Sichere, zumeist automatisierte Prüfprozesse bilden die Grundlage für regelmäßige Lebensdauer- und Ermüdungstests oder Werkstoffprüfungen.

Bild 1. Mit Open Core Engineering entfällt die Notwendigkeit, zusätzlich zur Labview-Applikation ein SPS-Programm zu erstellen.

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Um die entsprechenden Prüf- und Messmaschinen kundenindividuell anzupassen, messtechnische Daten zu erfassen und die für die Prüfprozesse notwendige Mess-Sensorik anzubinden, nutzen viele Hersteller das grafische Programmiersystem Labview von Natio­nal Instruments.

Zur Inbetriebnahme der maßgeschneiderten Maschinen mussten die Maschinenbauer und Endanwender bislang jedoch einen doppelten Programmieraufwand hinnehmen: für die Mess- und Prüfanwendungen einerseits und für den Maschinenablauf andererseits. Genau diese Doppelarbeit können Labview-Anwender mit der Rexroth-Schnittstellentechnologie „Open Core Interface“ vermeiden. Denn damit definieren Maschinenbauer die Bewegungsabläufe ausschließlich über die Labview-Oberfläche, ohne eine Zeile SPS-Code zu schreiben (Bild 1).

Nur noch eine Programmierumgebung

Die Schnittstellentechnologie Open Core Interface ist in diesem Zusammenhang ein wesentlicher Baustein des Engineering-Portfolios von Rexroth. Es versetzt Maschinenbauer und Endkunden in die Lage, die IT-Welt mit ihren einfachen und effizienten Hochsprachen mit der Automatisierungswelt zu verbinden. Auf das Prüfumfeld angewendet bedeutet das, dass Schnittstellen nicht wie bisher aufwendig in der SPS und in Labview programmiert werden müssen, um Messung und Bewegung miteinander zu koppeln. Die zusätzliche SPS-Programmierung entfällt, so dass der Labview-Anwender komplett in seiner gewohnten Entwicklungsumgebung bleiben kann.

Bosch Rexroth hat die Funktionalitäten wie Motion, Robotik oder Diagnose komplett in die Firmware integriert. Die Programmierung erfolgt über Funktionsbausteine in der SPS, die als Frontend dient. Labview ist vor diesem Hintergrund ein weiteres Frontend, allerdings erfolgt die Programmierung hier anhand der Virtuellen Instrumente. In beiden Fällen folgen die Zustände in der Programmierung den Ablaufsequenzen der Logik der PLCopen State Machine.

Das Software Development Kit

Die Voraussetzungen dafür, die Maschinenfunktionen direkt aus Labview heraus zu nutzen und somit auch die Bewegungsabläufe zu definieren, schafft das Open Core Interface durch einen neuartigen Zugriff auf die Kernfunktionen der Steuerungssysteme IndraMotion MLC und IndraLogic XLC (Bild 2). Damit ist es möglich, aus Hochsprachenprogrammen heraus direkt auf Steuerungsfunk­tionen zuzugreifen. Das Unternehmen stellt dafür ein Software Development Kit (SDK) bereit.

Bild 2. Nach dem Import stellt das Open Core Interface Labview-Anwendern in der Kategorie ­‚Zusatzpakete‘ acht Biblio­theken mit mehr als 550 zusätz­lichen Virtuellen Instrumenten zur Verfügung.

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Nach dem Download und Import der kostenfreien Software stehen mehr als 550 Virtuelle Instrumente (VI) zur Verfügung, beispielsweise für den Verbindungsaufbau (ApiLib), den Zugriff auf direkte Motion-Kommandos (MotionLib), den Zugriff auf die SPS (LogicLib) oder den Zugriff auf Antriebs- und Steuerungsparameter (ParameterLib), die übersichtlich in Funktionsbibliotheken gegliedert sind. Für jedes VI lassen sich über das Kontextmenü weitere Informationen anzeigen, darunter eine Hilfe zur Beschaltung sowie eine ausführliche Beschreibung des Schnittstellensignals.

Der Import der Open-Core-Interface-Bibliotheken in die Labview-Entwicklungsumgebung ist nur einmal notwendig und einfach gehalten. Das SDK steht beispielsweise online im Download-Bereich des Rexroth-Engineering-Network zur Verfügung. Nach erfolgtem Import führt der Anwender die Datei auf dem entsprechenden Labview-PC aus. Mithilfe des ‚VI-Package- Managers‘ installiert sich das Open Core Interface selbstständig. Danach ist es mit all seinen Funktionen in Labview integriert und kann in jedem Projekt direkt genutzt werden.

