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Kosten und Engineering-Aufwand senken

Integrierte Roboter-Steuerung

Roboter liegen im Trend: Werden sie in bestehende Maschinenkonzepte integriert, steigern Maschinenbauer die Flexibilität ihrer Anlagen deutlich. Viele Unternehmen scheuen jedoch die hohen Kosten von proprietären Robotersteuerungen oder sie verfügen nicht über das entsprechende Know-how. Abhilfe schafft die Möglichkeit, Roboter- und Handling-Funktionen zusammen mit Motion-Contol- und SPS-Funktionen auf einer Hardware-Plattform auszuführen. Damit reduzieren sich die Komponentenkosten und der Engineering-Aufwand erheblich. Dem breiten Einsatz von Roboter-Kinematiken im Maschinenbau sind damit alle Türen geöffnet.

Bild: Lenze

Die Kernprozesse vieler Maschinen sind bereits so weit optimiert, dass die Grenzen des physikalisch Möglichen erreicht sind. Der Fokus hat sich daher auf vor- und nachgelagerte Prozesse wie Zu- und Abtransport verschoben. Indem diese Abläufe noch enger mit dem Kernprozess verzahnt werden, lassen sich spürbare Produktivitätsgewinne erzielen. Dem standen aber bislang die hohen Kosten für die Roboter und die Experten entgegen, die zur Programmierung der üblicherweise proprietären Robotersteuerungen hinzugezogen werden mussten. Auch zeigte sich immer wieder, dass die geplante Maschinen-Performance nicht oder nur mit großem Aufwand erreicht werden konnte, weil bei der Synchronisation von Robotersteuerung und Maschinensteuerung Probleme auftraten.

Eine Ursache lag in der Schwierigkeit, die Aufgaben über die Schnittstellen zwischen den beiden Steuerungswelten mit ausreichender Geschwindigkeit und Genauigkeit zu synchronisieren. Bei der Lösung der Probleme wurde der Anwender nicht selten vom Lieferanten der einen Steuerung an den der anderen verwiesen und umgekehrt. Erschwert wurden das Engineering und die Fehlersuche außerdem durch unterschiedliche Programmiermethoden und -Werkzeuge der beiden Steuerungssysteme. Es ist daher nicht verwunderlich, dass der Ruf nach einer Integration der Roboter-Funktionalität in die Steuerung der Maschine laut wurde. Technische Fortschritte und die wesentlich kürzeren Innovationszyklen der Motion-Control-Steuer-ungen haben nun dafür gesorgt, dass dieser Wunsch Realität werden konnte. Aufgrund der Leistungsfähigkeit moderner Hardware-Plattformen, wie dem Motion Controller L-force Controller 3200 C von Lenze, ist es möglich, Robotik, SPS und Motion Control in einem einzigen, zentralen Steuerungssystem zu vereinen. Die Performance-Reserven sind trotz kompakter Bauformen sogar so hoch, dass mehrere Maschinenmodule gesteuert werden können und sich zugleich die Koordinaten-Transformation für mehrere Roboter berechnen lässt – das Ganze natürlich in Echtzeit.

Hochleistungs-Rechenkern für Transformationen

Die Umrechnung der kartesischen Koordinaten der Bewegungsbahn des Roboters in die Drehbewegungen der einzelnen Roboterachsen, die Transformation, übernimmt bei dieser Lösung ein Hochleistungs-Softwarekern, der zur Laufzeit Bewegungen mit bis zu vier Freiheitsgraden berechnen kann. Der Kern ist mit einem umfangreichen Satz von Bewegungsbefehlen ausgestattet, über die komplexe Bewegungsabläufe – sogenannte Trajektorien – programmiert werden können. Auch die individuelle Zusammenstellung von Achsgruppen und das Instanzieren von Bewegungsabläufen über verschiedene Arten der Beauftragung ist möglich. Der Anwender wählt je nach Aufgabenstellung und Vorliebe den für ihn passenden Ansatz.

