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Nahtloses Zusammenspiel zwischen Steuerungs- und Antriebstechnik

: Beckhoff


Für die Ausstattung von Schiffen oder Mobilheimen sind leichte, aber dennoch belastbare Konstruktionselemente erforderlich. Der Leichtbau-Werkstoff Lisocore® der Bad Aiblinger Lightweight Solutions GmbH adressiert solche Anwendungen, die mit konventionellen Holzmaterialien nur eingeschränkt bedient werden können. Bei der Entwicklung der für die Werkstoffproduktion notwendigen neuen Maschinen kam Beckhoffs PC-based Control zum Einsatz – mit TwinCAT Hydraulic Positioning zur nahtlosen Integration hydraulischer Servoachsen.

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Michael Schäpers mit prüfendem Blick: Der geschäftsführende Gesellschafter von Lightweight Solutions begutachtet vor der Hydraulikpresse die Kernstruktur des Leichtbau-Werkstoffes Lisocore®.

Michael Schäpers mit prüfendem Blick: Der geschäftsführende Gesellschafter...

Als großer Vorteil von PC-based Control erwies sich, dass eine Feldbusanbindung die direkte Ventilansteuerung ohne Zusatzhardware ermöglichte. Außerdem ließen sich die Gleichlaufregelung für die hydraulischen Antriebe der Zweistempelpresse und die Ansteuerung des Versorgungsaggregats auf der Basis der TwinCAT-Bibliothek Hydraulic Positioning komfortabel realisieren. Die ersten dreidimensional geformten Kernstrukturen mit der vollständig von Lightweight Solutions konstruierten Presse wurden schon 2006 gefertigt. Die Maschine lieferte nicht nur Probestücke für Tests und Bemusterung, sondern produzierte auch mehrere Jahre lang Serienteile.

Verbesserte Betriebssicherheit

Heute sind vier wesentlich größere Nachfolgemodelle der ersten Presse in einer geräumigen Halle untergebracht, die von jeweils einem Beckhoff Industrie-PC C6920 und vernetzt via EtherCAT gesteuert werden. Dort bilden sie die Kopfenden von Fertigungslinien, in denen die Kernstrukturen zum fertigen Produkt komplettiert werden. Die TwinCAT-Bibliothek Hydraulic Positioning wurde inzwischen nach TwinCAT 3 portiert, wodurch die in vielen Applikationen erprobte Funktionalität erhalten blieb.

In der neuen Maschinengeneration wurde darüber hinaus die Betriebssicherheit verbessert. So besteht gerade bei Zwei- oder Vierstempelpressen durch den nicht oder zu spät erkannten Ausfall eines Ventils das Risiko, dass die starken Zylinderantriebe die Maschine beschädigen. Um derartige Probleme frühzeitig zu erkennen, wurden von der Hydraulik-Bibliothek bereitgestellte Software-Funktionen für die Überwachung der Ventil-Funktion genutzt. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass nicht nur die Encoder,
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Ausschlaggebend für die Wahl der PC-basierten Steuerungstechnik war für Lightweight Solutions das Ziel, möglichst kurzfristig und mit großer Flexibilität in der Software in die Protoytpen-Fertigung zu gehen.

Ausschlaggebend für die Wahl der PC-basierten Steuerungstechnik war für Lightweight...

sondern auch die Ventile mit einer EtherCAT-Anbindung ausgestattet sind. Es stehen so ohne Zusatzaufwand diverse Diagnosedaten, wie z. B. die aktuelle Schieberstellung, zur Verfügung. Der Vergleich mit einem in der Hydraulik-Bibliothek gerechneten Modell erlaubt eine Bewertung des Ventilverhaltens und löst gegebenenfalls Warnungen und Alarme aus. Auf diesem Weg können Probleme mit einer Pilotventil-Versorgung oder durch eine von Partikeln blockierte Hauptstufe erkannt werden.

Condition Feedback realisiert

In den hochautomatisierten Linien werden die Kernstrukturen von Lisocore® mit Deckschichten zu Sandwichelementen komplettiert. Dazu gilt es in nur 20 Sekunden formschlüssige Verbindungen mit insgesamt 15.000 Montagepunkten zu schaffen, was eine hochdynamische Positionierung unerlässlich macht. Da die Platten während dieser Bearbeitungen kontinuierlich weitertransportiert werden, müssen sich die Fräsaggregate für jede Reihe nach dem Prinzip der „Fliegenden Säge“ neu aufsynchronisieren, die Bearbeitung ausführen und schnellstmöglich zurückfahren, um für die nächste Reihe bereitzustehen. Allein in diesem Teilbereich der Anlage sind über 20 Servoachsen verbaut.

