1982 als Handelsname geschützt[Uni02].

1.5 Structure of the guideline

The guideline has the following structure:

Section 2

Introduction to the development of mechatronic sys-

tems

This deals with the principles of mechatronic sys-tems. These include a defined understanding of theconcepts of mechatronics and the basic structure of mechatronic systems. Furthermore, the beneficial po-tential of mechatronics is illustrated and the specialfeatures in the development of mechatronic systemsare outlined.

Section 3

Development methodology of mechatronics

The development methodology forms the core of theguideline. This comprises a three-part procedural

model (micro-cycle, macro-cycle, process modules),the methods of model-based system design, support-ing IT tools and selected aspects of the organization.

Section 4

Application examples

Concrete practical examples illustrate the implemen-tation of the development methodology with differentpoints of emphasis. The design tasks from automo-tive engineering and railroad technology, mechanicalengineering and plant construction as well as drive

technology provide further evidence of the potentialfor the success of mechatronics for creating the prod-ucts of tomorrow.

Section 5; Section 6

Bibliography; Glossary

A list of literature cited and a glossary of the most im-portant terms round off the guideline.

2 Introduction to the development ofmechatronic systems

2.1 Characterization of the term mechatronics

In 1969, the Japanese president of YASKAWA Elec-tric Corporation, Ko Kikuchi, coined the term me-chatronics [HTF96]. The manufacturer of automa-tion-engineering products, such as servodrives androbots, understood this to mean the electronic func-tional enhancement of mechanical components. Theterm comprises mechanisms (later mechanics, orgenerally mechanical engineering) and electronics(or general electrical engineering) and was protected

as a trade name in the period from 1971 to 1982[Uni02].

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All rights reserved © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004– 1 0 – VDI 2206

Mit dem Aufkommen der Mikroelektronik und be-sonders der Mikroprozessortechnik ist die Informa-tionstechnik als weiterer Bestandteil der Mechatronikhinzugekommen. Die Mechatronik nutzt somit dieSynergien aus dem Zusammenwirken der klassi-schen Ingenieurwissenschaften Maschinenbau, Elek-

trotechnik und Informationstechnik (Bild 2-1).

Mechatronische Systeme zeichnen sich durch diefunktionale und/oder räumliche Integration von Sen-soren, Aktoren (auch Aktuatoren genannt), Informa-tionsverarbeitung und einem Grundsystem aus (vgl.Abschnitt 2.2.1). Das Grundsystem kann aus mecha-nischen, fluidtechnischen, chemischen oder biologi-schen Strukturen bestehen. Ein Ziel der Mechatronikist es, das Verhalten eines technischen Systems zuverbessern, indem mit Hilfe von Sensoren Informa-tionen über die Umgebung, aber auch über das Sys-

tem selbst, erfasst werden. Diese Informationen wer-den in Prozessoren verarbeitet, die im jeweiligenKontext „optimale“ Reaktionen mit Hilfe von Akto-ren auslösen. Durch den Einbezug der modernenInformationstechnik in die Produkte selbst könnenanpassungsfähige technische Systeme entstehen.Diese Systeme sind in der Lage, auf Veränderungenihrer Umgebung zu reagieren, kritische Betriebs-zustände zu erkennen und Abläufe, die nur schwersteuerbar sind, durch Einsatz der Regelungstechnikzu optimieren.

Eine allgemein akzeptierte, einheitliche Definitiondes Begriffs „Mechatronik“ ist bis heute nicht er-kennbar. Vielmehr ist eine ständige Weiterentwick-lung des Begriffs im Sinne einer Technologieerweite-rung zu beobachten. 1989 definierte Schweitzer [Sch89]:

With the advent of microelectronics, and in particularmicroprocessor technology, information technologywas added as a further component of mechatronics.Mechatronics consequently uses the synergies fromthe interaction of the classic engineering sciencesmechanical engineering, electrical engineering and

information technology (Fi gu re 2-1).

Mechatronic systems are distinguished by the func-tional and/or spatial integration of sensors, actors(also known as actuators), information processingand a basic system (cf. Section 2.2.1). The basic sys-tem may comprise mechanical, fluid-technical,chemical or biological structures. One aim of me-chatronics is to improve the behavior of a technicalsystem by using sensors to obtain information on theenvironment, but also on the system. This informa-tion is processed in processors, which in the respec-

tive context trigger ”optimum“ reactions with the aidof actors. The incorporation of modern informationtechnology in the products themselves allows adap-tive technical systems to be created. These systemsare capable of responding to changes in their environ-ment, detecting critical operating states and optimiz-ing sequences which can only be controlled with dif-ficulty, by the use of control technology.

As yet, a generally accepted, standard definition of the term ”mechatronics“ has not been adopted.Rather, a constant further development of the term inline with technological expansion can be observed. In1989, Schweitzer defined it as follows [Sch89]:

Bild 2-1. Mechatronik – Synergie aus dem Zusammenwirkenverschiedender Disziplinen, nach [Ise99]

Fig. 2-1. Mechatronics – synergy from the interaction of differentdisciplines, according to [Ise99]

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Alle Rechte vorbehalten © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004 VDI 2206 – 1 1 –

„Mechatronik ist ein interdisziplinäres Gebiet

der Ingenieurwissenschaften, das auf den

klassischen Disziplinen Maschinenbau, Elek-

trotechnik und Informatik aufbaut. Ein typi-

sches mechatronisches System nimmt Signale

auf, verarbeitet sie und gibt Signale aus, die

es z.B. in Kräfte und Bewegungen umsetzt.“

Damit sind letztlich alle Formen von Sensoren, Akto-ren, Elektronikfunktionen und mechanischen Sys-temkomponenten in integrierter funktionaler bzw.räumlicher Anordnung als Mechatronik zu bezeich-nen. 1996 erweiterten Harashima, Tomizuka undFukuda [HTF96]:

„[Mechatronics is]...the synergetic integra-

tion of mechanical engineering with electro-

nic and intelligent computer control in the

design and manufacturing of industrial pro-

ducts and processes.“

Mechatronik bezieht sich demnach nicht nur auf dieFunktions- und Bauteilintegration, sondern auch auf den integrierten Entwurf und die Fertigung mechatro-nischer Erzeugnisse.

