Antreiben, Positionieren und Steuern:

Moderne Automatisierungstechnik im Einsatz

„All-in-One“-Bolzenmaschine

Mit der „All-in-One“-Bolzenmaschine lassen sich alle Fertigungsschritte vom Drahteinzug bis zur fertigen Schraube abdecken. Starre Maschinenkonzepte gehören damit ebenso der Vergangenheit an wie heterogene Maschinenlandschaften. Bild: AMBA

Flexibilität, Funktionalität und Modularität gehören heute zu den viel zitierten Schlagworten, wenn es darum geht, leistungsfähige und gleichzeitig wirtschaftliche Automatisierungslösungen zu entwickeln. Mit dieser Thematik muss sich auch der Maschinenbau auseinandersetzen. Gleichzeitig gilt es, steigende Anforderungen an den Bedienkomfort sowie Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen. Gut aufeinander abgestimmte Automatisierungskomponenten, angefangen bei Steuerung und Bedienterminal über Frequenzumrichter, Motion-Controller und Servoantriebe bis hin zu Sicherheitslichtgittern und Schaltschrankkomponenten können hier zum Erfolg beitragen. Die im Folgenden beschriebene Anwendung aus dem Bereich der Drahtverarbeitung liefert dafür ein gutes Beispiel, das sich aber ohne Weiteres auch auf andere Maschinenbauapplikationen übertragen lässt.

Traditionell setzt die Draht verarbeitende Industrie heute noch für jeden Bearbeitungsschritt unterschiedliche, autark arbeitende Maschinen ein. So kommt es zu Unterbrechungen im Produktionsprozess und häufig auch zu Problemen bei der Synchronisation der heterogenen Maschinenlandschaft. Erhöhter Platzbedarf und aufwändige interoperative Logistik sind weitere Faktoren, die dann letztlich negative Auswirkungen auf Produktivität und Effizienz haben. Bei ihrem praxiserprobten Maschinenkonzept geht AMBA (Aachener Maschinenbau GmbH) mit Sitz in Alsdorf deshalb einen anderen Weg: Mit der „All-in-One“-Bolzenmaschine lassen sich alle Fertigungsschritte vom Drahteinzug bis zur fertigen Schraube abdecken. In einer einzigen, homogenen Anlage kann also vollautomatisch geschnitten werden; Vor- und Fertigstauchen mit und ohne induktiver Erwärmung sind ebenso realisierbar wie das Abgraten von Sechskanten, das Reduzieren und Kneifen sowie das Walzen von Gewinden. Eine weitere Entwicklung ist das außertaktmäßige Fräsen an den fertig gewalzten Schrauben. Neuerdings können die fertigen Teile dann sogar per Roboter geordnet in Transportboxen gelegt werden, um sie platzsparend und sicher zum Härten zu transportieren. Durch den modularen Aufbau lässt sich die Maschine gut an die jeweiligen Anwenderwünsche anpassen und auf die individuell unterschiedlichen Fertigungsschritte hin auslegen. Starre Maschinenkonzepte gehören damit ebenso der Vergangenheit an wie heterogene Maschinenlandschaften.

All-in-One“-Bolzenmaschine übernimmt die komplette Fertigung

Bei Konzeption und Entwicklung der „All-in-One“-Bolzenmaschine arbeiteten die Maschinenbauer eng mit dem Ingenieurbüro KLINKEN automation aus Aachen zusammen. Während AMBA ihr jahrzehntelanges Anwendungs-Know-how einbrachte und hauptsächlich für die Mechanik verantwortlich ist, kümmern sich die Aachener Ingenieure um die praxisgerechte Automatisierung der Anlage. „Da wir schon seit über 10 Jahren als Systemintegrator mit der Omron Electronics GmbH erfolgreich zusammenarbeiten, setzen wir auch bei diesem Projekt praktisch ausschließlich auf Komponenten der Automatisierungsexperten aus Langenfeld“, erläutert Walter Klinken, Inhaber des Ingenieurbüros KLINKEN automation. „Vorteilhaft ist, dass wir uns hier auf Qualität, Zuverlässigkeit und Liefertreue verlassen können. Da wir neben Antrieb und Antriebssteuerung auch zahllose weitere Automatisierungskomponenten vom gleichen Hersteller verwenden können, vereinfacht sich für uns die Integration. Die unterschiedlichen Komponenten harmonieren miteinander und sollte es doch einmal zu Problemen kommen, gibt es einen eindeutigen Ansprechpartner.“

