Trend bei mechatronischen Automatisierungslösungen: Integration von Maschinenteilen

Königsdisziplin neu aufgerollt

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Ein Trend bei mechatronischen Automatisierungslösungen heißt vertikale Integration von Maschinenteilen: So integriert die vorgestellte Formatverstellung die Steuerungs- und Leistungselektronik, Sensorik und Teile der Mechanik mit jahrzehntelanger Motioncontrol-Erfahrung in einem Gerät. Der diskrete Aufbau von Achsautomatisierungen mit Steuerung, Umrichter und Antrieb wird vermieden und der Installationsaufwand deutlich reduziert. Gleichzeitig steigt die Produktivität der Maschine und der Bedienkomfort.

Die Automatisierung komplexer Montage- und Fertigungsprozessen ist die Königsdisziplin der Ingenieure. Masseberechnungen für die Auslegung der Motoren, Berechnungen der Spannungsversorgung, Synchronlauf mit anderen Maschinenteilen und Kollisionsvermeidung sind nur einige der Überlegungen, die zur Automatisierung einer ganzen Maschine angestellt werden. Hier führen nur jahrelange Erfahrung, tiefgreifendes Expertenwissen und Know-how aus den Bereichen Kinematik, Algorithmik und Regelungstechnik zu effizienten Lösungen.

