„Sinkende Serienlosgrößen und zunehmende Variantenvielfalt stellen die Hersteller von automatisierten Produktions- und Testsystemen vor neue Herausforderungen“ weiß Dipl.-Ing. Willi Hempelmann, Vorstand der Micro Mechatronic Technologies AG (MMT) in Siegen. Von künftigen Anlagen werde deshalb nicht nur Produktivität, sondern verstärkt auch Flexibilität für wechselnde Aufgaben und benutzerfreundliche Bedienung gefordert. Hinzu komme, dass durch zunehmende Miniaturisierung von Bauteilen die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit deutlich ansteigen werden. „Klassische“ pneumatische und elektromotorische Antriebskonzepte stoßen dabei an die Grenzen ihrer Möglichkeiten. Gefragt seien „intelligente“ Achssysteme, die schnell, präzise und mit genau dosierter Kraft arbeiten können.

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Achse mit „Intelligenz“ und „Gefühl“

„Unseren & pos;µ-Linear-Aktor& pos; haben wir deshalb - nach umfassender Analyse der künftigen Anforderungen an solche Achssysteme - als steckerfertiges Positioniersystem für anspruchsvolle Test- und Handlinganwendungen entwickelt“, sagt Dipl.-Phys.-Ing. Steffen Dombrowski, Leiter der Elektronikentwicklung bei MMT. Das soeben verfügbar gewordene Modell bietet dank integrierter Wegmess-Sensorik eine Messgenauigkeit von ± 1µ und eine Positioniergenauigkeit von ± 2 µ bei Verfahrgeschwindigkeiten bis zu 300 mm/s und zulässigen Lasten bis 100 N. Clou ist die intra- und internetfähige Steuerung mit zahlreichen Datenübertragungsprotokollen für weitest gehende Kompatibilität mit industrieüblichen Steuerungen und Bussystemen. Genormte interne Schnittstellen ermöglichen die Erweiterung um zusätzliche Sensoren. Der µ-Linearaktor kann daher nicht nur als präziser Messtaster eingesetzt werden, sondern erfüllt zusätzliche Aufgaben - zum Beispiel die eines Positioniersystems für Handlinganwendungen mit gleichzeitiger Maßüberwachung. Dank der integrierten Sensoren und der eigenen Steuerung kann die lückenlose Überwachung und Dokumentation der Qualität von Bauteilen problemlos dargestellt werden.

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„Heutige Fertigungs- und Prüfprozesse erfordern häufig mehr als nur die Bewegung von Punkt A nach Punkt B: die Abläufe sind oft komplex und erfordern zum Beispiel. die Einhaltung von Weg-Zeit- oder Geschwindigkeits-Zeit-Profilen“, ergänzt Willi Hempelmann. Zusätzlich benötige man gerade bei Fügeprozessen häufig auch eine präzise Überwachung der auftretenden Kräfte, um Qualitätsmängel oder drohende Schädigung der Anlagen durch Überlastung zu erkennen. Der µ-Linearaktor wurde deshalb „von Haus aus“ mit einem Kraftmess-System ausgestattet, das einen Messbereich von 500 N bei einer Auflösung von 1 N aufweist. Bei Bedarf ist es deshalb ohne weiteres möglich, damit zum Beispiel Weg-Kraft-Profile zu fahren.

