23.07.2019

Automatisierung erschließt neue Einsatzgebiete

Energie und Daten kontaktlos übertragen

Mit dem neu gegründeten Geschäftsfeld Maxolution Maschinenautomatisierung verfolgt SEW-Eurodrive das Ziel, ausgewählte Branchen mit maßgeschneiderten Systemlösungen aus einer Hand zu bedienen. Welche Vorteile sich daraus ergeben, zeigt das Unternehmen z.B. anhand eines Roboterportals ohne Energieführungsketten.


EMAG: Von der Werkzeugmaschine zum Systemlieferant

Die EMAG-Gruppe ist auf Fertigungssysteme für Bauteile aus den Bereichen Getriebe-, Motoren- und Fahrwerkskomponentenfertigung spezialisiert. Durch den Zugriff auf ein sehr breites Technologiespektrum (Drehen, Bohren, Fräsen, Verzahnen, Schleifen, Laserschweißen, Induktives Härten, ECM-Entgraten, PECM-Bearbeiten, Automatisierung) kann das Unternehmen die komplette Prozesskette abdecken.

Im Movi-C-Controller werden die Daten vom FSoE-Master zu den jeweiligen Roboterachsen geroutet und gemappt.
Bild: SEW EURODRIVE GmbH & Co. KG

Produkte automatisch erkennen, sicher greifen und zügig ans Ziel bringen: Portalroboter sind ein probates Mittel für den intralogistischen Materialfluss innerhalb einer Maschine oder Applikation. Gemeinsam mit dem Maschinenbauer EMAG hat SEW-Eurodrive Portalroboter konzipiert und dabei die Antriebstechnik und Kommunikation buchstäblich von der Kette genommen. Weil innovative optische und induktive Wege der Signal- und Energieübertragung eingesetzt wurden, konnte auf klassische Energieführungsketten, wie sie in Portalsystemen weit verbreitet sind, verzichtet werden.

Leiser, dynamischer, flexibler

Anhand eines kartesischen Portals hat SEW-Eurodrive bereits auf der SPS 2018 demonstriert, welche Lösungen mit heutiger Technik möglich sind, wenn intelligente Software mit zuverlässiger Mechatronik zu vollständig integrierten Lösungspaketen kombiniert werden. Was auf den ersten Blick auffällt, ist das Antriebskonzept, mit dem die Portalroboter auf der Schiene unterwegs sind. Augenfällig ist vor allem, dass sich mehrere Roboter auf der gleichen, horizontalen Strecke weitgehend frei bewegen können. Hierbei kommt es dann regelmäßig zu überlappenden Abschnitten - was letztlich eine hohe Freiheit bei den Logistikabläufen ermöglicht. "Solche Abläufe wären mit Energieführungsketten nicht so einfach möglich", betont Klaus Just. Der Gruppenleiter Systemplanung bei SEW-Eurodrive verweist zudem auf die höheren Massen, die in Systemen mit Energieführungsketten ständig mit zu bewegen sind. Sie erzeugen Lärm, verschleißen, vergrößern die Massenträgheit und wirken sich insgesamt negativ auf die Dynamik sowie Energieeffizienz als Folge der Reibung aus. Ein weiterer Vorteil der neuen Lösung: Es gibt keine Einschränkungen mehr in Hinblick auf Bauraum, Kabelbruch oder limitierte Zykluszahlen, resultierend aus der Energieführungskette sowie den bewegten Kabeln. Möglich wurde dieser smarte Aufbau mit SEW durch die induktive Energieübertragung Movitrans mit dem dezentralen Einspeisemodul TES. Je nach Ausführung liefern diese Module Übertragungsleistungen zwischen 3 und 8kW.

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Energie im Prozess behalten

Ein weiterer spannender Aspekt bei dieser Logistiklösung: Über den kompletten Lastzyklus nimmt der Roboter weniger als 500W über den Übertragerkopf auf, obwohl allein die Horizontalachse beim Beschleunigen mehr als 3kW Beschleunigungsleistung benötigt. Gespeist wird der kurzzeitige Energiebedarf aus dem DPS-Speicher von SEW-Eurodrive, einem Doppelschichtkondensator-Paket, das die primäre Stromversorgung der Roboter mit 100VDC Zwischenkreisspannung übernimmt. Die typischen Fahrprofile eines Portalroboters mit wechselnden Beschleunigungs- und Abbremsphasen führten zu der Überlegung, die beim Bremsen erzeugte, generatorische Energie nicht über Widerstände abzuführen, sondern im Prozess zu behalten. Der Energiespeicher DPS nimmt diese Bremsenergie auf und wirkt zudem als Booster, wenn die Antriebe des Portals mit 6m/s² beschleunigen. Der Aufbau arbeitet dabei so wirkungsvoll, dass per Movitrans nur noch die mechanischen Wirkungsgradverluste im Energieverbund auszugleichen sind, in Summe rund 500W. "Im Gegensatz zum bekannten DC-Zwischenkreisverbund von Mehrachsanwendungen im zentralen Schaltschrank, versetzen wir jede Einheit in die Lage, für sich selber die Energie zu speichern. Das macht es sehr einfach, solch ein System zu skalieren", erklärt Just.

