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Design und Erstellen mechatronischer Systeme - Mechatroniker - LF 8

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Einleitung

Ein mechatronisches System entsteht erst dann, wenn Mechanik, Elektrotechnik, Sensorik, Aktorik und Informationstechnik zu einer überprüfbaren Gesamtfunktion zusammenwirken. In Lernfeld 8 planst du deshalb nicht nur einzelne Bauteile: Du analysierst einen berufstypischen Auftrag, beschreibst Energie-, Stoff- und Signalflüsse, wählst Komponenten begründet aus, programmierst Bewegungs- und Steuerungsabläufe, prüfst Schnittstellen und dokumentierst Änderungen.

Der Kurs orientiert sich am KMK-Rahmenlehrplan für Mechatronikerinnen und Mechatroniker, Lernfeld 8 mit 140 Richtstunden, sowie am aktuellen Berufsprofil und an der Ausbildungsordnung. Er ersetzt weder den betrieblichen Ausbildungsplan noch Herstellerunterlagen, Gefährdungsbeurteilungen, geltende Normen oder Anweisungen befugter Fachkräfte. Arbeiten an elektrischen Anlagen, gespeicherten Energien und bewegten Maschinenteilen erfolgen ausschließlich unter befugter Aufsicht. Für Lernphasen stehen sichere 24-Volt-Modelle und Simulationen zur Verfügung.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung kann Signale erfassen, logisch verarbeiten und Aktoren ansteuern. Quelle und Lizenz stehen im Abschnitt „OER und Wikipedia“.

Lernziel: Du kannst einen mechatronischen Arbeitsauftrag strukturiert analysieren, ein System begründet entwerfen, die Realisierung planen, Ergebnisse sicher prüfen und den gesamten Prozess fachgerecht dokumentieren.

Auftrag und Systementwurf

Vom Kundenwunsch zur prüfbaren Anforderung

Ein Auftrag wie „Der Werkstückträger soll automatisch zur Prüfstation fahren“ ist noch nicht präzise genug. Zuerst übersetzt du den Wunsch in prüfbare Anforderungen. Dazu gehören Funktion, Nutzlast, Weg, Taktzeit, Positioniergenauigkeit, verfügbare Energie, Einbauraum, Schnittstellen, Umgebungsbedingungen, Wartbarkeit, Kosten und Sicherheitsbedingungen. Unklare Angaben werden als offene Punkte dokumentiert und mit der auftraggebenden Stelle geklärt.

Eine gute Anforderung ist messbar. Statt „schnell positionieren“ lautet sie beispielsweise: „Der Werkstückträger legt 0,75 Meter in höchstens 3,2 Sekunden zurück und erreicht die Zielposition bei zehn Wiederholungen mit höchstens plus oder minus 2 Millimetern Abweichung.“ Damit kann später eine Abnahmeprüfung geplant werden.

Lastenheft bezeichnet aus Sicht der auftraggebenden Seite, was erreicht werden soll. Das Pflichtenheft beschreibt aus Sicht der ausführenden Seite, wie die Anforderungen technisch umgesetzt und nachgewiesen werden. Im Ausbildungsbetrieb können andere Dokumentnamen verwendet werden; entscheidend sind eindeutige, freigegebene und versionierte Anforderungen.

Systemgrenze, Teilfunktionen und Flüsse

Die Systemgrenze legt fest, was zum betrachteten System gehört und welche Schnittstellen zur Umgebung bestehen. Ein Positioniermodul kann beispielsweise Motor, Getriebe, Kupplung, Antriebsrad, Sensoren, SPS, Leistungsteil und Bediengerät umfassen. Netzversorgung, übergeordnete Linie und Werkstückträger können je nach Auftrag innerhalb oder außerhalb der Grenze liegen.

Teile das Gesamtsystem in Funktionen auf:

Teilfunktion	Eingabe	Verarbeitung	Ausgabe	Prüfmöglichkeit
Auftrag starten	Freigabe und Startsignal	Verriegelungen und Startbedingung auswerten	Fahrbefehl	Statusbeobachtung in der SPS
Bewegung erzeugen	Elektrische Energie und Sollwert	Motor und Getriebe wandeln Energie	Drehbewegung und Drehmoment	Drehzahl- und Strommessung
Position erfassen	Mechanische Bewegung	Drehgeber oder Wegsensor wandelt Messgröße	Positionssignal	Vergleich mit Referenzmaß
Bewegung stoppen	Zielsignal oder Grenzwert	Steuerung schaltet Antrieb nach sicherem Konzept	Stillstand	Stoppweg und Endlage messen

Der Energiefluss führt beispielsweise von der elektrischen Versorgung über Umrichter und Motor zur mechanischen Last. Der Signalfluss führt vom Sensor über die Eingabebaugruppe zur SPS und von dort über die Ausgabebaugruppe zum Leistungsteil. Ein möglicher Stofffluss ist der transportierte Werkstückträger. Diese drei Flüsse helfen, fehlende Komponenten und kritische Schnittstellen früh zu erkennen.

Varianten vergleichen und Entscheidung begründen

Eine technische Lösung ist nicht automatisch die beste Lösung. Vergleiche mindestens zwei Varianten anhand gewichteter Kriterien. Mögliche Kriterien sind Funktionssicherheit, Arbeitsschutz, Energiebedarf, Positioniergenauigkeit, Beschaffbarkeit, Wartungsaufwand, Erweiterbarkeit, Kosten und Wiederverwendbarkeit. Die Gewichtung wird vor der Bewertung festgelegt, damit ein gewünschtes Ergebnis nicht nachträglich „passend gerechnet“ wird.

Beispiel: Ein Zahnriemenantrieb kann für lange Wege, geringe Masse und sauberen Betrieb geeignet sein. Ein Kettenantrieb ist häufig robuster gegenüber Schmutz und hohen Kräften, benötigt aber mehr Wartung und kann lauter sein. Die Auswahl hängt von den dokumentierten Randbedingungen ab. Herstellerkennlinien, zulässige Belastungen und konkrete Einbaubedingungen haben Vorrang vor pauschalen Aussagen.

