Der integrierte Roboter

Steuerungsplattform - Die Flexibilität einer Verpackungsmaschine ist durch eine steigende Vielfalt von Verpackungsvarianten heute mindestens genauso wichtig wie ihre Geschwindigkeit. Zusätzlich erhalten Roboter Einzug in den Verpackungsprozess, denn sie sind schnell, flexibel und wirtschaftlich. Wer steuert das alles noch?

15. November 2005

Früher wurden Roboter hauptsächlich in End-of-line-Anwendungen zum Palettieren eingesetzt, wo große Lasten mit verhältnismäßig geringem Tempo bewegt werden. Momentan ist ein Trend zu erkennen, Robotik-Module auch bei Primär- und sekundärverpackungsprozessen zu integrieren.

Roboteraufgaben können einfach durch Prozessparameter ohne Bedienereingriff in die Maschine verändert werden. Diese Eigenschaft macht den Roboter flexibel, gegenüber unterschiedlichen Produkt- oder Gebindegrößen. Anpassungen sind quasi auf Knopfdruck möglich. Vor allem für Pick & Place-Applikationen in der verpackenden Industrie eignen sich Roboter perfekt. Denn durch den Einsatz von Roboter-Kinematiken lässt sich die Flexibilität von Verpackungslinien weiter er­höhen, speziell bei geringen Lasten mit hohen Geschwindigkeiten. Für konventionelle Robotersysteme existieren meist proprietäre Steuerungsarchitekturen, die auf die jeweiligen Roboter zugeschnitten sind.

Viel Synchronisation

Beim Einsatz solcher Steue­rungen im Verpackungsmaschinenbau entsteht ein großer Aufwand für die Synchronisation mit der Steuerung der Verpackungsmaschine, die den Rest des Verpackungsprozesses automatisiert. Sollen die hohen Performance-Anforderungen der Konsumgüterindustrie erfüllt werden, können schnell Probleme bei der Echtzeitsynchronisation an den Schnittstellen auftreten. Ein weiterer Nachteil ist der Einarbeitungsaufwand in die speziellen Programmiersprachen der Robotersteuerungen, die meist sys­temspezifisch, also nicht standardisiert sind. Damit erhöht sich der Aufwand auch für die Programmierung der Synchronisation an den Schnittstellen zur Steuerung der Verpackungsmaschine.

Mit den neuen Robotik-Funktionalitäten des ›PacDrive‹ Systems ist der Einsatz von proprietären und teuren Spezialsteuerungen nun nicht mehr notwendig. Auch die aufwändige Synchronisation der Robotersteuerung mit dem Rest der Maschine ist obsolet. Elau ermöglicht somit die gleiche Steuerung für alle Maschinentypen, für mehrere Maschinenmodule oder sogar mehrere Maschinen. Das En­gineering der Maschinen wird auch dadurch vereinfacht, dass aus dem Programm auf alle Prozessgrößen zugegriffen werden kann. Die einheitliche Programmierung aller Funktionalitäten nach IEC 61131-3 und der Zugriff auf alle Funktionsbausteine, die das System zur Verfügung stellt, erleichtern die Arbeit des Programmierers. Dadurch können Kosten bei Hardware, im Engineering und im Servicefall drastisch reduziert werden.

Motion/Logic Control als integrale Plattform

Bisher erforderte die Automatisierung von Robotern und weiteren Antriebseinheiten eine Maschinensteuerung bzw. Antriebssteuerung und jeweils eine proprietäre Robotersteuerung - und zwar pro Roboter. Dank der enormen Hardware-Performance der PacDrive-Steuerung sowie der software-basierten Funktionalitäten ist die Steuerung von mehreren Maschinen(modulen) möglich. Das Steuerungsflaggschiff ›C600‹ basiert auf Pentium 4-Prozessortechnologie und arbeitet 1.000 logische SPS-Anweisungen innerhalb von fünf Mikrosekunden ab. Parallel zum SPS-Programm kann die Steuerung 24 Servoachsen mit einer Millisekunde Zykluszeit bedienen. Eine Echtzeit-Soft­ware integriert Motion Control und Logic-Funktionalität zu einem Paket. Als Echtzeitbetriebssystem kommt die Standard-Software Vx-Works von WindRiver zum Einsatz. Generell steuert und koordiniert die C600-Steuerung bis zu 99 Servoachsen. Bildet man diese Leistungsfähigkeit auf Roboter ab, so bedeutet das, die C600 kann entweder bis zu zehn Portal­roboter oder acht Roboter mit nichtlinearer Mechanik, bei einer Zykluszeit von 4 ms auf dem Motion-Bus, steuern.