1996 modifizierte Van Brussel und betont die domä-nenübergreifende Sichtweise beim Entwurf mecha-tronischer Systeme [Bru96]:

„[Mechatronics needs]...a synergetic cross-

fertilization between the different engineering

disciplines involved: mechanical engineering,control engineering, microelectronics and

computer science. This is exactly what mecha-

tronics is aiming at; it is a concurrent-engi-

neering view on machine design.“

Im deutschsprachigen Raum ist folgende Definitionvon Isermann zu finden [Ise99]:

„Mechatronik ist ein interdisziplinäres

Gebiet, bei dem folgende Disziplinen zusam-

menwirken: mechanische und mit ihnen

gekoppelte Systeme, elektronische Systeme,

Informationstechnik. Dabei ist das mecha-nische System im Hinblick auf die Funktionen

dominierend. Es werden synergetische Effekte

angestrebt, die mehr beinhalten als die reine

Addition der Disziplinen.“

Kern eines modernen Verständnisses von Mechatro-nik ist der synergetische Effekt verschiedener Tech-nologien. Entscheidend ist also nicht eine Einzeltech-nologie, sondern die Kombination der Einzeltechno-logien, die es ermöglicht, dass ein System seine Auf-gabe optimal erfüllt oder dass neue Funktionalitäten

realisiert werden können. Die Integration der Tech-nologien muss dabei bereits zu Beginn der Entwick-lung in der ersten Spezifikationsphase erfolgen. Die

[Mechatronics is an interdisciplinary field of en-

gineering sciences which is based on the classic

disciplines of mechanical engineering, electrical

engineering and information technology. A typi-

cal mechatronic system records signals, processes

them and outputs signals which it converts for ex-

ample into forces and movements.]

Consequently, all forms of sensors, actors, electronicfunctions and mechanical system components in anintegrated functional or spatial arrangement are infact to be referred to as mechatronics. In 1996, thiswas expanded by Harashima, Tomizuka and Fukuda[HTF96]:

”[Mechatronics is]... the synergetic integra-

tion of mechanical engineering with electronic

and intelligent computer control in the design

and manufacturing of industrial products and

processes.“

Mechatronics accordingly relates not only to the inte-gration of functions and components but also to theintegrated design and production of mechatronicproducts.

In 1996, Van Brusssel modified this and emphasizedthe cross-domain viewpoint to be taken when design-ing mechatronic systems [Bru96]:

”[Mechatronics needs]... a synergetic cross-

fertilization between the different engineering

disciplines involved: mechanical engineering,control engineering, microelectronics and

computer science. This is exactly what me-

chatronics is aiming at; it is a concurrent-en-

gineering view on the machine design.“

In the German-speaking world, the following defini-tion by Isermann can be found [Ise99]:

[Mechatronics is an interdisciplinary field in

which the following disciplines interact: me-

chanical systems and systems coupled with

them, electronic systems, information technol-

ogy. The mechanical system is dominant herewith regard to the functions. Synergetic effects

are aimed for, comprising more than the mere

addition of the disciplines.]

At the center of a modern understanding of me-chatronics is the synergetic effect of different tech-nologies. Consequently, what is decisive is not theindividual technology but the combination of individ-ual technologies, making it possible for a system toperform its task optimally or for new functionalities

to be realized. The integration of technologies mustin this case already take place at the beginning of thedevelopment, in the first specification phase. The de-

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Entwicklung von mechatronischen Systemen setztdie ganzheitliche Betrachtung der Systeme, ein inter-disziplinäres Denken, eine gemeinsame begleitendeSprache bei den Entwicklern und meist den Einsatzrechnerunterstützter Werkzeuge voraus. Infolge derKomplexität und Heterogenität, die den meisten

mechatronischen Systemen anhaften, ist eine syste-matische Vorgehensweise unabdingbar (sieheAbschnitt 3.1).

Neben der Mechatronik haben sich in der Vergangen-heit eine Reihe weiterer Begriffe für verschiedene,verwandte Fachgebiete etabliert. Dies sind u.a. Elek-tromechanik, Feinwerktechnik, Mikrosystemtechnikund Adaptronik.

Die Elektromechanik beschreibt Strukturen, die imAllgemeinen durch eine Wechselwirkung elektro-

magnetischer Felder mit massebehafteten Körperncharakterisiert sind. Beispiele sind Relais, rotierendeelektrische Maschinen oder Linearantriebe, alsoSysteme, die elektrische und mechanische Energiewandeln.

Die klassische und elektronische Feinwerktechnikumfasst alle Teile der angewandten Physik, derMechanik, der Elektrotechnik und Elektronik, dertechnischen Optik sowie deren Mischgebiete und derelektronischen Informationsverarbeitung. Die Di-mension der Produkte bewegt sich im Bereich von

wenigen Millimetern und reicht bis an die Mikrotech-niken heran.

Die konsequente Weiterentwicklung der Feinwerk-technik zu immer kleiner werdenden Bauelementenmit den dazu notwendigen neuen mikromechanischenFertigungsverfahren führt zur Mikro- und Mikro-systemtechnik. Die Mikrosystemtechnik hat alsGegenstand Systeme, die sich als miniaturisierteGesamtheit integrierter Sensor-, Informationsverar-beitungs- und Aktorkomponenten beschreiben lassen.Sie ermöglichen Wahrnehmungs-, Verarbeitungs-

und/oder Antriebsfunktionen durch die Kombinationvon mechanischen, elektrischen, elektromagneti-schen, optischen, chemischen, biologischen und/oderweiteren Funktionselementen. Stehen nur Systeme imFokus, die mechanische, elektronische und informa-tionstechnische Funktionselemente in Symbiose auf-weisen, dann wird häufig auch von Mikromechatro-nik (Mikrotechnik) gesprochen.

In der Adaptronik werden Werkstoffstrukturen mitwerkstoffintegrierten Sensoren, Aktoren und infor-mationsverarbeitenden elektronischen Komponen-

ten kombiniert und als aktive Systeme mit weiterenFunktionen versehen. Sie übernehmen damit gleich-zeitig tragende wie aktorische bzw. sensorische Auf-

velopment of mechatronic systems presupposes thefully inclusive consideration of the systems, an inter-disciplinary way of thinking, a common accompany-ing language among the developers and usually theuse of computer-aided tools. Because of the complex-ity and heterogeneity affecting most mechatronic sys-

tems, a systematic procedure is essential (seeSection 3.1).

Apart from mechatronics, a series of further terms forvarious related technical fields have become estab-lished in the past. These include electro-mechanics,precision mechanics, microsystems engineering andadaptronics.

Electro-mechanics describes structures which aregenerally characterized by the interaction of electro-

magnetic fields with bodies affected by mass. Exam-ples are relays, rotating electrical machines or lineardrives, that is systems which convert electrical andmechanical energy.

Classic and electronic precision mechanics com-prises all parts of related physics, mechanics, electri-cal engineering and electronics, technical optics andalso areas where they overlap and electronic informa-tion processing. The products vary in their dimen-sions from the range of a few millimeters to the mi-

cro-engineering scale.