Betrachtet man die „All-in-One“-Bolzenmaschine näher, erhält man deshalb einen guten Einblick in das Produktportfolio der Langenfelder Automatisierungsspezialisten, angefangen von der Maschinensteuerung und dem Bedienterminal über diverse Frequenzumrichter, Motion-Controller, Servoantriebe oder dezentralen E/A-Baugruppen bis hin zu Sicherheitslichtgittern, Netzteilen, Schützen, Motorschutzschaltern und Relais.

Motion-Controller statt Kurvenscheibe

CJ2M

Steuerungstechnisches „Herz“ der Maschine ist die in zahlreichen Maschinenbauanwendungen als schnelle Ablaufsteuerung bewährte CJ2M. Bild: Omron

Steuerungstechnisches „Herz“ der Maschine ist die in zahlreichen Maschinenbauanwendungen als schnelle Ablaufsteuerung bewährte CJ2M. „Wir haben die Erfahrung gemacht, dass man diese Steuerungen einbauen, einschalten und dann vergessen kann, weil sie einfach jahrelang problemlos arbeiten“, erläutert Walter Klinken. In Kombination mit dem Motioncontroller CJ1W-MC472 und dem Servoantrieb der G5-Serie ergeben sich außerordentlich leistungsfähige Positioniersysteme, die nur wenig Einbauplatz benötigen.

leistungsfähige Positioniersysteme

In Kombination mit dem Motioncontroller CJ1W-MC472 und dem Servoantrieb der G5-Serie ergeben sich außerordentlich leistungsfähige Positioniersysteme, die nur wenig Einbauplatz benötigen. Bild: Omron/AMBA

Eingesetzt ist eine solche Lösung bei der Bolzenmaschine z.B. beim Auffangen des Drahtes nach dem Gewindewalzen. Die für die meisten Fertigungsschritte notwendigen Bewegungen innerhalb der Maschine werden normalerweise von der zentral angetriebenen Hauptwelle mechanisch abgegriffen. An dieser Stelle ist das jedoch nicht sinnvoll, da sich die ungleichmäßigen Bewegungsabläufe nur mit einer mechanischen Kurvenscheibe realisieren lassen. Damit würde es jedoch schwierig bzw. aufwändig auf Produktänderungen zu reagieren. Stattdessen sind die entsprechenden Bewegungsmuster im Motion-Controller hinterlegt; er steuert die für Bolzeneinzug und Bearbeitungsspindel eingesetzten Servoantriebe entsprechend. Diese Servoantriebe der Baureihe G5 decken den Leistungsbereich von 50 W bis 15 kW ab und überzeugen durch ihr kompaktes und robustes Design. Walter Klinken ergänzt: „Einen weiteren Servoantrieb setzen wir zudem gleich am Fertigungsbeginn ein, wenn der Draht geschnitten wird. Das geschieht im Stillstand; der Ablauf ist damit diskontinuierlich, es muss also gebremst und beschleunigt werden, was ebenfalls nur schwierig über die Hauptwelle realisiert werden kann.“ Für den Anwender erhöht sich dadurch die Flexibilität der Gesamtanlage; er kann innerhalb kürzester Zeit auf Produktänderungen reagieren und somit auch effizient geringe Losgrößen unterschiedlicher Produkte fertigen.

