„Die Kombination von Robotik und Motion-Control auf einem System bietet neue Ansatzpunkte, applikative Aufgabenstellungen zu lösen und vereinfacht die horizontale und vertikale Integration in die gegebene Anlagenperipherie,“ erläutert SEW-Projektingenieur Matthias Christenn.

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Am Standort Dingolfing der BMW Group rollt die 5er-Reihe vom Band. Die Türen für diese Modellreihe werden im Erdgeschoss eines der Produktionsgebäude komplett montiert, in ein Transportgehänge gestellt und mit Hilfe einer Hubstation zum Einbau ins Obergeschoss transportiert. Über eine Bahnbewegung fährt dort ein Türenhandlinggerät (THG) in die Hubstation hinein, greift die vormontierte Tür und transportiert sie zumEinbau an dasMontageband.

Da sich die Türen in ihrer Geometrie je nach Fahrzeugtyp unterscheiden, muss das Handlinggerät dabei unterschiedliche Einbaupositionen anfahren. Im Detail läuft die eigentliche Montage folgendermaßen ab: Das THG führt die Tür von der Fördereinrichtung zur Karosse, synchronisiert sich mit der Schubplatte und stellt über Einzelachsbewegungen die passende Einbauposition sowie den richtigen Einbauwinkel sicher. Während der Synchronfahrt des Handlinggeräts mit der Schubplatte verbaut der Werker die Tür. Er stellt die elektrischen Verbindungen her, setzt die Tür auf entsprechende Mitnehmer an der Karosserie, verschraubt sie und bläst den Vakuumgreifer ab. Anschließend fährt die Handling-Einrichtung selbstständig zur Türförderanlage zurück.

Die an der Hubstation herrschenden Platzverhältnisse erlauben nur enge und verwinkelte Bewegungen, die bei einer manuellen Entnahme der Türen vom Werker eine hohe Konzentration erfordern würde. Daher entschied sich BMW bei der Umsetzung des Türenhandlings für eine Robotik-Lösung mit Servoantrieben. Zwar wäre eine Einzelachsbewegung der Servoantriebe die einfachste Lösung gewesen, jedoch hätte die sequenzielle Kombination dieser Bewegungen aufgrund der vorherrschenden Kollisionsbedingungen die vom Automobilhersteller geforderte Taktzeit nicht erfüllt.

Integrierte Robotik-Funktionalität fungiert als „Gehirn"

Als Generalunternehmer beauftragte BMW die Firma Konecranes Lifting Systems (ehemals ACS Technologies) aus Thalgau bei Salzburg. Sie zeichnete verantwortlich für die mechanische Konstruktion, den Bau der Anlage sowie die Projektkoordinierung. Die Schiller- Gruppe in Osterhofen (Bayrischer Wald) erstellte das Konzept und die Software für die übergeordnete Anlagenperipherie und war für die Hardwareplanung, den Schaltschrankbau sowie die Elektromontage zuständig.

Der Bruchsaler Automatisierungstechnik-Hersteller SEW-Eurodrive stellte schließlich die Antriebs-, Steuerungs- sowie Sicherheitstechnik und integrierte zusätzlich auf seiner Motion-Control-Plattform - kurz Movi-PLC advanced - die Kinematiksteuerung sowie die gesamte Verwaltung der Karossenpositionen. Die Definition des Bahnverlaufes des Handling-Gerätes erfolgt über kartesische Stützpunkte (Bahnpunkte) im Raum. Diese Punkte werden nicht einzeln angefahren, sondern es werden Radien definiert, um die herum sich der Bahnpunkt umschleifen lässt. Den Bahnverlauf sowie die Bahngeschwindigkeit und -beschleunigung gibt die überlagerte Steuerung vor.

Mit Hilfe des verwendeten Motion-Controllers und geeigneter Algorithmen ist es gelungen, die Linearachse im Bereich der Türenhubstation automatisch an die Bahnplanung des Robotikmoduls zu koppeln und so die anspruchsvollen Vorgaben von BMW - in Bezug auf Taktzeit und Anlagenverfügbarkeit, bei gleichzeitig geforderter einfacher Handhabung des Systems - zu lösen. Der Motion-Controller mit integrierter Robotik-Funktionalität fungiert sozusagen als „Gehirn" jedes Handlinggeräts.

Der Motion-Controller mit integrierter Robotik-Funktionalität ist das „Gehirn“ jedes Handlinggeräts. Das Softwaremodul „AxisGroup-ControlKinematics“ beinhaltet bereits eine Auswahl für die im Handlingbereich gebräuchlichen Roboterkinematiken.

