Inhaltsverzeichnis
1. Prozessdauer von nur 2 Sekunden erfordert Analysetools
2. Automatisierungssystem mit innovativem HMI
3. Komplexe Bewegungen mit Servoachsen
4. Transportsystem XTS als Plus
5. Safety über Steuerungsgrenzen hinweg
6. Der Anwender
Der Trend zur Elektromobilität stellt auch die Grob-Werke GmbH & Co. KG, Mindelheim, vor Herausforderungen – insbesondere mit Blick auf die Steuerungstechnik. „Im Vergleich zu Fertigungsanlagen für Verbrennungsmotoren sind die Systeme gekennzeichnet durch komplexere Stationen, verringerte SPS-Zykluszeiten, einen höheren Anteil an Antriebstechnik in der Montage sowie komplexe gekoppelte Bewegungen“, erläutert Martin Ellenrieder, Gruppenleiter Funktionsentwicklung der Business Unit Elektromobilität bei dem Maschinen- und Anlagenbauer.
Sichtbar wird dies bei der 2. Generation einer Produktionsmaschine für Hairpins, aus denen die Statorwicklungskränze von Elektromotoren gebildet werden. Sie ist komplett mit Beckhoff-Steuerungs- und -Antriebstechnik ausgestattet. Realisiert sind dort neben vier Grob-Spindeln insgesamt 57 NC-Achsen – 40 reale und 5 virtuelle Achsen sowie 12 als individuelle Servoachsen betriebene Mover des eXtended Transport Systems (XTS). Hinzu kommt eine umfangreiche I/O-Ebene aus Ethercat- und Twinsafe-Klemmen beziehungsweise -Box-Modulen, mit 270 digitalen Ein- und 150 digitalen Ausgängen.
Mit einem Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 oder C6032 und der Software Twincat als Steuerungskern erreicht die Maschine eine hohe Ausbringungsleistung mit lediglich 2,3 s Taktzeit pro Hairpin. Dabei sind pro Stator rund 200 einzelne Hairpins individuell zu fertigen. Umso beeindruckender ist dies mit Blick auf die Komplexität des Bearbeitungsprozesses und auf die vielfältigen Steuerungsaufgaben, die von der Zuführung des Kupferrohdrahts über dessen gerade Ausrichtung, aufwändige Biegung und Abisolierung bis hin zum exakten Positionieren in einem Vorstecknest reichen.
Prozessdauer von nur 2 Sekunden erfordert Analysetools
„Die klassischen Montageprozesse wie zum Beispiel Verschrauben, Einpressen und manuelle Montagevorgänge wurden in großem Umfang automatisiert und würden sich in der erforderlichen Qualität, Präzision und Schnelligkeit nicht durch einen Maschinenoperator durchführen lassen“, ergänzt Daniel Gugenberger, Gruppenleiter Konstruktion Elektrik der Business Unit Elektromobilität bei Grob. Hier habe sich die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff bewährt, denn aufgrund des sehr hohen Anlagendurchsatzes seien detaillierte Maschinen- und Prozessdaten von entscheidender Bedeutung: „Wenn ein kompletter Herstellungsprozess in zwei Sekunden abläuft, sind Produktionsüberwachung und Fehleranalyse nur mit entsprechenden Analysetools und Hochgeschwindigkeitskameras möglich. Dabei setzen wir sehr häufig das Software-Oszilloskop Twincat Scope View ein.“
Für den Aufbau einer Statorwicklung sind rund 200 Hairpins in ungefähr 50 verschiedenen Ausführungen erforderlich. Diese werden nacheinander in der für das Platzieren im Vorstecknetz benötigten Reihenfolge produziert. Dementsprechend wichtig ist eine Inline-Fehlererkennung. „Bei einem Material- oder Geometriefehler muss der entsprechende Hairpin nachproduziert und automatisiert in die Anlage eingeschleust werden, um sich an der korrekten Position einstecken zu lassen“, führt Fabian Glöckler aus, Abteilungsleiter Steuerungstechnik der Business Unit Elektromobilität bei Grob. „Bei der großen Anzahl an Bewegungsachsen und Hairpin-Varianten bedeutet das für die Steuerungstechnik eine enorme Verwaltungsaufgabe, da unterschiedlichste Parameter, Biegewinkel und Kurvenscheiben just-in-time gerechnet werden müssen.“
Automatisierungssystem mit innovativem HMI
Der Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 beziehungsweise C6032 (bei Bedarf an mehr Schnittstellen) kommt in Verbindung mit einen Multitouch-Control-Panel CP3918 mit kundenspezifischer Tastererweiterung zum Einsatz. „Der IPC bietet ausreichend Rechenleistung, um unser Ziel von 4 ms SPS-Zykluszeit zuverlässig erreichen zu können“, fährt Glöckler fort. „Hinzu kommen seine sehr kompakte Bauform und die variablen Montagemöglichkeiten.“ Beim Human Machine Interface (HMI) stehe die komfortable und fehlerfreie Maschinenbedienung im Vordergrund, wobei man schon sehr früh auf Twincat HMI gesetzt habe: „Dementsprechend wichtig war zu Beginn die enge Zusammenarbeit mit Beckhoff, insbesondere mit der Niederlassung München, um ein solch großes HMI-Projekt realisieren zu können. Dies hat – zum Beispiel bei der automatischen Kopplung zwischen HMI und PLC sowie der Umsetzung der Mehrsprachigkeit – sehr gut funktioniert und zu einem für unsere Anforderungen maßgeschneiderten HMI mit dem Fokus auf intuitiver Bedienbarkeit, übersichtlicher Parameterdarstellung und sehr großer Diagnosetiefe geführt. Ergebnis ist ein einheitliches und innovatives Bedienkonzept für alle unsere Anlagen.“
Komplexe Bewegungen mit Servoachsen
Die zahlreichen rotatorischen Achsen sind mit Servoverstärkern AX5000 und teilweise mit der kompakten Antriebstechnik EL72xx und EP72xx sowie den Servomotoren AM8000 realisiert. Dabei sieht Martin Ellenrieder einen besonderen Vorteil in der One Cable Technology: „OCT ergibt einen wesentlich reduzierten Verkabelungsaufwand und minimiert die Fehlerquellen. Weitere wichtige Faktoren beim Einsatz des AX5000 sind die zusätzlich abgedeckten Geber-Schnittstellen sowie die Safe-Motion-Funktionen der Twinsafe-Optionskarte AX5805.“ Hinzu komme der hohe Funktionsumfang innerhalb von Twincat wie zum Beispiel Twincat NC PTP, NC Camming oder NC Flying Saw und vor allem die Kombination dieser Funktionen.
