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Motion-Aufgaben mit Software statt Mechanik lösen

Im linearen Transportsystem XTS sind die Vorteile von Rotations- und Linearsystemen vereint

Im linearen Transportsystem XTS sind die Vorteile von Rotations- und Linearsystemen vereint

01  Der XTS-Demonstrator zu Industrie 4.0 veranschaulicht einen innovativen Fertigungsprozess, bei dem die ermittelten Condition-Monitoring- und Energiedaten zusammen mit ­denen einer zweiten Beispielanlage in der Cloud gespeichert werden

01  Der XTS-Demonstrator zu Industrie 4.0 veranschaulicht einen innovativen Fertigungsprozess, bei dem die ermittelten Condition-Monitoring- und Energiedaten zusammen mit ­denen einer zweiten Beispielanlage in der Cloud gespeichert werden

02  Durch zwei Mover mit unterschiedlich angebrachten ­Linearführungen lässt sich über die relative Bewegung der Mover zueinander auf einfache Weise ein XY-Positioniertisch aufbauen – wie bei diesem Demonstrator mit manuellem (rechts) und automatisch folgendem Positioniertisch

02  Durch zwei Mover mit unterschiedlich angebrachten ­Linearführungen lässt sich über die relative Bewegung der Mover zueinander auf einfache Weise ein XY-Positioniertisch aufbauen – wie bei diesem Demonstrator mit manuellem (rechts) und automatisch folgendem Positioniertisch

03  Bei diesem S-förmigen XTS-Demonstrator wird als ­Condition-Monitoring-Beispiel über den Abstand der Geberfahne zum Motormodul erkannt, wenn beim „Wettrennen“ der beiden Mover eine der Kugeln aus der Schale fällt

03  Bei diesem S-förmigen XTS-Demonstrator wird als ­Condition-Monitoring-Beispiel über den Abstand der Geberfahne zum Motormodul erkannt, wenn beim „Wettrennen“ der beiden Mover eine der Kugeln aus der Schale fällt

Das Exended Transport System (XTS) eröffnet neue Lösungsansätze zur Realisierung besonders kompakter und hochdynamischer Maschinenkonzepte. Dabei kann man Bewegungsaufgaben, die sich mechanisch kaum oder nur sehr aufwendig lösen lassen, komfortabel und flexibel per Software realisieren. ­Innovationspotenziale erschließen sich überall dort, wo Kreativität und ­Maschinenbau zusammenfließen – egal ob bei der einfachen Linearbewegung eines „Schlitten-Movers“ oder als intelligentes Transportsystem innerhalb eines Industrie-4.0-Konzepts.

Die Innovationspotenziale des XTS von Beckhoff sind keineswegs auf hochkomplexe Bewegungsabläufe ­beschränkt. Vielmehr bietet das System hinsichtlich der Applikationsanforderungen, zum Beispiel an Geome­trie, Mover-Anzahl und Funktionsumfang, fein skalierbare ­Anpassungsmöglichkeiten. Dies beginnt bei einfachen ­Anwendungen, wie der rein linearen Bewegung eines Schlitten-Movers und der Erweiterung durch einen zweiten Mover zu einem XY-Tisch. Mit dem Schließen der modular aufgebauten Geometrie aus Motormodulen und Führungsschienen entsteht ein Endlos-Linearsystem mit einer dem jeweiligen Bedarf anpassbaren Mover-Anzahl. Durch die Kombination mehrerer XTS, die Nutzung umfassender Twincat-Funk­tionsbausteine sowie die Integration der Robotik lässt sich die Komplexität weiter steigern. Wird all das zusammen mit Condition Monitoring und objektorientierter Steuerungsprogrammierung konsequent genutzt, ergibt sich ein ganz im Sinne von Industrie 4.0 hochintelligentes Maschinen- bzw. Produktionsmodul (Bild 1).

