0. Einleitung Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technik hat die Überschneidung und Durchdringung verschiedener Disziplinen stark gefördert und zu technologischen Revolutionen und Transformationen im Ingenieurwesen geführt. Im Maschinenbau hat die rasante Entwicklung der Mikroelektronik und Computertechnologie und deren Einzug in die mechanische Industrie zur Mechatronik geführt. Diese hat tiefgreifende Veränderungen in der technischen Struktur, der Produktstruktur, den Funktionen und der Zusammensetzung, den Produktionsmethoden und den Managementsystemen der mechanischen Industrie bewirkt. Dadurch konnte die industrielle Produktion von der „mechanischen Elektrifizierung“ zu einer Entwicklungsphase übergehen, die durch „Mechatronik“ gekennzeichnet ist. 1. Überblick über die Mechatronik Mechatronik ist der Oberbegriff für Systeme, die mechanische Geräte mit elektronischer Konstruktion und Software kombinieren, indem elektronische Technologie in die Hauptfunktionen, Leistungsfunktionen, Informationsverarbeitungsfunktionen und Steuerungsfunktionen eines Mechanismus integriert wird. Die Mechatronik hat sich zu einer neuen Disziplin mit einem eigenen System entwickelt und wird mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technik um neue Inhalte erweitert. Die grundlegenden Merkmale der Mechatronik lassen sich wie folgt zusammenfassen: Aus systemtechnischer Sicht nutzt sie umfassend eine Reihe von Technologien, darunter Mechanik, Mikroelektronik, Automatisierungstechnik, Computertechnik, Informationstechnik, Sensorik und Steuerungstechnik, Leistungselektronik, Schnittstellentechnik, Informationsverarbeitung und Softwareentwicklung. Ausgehend von den funktionalen Zielen und Optimierungszielen des Systems konfiguriert und ordnet sie Funktionseinheiten rational an, um spezifische funktionale Vorteile hinsichtlich Multifunktionalität, hoher Qualität, hoher Zuverlässigkeit und niedrigem Energieverbrauch zu erzielen und so das Gesamtsystem zu optimieren. Das resultierende Funktionssystem wird zu einem mechatronischen System oder Produkt. Daher umfasst der Begriff „Mechatronik“ sowohl „Technologie“ als auch „Produkt“. Die Mechatronik-Technologie ist jedoch eine umfassende Technologie, die auf der organischen Integration der genannten Technologien basiert und nicht nur eine einfache Kombination oder ein Flickwerk aus Mechanik, Mikroelektronik und anderen neuen Technologien darstellt. Dies ist der grundlegende konzeptionelle Unterschied zwischen Mechatronik und der mechanischen Elektrifizierung, bei der lediglich elektrische Komponenten in Maschinen integriert werden. Die Maschinenbautechnik, selbst in ihrer Weiterentwicklung von reiner Technologie hin zur mechanischen Elektrifizierung, zählt weiterhin zum traditionellen Maschinenbau und dient vor allem der Unterstützung und Erweiterung körperlicher Arbeit. Mit der Entwicklung der Mechatronik können die darin enthaltenen mikroelektronischen Bauelemente jedoch nicht nur die ursprünglichen Funktionen bestimmter mechanischer Teile ersetzen, sondern ihnen auch zahlreiche neue Funktionen verleihen, wie z. B. automatische Erkennung, automatische Informationsverarbeitung, automatische Anzeige und Aufzeichnung, automatische Anpassung und Steuerung sowie automatische Diagnose und Schutzfunktionen. Mechatronische Produkte sind somit nicht nur Erweiterungen menschlicher Hände und Gliedmaßen, sondern auch die Augen der menschlichen Sinne und des menschlichen Geistes; ihre intelligenten Eigenschaften stellen den wesentlichen funktionalen Unterschied zwischen Mechatronik und mechanischer Elektrifizierung dar. 2. Entwicklungsstand der Mechatronik Die Entwicklung der Mechatronik lässt sich grob in drei Phasen unterteilen. Die