PresseBox
Pressemitteilung BoxID: 57161 (e-motion Gesellschaft für Antriebstechnik GmbH)
  • e-motion Gesellschaft für Antriebstechnik GmbH
  • Zettachring 2
  • 70567 Stuttgart
  • http://www.e-motion-controls.com
  • Ansprechpartner
  • Ulrich Schönleber

Kostenvorteile beim Einsatz intelligenter Handhabungssysteme

Drei unterschiedliche Antriebskonzepte der Montageautomatisierung im Vergleich

(PresseBox) (Stuttgart, ) Bei zu erwartenden Anpassungen des Fertigungssystems an die fortschreitende Produktentwicklung kanndie frühzeitige Entscheidung für ein intelligentes System Kostenvorteile bewirken. Auch die nicht ohne weiteres direkt zu bewertenden Größen wie Planungssicherheit,Wartung, Standardisierung und Dokumentation wollen einbezogen werden. Im Systemvergleich werden marktgängige 1-achsige Handhabungskomponenten betrachtet,welche als Modulsysteme zur Applikation von Handhabungsaufgaben in der Montageautomatisierung eingesetzt werden. Dabei wird die Betrachtung beschränkt auf ca. 500mm Achslänge von und max. 1kg Nutzlast.


Bei der Projektierung von Handhabungsachsen von Prozessstationen in der Fertigungsautomatisierung muss häufig die Entscheidung für eine bestimmte Antriebstechnik gefällt werden, bevor alle Details der Applikation festgeschrieben sind. Besonders deutlich wird dies bei der Montageautomatisierung von Komponenten der Zulieferindustrie. Um nach abgeschlossener Entwicklung des Endproduktes (z.B. Kfz oder ähnliches) möglichst sofort lieferbereit zu sein, muss die Projektierung der Fertigungseinrichtungen zeitgleich mit der Produktentwicklung und der Entwicklung der Einzelbaugruppen und Komponenten erfolgen. Damit erfordern Änderungen durch den Entwicklungsfortschritt des Endproduktes häufig Änderungen der Komponenten und Anpassungen der Fertigungseinrichtungen. Andererseits müssen die Fertigungseinrichtungen, die aufgrund der zu erwartenden Stückzahlen als automatische Systeme aufgebaut werden, vom verantwortlichen Projektingenieur schon allein aus Kostengründen mit minimalen Mitteln für die Handhabungstechnik aufgebaut werden.

Abb. 1: System 1:
pneumatischer Antrieb mit
Weg/Geschwindigkeit-Zeit
Diagramm Abb. 2: System 2:
elektromotorischer Antrieb mit Weg/Geschwindigkeit-Zeit Diagramm
Antriebstechniken im Vergleich
Für die Handhabung von Werkstücken gibt es auf dem Komponentenmarkt Baukastensysteme für die unterschiedlichsten Handhabungsaufgaben. Dabei werden in den hier betrachteten Systemen drei grundsätzlich unterschiedliche Antriebstechniken eingesetzt.

Achse mit pneumatischem Antrieb und Endanschlag
Achse mit drehzahlgesteuertem Elektromotor und Nockenschalter
Achse mit Servomotor und Positioniersteuerung
Da der Funktionsumfang der Systeme von System 1 zu System 3 zunimmt, steigt dementsprechend auch der Anschaffungspreis für ein Basissystem. Bei der Systemauswahl durch den Applikationsingenieur wird nun das für den momentanen Erkenntnisstand ausreichende System ausgewählt.