Einfacher Schlitten-Mover und XY-Tisch-Funktionalität
Bereits bei einfachen Linearbewegungen bietet XTS durch die dynamischen Bewegungsmöglichkeiten in Verbindung mit dem Ersetzen von Mechanikfunktionen durch Software zahlreiche Vorteile. Es übernimmt dabei die Aufgaben eines „normalen“ Linearmotors mit beweglichem Schlitten, allerdings mit deutlich besseren Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Applikation: Mit einem oder mehreren Motormodulen lässt sich die Länge ohne großen Aufwand entsprechend der Anwendung wählen. Außerdem sind bei Bedarf auch mehrere der kabellosen Mover einsetzbar, was die Flexibilität in der Anwendung erhöht.
Ein Beispiel, wie sich die Bewegungskomplexität mit geringem mechanischen Aufwand erhöhen lässt, ist die Funktionalität eines XY-Tischs (Bild 2). Hierfür wird der Schlitten-Mover einfach mit einem konventionellen Linearlager ausgestattet und um einen zweiten Mover mit einer um 45° verdrehten Linearführung ergänzt. Die gewünschte Bewegung in X-Richtung lässt sich nun durch gemeinsam und gleichartig bewegte Mover realisieren. Eine relative Bewegung der Mover zueinander erzeugt über die beiden Linear­führungen die passende Y-Bewegung, um beliebige, auch kreisförmige Bewegungen, zum Beispiel für das Aufbringen von Klebstoff, zu erreichen.
Auch hierbei kommen die systembedingten Vorteile von XTS zum Tragen: Das Transportsystem ist sofort nach der Montage betriebsbereit. Da Leistungselektronik sowie Weg-erfassung in den XTS-Motormodulen enthalten und die Mover vollkommen passiv sind, entfallen die Kalibrierung des Messsystems sowie die bei konventionellen XY-Tischen erforderlichen, verschleißbehafteten Schleppketten. So erhält man ein kompaktes, langlebiges und hochdynamisches XY-System. Mit weiteren Movern und entsprechender ­Kinematik ist auf analoge Weise auch eine XYZ-Bewegung realisierbar.

04  Kombiniert zu einem Vollkreis lässt sich mit XTS auch ein Rundtakttisch realisieren, bei dem mit einer angepassten Führungsschiene auch größere Massen – wie hier mit Wasser gefüllte 5-l-Kanister – hochdynamisch bewegt werden können

04  Kombiniert zu einem Vollkreis lässt sich mit XTS auch ein Rundtakttisch realisieren, bei dem mit einer angepassten Führungsschiene auch größere Massen – wie hier mit Wasser gefüllte 5-l-Kanister – hochdynamisch bewegt werden können

05  Auch die Kombination mehrerer, in beliebiger Einbaulage nutzbarer XTS-Systeme erschließt Effizienzpotenziale, wie dieser Demonstrator für eine dynamische und hochflexible Kugelsortierung zeigt

05  Auch die Kombination mehrerer, in beliebiger Einbaulage nutzbarer XTS-Systeme erschließt Effizienzpotenziale, wie dieser Demonstrator für eine dynamische und hochflexible Kugelsortierung zeigt

06  Twincat sorgt mit der direkten Integration der Robotik in die Standardsteuerungstechnik für vereinfachtes Engineering und minimierte Bearbeitungszyklen

06  Twincat sorgt mit der direkten Integration der Robotik in die Standardsteuerungstechnik für vereinfachtes Engineering und minimierte Bearbeitungszyklen

07  Das zu bearbeitende Produkt wird mit XTS in der Regel mit dem gleichen Mover durch den gesamten Prozess transportiert und lässt sich über das Softwaremodell des Movers in Twincat immer eindeutig identifizieren

07  Das zu bearbeitende Produkt wird mit XTS in der Regel mit dem gleichen Mover durch den gesamten Prozess transportiert und lässt sich über das Softwaremodell des Movers in Twincat immer eindeutig identifizieren