Kommunikation ebenfalls kabellos

Die berührungslose Energieübertragung mit dem Verzicht auf limitierende Kabel setzt sich innerhalb des Roboterportals bei der Kommunikation fort. Zum Einsatz kommt eine Datenlichtschranke, die die interpolierten Lagesollwerte im 1ms-Raster von der zentralen SEW-Steuerung an die vier Servoregler in der mitfahrenden SEW-Gehäusebox überträgt. Die Berechnung der komplexen Roboter-Motion-Control übernimmt ein Movi-C-Controller - und zwar für bis zu vier Roboter gleichzeitig. Teil der Bewegungsführung sind Berechnungen zur Kollisionsvermeidung sowie die Koordinierung des Roboterverbundes mit Blick auf ein produktives Ganzes. Benötigt eine Maschine innerhalb eines Produktionsverbundes die doppelte Materialflussleistung, lässt sich im Portalsystem ein Roboter aus einem anderen Bereich flexibel abziehen. Werden hingegen Handling-Einheiten über eine Energieführungskette versorgt, sind sie an ihren Bereich gebunden. "Wir nehmen Maschinenbereiche von der Kette, machen die damit verbundenen Ressourcen beweglich und Anlagen insgesamt für die Zukunft flexibler und produktiver", bringt es der Gruppenleiter auf den Punkt. Damit verbunden sind entsprechend hohe Anforderungen an die Kommunikation.

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Optische Echtzeitkommunikation

SEW-Eurodrive setzt im Portal auf das Echtzeit-Ethernet-Protokoll Ethercat - ebenfalls ohne Kabel, mittels einer optischen Verbindung zu den mobilen Einheiten. Per Datenlichtschranke werden die Antriebsdaten kaskadierbar an die Roboter übergeben. "Wir verzichten damit auf eine gesonderte Steuerung in jedem Roboter", ergänzt Klaus Just. Mit einer Zykluszeit von 1ms weist das optische System praktisch keine Latenzzeit bei der Übertragung der interpolierten Lage-Soll-Werte an die Regler sowie der Rückmeldung der entsprechenden Ist-Werte auf. Auf gleichem Weg erfolgt die Kommunikation für die funktionale Sicherheitstechnik. Bei dieser Applikation setzt SEW-Eurodrive eine zentrale Sicherheitssteuerung für alle Roboter und die Gesamtmaschine ein. Sie kommuniziert per Ethercat direkt mit dem Movi-C-Controller und verwendet dafür das Safety-Protokoll FSoE (Fail Safe over Ethercat). Dieser Aufbau ermöglicht den einfachen Datenaustausch zwischen beiden Steuerungen, vereinfacht die Programmerstellung deutlich und bietet mit seiner Informationsdichte sehr gute Rahmenbedingungen für Diagnose und Debugging.

Systemlösungen auf den Punkt gebracht

Die nahtlose Integration des FSoE-Safety-Masters oder der Ethercat-Datenlichtschranke in die Automatisierungswelt von SEW-Eurodrive macht deutlich, welchen Weg der Hersteller mit Maxolution Maschinenautomatisierung gehen will. Hierbei spielen standardisierte Schnittstellen ebenso eine große Rolle wie vorbereitete Softwarebausteine oder applikationsspezifische Funktionsmodule. "Der Markt verlangt Systemlösungen," unterstreicht Ronald Matzig, Key Account Manager für SEW-Eurodrive bei EMAG. "Dabei sind die Anforderungen, auf die wir hier reagieren müssen höchst unterschiedlich." EMAG fing schon vor Jahren an, eigene Automatisierungslösungen zu entwickeln, um möglichst flexibel auf Kundenanforderungen reagieren zu können. "Weil wir aber in erster Linie Hersteller von Werkzeugmaschinen sind, haben wir uns aber entschlossen, für die Weiterentwicklung der Automatisierungstechnik einen Partner zu suchen, der uns vor allem bei den Themen Elektro- und Steuerungstechnik unterstützt", so Matzig weiter. "Die Wahl fiel auf SEW-Eurodrive, da beide Unternehmen eine jahrelange Geschäftsbeziehung verbindet. Ich bin sehr glücklich darüber, dass wir als erstes Ergebnis dieser Zusammenarbeit eine innovative Systemlösung präsentieren konnten, bei dem EMAG die mechanischen Komponenten und SEW-Eurodrive die komplette Energie-, Elektro- und Steuerungstechnik beisteuert."

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