erste Phase, vor den 1960er Jahren, wird als Anfangsphase bezeichnet. In dieser Zeit nutzte man bewusst oder unbewusst die ersten Errungenschaften der Elektronik, um die Leistung mechanischer Produkte zu verbessern. Insbesondere während des Zweiten Weltkriegs wurde die Integration von mechanischen Produkten und elektronischer Technologie vorangetrieben. Diese mechatronischen Militärtechnologien wurden nach dem Krieg in die zivile Nutzung überführt und trugen positiv zum wirtschaftlichen Wiederaufbau bei. Forschung und Entwicklung befanden sich damals noch weitgehend in einem unstrukturierten Stadium. Da die Elektronik noch nicht ein bestimmtes Entwicklungsniveau erreicht hatte, konnte die Integration von Mechanik und Elektronik nicht umfassend und tiefgreifend vorangetrieben und die entwickelten Produkte nicht flächendeckend vermarktet werden. Die 1970er und 1980er Jahre bildeten die zweite Phase, eine Periode rasanter Entwicklung. In dieser Zeit legten Fortschritte in der Computer-, Steuerungs- und Kommunikationstechnik das technologische Fundament für die Mechatronik. Die rasante Entwicklung von groß- und sehr großintegrierten Schaltungen sowie Mikrocomputern schuf eine solide materielle Basis für ihren Fortschritt. Charakteristisch für diese Phase waren: ① Der Begriff „Mechatronik“ setzte sich zunächst in Japan durch und erlangte bis Ende der 1980er Jahre weltweite Anerkennung; ② Mechatronische Technologien und Produkte erlebten eine signifikante Entwicklung; ③ Länder weltweit begannen, mechatronischen Technologien und Produkten große Aufmerksamkeit zu schenken und sie zu fördern. Ende der 1990er-Jahre begann in der Mechatronik eine neue Phase der Entwicklung hin zur Intelligenz, die eine intensive Weiterentwicklung der Technologie mit sich brachte. Einerseits hielten Optik- und Kommunikationstechnologien Einzug in die Mechatronik, und auch die Mikrofertigungstechnologie etablierte sich, woraus neue Bereiche wie Opto- und Mikromechatronik entstanden. Andererseits wurden Modellierungs-, Entwurfs-, Analyse- und Integrationsmethoden für mechatronische Systeme sowie die Disziplinen und Entwicklungstrends der Mechatronik intensiv erforscht. Gleichzeitig eröffneten die bedeutenden Fortschritte in der künstlichen Intelligenz, den neuronalen Netzen und der Glasfasertechnologie enorme Entwicklungsmöglichkeiten für die Mechatronik. Diese Forschung wird die Grundlagen der Mechatronik weiter festigen und schrittweise ein umfassendes wissenschaftliches System formen. China begann erst Anfang der 1980er-Jahre mit Forschung und Anwendung in diesem Bereich. Der Staatsrat richtete eine Führungsgruppe für Mechatronik ein und nahm diese Technologie in das „863-Programm“ auf. Bei der Ausarbeitung des Neunten Fünfjahresplans und des Entwicklungsleitfadens 2010 wurden die internationalen Entwicklungstrends der Mechatronik und ihre potenziellen Auswirkungen umfassend berücksichtigt. Zahlreiche Universitäten, Forschungseinrichtungen sowie große und mittelständische Unternehmen haben sich intensiv mit der Entwicklung und Anwendung dieser Technologie auseinandergesetzt und gewisse Erfolge erzielt. Dennoch besteht im Vergleich zu fortgeschrittenen Ländern wie Japan weiterhin eine erhebliche Lücke. 