Jürgen Büssert

Das IWU in Chemnitz hat sich der anwendungsorientierten Forschung und Entwicklung verschrieben. Im Bereich der Umformtechnik führt das Institut schon seit Jahren umfangreiche Untersuchungen durch, mit dem Ziel, die umformtechnischen Grenzen zu erweitern. Zum Maschinenpark gehört unter anderem eine Zweiständerpresse der Marke „Zeulenroda“ (heute Raster Zeulenroda) mit einer Schließkraft von 2500 kN. Die Besonderheit dieser Maschine ist, dass das Ziehkissen aus 16 hydraulischen Achsen gebildet wird. Das Fehlen einer gemeinsamen Kissenplatte beziehungsweise des mechanischen Ausgleiches durch die Ziehkissenplatte entkoppelt die Ziehkissenachsen mechanisch voneinander und stellt demzufolge besondere Anforderungen an die Regelgüte von Lagegleichlauf und Druckregelung, da sich Regelfehler direkt auf das Werkzeug auswirken. Andererseits ist es mit diesem Pressenkonzept aber möglich, sehr anspruchsvolle umformtechnische Aufgaben zu lösen, indem sich der Druck sehr gezielt rund um das Bauteil ausüben und somit ein gezielter Materialfluss während der Umformung generieren lässt.

Blick in den Arbeitsraum der Presse mit aufgebautem Werkzeug und eingelegtem Werkstück: Die 16 Stempel des Ziehkissens lösen auch anspruchsvolle Umformaufgaben, stellen dafür aber hohe Anforderungen an Geschwindigkeit und Genauigkeit der Druckregelung.

Zusammen mit dem Industriepartner Siemens machte sich das IWU schließlich daran, zu untersuchen, inwieweit sich die definierten Anforderungen auf der Basis der Simotion-Plattform umsetzen lassen. Diese erlaubt es, komplexe Bewegungsführungen und einfache, bewegungsnahe SPS-Funktion in demselben System zu realisieren, was in der Vergangenheit ausschließlich durch die Kombination von CNC und SPS möglich war. Die erforderliche schnelle Peripherie (<1 ms) fand sich zunächst bei den Drive-Cliq-Komponenten der elektrischen Antriebe. Bei Drive Cliq handelt es sich um eine proprietäre Kommunikationsschnittstelle, die alle wesentlichen Antriebskomponenten des Systems „Sinamics“ verbindet, inklusive Motoren und Geber.

Ausgerüstet mit diesen Basiskomponenten – also der Drive-basierten Simotion-Variante, der Drive-Cliq-Peripherie (Analog-E/A-Modul) und einer Profibus-Anschaltung für die angeschlossenen Wegmesssysteme – nahmen die Projektpartner im Jahr 2006 die Umrüstung der Presse in Angriff. Im Zuge eines ersten Retrofitting-Schrittes erfolgte zunächst eine Verifizierung des speziell auf die Hydraulik zielenden Technologie-Objektes „TO-axis hydraulic“. Mit diesem und weiteren allgemein verwendbaren Technologie-Objekten der Simotion-Lösung, welche über Systemfunktionen und Systemvariablen ansprechbar sind, lassen sich vielfältige Aufgaben erledigen wie zum Beispiel Berücksichtigung der Ventilcharakteristik, Umschalten eines Ventils für verschiedene Achsen, separate Ansteuerung für Durchfluss und Druck (Q-/P-Ventil) oder auch Druck- und Temperaturregelung. Mit einem erreichten Regeltakt von 2 ms war die zunächst realisierte Lösung allerdings – gemessen an der Zielvorgabe – noch zu langsam. In 2007 wurde daher in einem zweiten Projektschritt die antriebsbasierte Motion-Control-Steuerung durch die PC-basiertes Version von Simotion ersetzt, welche unter dem Betriebssystem Windows XP Professional läuft und mit einer speziellen Echtzeit-Erweiterung ausgerüstet ist. Durch die offene PC-Basis kann das System jederzeit weitere Anwendungen ausführen, beispielsweise für die Prozessdaten-Auswertung. Konkret wurde Simotion P 350 V3 mit der Software-Version 4.1.1 installiert.

