PC-based Control bei der Herstellung von Elektromotoren für die Automobilindustrie
Der Werkzeugmaschinenhersteller GROB wird der rasant wachsenden Bedeutung der Elektromobilität mit hochproduktiven Fertigungs- und Montageanlagen gerecht. Entscheidend sind dabei minimale Zykluszeiten, und entsprechend schnelle Prozessabläufe, wie sie die PC- und EtherCAT-basierte Steuerungs- und Antriebstechnik von Beckhoff ermöglicht. Eine komplexe Produktionsmaschine für Hairpins, aus denen die Statorwicklungskränze von Elektromotoren gebildet werden, verdeutlicht die Vorteile dieser optimal skalierbaren Automatisierungslösung – u. a. mit TwinCAT 3 auf einem Ultra-Kompakt-Industrie-PC C603x als zentrale Steuerung sowie dem Transportsystem XTS.
Seit über 95 Jahren entwickelt die GROB-Werke GmbH & Co. KG, Mindelheim, als global operierendes Familienunternehmen Anlagen und Werkzeugmaschinen u. a. für die namhaftesten Automobilhersteller und deren Zulieferer. Das Portfolio reicht von Universal-Bearbeitungszentren über hochkomplexe Fertigungssysteme und manuelle Montagestationen bis hin zu vollautomatisierten Montagelinien. Hierzu zählen auch Produktionsanlagen für Elektromotoren sowie Produktions- und Montageanlagen für die Batterie- und Brennstoffzellentechnologie, wie Fabian Glöckler, Abteilungsleiter Steuerungstechnik der Business Unit Elektromobilität von GROB, erläutert: „Wir decken in diesem Bereich die komplette Produktionskette ab und bieten kundenspezifisch angepasste Anlagen für den gesamten Antriebsstrang.“
Elektromobilität erfordert leistungsfähige Steuerungstechnik
Der Trend zur Elektromobilität stellt laut Martin Ellenrieder, Gruppenleiter Funktionsentwicklung der Business Unit Elektromobilität von GROB, auch an die Steuerungstechnik neue Anforderungen: „Im Vergleich zu Anlagen für Verbrennungsmotoren sind die Systeme gekennzeichnet durch komplexere Stationen, verringerte SPS-Zykluszeiten, einen höheren Anteil an Antriebstechnik in der Montage sowie komplexe gekoppelte Bewegungen.“ Dies zeigt sich auch bei der komplett mit Beckhoff-Steuerungs- und -Antriebstechnik ausgestatteten Hairpin-Maschine (Generation 2). Realisiert sind dort neben vier GROB-Spindeln insgesamt 57 NC-Achsen – 40 reale und fünf virtuelle Achsen sowie zwölf als individuelle Servoachsen betriebene Mover des eXtended Transport Systems (XTS). Hinzu kommt eine umfangreiche I/O-Ebene aus EtherCAT- und TwinSAFE-Klemmen bzw. -Box-Modulen, mit 270 digitalen Ein- und 150 digitalen Ausgängen.
Mit einem Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 oder C6032 und der Software TwinCAT als Steuerungskern erreicht die Maschine eine äußerst hohe Ausbringungsleistung mit lediglich 2,3 s Taktzeit pro Hairpin. Dabei sind pro Stator rund 200 einzelne Hairpins individuell zu fertigen. Umso beeindruckender ist dies mit Blick auf die Komplexität des Bearbeitungsprozesses und auf die vielfältigen Steuerungsaufgaben, die von der Zuführung des Kupferrohdrahts über dessen gerade Ausrichtung, aufwendige Biegung und Abisolierung bis hin zum exakten Positionieren in einem Vorstecknest reichen:
- Drahtbereitstellung (vom Coil zum geraden Kupferdraht, mit oder ohne elektrische Prüfung der Draht-Isolierung): PC-based Control zur Tänzerregelung,
- Abisolieren der Kupferdrähte on-the-fly: Achspositionierung, Kurvenscheiben und fliegende Säge,
- Drahtvorschub: Kopplung von Achsen auf ein zweites Gebersystem, Umschaltung des Gebersystems je nach Betriebszustand der Anlage sowie Umschaltung der verwendeten Achsen über Interfaces für Sonderbetriebsarten (Fahren mit oder ohne Draht),
- Drahtinspektion: Transport und Positionierung,
- Prägen/Schneiden: Kurvenscheiben sowie Ausgleich von Materialverdrängung beim Präge-/Schneidprozess über dynamische Kopplungsfaktoren der virtuellen Gear-Funktionalitäten,
- 2D-Biegen: durch Hairpin-Parameter erzeugte dynamische Kurvenscheiben, die durch dynamische Kopplungsfaktoren der virtuellen Gear-Funktionalitäten gekoppelt werden,
- 3D-Biegen: durch Hairpin-Parameter erzeugte dynamische Kurvenscheiben, die durch dynamische Kopplungsfaktoren der virtuellen Gear-Funktionalitäten mit den XTS-Movern gekoppelt werden,
- Vorstecken der Hairpins: Kurvenscheiben oder Coordinated Motion,
- verschiedenste Zustellvarianten/Positionierbewegungen von Vorstecknest und Klemmfinger: Kopplung virtueller und realer Achsen.