Achse mit drehzahlgesteuertem Elektromotor und Nockenschalter
Der Antrieb ist ein Elektromotor, welcher über Getriebe und Riemen oder über Spindel einen Schlitten in einem Führungselement bewegt. Der Elektromotor wird über einen geeigneten Verstärker drehzahlvariabel angesteuert. Vor Erreichen der Endposition muss eine Schleichgangphase gefahren werden, damit die Endposition nicht wegen der Schwungmasse überfahren wird. Der Schleichgang wird mittels einer Nocke geschaltet. Ist die Endposition erreicht, wird der Motor abgeschaltet. Deshalb muss bei Einwirkung von äußeren Kräften (z.B. Schwerkraft bei Vertikalbetrieb) eine Bremse zugeschaltet werden (Abb. 2). Das Fahrverhalten der Achse kann optimiert werden, wenn der Übergang von Normalfahrt zu Schleichfahrt mit einer Rampenfunktion verfolgt. Diese Rampe kann durch eine SPS oder durch einen entsprechend ausgestatteten Regler erzeugt werden. Für den Ablauf der Handhabung und für die Abfrage der Nockenschalter ist jedoch eine Steuerung (SPS) erforderlich. Vorteilhaft ist hier, dass der elektromotorische Antrieb nur einen einfachen Elektromotor benötigt, Steuer- und Leistungsenergie sind identisch. Das System muss jedoch mechanisch justiert werden; die Positioniergenauigkeit ist last- und geschwindigkeitsabhängig; Hubanwendung erfordert eine Bremse. Die Erweiterung auf zusätzliche Positionen erfordert die Installation zusätzlicher Endschalter (Schaltnocken).

Abb. 3: System 3:
Servoachse mit Weg/Geschwindigkeit-Zeit Diagramm

Achse mit Servomotor und Positioniersteuerung
Bewegungselement ist hier ein Servomotor, der nicht nur über Drehzahlerfassung, sondern auch über Positionserfassung verfügt. Dies erfolgt beispielsweise über einen Encoder (Abb. 3). Hierbei übernimmt eine Positioniersteuerung die Steuerung und Regelung des kompletten Bewegungsablaufes. Der Steuerbefehl zum Anfahren einer Position besteht aus einer Drehzahlvorgabe und einer übergeordneten Positionsvorgabe. Der Drehzahlsollwert wird nun in Abhängigkeit von der Sollpositionsabweichung von der Steuerung generiert. Durch Parametereinstellung in der Steuerung können nun definierte Anfahrbeschleunigungen, maximale Geschwindigkeiten und Verzögerungen eingestellt werden. Alle diese Parameter und Positionswerte sind als Daten im Programm hinterlegt und können durch Eingreifen in das Programm geändert werden. Durch digitale I/Os sind Verknüpfungen zum Handhabungsprozess möglich. Die Vorteile der beliebigen Anzahl von Positionen, die hohe Positionierbarkeit und die Anpassfähigkeit der Fahrdynamik müssen jedoch durch eine hohe Erstinvestition und der Notwendigkeit eines Servomotors mit Wegmesssystem (z.B. Encoder) erkauft werden. Ebenso sind Fachkenntnisse für die Programmerstellung und Inbetriebnahme erforderlich.

Erhöhte Kosten durch geänderte Anforderungen
Durch die Weiterentwicklung des Endproduktes können nun, wie eingangs dargestellt, Änderungen am Produkt zusätzliche Eigenschaften der automatischen Handhabung notwendig machen, die zum Zeitpunkt der Systementscheidung nicht berücksichtigt wurden. Dies können beispielsweise neue Handhabungswege oder Absetzpositionen für Prüfeinrichtungen sein. Betrachtet man weiterhin die Taktzeit einer Fertigungsstation so setzt sich diese zusammen aus dem Zeitbedarf für den eigentlichen Prozess und der Handhabungszeit in der das Werkstück dem Prozess zu- und wieder abgeführt wird. Ist die Gesamttaktzeit gegeben, muss bei verlängerter Prozesszeit die Taktzeit der Handhabungseinrichtung reduziert werden. Erfahrungen zeigen, dass der Zeitbedarf des Prozesses durch Änderungen am Produkt eher zu- als abnimmt. Häufig müssen auch innerhalb einer verketteten Linie alle Stationen synchronisiert werden. In vielen Fällen kann abgesehen vom eigentlichen Prozess die Produktivität einer Fertigungseinrichtung nur über die Reduzierung der Taktzeit gesteigert werden. Nicht zuletzt ist die erreichbare Taktzeit ein häufiges Verkaufsargument. Im Allgemeinen werden bei der Planung solche Fertigungseinrichtungen bestimmte Taktzeiten zugesagt.

