Die australische Firma Modra Technology wurde 1991 gegründet und produzierte ursprünglich Fehlererfassungssensoren zur Verbesserung der Effizienz von Axminster-Webstühlen. Dabei handelt es sich um ein spezielles Webverfahren, welches aufwendige Musterungen mit nahezu unbegrenzten Farbzusammenstellungen erlaubt. Entsprechende Musterteppiche wurden Anfang der 90er Jahre in einem langwierigen Vorgang entweder von Hand hergestellt oder von Teppichproduktionsmaschinen, die allerdings oft zu Störungen neigten und die Fertigung der Muster damit sehr teuer werden ließen.

Ergo entschloss sich die Firma Modra Technology selbst im Bereich Maschinenbau aktiv zu werden und entsprechende Produktentwicklungsmaschinen für Teppichentwickler und -hersteller auf den Markt zu bringen. Bis heute hat das Unternehmen mehr als 150 Einheiten davon in 24 Länder verkauft.

Innerhalb des Steuergehäuses befindet sich ein Echtzeit-Motion-Controller von Baldor und mehrere MicroFlex-Servoantriebe.

© Baldor

Als die Entwicklung eines neuen Maschinentyps zur Produktion von Tufting-Teppichmustern - hier wird die Teppich- Nutzschicht in einen Träger eingenäht - anstand, initiierte der Sondermaschinenbauer das Mtuft-Projekt und steckte sich dabei hohe Ziele: Allen voran ein Maschinen- Design, das in der Lage ist, möglichst viele Teppichfertigungsmaschinen zu simulieren. Und dies so exakt, dass die produzierten Muster ein genaues Abbild der fertigen Teppiche darstellen, die später auf den verschiedenen Maschinen der Teppichhersteller produziert werden sollen.

„Komplexe Highspeed-Anwendungen wie diese, bei denen mehrere Achsen gesteuert werden müssen, erfordern traditionell einen hohen Verkabelungsaufwand bei der Steuerung und auch für das Encoder- Feedback", erläutert Geschäftsführer Tim Modra die Ausgangslage und ergänzt: „Natürlich haben wir in den letzten Jahren die neuesten Entwicklungen und die verschiedenen Strategien bei der dezentralisierten Bewegungssteuerung, die zur Reduzierung des Verkabelungsaufwands beitragen können, aufmerksam verfolgt. Dabei sind wir zu dem Schluss gekommen, dass nicht-deterministisches Ethernet für die von uns erforderliche kritische Echtzeit-Automatisierungssteuerung ungeeignet ist.

Als die Firma Baldor dann ihre ethernetbasierten Motion-Controller und Servos auf den Markt brachte, die speziell zur Überwindung der Einschränkungen bei der Übermittlung von Echtzeit-Daten des Standard-Ethernet entwickelt wurden, aber dennoch handelsübliche Ethernet-Kabel zwischen Controller und Antrieben verwendet, fiel bei Modra der Entschluss, diese Technologie selbst auszuprobieren."

Echtzeit-Motion-Controller steuert neun Achsen

Beim oberen Maschinenkopf kommt ein großer Servomotor für die Nadelbetätigung zum Einsatz, wobei der Antrieb über Längsnuten erfolgt, um Gewicht am Kopf einzusparen.

© Baldor

Die Teppichmustermaschine Mtuft basiert auf einer Kombination aus pneumatischer und elektrischer Anriebstechnologie. Die Maschine hält das Gewebe - das Trägermaterial für das Teppichmuster - über zwei Trommeln, die in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis angetrieben werden, unter Spannung. Zwei sich hin- und herbewegende Köpfe ober- und unterhalb des Trägermaterials wandern über die Breite des Materials. Der Nadelmotor sorgt für das Referenzsignal aller interpolierten Achsen. Beim oberen Kopf kommt ein großer Servomotor für die Nadelbetätigung zum Einsatz, wobei der Antrieb über Längsnuten erfolgt, um Gewicht am Kopf einzusparen. Beide Köpfe werden synchron angetrieben und lassen sich auch derart bewegen, dass sie die Produktion von Teppichmustern mit „Zickzack"-Designs über einen Nadelversatz simulieren.