Ein Blockdiagramm, eine Schnittstellenliste und eine einfache Funktionsstruktur bilden zusammen eine belastbare Entwurfsgrundlage. Änderungen erhalten Versionsstand, Datum, Grund und Freigabe. So bleibt nachvollziehbar, welche Ausführung tatsächlich gebaut und geprüft wurde.

Antriebe und mechanische Kopplung

Drehzahl, Drehmoment und Leistung

Für einen rotierenden Antrieb gelten die Zusammenhänge:

Winkelgeschwindigkeit: ω = 2 · π · n / 60, wenn n in Umdrehungen pro Minute eingesetzt wird.

Mechanische Leistung: P = M · ω.

Kraft am Rad: F = M / r beziehungsweise M = F · r.

Dabei ist P die Leistung in Watt, M das Drehmoment in Newtonmeter, ω die Winkelgeschwindigkeit in Radiant pro Sekunde, F die Kraft in Newton und r der wirksame Radius in Meter. Ein Rechenergebnis ist nur sinnvoll, wenn Einheiten, Wirkungsgrad, Betriebsart, Beschleunigung, Lastspitzen und thermische Grenzen berücksichtigt werden.

Ein Motor darf nicht allein nach Nennleistung ausgewählt werden. Prüfe zusätzlich Nenndrehmoment, Anlauf- und Spitzenmoment, Kennlinie, Einschaltdauer, Versorgung, Schutzart, Umgebungstemperatur, Kühlung, zulässige Wellenlasten und die Eignung des Leistungsteils. Die endgültige Auswahl erfolgt anhand aktueller Herstellerdaten.

Getriebe und Übersetzung

Ein Getriebe passt Drehzahl und Drehmoment an. Für eine idealisierte Übersetzung gilt:

Übersetzung: i = nAntrieb / nAbtrieb.

Bei einer Untersetzung ist i größer als 1. Die Abtriebsdrehzahl sinkt, während das nutzbare Drehmoment grundsätzlich steigt. Reale Getriebe besitzen jedoch Verluste. Für eine überschlägige Rechnung kann gelten:

Abtriebsdrehmoment: MAbtrieb = MAntrieb · i · η.

η ist der Gesamtwirkungsgrad zwischen Motor und Abtrieb. Er darf nicht erfunden werden, sondern wird aus Herstellerdaten oder einer begründeten Annahme übernommen und als Annahme gekennzeichnet. Spiel, Elastizität und Umkehrspiel können die Positioniergenauigkeit verschlechtern.

Kupplungen, Überlast und Schutz

Eine Kupplung überträgt Drehmoment zwischen Wellen. Quelle und Lizenz stehen im Mediennachweis.

Kupplungen können Fluchtungsfehler ausgleichen, Schwingungen dämpfen, eine lösbare Verbindung schaffen oder als Überlastschutz wirken. Bei der Auswahl prüfst du übertragbares Drehmoment, Drehzahl, Wellenabmessungen, Versatz, Temperatur, Werkstoffverträglichkeit und Montagevorgaben. Eine falsch montierte Kupplung kann Lager zusätzlich belasten und frühzeitig ausfallen.

Überlast kann durch Blockieren, zu große Last, falsche Beschleunigung, schwergängige Mechanik, Fehler in der Regelung oder unzulässige Taktung entstehen. Mögliche Schutzmaßnahmen sind geeignete Motorschutzfunktionen, Strom- und Drehmomentgrenzen, Temperaturüberwachung, mechanische Rutschkupplungen, Sicherungen, Leistungsschalter und programmierte Grenzwerte. Schutzparameter werden aus Auslegung, Herstellerangaben und Gefährdungsbeurteilung abgeleitet. Sie dürfen nicht so hoch eingestellt werden, dass Bauteile oder Personen gefährdet werden, und nicht so niedrig, dass normale Lastspitzen unnötig abschalten.

Sensorik, Positionierung und Messwerterfassung

Sensoren als Schnittstelle zur realen Anlage

Sensoren erfassen physikalische Größen und wandeln sie in auswertbare Signale um. Typische Beispiele sind induktive Näherungsschalter, Lichtschranken, Drucksensoren, Temperaturfühler und Drehgeber. Die Auswahl richtet sich unter anderem nach Messbereich, Schaltabstand, Auflösung, Wiederholgenauigkeit, Reaktionszeit, Ausgangsart, Versorgung, Umgebung und Diagnosefähigkeit.

Ein binärer Sensor liefert in der Regel zwei logische Zustände. Ein analoger Sensor liefert einen kontinuierlichen Messwert innerhalb eines Bereichs. Ein Drehgeber kann Winkel, Drehzahl oder relative Position erfassen. Für eine zuverlässige Funktion müssen mechanische Einbaulage, elektrische Beschaltung, Abschirmung, Bezugspotential, Parametrierung und SPS-Auswertung zusammenpassen.

Geöffneter absoluter Drehgeber mit codierten Spuren. Quelle und Lizenz stehen im Mediennachweis.

Positionierung und Freiheitsgrade

Ein Freiheitsgrad beschreibt eine unabhängige Bewegungsmöglichkeit. Ein linearer Schlitten besitzt typischerweise einen translatorischen Freiheitsgrad. Ein Gelenkarm kann mehrere translatorische und rotatorische Freiheitsgrade besitzen. Für jede Achse werden Bezugssystem, positiver Bewegungsrichtung, Nullpunkt, Arbeitsbereich, Grenzlagen und zulässige Geschwindigkeit festgelegt.

Bei einer inkrementellen Messung wird die Positionsänderung aus Impulsen bestimmt. Nach Spannungsverlust kann eine Referenzfahrt nötig sein. Ein absoluter Geber liefert dagegen eine eindeutige Position innerhalb seines Messbereichs. Die nutzbare Genauigkeit hängt nicht nur von der Auflösung des Sensors ab, sondern auch von Spiel, Elastizität, Schlupf, Montage, Signalverarbeitung und mechanischer Wiederholbarkeit.

