22.07.2010

Vielseitiger Handlanger: Antriebsbasiertes Motion- Control-System für Tripoden

Mit modularer Mechanik und standardisierter, auf das Umfeld ausgerichteter Automatisierung deckt ein Delta-3-Roboter ein breites Einsatzspektrum ab. Der Tripode kann bis zu 1kg Gramm Nutzlast auf 1/10 mm genau positionieren und dabei mit mehr als 10g beschleunigen. Die hier beschriebene Ausführung mit antriebsbasiertem Motion-Controller und Servomotoren fokussiert sich auf Anwendungen im weiten Feld des Maschinenbaus. Eine CNC-gesteuerte Variante soll folgen.

Autoren: Alexander Höhn, Siemens AG;
, AFS Maschinenbau GmbH.


Wenn Gewerke verschiedener Hersteller zu integrieren und miteinander zu verknüpfen sind, kommt es auf die Anpassung der mechanischen und elektrischen Schnittstellen an. Dementsprechend hat die AFS-Maschinenbau GmbH aus Kesselsdorf bei Dresden agiert - bei der Entwicklung ihres neuen Tripoden T3, eines vielfältig einsetzbaren Handling-Roboters mit Delta-3-Kinematik für Pick&Place-, Handling-, Verpackungs- und Montageaufgaben. Auch bei der Entwicklung eines möglichst flexibel einsetzbaren Bindeglieds zwischen ihren eigenen Komponenten und schon vorhandenen Förderstrecken, Bearbeitungsstationen oder Maschinen fand die Anpassung der Schnittstellen große Beachtung. Das achtköpfige Team um Geschäftsführer Matthias Gabel konzentriert sich auf die Entwicklung, Konstruktion, Montage und Inbetriebnahme kundenspezifisch ausgeführter Fördertechnik, Prüfanlagen und Sondermaschinen. Bei Bedarf nutzt AFS die Fertigungskapazitäten und -kompetenzen der keinen Steinwurf entfernten Flammger, Zudse & Co. GmbH, sodass auch größere Aufträge bzw. Stückzahlen realisiert werden können.

Flexibel und offen angelegt


Aufgrund der Anforderungen hat sich AFS-Maschinenbau von vornherein für größtmögliche Offenheit und Kompatibilität zu gängigen Steuerungsfabrikaten entschieden. Das Unternehmen bietet sein 'Handling-Modul' in verschiedenen mechanischen Aufbauvarianten (mit Vierbein-, Dreibein- oder ganz ohne Gestell) sowie mit unterschiedlicher Automatisierungstechnik an. Auf diese Weise lässt sich ein breites Anwender- und Anwendungsspektrum abdecken. Für den Einsatz im allgemeinen Maschinenbau, zur Verbindung bzw. schnellen Ver- und Entsorgung (kontrolliertem Ablegen/Stapeln) von Maschinen und Anlagen, hat sich AFS für eine durchgängig auf Automatisierungstechnik von Siemens basierende Lösung entschieden. Sie ist in vielen Branchen weltweit spezifiziert, was die Schnittstellenprob­leme reduziert.

Schulung beim Hersteller genutzt


Vorausgegangen war ein Besuch des Technologie- und Applikations-Centers (TAC) bei Siemens in Erlangen. Dort konnten sich die Entwickler an einer vergleichbaren Systemlösung von der Funktionsweise und Funktionalität überzeugen. Dreh- und Angelpunkt der Siemens-Lösung von AFS ist ein antriebsbasierter Motion Controller Simotion D435 (Standard Performance), der über kompakte und leise Servomotoren der Baureihe 1FK7 die Delta-3-Kinematik steuert. Ausgewählt und ausgelegt wurde das System von der Siemens-Fachberatung in Dresden, die später auch bei der ersten Inbetriebnahme vor Ort unterstützt hat. Anschließend hat ein Motion-Control-Spezialist aus Erlangen die in das Simotion-System implementierte Delta-3-Kinematik an die Spezifikationen des Auftraggebers angepasst. Im Gegenzug war ein Software-Entwickler von AFS zur Schulung beim Hersteller, um den Umgang mit Simotion D und die Arbeit mit dem Engineering-Tool Simotion Scout zu lernen. Dabei hat sich schnell gezeigt, dass das durchgängig grafisch gestützte Arbeiten mit Scout einfach von der Hand geht. Der Software-Entwickler konnte in kurzer Zeit z.B. Drehzahl- und Lageregelung sowie Achsverknüpfungen sicher anwenden. Ziel und Anspruch war es, das neue Steuerungssystem schnell zu beherrschen, es in eigener Regie programmieren, pflegen und warten zu können.

Integration in komplexe Anlagen


Um die Integration des Roboters in komplexe Anlagen zu ermöglichen, kann der Anlagenbauer oder Anwender ihn selbst programmieren. Je nach Tiefe der Integration ist entsprechend geschultes Personal beim Anlagenbauer bzw. Anwender notwendig. Bei der Antriebs-Hardware im Schaltschrank kann AFS-Maschinenbau GmbH flexibel auf Anwenderwünsche reagieren. Auch ein Fernzugriff für Diagnose und Wartung lässt sich einrichten. Dabei ermöglicht die Durchgängigkeit des Systems von Siemens Einsicht bis ins letzte Bit des Antriebssystems. Die Siemens-typische, systemweite Durchgängigkeit bei Projektierung/Programmierung, Kommunikation und Datenhaltung vereinfacht die Anbindung eines Bediengeräts an den Motion Controller. AFS hat das (mittlerweile direkt in Scout integrierte) Visualisierungssystem Simatic WinCC flexible genutzt und strukturell bereits alles dafür vorbereitet.