Vollwertige Bedienoberfläche

Bild 3. In ‚Open Core Interface’ integrierte Beispielprojekte vereinfachen das Erstellen individueller Bedienoberflächen.

In Kombination mit Open Core Interface ergänzen sich die Labview-typischen Programmierfenster Frontpanel und Blockdiagramm – zusammengefasst Virtuelles Instrument – zu einer vollwertigen Bedienoberfläche für die Mensch-Maschine-Kommunikation. Während das Blockdiagramm den Programmcode enthält und die Ablauflogik widerspiegelt, erscheinen im Frontpanel sämtliche Bedien- und Anzeige-Elemente wie Taster, Schalter oder grafische Anzeigen. Auf diese Weise lässt sich das grafische Programmiersystem auch direkt zur Maschinenbedienung nutzen, beispielsweise, um eine Achse zu verfahren. Der Programmierer braucht dazu lediglich das entsprechende VI zu aktivieren.

Zur Unterstützung der ersten Schritte beinhaltet das SDK Beispielprojekte für Bedienoberflächen, die der Maschinenbauer schnell an seine Anforderungen anpassen kann (Bild 3). Für die Rea­lisierung von Prüfanwendungen bietet Bosch Rexroth ein nach Leistung und Funktionalität skalierbares Spektrum an Steuerungshardware. Das Einsatzspek­trum reicht von der einfachen SPS-Anwendung bis hin zu komplexen Motion-Logic-Aufgaben mit mehreren hundert zu synchronisierenden Achsen.

Anwendungsbeispiel 1

Wie einfach sich ein typischer Prüfprozess in Kombination mit dem Open Core Interface realisieren lässt, soll ein reales Projektbeispiel zeigen:  Es geht um die Realisierung des Einpressvorgangs eines Industrielagers mithilfe von Labview. Die Aufgabe des Prüfprozesses: Die Einpresskraft messen und mit dem Toleranzbereich vergleichen. Liegt der Momentenwert außerhalb der Toleranz, gibt Labview die Fehlermeldung ‚nicht i.O.‘ aus, andernfalls wird ‚i.O.‘ angezeigt. Die Ablaufprogrammierung teilt sich entsprechend in fünf Teilschritte auf: Connect, Move (Achsen auf Position), Start Kraftregelung und Messen, Messung fertig sowie Achse zurückfahren.

Wie innerhalb der SPS folgt der Anwender auch bei der Programmierung in Labview den Regeln der PLCopen State Machine, in der die Betriebs­zustände von Achsen definiert sind. So kann die Achse vom Zustand ‚Standstill‘ über ein ‚MoveVelocity‘ in den Zustand ‚Continous Motion‘ überführt werden. Über das VI ‚Stop‘ lässt sich die Achse in den Zustand ‚Stopping‘ kommandieren, der Übergabewert ‚Stop‘ des VIs muss dazu mit TRUE beschalten werden. Damit bremst die Achse entsprechend den übergebenen Sollwerten für Verzögerung und Ruck. Hat sie ein parametriertes Stillstandsfenster erreicht, erfolgt erneut über das VI ‚Stop‘ der Wechsel in den PLCopen-Zustand ‚Standstill‘, indem der Eingang ‚Stop‘ auf FALSE gesetzt wird.

In der Motion-Bibliothek für Labview stellt Bosch Rexroth zum Beispiel ebenso das VI ‚MoveAbsolute‘ zur Verfügung, mit dem sich die Achse auf eine bestimmte Position verfahren und sich dementsprechend vom Zustand ‚Standstill‘ in ‚Discrete Motion‘ überführen lässt.

Dank der durchgängigen Verwendung von Rexroth-Komponenten ist die Umsetzung besonders effizient. Den Einpressvorgang übernimmt ein energie­effizienter elektromechanischer Zylinder. Labview selbst ist auf einem Industrie-PC installiert und kommuniziert über Ethernet und semantisch über das Open Core Interface mit der SPS-Steuerung IndraControl XM. Die ausschließlich in der grafischen Labview-Hochsprache G programmierte Anwendung bildet den Fügeprozess ab, zeichnet den Kraftverlauf auf und überwacht ihn. Das einzupressende Werkstück ist ein Lager nach DIN 625. Als reibschlüssiges Verbindungselement dient ein Toleranzring aus dem Produktbereich der Rexroth-Lineartechnik.

