Drehmoment- und Positionskontrolle: Präzision für die Uhrenindustrie

Die Firma Covatec, ein Unternehmen mit Sitz in Orpund bei Biel, entwirft und baut Spezialmaschinen für die Uhrenindustrie, für Kunden aus dem Automobil- und Elektroniksektor, der Mobiltelefonie, der Raumfahrt und dem Gesundheitswesen. Die rund zwanzig Mitarbeiter der Firma bauen hydro-pneumatische und elektrische Pressen sowie Heißsiegel-, Mikroschweiß- und Dosiergeräte. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Herstellung von Spezialgeräten für kleinste Präzisionsmontagen für die Einzel- oder Serienfertigung. In der Uhrenindustrie steht die Präzision der hergestellten Maschinen im Vordergrund. Dabei ist der Begriff der Präzision durchaus wörtlich zu nehmen: \“Die exakte Kontrolle von Druck, Temperatur und Position ermöglicht es uns, auf manchen Maschinen Drähte von 1/100mm Durchmesser in einem Schaltkreis zu verschweißen\“, erklärt Pierre Wyss, Mitbegründer der Firma im Jahre 1974. Sein Sohn Christian Wyss, der die kaufmännische Seite der Geschäfte betreut und für die Qualität verantwortlich ist, fügt hinzu: \“Um unsere Leistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten und weiterzuentwickeln, versuchen wir, jedes Jahr zwei oder drei neue Technologien in unsere Maschinen einzubauen.\“ Eine dieser Entwicklungen ist die Achsensteuerung von GE Fanuc. Präzision von Mikrometern Für einen Kunden aus der Luxusuhrenindustrie entwarf der Maschinenbauer eine Presse mit drei elektrischen Achsen für Falz-, Press- und Montageanwendungen auf Uhrenplatinen. Mit den x- und y-Achsen wird die Platine positioniert, während die vertikale z-Achse eine Presskraft von bis zu 150kg entwickelt. Die Presse ist mit drei Motoren mit Drehgebern von GE Fanuc ausgestattet, von denen jeder ein Drehmoment von 0,4Nm hat, was für die Mikromechanik geeignet ist. Covatec hat die gesamte Maschine auf der Grundlage der Bewegungssteuerung DSM324i automatisiert, die sich im Schaltkasten neben der SPS Serie 90-30 befindet. Das Ganze wurde mit dem Programmierwerkzeug Proficy Machine Edition entwickelt. Verformungen kompensieren Die Maschine wurde entwickelt, um den steigenden Anforderungen hinsichtlich der Prozessüberwachung gerecht zu werden: \“Es geht nicht mehr einfach darum, Komponenten zusammenzubauen, sondern schon vor der eigentlichen Montage festzustellen, ob die geforderte Präzision und Wiederholbarkeit mit den Komponenten erreicht werden kann, und gleichzeitig Statistikdaten für die Prozessüberwachung bereitzustellen\“, erklärt Christian Wyss. Mithilfe der Servoantriebe positioniert die Presse das Werkzeug entsprechend der x- und y-Koordinaten, die auf der Uhrenplatine definiert wurden. Ein auf dem Industrie-PC installiertes Programm übermittelt die Koordinaten aus der Konstruktion an die Steuerung der Serie 90-30 und optimiert die Bewegungen des Werkzeugkopfes. Die zum Einpressen einer Achse benötigte Presskraft führt manchmal zu reversiblen Verformungen von einigen Hundertstel Millimetern auf der Uhrenplatine. Damit besteht das Risiko, dass die Achse nicht korrekt in das Werkstück eingepresst wird. Aus diesem Grund bietet die Achsensteuerung die Möglichkeit, den entsprechenden Bereich auf der Platine abzutasten und so die Verformung zu messen, die zum Zeitpunkt des Einpressens kompensiert werden muss. Dieser Wert wird dann von der CPU der Steuerung berücksichtigt. Darüber hinaus werden bei der Inbetriebnahme der Maschine die exakten Koordinaten der Uhrenplatinen für die beiden Positionen der drehbaren Werkstückauflage gemessen. Die notwendigen geometrischen Anpassungen werden ebenfalls von der Steuerung berücksichtigt. Und schließlich korrigiert eine Temperatursonde über eine an die Steuerung angebundene 0 bis 10V-Schnittstelle automatisch die Position der vertikalen Achse abhängig von der Umgebungstemperatur. Durchdachtes Steuerungskonzept Auf Bedienerseite besteht die Steuerungsarchitektur aus einem Industrie-PC mit Windows XP als Betriebssystem. Dieser PC kommuniziert über das SRTP-Protokoll (SNP mit 100MBit/s in einer TCP-Schicht) mit der Steuerung der Serie 90-30. Zwischen der SPS und dem PC findet eine bidirektionale Kommunikation statt. Die SPS Serie 90-30 von GE Fanuc hat eine CPU 374 mit einem Ethernet-Schalter. Die Bewegungssteuerung DSM324i für die Achsen ist mit der CPU verbunden und direkt auf dem Chassis angebracht. Über eine Glasfaserverbindung steuert diese Karte alleine die drei Servoverstärker der x-, y- und z-Achsen an. Jeder Servoverstärker steuert einen Motor und empfängt das Signal des Drehgebers über einen seriellen Bus (proprietäres Protokoll). \“Die Glasfaserleitungen helfen, die Verkabelung zu reduzieren und sind deutlich preisgünstiger als die mehrsträngigen abgeschirmten Kabel, die üblicherweise zum Einsatz kommen\“, erklärt Domenico Conti, Regelungstechniker bei Covatec. \“Auf diese Art vermeiden wir auch elektromagnetische Interferenzen.\“ Die Mess­funktion ist eine der Stärken der Presse. Die Qualität des Einpressens einer Achse wird teilweise von der Presskraft bestimmt, die über die vertikale Achse ausgeübt wird. Über das Achsensteuermodul misst die CPU der Steuerung diese Kraft in Echtzeit anhand des von der Achse in der Platine zurückgelegten Arbeitsweges. In einer Grafik (Bild 1 und 2) sieht der Bediener, ob sich die Presskraft innerhalb der Toleranzen befindet. Diese Toleranzwerte können je nach Erfahrung vom Bediener geändert werden. Und wenn der Wert das Maximum überschreitet? \“Die Maschine hält sofort an wenn die Presskraft nicht den Vorgaben entspricht. Dafür benötigten wir eine Achsensteuerung und eine CPU mit relativ kurzer Taktzeit, um schnell reagieren zu können\“, sagt Conti. Bei jedem Pressvorgang werden die Kräfte und die gemessene Maximalkraft auf dem Industrie-PC gespeichert, um die Rückverfolgbarkeit sicherzustellen. Die Kontrolle des Drehmoments durch die Achsensteuerkarte erfolgt anhand einer internen Steuerlogik, ohne Kommunikation oder einen zusätzlichen externen Bus. Die Achsensteuerung DSM324i kann aktuell 2.048 Register doppelter Wortlänge mit 32Bits verarbeiten und empfängt die Daten des Industrie-PCs über die CPU der Steuerung. \“Auf diese Art können wir mithilfe eines Zeigers die Eigenschaften der bearbeiteten Stelle betrachten\“, erläutert Domenico Conti, \“vor allem aber werden die Kommunikationsleitungen nicht überlastet.\“ Seit Frühjahr 2008 in Betrieb