Robotersteuerung? Es geht auch ohne!

Fokus

Steuerungstechnik - Wenn sich mit der ohnehin erforderlichen Hardware für die Maschinensteuerung auch komplexe Kinematiken, wie etwa Roboter, steuern lassen, bringt das dem Maschinenbauer deutliche Kostenvorteile.

17. Februar 2011
Durchgängig: Auch für anspruchsvolle Automatisierungsaufgaben bietet Lenze Lösungen aus einer Hand.
Bild 1: Robotersteuerung? Es geht auch ohne! (Durchgängig: Auch für anspruchsvolle Automatisierungsaufgaben bietet Lenze Lösungen aus einer Hand. )

Bisher werden Handling- und Roboterfunktionen, die einer Fertigungsmaschine vor- oder nachgeschaltet sind, durch eine separate, speziell zugeschnittene Hardware gesteuert. Will der Hersteller einer Fertigungsmaschine diese Funktionen in seine Anlage integrieren, hatte dies bislang für ihn hohen Aufwand zur Konsequenz: Er musste parallel zwei Steuerungen meist unterschiedlicher Anbieter kaufen, jeweils eine separate Steuerungsanwendung mit verschiedenen Softwarewerkzeugen entwickeln (und warten) sowie beide Steuerungen »verheiraten«.

Unterm Strich hieß das: deutlich mehr Komponenten und damit mehr Platzbedarf, mehr Kabelverbindungen, mehr Schnittstellen, ein deutlich höherer Engineering-Aufwand und damit letztendlich merklich höhere Kosten und viele zusätzliche potentielle Fehlerquellen. Erschwerend kommt hinzu, dass Robotersteuerungen in der Regel nur von einem ausgesprochenen Roboterexperten programmiert werden können, den mittelständischen Unternehmen oft nicht haben.

Ganz anders sieht die Situation aus, wenn die ohnehin vorhandene Hardware für die Steuerung der Maschinenbewegungen auch noch für Handling- beziehungsweise Roboteraufgaben mitgenutzt und so auf eine dedizierte Robotersteuerung verzichtet werden kann. Moderne Kommunikationslösungen in Verbin-ung mit Motion Control-Hardwareplattformen bieten ausreichend Performance und Ressourcen, um dies zu leisten.

Eindrucksvoll bewiesen hat dies Lenze mit einem Showcase, der auf der SPS/IPC/Drives 2010 in dieser Form erstmals einer breiten Öffentlichkeit gezeigt wurde.

Showcase »Handling & Robotik« belegt Praxistauglichkeit

Die zentralen Bestandteile des Demonstrationsaufbaus sind zwei gegenläufig und parallel angeordnete, gleichlange Förderbänder. Zwischen den jeweils nebeneinander liegenden Enden der Bänder ist eine Scara-Kinematik der Firma Vogt montiert und am Ende der Anordnung eine Delta-Kinematik von PWR Pack.

Zu Anfang des Zyklus werden mit Zahlen, Zeichen und Buchstaben beschriftete farbige Scheiben (das Pick-Gut) auf einem der Förderbänder (Band 1) ungeordnet abgelegt und in Richtung des Delta-Roboters abtransportiert. Dabei durchlaufen sie ein über dem Förderband installiertes Kamerasystem. Dieses ermittelt Lage, Form und Farbe der Teile. Die Steuerung erhält diese Informationen sowie die Positionswerte des Förderbands und regelt damit die Antriebsregler des Delta-Roboters.

Der Delta-Roboter nimmt das Pick-Gut synchron vom Förderband 1 auf und legt es auf dem stehenden Förderband 2 in einem geordneten Ablagemuster wieder ab. Sobald ein Ablagemuster komplett gefüllt ist, fährt der Delta-Roboter einen Norm-Ablagezyklus »Robot path« mit den entsprechenden Pick & Place-Geschwindigkeiten. Dabei werden die Teile vom Förderband 2 auf das Förderband 1 gedreht und gespiegelt umgesetzt.

Gleichzeitig startet der Scara-Roboter ebenfalls mit einem Ablagemuster. Die Scheiben werden vom Förderband 2 (Stauraum) entnommen und auf dem Förderband 1 nach einem vom Maschinenbediener festgelegten Muster abgelegt. Anschließend setzt der Delta-Roboter das Pick-Gut vom Förderband 1 wieder auf das Förderband 2, diesmal jedoch in einem anderen Ablagemuster.

Danach werden die Scheiben abtransportiert. Ein Teil des Pick-Guts wird durch ein Vereinzelungssystem dem ersten Förderband wieder zugeführt, der andere Teil im Staubereich aufgenommen. Der Kreislauf ist geschlossen und der Ablauf startet mit anderen Ablagemustern wieder neu. Die Pick & Place-Profile weisen während des ganzen Durchlaufs eine hohe Dynamik und Schnelligkeit aus.

