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Technik

Integrierte Robotik in Verpackungsmaschinen

Integration von Handhabung und Prozess in Verpackungsmaschinen | Der auf der Interpack gezeigte Packer ist ein Beispiel dynamischer Antriebstechnik mit präziser Synchronisation von Einzelachsen, Kurvenscheiben und Robotik. Der Packer ist eine Demonstrationsmaschine, die eigens für die Präsentation von B&R Technologien entworfen, gebaut und programmiert wurde. In der Maschine integriert sind moderne Konzepte für Handhabung, Bildverarbeitung, Sicherheitstechnik sowie Bedienen und Beobachten.

Zum Verpacken von Golfbällen synchronisieren sich drei Roboter mit unterschiedlicher Kinematik (ein Knickarmroboter, ein Tripode und ein kartesicher Roboter) auf einen Rundtisch mit kreisförmig umlaufenden Bällen. Die komplette Anlage mit 15 Achsen inklusive Ablaufsteuerung und Visualisierung über mehrere Bedienstationen wird mit einer einzigen CPU (in diesem Fall ein Industrie-PC) betrieben. Die unterschiedlichen Kinematiken der drei Roboter sind dabei nahtlos in die Steuerung integriert. Über die offene Kinematikschnittstelle sind jegliche Kinematiken frei realisierbar. Der flexible Interpreter ermöglicht es, Standardbefehle für die Ablaufprogrammierung zu verwenden, oder aber eigene Befehle prozessnah zu definieren. Dadurch kann die Zeit für die Erstellung eines Ablaufprogramms des Handlingssystems drastisch verkürzt werden.

Die unterschiedlichen mechatronischen Module und Stationen des Packers sind über einen einzigen Powerlink Kommunikationsstrang miteinander verbunden. Optionale Maschinenmodule können während des laufenden Betriebs hinzugefügt oder entfernt werden. Diese werden am Netzwerk automatisch erkannt und die zugehörige Software aktiviert / deaktiviert. Die Antriebe der Handlingsroboter werden als Achsverstärker in das durchgängige Antriebskonzept der kompletten Maschine integriert. Prozess- und Handlingsantriebe können in einer kompakten und kostensparenden Baugruppe direkt nebeneinander betrieben werden. Die Sollwertvorgabe der Handlingsachsen erfolgt durch Generic Motion Control in der zentralen Maschinensteuerung. Diese verarbeitet Roboter- und Prozessdaten in einer gemeinsamen Datenbasis komplett transparent und vollsynchron zueinander. Dadurch wird die in traditionellen Lösungen verwendete Busankopplung als Flaschenhals zwischen Maschine und Roboter komplett beseitigt. Transparente Datenhaltung ermöglicht die Realisierung neuer Maschinenfunktionen, die zuvor wegen der Verzögerung durch den Busübertragungszyklus im Engpass Kommunikation zwischen Maschine und Roboter nicht möglich waren. Der Handhabungsvorgang kann so optimal auf den Verarbeitungsprozess abgestimmt werden. Maschinendurchsatz und Verfügbarkeit der Maschine erhöhen sich. Die Kosten für eine separate Robotersteuerung, den separaten Roboterschaltschrank sowie die Kommunikationsschnittstelle entfallen komplett.

Synchrone Bewegungssteuerung
Im Packer werden mit Schrittmotoren, Frequenzumrichtern und Servoantrieben unterschiedliche Antriebstechnologien im Verbund gekoppelt. Die jeweiligen Technologien können dadurch jeweils an der Stelle eingesetzt werden, an der sie ihre jeweiligen Stärken ausspielen. AC-Servo und lineare oder rotatorische Direktantriebe stehen für dynamische und hochpräzise Bewegungen. Schrittmotoren mit und ohne Rückführung eignen sich hervorragend für kleine Direktantriebe oder zur Formatverstellung. Die voll ins Programmiersystem integrierten frequenzgesteuerten Asynchronantriebe ermöglichen kostengünstige Lösungen überall dort, wo es nicht auf die höchste Präzision oder Dynamik ankommt.

Die Synchronität und Dynamik der Antriebe untereinander, die durch Generic Motion Control erzielt wird, führt zu einer Erhöhung der Qualität der produzierten Produkte sowie des Maschinendurchsatzes. Formatwechsel können einfachst bei laufender Maschine realisiert werden. Alle Antriebsarten laufen gleichberechtigt im Antriebsverbund mit identischem Sourcecode. Dies bedeutet ein Höchstmaß an Flexibilität für den Maschinenbauer, da dieser bis kurz vor der Kommissionierung die Art des Antriebs frei wählen kann. Die nahtlose Integration aller Antriebe über Generic Motion Control ermöglicht die vollständige Skalierbarkeit in Technologie und Leistung. Programmierzeiten werden verkürzt, da alle Antriebsvariablen im Programmiersystem sofort transparent zur Verfügung stehen.

