Alle Welt redet über Mechatronik. Aber bei keinem Produktportfolio ist dies so angemessen wie bei Festo. Automatisieren mit pneumatischen und elektrischen Komponenten und Systemen ist die Spezialität des Unternehmens. Das selbstverständliche Ineinanderspielen von Mechanik und Elektronik ist den Produkten daher qua Geburt in die Wiege gelegt. So war dann auch das Motto der zweitägigen internationalen Veranstaltung: \“Dancing with Mechatronics\“. In Vorträgen und in einer kleinen Ausstellung konnte die Fachpresse einen Eindruck von den Produkten und Systemen gewinnen. Nur einen kleinen Teil davon können wir in diesem Artikel unterbringen. Die Inhalte werden uns daher auch in späteren Ausgaben begleiten. Insbesondere drei Themengebiete möchte ich hier explizit erwähnen, nämlich die Mikrowellen-Sensorik sowie die Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitung und die Gravitationskompensation, denen wir in späteren Ausgaben einen ausführlichen Beitrag widmen wollen. Bevor es jetzt los geht mit der Vorstellung der Produkte, möchte ich noch eine Bemerkung zur Begriffsdefinition machen: Der Mechatronik-Begriff wird in den unterschiedlichen Branchen unterschiedlich verwendet. Für Druckerhersteller beispielsweise ist eine Tintenpatrone eine mechatronische Einheit, weil sie sowohl Mechanik und Elektronik enthält. Wenn Maschinen- und Anlagenbauer von mechatronischen Einheiten sprechen, dann sind in der Regel einzelne Teile modularer Maschinenkonzepte gemeint, die zu flexiblen und engineeringreduzierten Maschinen führen. Festo verwendet den Mechatronik-Begriff auch für seine Komponenten, die z.B. im Falle der Ventilinseln einen funktional wichtigen mechanischen Teil sowie einen immer wichtiger werdenden elektronischen und softwaremäßigen Teil aufweisen, z.B. für die Kommunikation. Der Vortrag von Dieter Pesch (s.u.) verwendet den Begriff im Sinne der Maschinenmodularisierung. Neue Möglichkeiten durch offene Kommunikation Mehr Funktion und Technologie, verpackt in kompaktere Komponenten und Systeme macht die Mechatronik möglich. Das betonte Uwe Gräff im ersten Vortrag der Veranstaltung. Beispiel dieser Entwicklung sind die Ventilinseln von Festo, die sich zu multifunktionalen Terminals mausern, die komplette Subfunktionen von Maschinen bzw. Teilprozesse einer Anlage abdecken können. Front-End-Motion Control, Pneumatik, Sig-nalverarbeitung, Sicherheitstechnik und Networking sind hierbei die Schlüsseltechnologien. Eine Vorreiterrolle spielt die Ventilinsel CPX/MPA, die kompakt und diagnosefähig ist. Gräff betonte, dass die Vorteile der dezentralen Installation auf der Hand liegen: Intelligenz wandert ins Feld, die dezentrale Installation erhöht die Flexibiliät der Automatisierungsgeräte durch integrierte vorverarbeitende Funktionen. Grundidee und erster Schritt der Dezentralisierung mittels Bussystemen war die Verlagerung der E/As der zentralen Steuerung im Schaltschrank in dezentral angeordnete Klemmenkästen. Die direkte Maschinenmontage der Remote-IOs etablierte sich. Daraufhin wanderten SPS-Peripheriefunktionen in die Feldebene und im dritten Schritt wurde das Netz zur Steuerung. Damit werden parametrierbare Failsafe-Funktionen der Ausgänge, Ventile und Aktoren im Falle einer Kommunikationsunterbrechung des Bussystems oder auch software-parametrierbare Grenzüberwachungen für analoge Sensorik und