Von Stefan Brill, Dr. Markus Müller

Ein Kühlschrank muss heute mehr Ansprüchen genügen, als energieeffizient Lebensmittel zu kühlen. Gerade freistehende Geräte sind oftmals ein Designelement in der Küche. Damit ein Kühlschrank zum Beispiel aus gebürstetem Edelstahl mit seiner edlen Oberfläche beim Kunden punkten kann, ist es notwendig, die Bleche unter hohen Kräften und dabei trotzdem „mit Gefühl“ in Form zu biegen. Hier kommt der Anlagenbauer Somako aus dem badischen Kürnbach ins Spiel. Aktuell entsteht hier eine Biegeanlage für Kühlschränke der Firma Liebherr – aber nicht irgendeine Biegeanlage. Alle zwölf Sekunden „spuckt“ diese eine fertige Tür aus – inklusive Lochstanzungen, Markenprägung und der zugehörigen Seitenwände.

Was die Antriebs- und Automatisierungstechnik betrifft, ging Manfred Hirsch, einer der beiden Firmengründer von Somako, bei dieser Anlage neue Wege. Im Zuge der Komplettüberarbeitung des bisherigen Steuerungskonzeptes, welches auf einer zentralen SPS zur Steuerung der Gesamtanlage und einer separaten CNC-Steuerung für die Biegeprozesse basierte, wurden unter anderem folgende Vorgaben ins Pflichtenheft geschrieben:

• höhere Geschwindigkeit
• größere Biegelänge
• modulare Erweiterung
• eigenständige Steuerung
• automatische Biegewinkelkorrektur
• Biegesimulationsprogramm

Blicke in den Biegeautomaten: Die Herausforderung für Somako bestand bei dieser Anlage darin, dass dem Biegeprozess keine feste Form des Gesenks obliegt, sondern durch eine Kurvenfunktion in der Steuerung abgedeckt und abgefahren wird.

Umgesetzt hat Somako diese Vorgaben zusammen mit SEW-Eurodrive auf Grundlage eines integrierten Antriebskonzeptes. Dieses basiert zum einen auf einem Mehrachs-Servoverstärker vom Typ Moviaxis, der für die Ausführung der dynamischen Biegevorgänge zuständig ist. Die Steuerung der Anlage sowie der relativen Biegevorgänge übernimmt ein Motion-Controller mit integrierter SPS in Form einer Einsteckkarte, genannt „Movi-PLC advanced“. Die Servo-Getriebemotoren, welche letztlich den Druck sanft aber dennoch bestimmt auf das Blech übertragen, stammen ebenfalls aus dem Hause SEW.

Die Funktionsweise der Produktionslinie ist wie folgt: Über eine zentrale Transportschiene durchlaufen die vorgefertigten Bleche – wahlweise gebürsteter Edelstahl oder lackiertes Blech – die verschiedenen Stationen der Biegenanlage. An der ersten Station werden auf der Längsseite die ersten Kanten relativ gebogen. Relatives Biegen – auch Rollbiegen genannt – ist eine Sonderform des Schwenkbiegens, wobei sich die Biegewange während der Schwenkbewegung kontrolliert vom Blech weg bewegt. Damit unterbleibt jegliche Relativbewegung zwischen Werkzeug und Blech, und es können somit keine Kratzspuren an der Blech-Oberfläche entstehen. Mit dem gesteuerten Wegfahren der Biegewange lassen sich zudem freiprogrammierbare Biegeradien erzeugen – der Schwerpunkt der neuen Anlage von Somako. Links und rechts der Transportschiene warten ein paar Meter weiter an der zweiten Station bereits die nächsten beiden Biegeeinrichtungen auf die Durchführung weiterer Biegeoperationen, wie beispielsweise sanfte „Abkantungen“ für optische Zwecke.