Beispiel: Ein Radumfang von 251,3 Millimetern und 500 tatsächlich ausgewertete Inkremente je Radumdrehung ergeben eine rechnerische Wegauflösung von 251,3 mm / 500 = 0,503 mm pro Inkrement. Das ist noch keine garantierte Positioniergenauigkeit. Schlupf und mechanisches Spiel müssen durch Messungen bewertet werden.

Systematische Fehlersuche an Schnittstellen

Fehlersuche beginnt nicht mit wahllosem Bauteiltausch. Formuliere zuerst das Fehlerbild, grenze den betroffenen Funktionsbereich ein und verfolge den erwarteten Signal- oder Energiefluss schrittweise. An jeder Schnittstelle vergleichst du Sollzustand und Istzustand.

Ein mögliches Vorgehen lautet: Auftrag und Schaltunterlagen prüfen, Gefährdungen beurteilen, sicheren Zustand herstellen, Sichtprüfung durchführen, Statusanzeigen und Diagnosedaten auswerten, Signale an definierten Messpunkten prüfen, Ursache eingrenzen, Fehler fachgerecht beseitigen, Änderung dokumentieren und vollständige Funktionsprüfung wiederholen. Messgeräte, Messbereiche und Messverfahren müssen zur Anlage und zur Qualifikation der ausführenden Person passen.

Messwerte werden mit Einheit, Messpunkt, Betriebszustand, Zeitbezug und zulässigem Bereich protokolliert. Screenshots oder Trendkurven erhalten eine verständliche Bezeichnung. Personenbezogene Daten, reale Kundendaten und unnötige Gerätekennungen gehören nicht in Lernprotokolle.

Deutschsprachiges Fachvideo „SPS-Programmierung #11: SPS mit Sensoren und Aktoren verbinden“ von Christian Stöcker. Es zeigt die Verbindung von Ein- und Ausgängen mit Sensoren und Aktoren. Rechtehinweis und Link stehen im Mediennachweis.

Steuerung, Regelung und Programmierung

Steuern und Regeln unterscheiden

Bei einer Steuerung beeinflusst eine Eingangsgröße den Ablauf, ohne dass die Ausgangsgröße fortlaufend zur Korrektur zurückgeführt werden muss. Bei einer Regelung wird die Regelgröße gemessen, mit dem Sollwert verglichen und die Abweichung über den Regler auf die Strecke zurückgeführt. In realen Anlagen können Steuerungs- und Regelungsfunktionen kombiniert sein.

Vereinfachte Darstellung eines rückgekoppelten Regelkreises. Quelle und Lizenz stehen im Mediennachweis.

Ein Drehzahlsollwert kann beispielsweise über einen Frequenzumrichter vorgegeben werden. Liefert ein Drehgeber den Istwert zurück und wird die Abweichung automatisch korrigiert, liegt eine Regelung vor. Parameter werden nicht nach Gefühl verändert: Zuerst werden Strecke, Grenzwerte und Herstellerverfahren verstanden, dann wird in sicheren Grenzen getestet und jede Änderung dokumentiert.

Ablaufsteuerung als Zustandsmodell

Komplexe Bewegungen werden übersichtlicher, wenn du sie als Zustände mit Übergangsbedingungen modellierst. Ein einfaches Positioniermodul kann die Zustände „Grundstellung“, „Startprüfung“, „Fahrt vorwärts“, „Ziel erreicht“, „Rückfahrt“ und „Störung“ besitzen. Ein Übergang erfolgt nur, wenn die zugehörige Bedingung erfüllt ist.

Für jeden Zustand werden Ausgänge, erlaubte Übergänge, Zeitüberwachungen und Fehlerreaktionen festgelegt. Verriegelungen verhindern widersprüchliche Befehle, etwa gleichzeitiges Vorwärts- und Rückwärtsschalten. Zeitglieder dürfen einen fehlenden Sensor nicht unbemerkt ersetzen. Bleibt ein erwartetes Signal aus, führt die Anlage in einen definierten Fehlerzustand.

Programmcode benötigt verständliche Bezeichner, Kommentare an entscheidenden Stellen, eine klare Struktur und eine dokumentierte Version. Änderungen werden zuerst in einer Simulation oder an einem sicheren Modell geprüft, bevor sie unter Freigabe an die reale Anlage übertragen werden.

Deutschsprachiges Fachvideo „SPS-Programmierung #13: Ablaufsteuerungen“ von Christian Stöcker. Es erläutert unter anderem Zustände, Übergänge und Ablaufmodelle. Rechtehinweis und Link stehen im Mediennachweis.

Simulation, Testfälle und Grenzfälle

Eine Simulation kann Programmabläufe, Sensorzustände und Reaktionen auf Fehler gefahrlos untersuchen. Sie ersetzt die abschließende Prüfung an der realen, freigegebenen Anlage nicht, reduziert aber Risiken und entdeckt viele Logikfehler frühzeitig. Teste nicht nur den Normalablauf, sondern auch Grenzfälle:

Testfall	Erwartung	Nachweis
Start ohne Freigabe	Keine Bewegung und verständliche Meldung	Beobachtung und Statusprotokoll
Zielsensor bleibt aus	Zeitüberwachung stoppt den Ablauf und meldet Störung	Simulierter Sensorausfall
Überlastgrenze wird erreicht	Antrieb reagiert nach freigegebenem Schutzkonzept	Trend von Strom oder Drehmoment
Neustart nach Spannungsunterbrechung	Kein unkontrollierter Wiederanlauf	Freigegebener Wiederanlauftest
Unplausible Sensorsignale	Diagnose und sicher definierte Reaktion	Signalvariation im Modell

Ein Testfall enthält Ausgangszustand, Eingaben, erwartete Ausgabe, Prüfmethode, Akzeptanzkriterium und tatsächliches Ergebnis. Abweichungen werden nicht „passend erklärt“, sondern als Fehler oder Änderungsbedarf behandelt.