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Als Basis des IEC-Programms dient hierbei das Softwaremodul „AxisGroupControl Kinematics" für Bahninterpolation. Weil dieses Modul eine Auswahl für die im Handlingbereich gebräuchlichen Roboterkinematiken beinhaltet, mussten lediglich die konstruktiven Mechanikdaten des Handlinggeräts über die Konfiguration des Robotikmoduls eingegeben werden. Zusätzlich verwaltet die Movi-PLC die Positionen der Karossen.

Vor dem Eintritt in den Arbeitsraum der Handlinggeräte wird jede Schubplatte über induktive Sensoren detektiert. Diese Sensoren sind - wie auch ein externer Bandgeber - direkt auf einem Achsmodul verdrahtet. Erkennt das System eine neue Schubplatte, so speichert ein Touch-Probe-Ereignis (TP) im Achsmodul die aktuelle Position des Bandgebers und übermittelt diese dem Motion-Controller. In dessen Applikationsprogramm wird die TP-Position in einen Speicherplatz eines Ringpuffers geschrieben und daraus über die Positionsinformation des Bandgebers die aktuelle Position jeder Schubplatte - bezogen auf den Arbeitsbereich der Handlinggeräte - ermittelt.

Über die Profinet-Schnittstelle werden die neu erkannte Karosse und der Speicherplatz im Ringpuffer an die überlagerte S7-Steuerung gesendet, die über ein RFID-Lesegerät die Fahrgestellnummer der Karosse liest. Steht die Tür zum Einbau bereit, übergibt die S7 dem Motion-Controller die passende Speicherplatznummer mit dem Befehl zum Synchronisieren. Das Applikationsprogramm in der Movi-PLC synchronisiert nun das Handlinggerät automatisch mit der angeforderten Schubplatte.

Einfache Bahndefinition durch Teachen

Die Definition der Bewegungsbahn des Handlinggeräts erfolgt bei der beschriebenen Applikation über die Vorgabe von so genannten Segmenten, welche die S7 sequenzweise über die Profinet-Schnittstelle an den Motion-Controller überträgt. Ein Segment besteht dabei aus einem Stützpunkt im kartesischen Raum und den Bahndynamik-Parametern - zum Beispiel Bahngeschwindigkeit, -beschleunigung und -verzögerung. Da die Segmente in einem Ablaufpuffer - der so genannten Queue - im Motion-Controller gespeichert werden, lassen sie sich unabhängig vom Ablauf des restlichen Applikationsprogrammes übertragen. Wählt die SPS nun die Bahnbewegung an, so werden die Segmente entsprechend ihrer Reihenfolge in der Queue verarbeitet.

Zusätzlich sind in jedem Segment ein Überschliffabstand und ein Haltepunkt definierbar. DerAbstand ermöglicht das automatische Überschleifen auf das nächste Bahnsegment. Ist das Segment mit einem Haltepunkt versehen, wird die Übergabe der Bahnsegmente aus der Queue an das Robotikmodul solange unterbrochen, bis die S7 das Löschen des Haltepunktes veranlasst. Auf dieseWeise ließ sich die Bahnbewegung des Handlinggeräts einfach mit Anlagenabläufen verknüpfen.

Das Teachen der einzelnen Bahnpunkte geschieht über die Anlagenvisualisierung. In der Betriebsart „kartesisch Tippen" kann der Instandhalter das Handlinggerät entlang den vertikalen und horizontalen Raumachsen manuell verfahren. Dabei wird die vorher eingestellte Orientierung des Saugers im Raum über das Robotikmodul automatisch konstant gehalten.Weil bei der Bahnplanung das Robotikmodul vorab parametrierte Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsgrenzwerte überwacht, ist die Vorgabe der Bahndynamik- Parameter für jedes Segment unkritisch.

Über das Kinematiksteuerwort lässt sich eine angeforderte Bahnbewegung jederzeit mittels parametrierbaren Verzögerungswerten bahntreu unterbrechen. Beendet eine Anlagenstörung die Bahn nicht bahntreu, so berechnet das Robotikmodul automatisch den Abstand zum Bahnverlauf. Sofern dieser Abstand in den gültigen, parametrierten Grenzen liegt, sorgt ein automatischer Mechanismus für das Zurückpositionieren auf die Bahn.