Genügend Leistungsreserven


Mit der Ausrüstung von Siemens können AFS-Tripoden mit wenig Aufwand in vorhandene und neue Anlagen integriert bzw. damit verknüpft werden. Umgekehrt kann auch der Roboter ins Zentrum gestellt werden. Das gewählte Simotion-Gerät bietet neben umfassenden Motion-Control-Funktionen die erforderlichen SPS-Funktionalitäten und genügend Leistungsreserven, um z.B. vor- oder nachgelagerte Anlagenteile darin einzubeziehen. Simotion unterstützt das Arbeiten mit und in verschiedenen Koordinatensystemen, was die Umsetzung derartiger Lösungen vereinfacht. Darüber hinaus ist auch der Betrieb von zwei Tripoden an einer Simotion denkbar. Das spart Hardware und Kosten.

Modulares Antriebskonzept


Der modulare Aufbau des Simotion­Sinamics-Verbandes und die Verbindung, d.h. Kommunikation aller Antriebskomponenten - von der Control Unit über die Leistungsteile (Motor Modules) bis hin zu den Motoren und Gebern - über den digitalen Systembus DriveCliq bringt weitere Vorteile. Einfache Steckverbindungen beschleunigen die Inbetriebnahme vor Ort. Im Wartungsfall können einzelne Module schnell einzeln ersetzt werden, was die Stillstandszeiten reduziert. Weiteres Einsparpotenzial ergibt sich in Verbindung mit den Servomotoren von Siemens, die sich über ihr 'elektronisches Typenschild' gleichsam automatisch bei der Control Unit anmelden und somit nicht aufwändig (und fehlerträchtig) von Hand parametriert werden müssen. Alle relevanten Daten sind auf einer CF-(Compact Flash)-Card in der Simotion Control Unit gespeichert, die bei Bedarf in eine neue Baugruppe gesteckt werden kann. Der Austausch mit der Peripherie erfolgt über taktsynchrone Profibus-DP-Kommunikation.

Präzision und Dynamik


Präzision und Dynamik waren zwei wesentliche Forderungen an den in stabiler Leichtbauweise für hängende Montage konzipierten T3. Bei einer Nutzlast von 1.000g beschleunigt der Tripode mit bis zu 100 m/s² und erreicht eine maximale Verfahrgeschwindigkeit von 10m/s. Die Positioniergenauigkeit beträgt dabei 0,1mm und die Winkelwiederholgenauigkeit 0,4Grad. Der kreisrunde Arbeitsbereich der Standardmaschine hat einen Durchmesser von 1.100 mm. Die maximale Verfahrhöhe des Kopfes beträgt 300mm. Bis zu 130 Arbeitszyk­len pro Minute sind damit möglich, bei reduzierter Nutzlast auch mehr. Bei einer Nutzlast von 300g wurden bereits 180 Zyklen erreicht. Dabei hält sich auch die Geräuschentwicklung mit unter 70dB(A) in Grenzen. Das Gerät ist wartungsarm und reinigungsfreundlich aufgebaut.

Testprogramm im Dauerbetrieb


Der T3 wird seit über einem Jahr mit einem alle Kernfunktionen abdeckenden Testprogramm (Umsortieren, Nachzeichnen des AFS-Logos, Produktbeleimung) im Dauerbetrieb getestet und hat die Ansprüche seiner Entwickler erfüllt. Kurz vor der Implementierung steht die Funktion 'Produkt werfen', womit sich geeignete Teile aus einer Maschine entnehmen und geordnet in entsprechende Behälter werfen lassen. AFS liefert den Tripoden vormontiert, kalibriert und anschlussfertig aus, auf Wunsch auch ohne Gestell zur Integration in Maschinen und Anlagen anderer Maschinenbauer.

Modulare Sicherheit inklusive


Die Sicherheit für Mensch und Maschine wird im einfachsten Fall (wie hier) über konventionelle Sicherheitsschaltgeräte der Reihe Sirius 3TK28 von Siemens realisiert. Alternativ lässt sich der Simotion-Controller auch via Profibus oder Profinet und das Profisafe-Profil an eine überlagerte Sicherheitssteuerung (z. B. Simatic S7-300F) anbinden. Eine weitere Möglichkeit bieten die ins Antriebssystem Sinamics S120 integrierten Sicherheitsfunktionen, darunter 'Sicherer Halt' (Safe Torque Off, STO) und 'Sicher reduzierte Geschwindigkeit' (Safely Limited Speed, SLS). Auch diesbezüglich bestimmt die Anwendung, welcher der technisch und wirtschaftlich optimale Ansatz ist. Von AFS entwickelt wurde eine an drei Punkten gelagerte transparente 'Schwinghaube' die den Arbeitsraum absichert und den Roboter bei zu starken Schwingungen oder Eingriffen von außen automatisch abschaltet.

NC-Variante in Vorbereitung


Auf Anwenderwunsch kann das Automatisierungssystem 1:1 auf eine CNC-Plattform übertragen und dann von jeder CNC-Fachkraft programmiert werden. Dazu müssen lediglich die Simotion Control Unit im Antriebsverband und das Operator Panel durch entsprechende Pendants aus der Sinumerik-Welt ersetzt und angepasst werden. Die Voraussetzungen dafür sind bereits gegeben: Die aktuelle CNC-Steuerungsgeneration Sinumerik 'sl' ist wie der Motion Controller Simotion D in das Antriebssystem Sinamics S120 integriert und die Delta 3-Kinematik lässt sich mit geringem Aufwand umrechnen und portieren.

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