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Werkstückträger-Transport: Flexibel puffern per Software

Die vollständige Automatisierung manueller oder halbautomatischer Prozesse ist bei sehr kurzen Taktzeiten eine große Herausforderung. Der Maschinenbauer Goldfuß setzt in puncto Werkstückträger-Transport auf ein System, welches die Bildung flexibler Puffer per Software erlaubt.

Automatisierung Bildquelle: © Beckhoff Automation

Goldfuß Engineering aus Balingen entwickelt und fertigt unter anderem Sondermaschinen für die Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie für die Kunststofftechnik. Die in diesen Bereichen üblichen Abläufe mit bis zu 60 Teilen pro Minute erfordern sehr präzise Zuführ-, Positionier-, Verarbeitungs- und Prüfprozesse. Da einzelne Bearbeitungsstationen stets unterschiedliche Bewegungsprofile aufweisen, benötigen fest getaktete Werkstückträgersysteme entsprechend viele parallele Einheiten. Vor diesem Hintergrund hat sich das Unternehmen aus Baden-Württemberg dazu entschieden, bei der Tablettenverpackung erstmals das Extended Transport System (XTS) von Beckhoff einzusetzen. Dabei handelt es sich um ein Schienen-Transportsystem, welches auf einem modularen vollintegrierten Linearmotor mit Leistungselektronik und Wegerfassung in einem Gerät sowie beweglichen Movern basiert.

Die Implementierung erfolgte bei einer  Sondermaschine, die Verschlussdeckel für Tablettendosen montiert. Diese Deckel verfügen über einen Sicherheitsverschluss und werden mit einem Trockenmittel befüllt. Der Montageprozess ist nicht nur mechanisch anspruchsvoll, sondern er muss auch die FDA-Vorschriften 21 CFR Part 11 erfüllen. Auf diese Weise wird eine absolut saubere und keimfreie Verpackung der Medikamente gewährleistet. Da sich die Montageautomaten hauptsächlich in Reinräumen befinden, gelten auch für die Schaltschränke der Automatisierungstechnik die Vorgaben der Reinraumstufe 8.

Einzelne Mover als individuelle Servoachsen Bildquelle: © Beckhoff Automation

Die Abbildung der einzelnen Mover als individuelle Servoachsen er­möglicht bei Bedarf eine optimal an den jeweiligen Bearbeitungsschritt angepasste Gruppierung mehrerer Mover.

„Wir wollten ein System realisieren, das sich unabhängig von der Anzahl der Bearbeitungsstationen aufbauen lässt. Wichtig für uns war, dass wir aufgrund der geforderten Taktzeit von unter einer Sekunde unsere Komponenten frei wählen können und die geforderte Flexi­bilität durch die Anzahl der Mover ­erreichen“, umreißt Michael Müller, Vertriebsleiter Sondermaschinenbau und Mitglied der Geschäftsleitung bei Goldfuß, die im Pflichtenheft formulierten Anforderungen und ergänzt: „Im Zuge der Entscheidungsfindung haben wir uns verschiedene Werkstückträgersysteme und fest taktende Systeme angeschaut. Doch bei einem festen Werkstückträger braucht man für alle Stationen – in unserem Fall vier Kamerasysteme, vier Bearbeitungs- und vier Montagestationen – genauso viele Systeme wie für die Engpassstation, um die geforderte Taktzeit einzuhalten. Deshalb fiel unsere Wahl auf das in dieser Hinsicht viel flexiblere XTS.“

Das Extended Transport System eröffnet dem Maschinenbauer völlig neue Lösungsansätze zur Realisierung hochdynamischer Maschinenkonzepte, indem sich sogar mechanisch bislang kaum oder nur sehr aufwendig lösbare Bewegungsaufgaben per Software-Funktionalität umsetzen lassen. Wie zeigt sich dies konkret in besagter Sondermaschine von Goldfuß? Für die Sicherheitsverschlüsse werden Spritzgießteile zunächst als Schüttgut bereitgestellt, über Wendelförderer in die Anlage eingespeist, von verschiedenen Kameras geprüft und in den XTS-Movern mit entsprechenden Aufnahmen abgelegt.

Die Mover transportieren die Verschlüsse anschließend zu den verschiedenen Bearbeitungsstationen, wie zum Beispiel Stanzen von Pappscheiben, Ultraschallschweißen und verschiedene Montagevorgänge. Zwischendurch werden die Teile immer wieder an Kamerastationen geprüft und zum Schluss auf einer Waage kontrolliert. Alle Bearbeitungs- und Prüfstationen sind über die ovale Förderstrecke des XTS verbunden. Diese besteht aus 20 geraden und acht kurvenförmigen (45°) Motormodulen mit je 250 mm Länge. Über die rund 7,5 m lange Strecke bewegen sich insgesamt 34 Mover als Werkstückträger.