Integration unternehmensspezifischer Mechaniken

Eine Form der Beauftragung ist der Einsatz von Funktionsblöcken, wie sie vergleichbar in PLCopen Part 4 für die Einzelbeauftragung beziehungsweise die verschliffene Einzelbeauftragung beschrieben werden. Es können aber auch sequentielle Bewegungsvorgaben per CNC- oder Roboterprogrammiersprache gemacht werden. Hier zeigt sich einer der Vorteile des vom Hersteller gewählten Ansatzes: Da der Anwender Zugriff auf die Schnittelle des Kerns hat, können neben Standardkinematiken – wie Delta-, Scara- oder Knickarm-Roboter – auch kundenspezifische Mechaniken integriert werden.

Balance zwischen Taktrate und Mechanik-Grenzen

Unabhängig davon, ob vorgefertigte Funktionsblöcke oder eine andere Methode verwendet werden, geht es letztendlich immer um die Beschreibung der Bewegungsbahn des Roboters. Diese wird zur Ausführung der Transformationen dem Kern übergeben, wo ihre kartesischen Koordinaten in die Winkelpositionen der einzelnen Bewegungsachsen des Roboters umgerechnet werden. Dessen Bewegungsbahn wird dabei in Form von Linear-, Zirkular- oder Punkt-zu-Punkt-Bewegungen vorgegeben. Komplexere Trajektorien werden durch Sequenzen einzelner Bewegungsabschnitte oder Bahnsegmente angenähert.

Damit eine hohe Taktrate erreicht werden kann, die Mechanik nicht überlastet sowie das Werkstück oder das transportierte Produkt nicht zerstört wird, muss sichergestellt werden, dass die Bewegung insbesondere an den Übergängen zwischen den Bahnsegmenten stoßfrei und ruckreduziert ist und bestimmte Beschleunigungen oder Geschwindigkeiten nicht überschritten werden. Die zugehörige Software-Umgebung bietet dafür Funktionen zur Limitierung der Geschwindigkeit beziehungsweise der Beschleunigung jeder Achse. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Hilfsachsen wie etwa eine Drehachse separat zu behandeln. Dabei kann der Programmierer auch Achsen gruppieren, Bewegungsebenen für Achsen definieren oder eine ‚Override‘-Funktion umsetzen.

Entwicklungsumgebung mit Funktionsinstanzen

Das Unternehmen für Antriebs- und Automatisierungstechnik stellt zudem mit der Entwicklungsumgebung PLC-Designer Hilfsmittel zur Verfügung, um das Engineering zu erleichtern. Dazu gehören Basis-Templates für die Integration unternehmensspezifischer Technologiefunktionen. Innerhalb dieser Vorlagen steht dem Anwender ein Funktionsrahmen zur Verfügung, der instanziert und mit eigenen Funktionen in den Programmiersprachen der IEC61131 ‚gefüllt‘ werden kann. Die auf diese Weise erzeugten Funktionsblöcke weisen abgestimmte Schnittstellen auf, sodass sie einfach mit anderen Funktionsblöcken verschaltet werden können. Diesen kundenspezifischen Funktionsblöcken stehen Bibliotheken mit vorgefertigten Funktionsblöcken zur Seite, die seitens des Anbieters laufend erweitert werden. Letzendlich gestattet dieser Ansatz dem Anwender, den Engineering-Prozess im Vergleich zu konventionellen, separaten Robotersteuerungen weniger aufwändig zu gestalten, was sich in niedrigeren Entwicklungskosten bemerkbar machen kann. Hinzu kommt Sparpotenzial durch die insgesamt niedrigeren Komponentenkosten.

 

Integrierte Roboterfunktion in der Maschinensteuerung

Bild: Lenze

Die Integration von Roboterfunktionen in die Maschinensteuerung über eine leistungsfähige Hardware-Plattform senkt Kosten. Die flexible Software von Lenze erlaubt es dem Anwender, dabei Standard-Kinematiken, wie Scara- oder Delta-Roboter, aber auch selbst entworfene Mechaniken auf einer Hardware-Plattform zu integrieren, sodass SPS-, Motion- und Roboter-Funktionen in Echtzeit auf einem einzigen Controller ausgeführt werden können. Dies bedeutet gegenüber konventionellen Ansätzen mit separater Robotersteuerung geringere Komponentenkosten und ein einfacheres Engineering. Dank eines umfangreichen Produktportfolios, das vom I/O-System über Motion Controller und Servoantriebe bis hin zu abgesetzten Bedienterminals reicht, ist es somit möglich, ganze Automatisierungssysteme inklusive Roboter-Funktionalität zu realisieren.


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