Über einen mit einem Lichtgitter ausgestatteten Zugang kann der Besucher direkt mit der Maschine interagieren. Sobald über das Lichtgitter eine Annäherung des Bedieners an die Maschine gemeldet wird, geht die Maschine unmittelbar in eine Betriebsart mit sicherer Geschwindigkeit über. Die ultraschnelle Reaktion der Maschine wird gewährleistet durch die direkte, dezentrale Powerlink Kommunikation aller Sicherheitsbaugruppen mit der zentralen Safe Logic über das openSAFETY Sicherheitsprotokoll. Zur Realisierung sicherheitsgerichteter Antriebstechnik stehen über 20 unterschiedliche Safe Motion Control Funktionen zur Verfügung. Für den sicherheitsgerichteten Betrieb des Roboters mit maximal möglicher Einrichtgeschwindigkeit werden sichere Antriebsfunktionen wie sicher begrenzte Geschwindigkeit am Werkzeugmittelpunkt (Tool Center Point - TCP) im Packer gezeigt. Hierbei werden die Positionsdaten jeder Roboterachse in die SafeLOGIC übertragen. Auf der Basis der jeweiligen Roboterkinematik wird sicherheitsgerichtet die aktuelle Geschwindigkeit des Robotergreifers berechnet. Im Gegensatz zur sicheren Begrenzung der Geschwindigkeiten auf jeder einzelnen Roboterachse ergibt sich durch die dauerhafte Ausnutzung der maximal erlaubten Geschwindigkeit am Werkzeugmittelpunkt ein Geschwindigkeitsvorteil, der wesentliche Produktivitätssteigerungen im zeitintensiven Einrichtbetrieb ermöglicht. Die weltweit schnellste sicherheitsgerichtete Reaktionsgeschwindigkeit von openSAFETY auf Powerlink verkürzt den Anhalteweg einer Achse nach Verletzung einer Sicherheitsfunktion gegenüber traditionellen Systemen bis zum 100fachen. Die kurzen Reaktionszeiten ermöglichen dem Maschinenbauer, den Abstand der Umhausung zum Prozess wesentlich zu verringern, was die Bedingung der Maschine durch den Endkunden vereinfacht und die Produktivität steigert.

Vom Besucher eingeschleuste Schlechtbälle werden auf der Basis ihrer abweichenden Farbe von einer integrierten Bildverarbeitung erkannt und aussortiert. Die Kommunikation zwischen Bildverarbeitungssystem und zentraler CPU wird ebenfalls über den Powerlink Systembus realisiert. Die schnellen Zykluszeiten im Mikrosekundenbereich und der Determinismus mit einer Genauigkeit von weit unter 1 ?s ermöglichen eine zuverlässige Zuordnung des Ergebnisses der Bildverarbeitung zum jeweiligen Produkt. Die synchrone Kopplung von Bildauswertung und Prozess ermöglicht eine deutliche Produktivitätssteigerung speziell bei Höchstleistungsmaschinen. Das gezeigte Bildverarbeitungssystem ist voll in das Projektierungssystem Automation Studio integriert, so dass alle Variablen zwischen Steuerung und Bildverarbeitungssystem bereits vorab angelegt sind. Dies erspart aufwändige Programmier- und Parametrierungsarbeit.

Einfache Maschinenverkettung und Betriebsdatenerfassung
Die Maschine zeigt PackML Technologie, mit der zwischen mehreren Maschinenherstellern auf unterschiedlichen Steuerungsplattformen eine gleichartige Maschinenbedienung über standardisierte Betriebsarten und -zustände sowie eine vereinheitliche Kommunikation mit einem MES (Management Execution System) oder BDE (Betriebsdatenerfassung) System realisiert werden kann.

Über ein drahtloses Netzwerk kann der Besucher über Ferndiagnose mittels eines iPads auf die Maschinenvisualisierung und den integrierten System Diagnose Manager (SDM) zugreifen. Der System Diagnose Manager ist ein Diagnosewerkzeug, das dem Wartungspersonal im Fernzugriff ebenso wie direkt vor Ort ermöglicht, die Funktion von allen Maschinenkomponenten mit Hilfe von in der Firmware realisierten Diagnoseseiten wirkungsvoll, einfach zu überprüfen und zu diagnostizieren. Der Zugriff erfolgt über eine einzige Schnittstelle für die komplette Maschine. Roboter, Prozess, Sicherheitstechnik und Visualisierung können in jedem Winkel der Erde effizient diagnostiziert werden. Früher aufwändig zu programmierende Diagnosefunktionen stehen im System Diagnose Manager bereits herstellerseitig zur Verfügung, was die Diagnose vereinfacht und Projektlaufzeiten verkürzt.

Anwendungsbeispiel integrierte Biegezelle
Durch die Aufhebung von Systemgrenzen, wie sie zuvor zwischen Bildverarbeitung und Maschinensteuerung, Robotik und Prozess, funktionaler Steuerung und fehlersicherer Steuerungs- und Antriebstechnik bestanden, können mit B&R Automatisierungslösung jetzt Funktionen einfach realisiert werden, die vorher unmöglich erschienen. Ein ganz konkretes Beispiel ist die vom Werkzeugmaschinenbauer Trumpf vorgestellte weltweit schnellste Biegezelle. Eine B&R CPU steuert dabei die komplette Biegezelle bestehend aus einer elektrischen Biegemaschine und zwei Robotern. Durch die Transparenz der Daten innerhalb der Steuerung können so Ausregelungsvorgänge am Hinteranschlag der Biegemaschine vom Roboter „fliegend" ausgeführt werden. Das Resultat lässt sich mit der Uhr stoppen: In weniger als 300 ms ist der Ausregelvorgang in den meisten Fällen bereits schon beendet. Der innovative Lösungsansatz besteht darin, dass die Maschinensteuerung jetzt auch die Ansteuerung der Roboter bis hin zu komplexen Sicherheitsfunktionen übernimmt.

Maschinenbauer sparen durch die nahtlose Integration aller Automatisierungsbestandteile wertvolle Programmierzeiten. Die Skalierungsfähigkeit der Automatisierungskomponenten ermöglicht Kosteneinsparungen, da genau die Technologie eingesetzt werden kann, die den Prozessanforderungen entspricht. Modularer Maschinenbau wird ermöglicht, dadurch dass Maschinencode hardwareunabhängig entwickelt werden kann. So können mehrere Maschinenkonfigurationen mit unterschiedlicher Hardware auf der Basis eines Softwareprojekts realisiert werden.

Über die Firma
B & R Industrie-Elektronik GmbH
Bad Homburg
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