Karbonfaserbänder sind ein typisches Produkt, das die Maschinen des Automatisierungsunternehmens Hero präzise und schnell verarbeiten.

Bild: Thorsten Sienk

Dezentrale Antriebe Servoachsen richtig am Wickel haben

07.12.2016

Dezentrale Servoantriebstechnik kann zum Beispiel Schneid- und Wickelmaschinen abspecken: Es wird auf alles verzichtet, was nicht unmittelbar mit dem Produktionsprozess verbunden ist. Dazu zählen Schaltschränke für die Elektronik genauso, wie meterlange Kabeltrassen.

Karbonfaserbänder sind ein typisches Produkt, das die Maschinen des Automatisierungsunternehmens Hero präzise und schnell verarbeiten. Ihre zentrale Aufgabe besteht darin, sogenannte Mutterrollen mit einer Ausgangsbahnbreite von 30 Zentimetern längs aufzuteilen. Dazu wird das Material abgewickelt, durch ein Messerwerk geführt anschließend und wieder aufgewickelt. Das Ergebnis sind Einzelrollen, die eine Bandbreite zwischen drei und 15 Millimetern haben, etwa für den Flugzeugbau. Karbonfasern gelten als extrem leicht, stabil und lassen sich einfach umformen.

„Es gibt immer mehr Produkte, bei denen Roboter die gewünschten Formen vollautomatisch mit einer Art selbstklebender Karbonbänder erzeugen“, sagt Richard Balzer, Geschäftsführer von Hero. Zu einem weiteren Trend-Werkstoff entwickeln sich Bänder aus Basaltfasern. Sie verfügen über ähnliche Eigenschaften, sind aber preiswerter herzustellen. Ein anderes Anwendungsgebiet sind Metallfolien mit wenigen 1/100 Millimeter Dicke.

Egal welcher Werkstoff zum Einsatz kommt: In allen Fällen erfordert die Weiterverarbeitung der Faserbänder Fingerspitzengefühl bei den Drehmomenten. Ist der Zug zu hoch oder ungleich, bilden sich an den Kanten der nur wenige Millimeter breiten Bänder schnell so genannte Rüschen. Sie zeugen davon, dass der Werkstoff über seinen elastischen Bereich hinaus überdehnt wurde. Weil das Ganze nicht mehr reversibel ist, kann es dem Produktionsausschuss zugerechnet werden.

Die feinfühlige Regelung der Bahnspannung zählt in der Hero-Lösung zu den besonderen Eigenschaften der Motion Control. Gefahren wird mit Werten zwischen 5 und 1,2 N. Realisiert ist das Ganze mit einem synchronen Verbund aller AMK-Servoachsen und einem leicht vorauseilenden Drehzahlsollwert. Den erreichen die Motoren der Aufwickler nicht, was zum gewünschten Drehmoment und Zuggewichten zwischen 120 und 500 Gramm führt. Welche Kraft herrscht lässt sich mit wenigen Klicks vor einem Fertigungsauftrag am AMK-Touchpanel abrufen. Die Daten können auch aus dem übergeordneten Fertigungsleitrechner oder ERP-System vorgegeben werden.

Hohe Drehzahlgenauigkeit

Die neue Maschine zählt mehr als 30 Servoachsen, die im Verbund stehen. „Die Leistungsaufnahme pro Achse ist bis auf die beiden Messerantriebe mit ein paar 100 Watt gering, der Anspruch an die Drehzahlgenauigkeit aber um so höher“, sagt Uwe Gfrörer, Leiter des Bereichs Steuerungstechnik bei Hero. Viele Achsen, wenig Leistung: Das sind vorteilhafte Bedingungen für die dezentralen Antriebe. Sie werden als integrierte mechatronische Lösung aus Servomotor und Wechselrichter der AMK-Reihe ihXT eingesetzt. Dabei handelt es sich um kompakte Einheiten, die sich einfach in die Maschinenkonstruktionen integrieren lassen.

Weitere Pluspunkte sammelt die eingesetzte AMK-Lösung auch wegen ihrer Anschlusstechnik in Einkabellösung kombiniert mit komfortablen Durchschleifmöglichkeiten. Dabei wird Gleichstrom per DC-Bus zusammen mit der Realtime-Ethernet Kommunikation über das Hybridkabel von einem zum anderen Antrieb geführt. Bis zu 40 Achsen lassen sich mit einer Einspeiseeinheit in Reihe versorgen. In der Schneid- und Wickelmaschine hätte auch eine Einspeisung für die gut 30 Achsen gereicht. Bei Hero entschied man sich aber für zwei Antriebsstränge mit je einer Einspeisung, um leistungsmäßig noch Luft für künftige funktionale Erweiterungen oder Kapazitätsausbau durch weitere Aufwickeleinheiten zu bekommen.

Die Entscheidung fiel, um Engineering-Ressourcen bei kommenden Projekten zu sparen. Weitere Effektivitätsgewinne erschließen sich mit der Einkabelanschlusstechnik in Verbindung mit den Durchschleifmöglichkeiten. „Wenn ich mir vorstelle, aus dem Schaltschrank heraus mit dreißig Kabeln zu kommen, während wir es heute mit nur zwei zu tun haben, werden die Vorteile schnell klar“, so Balzer. Sein Unternehmen spart zum einen viel Platz und Zeit, zum anderen gibt es weniger Störquellen. „Das wird interessant, wenn bewegliche Antriebe bewegliche Kabel benötigen und diese in Schleppketten oder Brücken verlegt werden müssen.“

Integrierte Ablaufsteuerung

Auch bei der Steuerungstechnik nutzt Hero die Vorteile eines in sich abgestimmten Systems. Als Kopf des Ganzen kommt die Steuerung Amkamac zum Einsatz – und zwar als integrierte Variante mit robustem Touchpanel, die AMK bis Schutzart IP69K anbietet. Die Steuerungseinheit übernimmt einerseits als klassische SPS die komplette Ablaufsteuerung sowie die Visualisierung und arbeitet andererseits noch als Motion Control für die Wickel- und Positionierantriebe in ihrem synchronisierten Mehrachsverbund. Programmiert wird das Ganze mit Codesys und damit in den international etablierten Standardsprachen der IEC 61131-3.

Die Maschine vermittelt optisch einen aufgeräumten Eindruck, vor allem bei der Verkabelung. Weil die Aktorik samt Regelung direkt am Prozess eingebaut ist, gibt es keine sperrigen Schaltschränke mehr, ganz verzichtet Hero aber nicht darauf. Eigentlich ist nur ein kleines Gehäuse für die beiden zentralen Einspeiseeinheiten sowie das I/O-System notwendig. Der Hersteller greift dennoch zu Schaltschränken im vergleichsweise großen Stil, denn kombinierte Standardgehäuse sind einfacher zu einem Maschinengestell kombinierbar, als jedes Mal ein Gestell im Stahlbau individuell herzustellen.

Bildergalerie

  • Die dezentralen Antriebe sind direkt am Wickel- und Positionierprozess platziert.

    Bild: sienk.de

  • Die Servomotoren mit Wechselrichter eignen sich für den dezentralen Einsatz im modularen Maschinenbau.

    Bild: sienk.de

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