3. Entwicklungstrends der Mechatronik Die Mechatronik ist ein interdisziplinäres Feld, das Mechanik, Elektronik, Optik, Steuerungstechnik, Informatik und Informationstechnologie integriert. Ihre Entwicklung und ihr Fortschritt hängen von der Entwicklung und dem Fortschritt verwandter Technologien ab und fördern diese gleichzeitig. Daher lassen sich die wichtigsten Entwicklungsrichtungen der Mechatronik wie folgt zusammenfassen: 3.1 Automatisierung Die Automatisierung ist eine wichtige Entwicklungsrichtung der Mechatronik im 21. Jahrhundert. Künstliche Intelligenz gewinnt in der Forschung von Mechatronikingenieuren zunehmend an Bedeutung, wobei die Automatisierung von Robotern und CNC-Werkzeugmaschinen wichtige Anwendungsgebiete darstellt. Der hier verwendete Begriff „Automatisierung“ beschreibt das Verhalten von Maschinen. Basierend auf der Regelungstechnik integriert es neue Ideen und Methoden aus der künstlichen Intelligenz, dem Operations Research, der Informatik, der Fuzzy-Mathematik, der Psychologie, der Physiologie und der chaotischen Dynamik, um menschliche Intelligenz zu simulieren. Dadurch erhält es Urteilsvermögen, logisches Denken und die Fähigkeit zu autonomen Entscheidungen, um höhere Regelungsziele zu erreichen. Zugegebenermaßen ist es weder möglich noch notwendig, dass Mechatronikprodukte die gleiche Intelligenz wie Menschen besitzen. Es ist jedoch durchaus möglich und erforderlich, dass leistungsstarke und schnelle Mikroprozessoren Mechatronikprodukten eine grundlegende oder menschenähnliche Intelligenz verleihen. 3.2 Modularisierung Die Modularisierung ist ein wichtiges und anspruchsvolles Projekt. Aufgrund der großen Vielfalt an Mechatronikprodukten und -herstellern ist die Entwicklung und Erforschung von Mechatronikprodukteinheiten mit standardisierten mechanischen, elektrischen, Energie- und Umweltschnittstellen eine sehr komplexe, aber entscheidende Aufgabe. Dies umfasst die Entwicklung von Antriebseinheiten mit integrierter Verzögerung, intelligenter Drehzahlregelung und Motoren; Steuereinheiten mit Bildverarbeitungs-, Erkennungs- und Entfernungsmessfunktionen; sowie verschiedener mechanischer Geräte, die typische Operationen ausführen können. Auf diese Weise lassen sich neue Produkte mithilfe von Standardbauteilen schnell entwickeln und gleichzeitig die Produktionskapazitäten ausweiten. Dies erfordert die Formulierung verschiedener Standards, um die Kompatibilität und Schnittstellen der unterschiedlichen Komponenten und Bauteile sicherzustellen. Aufgrund von Interessenkonflikten ist die Formulierung internationaler oder nationaler Standards in diesem Bereich in naher Zukunft schwierig, kann aber durch die Gründung einiger großer Unternehmen schrittweise erfolgen. Die Vorteile der Standardisierung und Serienfertigung von Elektroprodukten liegen auf der Hand. Sowohl für Unternehmen, die standardisierte Mechatronikbauteile herstellen, als auch für solche, die Mechatronikprodukte fertigen, verspricht die Großserienproduktion eine vielversprechende Zukunft für die Mechatronikbranche. 3.3 Vernetzung In den 1990er Jahren war die Netzwerktechnologie die herausragendste Errungenschaft der Computertechnologie. Ihr Aufstieg und ihre rasante Entwicklung haben Wissenschaft und Technik, industrielle Produktion, Politik, Militär, Bildung und den Alltag der Menschen grundlegend verändert. Verschiedene Netzwerke verbinden die Weltwirtschaft und -produktion, und der Wettbewerb zwischen Unternehmen wird globalisiert. Sobald ein neues Mechatronikprodukt entwickelt ist, wird es sich – sofern es über einzigartige Funktionen und zuverlässige Qualität verfügt – weltweit schnell gut verkaufen. Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Netzwerken erleben verschiedene netzwerkbasierte Fernsteuerungs- und Überwachungstechnologien einen Boom. Die Endgeräte für die Fernsteuerung sind selbst mechatronische Produkte. Feldbus- und LAN-Technologien (Local Area Network) haben die Vernetzung von Haushaltsgeräten zu einem wichtigen Trend gemacht. Heimnetzwerke verbinden verschiedene Geräte zu computerintegrierten Gerätesystemen (CIAS), die um einen Computer herum aufgebaut sind. So können Nutzer den Komfort und die Annehmlichkeiten moderner Technologien zu Hause genießen. Daher entwickeln sich mechatronische Produkte unweigerlich in Richtung Vernetzung. 