Sicherheit, Qualität, Nachhaltigkeit und Dokumentation

Sicher arbeiten und Gefährdungen beherrschen

Not-Halt-Befehlsgerät als sichtbarer Bestandteil eines Schutzkonzepts. Es ersetzt keine Gefährdungsbeurteilung. Quelle und Lizenz stehen im Mediennachweis.

Vor jeder praktischen Arbeit werden Gefährdungen beurteilt. Zu berücksichtigen sind elektrische Spannung, unerwarteter Anlauf, Quetsch- und Scherstellen, bewegte Lasten, gespeicherte elektrische, pneumatische oder hydraulische Energie, heiße Oberflächen, scharfe Kanten, Lärm und ungeeignete Arbeitsmittel. Schutzmaßnahmen folgen dem STOP-Prinzip: Substitution, technische, organisatorische und persönliche Maßnahmen.

An elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln dürfen Arbeiten nur von Elektrofachkräften oder unter deren Leitung und Aufsicht ausgeführt werden. Vor Inbetriebnahme, nach Änderungen und in festgelegten Abständen sind erforderliche Prüfungen nach den aktuellen betrieblichen und rechtlichen Vorgaben durchzuführen. Maßgeblich sind die aktuelle Gefährdungsbeurteilung, DGUV Vorschrift 3, Betriebssicherheitsverordnung, Herstellerangaben und die im Betrieb eingeführten Normen. Der Kurs nennt keine pauschalen Prüffristen, weil diese aus konkreter Nutzung, Gefährdung und geltendem Regelwerk festgelegt werden.

Ein Not-Halt ist Teil eines Schutzkonzepts und darf nicht als normaler Betriebsstopp missverstanden werden. Nach einem Not-Halt darf kein automatischer Wiederanlauf erfolgen. Die konkrete sicherheitsbezogene Auslegung, etwa Sicherheitsfunktionen, Performance Level oder Sicherheitsintegrität, erfolgt durch dafür qualifizierte Personen auf Grundlage einer Risikobeurteilung und aktueller Normen.

Sichere Lernalternative: Nutze eine galvanisch getrennte 24-Volt-Kleinspannungsanlage, eine SPS-Simulation oder einen digitalen Zwilling. Simuliere Endschalter, Überlast und Störung softwareseitig. Arbeiten an Netzspannung, offenen Schaltschränken, Druckspeichern oder gefährlichen Bewegungen sind kein selbstständiges Lernexperiment.

Qualität planen und prüfen

Qualität bedeutet, dass festgelegte Anforderungen nachweisbar erfüllt werden. Plane Prüfungen deshalb bereits während des Entwurfs. Eine Prüfplanung verbindet jede Anforderung mit Prüfmethode, Messmittel, Akzeptanzgrenze, Verantwortlichkeit und Dokumentation. Messmittel müssen geeignet und, soweit erforderlich, geprüft oder kalibriert sein.

Eine Abnahme kann Funktionsprüfung, Sichtprüfung, Maßprüfung, Wiederholtest, Grenzfalltest, Diagnoseprüfung und Dokumentenprüfung umfassen. Ein einzelner erfolgreicher Zyklus beweist keine Wiederholgenauigkeit. Deshalb werden mehrere Zyklen unter definierten Bedingungen durchgeführt und die Ergebnisse statistisch oder mindestens tabellarisch ausgewertet.

Fehler werden sachlich beschrieben: Was wurde erwartet, was trat tatsächlich auf, unter welchen Bedingungen, mit welcher Häufigkeit und an welchem Versionsstand? Ursachenanalyse und Korrekturmaßnahme werden voneinander getrennt. Nach jeder Korrektur folgt eine geeignete Wiederholungsprüfung.

Nachhaltigkeit, Digitalisierung und Datenschutz

Nachhaltige Gestaltung beginnt bei der Anforderung. Ein richtig dimensionierter Antrieb, bedarfsgerechte Drehzahl, geringe Reibung, abschaltbare Bereitschaftszustände und zustandsorientierte Wartung können Energie und Material sparen. Austauschbare Module, standardisierte Schnittstellen, reparierbare Baugruppen und vollständige Dokumentation verlängern die Nutzungsdauer. Eine überdimensionierte Komponente kann zwar Reserve bieten, verursacht aber möglicherweise höhere Masse, Kosten und Verluste.

Digitalisierung ermöglicht Simulation, automatische Messwerterfassung, Versionsverwaltung und Zustandsüberwachung. Sie schafft zugleich neue Risiken. Ändere Standardpasswörter nach betrieblichen Vorgaben, vergebe nur notwendige Rechte, trenne Lern- und Produktivnetze, dokumentiere Softwarestände und sichere freigegebene Programme. Externe Datenträger und Downloads werden nach den IT-Regeln des Betriebs geprüft.

Mess- und Diagnosedaten werden zweckgebunden und sparsam erhoben. Für den Lernnachweis genügen synthetische Auftragsnummern und technische Messwerte. Namen von Beschäftigten, Kundendaten, IP-Adressen aus Produktivnetzen, Standortdaten und vertrauliche Maschinenparameter werden nicht in öffentliche Lernmaterialien übernommen. Datenschutz und Informationssicherheit sind Bestandteil technischer Qualität.

Technische Dokumentation und Übergabe

Zur vollständigen Dokumentation gehören je nach Auftrag Anforderungsliste, Funktionsstruktur, Block- und Ablaufdiagramm, Schalt- und Anschlussunterlagen, Komponentenliste, Parameterliste, Programmdokumentation, Gefährdungs- und Schutzinformationen, Prüfplan, Messprotokoll, Abweichungen, Änderungsnachweis und Übergabehinweise.

Schaltplanänderungen werden nicht nur auf Papier markiert. Der freigegebene Dokumentenstand wird aktualisiert, geprüft, versioniert und der realen Anlage zugeordnet. Bei der Übergabe werden bestimmungsgemäße Verwendung, Bedienung, Störungsreaktionen, verbleibende Risiken, Wartung, Ersatzteile und relevante Schutzmaßnahmen verständlich erläutert. Eine Ausbildungsleistung ersetzt keine formale Konformitätsbewertung oder amtliche Anerkennung.

