Mechatronik modular

Servopneumatik Flexibilität heißt in der Handhabungstechnik Modulbauweise. Die Pneumatik ist ein mechatronischer Baustein dieser Modularisierung.

21. Mai 2008

Höhere Flexibilität und verkürztes Engineering verlangen nach standardisierten, »intelligenten« Handhabungseinrichtungen. Integriert und vernetzt sind Funktionalität und Intelligenz der Handhabungstechnik einem ›modernen Roboter‹ weit überlegen.

Engineering mechatronisch

Der Unterschied zum herkömmlichen Engineering liegt im Ablauf eines Projekts, das die Konstruktionsabteilungen nicht der Reihe nach durchläuft, sondern von Mechanik, Elektrik und Steuerungstechnik gemeinsam bearbeitet wird.

Ideal für einfaches mechatronisches Engineering ist ein Baukasten, aus dem je nach Anforderung die Komponenten einfach und schnell auswählbar sind. Daher müssen Komponentenhersteller ihre Produkte kompatibel halten und standardisieren. Ebenso gilt es, die mechatronischen Aspekte im Produkt zu ›parken‹, denn intelligente Automatisierungstechnik beginnt in der Komponente. Im Engineering-Prozess trägt sie dazu bei, effektiver und produktiver konstruieren zu können. Intelligente Softwaretools unterstützen die Konstrukteure. Sie generieren Projektunterlagen wie beispielsweise Konstruktionszeichnungen automatisch während der Konstruktion und dokumentieren den Prozess lückenlos. Ein weiteres Plus: Virtuelle Tests der Anlagen sind bereits während des Engineering-Prozesses möglich. Fehler werden so frühzeitig entdeckt und beseitigt, und der Bau teurer Prototypen entfällt.

Prämissen im Engineering lauten oft Flexibilität, hohe Produktionsgeschwindigkeit und Präzision, platzsparende Lösungen und möglichst geringe Kosten. Mechatronische Ansätze reduzieren vor allem deutlich den Aufwand der Projektierung, Programmierung und Inbetriebnahme. Der Wechsel von einem traditionell sequenziellen zu einem mechatronisch parallelen Engineering-Prozess erzielt Einsparungen bis zu 20% im Engineering.

Die elektrische Antriebstechnik hat als mechatronisches Subsystem einen besonderen Stellenwert: dezentrale Steuerungstechnik kombiniert mit verschiedenen Antriebstechnologien und variablen Geometrien sind ein prädestiniertes Einsatzgebiet für interdisziplinäres Konstruieren. Festo bietet dazu ein umfangreiches Programm an elektrischen Antrieben und zugehörigen Komponenten. Dazu zählen: Schritt-, Servo- und Linearmotoren, Motorcontroller, mechanische Spindeloder Zahnriemenachsen mit unterschiedlichen Führungen, dazu Schlitten, Kolbenstangenantriebe und Stellantriebe.

Die Koordination verschiedener Bewegungen stellt besondere Anforderungen an die Steuerungstechnik. Sollen die Bewegungen Punkt-zu-Punkt verfahren werden, soll eine Position überschliffen werden oder ist eine komplette Bahnsteuerung erforderlich? Erfolgt die Koordination in der SPS oder dezentral in der Anlage? Ist eine Schnittstelle zur übergeordneten Steuerung erforderlich und wie ist diese spezifiziert? Diese Fragen verdeutlichen, dass die Steuerungstechnik entsprechend der unterschiedlichen Anforderungen skalierbar und modular sein muss und im mechatronischen Handlingsystem integriert sein muss.