Um die Biegungen vorzunehmen, verfährt ein Servogetriebemotor die komplette Biegemaschine in X-Richtung an das Blech heran. Nun sorgen zwei weitere Servo-Kegelradgetriebemotoren für die sanfte und gleichmäßige Aufbringung der 200 000 Newton Biegekraft auf das Werkstück (Y- und Z-Achse), und zwar über je zwei Spindeln. Am Ende des Prozesses werden nach den Längsseiten auch die Stirnseiten der Tür gebogen und schlussendlich wird der Markenname eingeprägt.

Parallel dazu entstehen in einem Nebenprozess die viel aufwendiger gefertigten Wände der Kühlschränke. Die Komplexität in diesem Prozess liegt darin begründet, dass in die Seitenwände viel mehr unterschiedliche Biegeradien einzubringen sind, um beispielsweise Dichtungen und die Dämmung aufnehmen zu können. Unterschiedliche Biegeradien bedeuten hier, dass mehr Abkantungen nacheinander durchgeführt werden müssen. Dabei gehen die Biegeprozesse nicht alle in die gleiche Richtung. Das Blech muss also nicht nur zum Beispiel nach unten gebogen werden, sondern an einem späteren Biegepunkt auch in die entgegengesetzte Richtung. Zudem gilt es, über die Wände eine gewisse Stabilität des Kühlschrankes herzustellen; keine einfache Aufgabe, zumal die hier verwendeten Bleche ebenso Einschnitte und Aussparungen haben, was letztlich immer leicht unterschiedliche Blechsteifigkeiten zur Folge hat. Die biegetechnische und damit auch steuerungstechnische Herausforderung bei den Türen und Seitenwänden ist die Gleichmäßigkeit und Symmetrie der Lichtkanten – ein Fehler oder Kratzer macht das komplette Teil zum Ausschuss. Sämtliche Abläufe, um das gewünschte Profil fehlerfrei und exakt in das Blech einzubringen, sind in der Movi-PLC hinterlegt, welche als Maschinensteuerung fungiert, und darüber hinaus mittels der Software „AxisGroupControl Kinematics“ (siehe Kasten) auch die Kinematiksteuerung der integrierten Handling- und Bearbeitungsmodule übernimmt.

Konfiguration der Kinematik

Der Schaltschrank des Biegeautomaten: Der integrierte Motion-Controller befindet sich im Mastermodul des Mehrachs-Servoverstärkers ganz links. Er übernimmt auch das Datenmanagement des gesamten Achsverbunds, zum Beispiel das automatische Einspielen der Umrichterparameter nach Achstausch.

Zur Konfiguration der Kinematik wählt der Maschinenbauer bei dieser Lösung aus einer Liste von Standard-Kinematiken die zutreffende aus und konfiguriert beispielsweise die Armlängen, die Übersetzungsverhältnisse der Antriebe, deren Drehrichtung, Offset und Begrenzungen. Beim Tausch der Kinematik ändert sich an der Bedienung sowie am Ablaufprogramm nichts. Stattdessen wird lediglich die andere Kinematik konfiguriert. Die Palette vorkonfigurierter Standard-Kinematiken reicht von klassischen kartesischen Portalen über Portale mit stationär montierten Antrieben und umlaufendem Riemen bis hin zu Scara- und Knickarm-Kinematiken mit bis zu sechs voneinander unabhängigen Achsen und zusätzlichen Slave-Achsen. Auch geschlossene kinematische Ketten wie etwa hochdynamische Delta-Picker lassen sich mit diesem Ansatz genauso einfach steuern wie ein herkömmliches Portal.

Da sich auf einer Steuerungskarte mehrere AxisGroupControl Kinematics instanziieren lassen, sind gleichzeitig mehrere verschiedene Bahnen auf verschiedenen Kinematiken steuerbar. Der Anwender spricht dabei eine globale Schnittstelle an, welche neben den Kinematikfunktionen auch die herkömmlichen Einzelachsfunktionen – beispielsweise das Referenzieren der beteiligten Einzelachsen – unterstützt. Konkret laufen bei der Biegemaschine von Somako drei Instanzen gleichzeitig auf einer Movi-PLC für die simultane Bahnsteuerung der drei Biegeeinheiten. Als Bahn-Modus kommt „Continuous Path (CP)“ zum Einsatz, wobei die Kreis-Interpolation in XY-Richtung (CIRC_XY) und die Geraden-Interpolation in XY-Richtung (LIN_XY) verkettet werden. Das Überschleifen der programmierten Bahnpunkte erfolgt automatisch.

