Mehrstufige Vorgänge in Rohrbiegung: Ethernet-Bewegungssteuerung

Ethernet-kompatible Bewegungssteuerungen für Servomotoren ermöglichen bei Rohrbiegungsmaschinen parallel stattfindende mehrstufige Biegevorgänge und senken gleichzeitig die Energiekosten sowie die erforderliche Maschinengrundfläche. Die Technologie wurde in die Unison-Maschine Breeze Uniflex integriert, mit der modulare mehrstufige Biegevorgänge mit automatischer Zuführung, Positionierung und Klemmung an Rohrkomponenten im gesamten Arbeitsprozess durchgeführt werden können. Die Hard- und Software zur Bewegungs- und Maschinensteuerung in Echtzeit liefert die Bewegungssteuerungstechnologie von Baldor, die auf dem deterministischen Ethernet Powerlink-Netzwerkprotokoll basiert. Jeder Biegekopf wird durch eine Servomotorachse und einen Antrieb versorgt. Eine einzige Maschinensteuerung ist verantwortlich für den kompletten mehrstufigen Echtzeit-Biegeprozess, ebenso wie für eine Vielzahl weiterer Zuführungs- und Förderachsen. In der ersten Produktionsversion der Breeze Uniflex, einer Maschine, die Unison zur Produktion von Kondensatorrohren für Dieselmotoren konfiguriert hat, steuert der Controller insgesamt 15 Bewegungsachsen sowie zahlreiche E/A-Kanäle. Bei dieser Anwendung werden die Rohrkomponenten automatisch durch vier gesonderte Biegestufen geleitet, wobei die Arbeitsvorgänge an den einzelnen Stufen gleichzeitig durchgeführt werden. Durch die parallele Verarbeitung wird die Produktivität im Vergleich zu der üblichen sequenziellen Vorgehensweise einer Biegemaschine mit mehreren Köpfen vervielfacht. Unison konnte die Größe des Schaltschranks um etwa zwei Drittel reduzieren. Dieser Vorteil war das Ergebnis der vereinfachten Verkabelung und der Fähigkeit des Maschinen-Controllers, dem NextMove e100 von Baldor, alle Bewegungsachsen und die erforderlichen E/A-Elemente über das Ethernet-Netzwerk mit hoher Bandbreite (100MBit/s) zu steuern und zu synchronisieren. Echtzeitsteuerung Der zentralisierte Maschinen-Controller sorgt für eine umfassende Echtzeitsteuerung jedes Antriebs, die eine deterministische Steuerung von Parametern wie Motordrehmoment und -leistung erlaubt, während die Rohrkomponenten durch die Maschine geführt werden. Eine solche Steuerung wäre mit der Bewegungsarchitektur nicht möglich, die Unison in früheren Maschinen verwendet hat und die auf Standard-Servoantriebsverstärkern basiert, die über einen Standard-Windows-PC verwaltet werden. Mit der Leistung des Windows-PC-Controllers und der einfachen analogen Steuerung über Servomotoreigenschaften wäre eine Unterstützung solch komplexer oder schneller Arbeitsvorgänge ohne zusätzliche Hardware und Echtzeit-Erweiterungen des Betriebssystems nicht möglich gewesen. Durch die einfache Architektur der Maschine – mit einem einzigen Ethernet-basierten Controller – konnte auch die Software-Komplexität reduziert werden. Unison konnte innerhalb von einer Woche nach Erhalt der Maschinensteuerungssoftware, der Programmiersprache Mint von Baldor, eine Prototypversion des Steuerungsprogramms zum Laufen bringen. Die Programmiergeschwindigkeit wurde durch den Multitasking-Kernel von Mint unterstützt, der es dem Entwicklerteam von Unison ermöglichte, das Echtzeitprogramm in eine Reihe einzelner Softwaremodule aufzuteilen. Die Programmierung des Kernprogramms für die Biegesteuerung wurde durch die Verwendung einer einzigen Biegeaufgabe in der ganzen Maschine vereinfacht, die in mehreren Instanzen vorhanden sein kann. Die Instanzen werden alle gleichzeitig ausgeführt und ermöglichen eine simultane Steuerung der erforderlichen Anzahl von Biegestationen. Die erste Instanz der Maschine verfügt über vier solcher Stationen, aber zur Hinzufügung einer weiteren Station wäre die Generierung von Code für eine weitere Achse erforderlich. Die Schlüsselwort-Programmierstruktur von Mint, mit hoch entwickelten Befehlen für Bewegungsvorgänge, lieferte schließlich ein schnelles Medium zur Entwicklung der Bewegungsaufgaben. Der Maschinenbetrieb wird über eine speziell angepasste Variante des bestehenden Mensch-Maschine-Schnittstellenpakets (HMI) von Unison – auf der Basis von Visual Basic – eingerichtet, die eine Schnittstelle zum Maschinen-Controller NextMove über ActiveX-Aufrufe herstellt. Die ActiveX-Unterstützung von Mint trug ebenfalls zur Vereinfachung dieses Programmierungsaspekts bei. So waren beispielsweise auf einem Vorgängermodell der Unison-Maschine für ein Visual Basic-Frontend-Element mehrere Hundert Codezeilen erforderlich, um die komplexen Kommunikationsroutinen zu verwalten. Das wurde auf der Breeze Uniflex auf 25 Zeilen reduziert – durch die Referenzierung auf die bereitgestellte ActiveX-Steuerung. 