Verkabelungsaufwand bei robotergestützten Prüfsystemen halbiert

One Cable Automation

Die Genesis Systems Group aus Davenport, Iowa, USA, entwickelt robotergestützte Systeme für die zerstörungsfreie Prüfung großer Bauteile für große und kleine Flugzeuge, Satelliten und sogar Raketen. PC- und Ethercat-basierte Steuerungstechnik ermöglicht dabei nicht nur eine hohe Genauigkeit und einen hohen Durchsatz bei der automatisierten Prüfung sicherheitskritischer Bauteile, sondern auch beträchtliche Einsparungen bei der Verkabelung und Installation.


Die Anforderungen an die Materialprüfung und Qualitätssicherung in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind hoch, denn nur eine lückenlose Prüfung von Material und Komponenten kann die Sicherheit von Passagieren, Crew und Fracht gewährleisten. Die Genesis Systems Group ist ein Systemintegrator von robotergestützten Systemen für die Fertigungs-, Transport- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie. Für die speziellen Anforderungen bei der zerstörungsfreien Prüfung besonders großer Bauteile für Flugzeuge, Satelliten und Raketen hat Genesis Systems robotergestützte Non-Destructive Inspection-Systeme (NDI) für die zerstörungsfreie Prüfung entwickelt. Auch für erfahrene Prüfer stellt die traditionelle manuelle Prüfung solcher Bauteile eine Herausforderung dar, denn sie müssen sich um Teile jeder Größe herumbewegen und dabei die vollständige Materialprüfung unter Einhaltung höchster Genauigkeitsanforderungen sicherstellen. Automatisiert mit PC- und Ethercat-basierter Steuerungstechnik von Beckhoff führen die Prüfsysteme von Genesis diese Aufgabe nun mit der geforderten Präzision und in wesentlich kürzerer Zeit aus.

Robotersysteme für den ultimativen finalen Test

Die NDI-Lösungen der NSpect-Reihe von Genesis Systems prüfen die großen Oberflächen von Luft- und Raumfahrtkomponenten auf Defekte im Material und die Einhaltung von Fertigungsvorgaben. Dafür sind die Roboter mit Ultraschallprüftechnik ausgerüstet, die Ultraschall vom Sender durch das zu prüfende Teil an den Empfänger schickt. Neben herkömmlichen Prüfverfahren wie der Impuls-Echo-Technik, Phasenverschiebung und Shearografie werden auch andere Verfahren unterstützt. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich meist um Stahl, Aluminium oder Verbundstoffe. Kernkomponente der Lösung ist ein Sechsachs-Gelenkroboter, das Genesis Blitz Module. Dank der ausgefeilten C++-Programmierung erfasst das Blitz Module alle Roboterpositionen und erzeugt innerhalb von ca. 200µs einen virtuellen Encoder mit sechs Freiheitsgraden und Messungsrastermaßen bis 1mm. Diese Positionsrückführung stellt die lückenlose Prüfung der großen Oberflächen der Bauteile sicher. "In der Welt der Materialprüfung nennt man das Pulse-on-Position (PoP)", erklärt Ryan Steckel, Automation Systems Engineer der Genesis Systems Group, und fährt fort: "Das Blitz Module erfasst die Messdaten des geprüften Materials und korreliert diese mit der Position des Instruments oder Sensors. Dabei gilt, je schneller die Impulse ausgesandt werden, umso schneller kann sich der Roboter vorwärts bewegen und umso produktiver ist das NDI-System." Durch die schnelle Kommunikation mit Ethercat benötigt das Blitz Module nur 1ms für das Aussenden der Impulse, während der Standardwert 10ms ist. Ethercat ermöglicht außerdem eine hohe Messgenauigkeit und hochpräzise Systemsynchronisierung - zwei Schlüsselkriterien in der Materialprüfung. Eine andere Neuentwicklung ist RoboPogo, ein Teilehaltesystem mit mehreren Gelenkrobotern für die Prüfung mit den NSpect-Systemen. RoboPogo kann große Teile mit den verschiedensten Geometrien halten, erläutert Whitney Moon, Director Aerospace Division, Genesis Systems Group. "2017 übernahm Genesis ein Projekt, bei dem während der NDI-Prüfung besonders große Teile fixiert werden mussten. Mit herkömmlichen Vorrichtungen oder manuell angepassten Halterungen wäre das sehr aufwändig und teuer geworden." Wenn Teile mit einer Länge von 3 bis 33m fixiert werden sollen, ist diese Lösung optimal, da die Gelenkarmroboter die nötige Flexibilität für die Anpassung an andere Teilegeometrien, Abläufe oder Applikationen bieten und sogar die dynamische Repositionierung während der Messung ermöglichen - immer in exakter Synchronisation mit den Prüfrobotern der NSpect-Reihe.