Der eigentliche Clou für die Robotik-Funktionalität liegt aber vor allem in der Software. Alle Motionfunktionalitäten inklusive der Roboterkinematiken sind in der Elau-Firmware und in den Motion Control Libraries vorhanden und können mit dem Engineering-Tool EPAS-4 leicht konfiguriert werden. Die Roboter Libraries werden über die Steuerung in IEC 61131 aufgerufen und aktivieren die hochflexiblen Motion Control Generatoren im Betriebssystem der Steuerung.

Keine zusätzlichen Softwaretools

Mit umfangreichen Softwaremodulen lassen sich verschiedenste Roboter-Kinematiken wie Knickarm-, Gantry-, Delta-, SCARA- oder Portalroboter einfach als Equipment-Modul rea­lisieren. Das Equipment-Modul Roboter kann nach dem Baukastenprinzip einfach in die Maschinensoftware integriert werden. Die Konfiguration, Programmierung, Parametervorgabe und auch die Diagnose von Verpackungsmaschine und Roboter erfolgt dabei komplett mit dem PacDrive Engineering-Toolkit EPAS-4, ohne zusätzliche Softwaretools. Nachdem die Kinematik gewählt wurde, wird der Roboter parametriert und kann über Leitgebereingänge etwa auf mehrere Förderbänder oder externe Masterachsen synchronisiert werden. Die Definition des Bahnverlaufs wird über Posi­tionsstützpunkte, Interpolationsarten und Überschleifradien vorgegeben. Der Roboter entnimmt dabei Produkte von einem laufenden Band und setzt sie auf ein anderes Band ab. Die Bewegungsbahn des Roboters wird dabei ganz einfach in Form von Punkten im Bewegungsraum vorgegeben. Die aufwändige Umrechnung der Koordinaten im kartesischen Raum in die Positionen der einzelnen Roboterachsen wird von der PacDrive-Software automatisch und in Echtzeit durchgeführt. Ist ein Anwender-Programm beispielsweise für einen Palettier-Roboter geschrieben, kann die Kinematik einfach durch den Austausch des Bausteins für die Kinematik-Transformation geändert werden, sollte für einen Kunden statt eines Portal- in einer anderen Anwendung ein Delta-Roboter gewünscht sein. Der Rest der Maschinensoftware bleibt unverändert erhalten. Im Roboterbaustein ist eine intelligente Beschleunigungsüberwachung integriert, die online die Beschleunigung am TCP (Tool Center Point) bzw. die Fliehkraft auf das Produkt im Greifer des Roboters überwacht, und zwar betragsmäßig und richtungsabhängig. Die Steuerung errechnet automatisch die mögliche Höchstgeschwindigkeit und reduziert dabei die Geschwindigkeit jeder Achse so, dass eine vorgegebene Beschleunigung des TCP nicht überschritten wird. Dies garantiert, dass der Produktgreifer, der nur eine begrenzte Haltekraft besitzt, das Produkt nicht verliert und die Mechanik geschont wird. Nach Stopp oder Notaus fährt der Roboter beispielsweise auf die vorige Bahnkurve zurück. Somit ist eine einfache Synchronisation der Roboterbewegungen mit den anderen Achsen der Verpackungsmaschine auch in Fehler- und Ausnahmesituationen möglich. Die Diagnose- und Fehler­behandlungs-Funktionalitäten des Elau Templates stehen selbstverständlich auch für Roboter zur Verfügung, so dass eine einfache und homogene Integration des Equipment-Moduls für Roboter in die Maschinensoftware gewährleistet ist.

Die Erfahrungen, die bei der Implementierung von Robotersystemen im Verpackungsmaschinenbau gesammelt wurden, belegen, dass der Aufwand für das Engineering und die Inbetriebnahme deutlich reduziert werden können. So verringerte sich der Engineering-Aufwand beim vorne illustrierten Pick & Place-Roboter um 25 Prozent. Gleichzeitig konnte die Leistung des Gesamtsystems verdoppelt werden.

Marco Rüb, Elau AG

Erschienen in Ausgabe: 08/2005