Schaltschrank fährt mit

Das kompakte Mehrachs-Servoverstärkersystem Moviaxis steuert die koordinierten Bewegungen des Greifarms. Die acht Achsmodule und das Einspeisemodul finden ebenso im mitfahrenden Schaltschrank Platz wie die modularen Sicherheitsmodule der Baureihe Movisafe (rechts oben). Sie sorgen beim Türenhandlinggerät (THG) für die sichere Überwachung der achsnahen Antriebsfunktionen und ermöglichen somit ein Arbeiten im Gefahrenbereich.

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Weil Schleppleitungen oftmals das größte Ausfallrisiko bei einer bewegten Anlage darstellen, wurde die Zahl der bewegten Kabel durch den mitfahrenden Schaltschrank erheblich reduziert. Der gesamte Achsverbund ist über den CAN-basierenden Systembus an den Motion- Controller angebunden. Dieser kommuniziert über die integrierte Profinet-Schnittstelle mit der überlagerten S7-317F, die - wie auch die Energieverteilung - in einem weiteren stationären Schaltschrank untergebracht ist.

Komplettiert wird der mitfahrende Schaltschrank mit mehreren Installationsbaugruppen, wie Netzteil und Netzfilter. Zudem wurden verschiedene Sicherheitsmodule vom Typ Movisafe UCS B im Schaltschrank integriert, die für die Überwachung der achsnahen Antriebsfunktion gemäß DIN EN 61800-5-2 zuständig sind. Dies ist deshalb erforderlich, weil sich Personen im gesamten Verfahrbereich des Türenhandlinggeräts aufhalten.

Im Detail sorgen verschiedene technische Einrichtungen für den zuverlässigen und sicheren Anlagenbetrieb bei der Türenmontage: Zunächst werden mehrere Achsen des Handlinggeräts über Drehgeber abgefragt und ihre Signale durch die Sicherheitsmodule weiterverarbeitet. Zu den realisierten Sicherheitsfunktionen gehört neben der sicheren Geschwindigkeitsüberwachung (SSM) und der Überwachung der Bewegungsrichtung (SDI) eine sichere Positionserfassung (SCA), die die Koordination der Schutzbereiche regelt. Durch die kontinuierliche Kontrolle der jeweiligen Achsen lassen sich die Reaktionszeiten im Ernstfall deutlich verkürzen. Außerdem konnten mit dieser Lösung viele mechanische Schutzvorrichtungen entfallen.

Mehr als 99,8 % Verfügbarkeit im Test

In Abhängigkeit von der Position des Handlinggeräts erfolgt eine dynamische Umschaltung mehrerer Schutzfelder.

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Die Ausgangssignale der Sicherheitsmodule werden an die Safety-SPS weitergeleitet, welche im Fehlerfall die Servoumrichter sicherheitsgerichtet abschaltet. Hierbei wird der Antrieb während seiner Bewegung mittels parametriertem Schnellstopp bahntreu angehalten und nach einer Verzögerungszeit der Sichere Halt aktiviert (SS1). Auf diese Weise stoppen die Achsen nicht irgendwo im Raum.

Die übergeordnete Logik in der Sicherheits-SPS berücksichtigt verschiedenen Szenarien: In Abhängigkeit von der Position des Handlinggeräts erfolgt eine dynamische Umschaltung mehrerer Schutzfelder. Zudem sind an den Handlinggeräten mitfahrende Sicherheits-Laserscanner (S3000 von Sick) angebracht, die den Arbeitsbereich überwachen. Dieses Schutzfeld überstreicht einen gelbschwarz gekennzeichneten Sicherheitsbereich, in dem das jeweilige THG verfährt.

Ebenfalls am Handlinggerät angebrachte Schaltleisten fungieren als Not-Aus. Sie verhindern eine mögliche Quetschgefahr - auch für den Fall, dass jemand außerhalb des Arbeitsbereichs steht und dort hineingreift. Die Arbeitsabläufe wurden so optimiert, dass die Werker die sicherheitsüberwachten Bereiche nicht betreten müssen. Anfangs mussten sich die Mitarbeiter damit vertraut machen, wann sie wo hintreten dürfen und entsprechende Bewegungsabläufe einstudieren.

Peter Stoiber, Projektleiter bei der Schiller-Gruppe, hierzu: „Für alle Projektbeteiligten war es ein erklärtes Ziel, trotz der komplexen Anlagen- und Personensicherheitstechnik eine sehr hohe Verfügbarkeit zu erreichen." Ein Anspruch, der offensichtlich erreicht wurde: „Bei einem Verfügbarkeitstest konnte über zehn Schichten eine Verfügbarkeit von mehr als 99,8 % erreicht werden", resümiert Stoiber.

Autor: Gunthart Mau ist Referent Fachpresse bei SEW-Eurodrive, Bruchsal