The systematic further development of precision me-chanics to ever smaller components with the new mi-cro-mechanical production methods necessary forthem leads to micro-engineering and microsystemsengineering. Microsystems engineering concernssystems which can be described as a miniaturized en-tirety of integrated sensor, information processingand actor components. They make detecting, process-ing and/or driving functions possible by the combina-

tion of mechanical, electrical, electromagnetic, opti-cal, chemical, biological and/or further functionelements. If the focus is directed only at systems thathave mechanical, electronic and IT function elementsin a symbiosis, reference is often also made to micro-mechatronics (micro-engineering).

In adaptronics, material structures are combinedwith material-integrated sensors, actors and informa-tion processing electronic components and, as active

systems, provided with further functions. Conse-quently, at the same time they assume supportingtasks, such as those of actors or sensors. Materials

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gaben. Materialen sind z.B. Piezoelektrika, Magne-tostriktiva oder elektrorheologische Fluide. Die in ad-aptronischen Systemen erzeugbare mechanischeLeistung ist begrenzt, da die werkstoffintegriertenAktoren als „One Stroke-Actuators“ nur mit kleinenHüben im Rahmen der zulässigen Materialdehnung

arbeiten können. Anwendungsfelder für adaptro-nische Systeme sind die aktive Schwingungs- oderLärmdämpfung von Strukturen, adaptive Tragflächenund adaptive Trägerstrukturen wie z.B. Antennen-masten. Mechatronische Systeme nutzen hingegenmeist „Multiple Stroke Actuators“ wie z.B. Elektro-motoren, die ihre hohe Leistung aus der schnellenWiederholung von einzelnen Hüben erzielen.

Eine genaue Abgrenzung dieser Fachgebiete unter-einander ist nicht immer möglich; die Grenzen sindfließend. Manche Systeme kann man durchaus auch

mehreren Gebieten zuordnen. Allerdings ist alleneines gemeinsam: Erst der Systemgedanke, das heißtdie funktionale und räumliche Integration vieler un-terschiedlicher Technologien zu einem komplexenSystem und dessen ganzheitliche Betrachtung, ergibteine neue Qualität und ist unabdingbar für die erwei-terte mechatronische Gesamtfunktionalität.

2000 hat Tomizuka [Tom00] die Definition derMechatronik so weit gefasst, dass sich nahezu alle in-dustriellen Produkte und Prozesse unter dem Ober-begriff der Mechatronik subsumieren lassen:

„Mechatronics is the synergetic integration of physical systems with information technology

and complex-decision making in the design,

manufacture and operation of industrial pro-

ducts and processes“.

Die Berücksichtigung dieses erweiterten Mechatro-nikbegriffs würde jedoch den vorgesehenen Umfangder Richtlinie übersteigen. Die Richtlinie VDI 2206bezieht sich deshalb bevorzugt auf solche mechatro-nischen Systeme, die aus diskreten mechanischenund elektronischen Komponenten in Symbiose mit

der Informationstechnik bestehen. Dabei sind – vomeinfachen Ersatz mechanischer Funktionselementedurch elektronische Komponenten bis hin zum kom-pletten Neuentwurf auf der Basis eines mechatro-nischen Entwicklungsprozesses – unterschiedlicheAusprägungen mechatronischer Systeme denkbar.Ausprägungen sind z.B. funktionale und/oder räum-liche Integration (siehe Abschnitt 3.1.3). Generellkönnen mechatronische Systeme auch aus Subsyste-men bestehen, die selbst wieder mechatronischeSysteme sind. Mechatronische Systeme im Sinnedieser VDI-Richtlinie sind daher am besten durch

die Definition von Harashima, Tomizuka und Fukuda [HTF96] beschrieben, die zur Verdeut-lichung hier noch einmal wiederholt wird:

are, for example, piezoelectrics, magnetostrictives orelectrorheological fluids. The mechanical powerwhich can be generated in adaptronic systems is lim-ited, since, as ”one-stroke actuators“, the material-in-tegrated actors can only operate with small strokeswithin the limits of the permissible material exten-

sion. Fields of application for adaptronic systems areactive vibration or noise damping of structures, adap-tive load-bearing surfaces and adaptive support struc-tures, such as for example antenna masts. Me-chatronic systems on the other hand usually use”multiple-stroke actuators“, such as for exampleelectric motors, which achieve their high power fromthe rapid repetition of individual strokes.

An exact delimitation of these technical areas fromone another is not always possible; the boundaries arefluid. Some systems can quite well be assigned to a

number of areas. However, they all share one thing incommon: only the concept of a system, i.e. the func-tional and spatial integration of many different tech-nologies to form a complex system and its considera-tion as a whole, produces a new quality and isindispensable for the overall expanded mechatronicfunctionality.

In 2000, Tomizuka [Tom00] formulated the definitionof mechatronics so broadly that virtually all industrialproducts and processes can be subsumed under thegeneric term of mechatronics:

”Mechatronics is the synergetic integration of physical systems with information technology

and complex-decision making in the design,

manufacture and operation of industrial prod-

ucts and processes.“

However, it would go beyond the scope envisaged forthe guideline to consider this expanded concept of mechatronics. The guideline VDI 2206 therefore re-lates preferably to those mechatronic systems whichcomprise discrete mechanical and electronic compo-nents in symbiosis with information technology. At

the same time, different distinct forms of mechatronicsystems are conceivable, from the simple replace-ment of mechanical functional elements by electroniccomponents through to the complete new design onthe basis of a mechatronic development process. Dis-tinct forms are, for example, functional and/or spatialintegration (see Section 3.1.3). In general, me-chatronic systems may also comprise subsystemswhich themselves are again mechatronic systems.Therefore, for the purposes of this VDI guideline,

mechatronic systems are best described by the

definition by Harashima, Tomizuka and Fukuda

[HTF96], which is repeated here once again for clar-ification.

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„[Mechatronics is]...the synergetic integra-

tion of mechanical engineering with electro-

nic and intelligent computer control in the

design and manufacturing of industrial pro-

ducts and processes.“ 3)

2.2 Aufbau mechatronischer Systeme2.2.1 Grundstruktur

Mechatronische Systeme bestehen aus einem Grund-system, Sensoren, Aktoren und einer Informations-verarbeitung. Zusätzlich von Bedeutung ist die Um-gebung, in der das mechatronische System betriebenwird (Bil d 2-2).

Beim Grundsystem handelt es sich in der Regel umeine mechanische, elektromechanische, hydraulischeoder pneumatische Struktur bzw. eine Kombinationaus diesen. Allgemein ist allerdings ein beliebiges

physikalisches System als Grundsystem denkbar, sodass insbesondere auch hierarchisch strukturiertemechatronische Systeme darstellbar sind (vgl.Abschnitt 2.2.2).