Endloser Linearantrieb mit modularer Geometrie
Durch den modularen Aufbau von XTS lässt sich nicht nur die Streckenlänge optimal an die jeweilige Applikation anpassen, sondern in Verbindung mit 180°-Kurvenmodulen auch eine geschlossene Strecke und damit ein Endlos-Linearsystem aufbauen. Hinzu kommen verschiedene gebogene Motormodule – 22,5° als Innen- und Außenläufer sowie 45° als Außenläufer – mit denen nahezu beliebige Streckenverläufe möglich werden. Beispiele sind ein S-förmiger Verlauf (Bild 3) und ein Vollkreis (Bild 4).
Die Mover bleiben selbst bei den Kurvenfahrten unter der vollen Kontrolle des Steuerungsrechners, sodass auch in den Umlenkpunkten kontrollierte Bewegungen, das heißt definierte Prozessabläufe, realisierbar sind. Auf diese Weise kann das Transportsystem entsprechend der Maschinenkons­truktion adaptiert werden. Auch das genannte Prinzip des XY-Tischs funktioniert in einem solchen Endloslauf. In diesem Fall profitiert man von beweglichen Positionier­tischen, die endlos von einer Bearbeitungsstation zur anderen fahren können, um zum Beispiel Klebstoff aufzubringen oder Verpackungsdeckel aufzupressen.
Eine der vielen Anwendungsmöglichkeiten eines kreisförmigen XTS-Systems sind Rundtaktmaschinen. Mit den aktuellen Motormodulen lässt sich entweder ein ca. 1,60 m durchmessender Vollkreis (22,5°-Module) oder ein rund 70 cm durchmessender Kreis (45°-Module) realisieren. Dabei können – wie in Bild 4 zu sehen – mit einer alternativen Führungsschiene auch größere Massen bewegt werden. Schließlich liefern die Motormodule ihre Dynamik mit ­hohen Kräften von bis zu 100 N. Hinzu kommt, dass sich das XTS-Anwendungsspektrum durch spezielle Führungsschienen von Drittanbietern zusätzlich erweitert, zum ­Beispiel für hohe Temperaturen, aggressive Medien oder starke Verschmutzungen.
Dabei ist das XTS für die im Grunde recht einfache Anwendung Rundtakttisch keineswegs zu kostspielig oder komplex. Sobald lediglich einer der vorgesehenen Bearbeitungsschritte deutlich länger dauert als die anderen, könnte man beispielsweise diese Station mehrfach vorsehen, dies per Software in den Prozessablauf übertragen und so mit wenig Aufwand den Maschinenausstoß deutlich erhöhen. Weitere Vorteile ergeben sich durch die hohe Dynamik von XTS. So zeigen Erfahrungswerte, dass der konventionelle Rundtakttisch bei einer gewünschten Taktzeit von einer Sekunde ­bereits ab einem Durchmesser von 70 cm deutlich teurer ist. Hinzu kommen die geringeren zu bewegenden Massen, was zum einen Mechanik und zum anderen Energie einspart.

Komplexe Geometrien und Bewegungen
Weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Komplexität und damit zur Lösung umfassender Maschinenaufgaben ergibt die Kombination mehrerer Transportsysteme, wobei die Einbaulage des jeweiligen XTS frei wählbar ist. Dies zeigt ein Demonstrator mit einem Endlos- und zwei senkrecht dazu positionierten linearen XTS. Auch hier ist jeder einzelne Mover als eine Servoachse abgebildet, die alle über nur einen Industrie-PC von Beckhoff mit Twincat ­gesteuert werden. So lassen sich beispielsweise effizient Produkte sortieren sowie Produktwechsel flexibel und schnell umsetzen.
Nicht nur in Verbindung mit solch komplexen Geometrien, sondern bei allen XTS-Ausführungen können die realisierten Bewegungsfunktionen weit über das einfache „Fahre von A nach B“ hinausgehen. So bieten sich zur Kollisions- und Ruckvermeidung beispielsweise das automatische ­Aufstauen mehrerer Mover oder das gegenseitige Aufsynchronisieren, zum Beispiel für Halte- oder Rüttelvorgänge beim Verpacken beziehungsweise für die genannte XY-Funktion, an. All dies und auch weitere anwendungsspezifische Bewegungsfunktionen lassen sich mit Twincat über fertige Motion-Bausteine einfach umsetzen, ohne dass die Komplexität der Bewegung zur hohen Komplexität im Engineering führt. So ist quasi jeder Mover als objektorientierter Programmteil instanziiert, was elementare Grundfunktionen, wie „Dynamischer Stau mit Abstandskontrolle“, auf reines Parametrieren reduziert und durch effiziente Programm­abläufe zudem zu schnelleren Maschinenzyklen führt.

