Fachverlag x-technik
search
 

Schließen


Neue Wege für die Verpackungsindustrie

: Keba


Durch immer kürzere Produktzyklen, individuellere und flexiblere Liefer- und Logistiklösungen und dem allgegenwärtigen Kostendruck sehen sich mehr und mehr Hersteller von Verpackungsmaschinen gezwungen, neue Wege einzuschlagen. Durch den Einsatz roboterbasierter Systeme können bisher mehr oder weniger starre Maschinenkonzepte aufgeweicht und durch flexibel anpassbare Bewegungs- und Ablaufmuster vielseitig einsetzbare Universallösungen realisiert werden.

Keba_GAE1.jpg
Wurden vormals konkrete Aufgaben rein per Hardware gelöst – z. B. durch Leitbleche, Schieber, Schablonen – erfolgt die eigentliche Problemlösung bei diesen Systemen per Software, indem Verpackungsabläufe und -muster durch die Bewegungs- und Ablaufbeschreibung eines Roboters umgesetzt werden. Daraus ergibt sich eine Reihe von Vorteilen:

Der Wechsel zwischen Produktvarianten erfolgt auf Knopfdruck, langwieriges Umrüsten und Einstellen von neuen Mustern entfällt. Das spart Zeit und Kosten.

Durch die Integration zwischen Produktions- bzw. Auftragsplanungssystemen und Produktionsanlagen ist eine höchst individuelle Produktion bzw. Kommissionierung möglich. Solche Konzepte waren mit konventioneller Technik undenkbar.

Die Kreativität der Produkt- und Verpackungsdesigner kennt keine Grenzen – die Produktion muss mit ihrem Maschinenpark auch für die nächste Produkt- oder Verpackungsvariante gerüstet sein und schnell und günstig neue Lösungen implementieren können – ein wichtiger Faktor, um im Wettbewerb vorne mitzumischen und auf aktuelle Trends entsprechend reagieren zu können.

AT0310_screen-91.jpg
Aktuell verfügbare Lösungskonzepte

Derzeit eingesetzte Lösungskonzepte für maschinenintegrierte Robotikanwendungen lassen sich in zwei typische Lösungsarten kategorisieren: Lösungen auf SPS- und Roboterbasis. Folgende Gegenüberstellung gibt einen Vorteil- / Nachteilvergleich der jeweiligen Lösung. (Bild 2)

Neue Lösungsansätze

Mit seiner Lösung für roboterintegrierte Maschinen – KeMotion – bietet der Automatisierungshersteller KEBA eine Alternative zu diesen etablierten Lösungsmöglichkeiten. Die Idee bei diesem System ist, durch die Kombination eines Standard-SPS-Systems und einer flexibel anpassbaren Robotersteuerung die Beschränkungen der Einzelsysteme aufzuheben.

Aufwandsminimierung durch vorgefertigte Technologiebausteine

Das Steuerungssystem bietet schlüsselfertige Robotik-Technologie für eine Vielzahl an Anwendungen. Das ermöglicht dem Anwender, nach einigen wenigen Einstellungen wie der Auswahl der Robotertype und der Konfiguration der zugehörigen Parameter (Armlängen, Antriebsgrenzwerten und geometrische Verhältnisse), unmittelbar mit der Bewegungsprogrammierung zu beginnen. Ein geführtes, ergonomisches Teach-in-System ermöglicht dabei die flexible Erstellung von Bewegungsabläufen – Bediensoftware, Programminterpreter und die Motion-Software stehen dem Anwender von Anfang an betriebsbereit
Keba_GAE2.jpg
Knickarm-Roboter in einer Verpackungsanwendung für medizinische Produkte.

Knickarm-Roboter in einer Verpackungsanwendung für medizinische Produkte.

zur Verfügung. KAIRO, die erweiterbare Roboter- und Ablaufprogrammiersprache, dient dabei zur Beschreibung des integrierten Ablaufs von Bewegung und Prozess. Dadurch wird zeitintensives Programmieren von Bedienmasken, Bewegungsverhalten, Ablaufhandling (Unterbrechen/Fortsetzen, Wiederaufsetzen nach Fehlern, Betriebsarten etc.), das oft Wochen in Anspruch nehmen kann, durch einfaches Setzen weniger Steuersignale und Freigaben aus der SPS-Applikation und dem Teachen von Abläufen bzw. dem Ausführen offline vorbereiteter Abläufe ersetzt.