Aktuatorik möglich. Die mechatronische Funktionsintegration als Facette der verteilten Intelligenz hat sich durchgesetzt. Festo bietet mit dem CPX-MMI für Vorab-Inbetriebnahmen oder mit dem Modul CPX-FEC als vorverarbeitender programmierbarer Front-End-Controller, integriert in die Ventilinsel, die entsprechenden Produkte. Erst die Dezentralisierung der Steuerungskomponenten in die direkte Nähe der Sensorik und Aktorik erlauben, Installationskosten für die Verkabelung einzusparen und Verdrahtungskosten durch vorkonfektionierte Kabel zu senken. Der Trend, Ansteuereinheiten, Remote-IOs oder die Ventilinsel direkt am Aktuator zu installieren ermöglichte es, den Klemmenkasten vor Ort einzusparen. Produkte von Festo erschließen, so Gräff, hier neue Anwendungen. Die Ventilinsel CPX/VSTA beispielsweise kommt im Automobil-Rohbau direkt am Antrieb zum Einsatz, wo sie rauen Umgebungsbedingungen beim Schweißen und den Schwing-Schock Belastungen auf Roboterarmen Stand halten muss. Die CPV EXi kommt im Ex-Bereich der Prozessautomatisierung zum Zuge. Wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen Nässe, Lebens- und Reinigungsmittel werden die Clean Design-Ventilinseln CDVI in der Splash-Zone der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie gerne eingesetzt. Stand früher die Ansteuerung der Ventile via Bus im Vordergrund, ermöglicht die mechatronische Integration einen Signalmix von der einfachen Erfassung der Endlagensensorik über analoge Temperaturwerte bis hin zur Einbindung von Drucksensorik, Proportionalventilen und sicherheitsrelevanten Spannungsversorgungskonzepten. Möglich werden auch Diagnosefunktionen der angeschlossenen Peripherie und spezielle Ventildiagnosen bis hin zu präventiven Wartungsfunktionen. Ventilinseln sind nicht mehr einfach pneumatisch und elektrisch verkettete Ventilbatterien, sie passen sich durch hybride modulare Sys-temkonzepte und dezentrale Installationssysteme ans Maschinendesign an. \“Offene Systeme sind dafür die Voraussetzung\“, schloss Gräff seinen Vortrag. Kooperation von Festo und Eplan Zu diesem Thema berichtete Gastredner Dieter Pesch, Direktor des Key Account Management bei Eplan. Er stellte die Zusammenarbeit der beiden Häuser Festo und Eplan Software & Services vor. Mit Eplan Fluid deckt der Softwarehersteller als Anbieter von Lösungen für den Engineering-Prozess fluidspezifische Anforderungen im Engineering ab. Festo verfolgt mit der Kooperation das Ziel, Anwendern das Engineering zu erleichtern. Im Mittelpunkt steht dabei der mechatronische Ansatz im Maschinen- und Anlagenbau: Der Workflow für Fluid- und Elektrotechniker ist disziplinübergreifend organisiert. Fluidtechnik und Elektroprojektierung arbeiten im Engineering-Tool Eplan Fluid eng zusammen. Eine Besonderheit des Systems: Es bietet sowohl den grafischen Engineering-Ansatz, als auch den objektorientierten Ansatz, der auf die Geräte bezogen ist. Arbeitsbereiche und Oberfläche lassen sich zudem individuell an die jeweilige Projektierungsaufgabe anpassen. Für jeden Arbeitsschritt schlägt das System das geeignete Handling vor. Der Anwender kann dann entscheiden, was am besten zu seinem Workflow passt. Die direkte Anbindung an den digitalen Festo Katalog ermöglicht, dass Artikelstammdaten und grafische Daten aller Festo Produkte jederzeit verfügbar sind. Für den Anwender bedeutet das eine