Aufgabe der Sensoren ist die Bestimmung von aus-gewählten Zustandsgrößen des Grundsystems. Untersehr allgemeinen Voraussetzungen4) versteht manunter den Zustandsgrößen eines technischen Systemsdie physikalischen Größen, durch deren Wert zueinem beliebigen Zeitpunkt t 0 der Ablauf des Sys-tems für t > t 0 eindeutig bestimmt ist, sofern die Ein-

gangsgrößen des Systems für t > t 0 gegeben sind[Föl94]. Sensoren können dabei physisch vorhandeneMesswertaufnehmer oder aber reine Softwaresenso-

3) Deutsche Übersetzung durch die Redaktion: Mechatronik bezeichnetdas synergetische Zusammenwirken der Fachdisziplinen Maschinen-bau, Elektrotechnik und Informationstechnik beim Entwurf und derHerstellung industrieller Erzeugnisse sowie bei der Prozessgestaltung.4) Voraussetzung ist die Erfüllung des Existenz- und Eindeutigkeitssat-zes für Differentialgleichungen. Er gilt für stetige Eingangsfunktionenund lässt sich auf stückweise stetige Funktionen erweitern.

”[Mechatronics is]... the synergetic integra-

tion of mechanical engineering with electronic

and intelligent computer control in the design

and manufacturing of industrial products and

processes.“ 3)

2.2 Structure of mechatronic systems2.2.1 Basic structure

Mechatronic systems comprise a basic system, sen-sors, actors and information processing. Also of sig-nificance is the environment in which the me-chatronic system is operated (Fi gu re 2-2).

The basic system is generally a mechanical, electro-mechanical, hydraulic or pneumatic structure or acombination of these. However, generally any de-sired physical system is conceivable as a basic sys-

tem, so that it is possible in particular even for hierar-chically structured mechatronic systems to berepresented (cf. Section 2.2.2).

The task of the sensors is to determine selected statevariables of the basic system. Under very general pre-conditions4), the state variables of a technical systemare understood as meaning the physical variableswhich definitively determine by their value at any de-sired point in time t 0 the sequence of the system fort > t 0, provided that the input variables of the system

for t > t 0 are given [Föl94]. Sensors may in this casebe physically present measured-value pickups or elsestraightforward software sensors (so-called ”observ-

3) [Translator’s note: Footnote in original German text, giving a trans-lation of this into German, not relevant in the Englisch]

4) The precondition is to satisfy the existence and uniqueness theoremfor differential equations. It applies to continous input functions andcan be extended to piecewise continous functions.

Bild 2-2. Grundstruktur eines mechtronischen Systems Fig. 2-2. Basic structrue of a mechatronic system

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ren (so genannte „Beobachter“, siehe z.B. [Ise88])sein. Die Sensoren liefern die Eingangsgrößen für dieInformationsverarbeitung, die heute in den meistenFällen digital, das heißt wert- und zeitdiskret, mittelsMikroprozessor erfolgt, allgemein aber auch mittelsrein analoger oder gemischt analog/digitaler (hybri-

der) Elektronik realisierbar ist. Die Informationsver-arbeitung bestimmt die notwendigen Einwirkungen,um die Zustandsgrößen des Grundsystems in ge-wünschter Weise zu beeinflussen. Die Umsetzungder Einwirkungen erfolgt durch Aktoren direkt amGrundsystem.

Sowohl im Bereich Sensoren als auch im Bereich Ak-toren existiert heute das Bestreben einer räumlichenIntegration mit weiteren Funktionseinheiten. Dadurchentstehen „intelligente“ Einheiten, das heißt intel-ligente Sensoren (Integration von Messwertaufneh-

mer, Analog/Digital-Umsetzer und Mikroprozessor)und intelligente Aktoren (Integration von Digi-tal/Analog-Umsetzer, Anpassungs- bzw. Verstärker-schaltung sowie gegebenenfalls Mikroprozessor). In-telligente Sensoren messen analoge physikalischeGrößen wie beispielsweise Druck, Temperatur oderGeschwindigkeit, digitalisieren die gemessenen Werteund übertragen die Signale – entsprechend angepasst– an die Informationsverarbeitung. Intelligente Akto-ren werden direkt durch digitale Signale der Informa-tionsverarbeitung angesteuert. Die Signale werden inanaloge Größen umgewandelt, verstärkt und dienen

dann beispielsweise dem Aufbringen von Kräftenoder der Erzeugung von Bewegungen.

Für eine genauere Betrachtung der Verknüpfungenzwischen Grundsystem, Sensoren, Informationsver-arbeitung und Aktoren ist eine Darstellung der Bezie-hungen zwischen den Komponenten mittels Flüssenhilfreich. Grundsätzlich sind drei Arten von Flüssenzu unterscheiden: Stofffluss, Energiefluss und Infor-mationsfluss [PB97].

• Stoffflüsse: Beispiele für Stoffe, die zwischen

Einheiten mechatronischer Systeme fließen, sindfeste Körper, Prüfgegenstände, Behandlungsob- jekte, Gase oder Flüssigkeiten.

• Energieflüsse: Unter Energie ist in diesem Zu-sammenhang jede Energieform zu verstehen wiez.B. mechanische, thermische oder elektrischeEnergie, aber auch Größen wie Kraft oder Strom.

• Informationsflüsse: Informationen, die zwi-schen den Einheiten mechatronischer Systemeausgetauscht werden, sind beispielsweise Mess-größen, Steuerimpulse oder Daten.

Das Grundsystem eines mechatronischen Systems be-steht aus Einheiten, die über alle drei Arten von Flüs-sen verkettet sind (Bild 2-2). Im Vordergrund stehen

ers“, see for example [Ise88]). The sensors supply theinput variables for the information processing,which today in most cases takes place digitally, i.e.discretely in terms of value and time, by means of amicroprocessor; however, it can also be realized bymeans of purely analog electronics or mixed ana-

log/digital (hybrid) electronics. The informationprocessing determines the effects necessary to influ-ence the state variables of the basic system in the de-sired way. The implementation of the effects takesplace by actors directly on the basic system.

Both in the area of sensors and in the area of actors, to-day there is the aim to achieve spatial integration withfurther functional units. This creates ”intelligent“units, i.e. intelligent sensors (integration of the meas-ured-value pickup, analog/digital converter and mi-

croprocessor) and intelligent actors (integration of the digital/analog converter, adaptation or amplifiercircuit and possibly microprocessor). Intelligent sen-sors measure analog physical variables, such as for ex-ample pressure, temperature or speed, digitize themeasured values and transmit the signals – corre-spondingly adapted – to the information processing.Intelligent actors are activated directly by digital sig-nals of the information processing. The signals areconverted into analog variables, amplified and thenserve for example for exerting forces or producingmovements.

For a closer look at the interrelationships between thebasic system, sensors, information processing and ac-tors, it is helpful to represent the relationships be-tween the components by means of flows. In princi-ple, a distinction has been made between three typesof flow: material flow, energy flow and information flow [PB97].