15 Servomotorachsen \“Die Ethernet Powerlink-Technologie von Baldor bedeutet einen solchen Leistungssprung für Bewegungssteuerungen, dass diese neue mehrstufige Biegemaschine machbar wird\“, erklärt der für das Steuerungssystem verantwortliche Unison-Ingenieur Mike Kay. \“Die Maschine arbeitet mit der vielfachen Produktivität im Vergleich zu dem bisher Realisierbaren und auf einer Grundfläche, die in etwa nur die Hälfte der letzten Maschinengeneration ausmacht.\“ Insgesamt sind in die erste Maschine von Unison 15 bürstenlose Servomotorachsen eingebaut, die jeweils durch einen der einachsigen MicroFlex e100-Antriebe von Baldor gesteuert werden. Vier Achsen führen die Biegevorgänge an den Rohrkomponenten durch. Die übrigen elf Achsen sorgen für die Zuführung, Rotation und Klemmung der Rohrkomponenten. Zusätzlich zu diesen Hauptkomponenten der Hardware wird eine Reihe von E/A-Elementen über das Netzwerk gesteuert, unter anderem ein Absolut-Encoder für die automatische Biegewinkelprüfung an jeder Biegeachse. Aus Gründen der Kosteneffizienz und zur Erhaltung der modularen Architektur der Maschine sind viele der E/A-Komponenten lokal über den CANopen-Feldbus an den Controller angeschlossen. Diese Möglichkeit der Architektur wurde durch die Entscheidung der Ethernet Powerlink-Normungsgruppe für die Verwendung von CANopen-Geräteprofilen und die Verfügbarkeit eines CANopen-Ports auf den Baldor-Antrieben eröffnet. Mitte der 1990er-Jahre leistete Unison Pionierarbeit bei der Verwendung von elektrischen Steuertechnologien im Bereich von Rohr- und Leitungsbiegung – mit Maschinen, die mit einem geringen Prozentsatz der Energie auskommen, die von den herkömmlichen hydraulischen Biegemaschinen benötigt wurde, zusammen mit weiteren Vorteilen, zu denen der leisere Betrieb und die driftfreie Präzision gehören. Rein elektrische Rohrbiegung Die jüngste Maschine auf dem Markt verdeutlicht die technologische Führungsrolle von rein elektrischen Biegemaschinen, die die Produktivität vervielfachen. \“Die Vorteile einer rein elektrischen Biegemaschine werden damit überzeugend etabliert, und diese Technologie übernimmt einen substanziellen Anteil des Markts\“, so der Geschäftsführer von Unison, Alan Pickering. \“Wir glauben, dass die rein elektrische Technologie heute ein Fünftel des High-End-Marktbereichs bei der Rohrbiegung einnimmt – ihr Anteil hat sich im Vergleich zum Stand vor fünf Jahren verzehnfacht. Und wir erwarten, dass sich ihr Marktanteil in den nächsten fünf Jahren noch einmal verdoppelt.\“ Die Maschine von Unison bringt die Vorteile der rein elektrischen Rohrbiegung auf den Markt für Maschinen mit mehreren Köpfen, hohem Durchsatz und öffnet damit für diese Technologie den Bereich der Fertigungsanwendungen mit hoher Stückzahl. Nach der ersten Installation der Breeze Uniflex bei einem großen Automobilhersteller erwartet Unison, dass der hohe Durchsatz, der nun erreicht werden kann, auf das Interesse der Hersteller von Rohrkomponenten wie Bremsen- und Servolenkungsleitungen sowie Autositzen stößt. Zu den Vorteilen, die die rein elektrische Architektur bietet, zählen die verbesserte Wiederholbarkeit im Vergleich zu hydraulischen Maschinen sowie die automatische Werkzeugeinrichtung. Sobald ein Teil erfolgreich hergestellt wurde, können die Einrichtungsdaten gespeichert und ohne die Notwendigkeit mechanischer Korrekturen wieder abgerufen werden. Die effiziente Energieausnutzung bedeutet, dass die Maschinen mit etwa 10-20% des Energieverbrauchs einer vergleichbaren hydraulischen Biegemaschine auskommen. Des Weiteren gibt es keine starken Einschaltstrombelastungen, die beherrscht werden müssen. Die Verwendung der Servotechnologie sorgt außerdem für einen geräuscharmen Betrieb. Die Maschine von Unison arbeitet normalerweise mit ca. 55-60dB, was in etwa dem Geräuschpegel in einem Büro entspricht. Dagegen stehen die ca. 80- 85dB einer herkömmlichen hydraulischen Biegemaschine mit ihrem größeren Antriebsaggregat.