Bis dato werden im Verpackungsmaschinenbau viele Aufgabenstellungen rein per Hardware gelöst - zum Beispiel durch Leitbleche, Schieber oder Schablonen. Anders bei roboterbasierten Systemen: Hier erfolgt die eigentliche Problemlösung per Software, indem Verpackungsabläufe und -muster durch die Bewegungs- und Ablaufbeschreibung eines Roboters umgesetzt werden.

Daraus ergibt sich eine Reihe von Vorteilen:

• Der Wechsel zwischen Produktvarianten erfolgt auf Knopfdruck, langwieriges Umrüsten und Einstellen von neuen Mustern entfällt. Das spart Zeit und Kosten.
• Mittels der Integration zwischen Auftragsplanungssystemen und Produktionsanlagen ist eine höchst individuelle Produktion und Kommissionierung möglich. Solche Konzepte sind mit konventioneller Technik undenkbar.
• Der Kreativität der Produkt- und Verpackungsdesigner sind kaum Grenzen gesetzt, da die Produktion schnell und günstig auf neue Varianten umstellbar ist.

Derzeit eingesetzte Lösungskonzepte für maschinenintegrierte Robotik-Anwendungen lassen sich in zwei typische Lösungsarten kategorisieren - auf der einen Seite SPS-basierte Lösungen, auf der anderen Seite Lösungen auf der Grundlage von Standard-Industrierobotern.

So zeigen viele Hersteller von SPS-Lösungen in letzter Zeit Bestrebungen zur Integration von Technologie-Bibliotheken für die Steuerung von Achsgruppen und Roboter-Kinematiken. Auch der Umfang gängiger Industriestandards wurde entsprechend vergrößert; so stellt etwa PLCopen eine Erweiterung der bereits etablierten Bewegungsbausteine auch für Roboter-Anwendungen zur Verfügung.

Kombinationslösungen nicht das Optimum

Die Bewegungsabläufe werden in SPS-basierten Lösungen direkt aus dem Kontext der in den Sprachen der IEC 61131-3 formulierten Steuerungssoftware definiert und gesteuert. Diese Lösungen kennzeichnet zwar eine sehr hohe Integration zwischen Maschinen- und Robotersteuerung; es fehlt ihnen jedoch meist eine wesentliche Ebene zur Beeinflussung der teilespezifischen Bewegungsabläufe. Diese hat der Maschinenhersteller oft mühsam in seinen Steuerungs- und Visualisierungscode zu integrieren. Und Themen wie Offline-Programmierung, Simulation und mechatronische Dimensionierung werden meist nur sehr eingeschränkt unterstützt.

Dem gegenüber stehen Systeme, die Standard-Industrieroboter als Subkomponenten einer Verpackungsmaschine verwenden. Steuerungsseitig koexistieren dabei eine Maschinensteuerung zur Kontrolle von Maschinenablauf, Bedienung und Peripherie sowie eine Robotersteuerung, welche sowohl die Bewegung als auch die roboternahe Peripherie wie etwa Greifer steuert. Beide Steuerungen sind meist über ein Feldbus-System gekoppelt. In solchen Kombinationslösungen erfolgt die Erstellung der Bewegungsabläufe typischerweise auf der Steuerung des Industrieroboters in der herstellerspezifischen Robotersprache.

Vorteile dieser Lösungen sind die Verfügbarkeit einer breiten Palette von Robotertypen und -baugrößen pro Roboterhersteller, eine ausgereifte Anpassbarkeit der Roboter-Bewegungen durch individuelle Roboter-Programmierung sowie eine gute Bewegungsleistung. Nachteilig für den Maschinenhersteller wirken sich dagegen die oft sehr begrenzten Möglichkeiten der Schnittstellen zwischen den beiden Steuerungssystemen und der daraus resultierende hohe zeitliche Aufwand aus.