Zur Visualisierung der Anlage setzt Somako eine selbst erstellte Oberfläche ein, über die der Bediener direkt in die Steuerung eingreift. Die Programmeingabe erfolgt hierbei über eine Biegesimulation. Der Zugriff selbst geschieht über OPC, wobei der Anlagenbetreiber die Parameter in der Antriebs-SPS direkt ändern kann – ohne programmieren zu müssen. Durch die permanente Kreis-Interpolation kann der Betreiber innerhalb eines, maximal zweier Arbeitsschritte den Biegeprozess verändern. Soll heißen: Kommt eine andere Kühlschranklinie in die Maschine, ist die Anlage schnellstmöglich darauf eingestellt, da zeitaufwendiges Umrüsten oder das Laden neuer Biegeprogramme entfällt. Auch kann die Maschine mitten im Prozess gestoppt werden (Not-Aus) ohne dass diese danach in den Ausgangszustand gefahren werden muss – dies war ein Manko der Vorgängeranlage, da die seinerzeit eingesetzte Steuerung diese Flexibilität nicht bieten konnte.

SPS-Programmier-Know-how reicht aus

Ein wesentlicher Vorteil der verwendeten Steuerungsplattform besteht darin, dass das Bewegungsprogramm in IEC 61131-3 – also etwa in Form grafischer Schrittketten (AS) oder textuell in „Strukturierter Text“ (ST) – durch den Programmierer der Maschinensteuerung mit erstellt werden kann und hierfür keine Kenntnisse einer weiteren, speziellen Roboter-Programmiersprache oder eines weiteren Tools erforderlich sind. Im einfachsten Fall sind lediglich die Zielkoordinaten und Geschwindigkeitseinstellungen anzupassen.

Über das mobile Bedienpanel, welches direkt in die Kommunikation zwischen dem übergeordneten Industrie-PC und dem Mehrachs-Servoverstärker eingebunden ist, lässt sich bei der Inbetriebnahme sehr einfach ein Teach-in durchführen.

Die Bahnpunkte und Parameter können über verschiedene Wege ins Anwenderprogramm gelangen. Eine Möglichkeit ist die Eingabe während der Inbetriebnahme oder später während des Maschinenbetriebs über das Bedienpanel. Alternativ kann der Anwender die erforderlichen Daten auch direkt im Programm der Steuerung berechnen lassen. Oder die Daten werden über eine Prozessdaten-Schnittstelle (Profibus, Devicenet, Profinet, Ethernet IP, Modbus TCP, UDP) von einer übergeordneten SPS übergeben, so dass die Antriebs-PLC in diesem Fall eine „Black Box“ darstellt.

Was die Inbetriebnahme betrifft, so lässt sich der Programmablauf mit der in der Bediensoftware Movitools-MotionStudio integrierten 3D-Simulation testen. Die Simulation kann parallel zum realen Betrieb der Maschine oder vollständig ohne Antriebe mit einem PC und der Movi-PLC zum Beispiel in der Ausführung als Kompaktsteuerung im Büro erfolgen. Selbst ohne reale Antriebe lassen sich auf diese Weise deren Drehzahlverläufe offline aufzeichnen.