Praxisfall: Positioniermodul für Werkstückträger

Synthetischer Auftrag und Anforderungen

Ein ungefährliches 24-Volt-Ausbildungsmodell soll einen Werkstückträger mit maximal 12 Kilogramm Masse über 0,75 Meter zu einer Prüfposition bewegen. Die Fahrzeit soll zwischen 2,8 und 3,2 Sekunden liegen. Bei zehn Fahrten soll die Zielposition höchstens plus oder minus 2 Millimeter streuen. Ein vorhandener Motor besitzt 60 Watt Nennleistung und 1400 Umdrehungen pro Minute. Das Antriebsrad hat 80 Millimeter Durchmesser. Für die Auslegungsrechnung werden 40 Newton Roll- und Reibungswiderstand, 0,8 Meter pro Quadratsekunde Beschleunigung, 0,75 Gesamtwirkungsgrad und Sicherheitsfaktor 1,5 angesetzt. Diese Werte sind ausdrücklich Annahmen des Lernfalls und müssen in einem realen Auftrag gemessen oder aus Herstellerdaten übernommen werden.

Das System umfasst SPS, 24-Volt-Leistungsteil, Motor, Getriebe, Kupplung, Antriebsrad, zwei Endlagensensoren und einen Drehgeber auf der Abtriebswelle. Die reale Auswahl darf erst nach Prüfung der Herstellerkennlinien, der mechanischen Lasten, der thermischen Bedingungen und des Schutzkonzepts freigegeben werden.

Durchgerechnete Auslegung

Schritt 1 – erforderliche mittlere Geschwindigkeit:

v = s / t = 0,75 m / 3,0 s = 0,25 m/s.

Schritt 2 – Umfang des Antriebsrads:

U = π · d = 3,1416 · 0,08 m = 0,2513 m.

Schritt 3 – benötigte Abtriebsdrehzahl:

nAbtrieb = v / U · 60 = 0,25 m/s / 0,2513 m · 60 = 59,7 U/min.

Schritt 4 – rechnerische Übersetzung:

i = nAntrieb / nAbtrieb = 1400 U/min / 59,7 U/min = 23,45.

Als verfügbare Ausführung wird für den Lernfall eine Untersetzung i = 23 betrachtet. Damit ergibt sich:

nAbtrieb = 1400 U/min / 23 = 60,87 U/min.

vIst = 60,87 U/min · 0,2513 m / 60 = 0,255 m/s.

tIst = 0,75 m / 0,255 m/s = 2,94 s.

Die rechnerische Fahrzeit liegt damit innerhalb der geforderten 2,8 bis 3,2 Sekunden. Beschleunigungs- und Bremsrampen können die reale Zeit verändern und werden im Versuch gemessen.

Schritt 5 – erforderliche Kraft:

FBeschleunigung = m · a = 12 kg · 0,8 m/s² = 9,6 N.

FGesamt = FReibung + FBeschleunigung = 40 N + 9,6 N = 49,6 N.

Schritt 6 – Drehmoment am Rad:

r = 0,08 m / 2 = 0,04 m.

MRad = FGesamt · r = 49,6 N · 0,04 m = 1,984 Nm.

Mit Sicherheitsfaktor 1,5:

MAuslegung = 1,984 Nm · 1,5 = 2,976 Nm.

Schritt 7 – erforderliches Motordrehmoment bei Wirkungsgrad 0,75:

MMotor,erforderlich = MAuslegung / (i · η) = 2,976 Nm / (23 · 0,75) = 0,173 Nm.

Schritt 8 – verfügbares Motordrehmoment aus 60 Watt bei 1400 Umdrehungen pro Minute:

ω = 2 · π · 1400 / 60 = 146,61 rad/s.

MMotor,verfügbar = P / ω = 60 W / 146,61 rad/s = 0,409 Nm.

Überschlägig verfügbares Abtriebsdrehmoment:

MAbtrieb,verfügbar = 0,409 Nm · 23 · 0,75 = 7,06 Nm.

7,06 Nm liegen über dem Auslegungswert 2,976 Nm. Der Motor ist im vereinfachten Rechenmodell ausreichend. Das ist noch keine Freigabe: Kennlinie, Anlauf, Einschaltdauer, Temperatur, Getriebegrenzen, Kupplung, Wellenlasten und Schutzparameter sind anhand der realen Daten zu prüfen.

Schritt 9 – Auflösung des Drehgebers:

Bei 500 tatsächlich ausgewerteten Inkrementen pro Abtriebsumdrehung gilt:

Weg je Inkrement = 251,3 mm / 500 = 0,503 mm.

Die rechnerische Auflösung ist kleiner als die zulässige Streuung von 2 Millimetern. Ob die Gesamtanlage die Anforderung erreicht, zeigt erst der Wiederholtest, weil Schlupf, Spiel und Signalverarbeitung hinzukommen.

Arbeitsplan

Phase	Tätigkeit	Ergebnis	Prüf- und Sicherheitsaspekt
Auftrag klären	Anforderungen, Schnittstellen und offene Punkte erfassen	Freigegebene Anforderungsliste	Keine echten Kunden- oder Personendaten im Lernfall
Entwurf erstellen	Funktionsstruktur, Blockdiagramm und Variantenvergleich ausarbeiten	Begründete Systemvariante	Gefährdungen und sichere Modellgrenzen festlegen
Dimensionieren	Geschwindigkeit, Übersetzung, Kraft, Drehmoment und Sensorauflösung berechnen	Nachvollziehbares Berechnungsblatt	Annahmen und Herstellerdaten getrennt kennzeichnen
Aufbau planen	Komponenten, Anschlüsse, Montagefolge und Prüfmittel festlegen	Arbeits- und Prüfplan	Nur 24-Volt-Modell; Energiequellen vor Eingriff sichern
Programmieren	Zustände, Übergänge, Verriegelungen, Zeitüberwachung und Diagnose umsetzen	Versioniertes SPS-Programm	Zuerst Simulation und sichere Einzelschritte
In Betrieb nehmen	Sichtprüfung, Anschlussprüfung und stufenweiser Funktionstest	Freigegebener Modellbetrieb	Nur unter Leitung und Aufsicht befugter Fachkräfte
Prüfen	Fahrzeit, Wiederholgenauigkeit, Grenzfälle und Störung testen	Ausgefülltes Messprotokoll	Abbruchkriterien und sicheren Zustand beachten
Dokumentieren	Ist-Stand, Parameter, Abweichungen und Änderungen nachführen	Vollständige Übergabemappe	Vertrauliche Daten entfernen und Version freigeben