Diese bestehen dann meist aus einer Industriesteuerung, einem Umrichter, einem Antriebsmotor und entsprechender Sensorik. Je nach Auslegung der Maschine wird eine zentrale, übergeordnete Maschinensteuerung oder eine dezentrale Steuerung für Subsysteme eingesetzt, welche wiederum mit der übergeordneten Steuerung beispielsweise per Feldbus kommuniziert. Die Umrichter- und Antriebstechnik ist dezentral installiert und an die Energieversorgung angeschlossen. Die notwendigen Sensoren kommunizieren erst seit jüngster Zeit per Feldbus mit der Steuerung.
Häufig findet man auch noch Verkabelungen für die serielle Kommunikation, die sternförmig von der verantwortlichen Steuerung ausgehen. Ein solch diskreter Aufbau erfordert intensive Verkabelungsüberlegungen. Mit steigender Anzahl von Achsen und Geräten münden diese Überlegungen schnell in eine wesentliche Kostenposition.
Auch der derzeit florierende Maschinenbau ist bemüht, die Kosten zu reduzieren. Für kleine Maschinen ist der diskrete Aufbau nicht rentabel. Die Formatverstellung GEL 611x aus der Mo- tionline von Lenord+Bauer integriert die notwendigen Technologien der Informatik, Elektronik und Mechanik in einem Gerät und ist somit die Reaktion auf die Anforderungen von Maschinenbauern, die effizientere Automatisierungslösungen einsetzen wollen.
Einsatzmöglichkeiten der Motionline-Formatverstellung
Die Formatverstellung wurde im Wesentlichen für Verstellachsen konzipiert, die Maschinen auf unterschiedliche Produktformate umrüsten und zuvor vielleicht durch Handräder oder Kurbeln (inklusive notwendiger Verstellbremsen) bedient wurden. Prinzipiell sind sie aber auch für große Maschinen geeignet und unterstützen somit den schaltschranklosen Aufbau. Der Umrüstung bestehender Maschinen, wie auch dem Einsatz bei Neumaschinen steht somit nichts im Wege, da die Formatverstellung sowohl als Subsysteme in komplexen Anlagen den bisherigen Aufbau ersetzt, wie auch als Standalone-Systeme in einfachen Maschinen betrieben werden kann.
Als weitere Variante können die Motionline-Formatverstellungen auch als Systemverbund betrieben werden, welcher aus mindestens zwei und maximal 60 Geräten besteht. Über eine Daisychain-Topologie, welche sowohl Energie als auch Informationen transportiert, werden die Geräte mit einem speziellen Kabel verbunden. Die Steuerung des Verbundes erfolgt an einem beliebigen Gerät. Soll dieser Systemverbund nur in einem Teil der Maschine eingesetzt werden, kann er mittels eines Feldbus-Gateways an eine übergeordnete Steuerung angebunden werden.
Als Komponente so einfach wie ein Handrad
Bei der Entwicklung der Formatverstellung wurde darauf geachtet, dass das System einfach zu bedienen ist und den Nutzer von der Komplexität vorheriger Lösungen entlastet. So wird jedes Gerät über ein einfaches 4-Button-Bedienpanel auf der Oberseite bedient. Das abnehmbare Display mit alphanumerischer Anzeige und zwei Diagnose-LEDs gibt stets Auskunft über Position der Achse und Funktion des Gerätes. Zur Einrichtung der Maschinenformate können hier mittels Teach-In bis zu 99 Posi- tions- und Kraftinformationen hinterlegt bzw. diese über einen Tipp-Betrieb optimiert werden. Hier ist auch – für den Fall der Fälle – eine Not-Handverstellung wie bei einem Handrad möglich.
Die kompakte Formatverstellung wird mit einer Schutzkleinspannung von 24 V betrieben und ist derzeit in der Leistungsklasse von 5 Nm (GEL 6111) verfügbar. Weitere Varianten mit 10 Nm (GEL 6112) und 20 Nm (GEL 6113) befinden sich derzeit in der Erprobung und decken die häufigsten Drehmomentanforderungen der Industrie ab. Auch schnelle Formatwechsel sind durch Umdrehungsgeschwindigkeiten von 60 min-1 realisierbar. Zur mechanischen Integration bietet die Formatverstellung eine eigengelagerte Hohlwelle mit einem Durchmesser bis 20 mm sowie geeignete Drehmomentstützen.
Für eine präzise absolute Reproduzierbarkeit der Formate werden selbsthemmende Getriebe zusammen mit Sensortechnik von Lenord+Bauer genutzt. Das stellt sicher, dass eine einprogrammierte Position mit einer Genauigkeit von einem Winkelgrad immer wieder angefahren werden kann. Für übliche Spindeln mit einer Steigung von 10 mm bedeutet dies eine Positioniergenauigkeit von 0,1 mm.
Volle Leistung im Systemverbund
Je nach Betriebsart werden für die elektrische Integration verschiedene Schnittstellen angeboten. Für den Betrieb als Subsystem stehen derzeit die Busprotokolle Profibus-DP, CANopen und Ethercat zur Verfügung. Für den Betrieb als autarker Systemverbund wird eine CAN-Bus-Variante gewählt, die zahlreiche Zusatzfunktionen bietet. So erlauben voll aufeinander abgestimmten Geräte im autarken Systemverbund unter anderem ein effizientes Energiemanagement, ein synchrones Verfahren und echtes Plug & Play.
Was heißt das? Bei komplexen Anlagen ist festzustellen, dass das gleichzeitige Verfahren der Achsen häufig an die Grenzen der Energieversorgung stößt. Die aufeinander abgestimmten Komponenten stellen durch optimiertes Gruppenverfahren sicher, dass die maximal notwendige Energie niemals die Energieversorgung der Maschinen überfordert. Das synchrone Verfahren ist bei den Motionline-Formatverstellungen ohne übergelagerte Steuerung realisierbar und ein echtes Plug & Play ist möglich. Der Einbau oder Austausch einer weiteren Komponente kann ohne zusätzlichen Inbetriebnahmeaufwand erfolgen, da programmierte Formate im Verbund gespeichert und übertragen werden. Dies heißt auch, dass der Ausfall einer Komponente durch einen einfachen Austausch und ohne Programmierung „geheilt“ werden kann (Heilung durch Modulwechsel) und ein unerwarteter Netzausfall nicht zum Datenverlust führt.
Hersteller und Betreiber von Maschinen profitieren
Die Formatverstellung GEL 611x eignet sich somit für das ganze Spektrum der Automatisierungsaufgaben zur Achssteuerung. Dabei ersetzt sie nicht nur einfachste Funktionen wie ein Handrad, sondern integriert sich einerseits in die vorhandene Infrastruktur der Maschine und übernimmt anderseits die Steuerung der Maschine oder Maschinenkomponenten.
Die Motionline-Formatverstellung bietet sowohl Maschinenherstellern, wie auch Maschinenbetreibern deutliche Kostenvorteile. Hersteller profitieren von der Platz- und Kostenersparnis dank der integrierten Komponenten der Achssteuerung, sowie der einfachen Verkabelung und von den integrierten Motioncontrol-Funktionen. Die Maschinen-Konstruktion und -Produktion vereinfachen sich und ein tiefgreifendes Know-how der Steuerungsprogrammierung ist nicht mehr erforderlich. Maschinenbetreiber profitieren von den gesenkten Betriebskosten ihrer Maschine durch verkürzte Rüstzeiten und schnellen Produktwechselzyklen, von der einfachen Parametrierung und vom leichten Austausch im Servicefall.
Die hier vorgestellten Lösungen für Formatverstellungen reduzieren den sonst notwendigen Engineering-Aufwand pro Maschine und erhöhen die Reproduzierbarkeit notwendiger Formateinstellungen und bieten aus diesem Grund entscheidende Wettbewerbsvorteile für den Maschinenhersteller und -betreiber.
Um den Herstellern noch weiteren Engineering-Aufwand abzunehmen, sind bei Lenord+ Bauer schon weitere Formatverstellungen in Form linearer und synchron-linearer Systemen auf Basis der neuen „Lenord+Bauer Industrial Framework Technology“ (LIFT) in Vorbereitung.
LIFT bietet einen disziplinenübergreifenden Baukasten zur Realisierung mechatronischer Automatisierungslösungen, welche über die elektrischen Komponenten hinausgeht. Auch mechanische Komponenten finden Eingang in dieses Framework und ermöglichen die Erzeugung weiterer Produktvarianten und die Erstellung kundenspezifischer Lösungen, die sowohl elektrisch als auch mechanisch auch bei kleineren Stückzahlen individuell angepasst werden können.
Motionline-Formatverstellung KEM 428
„Industrial Framework Technology“ (LIFT) KEM 429
Lenord+Bauer-Portfolio allg. KEM 430

Über Lenord+Bauer
Seit 1965 beschäftigt sich Lenord+Bauer mit industrieller Bewegungsautomatisierung. Jahrzehntelange Erfahrung in Sachen Sensorik sowie Steuerungs- und Antriebstechnik machten die Entwicklung intelligenter mechatronischer Lösungen wie die der Formatverstellung möglich. Lenord+Bauer wird auch künftig auf die Entwicklung mechatronischer Systeme fokussieren und weiterhin Steuerungs- und Antriebstechnik, Sensorik und Mechanik anwendungsbezogen zu Geräten zusammenfassen. Das entstehende Produktprogramm ist so konzipiert, dass kundenspezifische Anpassungen leicht zu realisieren sind.
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