Robotik wird zum integralen Bestandteil
Wenn noch komplexere Bearbeitungsvorgänge gefordert sind, kann XTS nahtlos mit der Robotik verzahnt werden (Bild 6). Hierfür bietet die Twincat Kinematic Transformation vier verschiedene Level, bis hin zu Level 4 mit serieller 6-Achs-Kinematik, Hexapod und 5D-Kinematiken. Über die Bibliothek „mxAutomation“ können zudem direkt aus der SPS heraus Befehle an einen Kuka-Roboter mit KR-C4-Steuerung verschickt werden. Roboter von Stäubli lassen sich ebenfalls komfortabel in Twincat einbinden.
Dabei profitieren Anwender von der hohen und bedarfsgerecht skalierbaren Rechenleistung der Industrie-PC von Beckhoff, die auf einer CPU sowohl die XTS-Bewegungen als auch die Roboterkinematiken abarbeiten können. Dies vereinfacht das Programmhandling sowie die Synchronisierung der Teilabläufe. Zudem entfallen die üblichen Schnittstellen zwischen Standard- und Robotersteuerung, was den Variablenaustausch vereinfacht.

Intelligentes Industrie-4.0-Modul für den individuellen Produkttransport
XTS bietet viel Innovationspotenzial, um Produktionsabläufe effizient und vor allem flexibel zu gestalten. Alleine schon deshalb eignet es sich aus Sicht von Industrie 4.0 als modernes Maschinenelement (Bild 7). Mit einem genaueren Blick wird dies noch deutlicher: Im traditionellen Verpackungs- oder Montageprozess wird das Produkt über ein Transportsystem weitergeführt und muss immer wieder erkannt,
gegriffen und unter Umständen auch analysiert werden. Gerade in sensiblen Bereichen, wie der Medizin- oder Lebensmitteltechnik, bedeutet dies einen immensen Aufwand an Mechanik und Sensorik. Mit XTS wird das jeweilige Produkt hingegen in der Regel einmal aufgenommen und danach mit dem gleichen Mover durch den gesamten Prozess transportiert. Dementsprechend weiß das Steuerungsprogramm jederzeit, wo und in welchem Zustand sich das Produkt befindet.
Unterstützt wird dies durch den objektorientierten Programmieransatz von Twincat, bei dem jeder Mover als Softwaremodul abgebildet wird. Mit dieser direkten Zuordnung von Mover-Abbild und Produkt erreicht man bereits heute quasi das von Industrie 4.0 als Zukunftsvision definierte intelligente und selbstorganisierende Produkt. So können mit jedem Mover als Softwareinstanz ohne großen Aufwand nicht nur die aktuellen Prozessschritte „mitgeführt“ und dokumentiert werden, sondern beispielsweise auch Qualitätsdaten und Fehlermeldungen. Diese Informationen lassen sich direkt im Produktionsablauf nutzen.
Tritt beispielsweise beim Sterilisieren einer Lebensmittelverpackung ein Fehler auf, kann diese über den Mover eindeutig definierte Verpackung durch den gesamten Prozess geschleust werden, ohne bedruckt und befüllt zu werden. Am Ende wird lediglich die leere Verpackung als Schlechtteil ausgeschleust und weder Druckmaterial noch Befüllungsgut verschwendet. Auch den Durchlauf des Prozesses regelt jedes einzelne Mover-Programm selbst, zum Beispiel indem es automatisch die nächste Bearbeitungsstation ansteuert, sobald der vorangehende Mover diese Stelle verlassen hat.
Dabei bietet XTS systemintegriert bereits zahlreiche Systemdaten, die sich zusätzlich für eine effiziente Prozesssteuerung nutzen lassen. So überwacht der in Bild 3 gezeigte Speed-Control-Demonstrator kontinuierlich den Abstand der Geberfahne des Movers zum Motormodul. An diesem Wert erkennt die Software, ob sich das Mover-Gewicht geändert hat, also, ob die Kugel bei zu schneller Fahrt aus der Schale gefallen ist. Nutzen lässt sich dieser Wert in vielerlei Hinsicht: Ist das zu bearbeitende Produkt noch im Werkstückträger? Stimmt nach der Bearbeitung das Gewicht? Wurde zu viel oder zu wenig Klebemasse aufgebracht? Aber auch das typische Condition Monitoring profitiert davon, indem sich beispielsweise Verschmutzungen der Führungsschiene oder Lager- bzw. Rollenschäden erkennen lassen. (no)

Uwe Prüßmeier ist Produktmanager Feldbussysteme, Antriebstechnik und XTS bei der Beckhoff Automation GmbH & Co. KG in Verl. info@beckhoff.de

Uwe Prüßmeier ist Produktmanager Feldbussysteme, Antriebstechnik und XTS bei der Beckhoff Automation GmbH & Co. KG in Verl. info@beckhoff.de