Frequenzumrichter mit „Eigenintelligenz“

Hier werden Schrauben gesammelt

Hier werden die Schrauben gesammelt. Ein Umrichter übernimmt die notwendigen Positionieraufgaben. Bild: Omron/AMBA

Die Hauptwelle selbst wird je nach Maschinenzusammenstellung von einem 30 bis 55 kW starken, über Frequenzumrichter geregelten Drehstromantrieb angetrieben. Die Umrichter der hier verwendeten RX-Serie lassen sich einfach und schnell an unterschiedliche Applikationen anpassen und können dank ihrer Eigenintelligenz auch Positionieraufgaben übernehmen. „Dies nutzen wir z.B. um am Ende der Fertigungslinie die Schrauben von der Transportspindel zu sammeln, bevor sie zur Packstation weitertransportiert werden“, so Walter Klinken weiter. Dort werden die Produkte dann von einem Scara-Roboter übernommen. Der hier eingesetzte, sehr kompakte Typ stammt ebenfalls von Omron, hat 1200 mm Reichweite und arbeitet auch bei Dauerbetrieb in rauer Industrieumgebung sehr zuverlässig. Er kommt ohne Riemenantriebe aus und ohne elektronische Komponenten in den beweglichen Teilen. Dadurch wird das Gerät extrem robust und wartungsarm.

Die fertigen Teile

Die fertigen Teile können per Scara-Roboter geordnet in Transportboxen gelegt werden, um sie platzsparend und sicher zum Härten zu transportieren. Ein Lichtgitter mit integierter Muting-Funktion sichert den Arbeitsbereich. Bild: Omron

Eine weitere Umrichterserie kann ebenfalls in der Bolzenmaschine ihre Vorzüge ausspielen. MX2-Umrichter (Bild 7) regeln sämtliche Antriebe der Transport- und Rollenbänder. Bedingt durch hochentwickelte Regelalgorithmen ermöglichen sie auch ohne Drehzahlrückführung eine ruckfreie Regelung bis hin zum Stillstand und eine hohe Dynamik im zyklischen Betrieb. Durch die freie Programmierbarkeit können die Umrichter kleine SPS-Funktionen ausführen und somit als Stand-alone-Lösung zum Beispiel eigenständig Positionieraufgaben übernehmen, ohne die Maschinensteuerung zu belasten. Das ist beispielsweise in der beschriebenen Anwendung an der Drahthaspel der Fall, wenn das Rohmaterial abgewickelt wird.

MX2-Umrichter

MX2-Umrichter regeln sämtliche Antriebe der Transport- und Rollenbänder. Durch die freie Programmierbarkeit können die Umrichter kleine SPS-Funktionen ausführen und somit als Stand-alone-Lösung zum Beispiel eigenständig Positionieraufgaben übernehmen, ohne die Maschinensteuerung zu belasten. Bild: Omron

Sicherheitslichtgitter mit und ohne Muting-Funktion

Hohe Relevanz für den Maschinenbau hat natürlich auch das Thema Sicherheit, schließlich gilt es, bei automatisierten Prozessen sowohl Menschen als auch Sachwerte zu schützen. Lichtgitter der Baureihe MS4800 sichern deshalb den Zugang zur Bolzenmaschine. Die mikroprozessorgesteuerten Infrarotstrahl-Sicherheitslichtgitter bestehen aus einer Empfängerbaugruppe und einer Senderbaugruppe. Die Empfänger- und Senderbaugruppen sind physikalisch miteinander verbunden. Das System entspricht Typ 4 gemäß EN/IEC 61496 und Kategorie 4 gemäß EN954-1 und wird häufig zur Absicherung von Maschinen eingesetzt. „Eine Unterbrechung im Lichtgitter wird zudem lokalisiert. Davon profitiert der Anwender, z.B. falls mal ein Werkzeug liegen bleibt. Bei der immerhin oft mehr als 10 m langen Maschine ist der Störenfried dann schnell gefunden,“ freut sich Walter Klinken.

Lichtgitter MS4800

Lichtgitter der Baureihe MS4800 sichern deshalb den Zugang zur Bolzenmaschine. Es kann lokalisiert werden, an welcher Stelle der Lichtvorhang durchbrochen wurde. Bild: Omron

Auch der Arbeitsbereich des Roboters wird mit Lichtgittern abgesichert. Bei den hier eingesetzten Systemen ermöglicht die integrierte Muting-Funktion, dass die Transportkisten ohne Unterbrechung der Maschinenfunktion den Gefahrenbereich passieren können. Bei anderen Eingriffen in den Arbeitsbereich des Roboters dagegen wird die Bewegung sofort gestoppt.