Die Verwaltung von Produkten und die entsprechende Bewegungsplanung auf bis zu acht Förderbändern pro Roboter sind als optionale Bibliothek vorhanden, wodurch das Fahren auf bewegten Objekten um ein Vielfaches erleichtert wird. Die Programmierung der Bewegungen bleibt nämlich so einfach wie bei raumfesten Bahnen – es bewegt sich lediglich das zugehörige Bezugskoordinatensystem, den Rest erledigt das Robotiksystem. Eine Reihe von Diagnose- und Statistikfunktionen bietet Unterstützung beim Feintuning der Anwendungen.

Auch eine Bibliothek und Treiber für Vision-Systeme verschiedener Hersteller sind verfügbar. Vision-Systeme sind wesentliche Komponenten zur Erkennung von Lage und Typ eines Produkts bzw. auch zur Qualitätskontrolle. Die Messdaten können dann im Bewegungsprogramm flexibel verwendet werden.

Für das Palettieren
Keba_GAE3.jpg
Überblick über die drei Programmierebenen.

Überblick über die drei Programmierebenen.

stehen ebenfalls fertige Funktionsbausteine und Bewegungsbefehle zur Verfügung – sowohl um direkt an der Anlage Palletiermuster zu generieren als auch mit Schnittstellen zu kommerziell verfügbaren Palletiersoftwarepaketen, um bei unterschiedlichen Produkt- oder Packungsausprägungen die Stauraumausnutzung zu optimieren.

Der große Vorteil aller verfügbaren Technologiepakete ist, dass sie mit ihrem Quellcode ausgeliefert werden und dadurch an individuelle Gegebenheiten angepasst werden können.

Individuelle Systeme mit leistungsfähigen Robotikfunktionen

Ein großer Vorteil am Automatisierungssystem von KEBA ist, dass Features, die in vielen Fällen Standard-Industrierobotern vorbehalten waren, auch für anwendungsspezifische Eigenbaulösungen eingesetzt werden können. Neben verschiedenen Überschleifmethoden zur Abrundung der Ecken einer Bahn und frei gestaltbaren Arbeits- und Sperrräumen, die vorausschauend bei der Ausführung geprüft werden und dadurch auch bei hoher Dynamik nie verlassen werden, zeichnet sich das System durch einen ausgeklügelten Limiter-Mechanismus aus. Dieser sorgt dafür, dass die Roboterachsen, unabhängig von der programmierten oder sich aus Messdaten ergebenden Bahn, immer die physikalischen Beschränkungen einhalten. Das ermöglicht optimierte und robuste Bewegungszyklen bei minimaler Ausführungszeit.

Als Basis für den Limiter wird das volle, dynamische Modell des Roboters, das die Gewichtskräfte, Trägheiten, Reibungsterme und evtl. vorhandene elastische Elemente berücksichtigt,
Keba_GAE4.jpg
Grafische Maske zur Einrichtung der Palettierfunktion.

Grafische Maske zur Einrichtung der Palettierfunktion.

verwendet. Dieses Modell wird im Updatetakt der Steuerung berechnet und sämtliche, beschränkende Kenngrößen wie Antriebsmomente oder Schnittgrößen daraus bestimmt. Falls Überschreitungen der Grenzwerte auftreten sollten, wird der Bahnfortschritt so limitiert, dass diese zu jeder Zeit eingehalten werden. Sporadische Überlastungen, die à la longue zu überraschendem Anlagenstillstand führen können, werden dadurch effektiv verhindert. Das Momentenmodell kann auch zur Bestimmung von Schätzwerten für die auftretenden Antriebsmomente genutzt werden, die dann direkt in der Servoregelung als Vorsteuergrößen aufgeschaltet werden und damit die Bahngenauigkeit erheblich verbessern. Das ermöglicht präzises Positionieren auch bei höchsten Geschwindigkeiten.

Die Bahnplanung erfolgt dabei durchgängig in flexibel definierbaren Koordinatensystemen. Das ermöglicht, dass sich die Ablaufsoftware an die geometrischen Gegebenheiten sehr einfach anpassen lässt. Das mühsame Ausrichten zwischen Roboter und Umgebung (z. B. Förderbänder, Ablage- bzw. Aufnahmepositionen) wird einfach durch geführtes Teachen der Koordinatensysteme ersetzt und senkt so die notwendigen Zeiten zur Ausrichtung während der Inbetriebnahme von Tagen auf wenige Minuten. Anpassungen im Maschinenlayout können damit auch sehr einfach – z. B. bei Produktumstellungen – durchgeführt werden.