• Material flows: Examples of materials which

flow between units of mechatronic systems are so-lid bodies, objects under test, objects being trea-ted, gases or liquids.

• Energy flows: Energy is to be understood in thisconnection as meaning any form of energy, suchas for example mechanical, thermal or electricalenergy, but also variables such as force or current.

• Information flows: Information exchanged bet-ween units of mechatronic systems are for ex-ample measured variables, control pulses or data.

The basic system of a mechatronic system comprisesunits which are linked by all three types of flow(Figure 2-2). At the forefront here are generally energy

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hierbei in der Regel Energie- und Stoffflüsse. DieFlüsse, die das Grundsystem und die Umgebung mitden Sensoren und Aktoren verbinden, besitzen sowohlden Charakter von Energie- als auch von Informations-flüssen, da sowohl für das Messen (Sensoren) als auchfür das Einwirken (Aktoren) Energie „fließt“, anderer-

seits aber auch Informationen – Steuersignale der Ak-toren und Messsignale der Sensoren – übertragen wer-den. Die Informationsverarbeitung nutzt die Informa-tionsflüsse der Sensoren und liefert selbst Informati-onsflüsse für die Aktoren. Bei den Energieflüssen inBild 2-2 ist zu beachten, dass nur die wesentlichen En-ergieflüsse dargestellt sind, die direkt oder indirekt auf das Grundsystem einwirken. Oft wird die Informati-onsverarbeitung zusätzlich über ein Kommunikations-system mit anderen Informationsverarbeitungseinhei-ten verbunden sein. Die Kommunikation mit demMenschen bzw. dem Systemanwender erfolgt gegebe-

nenfalls über spezielle Mensch-Maschine-Schnittstel-len. Die Verbindungen stellen in beiden Fällen Infor-mationsflüsse dar.

2.2.2 Modularisierung und Hierarchisierung

Komplexe mechatronische Systeme bestehen im All-gemeinen aus der synergetischen Integration verschie-dener mechatronischer Module, das heißt Systemele-menten oder Bauteilen, die zu einer Gruppe zusam-mengefasst werden und gemeinsam eine bestimmteFunktion erfüllen. Da diese Module unterschiedlicheFunktionen beinhalten und repräsentieren, ist es sinn-voll, diese Integration nicht nur auf einer Ebene zu ge-stalten, sondern auf das Ordnungsprinzip der Hierar-chisierung zurückzugreifen. Die in Abschnitt 2.2.1beschriebene Grundstruktur eines mechatronischenSystems ist als Grundbaustein zu verstehen.

Werden mehrere Grundbausteine über ihre mecha-tronische Funktionsstruktur und über ihre mechani-sche Tragstruktur miteinander verkoppelt, so entstehtein System höherer Ordnung. Auf dieser höherenStufe werden zusätzliche Aufgaben des Grundbau-steins unter Umständen mit zusätzlicher Sensorik und

Informationsverarbeitung realisiert. Neben der Reali-sierung von Fehlerdiagnose und Überwachungsalgo-rithmen steht besonders die Generierung von Vorgabenfür untergeordnete mechatronische Grundbausteine imVordergrund dieser Hierarchiestufe.

Sollen weitere Aufgaben wie z.B. Lernvorgänge oderAdaption in einem mechatronischen System realisiertwerden, sind weitere Hierarchiestufen sinnvoll, indenen Grundbausteine und bereits aggregierte Sys-teme nur noch über ihre Informationsverarbeitung ver-koppelt werden. Hierfür ist entsprechend der Komple-xität der Aufgabenstellung und der vorhandenen Res-

sourcen eine angepasste und somit optimale Strukturzu finden. Eine mögliche Realisierung solcher Struktu-ren liefert der Ansatz von [LKS00].

and material flows. The flows which connect the basicsystem and the environment to the sensors and actorshave both the character of energy flows and informa-tion flows, since energy ”flows“ both for the measur-ing (sensors) and for the acting (actors), but on theother hand information is also transmitted – control

signals of the actors and measuring signals of the sen-sors. The information processing uses the informationflows of the sensors and itself provides informationflows for the actors. In the case of the energy flows inFigure 2-2, it to be noted that only the main energyflows which act directly or indirectly on the basic sys-tem are represented. The information processing is of-ten additionally connected to other informationprocessing units via a communication system. Thecommunication with man or the system user may takeplace via special man-machine interfaces. The connec-tions in both cases represent information flows.

2.2.2 Modularization and hierarchization

Complex mechatronic systems generally comprise thesynergetic integration of various mechatronic mod-ules, i.e. system elements or components which arecombined to form a group and together perform a spe-cific function. Since these modules comprise and rep-resent different functions, it is meaningful not just tocreate this integration on one plane but to resort tothe ordering principle of hierarchization. The basicstructure of a mechatronic system described in Sec-tion 2.2.1 is to be understood as a basic module.

If a number of basic modules are coupled to one an-other via their mechatronic function structure and theirmechanical supporting structure, a system of higherorder is created. On this higher level, additional tasksof the basic module are realized, under some circum-stances with additional sensor technology and infor-

mation processing. Apart from realizing error diagnos-tics and monitoring algorithms, the generation of setpoint selections for subordinate mechatronic basicmodules is especially at the forefront of this hierarchi-cal level.

If further tasks, such as for example learning processesor adaptation, are to be realized in a mechatronic sys-tem, it is appropriate to have further hierarchical levelsin which basic modules and already aggregated sys-tems are simply coupled via their information process-ing. For this purpose, an adapted and consequently op-timum, structure is to be found, to correspond to the

complexity of the defined task and the available re-sources. A possible way of realizing such structures isprovided by the approach proposed by [LKS00].

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Bi ld 2-3 zeigt exemplarisch eine hierarchischeStruktur mechatronischer Systeme. Grundbausteineder 1. Ebene (z.B. Federbein) werden auf der2. Ebene mit überlagerter Informationsverarbeitungverkoppelt (z.B. Fahrzeug). Auf der 3. Ebene entste-hen vernetzte Systeme, die nur über die Informations-

verarbeitung verbunden sind (z.B. Kreuzungsma-nagement).

Fig ure 2-3 shows by way of example a hierarchicalstructure of mechatronic systems. Basic modules of the first level (for example spring strut) are coupledon the second level with superposed informationprocessing (for example vehicle). Created on thethird level are interconnected systems, which are con-

nected only via the information processing (for ex-ample crossing management).

Bild 2-3. Beispiel für Strukturierung mechatronischer Systeme, nach [LKS00]

Fig. 2-3. Example of structuring of mechatronic systems, according to [LKS00]

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Neben der funktionalen Integration mechatronischerModule stellt auch die räumliche, gerätetechnischeIntegration eine wichtige Aufgabe dar. Hierbei sindGeräte-Module mittels definierter Schnittstellen zueinem Gesamtsystem mit verschiedenen Hierarchie-stufen (mechatronische Aggregate) zu integrieren.