Nachdem die Deckschichten und die Kernstruktur korrekt zusammengefügt sind, wird das noch recht empfindliche „Sandwich-Material“ an einen hydraulisch angetriebenen Scherenhubtisch übergeben. Seine Aufgabe ist es, die ankommenden Produkte in eine Etagenpresse zu überführen, in der die Einzelelemente durch den aushärtenden Kleber endgültig und maßhaltig verbunden werden. Eine unerwünschte Eigenschaft solcher Scherenhubtische ist die kaum vermeidbare
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Eine unerwünschte Eigenschaft solcher Scherenhubtische ist die kaum vermeidbare Schwingungsneigung, auch in der Endposition. Als Lösung für dieses Problem wurde ein Condition Feedback realisiert.

Eine unerwünschte Eigenschaft solcher Scherenhubtische ist die kaum vermeidbare...

Schwingungsneigung, auch in der Endposition. Als Lösung für dieses Problem wurde eine Prozessrückführung (Condition Feedback) realisiert, bei der aus den Kammerdrücken des Hydraulikzylinders abgeleitete Korrekturwerte mit den Ventilsteuersignalen verrechnet werden. Die so erzeugte elektronische Bedämpfung sorgt für eine schnelle Stabilisierung in der Zielposition.

Multicore-Rechner steuert gesamte Anlage

Die Übergabe zwischen den Scherenhubtischen und den Etagenpressen erfordert eine intensive Kommunikation, denn es gibt keine feststehende Regel, in welche der vier Etagen das nächste Produkt transportiert werden soll. Dazu kommt, dass sich durch den stapelförmigen Aufbau der Presse die Position der Etagen ständig verändert. Hier und auch bei den vielen anderen synchronen Übergaben zwischen Transportbändern und Prozesszonen zeigt TwinCAT 3, im Zusammenspiel mit dem Schaltschrank-PC C6650 mit moderner Multicore-CPU, seine Stärken.

Die Realisierung der gesamten Anlagensoftware auf einer Rechner-Plattform beseitigt die Notwendigkeit, Daten und Signale zwischen Rechnern austauschen und transportieren zu müssen. Das nahtlose Zusammenspiel zwischen Hydraulikachsen mit angepasster Technologie-Software-Bibliothek, der komplexen Bewegungsführung für Servoantriebe und den Bausteinen zur Abwärmerückführung wurde durch die Anbindung von insgesamt knapp 900 Slaves (IP-20-Klemmen, IP-67-Module sowie Servoverstärker AX5000 mit OCT-Servomotoren
AM8000) über zwei EtherCAT-Master realisiert. Die Sollwerte für 130 NC-Achsen werden in einer 2 ms-Task berechnet.

Weitere Zusammenarbeit geplant

„Eine solche Anlage wäre ohne TwinCAT 3 und seine Multicore-Unterstützung nicht zu realisieren gewesen“, ist sich Michael Schäpers, geschäftsführender Gesellschafter von Lightweight Solutions, sicher. „Zum Abarbeiten der verschiedenen Tasks standen vier Prozessorkerne zur Verfügung. Aufgrund der durchgängigen, EtherCAT-basierten Beckhoff-Technik mussten wir uns keine Gedanken über die Kommunikationswege in der Anlage machen. Wir können mit der Maschine flexibel agieren und jederzeit auf die Daten der Steuerung zugreifen. Für Beckhoff spricht auch TwinCAT 3 Scope: Mit diesem Software-Oszilloskop kann man den Prozessablauf detailliert analysieren und alle notwendigen Daten für ein neues Verfahren abrufen, was einen immensen Geschwindigkeitsvorteil bei der Produkt- bzw. Verfahrensentwicklung bedeutet.“

Wie zufrieden Michael Schäpers tatsächlich mit seiner Automatisierungslösung ist, lässt sich unter anderem daran erkennen, dass er den Weg in Richtung Industrie 4.0 ebenfalls gemeinsam mit Beckhoff beschreiten will.

Messe Motek

Halle 8, Stand 8108


Michael Schäpers mit prüfendem Blick: Der geschäftsführende Gesellschafter von Lightweight Solutions begutachtet vor der Hydraulikpresse die Kernstruktur des Leichtbau-Werkstoffes Lisocore®.
Ausschlaggebend für die Wahl der PC-basierten Steuerungstechnik war für Lightweight Solutions das Ziel, möglichst kurzfristig und mit großer Flexibilität in der Software in die Protoytpen-Fertigung zu gehen.
Eine unerwünschte Eigenschaft solcher Scherenhubtische ist die kaum vermeidbare Schwingungsneigung, auch in der Endposition. Als Lösung für dieses Problem wurde ein Condition Feedback realisiert.
Die übergeordnete Steuerung und Überwachung der gesamten Lisocore®-Fertigungsanlage managt ein Schaltschrank-PC C6650 mit Multicore-Prozessor.



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