Prüfbares Arbeitsergebnis

Das Arbeitsergebnis gilt im Lernfall als erfüllt, wenn alle folgenden Kriterien nach dokumentierter Freigabe erreicht sind:

Prüfkriterium	Akzeptanzgrenze	Nachweis
Fahrweg	0,75 m innerhalb der festgelegten Messunsicherheit	Maßprüfung
Fahrzeit	2,8 s bis 3,2 s bei definierter Last	Zehn protokollierte Fahrten
Wiederholgenauigkeit	Zielabweichung höchstens plus oder minus 2 mm	Messreihe mit zehn Zielpositionen
Endlagen	Abschaltung vor mechanischem Anschlag	Test beider Endlagensensoren
Sensorfehler	Definierte Störmeldung und kein unkontrollierter Weiterlauf	Simulierter Signalausfall
Überlast	Reaktion nach freigegebenem Grenz- und Schutzkonzept	Sichere Simulation oder beaufsichtigter Modelltest
Neustart	Kein selbsttätiger Wiederanlauf nach Spannungsunterbrechung	Freigegebener Wiederanlauftest
Dokumentation	Schaltstand, Programmversion, Parameter und Messwerte stimmen mit Modell überein	Dokumentenprüfung

Beispiel einer Messreihe für die synthetische Anlage: Fahrzeiten 2,96 s, 2,94 s, 2,95 s, 2,97 s, 2,93 s, 2,95 s, 2,96 s, 2,94 s, 2,95 s und 2,96 s. Der Mittelwert beträgt 2,951 s. Alle Werte liegen im geforderten Bereich. Beispielhafte Zielabweichungen von minus 1,2 mm bis plus 1,4 mm erfüllen ebenfalls das Kriterium. Diese Beispieldaten sind keine realen Messwerte; Lernende müssen ihre eigenen, anonymisierten Modellmessungen eintragen.

Bewertungsraster für den Praxisauftrag

Bereich	Punkte	Voll erfüllt	Teilweise erfüllt	Noch nicht erfüllt
Auftragsanalyse	15	Anforderungen, Schnittstellen und Risiken sind vollständig und prüfbar	Einzelne Anforderungen oder Schnittstellen bleiben unklar	Auftrag wird ohne belastbare Anforderungen begonnen
Entwurf und Berechnung	20	Variantenvergleich, Rechenweg, Einheiten und Annahmen sind nachvollziehbar	Grundidee stimmt, aber Begründungen oder Prüfungen fehlen	Auswahl ist unbegründet oder rechnerisch nicht prüfbar
Aufbau, Programm und Sicherheit	20	Zustände, Verriegelungen, sichere Arbeitsweise und Diagnose sind schlüssig	Funktioniert überwiegend, weist aber Lücken bei Grenzfällen auf	Unsicherer Aufbau oder unkontrollierte Abläufe
Prüfung und Auswertung	20	Testfälle, Messwerte, Akzeptanzgrenzen und Abweichungen sind vollständig	Normalfunktion geprüft, Grenzfälle oder Auswertung fehlen	Ergebnis wird ohne geeigneten Nachweis behauptet
Dokumentation und Übergabe	15	Ist-Stand, Änderungen, Versionen und Bedienhinweise sind vollständig	Dokumente sind nutzbar, aber nicht durchgehend aktuell	Dokumentation passt nicht zur ausgeführten Anlage
Nachhaltigkeit und Zusammenarbeit	10	Energie, Wartbarkeit, Datenschutz und Absprachen werden begründet berücksichtigt	Einzelne Aspekte werden genannt, aber kaum bewertet	Aspekte fehlen oder werden nicht auf den Auftrag bezogen

Maximal sind 100 Punkte erreichbar. Eine betriebliche oder schulische Bewertung legt die zuständige Lehrkraft beziehungsweise der Ausbildungsbetrieb fest. Dieses Raster begründet keine Prüfungszulassung und ersetzt keine Vorgaben der zuständigen Kammer oder des Landeslehrplans.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Prüfe dein Wissen

Wozu dient die Festlegung einer Systemgrenze? (Sie trennt betrachtete Komponenten von der Umgebung und macht Schnittstellen sichtbar) (!Sie ersetzt die Gefährdungsbeurteilung vollständig) (!Sie legt automatisch den günstigsten Lieferanten fest) (!Sie macht Messungen an der Anlage überflüssig)

Welche Aussage beschreibt einen Signalfluss in einem mechatronischen System richtig? (Ein Sensorsignal wird über eine Eingabe verarbeitet und löst eine definierte Aktorreaktion aus) (!Elektrische Energie wird ausschließlich in Wärme umgewandelt) (!Ein Werkstück bewegt sich ohne Sensorik durch die Anlage) (!Ein Getriebe vergrößert immer die Motordrehzahl)

Welche Beziehung gilt für das Drehmoment an einem Rad? (Drehmoment ist Kraft mal wirksamer Radius) (!Drehmoment ist Leistung mal Zeit) (!Drehmoment ist Drehzahl geteilt durch Kraft) (!Drehmoment ist Weg geteilt durch Masse)

Was bewirkt eine Untersetzung mit einer Übersetzung größer als eins grundsätzlich? (Die Abtriebsdrehzahl sinkt und das nutzbare Abtriebsdrehmoment kann steigen) (!Die Abtriebsdrehzahl steigt ohne Energiezufuhr) (!Der Wirkungsgrad wird immer genau eins) (!Das mechanische Spiel verschwindet vollständig)