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PC-basierte Steuerungsplattform vereinfacht Systemintegration

"Die Applikationen, auf die wir mit dem RoboPogo-System abzielen, sind sehr speziell. Darum benötigen wir flexible Automatisierungstechnik, die einen einfachen Systemaufbau ermöglicht", fährt Whitney Moon fort. "PC-basierte Steuerungen sind ideal, weil wir alle Aufgaben mit einer integrierten Plattform aus einer Hand lösen können." Bei Genesis Systems sind alle Funktionen in den leistungsstarken Embedded-PC CX2030 integriert - SPS, Sicherheits-SPS, Motion Control, HMI-Software, Windows-Betriebssystem und die eigenen Prüfprogramme von Genesis. "Wir nutzen den CX2030 in Systemen mit 20 Robotern und lasten die CPU dabei nur zu etwa 25 Prozent aus", erklärt Ryan Steckel. "Die Erfassung aller Prüfdaten und die Kommunikation mit 20 Kuka-Robotern im Millisekundentakt ist beeindruckend. Das zeigt deutlich die Vorteile von PC-based Control und Ethercat." Systemprogrammierung und Runtime mit Twincat-3-Software vereinfacht die Systembereitstellung weiter. "Zur Entwicklungsumgebung gehören Structured Text und objektorientierte Programmierung. Dadurch können wir das RoboPogo-Konzept je nach Bedarf einfach anpassen - an Systeme mit vier Robotern oder auch mit 20", hebt Whitney Moon hervor. "Bei einem neuen System muss man nur Basisparameter anpassen, statt ein neues Programm zu schreiben", fügt Ryan Steckel hinzu.

Ethercat - schlanke Automatisierung und erhöhte Sicherheit

RoboPogo und die anderen NDI-Systeme von Genesis kommunizieren über Ethercat, das von den größten Roboterherstellern der Welt ebenfalls unterstützt wird. Genesis Systems war auch ein Early Adopter von Ethercat P für One Cable Automation. "Seitdem Genesis Systems in größerem Maßstab für die Luft- und Raumfahrt arbeitet, werden Anwendungen für Teile mit einer Länge von 100m und mehr benötigt", erzählt Whitney Moon. "Wenn man die zahlreichen erforderlichen Kabel zurück zum Schaltschrank führen muss, ist das zeitaufwändig und teuer. Deswegen nutzt Genesis Systems Ethercat P für die Übertragung von Leistung und Ethercat-Signalen zwischen den einzelnen Stationen, und kann auf eine Rückleitung von den Stationen zum Hauptschaltschrank verzichten." IP67-geschützte Ethercat-P-Box-Module sowie Servomotoren und -antriebe mit One Cable Technology (OCT) reduzieren den Gesamtverkabelungsaufwand weiter. TwinSafe als in das Ethercat-I/O-System integrierte Sicherheitstechnik bietet dank FSoE-gestützter Kommunikation weitere Vorteile, ergänzt Whitney Moon: "Die Anzahl der benötigten Sicherheitsrelais hat sich um 90 Prozent reduziert. Die Ethercat-Diagnosefunktion erhöht die Sicherheit in unseren Systemen, denn integrierte Tools können einen Fehler exakt dem Gerät als Teilnehmer im Netzwerk zuordnen." Zudem könnten Sicherheitszonen eingerichtet und im laufenden Betrieb rekonfiguriert werden. So könne z.B. der nächste Prüfling in einer Zone sicher eingespannt werden, während das System in einer anderen weiter prüft. Dieses Maß an Flexibilität war mit anderen Steuerungssystemen und Safety Interfaces bisher nicht möglich.

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Signifikante Einsparungen bei erhöhter Genauigkeit und Produktivität

"Durch One Cable Automation von Beckhoff kann Genesis Systems die Verkabelung von Antrieben, Motoren, Sensoren, Stellantrieben und pneumatischen Ventilen in NDI-Systemen um bis zu 50 Prozent reduzieren", fasst Ryan Steckel zusammen. "Auch die Zeit für Verkabelung und Installation aller elektrischen Komponenten konnte um 50 Prozent reduziert werden", fügt Whitney Moon zu. "Der Platzbedarf in Schalt- und Steuerschränken hat sich zudem um 20 Prozent verringert."

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