Detailaufnahme der XTS-Mover Bildquelle: © Beckhoff Automation

Die XTS-Mover lassen sich bedarfs­gerecht mit passenden Mechaniken und Teileaufnahmen – hier für die Verschlussdeckel – ausstatten.

Das Besondere am XTS-System: Innerhalb des Produktstroms lassen sich die Mover bei der Deckel-Montagelinie beliebig gruppieren, das heißt die Bearbeitungsstationen können einzeln oder als Gruppe angefahren werden. Jeder Mover ist dabei als eigene Servoachse individuell steuerbar, lässt sich bei Bedarf aber auch mit anderen Movern beziehungsweise Prozessabläufen synchronisieren. Dabei bewegen sich die Mover – je nach Aufgabe – unabhängig von der absoluten Position und können auch relativ zueinander verfahren. Auf diese Weise bilden sie einen flexiblen Puffer, aus dem heraus die einzelnen Bearbeitungsstationen hoch dynamisch und genau entsprechend ihrer jewei­ligen Bearbeitungsleistung angefahren werden können. Kurzum: Das XTS ­bietet neben einer hohen Geschwindigkeit die notwendige Flexibilität, um Bearbeitungsschritte, die unterschiedlich lang dauern, beim Bereitstellen, Posi-tionieren, Montieren, Prüfen und Ausschleusen der Teile so einzubinden, dass Taktzeiten von weniger als einer Sekunde eingehalten werden können.

Ein einzelner IPC für die Steuerung des gesamten Systems Bildquelle: © Beckhoff Automation

Trotz der hohen Komplexität der Bewegungsfunktionen mit alleine schon 34 XTS-Mover-Achsen reicht ein einzelner IPC vom Typ C6930 (rechts) für die Steuerung des gesamten Systems aus.

Da Granulat zugeführt wird, arbeitet das System mit Überdruck in der gesamten Einhausung und vermeidet so eine zu hohe Staub- und Schmutzbe­lastung. Die gesamte Handhabungstechnik – also Teile greifen, hoch­drücken, gegenhalten, pressen usw. – wird über Ventilinseln pneumatisch gesteuert. Zudem prüft eine Bandwaage beim Ausschleusen das Füllgewicht. Das ­Gesamtsystem wird von einem Schaltschrank-PC gesteuert und über ein 19-Zoll-Multitouch-Control-Panel – mit der Einkabelanschlusstechnik CP-Link 4 – bedient. Die XTS-Datenkommunikation erfolgt über Ethercat, die Kamerasysteme sind über Ethernet TCP/IP angebunden. Bei den Ultraschall-Schweißeinheiten kommt schließ- lich die Sicherheitstechnik Twinsafe in Form der Logic-Klemme EL6900 zur Realisierung der entsprechenden Funktionen, wie Not-Halt (STO) und sicheres Stillsetzen (SS1/SS2), zum Einsatz.

Zum einfachen und kompakten Aufbau erläutert Michael Müller: „Der besondere Vorteil von XTS liegt darin, dass die komplette Antriebs- und Leistungselektronik sowie die Weg-Erfassung im Motormodul – das heißt in der XTS-Schiene – verbaut sind. Somit führen sehr platzsparend nur zwei Anschlusskabel zum Schaltschrank – und zwar für die Ethercat-Kommunikation und für die 24/48-V-Versorgung. Auf einem einzelnen Schaltschrank-PC, ausgestattet mit dem Intel-Quad-Core-Prozessor Core i7 und der Software Twincat, werden die Mover als Servo-achsen mit allen gewohnten Motion-Control-Funktionen, wie elektronisches Getriebe oder Kurvenscheibe, abgebildet. Mit ihnen lassen sich die Werkstückträger automatisch aufstauen oder ruckfrei anfahren sowie die Fliehkräfte in den Kurven begrenzen. Aufgrund der Parallelisierung mit einer Multicore-CPU erhöht sich die verfügbare Rechenleistung deutlich gegenüber der sequenziellen Abarbeitung durch einen Core, so dass sich eine solche XTS-Anwendung äußerst effizient realisieren lässt.“

Die XTS-Mover fahren in der Regel nacheinander in eine Station ein. Wenn es die Taktzeit erfordert, lassen sich aber auch mehrfach ausgeführte ­Stationen parallel anfahren. Dauert beispielsweise ein Bearbeitungszyklus länger als eine Sekunde, muss die Zahl der Bearbeitungsstationen verdoppelt, verdrei- oder vervierfacht werden. So benötigt der Ultraschallschweißvorgang drei bis vier Se­kunden.