Wodurch unterscheidet sich eine Regelung von einer reinen Steuerung? (Die Regelgröße wird zurückgeführt und mit dem Sollwert verglichen) (!Eine Regelung besitzt grundsätzlich keine Sensoren) (!Eine Steuerung enthält immer einen geschlossenen Regelkreis) (!Eine Regelung arbeitet ohne Ausgangsgröße)

Was liefert ein inkrementeller Drehgeber unmittelbar? (Impulse zur Bestimmung einer relativen Winkel- oder Wegänderung) (!Eine garantierte absolute Position nach jedem Spannungsausfall) (!Die mechanische Leistung des Motors ohne weitere Berechnung) (!Die vollständige Gefährdungsbeurteilung der Anlage)

Woraus werden geeignete Überlastgrenzen abgeleitet? (Aus Auslegung, Gefährdungsbeurteilung und aktuellen Herstellerangaben) (!Aus dem höchstmöglichen Zahlenwert der Steuerung) (!Aus einer unveränderten Einstellung einer fremden Anlage) (!Ausschließlich aus der Farbe des Motorgehäuses)

Was ist nach einer Änderung an der elektrischen Ausrüstung erforderlich? (Dokumentation aktualisieren und die erforderlichen Prüfungen vor Freigabe durchführen) (!Nur den alten Schaltplan unverändert ablegen) (!Die Anlage ohne Prüfung in Dauerbetrieb setzen) (!Alle Schutzfunktionen vorübergehend deaktivieren)

Welche Angabe macht einen Testfall besonders prüfbar? (Ein eindeutig beschriebenes Akzeptanzkriterium) (!Eine möglichst allgemeine Formulierung ohne Messgröße) (!Ein Ergebnis ohne Angabe des Ausgangszustands) (!Eine nicht dokumentierte Änderung während des Tests)

Welche Maßnahme verbindet Nachhaltigkeit und technische Qualität? (Einen passend dimensionierten Antrieb wählen und Messdaten zweckgebunden speichern) (!Den größten verfügbaren Motor unabhängig von der Aufgabe einsetzen) (!Produktivdaten ohne Zugriffsschutz in Lernprotokolle kopieren) (!Wartungsinformationen nach der Übergabe löschen)

Memory

Systemgrenze	Trennt den betrachteten Aufbau von seiner Umgebung
Drehgeber	Erfasst Winkel, Drehzahl oder relative Position
Kupplung	Überträgt Drehmoment zwischen Wellen
Regelkreis	Führt eine gemessene Größe zum Soll-Ist-Vergleich zurück
Verriegelung	Verhindert widersprüchliche oder unzulässige Befehle
Prüfplan	Verknüpft Anforderungen mit Methoden und Akzeptanzgrenzen

Drag-and-drop

Ordne die passende Tätigkeit zu.	Ergebnis
Auftrag analysieren	Prüfbare Anforderungen und geklärte Schnittstellen
System planen	Begründete Komponentenwahl und dokumentierte Berechnung
System realisieren	Sicher aufgebautes und versioniert programmiertes Modell
System prüfen	Messprotokoll mit Soll-Ist-Vergleich und Grenzfällen
System dokumentieren	Aktualisierte Unterlagen für Betrieb und Übergabe

Kreuzworträtsel

Drehmoment	Welche rotatorische Größe ergibt sich aus Kraft mal Radius?
Kupplung	Welches Bauteil verbindet zwei Wellen zur Drehmomentübertragung?
Drehgeber	Welcher Sensor erfasst Winkel oder Drehzahl?
Regelkreis	Wie heißt die Struktur mit Soll-Ist-Vergleich und Rückführung?
Grenzwert	Wie heißt eine festgelegte Schwelle für eine zulässige Größe?
Simulation	Wie heißt das gefahrarme Nachbilden eines Systemverhaltens?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Funktionsstruktur skizzieren: Zeichne für ein ungefährliches Tischmodell die Teilfunktionen Erfassen, Verarbeiten, Bewegen und Prüfen und markiere die Schnittstellen.
Anforderungen präzisieren: Formuliere aus drei ungenauen Kundenwünschen jeweils eine messbare Anforderung mit Prüfmethode und Akzeptanzgrenze.
Komponentensteckbrief erstellen: Erstelle für einen Sensor einen Steckbrief mit Messgröße, Signalart, Versorgung, Einbaubedingung und typischer Fehlerquelle.
Signalfluss erklären: Nimm ein kurzes Erklärvideo zu einem synthetischen SPS-Signalweg auf und verwende keine realen Betriebs- oder Personendaten.

Standard

Antriebsvariante vergleichen: Vergleiche zwei Antriebskonzepte anhand von mindestens sechs gewichteten Kriterien und begründe deine Entscheidung.
Messreihe auswerten: Führe an einem freigegebenen 24-Volt-Modell zehn Positionierfahrten durch, berechne Mittelwert und Spannweite und bewerte die Akzeptanzgrenze.
Ablaufmodell entwickeln: Erstelle ein Zustandsdiagramm mit Grundstellung, Startprüfung, Bewegung, Ziel, Rückfahrt und Störung und formuliere eindeutige Übergangsbedingungen.
Fehlerdiagnose planen: Entwickle für den Ausfall eines Endlagensensors einen sicheren Diagnoseplan mit Soll-Ist-Vergleichen an mindestens vier Schnittstellen.

Schwer

Positioniermodul dimensionieren: Übertrage den Praxisfall auf neue Last-, Weg- und Zeitwerte, rechne Übersetzung, Kraft, Drehmoment und Sensorauflösung vollständig neu und prüfe die Plausibilität.
Digitalen Zwilling testen: Baue eine Simulation des Ablaufs auf, definiere mindestens acht Testfälle einschließlich Grenzfällen und dokumentiere jede Abweichung.
Sicherheitskonzept beurteilen: Analysiere unter Anleitung einer befugten Fachkraft die Gefährdungen eines Modells und schlage technische, organisatorische und persönliche Maßnahmen vor, ohne Arbeiten an Netzspannung auszuführen.
Projektübergabe durchführen: Erstelle eine vollständige synthetische Übergabemappe und präsentiere Funktion, Messnachweise, Änderungen, Nachhaltigkeitsentscheidung und verbleibende Grenzen in einem Fachgespräch.