Lösungen mit pneumatischem Antrieb oder drehzahlgesteuertem Elektromotor
Eine Taktzeitoptimierung erfordert immer höhere Verfahrgeschwindigkeiten und stärkere Beschleunigungen. Bei den ersten beiden Systemen ist dies in gewissem Rahmen möglich, jedoch wird bedingt durch die Art der Ansteuerung niemals eine optimale Systemauslastung erreicht werden. Die Teilsysteme zur Aufnahme der erhöhten Verzögerungen müssen ebenfalls nachdimensioniert werden, um unzulässigen Verschleiß zu vermeiden. Folgende Zusatzaufwendungen werden nun bei geänderten Anforderungen notwendig werden:
Positionsänderungen erfordern mechanische Umbauarbeiten und neue Justierung
Zusätzlich anzufahrende Positionen erfordern den Einbau von zusätzlichen Komponenten, nachträglichen Verkabelungsaufwand und nicht zuletzt eine Änderung der Dokumentation
Produktmodifikationen erfordern zusätzliche Zwischenpositionen für den nachträglich einzubauenden Prozess oder zusätzliche Start- und Zielpositionen, wenn das Werkstück in variirenden geometrischen Abmessungen gefertigt werden soll
Unterschiedliche Start- und Zielpositionen müssen wie Zwischenpositionen mechanisch dargestellt werden, erfordern jedoch eine zusätzliche Signalgenerierung und Steuerungseinrichtung zur Erkennung der Variante. Mit einem pneumatischen System können diese nur bedingt dargestellt werden,mehr als eine Zwischenposition ist unter Umständen bereits ein K.O.-Kriterium. Beim System mit drehzahlgesteuertem Elektromotor führt das Einrichten einer Zwischenposition zu einer wesentlichen Taktzeitverlängerung, da jede Position im Schleichgang angefahren werden muss, um eine gute Reproduzierbarkeit der Positionen besonders bei unterschiedlichen Lasten zu erhalten. Zusammenfassend zeigt sich hier, dass nachträgliche Aufrüstung immer mit mechanischen Umbaumaßnahmen und zusätzlichem Steuerungsaufwand verbunden ist. Das variantenabhängige Anfahren einer Zwischenposition muss entweder über einen Wahlschalter manuell oder aber in eine Ablaufsteuerung programmiert werden. Ist dafür keine Steuerung vorgesehen, ist das Nachrüsten mit einem erheblichen Mehraufwand gegenüber dem ursprünglichen System verbunden. Werden solche Nachrüstungen erst während der Inbetriebnahme eingeführt, dann steigen Termin- und Kostendruck zusätzlich an.

Lösung mit Servoachse
Bei einem programmierbaren System sind alle oben aufgeführte Änderungen durch Anpassungen des Ablaufprogramms möglich. Eine Verkürzung der Taktzeit kann durch Optimierungen der Reglereinstellungen, der Regelparameter und der Programmierung erreicht werden. Die optimale Rampensteilheit kann für jeden Lastfall ermittelt werden und in Form von SW-Parametern per Knopfdruck eingestellt werden. Unterschiedliche Geschwindigkeiten für jede einzelne Fahrtstrecke (z.B. Leer und Lastfahrt) können im Programm hinterlegt werden. Weiter können innerhalb des Programmablaufes bestimmte Regelparameter verändert werden, sodass unterschiedliche Lasten mit optimalen Beschleunigungs- und Bremsrampen gefahren werden können. Auch bietet diese Lösung mit frei programmierbarem Achssystem dann Vorteile, wenn noch Unsicherheiten sowohl bezüglich der Varianten und der genauen Geometrie des zu handhabenden Werkstückes als auch beim Ablauf des Prozesses selbst vorliegen. Alle innerhalb der Achse liegenden Punkte sind frei wählbar. Eine geometrische Änderung des Werkstückes bedingt nur einen neuen Anfahrpunkt im Programmablauf. Darüber hinaus bietet ein aus Standardmodulen aufgebautes frei programmierbares Servosystem noch weitere Vorteile: Die gesamte HW, Mechanik, Elektrotechnik und Steuerungshardware besteht aus Standardmodulen, Es wird bezogen auf ein Einachssystem sicherlich nur Varianten bezüglich Längenklassen und Lastklassen geben Die Steuerungssoftware kann aus Programmtools bestehen, in denen bestimmte Funktionalitäten abgelegt sind Während dem Betrieb können aktuelle Positionswerte ausgelesen werden, so ergeben sich weitere Möglichkeiten der Prozessoptimierung und der Qualitätsüberwachung Bei modularem Aufbau von Positioniersteuerung und Servoverstärker besteht zusätzlich die Möglichkeit, den Servoverstärker nicht nur der Leistungsklasse des Antriebes, sondern auch den unterschiedlichen Motorentechnologien anzupassen. Betrachtet man eine Fertigungslinie mit mehreren solchen Stationen, so können Standardprogramme für die Abläufe der Achsen verwendet werden, die dann nur noch auf den individuellen Zyklus der einzelnen Station angepasst werden. Zusätzlich sind Simulationen von speziellen Abläufen auf einer prototypisch aufgebauten Station leicht möglich. Dies erhöht die Planungssicherheit, die dafür entwickelten Programmteile können sogar in Teilen für die eigentliche Applikation verwendet werden. So ergibt sich, dass durch diese Standardisierungen die Planungsaufwendungen teilweise auf Plausibilitätsprüfungen des Systems reduziert werden können. Weitere kostensenkende Vorteile ergeben sich daraus für Wartung, Service und Ersatzteillagerhaltung.