Alle der insgesamt neun elektrisch angetriebenen Achsen werden von einem Echtzeit-Motion-Controller des Typs NextMove e100 gesteuert. Sieben Achsen davon werden von Einphasen-Wechselstrommotoren (MicroFlex e100) Servomotoren (BSM) angetrieben, und zwar unter Verwendung von Ethernet-Powerlink für die gesamte Kommunikation zwischen Controller und den Antrieben. Fünf dieser Achsen gilt es zusätzlich zu interpolieren - auch dies erfolgt über Powerlink. Die verbleibenden beiden elektrisch angetriebenen Achsen verwenden kleine Gleichstrommotoren.

Durch eine präzise und definierte Reihenfolge bei der Verwaltung des Nachrichtenaustauschs sorgt Powerlink dafür, dass stets nur jeweils ein Knoten Daten sendet. Auf diese Weise wird die Ethernet- Kommunikation um den Faktor Determinismus erweitert. Das heißt: Das Protokoll garantiert, dass alle zeitkritischen Daten innerhalb konfigurierbarer, isochroner Buszyklen übertragen werden. Auf diese Weise lassen sich Datenkollisionen verhindern, die normalerweise bei standardmäßiger Ethernet-Kommunikation auftreten. Nicht zuletzt ermöglicht der Einsatz von Powerklink den Verzicht auf Bus-Arbitration-Schemata.

Ethernet-Architektur ermöglicht internetbasierte Diagnose

Die Rückseite der Mtuft-Maschine mit den drei ethernetfähigen Servomotoren.

Bei den Mtuft-Maschinen handelt es sich um frei stehende Einheiten für den autonomen Betrieb, obwohl die Ethernet-Architektur eine unternehmensweite Integration und eine standortferne, internetbasierte Diagnose ermöglicht. Der integrierte Hostcomputer ist ein standardmäßiger PC, der die Software zur Maschinensteuerung und die Software zur Erstellung neuer Teppichmusters ausführt. Jedes Design wird hierzu von der Vision-Tuft-Software im so genannten OpenTuft-Format exportiert und Zeile für Zeile per Ethernet an den NextMovee100-Controller übertragen.

Nach den bisherigen Erfahrungen von Tim Modra stellt der Einsatz der Highspeed-Interpolation für die beiden Hauptkopf-Servomotoren einen wesentlichen Vorteil gegenüber konventionellen mechanischen Systemen dar: „Wir haben mit dieser Lösung einen effektiven Software-Kalibrator zur Verfügung, mit dem wir einen variablen Versatz in das System einbringen können. Anstatt also mechanische Präzisionszahnräder und Nocken zu verwenden - die teuer, zeitaufwendig zu konfigurieren und von Natur aus unflexibel sind - kalibrieren wir unsere Maschinen jetzt digital, was mit der Programmiersprache Mint von Baldor schnell und einfach durchführbar ist.

Durch diesen komplett elektronischen Ansatz konnten wir eine kompakte Maschine mit geringer Standfläche entwickeln und den Zeit- und Kostenaufwand deutlich reduzieren. Außerdem haben wir so eine extrem anpassungsfähige Plattform für zukünftige Produktentwicklungen."

Das Mtuft-Konzept

Eine einzelne Mtuft-Maschine kann 1 m  oder 2 m breite Cut/Loop- und Cut/Multiple-Loop-Teppichmuster in beliebiger  Länge in einer oder mehreren Farben oder  so genannte Servo-Loop-Scroll-Teppich- muster produzieren. Hierbei werden die  Höhe des Flors und bis zu acht Farben  über einen Servo gesteuert. Die Maschine verarbeitet Garnstärken von 1,5 bis  6,3 mm und verwendet dabei eine Nadel  pro Farbe.

Das bedeutet, dass nur jeweils  eine Garnrolle pro Farbe erforderlich ist. Konventionelle Mustermaschinen benötigen teilweise bis zu 200 Rollen. Die einfache  Einrichtung, kombiniert mit der sehr hohen Nähgeschwindigkeit von bis zu 30 Stichen pro Sekunde sorgt letztlich dafür, dass  ein typisches neues Teppichmuster in nur  20 Minuten produziert werden kann. Ein  Video zu den komplexen Abläufen bei  einer Mtuft-Maschine findet http://www.modra.com.au/our-products/mtuft.