Lenze-Technik vom Roboterantrieb bis zum HMI

Herzstück dieser Automatisierungsanwendung ist der neue Controller 3200 C in Hutschienenausführung, der als Hardware-Plattform für die Ablauf- sowie die Bewegungs-steuerung dient. Direkt an den Controller angereiht und über einen gemeinsamen schnellen Rückwandbus verbunden sind Scheiben des I/O-Systems 1000 von Lenze, das für Motion-Aufgaben prädestiniert ist und besonders kompakt baut.

Parallel zur Ablauf- und Bewegungssteuerung führt der L-force Controller 3200 C die erforderlichen Transformationen für die Delta- und gleichzeitig auch die Scara-Kinematik in Echtzeit durch. Dies reduziert die Zahl der erforderlichen Komponenten und damit den Platzbedarf im Schaltschrank. Gleichzeitig gestaltet sich die Kommunikation im System deutlich einfacher. Die höhere Integration verbessert die Verfügbarkeit beziehungsweise Zugänglichkeit der Informationen und bietet dadurch Ansatzpunkte für die Entwicklung innovativer Maschinenfunktionen.

Die Steuerung kommuniziert mit den sechs Achsantrieben der beiden Roboter – alles Multiachsservoverstärker aus der Produktfamilie Servo Drives 9400 HighLine mit integrierten Sicherheitsfunktionen – über EtherCAT.

Die benötigte Dynamik und Präzision in der Ausführung der Bewegung liefern Lenze-Servomotoren vom Typ MCS in Kombination mit Resolvern. An die Steuerung über EtherCAT angebunden sind auch die beiden Umrichter (8400 SL) der Anlage, die die zwei als Bandantriebe dienenden Asynchronmotoren versorgen. Alle Antriebe des Demonstrators hängen dabei am gleichen Zwischenkreis und benötigen daher nur eine Einspeiseeinheit beziehungsweise nur einen Bremschopper. Das hilft, die Komponentenkosten niedrig zu halten und Platz im Schaltschrank zu sparen.

Auch die Visualisierung beziehungsweise das Bedienen und Beobachten erfolgen durchgängig mit Lenze-Technik: Um die Bandbreite der damit verfügbaren Lösungen aufzeigen zu können, wurde die Anlage trotz der vergleichsweise kleinen Abmessungen mit zwei Visualisierungsgeräten (Command Station CS 5050 DIV; Command Station CS 5700 mit Ethernet-Schnittstelle) ausgestattet, mit denen die Maschinenmodule auch bedient werden können.

Als Hardware-Plattform für die Visualisierungsanwendung sowie die Bildverarbeitungssoftware fungiert ein mit dem Betriebssystem Windows XP und einer Framegrabber-Karte ausgestatteter Industrie-PC CPC 5100, der über Ethernet mit den Visualisierungs- und Bedienstationen der Maschine kommuniziert.

Die Visualisierungsanwendung wurde mit der Entwicklungsumgebung VisiWinNet von Lenze erstellt. Sie basiert auf der .Net-Technologie von Microsoft und zeichnet sich durch eine ausgeprägte Offenheit und Flexibilität aus. Daher konnte das Kamera-Subsystem von Stemmer problemlos direkt in die Anlagenvisualisierung integriert werden.

Ein Gutteil der Vorzüge, die eine so durchgängige Automatisierungslösung aus einer Hand bietet, würde in der Praxis aber bei vielen Anwendern wieder verloren gehen, wenn der Handling- und Robotik-Part der Steuerungsanwendung komplett eigenständig programmiert werden müsste. Schließlich bildet Handling und Robotik ein eigenständiges Fachgebiet, das anderes Wissen voraussetzt als das bei Maschinenbauern wesentlich verbreitetere Know-how im Bereich Motion Control.

Effizienter programmieren

Lenze hat aber mit Bibliotheksfunktionen für Handling- beziehungsweise Robotikaufgaben dafür gesorgt, dass Anwender diese Aufgabe effizient erledigen können, ohne Roboter-Experten zu sein. Dafür stellt die Version 3 der Programmierumgebung PLC Designer eine umfangreiche Bibliothek und entsprechende Schnittstellen zur Planung und Realisierung komplexer Verfahrbewegungen zur Verfügung, wie sie für Portalsysteme, Pick & Place-Applikationen, Scara-Roboter und andere Kinematiken benötigt werden.

Der beschriebene praxisnahe Demonstrationsaufbau zeigt die Vorteile einer Automatisierungslösung von Lenze: die Durchgängigkeit, Vielfältigkeit und Offenheit des Produktspektrums. Diese Merkmale erlauben es dem Anwender, eine große Bandbreite an Applikationen einschließlich Handling- und Roboterfunktionen mit nur einem Automatisierungspartner abdecken zu können und so die Zahl der Schnittstellen und Lieferanten auf einem Minimum zu halten. Gleichzeitig kann der Anwender mit dem Produktspektrum einen höheren Integrationsgrad erreichen, wodurch sich die Zahl der benötigten Komponenten und der Engineering-Aufwand reduzieren. Für den Anwender bedeutet dies ein kürzeres Time-to-Market und niedrigere Kosten.

Erschienen in Ausgabe: 01/2011