Vor allem, wenn es um eine genaue Synchronisation zwischen Maschine und Roboter geht, sind derartige Konstellationen sehr komplex und trotzdem in ihren Möglichkeiten eingeschränkt. Hinzu kommt: Der Maschinenanwender sieht zwei getrennte Bedien- und Programmierwelten, die er bei neuen Verpackungsmustern mühsam miteinander in Einklang bringen muss. Nicht zuletzt ist die Anlagenbedienung hinsichtlich Fehlerdiagnose, Behandlung von Ausnahmen, Wartung und Optimierung durch die verteilte Steuerungstechnik oft sehr schwierig.

Zwei Steuerungskonzepte auf einer CPU

Fazit ist: Beide Ansätze haben ihre Vorteile, sind in ihren Möglichkeiten aber auch beschränkt. Mit dem Ziel, diese Beschränkungen der Einzelsysteme aufzuheben, hat Keba eine alternative Lösung für roboterintegrierte Maschinen entwickelt.

Integrierte, touchbasierte und ergonomische Bedienmasken dienen der einfachen Parametrierung und Diagnose der integrierten Palettierfunktion.

© Keba

Die Idee dahinter ist die Kombination eines Standard-SPS-Systems und einer flexibel anpassbaren Robotersteuerung integriert auf einer CPU. Die beiden integrierten Systeme bieten den verschiedenen Anwendergruppen jeweils die Umgebung, die sie für ihre jeweiligen Aufgaben benötigen: Der Maschinennutzer beziehungsweise -einrichter sieht einfache Bewegungsabläufe, die sich interaktiv an der Maschine oder offline am PC erstellen und optimieren lassen.

Dem SPS-Programmierer beim Maschinenhersteller steht die umfassende Codesys- Konfigurations- und Programmierumgebung zur Verfügung, in der neben der gewohnten Programmierung der relevanten Maschinenabläufe alle Konfigurations- und Kommunikationsaufgaben umgesetzt werden. Damit kann der Inbetriebnehmer zentral sämtliche maschinenspezifischen Eigenschaften und Schnittstellen der jeweiligen Maschine festlegen und verwalten.

Das Robotik-Technologiepaket wiederum stellt sich in der SPS als Bibliothek entsprechend des PLCopen-Standards für Mehrachssysteme dar, mit denen ein optimales Zusammenspiel zwischen dem Maschinen- und dem Bewegungsablauf gewährleistet werden kann. Ein optional einsetzbares Visualisierungssystem integriert ebenfalls sowohl die Maschinen- als auch die Roboterbedienung.

Damit nicht genug: Der Systemprogrammierer des Maschinenherstellers hat die Möglichkeit, sowohl auf der SPS- als auch auf der Robotikseite eigenes Technologie- Know-how zu integrieren und damit selbst anwendungsspezifische Technologielösungen zu realisieren. Im Bereich der Robotik lassen sich die vorhandenen Roboterbefehle und das Verhalten des Roboters sowie die Schnittstellen zwischen SPS und Robotiksystem verändern. Auch auf der SPS-Seite sind anwenderspezifische Technologie-Bibliotheken sowohl in den IEC-Sprachen als auch in C/C++ integrierbar.

Technologie-Bausteine im Quellcode verfügbar

Eine wesentliche Voraussetzung, um typische Aufgaben in Verpackungsmaschinen einfach lösen zu können, ist die Verfügbarkeit entsprechender Technologie- Bausteine.

Mittels 3D-Simulation einer Delta-Anwendung mit Arbeitsraum und Fördereinrichtung lässt sich die Anlagenkonfiguration inklusive der Maschinenumgebung optimieren.

© Keba

Beim KeMotion-Ansatz von Keba sind beispielsweise die Verwaltung von Produkten und die entsprechende Bewegungsplanung auf bis zu acht Förderbändern pro Roboter nahtlos im System integriert. Die Programmierung der Bewegungen bleibt dabei so einfach wie bei raumfesten Bahnen; es bewegt sich lediglich das zugehörige Bezugskoordinatensystem - den Rest erledigt das Robotiksystem.