Die gleichzeitige Betrachtung beider Integrationsauf-gaben führt zu einem optimal gestalteten mechatroni-schen Produkt.

2.3 Nutzenpotenzial der Mechatronik

Das Nutzenpotenzial der Mechatronik ergibt sich ausden Innovationspotenzialen der Technologien sowiedurch funktionale und räumliche Integration derTechnologien. Die erste Quelle der Innovation resul-tiert aus der Entwicklungsdynamik elektronischerund softwaretechnischer Komponenten und derenkonsequenter Einbindung in vormals rein mecha-

nische Produkte. Im Vergleich zur Mechanik sind dieInnovationszyklen in der Elektronik und Informa-tionstechnik deutlich kürzer. Aus dieser Dynamik er-geben sich eine Reihe von Potenzialen, die durch dieIntegration für mechatronische Produkte genutztwerden können [Ehl00]. Daneben eröffnet die neu-artige Kombination bekannter Produkttechnolo-

gien eine zweite Potenzialquelle. Durch den techno-logischen Fortschritt können in zunehmendem Maßeelektronische Komponenten und Software in vormalsrein mechanische bzw. elektrotechnische Produkteintegriert werden. Dies führt zu einer Integration vonFunktionen in ein Produkt, die bislang an andererStelle realisiert wurden oder ermöglicht sogar ganzneue Funktionalitäten [ENS00].

Eine wesentliche Voraussetzung zur Ausschöpfungdieser beiden Potenziale ist die Modularisierungder Produktfunktionen und die Definition vonSchnittstellen (vgl. Abschnitt 2.2.2). Modularisie-rung bedeutet die Bildung einer Produktstruktur mitModulen, bei der die Beziehungen zwischen denModulen geringer ausgeprägt sind als die Beziehun-gen innerhalb der Module. Damit lassen sich Wech-

selwirkungen zwischen Modulen auf ein Minimumreduzieren. Zwischen den Modulen sind Schnittstel-len zu bilden, um die Kompatibilität auch bei unter-schiedlicher Innovationsdynamik sicherzustellen,z.B. Hardwarekomponenten unterschiedlicher Pro-duktgenerationen, Softwareupdate bei unveränderterHardware etc.

Innovationspotenziale aus derInformationstechnik und Elektronik

Der Nutzen für mechatronische Produkte resultiertaus der Innovationsdynamik der Informationstechnik

und Elektronik. Die Innovationsdynamik hat einewirtschaftliche und eine technologische Dimension[Sch00].

Apart from the functional integration of mechatronicmodules, the spatial, equipment-related integrationalso represents an important task. In this respect,equipment modules must be integrated by means of defined interfaces to form an overall system with var-ious hierarchical levels (mechatronic units). The si-

multaneous consideration of both integration tasksleads to an optimally created mechatronic product.

2.3 Beneficial potential of mechatronics

The beneficial potential of mechatronics is obtainedfrom the innovation potentials of the technologiesand by functional and spatial integration of the tech-nologies. The first source of innovation results fromthe development dynamics of electronic and soft-

ware-technical components and their systematic in-corporation into previously purely mechanical prod-

ucts. In comparison with mechanics, the innovationcycles in electronics and information technology aremuch shorter. These dynamics give rise to a series of potentials, which can be used for mechatronic prod-ucts by integration [Eh100]. In addition, the novelcombination of known product technologies opensup a second source of potential. Technologicalprogress increasingly allows electronic componentsand software to be integrated in previously purelymechanical or electrotechnical products. This leadsto integration in a product of functions which werepreviously realized elsewhere or even makes entirelynew functionalities possible [ENS00].

An essential precondition for fully exploiting thesetwo potentials is the modularization of the productfunctions and the definition of interfaces (cf.Section 2.2.2). Modularization means the forming of a product structure with modules, in which the rela-tionships between the modules are less distinct thanthe relationships within the modules. This allows in-teractions between modules to be reduced to a mini-

mum. Interfaces are to be formed between the mod-ules to ensure compatibility even when there isdiffering innovation dynamics, for example hardwarecomponents of different product generations, soft-ware update with unchanged hardware, etc.

Innovation potentials from informationtechnology and electronics

The benefit for mechatronic products results from theinnovation dynamics of information technology and

electronics. The innovation dynamics have a com-mercial and technological dimension [Sch00].

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Wirtschaftliche Dimension: Wirtschaftlich ist derBereich der Elektronik durch einen fortdauerndenPreisverfall bei mikroelektronischen Bauelementengekennzeichnet. Realisierte Kostensenkungen wer-den unmittelbar zur Preissenkung am Markt genutztund auch technische Innovationen werden direkt am

Markt eingeführt. Unternehmen, die mikroelektro-nische Schaltungen in ihr Produkt integrieren,können direkt von dieser wirtschaftlichen Dimensionprofitieren und den Preisverfall für die Verbesserungder Kosten-/Leistungsrelation des eigenen Produktsnutzen [Sch00].

Technologische Dimension: Die Innovationsdyna-mik der Elektronik- und Softwaretechnologie kannanhand des Moore’schen Gesetzes verdeutlicht wer-den, wonach die Leistungsfähigkeit von Mikropro-zessoren ca. alle 18 Monate verdoppelt wird

[Moo65]. Der technologische Fortschritt ist abernicht nur auf die Leistungsfähigkeit der mikro-elektronischen Bauteile begrenzt. Durch Fortschrittein der Aufbautechnologie der Bauelemente sinkendie Anforderungen an die Einsatzumgebung der elek-tronischen Komponenten. Hierdurch werden immerneue Anwendungsgebiete von elektronischen Schal-tungen erschlossen, deren Einsatz früher auf Grundvon baulichen Gegebenheiten oder klimatischen Ver-hältnissen ausgeschlossen war.

Die technologische und die wirtschaftliche Dimen-sion sind miteinander gekoppelt. So ist trotz der Stei-gerung der Leistungsfähigkeit gleichzeitig ein Preis-verfall zu beobachten. Die beschriebenen Fortschrittebei den elektronischen Komponenten erlauben zu-dem, in Produkten immer umfangreichere Software-programme einzusetzen. Hierdurch werden gänzlichneue Funktionen oder die zielgerichtete Substitutionvon mechanischen, elektrischen oder elektronischenKomponenten möglich [Sch00].