Summa summarum hat das integrierte Antriebs- beziehungsweise Kinematik-Konzept entscheidend zur Reduzierung der Taktzeiten beigetragen – von ehemals 16,5 Sekunden pro Tür auf besagte zwölf Sekunden. Auch war bei der in der Vergangenheit verwendeten, einfachen Steuerung noch viel eigener Programmieraufwand seitens des Maschinenbauers vonnöten. So wurde die Kreisbahn beispielsweise durch Punkte auf der Kreisbahn dargestellt – sprich über feine Integrale. Heute braucht der Ersteller des Programmes lediglich Winkel und Radius vorzugegeben; die Kreisinterpolation übernimmt dann automatisch die Movi-PLC.

Autoren

Stefan Brill ist Leiter Public Relations bei SEW Eurodrive in Bruchsal.

Dr. Markus Müller ist Produktmanager Motion Solutions bei SEW Eurodrive in Bruchsal.

Interview: Robotik für Jedermann?

Antriebssysteme mit integrierten Robotik-Funktionalitäten sollen die Vorteile der Robotik auch dem klassischen Maschinen- und Anlagenbauer erschließen. Die Redaktion sprach hierüber mit Dr. Markus Müller, Produktmanager Motion Solutions bei SEW Eurodrive.

Dr. Markus Müller, Robotik-Pionier bei SEW: „Die IEC 61131-3 eignet sich hervorragend für modulare Bahnsteuerungen.”œ

Herr Dr. Müller, auf Robotik zugeschnittene Antriebspakete, wie SEW sie anbietet, erwecken auf den ersten Blick den Eindruck: Man nehme einen Servoverstärker oder einen Frequenzumrichter, eine Antriebs-SPS mit integrierten Robotik-Funktionsbausteinen sowie ein paar Motoren und fertig ist die Robotik-Applikation. Aber: Ist die Sache wirklich so einfach?
Müller: Selbstverständlich sind die Motoren in Betrieb zu nehmen, der Kinematik-Typ einzustellen und die Armlängen sowie die Übersetzungsverhältnisse zu konfigurieren. Auch müssen die Bahnpunkte eingegeben, geteacht oder von einer Prozessdaten-Schnittstelle übernommen werden. Das ist im Wesentlichen aber auch schon alles. Für Standardapplikationen sind die mitgelieferten Beispielprogramme direkt lauffähig.

Serienroboter wie Knickarm- oder Scara-Roboter werden immer günstiger, der Preisunterschied zwischen Sonderkonstruktionen zum Beispiel aus dem Bereich der Handhabungstechnik und „dem“ Standardroboter nimmt kontinuierlich ab. Warum soll der Maschinenbauer angesichts dieser Entwicklung seine Robotik-Applikation überhaupt noch selber „stricken“?
Müller: Der Preis ist nur einer von vielen Aspekten. Die Antriebs- und Steuerungstechnik von Standardrobotern passt oft nicht zu den weiteren Antrieben der Maschine und der Fördertechnik. Folglich sind mehrere Steuerschränke erforderlich, Schnittstellen müssen ausprogrammiert werden und zahlreiche Tools und Programmiersprachen kommen zum Einsatz. Zukünftig wird der SPS-Programmierer bei Verwendung eines Motion-Controllers mit integrierter Steuerungs- und Robotik-Funktionalität das „Handling einfach mit erledigen“. So müssen die Maschinenbauer nicht zusätzlich Roboter-Programmierer einstellen, die derzeit auch rar gesät sind.

Wenn sich der Maschinenbauer mit seiner eigenen Lösung vom Standard differenzieren soll und will, muss er mehr bieten können. Reichen hierzu die Möglichkeiten der IEC-61131-Programmierung überhaupt aus – immerhin ist die PLCopen gerade erst dabei, den Standard mit Fokus auf Bahnbewegungen zu erweitern!
Müller: SEW ist in der PLCopen an der Gestaltung des Standards für Bahnbewegungen beteiligt. Wir entwerfen im Teil 4 einen Rahmen für die Bausteine, der jedoch keineswegs die „Supplier-Specific“-Funktionalitäten beschreibt, über welche sich die Anbieter differenzieren. Auf jeden Fall ist die IEC 61131-3 hervorragend dafür geeignet, modular aufgebaute Bahnsteuerungen zu entwickeln, welche sehr flexibel an spezielle Anwendungen anpassbar sind. SEW beispielsweise bietet diesbezüglich die Programmmodule „AxisControl“ sowie „AxisGroupControl Kinematics“ für Bahninterpolation, die durch ihre offene Gestaltung individuelle Lösungen unterstützen.