Kommunikation via Echtzeit-Ethernet

Weiterhin wurde auf eine wesentlich schnellere Peripherie-Ankopplung via Profinet IO mit IRT – IRT steht für Isochronous Realtime – umgestellt.

Die Hardware-Konfiguration der neuen Pressensteuerung unter Verwendung einer PC-basierten Motion-Control-Lösung und Profinet mit IRT als Kommunikationsmedium zur Anbindung der dezentralen Peripherie.

Profinet nutzt Industrial Ethernet als Basis für die Anbindung von Geräten aus der Feldebene bis in die Leitebene und vereint die industrielle Leistungsfähigkeit und die für Motion-Control-Applikationen erforderliche Deterministik in der Kommunikation mit den Vorteilen der modernen Bürokommunikation auf einem Bus. Auf der Grundlage von Profinet IRT mit einem Kommunikationstakt von 250 μs ergab die PC-basierte Controller-Lösung unter Verwendung des Technologie-Objektes „TO-axis hydraulic“ in Kombination mit der jetzt schnelleren Peripherie eine Klemme-Klemme-Reaktion von minimal 600 μs und einer Jittergüte kleiner 1 μs. Auf der Grundlage dieses Paketes war es jetzt tatsächlich möglich, 16 Hydraulikachsen inklusive einer virtuellen Leitachse, die für den nötigen Lagegleichlauf sorgt, mit 250 μs Regeltakt auf einer Motion-Control-Steuerung zu betreiben. Die Forscher und Entwickler am IWU können diese hohen Geschwindigkeiten nun beispielsweise nutzen, um dem Basisdruck des Ziehkissens noch eine Schwingung zu überlagern. „Dies führt dazu, dass der Stick-Slip-Effekt zwischen Halter und Blech verringert wird, und dass das Material kontinuierlicher fließen kann, was wiederum einen höheren Umformgrad zur Folge hat“, erklärt Michael Hoffmann.

Nicht zuletzt statteten die Projektpartner die Presse im Zuge der Modernisierung mit einer neuen Sicherheitstechnik auf der Basis einer fehlersicheren speicherprogrammierbaren Simatic-S7-Steuerung aus, welche unter anderem zwei Lichtvorhänge – vorne und hinten an der Presse – sowie eine Zweihandbedienung überwacht. Die Bedienoberfläche der Presse entstand mit WinCC flexible, dem HMI-System von Siemens.

Das Retrofit-Projekt am IWU ist mittlerweile abgeschlossen. Das Fazit von Dr. Hans Joachim Koriath, Leiter der Abteilung Systemtechnik: „Die Maschine ist sicherer geworden und bedienungsfreundlicher. Unter anderem können wir die Messwerte mit abspeichern und über den Hergang des erfolgten Umformvorganges ein Logbuch erstellen lassen. So haben wir wieder die Möglichkeit, Input für die Wissenschaft zu bekommen – beispielsweise dahingehend, ob die Prozessmodelle richtig sind oder ob sie daneben liegen. Und damit sind letztendlich Optimierungen möglich“.

Positiv bewerten die Fachleute des IWU auch, die mit Hilfe von Technologie-Objekten erstellte Software wieder zu verwenden beziehungsweise transferieren zu können. „Dies wird uns und unseren Kunden gerade in der Automobil-Industrie hilfreich sein. Hier geht es immer mehr darum, kleinere Serien zu realisieren, was wiederum ein oftmaliges Umrüsten bei immer kürzeren Umrüstzeiten erfordert.“

Autor

Jürgen Büssert ist Technologieverantwortlicher in der Branche Umformtechnik der Siemens-Division „Drive Technologies“.