Zeit- und Kostenersparnis. Gezielt kann er sich für jeden Arbeitsschritt das Handling aussuchen und in sein Projekt integrieren. Im Katalog findet der Konstrukteur eine Vielzahl von Pneumatikprodukten. Ist die passende Automatisierungskomponente ausgewählt, werden die Daten direkt an die Engineering-Software übergeben. Wer den direkten Weg bevorzugt und den Produktkatalog in seiner Ursprungsfassung nutzen möchte, erhält zusätzliche Möglichkeiten: Der Konstrukteur ist so in der Lage, auch andere Festo Tools zur Konfiguration einzusetzen. Ein Beispiel für die Anwendung ist die CPX-Makro-Bibliothek. Makros sorgen dort für die zügige und sichere Elektroprojektierung in Kombination mit Ventilinseln. Symbole, Grafiken und Stammdaten stehen in der Bibliothek zur Verfügung. Das Ergebnis ist eine schnelle und durchgängig einfache Konstruktion und Dokumentation der Schaltungen. Da alle Daten in der CPX-Makro-Bibliothek hinterlegt sind, sind hohe Planungssicherheit und Durchgängigkeit der Dokumente gewährleistet. Intelligentes Kompaktkamerasystem SBOC-Q/SBOI-Q und SBOC-M/SBOI-M Der Anzahl der Nachfragen am Ende des Vortrages von Dr. Herbert Hufnagl war es anzumerken: Kaum einer der anwesenden Fachjournalisten hatte gewusst, dass Festo ein eigenes Kompaktkamerasystem herstellt. Das intelligente Kompakt-System hört auf den Namen SBOC-Q/SBOI-Q und dient zur Orientierungsprüfung von Kleinteilen, zum Vermessen von Drehteilen, zur Feinpositionierung von Antrieben oder bei der Objektlokalisierung zur Steuerung von Handhabungseinrichtungen. Sowohl das Sensorsys-tem zur Erfassung der Bilddaten als auch die komplette Auswerteelektronik und die Schnittstellen zur Kommunikation mit der Steuerung sind bereits im Kamerasystem integriert. Mit den beiden Softwarepaketen CheckKon und CheckOpti lässt sich die Kamera in Betrieb nehmen, konfigurieren und bedienen. CheckOpti dient außerdem zum Einlernen der Prüfteile: Nach dem Vorführen von Musterteilen definiert der Anwender mit Hilfe der Software verschiedene Prüfmerkmale wie beispielsweise Länge, Höhe, Fläche, Schwerpunktslage oder Winkel und lädt das Prüfprogramm auf das Kamerasystem. Insgesamt bis zu 256 Werkstücke lassen sich so einspeichern. Im späteren Betrieb kann die Kamera – je nach Übereinstimmung mit diesen Werten – Werkstücke als gut oder schlecht erkennen, einem bestimmten Teiletyp oder einer Orientierung zuordnen. Die kurze Belichtungszeit der Kamera von minimal 27ms gewährleistet auch unter erschwerten Bedingungen noch gute Resultate. Neben der Kompaktkamera SBOC-Q/SBOI-Q hat sich auch das Hochgeschwindigkeitssystem SBOC-M/SBOI-M in der Praxis bewährt. Bisher hatten Maschinenbauer keine Wahl: Wollten sie sehr schnelle Vorgänge in ihrer Anlage überwachen, blieb ihnen nur der Einsatz klassischer Hochgeschwindigkeitskameras. Dank seiner hohen Abtastrate von 185 bis 2000 Bildern pro Sekunde lassen sich nun mit dem Kamerasystem SBOC-M/SBOI-M einzelne oder periodisch schnelle Bewegungsabläufe analysieren und einstellen. Auch in punkto Anwenderfreundlichkeit ist die neue High-Speed-Kamera klassischen Hochgeschwindigkeitssystemen überlegen. Auch hier ist die komplette Elektronik zur Aufzeichnung und Speicherung der Bewegungsabläufe bereits ins System integriert. Der Anwender muss die Kamera nur noch an die Ethernetschnittstelle der Anlage anschließen und mittels PC und