Innovationspotenziale durch funktionale undräumliche Integration

Die funktionale und räumliche Integration der unter-schiedlichen Komponenten führt zu folgenden Vor-teilen [Art94; ENS00; GL00]:

• Preis-Leistungsverhältnisse verbessern

• Leistung erhöhen (z.B. Energieeffizienz, Ge-schwindigkeit, Beschleunigung)

• Funktionalitäten vergrößern (z.B. Bedienungs-komfort) oder erst ermöglichen (z.B. Selbsttestund -diagnose)

• Verhaltensverbesserungen erreichen (z.B. Erhö-hung der Präzision, Kompensation von Störein-flüssen)

Commercial dimension: The area of electronics iscommercially characterized by a continued sharp fallin the price of microelectronic components. Cost re-ductions achieved are used directly for loweringprices on the market and technical innovations arealso introduced directly on the market. Companies

which integrate microelectronic circuits into theirproduct can profit directly from this commercial di-mension and use the sharp fall in prices for improvingthe cost/performance ratio of their own product[Sch00].

Technological dimension: The innovation dynamicsof electronic and software technology can be illus-trated by Moore’s law, according to which the capa-bility of microprocessors can be doubled about every18 months [Moo65]. However, technological pro-

gress is not restricted only to the capability of the mi-croelectronic components. Advances in the technol-ogy for constructing components lower the require-ments that have to be met by the environment inwhich the electronic components are used. This hasthe repeated effect of opening up new application ar-eas for electronic circuits which could not previouslybe used because of construction-related or climaticconditions.

The technological and commercial dimensions arecoupled with each other. So, in spite of the increasingcapability, a sharp fall in price can be observed at thesame time. The described advances in respect of theelectronic components also allow ever more exten-sive software programs to be used in products. As aresult, entirely new functions or the targeted substitu-tion of mechanical, electrical or electronic compo-nents become possible [Sch00].

Innovation potentials through functional andspatial integration

The functional and spatial integration of the differentcomponents leads to the following advantages[Art94; ENS00; GL00]:

• Improved price-performance ratios

• Enhanced performance (for example energy effi-ciency, speed, acceleration)

• Increased functionalities (for example operatingconvenience) or even make them possible in thefirst place (for example self-testing and diagnosis)

• Achieved improvements in behavior (for exampleincrease of precision, compensation for disturbinginfluences)

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Aus verschiedenen Industrien ist eine Vielzahl vonBeispielen bekannt, in denen vormals rein mecha-nische/elektromechanische Produkte durch die funk-tionale Integration von Elektronik und gegebenen-falls von Software verbessert oder überhaupt erstmöglich wurden (Tabe ll e 1).

Tabelle 1. Produktbeispiele für die Integration vonElektronik in mechanische Produkte

Die funktionale Integration von mechanischen undelektrischen/elektronischen Komponenten erfolgtdurch Verbindung mittels Stoff-, Energie- und Infor-mationsflüssen. Die Komponenten können hierbeiräumlich getrennt angeordnet sein.

Bei der räumlichen Integration bilden die mechani-

schen und elektrischen/elektronischen Komponenteneine bauliche Einheit im Sinne einer gemeinsamenGestalt. Dies ist in vielen Fällen mit zusätzlichemtechnischen Aufwand verbunden, um u.a. die elektro-nischen Komponenten an das Einsatzumfeld der me-chanischen Komponenten anzupassen. Häufig ist dasEinsatzumfeld auf Grund von hohen Temperaturen,Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, mechani-schen Stößen und Schwingungen, starken elektroma-gnetischen Feldern etc. nicht ohne weiteres für denEinsatz von elektronischen Komponenten geeignet.

Erst durch die Anwendung von Maßnahmen wieKapselung, Kühlung oder spezielle Aufbau- und Ver-bindungstechnologien wird die räumliche Integrationder elektronischen Komponenten realisierbar.

Durch die Integration von Mechanik und Elektronikin mechatronischen Modulen und Komponenten wer-den etablierte Schnittstellen im Produkt sowie imEntwicklungs- und Produktionsprozess neu definiert.Insbesondere bei einer stärkeren Einbeziehung vonexternen Partnern werden auch die Schnittstellenzwischen Unternehmen umgestaltet. Diese Verände-

rungen sind nur zu rechtfertigen, wenn daraus glei-chermaßen technische und wirtschaftliche Potenzialezu erschließen sind.

Bereich Produktbeispiele

Automobiltechnik Fensterheber, Getriebesteuerung,Key-less-go, Klimaautomatik,Motormanagement, Sitzverstellung,X-by-wire-Produkte

Maschinenbau Bildverarbeitungssysteme zurautomatischen Positionierung,Pick-and-Place-Automaten, Roboter

Konsumelektronik CD-Abspielgeräte(Laser und Präzisionsmechanik),Digital-Fotoapparat

Many examples in which previously purely mechan-ical/electromechanical products have been improvedor made possible in the first place by the functionalintegration of electronics and possibly software areknown from various industries (Tab le 1).

Table 1. Product examples for the integration ofelectronics in mechanical products

The functional integration of mechanical and elec-trical/electronic components takes place by connect-ing them by means of material, energy and informa-tion flows. The components may in this case bespatially separate from one another.

In the case of spatial integration, the mechanical

and electrical/electronic components form a struc-tural unit in the sense of a common entity. In manycases, this involves additional technical complexity,in order for instance to adapt the electronic compo-nents to the environment in which the mechanicalcomponents are used. The operating environment isoften not readily suitable for the use of electroniccomponents on account of high temperatures, tem-perature fluctuations, humidity, mechanical shocksand vibrations, strong electromagnetic fields, etc. It isonly by the use of measures such as encapsulation,

cooling or special construction and connection tech-nologies that the spatial integration of the electroniccomponents can be realized.

The integration of mechanics and electronics in me-chatronic modules and components redefines estab-lished interfaces in the product and in the develop-ment and production process. In particular in caseswhere outside agencies are involved to a greater ex-tent, interfaces between companies are also rede-fined. These changes can only be justified if they al-

low technical and commercial potentials equally tobe exploited.

Area Product examples

Automotiveengineering

Window lifter, transmission control,key-less go, automatic climatic control,engine management, seat adjustment,x-by-wire products

Mechanicalengineering

Image processing systems forautomatic positioning, pick-and-placemachines, robots

Consumerelectronics

CD players (laser and precisionmechanics), digital camera

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In Bi ld 2-4 sind die wichtigsten technischen undwirtschaftlichen Potenziale entsprechend einer Ein-schätzung von Unternehmen der Automobilzuliefer-industrie aufgeführt [Sch00; SFB01]. Als wichtigestechnisches Potenzial werden ein kleinerer Bauraumdurch den Wegfall von Gehäusen und Verbindungs-

elementen (82 %), eine höhere Zuverlässigkeit durchden Wegfall von Steckkontakten und Verbindungs-leitungen (81 %) sowie eine höhere Dynamik (64 %)genannt [ENS00].