Kommunikation und Fernwartung

Für das reibungslose Zusammenspiel der unterschiedlichen Automatisierungskomponenten sorgt die maschineninterne Vernetzung. „Frequenzumrichter, dezentrale E/A-Baugruppen und Steuerung beispielsweise kommunizieren über CompoNet“, fährt Walter Klinken fort. In diesen Verbund ist auch das Bedienterminal der Bolzenmaschine, ein NS8 integriert, das eine komfortable, übersichtliche und mehrsprachige Bedienung ermöglicht. „Letzteres ist ein großer Vorteil, da viele der Bolzenmaschinen exportiert werden. Zurzeit realisierte Bediensprachen sind beispielsweise Deutsch, Englisch und Mandarin“, so Walter Klinken weiter.

„Vor allem im Zusammenhang mit für den weltweiten Einsatz bestimmten Maschinen profitieren wir auch von der Möglichkeit zur Fernwartung. Über die maschineninterne Vernetzung können wir jederzeit übers Internet quasi in die Maschine hineinschauen und natürlich im Fall der Fälle aus der Ferne eingreifen.“ Walter Klinken weiß jedoch noch einen weiteren Grund für diese Entscheidung bei der Wahl der Automatisierungskomponenten, nämlich die weltweite Akzeptanz und Präsenz von Omron und deren Produkten. “Davon profitieren wir natürlich vor allem bei Exportmaschinen.“

Über AMBA
Gegründet wurde das Unternehmen Aachener Maschinenbau im Jahre 1908 als Reparaturwerkstatt für die regionale Industrie. Wenige Jahre nach der Gründung befasste man sich bereits mit der Konstruktion von Bauteilen für Maschinen und der Entwicklung eigener Produkte. Dieser Pioniergeist der Gründerfamilie ist im Unternehmen bis heute erhalten. In Verbindung mit dem entsprechenden Know-how und den fachlich geschulten Mitarbeitern stehen die Maschinen aus dem Hause Aachener Maschinenbau weltweit für Qualität und Zuverlässigkeit.

Über KLINKEN automation
Seit 1989 entwickelt KLINKEN automation als Partner im Anlagen- und Maschinenbau, Software für Steuerungs- und Regelungstechnik sowie Visualisierungs- und Prozessleittechnik. Das Ingenieurbüro verfügt über ein langjähriges Know-how in der Realisierung von Aufgabenstellungen mit speicherprogrammierbaren Steuerungen. Das Leistungsspektrum umfasst Machbarkeitsanalysen, Lösungsvorschläge, Projektierung und Planung sowie Realisierung und Implementierung und zwar bei Neuanlagen ebenso wie Modernisierungen.

Über Omron
Omron Industrial Automation ist ein führender Hersteller von Hightechprodukten und Lösungen für die Industrieautomation. Das Unternehmen ist Teil der 1933 gegründeten Omron Corporation, Kyoto, Japan mit weltweit über 35.000 Mitarbeitern. Das breite Produktspektrum beinhaltet Steuerungs-, Antriebs- und Sicherheitstechnik, Bildverarbeitung und Sensorik sowie Kontroll- und Schaltkomponenten. Ziel ist es, Maschinenbauern bedarfsgerechte, durchgängige Automatisierungslösungen aus einer Hand zur Verfügung zu stellen. Zudem bietet Omron seinen Kunden umfassendes Anwendungs-Knowhow sowie flächendeckenden Vor-Ort-Service. Allein in Europa ist Omron mit 19 Vertriebsniederlassungen vertreten und unterhält hier eigene Fertigungsstätten, u.a. in Nufringen, wo sich die Produktion von Sensoren, Lichtgittern und Lineartechnik sowie Test- und Prüfeinrichtungen befinden.

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