Wo ziehen Sie die Grenze der Einsatzmöglichkeiten einer Lösung wie SEW sie anbietet, sprich ab welchem Anforderungsumfang kommt der Maschinenbauer nicht umhin, doch eine traditionelle Robotersteuerung beziehungsweise eine Robotik-Lösung vom „Spezialisten“ einzusetzen?
Müller: Es ist nicht unsere Absicht, höchstpräzise Serienroboter zu bauen, die beispielsweise wegen Temperaturschwankungen mehrfach am Tag vermessen werden und welche die Armbiegungen aufgrund variierender Lastverhältnisse mit berücksichtigen. Das können die Roboterhersteller viel besser. Wir sehen unsere Aufgabe vielmehr in der Automatisierung und interpolierenden Bahnsteuerung jeglicher Kinematiken, mit denen sich die Maschinenbauer an uns wenden. Und das können wir viel besser durch unsere flexible Bahnsteuerung, welche im Gegensatz zu Steuerungen von Standardrobotern nicht an bestimmte Grundtypen wie etwa das „Grundachsen-Paket“ und das „Handachsen-Paket“ gebunden ist.

Die Bahn-Modi der Steuerungsplattform

Zur Bahnprogrammierung stehen dem Maschinenbauer innerhalb der Software-Umgebung „AxisGroupControl Kinematics“ verschiedene Modi zur Verfügung. Achstippen (JOG_AXES) oder kartesisches Tippen (JOG_ CART) in jedem Koordinatensystem unterstützen beispielsweise die Inbetriebnahme. Bei den klassischen Continuous-Path-(CP-)Modi kann der Anwender zur Programmierung der Translationen zwischen der Geraden-/Kreisinterpolation (LIN/CIRC) in den Hauptebenen (XY, YZ, ZX) sowie der 3D-Geradeninterpolation (LIN_3D) wählen. Das automatische Überschleifen auf das nächste Bahnsegment erfolgt abhängig von parametrierbaren Abständen von den Stützpunkten. Die Orientierungsänderungen lassen sich durch kinematische Hilfsachsen einfach überlagern, so dass man sich nicht um die Orientierungen in den Teilsegmenten der CP-Bahn kümmern muss. Das klassische Punkt-zu-Punkt-Positionieren erfolgt mittels des Modus TARGET_AXES. Eine Sonderstellung nimmt TARGET_CART ein, ein Modus, der sich sehr gut zur einfachen Programmierung von Handling-Aufgaben eignet. Beispielsweise werden bei klassischen Portalen bisher direkt die Bewegungen entlang der vertikalen und horizontalen Richtung programmiert, wobei jeder Bewegungsrichtung genau ein Antrieb zugeordnet ist. Die Horizontalbewegung wird hierbei zum Beispiel bei Erreichen einer bestimmten Höhe gestartet, wodurch sich automatisch ein Überschleifbogen ergibt. Genauso einfach lassen sich nun komplizierte Kinematiken in Betrieb nehmen, indem mittels TARGET_CART die Bewegungen des Werkzeugs (TCP) anstelle der Antriebe entlang der vertikalen und horizontalen Raumkoordinaten programmiert werden. Weitere Beispiele für Funktionen in Axis-GroupControl Kinematics sind:

•  Werkzeugtransformation (inklusive Werkzeugwechsel)
• Tracking (bandsynchron oder frei im Raum)
• Master-Slave-Beziehungen (CP-Bahn als Master oder als Slave)
• Zentral gerechnete kartesische Kurven durch TCP abfahrbar
• Sensorgeführte Bahnkorrektur
• Bahnbezogene Softwarenocken