Ein Vergleich zeigt, dass die wirtschaftlichen Poten-ziale im Gegensatz zu den technischen Potenzialenim Durchschnitt höher eingeschätzt werden. Daswichtigste wirtschaftliche Potenzial sehen die Unter-nehmen übereinstimmend in der Möglichkeit zurPrüfung des Gesamtsystems bereits beim Zulieferer.Damit wird der Einbau eines geprüften Systems beimOriginal Equipment Manufacturer (OEM) bzw. Kun-den (mit 88 % wichtiges Potenzial) möglich. Ein wei-teres wichtiges Potenzial ist der geringere Monta-geaufwand beim OEM durch eine reduzierte Anzahlzu montierender Elemente (82%). Darauf folgen alsNennungen geringere Logistikkosten durch die redu-zierte Anzahl von Komponenten/Modulelementenund die Verlagerung von Produkt- bzw. Montage-Va-rianten in die Software (80%) [ENS00].

Diesen Potenzialen stehen Nachteile entgegen. Als

wesentliche Nachteile werden die höheren Ersatzteil-kosten im Reparaturfall, die fehlende Erfahrung beimEinsatz neuer Produktions- und Prüftechnologien so-wie beim Einsatz von Grenztechnologien in der Auf-bau- und Verbindungstechnik gesehen [ENS00].

In Figu re 2-4, the most important technical andcommercial potentials are presented in a way corre-sponding to an appraisal of companies of the automo-tive supply industry [Sch00; SFB01]. Cited as mostimportant in terms of technical potential are a smallerinstallation space brought about by dispensing with

housings and connecting elements (82%), greater re-liability brought about by dispensing with plug-incontacts and connecting lines (81 %) and greater dy-namics (64%) [ENS00].

A comparison shows that, by contrast with technicalpotentials, on average the commercial potentials areassessed as being higher. Companies agree in regard-ing the most important commercial potential in thepossibility of the overall system already being testedat the supplier’s. This makes it possible for a testedsystem to be installed at the premises of the OriginalEquipment Manufacturer (OEM) or customer (with88 % important potential). A further important poten-tial is the lower assembly effort for the OEM broughtabout by a reduced number of elements to be assem-bled (82 %). Cited after that are lower costs of logis-tics brought about by the reduced number of compo-nents/module elements and the relocating of productor assembly variants into the software (80%)[ENS00].

These potentials are counterbalanced by disadvan-

tages. Regarded as the main disadvantages are thehigher costs of spare parts in the case of repair, thelack of experience with the use of new production andtesting technologies and also the use of pioneeringtechnologies in the construction and connection tech-nology [ENS00].

Bild 2-4. Wichtige wirtschaftliche und technische Potenziale[ENS00]

Fig. 2-4. Important commercial and technical potentials [ENS00]

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Die wirtschaftlichen Potenziale räumlich integrierterProdukte, wie der geringere Montageaufwand, redu-zierte Logistikkosten und die Möglichkeit zur Prü-fung des Gesamtsystems beim Zulieferer, liegen imWesentlichen beim OEM bzw. Kunden. Beim Zulie-ferer hingegen erhöhen sich Aufwände durch den

steigenden Prüfaufwand und den Aufbau neuer Pro-duktions- und Prüfkompetenzen. Es stellt sich daherdie Frage, inwieweit die beim OEM bzw. Kundenwirksamen wirtschaftlichen Potenziale bei der Fest-legung der Zielkosten berücksichtigt werden. An die-ser Problematik wird die Notwendigkeit und Bedeu-tung einer übergreifenden Bewertungsmethodik fürmechatronische Produkte deutlich.

Die funktionale und räumliche Integration führt desWeiteren zu Herausforderungen in der Organisationvon Unternehmen und der Qualifikation der Mitar-beiter (vgl. Abschnitt 3.4). Im Bereich der Unterneh-

mensorganisation gilt es drei unterschiedliche Diszi-plinen zu koordinieren. Eine Hilfestellung im Be-reich der Produktentwicklung bietet die vorliegendeRichtlinie. Ziel der Mitarbeiterqualifikation ist es,nicht nur Spezialisten in einer der Disziplinen auszu-bilden, sondern ebenfalls die Wissensaneignung inden anderen Disziplinen zu eröffnen.

2.4 Besonderheiten bei der Entwicklung

Besonderheiten ergeben sich vor allem durch Inter-disziplinarität, größere Komplexität und die Notwen-digkeit von „Virtual Prototyping“ beim Entwickelnmechatronischer Systeme.

Kommunikation und Kooperation der Fachleutemehrerer Wissensdomänen

An der Entwicklung mechatronischer Systeme sindmehrere Wissensdomänen, hauptsächlich Maschi-nenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik be-teiligt. Diese Domänen verfügen über eigene Be-griffswelten, Erfahrungen und über Jahrzehnte ge-wachsene Methoden und Beschreibungsmittel. In derVergangenheit wurde die Produktentwicklung häufig

von einer Wissensdomäne dominiert. Die mecha-nische Grundstruktur stellte die Basis dar, Elektro-technik und Informationsverarbeitung wurden späterergänzt. Dieses sequentielle Vorgehen bei der Ent-wicklung führte zu teiloptimierten Produkten, dielangwierige Iterationen mit kosten- und zeitintensi-ven Entwicklungsprozessen nach sich zogen.

Die Herausforderungen und zugleich die Chancenmechatronischer Systeme bestehen darin, das Poten-zial domänenübergreifender Zusammenarbeit zu nut-zen und im Sinne eines Concurrent Engineering zueinem Gesamtoptimum zu führen [Bru96]. Hierzu

müssen Produktkonzeptionen durch die beteiligtenFachleute integrativ erarbeitet werden; System-komponenten können dann – bei gegebener Kompa-

The commercial potentials of spatially integratedproducts, such as the lower assembly effort, reducedcosts for logistics and the possibility of the overallsystem being tested at the supplier’s, lie essentiallywith the OEM or customer. For the supplier, on theother hand, expenditures increase because of the in-

creasing expenditure on testing and the setting up of new production and testing competences. The ques-tion therefore arises, to what extent the commercialpotentials that are effective for the OEM or customerare taken into account when fixing the target costs.This problem clearly illustrates the necessity and sig-nificance of an all-embracing assessment methodol-ogy for mechatronic products.

The functional and spatial integration further leads tochallenges in the organization of companies and thequalification of employees (cf. Section 3.4). In thearea of company organization, there are three differ-

ent disciplines to be coordinated. The present guide-line offers assistance in the area of product develop-ment. The aim of employee qualification is not onlyto train specialists in one of the disciplines, but like-wise to make it possible for them to acquire knowl-edge in the other disciplines.

2.4 Special aspects

Mechatronics Methodology

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