Die erwähnten Features sind für bis zu acht Roboter pro Steuerung verfügbar, um Maschinen mit mehreren integrierten Robotern einfach und übersichtlich zentral automatisieren zu können. Im SPS-Teil der Steuerung können ausgefeilte Scheduling-Strategien
Keba_GAE5.jpg
3D-Simulation einer Delta-Anwendung mit Arbeitsraum und Fördereinrichtung.

3D-Simulation einer Delta-Anwendung mit Arbeitsraum und Fördereinrichtung.

zum optimalen Einsatz der vorhandenen Roboter auf einfache Art und Weise umgesetzt werden – etwa um Load Balancing zwischen den einzelnen Robotern oder Notstrategien bei Ausfall einzelner Maschinenkomponenten zu realisieren.

Intuitive Programmierung für unterschiedliche Bedürfnisse

Zur Programmierung des Gesamtsystems stehen dem Anwender drei Ebenen zur Verfügung, die ihm – je nachdem, ob er nun Maschinenhersteller und -benutzer ist – die Umgebung bieten, die er braucht.

Als Maschinenbenutzer bzw. -einrichter sieht man einfache Bewegungsabläufe, die interaktiv an der Maschine oder offline am PC erstellt bzw. optimiert werden können. Dabei gestaltet sich die Programmierung schlank und einfach, alle Komplikationen wie Betriebsarten, Unterbrechen, Fortsetzen und Wiederaufsetzen nach Fehlern etc. werden dem Maschinenbediener abgenommen.

Dem SPS-Programmierer beim Maschinenhersteller steht die umfassende CoDeSys-Programmierumgebung zur Verfügung. Das Robotik-Technologiepaket stellt sich in der SPS als Bibliothek mit einer Reihe von möglichen Schnittstellenfunktionen dar, mit denen ein optimales Zusammenspiel zwischen Maschinen- und Bewegungsablauf gewährleistet werden kann. Die Schnittstellenfunktionen zum Robotiksystem entsprechen dabei dem PLCopen-Standard für Multiachssysteme. Zusätzlich stehen die üblichen Standardfunktionen wie Kurvenscheibe und fliegende Säge/Querschneider in gewohnter Weise zur Verfügung,
um neben der Robotik anfallende Aufgaben auf Achsebene integriert lösen zu können.

Als Systemprogrammierer des Maschinenherstellers hat man die Möglichkeit, sowohl auf SPS- als auch auf Robotikseite eigenes Technologie-Know-how zu integrieren und damit mit anwendungsspezifischen Technologielösungen klare Differenzierungsmerkmale am Markt zu schaffen. Im Bereich der Robotik können sowohl die vorhandenen Roboterbefehle als auch das Verhalten des Roboters verändert werden. Neue Befehle können hinzugefügt und bestehende, die in einer bestimmten Anwendung nicht benötigt werden, entfernt werden – das vereinfacht die Bedienung des Systems erheblich und bringt hohe Leistung bei einfacher Usability. Im SPS-Bereich können kundenspezifische Funktionsbibliotheken sowohl in den IEC-Sprachen als auch in C/C++ integriert werden.

Eine Softwarebasis für unterschiedliche Robotertypen

Eine modulare und skalierbare Systemarchitektur in Hard- und Software ermöglicht die Umsetzung maßgeschneiderter Lösungen für ein breites Anwendungsfeld – vom einfachen Flächenportal bis zur ausgeklügelten Multi-Roboteranwendung. Weiters stehen einsatzbereite und getestete Schnittstellen zu kommerziell verfügbaren Robotermechaniken und -systemen zur Verfügung. Unterstützt werden neben Knickarm- und SCARA-Robotern auch kartesische Systeme und Parallelkinematiken wie Delta- oder Tripod-Roboter.

Andererseits eignet sich die Robotersteuerungslösung auch für Maschinenbauer, die Robotermechaniken aus funktionalen oder preislichen Gründen selbst herstellen. Kommerzielle und Eigenbau-Roboter lassen sich dabei auch beliebig kombinieren, um das gesamte notwendige Funktionsspektrum abzudecken.
Die Tatsache, dass eine Programmierumgebung für sämtliche Robotertypen zur Verfügung steht, verringert den Erstellungs- und Wartungsaufwand für das System effektiv.