Für das Palettieren existieren ebenfalls fertige Funktionsbausteine und Bewegungsbefehle, um direkt an der Anlage Palletiermuster zu generieren und mit Schnittstellen zu kommerziell verfügbaren Palletier-Softwarepaketen, um bei unterschiedlichen Produkt- oder Packungs- Ausprägungen die Stauraum-Ausnutzung zu optimieren. Der wesentliche Vorteil dieser Technologie-Pakete ist, dass sie mit ihrem Quellcode verfügbar sind und sich dadurch an individuelle Gegebenheiten anpassen lassen. Ein weiterer Vorteil des integrierten Ansatzes ist, dass Features, die bisher in vielen Fällen Standard-Industrierobotern vorbehalten waren, auch für anwendungsspezifische Eigenbaulösungen einsetzbar sind.

Neben fortgeschrittenen Bahnplanungs- und Überschleif-Algorithmen sowie einem ausgeklügelten, auf einem in der Steuerung online mitberücksichtigtem Modell der Roboterdynamik ist in diesem Zusammenhang vor allem die freie, voll kartesische Bahnplanung für Verpackungsaufgaben von Bedeutung. Die Bahnbeschreibung durch den Anwender erfolgt dabei durchgängig in frei definierbaren Koordinatensystemen, die entweder aus externen Messdaten bestimmt werden - zum Beispiel durch ein Vision-System - oder sogar frei im Raum beweglich und zudem noch hintereinander geschaltet sein können. Auf diese Weise ist die Ablaufsoftware sehr einfach an die geometrischen Gegebenheiten anpassbar.

Geführtes Anlernen verkürzt Inbetriebnahmezeiten erheblich

Mit anderen Worten: Das mühsame Ausrichten zwischen Roboter und Umgebung - man denke an Förderbänder, Ablage- oder Aufnahmepositionen - wird durch geführtes Anlernen der Koordinatensysteme ersetzt und senkt so die Inbetriebnahmezeiten von Tagen auf wenige Minuten. Die erwähnten Features sind für bis zu acht Roboter pro Steuerung verfügbar, um Maschinen mit mehreren integrierten Robotern einfach und übersichtlich zentral automatisieren zu können.

Im SPS-Teil der Steuerung können Scheduling-Strategien zum optimalen Einsatz der vorhandenen Roboter auf einfache Art und Weise umgesetzt werden, etwa um Load Balancing zwischen den einzelnen Robotern oder Notstrategien bei Ausfall einzelner Maschinenkomponenten zu realisieren.

Zur Realisierung der Robotermechaniken stehen schließlich einerseits getestete Schnittstellen zu kommerziell verfügbaren Standardroboter-Mechaniken und -Systemen zur Verfügung (Knickarm- und Scara-Roboter, kartesische Systeme, Parallelkinematiken/ Deltaroboter). Andererseits eignet sich die Steuerungslösung auch für Maschinenbauer, die Robotermechaniken aus funktionalen oder preislichen Gründen selbst herstellen. Standard- und Eigenbau-Roboter lassen sich zudem beliebig kombinieren.

Die nächsten Schritte

Ein klarer Trend in der Verpackungstechnik ist die zunehmende Verlagerung der Engineering-Arbeiten von der Maschine auf den PC des Ingenieurs. Das verspricht ein schnelleres Time-to-market und ein geringeres Entwicklungsrisiko. Zum effektiven Einsatz muss die Simulationstechnik allerdings möglichst gut mit den realen Maschinen kooperieren (Robotik: Nahtloser Übergang von der Simulation zur Inbetriebnahme).

Hierzu existieren mittlerweile Simulationsmöglichkeiten wie etwa ein Software- Oszilloskop mit integrierter 3D-Darstellung des bewegten Roboters, der Bahn und gegebenenfalls auch der relevanten Maschinenteile. Zusätzlich dient ein integriertes dynamisches Robotermodell zur mechatronischen Dimensionierung des Roboters. Darüber hinaus werden künftig Schnittstellen zu etablierten Simulationspaketen wie Matlab/Simulink oder Dymola/ Modellica zur Verfügung stehen, die eine Co-Simulation von Steuerungscode und elektromechanischem Maschinenverhalten ermöglichen.

Autor: Michael Garstenauer ist Technischer Vertriebsingenieur für Robotiklösungen bei Keba in Linz (Österreich).