„Plug and Play“ spart Kosten

„Wir werden natürlich öfters gefragt, warum wir uns für eine derart weitgehende Integration und dazu gleich noch eine eigene Steuerung entschieden haben“, erläutert W. Hempelmann. Schließlich gebe es jede der im µ-Linearaktor integrierten Funktionen in Form standardisierter Einzelkomponenten auf dem Markt zu kaufen, und eine SPS sei doch sowieso vorhanden. Bei dieser Betrachtungsweise werde jedoch übersehen, dass es mit dem Kauf der Einzelkomponenten allein nicht getan sei: Oft wird unterschätzt, welchen Planungs-, Konstruktions-, Programmier- und Montageaufwand es bedinge, bis eine Betätigungsachse vergleichbarer Qualität aufgebaut sei. Jedes Kabel, jede Schelle, jeder Sensor und jeder Antrieb müsse ja separat beschafft, montiert, verdrahtet, getestet und justiert werden. Hinzu komme der Programmieraufwand auf der Steuerungsseite. Wenn man alle diese Aufwendungen auch nur überschlägig addiere, staune man oft, welchen Kosten selbst für einen „simplen“ Pneumatikzylinder mit zwei Endpositionen auflaufen, bis er das tue, was die SPS von ihm erwarte. Der µ-Linearaktor sei dagegen völlig autark, er benötigt lediglich einen Ethernet- sowie einen 24 V-Anschluss, um sofort einsatzbereit zu sein. Diese „Plug and Play“-Fähigkeit wirke sich äußerst günstig auf Investitions-, Planungs- und Montagekosten aus. Wenn man noch bedenke, welche Genauigkeit und Achsdynamik geboten werde, schneide der µ-Linearaktor bei vielen Aufgabenstellungen sogar ausgesprochen günstig ab.

Robuste Mechanik

Geliefert wird das System als komplette, gekapselte Einheit, die mit wenigen Handgriffen montiert werden kann und nach Anschluss der Stecker sofort einsatzbereit ist. Kernstück der Mechanik ist eine Planeten-Wälz-Gewindespindel (PWG), ein erst vor wenigen Jahren zunächst für die Luft- und Raumfahrt entwickeltes Kraftübertragungssystem, das sich durch hohe Genauigkeit und hervorragenden Wirkungsgrad bei geringem Verschleiß auszeichnet. Die Positionsmessung erfolgt mit Hilfe eines hochgenauen optischen Mess-Systems; als Option kann die Temperatur im Inneren des Gehäuses gemessen werden, um Maßänderungen zu kompensieren. Alle Komponenten wurden mit Blick auf hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer ausgelegt.

„Einer der ganz entscheidenden Vorteile unseres Aktors ist seine internetfähige Steuerung, die alle erforderlichen Tools beinhaltet“, verrät Willi Hempelmann. Ihr „Herz“ ist ein Microcontroller mit Ethernet-Schnittstelle und TCP/IP-Stack, der alle benötigten Netzwerkfunktionen bereitstellt. Bei der Konzeption wurde sorgfältig darauf geachtet, die Steuerung so kommunikationsfähig wie möglich auszulegen, so dass sie in unterschiedlichste Industrial IT-Lösungen eingebunden werden kann. Für webfähige Umgebungen stellt sie eine eigene Homepage zur Verfügung, die sowohl lokal von der SPS und dem örtlichen Intranet als auch - bei Anschluss des Firmennetzwerks ans Internet - von außen über ihre spezifische Adresse aufgerufen werden kann. Über diese Homepage kann der Linearaktor von jedem PC mit ganz normalem Web-Browser aus abgefragt und bei Bedarf neu konfiguriert werden. Die Programmierung erfolgt hierbei in physikalischen Größen, die Umsetzung in Maschinenparameter übernimmt die Steuerung selbst. Die Firmware selbst kann jederzeit über FTP (File Transfer Protocol) neu geladen werden, inklusive kompletter Konfigurationsdateien zur Anpassungen an spezifische Aufgaben beziehungsweise Einsatzumgebungen. Alle Eingaben werden an eine im Netz installierte Datenbank gespiegelt; dadurch kann der Aktor im Bedarfsfall jederzeit ohne Datenverlust ausgetauscht werden.

Die Steuerung kann bei Bedarf auch ereignisgesteuert Nachrichten - zum Beispiel bei Überschreitung von Grenzwerten oder bei Fälligkeit einer Wartung - als e-Mail abschicken. Die Ethernet-Schnittstelle wurde außerdem als Steckmodul ausgelegt, das bei Bedarf jederzeit gegen eine herkömmliche Feldbus-Schnittstelle ausgetauscht werden kann. Andererseits kann der µ-Linearaktor von MMT auch problemlos als autarkes Stand-Alone-System zum Beispiel an einem PC betrieben werden.