Produktbeispiel
Nachfolgendes Produktbeispiel zeigt, dass bei sehr niedrigem Einstiegsaufwand bereits ein erstaunlich vielseitiges Einachssystem verfügbar ist. Positioniersteuerung PCA-AN-28-01 und Servoverstärker SCA-B4-70-10 sind in getrennten Modulen aufgebaut. Dadurch ist es möglich, das System mit Servoverstärkern sehr hoher Leistung (z.B. Modul ‚SCA-B4 70-30' bis 30 A Dauerstrom) und für bürstenlose oder bürstenbehaftete Gleichstrommotoren (z.B.Modul SCA-SS-70-10) auszustatten. Da Leistung in der Servotechnik gleich Geld ist, ist hier eine Kostenoptimierung möglich. Zur Programmierung des Systems ist ein handelsüblicher PC mit RS232-Schnittstelle ausreichend. Die Programmiersoftware ist im Lieferumfang der Positioniersteuerung enthalten. Für den mechanischen Aufbau ist hier ein Beispiel dargestellt, welches mit nur 2 Basisgrößen ein weites Handhabungsspektrum ermöglicht. Die Mechanik dieses Systems besteht aus einer Spindelachse, welche in zwei Baugrößen für unterschiedliche Belastungen und für jede Basisgröße in zwei Hublängen verfügbar ist. Servomotoren mit Encoder stehen dann in zwei Leistungsgrößen zur Verfügung, die sich nur in der Baulänge unterscheiden. Diese Positioniersteuerung kann als autonome Funktionseinheit für einen in sich geschlossenen Automatisierungsprozess betrieben werden. Für den Anschluss in die Rechnerwelt besitzt sie eine Busschnittstelle und eine Standard-RS232-Schnittstelle. Die Software dieser Einachssteuerung bietet einen Funktionsumfang, der ggf. eine SPS überflüssig machen kann.
Für die oben stehenden Pressemitteilungen, das angezeigte Event bzw. das Stellenangebot sowie für das angezeigte Bild- und Tonmaterial ist allein der jeweils angegebene Herausgeber (siehe Firmeninfo bei Klick auf Bild/Meldungstitel oder Firmeninfo rechte Spalte) verantwortlich. Dieser ist in der Regel auch Urheber der Pressetexte sowie der angehängten Bild-, Ton- und Informationsmaterialien.
Die Nutzung von hier veröffentlichten Informationen zur Eigeninformation und redaktionellen Weiterverarbeitung ist in der Regel kostenfrei. Bitte klären Sie vor einer Weiterverwendung urheberrechtliche Fragen mit dem angegebenen Herausgeber. Bei Veröffentlichung senden Sie bitte ein Belegexemplar an service@pressebox.de.