Tripod-Kinematik

Ein idealtypisches modulares mechatronisches System ist die Tripod-Kinematik für die schnelle Handhabung von Massen bis zu mehreren Kilo. Sie basiert auf bewährten Standardkomponenten eines Handhabungsbaukastens. Ihre Kinematik ist aus drei Linearachsen aufgebaut, die in Form eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet sind. Räumlich betrachtet bilden diese drei Linearachsen einen pyramidenförmigen Aufbau, der von den Achsen selbst und vom Einbaurahmen begrenzt ist. Durch den geschlossenen Aufbau lässt sich das System einfach integrieren. Da die Motoren ortsfest sind und nicht mitbewegt werden, ist die Integration hinsichtlich Kabelführung einfach und sicher – es werden keine Schleppketten benötigt, und die Kabel sind keiner wechselnden Biegebelastung ausgesetzt. Diese Art der Motorinstallation bietet noch weitere Synergien: Die Masse der bewegten Teile und die mechanische Komplexität werden reduziert. Dies bildet den Grundstein für hohe Dynamik. Durch die Kombination der Tripod Kinematik mit einer effizienten Bahnsteuerung wird das High-Speed Handling perfekt. Die Robotiksteuerung CMXR ist prädestiniert für Motion Control für Handhabungssysteme und unterstützt neben dem Tripod auch weitere Kinematikmodelle. Sie verbindet Mechanik, elektrische Antriebs- und Steuerungstechnik zu einer kompletten kinematischen Systemlösung und koordiniert die hochdynamischen Bewegungen im Raum. Zahlreiche Features wie zum Beispiel das Überschleifen von Position mit voller Achsdynamik oder das Führen von Orientierungsachsen von Werkzeugen im Raum, bieten dem High- Speed Handling eine solide Basis. Aber auch Bahnapplikationen wie beispielsweise Auftragen von Klebstoff, Beschriften und Laserschweißen lassen sich mit diesem System abdecken. Passend zu High-Speed und Tripod zeigt die neue Generation der Servopneumatik den Anschluss an Diagnose. Mithilfe integrierter Drucksensoren können diese Antriebe von Positionierregelung auf Druckregelung umschalten.

Servopneumatik-Systeme

Anwendungen wie das automatisierte Spiegelschweißen in der Polymerzylinder-Fertigung bestätigen dies. Bemerkenswertestes Feature dieser Antriebstechnik ist die Kraftregelung. Sie versetzt die Antriebe in die Lage, Werkstücke mit definierter Kraft gegen einen Anschlag zu pressen. Positioniertechnik mit Servopneumatik ist dort im Vorteil, wo die bewegten Massen zwischen 1 und 300 Kilo liegen und die Genauigkeit mit einigen Zehntelmillimetern ausreicht. Anwendungsfelder sind die Verpackungs-, Förder-, Dosier- und Prüftechnik. Die Stärken der nächsten Generation der pneumatischen Positioniertechnik werden bei Applikationen wie dem automatisierten Spiegelschweißen besonders deutlich. Mit dieser Fügetechnik werden bei der Fertigung von Polymerzylindern die Abschlussdeckel auf die Zylinderenden geschweißt. In einem ersten Prozessschritt werden dabei die beiden Kunststoffteile durch die Nähe zum Schweißspiegel an den Enden gleichmäßig erwärmt. Sobald der Kunststoff die richtige Temperatur erreicht hat, wird der Spiegel mit hoher Geschwindigkeit zurückgefahren und die beiden Bauteile geregelt zusammengefügt. Diese beiden Bewegungen stellen dabei hohe und deutlich unterschiedliche Anforderungen an die eingesetzten Antriebe.

Kraft-Lage-Regelung

Die neuen servopneumatischen Systeme von Festo erfüllen diese Aufgaben. Ein Antrieb der Baureihe DGCI bewegt den Schweißspiegel mit hoher Geschwindigkeit aus der Fügezone heraus, wird am Ende der Bewegung allerdings sanft abgebremst. Für die sanfte Fahrt in die Endlage ist der neue Controller CMPX verantwortlich. Dieses Reglermodul ermöglicht das Fahren in zwei zusätzliche Positionen ohne Festanschlag. Zwei weitere Antriebe (DGCI) sind beim Zusammenführen der Bauteile eingesetzt. Sie müssen sowohl in ihrer Position als auch in der Kraft, mit der sie in die Endlage eindrücken, geregelt werden. Ein neuer Controller des Typs CMAX gewährleistet diese Funktion, Drucksensoren in den neuen Proportionalventilen der Baureihe VPWP melden ständig Sensordaten aus den beiden Zylinderkammern an das System zurück. Beide Reglermodule CMPX und CMAX setzen dabei auf dem elektrischen Terminal CPX für Ventilinseln auf. Die Funktionsintegration innerhalb der elektrischen Peripherie von Ventilinseln bietet Anwendern viele Vorteile: Sie müssen Bauteile und deren Funktionen nicht einzeln auswählen, bestellen, montieren und konfigurieren, sondern erhalten integrierte Lösungen.

Paul Kho, Festo AG

FAKTEN

- Zur Inbetriebnahme mechatronischer Handhabungssysteme bietet Festo Unterstützung an: Die FCT-Software.

- Mit einer Software können alle E-Drives von Festo innerhalb eines Projekts gemeinsam verwaltet – und jedes Gerät individuell bedient werden. Unterschiedliche Antriebstypen können gemeinsam konfiguriert werden.

Erschienen in Ausgabe: 03/2008