der FCT Software einrichten. Danach kann der Rechner entfernt werden, das Kamerasystem arbeitet selbstständig. Hufnagl zeigte in zahlreichen praktischen Beispielen die Anwendung dieser Kamera. Wir werden dieser Thematik der Fehleranalyse mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitskameras in einer der kommenden Ausgaben einen separaten Beitrag widmen. Möglichkeiten der Mikrowellensensorik In einem weiteren sehr interessanten Vortrag von Armin Seitz und Dr. Rüdiger Neumann ging es um die Vorteile, die sich durch Mikrowellensensorik in Pneumatikzylindern eröffnen. \“Dieses Sensorsystem ist die weltweit erste längenunabhängige Wegmessung für pneumatische oder auch hydraulische Linearantriebe\“, betonte Armin Seitz, Leiter der Business Unit Sensors bei Festo. Bisher erfolgt die Positionsrückmeldung pneumatischer Antriebe über am Zylinderrohr oder extern montierte Annäherungsschalter, die durch den Mehraufwand bei Montage und Installation zusätzlich Kosten verursachen. Bei Wegmessungen waren zudem lediglich beschränkte Baulängen bei Zylindern möglich, da Wegmesssysteme nur in diskreten Längen verfügbar waren. Der Mikrowellensensor löst diese Probleme: \“Einzigartig ist die stirnseitige Integration des Sensors in einen pneumatischen Linearantrieb, wo er kontinuierlich Kolbenposition und Geschwindigkeit im gesamten Hubbereich des Zylinders misst\“, erläutert Seitz. Damit ist der Mikrowellensensor die weltweit einzige längenunabhängige Wegmessung für die lineare Positionserfassung. Die ständige Zustands-, Weg- und Geschwindigkeitsüberwachung erlaubt eine bessere Kontrolle der Bewegungsabläufe und damit genauere Diagnose und vorbeugende Wartung. Maschinenstillstände gehen zurück – auch weil der Sensor durch die Integration im Zylinder optimal geschützt ist und nicht verschmutzt oder verschleißt. Funktionsweise Mit Mikrowellen im Frequenzbereich von 1-24 GHz nutzt das System Hochtechnologien, die auch in der Telekommunikation und der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. Über eine einfache Antennenstruktur wird eine elektromagnetische Welle in die Hohlleiterstruktur des Zylinderrohrs eingestrahlt. Diese Welle wird am Kolben reflektiert. Das über die gleiche Antenne empfangene Signal wird mit dem eingekoppelten Signal verglichen und ausgewertet. Die Messlänge ist unbegrenzt und ergibt sich automatisch durch die Hublänge des Zylinders. Aktuelle Projekte wurden mit Hublängen bis zu 1.500mm realisiert. Nahezu alle bekannten Wegmesslösungen in der Pneumatik wie Potentiometer oder magnetostriktive Sensoren lassen sich durch den Mikrowellensensor ersetzen. Durch die hohe Auflösung des Sensors kann der Arbeitshub zudem mit Messaufgaben verbunden werden. So kann man z.B. die Lagerichtigkeit des zu bearbeitenden Produkts überwachen oder die Dimension von Teilen bestimmen. Teure Spezialsensoren werden damit überflüssig. Auch die Anforderungen an die Logistik gehen zurück. Es ist nicht notwendig, hubindividuelle Baugrößen bereitzustellen, denn gemäß dem Motto \“one size fits all\“ kann der Sensor in unterschiedliche Zylinderbaulängen eingebaut werden. Kosten senken Im Vergleich mit konventionellen Wegmesssystemen steht der Mikrowellensensor gut da: Kürzere Inbetriebnahmezeiten, die Einsparung von Installationsmaterial und konstruktive Freiheitsgrade verringern die Kosten in der Anwendung