Wesentlich für Automatisierungssysteme ist die Verfügbarkeit von Schnittstellen zur Peripherie. Die Anbindung an Leitsysteme, Visualisierungen oder die PC-Welt ist über eine Vielzahl unterstützter Standards wie z. B. PROFIBUS, OPC oder Modbus einfach möglich.

Ausblick

Ein bedeutender Trend in der Verpackungstechnik ist eine zunehmende Verlagerung der Engineering-Arbeiten von der Maschine auf den PC des Ingenieurs. Das bringt schnelleres Time-to-market, weniger gebundenes Kapital, weil die Maschine für viele Aufgaben noch nicht gebaut sein muss, sowie die Eliminierung vieler kostspieliger Redesign-Schleifen, die die Entwicklung von neuen Technologien durch Aufbau und Test an realen Maschinen mit sich bringt. Dafür muss die Simulationstechnik möglichst gut mit den realen Maschinen kooperieren und eine natürliche Ergänzung im Workflow des Maschinenherstellers darstellen. Doppelte Implementierungen von Simulations- und Produktionscode gilt es zu vermeiden.

KeMotion bietet dafür eine breite Palette von Simulationsmöglichkeiten wie z. B. ein Softwareoszilloskop mit integrierter 3D-Darstellung des bewegten Roboters, der Bahn und ggf. auch der relevanten Maschinenteile. Zusätzlich dient das integrierte, dynamische Robotermodell zur Vorhersage von Antriebsmomenten oder Schnittgrößen in der Robotermechanik an beliebigen Positionen. Es kann auch zur mechatronischen Dimensionierung der jeweiligen Maschinenkomponenten, mit Hilfe von Simulationswerten aus realen Bewegungen, herangezogen werden. Künftig werden auch Schnittstellen zu etablierten Simulationspaketen wie Matlab/Simulink oder Dymola/Modellica zur Verfügung stehen, die eine Co-Simulation von Steuerungscode und elektromechanischem Maschinenverhalten ermöglichen. Zur Offline-Erstellung der Bewegungsabläufe steht mit
KAIROedit eine integrierte Entwicklungsumgebung zur Verfügung.
Knickarm-Roboter in einer Verpackungsanwendung für medizinische Produkte.
Überblick über die drei Programmierebenen.
Grafische Maske zur Einrichtung der Palettierfunktion.
3D-Simulation einer Delta-Anwendung mit Arbeitsraum und Fördereinrichtung.


Zum Firmenprofil >>



QR code

Special Automation aus der Cloud

cloud.JPG Immer mehr Teile der industriellen Automatisierung sollen in die Cloud verlegt werden. Nicht nur die in rapide steigenden Mengen generierten Daten, sondern neben Auswerte-, Überwachungs- und Kontrollmechanismen auch Steuerungs-, Regelungs- und sogar Safety-Algorithmen. Wozu eigentlich? Was lässt sich vernünftig in die Cloud verlegen? Was sollte man dabei beachten? Und was ist das überhaupt, die Cloud?
mehr lesen >>

Im Gespräch

/xtredimg/2017/Automation/Ausgabe195/14665/web/a_Siemens_TIA_V15.jpgIndustrial Security Appliances im digitalisierten Umfeld
Die Verschmelzung der virtuellen und realen Produktionswelt fordert ein weitreichendes Portfolio auf sämtlichen Ebenen der Automatisierungspyramide wie auch in deren Anbindung an das Internet of Things. Eine wesentliche Voraussetzung dafür spielen sichere Verbindungen vom Entwicklungs- und Produktionsfloor bis hin zu einer sicheren Datenhaltung im Netz. Siemens bietet mit seinem Digital Enterprise Portfolio die technischen Voraussetzungen für eine erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0 und präsentierte auf der Messe SPS IPC Drives in Nürnberg dahingehend seine jüngsten Innovationen wie auch deren sichere Realisierung. Manfred Brandstetter, Leiter der Business Unit Factory Automation bei Siemens Österreich, erläuterte dazu die Details im Gespräch mit x-technik. Von Luzia Haunschmidt, x-technik
Interview lesen >>

Newsletter abonnieren