3.4 Miniaturisierung Die Miniaturisierung entstand Ende der 1980er-Jahre und beschreibt den Trend der Mechatronik hin zu Mikromaschinen und dem mikroskopischen Bereich. International spricht man von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Diese bezeichnen im Allgemeinen mechatronische Produkte mit einer geometrischen Größe von maximal 1 cm³ und entwickeln sich in Richtung Mikrometer- und Nanometerbereich. MEMS-Produkte sind klein, energiearm und flexibel und bieten einzigartige Vorteile in der Biomedizin, im Militär und in der Informationstechnik. Der Engpass in der MEMS-Entwicklung liegt in der mikromechanischen Technologie. Die Verarbeitung von MEMS-Produkten erfordert Feinbearbeitungstechnologien, d. h. Ultrapräzisionstechnologien, darunter Fotolithografie und Ätzverfahren. 3.5 Nachhaltige Entwicklung Die industrielle Entwicklung hat das Leben der Menschen grundlegend verändert. Einerseits sind materielle Ressourcen reichlich vorhanden und das Leben komfortabel; andererseits schwinden die Ressourcen und die Umwelt wird stark belastet. Daher fordern die Menschen den Schutz der Umweltressourcen und eine Rückkehr zur Natur. Als Antwort auf diese Forderung entstand das Konzept der umweltfreundlichen Produkte, und Nachhaltigkeit ist ein Trend der Zeit. Umweltfreundliche Produkte erfüllen während ihres gesamten Prozesses – von der Entwicklung über die Herstellung und Nutzung bis hin zur Entsorgung – spezifische Anforderungen an Umweltschutz und menschliche Gesundheit, belasten die Umwelt kaum oder gar nicht und erzielen eine extrem hohe Ressourcennutzung. Die Entwicklung umweltfreundlicher Mechatronikprodukte hat vielversprechende Zukunftsaussichten. Nachhaltigkeit bei Mechatronikprodukten bedeutet im Wesentlichen, dass sie die Umwelt während der Nutzung nicht belasten und nach der Entsorgung recycelbar sind. 3.6 Systematisierung Ein Merkmal der Systematisierung ist die verstärkte Nutzung offener und modularer Busstrukturen in der Systemarchitektur. Das System lässt sich flexibel konfigurieren, beliebig anpassen und kombinieren, wobei eine koordinierte Steuerung und ein umfassendes Management mehrerer Subsysteme angestrebt werden. Ein weiteres Merkmal ist die signifikante Verbesserung der Kommunikationsfunktionen, die neben RS232 in der Regel RS485 und DCS-Personalisierung umfassen. Die zukünftige Mechatronik wird den Fokus stärker auf die Beziehung zwischen Produkten und Menschen legen; die Personalisierung der Mechatronik hat zwei Bedeutungen. Zum einen sind die Endnutzer von Mechatronikprodukten Menschen. Daher wird es immer wichtiger, diesen Produkten menschliche Intelligenz, Emotionen und Menschlichkeit zu verleihen, insbesondere bei Haushaltsrobotern, wo die Mensch-Maschine-Integration im Vordergrund steht. Zum anderen werden biologische Mechanismen nachgeahmt, um verschiedene Mechatronikprodukte zu entwickeln. Tatsächlich sind viele Mechatronikprodukte vom Verhalten von Tieren inspiriert. 4. Fazit Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entstehung der Mechatronik kein isoliertes Phänomen ist; Sie stellt den Höhepunkt zahlreicher wissenschaftlicher und technologischer Fortschritte dar und ist ab einem gewissen Punkt eine unabdingbare Voraussetzung für die Entwicklung der gesellschaftlichen Produktivität. Selbstverständlich existieren viele weitere Technologien im Zusammenhang mit der Mechatronik, und mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik wird der Trend zur Verschmelzung verschiedener Technologien immer deutlicher und die weitreichenden Entwicklungsperspektiven der Mechatroniktechnologie werden zunehmend vielversprechender.