drastisch. Die Positionserfassung über den gesamten Hub ermöglicht verkürzte Zykluszeiten, da die Wartezeiten bis zum Erreichen der Kollisionsfreiheit deutlich kleiner werden. Zudem entfällt die mechanische Justage und damit auch die Anforderung nach Zugänglichkeit der Sensoren von außen. Mikrowellen im Einsatz Einer der Hauptnutznießer der neuen Mikrowellentechnik ist die Automobilindustrie. Beim Schweißen im Karosserie-Rohbau entstehen starke elektromagnetische Felder, die herkömmliche Sensoren außer Gefecht setzen. Deshalb waren hier bisher teure Spezialsensoren und aufwendige Schutzmaßnahmen gegen Schweißspritzer und mechanische Zerstörung notwendig. Der Mikrowellensensor bietet für solche Anwendungen wichtige Vorteile: Er ist immun gegen Magnetfelder, robust gegen Aufbacken von Schweißspritzern, reduziert Konstruktions- und Installationszeiten und ermöglicht beliebige Zylinderlängen. Großes Potenzial für den Einsatz des Mikrowellensensors liegt auch in der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie. Für diesen stark wachsenden Markt bietet Festo korrosionsfreie und reinigungsfreundliche Clean Design-Komponenten. Außen liegende Zylinderschalter bergen bei Clean Design-Antrieben ein hygienisches Risiko, da zusätzliche Ecken und Kanten als Schmutzfänger wirken und schwer zu reinigen sind. In den Edelstahlzylinder integriert sind die Sensoren geschützt: Gegen aggressive Medien wie Frucht- und Milchsäuren ebenso wie gegen Reinigungsmittel, die mit hohem Druck auf die Komponenten gesprüht werden. Sensorenausfälle und Hygienerisiko lassen sich dadurch gleichermaßen reduzieren. Ein weiteres Anwendungsgebiet für den Mikrowellensensor ist die Aluminiumschmelze. Hier werden Pneumatikzylinder als Krustenbrecher eingesetzt. Die Sensoren am Zylinder sind dabei extrem hohen Temperaturen und starken Magnetfeldern ausgesetzt. Dank seiner Immunität gegen Magnetfelder kann der Mikrowellensensor auch hier die Wegmessung übernehmen. Zudem ist keine Modifikation der Kolbenstange erforderlich. Zum Schutz vor hohen Temperaturen ist der Sensor in die hintere Endlage des Zylinders integriert. Kasten Anfang Festo- das Unternehmen Festo wurde 1925 gegründet. Es erwirtschaftet heute mit rund 11.500 Mitarbeitern einen Konzernumsatz von 1,4Mrd. E Umsatz. Das Stammhaus befindet sich in Esslingen-Berkheim. Der Vorstand besteht aus fünf Mitgliedern. Sprecher des Vorstandes ist Dr. Eberhard Veit. Mit 56 Landesgesellschaften und über 250 Niederlassungen verfügt Festo über ein weltumspannendes Service-Netz. Darüber hinaus gibt es in 39 weiteren Ländern autorisierte Festo Vertretungen. Der Anteil vom Umsatz, der für Forschung und Entwicklung aufgewendet wird beträgt 7%. Daraus generiert das Unternehmen ca. 100 Patent-Neuanmeldungen pro Jahr. Insgesamt hält Festo ca. 2.800 Patente weltweit. Zu den Hauptprodukten gehören Antriebe und Antriebszubehör, Handling- und Vakuum-/Greiftechnik, Ventile und Ventilzubehör, Ventilinseln und Bussysteme, Proportionaltechnik, Druckluftaufbereitung, Schläuche, Verschraubungen, Montagezubehör, Sensoren und Schalter, Steuerungstechnik im Umfeld der Pneumatik sowie das Angebot von Festo Didactic zur Aus- und Weiterbildung. Insgesamt beträgt die Anzahl der Katalogprodukte rund 23.000 in mehreren hunterttausend Varianten. Ende Kasten
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