Lernkontrolle

Auftragsanalyse und Nachweis: Erkläre an einem neuen Beispiel, wie aus einem Kundenwunsch eine messbare Anforderung, ein Testfall und ein Abnahmekriterium entstehen.
Antriebsauslegung übertragen: Berechne für einen vorgegebenen Weg, eine Taktzeit und ein Antriebsrad die erforderliche Abtriebsdrehzahl und begründe eine passende Übersetzung.
Signalfehler eingrenzen: Analysiere ein Szenario, in dem der Motor nicht startet, und ordne mindestens fünf Prüfungen entlang des Signal- und Energieflusses in eine sichere Reihenfolge.
Steuerung und Regelung vergleichen: Begründe, ob eine vorgegebene Drehzahlfunktion als Steuerung oder Regelung ausgeführt ist, und nenne die Folgen eines ausgefallenen Istwerts.
Prüfplan bewerten: Prüfe einen unvollständigen Prüfplan auf fehlende Ausgangszustände, Messmittel, Akzeptanzgrenzen, Grenzfälle und Dokumentation.
Nachhaltige Systemänderung: Entwickle eine Änderung, die Energiebedarf oder Wartungsaufwand senkt, und bewerte Auswirkungen auf Funktion, Sicherheit, Datenschutz und Lebenszyklus.

Lernnachweis

Ein belastbarer Lernnachweis umfasst nicht nur richtige Fachbegriffe, sondern ein prüfbares Arbeitsergebnis. Du reichst für einen synthetischen oder freigegebenen Modellauftrag folgende Produkte ein:

Nachweis	Erwartete Qualität
Anforderungsliste	Messbare Kriterien, geklärte Schnittstellen und dokumentierte Annahmen
Systementwurf	Funktionsstruktur, Blockdiagramm und begründeter Variantenvergleich
Berechnungsblatt	Vollständige Formeln, Einheiten, Rechenwege, Plausibilitätsprüfung und Herstellerbezug
Programm- oder Simulationsstand	Verständliche Zustände, Verriegelungen, Zeitüberwachung, Diagnose und Versionskennung
Prüfplan und Messprotokoll	Normal- und Grenzfälle, Akzeptanzgrenzen, tatsächliche Werte und Abweichungsbewertung
Technische Dokumentation	Aktualisierter Ist-Stand, Parameter, Änderungen, Quellen und Übergabehinweise
Fachgespräch	Begründete Entscheidungen, sichere Arbeitsweise und Transfer auf einen veränderten Auftrag

Die Bewertung kann das Raster des Praxisfalls verwenden. Praktische Nachweise erfolgen nur an freigegebenen Lernsystemen und unter der im Betrieb oder in der Schule festgelegten Aufsicht. Zuständige Kammer, Landeslehrplan, Ausbildungsbetrieb und Berufsschule können zusätzliche Anforderungen festlegen.

OER und Wikipedia

Die folgenden Quellen wurden für die fachliche Einordnung und die Rechts- beziehungsweise Ausbildungsbezüge herangezogen. Normtexte werden nicht kopiert; für die praktische Arbeit ist stets die aktuell geltende Fassung zu prüfen.

Quelle	Bedeutung für den Kurs
KMK-Rahmenlehrplan Mechatroniker	Lernfeld 8, Zielsetzungen, Inhalte und Richtstunden
BIBB-Berufsprofil Mechatroniker	Berufsbild, Ausbildungsdauer und zuständiger Ausbildungsbereich
Mechatroniker-Ausbildungsverordnung	Rechtlicher Ausbildungsrahmen
Ausbildungsrahmenplan	Berufsprofilgebende Fertigkeiten, Kenntnisse und Fähigkeiten
DGUV Vorschrift 3	Elektrische Anlagen, verantwortliche Qualifikation und Prüfgrundsätze
Arbeitsschutzgesetz	Gefährdungsbeurteilung und betrieblicher Arbeitsschutz
Betriebssicherheitsverordnung	Sichere Verwendung und Prüfung von Arbeitsmitteln
Datenschutz-Grundverordnung	Grundsätze für den Umgang mit personenbezogenen Daten

Mediennachweise:

Eingebettetes Medium	Geprüfte Fundstelle	Urheber	Lizenz oder Rechtehinweis
File:S71500.JPG	Wikimedia Commons	Palatinatian	CC BY 3.0
File:Gear coupling.png	Wikimedia Commons	Petteri Aimonen	Gemeinfrei
File:Gray code rotary encoder 13-track opened.jpg	Wikimedia Commons	Mike1024	Gemeinfrei
File:PID loop.svg	Wikimedia Commons	DMGualtieri	CC BY-SA 3.0
File:Emergency stop button.jpg	Wikimedia Commons	Cjp24	CC BY-SA 3.0
https://www.youtube.com/watch?v=LJUcyWCAH_Y	SPS-Programmierung Nummer 11	Christian Stöcker	Öffentliche YouTube-Einbettung; keine offene Lizenz ausgewiesen, Rechte beim Rechteinhaber
https://www.youtube.com/watch?v=wDNiReGEZGs	SPS-Programmierung Nummer 13	Christian Stöcker	Öffentliche YouTube-Einbettung; keine offene Lizenz ausgewiesen, Rechte beim Rechteinhaber

Die Medien wurden am 25. Oktober 2026 auf Dateiname beziehungsweise URL, Urheberangabe, thematische Passung und verfügbaren Rechtehinweis geprüft. Die YouTube-Videos werden eingebettet und nicht kopiert. Falls ein externer Inhalt später geändert oder entfernt wird, ist er vor dem Unterricht erneut zu prüfen.