Transportsystem XTS als Plus
Das Transportsystem XTS ergänzt die rotatorischen Bewegungsachsen. Zum Einsatz kommt ein System mit ovaler, 3 m langer Streckenführung und zwölf Movern, welche die einzelnen Hairpins für den abschließenden Steckprozess an ein Linearportal übergeben. XTS-Anwendungsvorteile sieht Daniel Gugenberger vor allem in der gesteigerten Anlagenflexibilität und der einfachen Möglichkeit zur Erweiterung um neue Funktionen. „Neben der klassischen Transportaufgabe nutzen wir das XTS zur flexiblen Positionierung an unterschiedlichen Bearbeitungspositionen – den Biege- und Kamerastationen. Dabei profitieren wir unter anderem von der kompakten Bauform sowie der Modularität, durch die sich unterschiedliche Stationen einfach integrieren lassen.“
Transportsystem-Mover werden zu fahrbaren Bearbeitungsplattformen
Weitere Vorteile ergeben sich durch eine flexible Abstandsregelung des Transportsystems je nach Bauteilstatus, über die Reduzierung der Taktzeiten sowie mit der Entkoppelung von Einzelprozessen, damit sich etwa schwankende Prozesszeiten nicht direkt auf die Gesamtmaschine auswirken.
Safety über Steuerungsgrenzen hinweg
Twinsafe hat sich laut Martin Ellenrieder insgesamt als systemintegrierte Safety-Funktionalität bewährt und bietet eine hohe Flexibilität in der Sicherheitsapplikation. Ergänzend zur antriebsbasierten Sicherheitstechnik kommt die Twinsafe Logic EL6910 als dedizierte Sicherheitssteuerung zum Einsatz. Bei kompletten Fertigungslinien kommunizieren die verteilten Sicherheitsapplikationen der einzelnen Maschinen und Anlagen über das Ethercat Automation Protocol (EAP) miteinander. „Diese Safety-Kommunikation über Steuerungsgrenzen hinweg ist ein sehr wichtiger Aspekt der Maschinensicherheit, da unsere Kunden meist sehr viele und zudem verkettete Anlagen einsetzen“, resümiert Martin Ellenrieder. (co)
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Der Anwender
Seit über 95 Jahren entwickelt die Grob-Werke GmbH & Co. KG, Mindelheim, als global operierendes Familienunternehmen Anlagen und Werkzeugmaschinen – unter anderem für namhafte Automobilhersteller und deren Zulieferer. Das Portfolio reicht von Universal-Bearbeitungszentren über hochkomplexe Fertigungssysteme und manuelle Montagestationen bis hin zu vollautomatisierten Montagelinien. Hierzu zählen auch Produktionsanlagen für Elektromotoren sowie Produktions- und Montageanlagen für die Batterie- und Brennstoffzellentechnologie. „Wir decken in diesem Bereich die komplette Produktionskette ab und bieten kundenspezifisch angepasste Anlagen für den gesamten Antriebsstrang“, sagt Fabian Glöckler, Abteilungsleiter Steuerungstechnik der Business Unit Elektromobilität von Grob.
Bereits im Jahr 2004 wurde die erste Grob-Prozessmaschine mit Beckhoff-Technologie ausgestattet. „Es folgten zunächst Teststände und Zusatzmagazine, bis 2017 auch die erste Montagelinie mit PC-basierter Steuerungstechnik automatisiert wurde“, erinnert sich Martin Ellenrieder, Gruppenleiter Funktionsentwicklung der Business Unit Elektromobilität bei Grob. „Hauptgründe für den jeweiligen Einsatz waren die kurzen Zykluszeiten der Steuerung sowie die hohe Systemflexibilität in Bezug auf zukünftige Anwendungen und Anforderungen.“ Dazu zählen unter anderem zahlreiche Schnittstellen zu unterschiedlichen Bussystemen, die umfangreichen Motion-Funktionen und eine hohe Diagnosetiefe. „Twincat bietet als Vorteil eine besondere Offenheit – zum Beispiel mit der Integration von Matlab, das vor allem beim Entwicklungsprozess der Anlagen geholfen hat. Prozessingenieure konnten so Simulationen einfach in Testanlagen integrieren.“ Die automatische Codegenerierung aus dem E-CAD-System heraus bis ins HMI, die einfache Einbindung eigenentwickelter Motion-Control-Bausteine sowie die Integration von Versionskontrolle, Bug-Tracking und Softwaretests sind weitere Aspekte. „Zudem erleichtert uns die Flexibilität von Twincat deutlich die Standardisierung in der Softwareentwicklung“, so Ellenrieder weiter.
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