Zykluszeiten von 250 µs

Die Einpresskraft wird über einen optional erhältlichen Kraftmessbolzen direkt an der Kolbenstange des EMC-Zylinders erfasst. Der Messwert wird am Regler des Kompaktantriebs IndraDrive Cs eingelesen, die Verarbeitung übernimmt ein in der Antriebsfirmware integrierter Prozessregler. Diesen bietet Bosch Rexroth als optionale Technologiefunktion an, den der Labview-Anwender nur noch parametrieren muss.

Dank der extrem kurzen Zykluszeiten der Hardware von 250 µs entsteht aus der direkten Verbindung von EMC-Zylinder mit Kraftsensor und Antrieb ein schneller, übergeordneter Regelkreis, in dem die mechanischen und elektrischen Komponenten optimal zusammenarbeiten können. Auf dieser Grundlage lassen sich die auftretenden Kraftmomente exakt regeln. Das binnen kurzer Zeit realisierte Prüfsystem kann darüber hinaus konstante Geschwindigkeiten fahren und das Werkstück je nach Anforderung hochdynamisch, flexibel und präzise positionieren.

Anwendungsbeispiel 2

Im Rahmen eines weiteren von Bosch Rexroth unterstützten Projektes erstellte ein Kunde aus der Automobilindustrie mithilfe von Labview eine komplette Lösung zur automatischen Prüfung eines Pkw-Schalthebels. Die Aufgaben der fünfachsig ausgelegten Maschine: Den Prüfling zur Ausgangsposition fahren, Test starten, protokollieren und ausschleusen. Dazu positionieren X- und Y-Achse zunächst eine Aufnahme über den Schalthebel. Für die X-Achse kommt dabei aufgrund des kurzen Schalthebels und der relativ hohen mechanischen Kraft ein Gantry-Antrieb zum Einsatz. Die Aufnahme fährt in Z-Richtung auf den Schalthebel, anschließend wird über die in Richtung der Kraftregelung laufende C-Achse gemessen, wieviel Kraft der Hebel benötigt, um die nächste Schaltstellung zu erreichen. Für die Kraftregelung machte sich auch dieser Anwender die oben ­genannte Technologiefunktion ‚Prozessregler‘ des IndraDrive zunutze. Die Steuerung gibt in diesem Zug die Kon­trolle über die Achse an den Antrieb ab, der den Fügevorgang auf Basis der hinterlegten Kraftregelung eigenstän-dig ausführt. Die Achssteuerung erfolgt ebenfalls direkt aus Labview heraus über das Open Core Interface. Antriebe und Steuerung kommunizieren mittels des universellen Bussystems Sercos in Echtzeit.

Anhand der im Antrieb hinterlegten Umschaltbedingung wird ab dem definierten Kraftwert eine ablösende Regelung parametriert: Ab da führt der Antrieb den Fügeprozess durch. Nach erfolgreichem Abschluss des Fügeprozesses geht die Regelung zurück an die Steuerung, in der entsprechend der Programmierung der Labview-Applikation der weitere Programmablauf definiert ist. Dank der kurzen Zykluszeiten konnte auch in diesem Beispiel die Messdose für die Kraftregelung direkt mit dem analogen Eingang des Antriebs verbunden werden. Sonstige Komponenten wie Schalter und LEDs sind über digitale Ein- und Ausgänge mit der Steuerung verdrahtet.

Die zu regelnden Parameter wie Kraft und  Geschwindigkeit werden mithilfe der Eingabemasken vergeben. Nach dem Scan der Sercos-Komponenten im Motion-Verbund ‚kennt‘ die Steuerung alle angeschlossenen Antriebe. Die an die Steuerung angereihten Inline-I/Os werden per Drag & Drop ins Projekt ‚gezogen‘. Mit diesen wenigen Schritten war die Projektierung abgeschlossen und der Endanwender konnte mit der Umsetzung des Labview-Programmes beginnen.

Wiederkehrende Zeitersparnis

In beiden Fallbeispielen ließen sich sämtliche Bewegungsfunktionen ohne die bislang erforderliche SPS-Entwicklung und die Programmierung von Schnittstellen, Handshakes und Synchronisierung direkt aus Labview realisieren. Die SPS selbst stößt ­bestenfalls nur noch einzelne Prüfschritte an, deterministische Abläufe sind meist nicht mehr relevant. Für die Anwender des grafischen Programmiersystems bedeutet das eine enorme Zeitersparnis, zumal auch die parallele Fehlersuche in zwei Programmierwelten entfällt.

Autor: Michael Haun ist Mitarbeiter im Branchenmanagement Fabrikautomation, Manufacturing Technologies bei Bosch Rexroth.