Ruckfreies Be- und Entladen dank elektronischer Kurvenscheiben

Die Roboworker Automation GmbH mit Sitz in Weingarten entwickelt und fertigt Anlagen zum Be- und Entladen von Pressen und Werkzeugmaschinen. Seit mehr als sieben Jahren setzt Roboworker in seinen Sondermaschinen Steuerungstechnik von Beckhoff ein. Jetzt steuert das PC-basierte Twincat von Beckhoff auch alle Roboworker-Serienmaschinen, wie das Hochleistungs-Abnahmesystem RAG2.

Schnelle Steuerungstechnik mit kurzen Zykluszeiten

Herzstück dieser Maschine ist ein Drei-Achs-Roboter mit Greifer. Vorsichtig entnimmt dieser den Pressling aus der Presse, übergibt ihn der Qualitätskontrolle und legt ihn auf ein Tablett.

Die Abnahmesysteme RAG2 handhaben Pressteile aus formgebenden Pressen, Umformpressen und Stanzen. Das Greifen, Transportieren und Ablegen der Pressteile aus Metall- oder Keramikpulver, die die Vorprodukte von Wendeschneidplatten, Ventilsitzringen, Dichtungen oder Zahnrädern bilden, stellt eine große Herausforderung dar, weil die Presslinge noch sehr weich sind und leicht brechen. Zu große Greifkräfte oder unsanftes Ablegen durch ruckartige Bewegungen beschädigen den Pressling und machen ihn unbrauchbar.

Folglich wird eine Steuerungstechnik benötigt, mit der ein vorsichtiges Greifen des Presslings und ein ruckfreier Bewegungsablauf realisiert werden können – selbst bei höchsten Geschwindigkeiten. Eine extrem schnelle Steuerungstechnik mit kurzen Zykluszeiten und vielen Zusatzfunktionen, wie Motion Control und elektronische Kurvenscheiben in einem System, war der Ausschlag für Roboworker, auf Beckhoff-Steuerungstechnik zu setzen.

Offene Technik ermöglicht volle Leistungsausschöpfung

Kern der Steuerung des Abnahmesystems ist ein Industrie-PC C6140 mit Windows XP Pro als Betriebssystem und der Automatisierungssoftware Twincat PLC/NC I. Über einen Handheld erfolgt die Bedienung des Abnahmesystems. Die Visualisierung basiert auf Windows und läuft gemeinsam mit der Steuerung auf dem Industrie-PC.

Die Kommunikation zwischen Steuerung und Visualisierung erfolgt via Twincat ADS. Optional kann über die Ethernet-Schnittstelle des Industrie-PC eine Internetverbindung zur Fernwartung des Systems aufgebaut werden.

Die richtige Busklemme für jede Anwendung

Zur Einbindung sämtlicher Datenpunkte des Abnahmesystems in die Steuerung setzt Roboworker Beckhoff-Busklemmen ein. Je nach Ausführung des Abnahmesystems wird aus dem großen Sortiment an Busklemmen eine für die Anwendung optimale Kombination zusammengestellt.

So erfassen beispielsweise analoge Klemmen die Abmessungen des Presslings und serielle Schnittstellen die Daten der Wägezellen. Die weniger dynamischen Achsen der Greifer und des Tabletthandlings werden einfach und kostengünstig mit Schrittmotorklemmen gesteuert.

Dank der Offenheit der Beckhoff-Technik können alle Geräte mit ihren spezifischen Feldbussen bedient und damit die Leistung der Geräte voll ausgeschöpft werden. Zum Beispiel sind über Buskoppler die mit CAN-open angesteuerten, hochdynamischen Antriebe des Roboters in die Steuerung eingebunden.

Komplexität und Vielfalt beherrschen

Größe, Form und Material des Presslings sowie die geforderte Qualität und Ausbringungsmenge bestimmen Greifertyp, Tabletthandlingverfahren, Maschinenprozess und Zusatzfunktionen, wie Entgraten, Qualitätskontrolle und Pressstempelreinigen. Auf einigen Abnahmesystemen werden so bis zu 30 Teile pro Minute gehandhabt.

Derart hohe Taktraten können nur durch Parallelisieren von Prozessschritten erreicht werden. Beispielsweise wird ein Teil gewogen, während der Greifer ein anderes Teil von einer zweiten Waage auf das Tablett transportiert.

Diese komplexen Prozesse realisiert Roboworker mit Twincat PLC und Motion Control unter Echtzeit. Anwendungsspezifisch konfiguriert Roboworker die Applikationssoftware und stellt die zugehörigen Maschinenparameter ein. Roboworker nutzt Twincat jedoch nicht nur als Entwicklungs- und Laufzeitumgebung, sondern setzt das Twincat ScopeView auch für die Diagnose und Optimierung des Systems ein.

Optimierter Bewegungsablauf mit Kurvenschreiben

Der Greifer transportiert die druck- und stoßempfindlichen Presslinge ruckfrei von einer Bearbeitungsstation zur nächsten und legt sie schließlich vorsichtig auf das Tablett. Diesen komplizierten Vorgang realisiert Roboworker mit der Kurvenscheibenfunktion der Twincat-Software.

Zurzeit nutzt Roboworker die Camming-Funktion nur zur Optimierung von Geschwindigkeit, Beschleunigung und Greiferhandling. Dazu wird die Bahnkurve als Polynom fünfter Ordnung definiert und darüber die Slave-Achse mit der Master-Achse verbunden.

Zukünftig werden die Kurvenscheiben auch zur Zeitoptimierung genutzt, indem die X-, Y- und Z-Achse an eine virtuelle Zeitkurve gekoppelt werden. So ist ein Durchlaufbetrieb ohne Wartezeiten möglich, was die Hubzahl erhöht und den Energieverbrauch reduziert.

Optimale Synchronisation von Presse und Abnahmesystem

Zur Realisierung eines reibungslosen Ablaufs müssen Presse und Abnahmesystem synchronisiert arbeiten. Je nach Anwendung ist dieser Synchronisationsprozess unterschiedlich komplex: Bei einfachen Pressen erfolgt die Kommunikation der Maschinenstatusüber digitale Schnittstellen.

Bei aufwändigeren Abstimmungen kommunizieren die Presse und das Abnahmesystem über CAN-open oder Profibus miteinander. Presse und Handhabungsgerät stimmen miteinander ab, wann ein Teil fertig ist und abgenommen werden muss und wann der Greifer sich nicht im Pressenraum befinden darf. Die Presse übernimmt zudem die mit dem Abnahmesystem aufgenommenen Daten, wie Gewicht und Maße des Presslings, und bestimmt – darauf basierend – die Füllmenge und die Presskraft für den nächsten Pressschritt.

Dr. Ursula Frank ist Projektmanagerin R&D-Kooperationen bei der Beckhoff Automation GmbH.