Daniel Gugenberger, Gruppenleiter Konstruktion Elektrik der Business Unit Elektromobilität von GROB, verdeutlicht den Unterschied zur Fertigung von Verbrennungsmotoren folgendermaßen: „Die klassischen Montageprozesse wie z. B. Verschrauben, Einpressen und manuelle Montagevorgänge wurden in großem Umfang automatisiert und würden sich in der erforderlichen Qualität, Präzision und Schnelligkeit nicht durch einen Maschinenoperator durchführen lassen.“ Hier habe sich PC-based Control von Beckhoff bewährt, denn aufgrund des sehr hohen Anlagendurchsatzes seien detaillierte Maschinen- und Prozessdaten von entscheidender Bedeutung: „Wenn ein kompletter Herstellungsprozess in zwei Sekunden abläuft, sind Produktionsüberwachung und Fehleranalyse nur mit entsprechenden Analysetools und Hochgeschwindigkeitskameras möglich. Dabei setzen wir sehr häufig das Software-Oszilloskop TwinCAT Scope View ein.“
Für den Aufbau einer Statorwicklung sind rund 200 Hairpins in ungefähr 50 verschiedenen Ausführungen erforderlich. Diese werden nacheinander in der für das Platzieren im Vorstecknetz benötigten Reihenfolge produziert. Dementsprechend wichtig ist eine Inline-Fehlererkennung. Dazu erläutert Fabian Glöckler: „Bei einem Material- oder Geometriefehler muss der entsprechende Hairpin nachproduziert und automatisiert in die Anlage eingeschleust werden, um sich an der korrekten Position einstecken zu lassen. Bei der großen Anzahl an Bewegungsachsen und Hairpin-Varianten bedeutet das für die Steuerungstechnik eine enorme Verwaltungsaufgabe, da unterschiedlichste Parameter, Biegewinkel und Kurvenscheiben just-in-time gerechnet werden müssen.“
Bewährtes Automatisierungssystem und innovatives HMI
Bereits im Jahr 2004 wurde die erste GROB-Prozessmaschine mit Beckhoff-Technologie ausgestattet, erinnert sich Martin Ellenrieder: „Es folgten zunächst Teststände und Zusatzmagazine, bis 2017 auch die erste Montagelinie mit PC-based Control automatisiert wurde. Hauptgründe für den jeweiligen Einsatz waren die kurzen Zykluszeiten der Steuerung sowie die hohe Systemflexibilität in Bezug auf zukünftige Anwendungen und Anforderungen. Dazu zählen u. a. zahlreiche Schnittstellen zu unterschiedlichen Bussystemen, die umfangreichen Motion-Funktionen und eine hohe Diagnosetiefe. TwinCAT bietet als Vorteil eine besondere Offenheit – z. B. mit der Integration von MATLAB®, das vor allem beim Entwicklungsprozess der Anlagen geholfen hat. Prozessingenieure konnten so Simulationen einfach in Testanlagen integrieren. Die automatische Codegenerierung aus dem E-CAD-System heraus bis ins HMI, die einfache Einbindung eigenentwickelter Motion-Control-Bausteine sowie die Integration von Versionskontrolle, Bug-Tracking und Softwaretests sind weitere Aspekte. Zudem erleichtert uns die Flexibilität von TwinCAT deutlich die Standardisierung in der Softwareentwicklung.“
Der Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 bzw. C6032 (bei Bedarf an mehr Schnittstellen) kommt in Verbindung mit einen Multitouch-Control-Panel CP3918 mit kundenspezifischer Tastererweiterung zum Einsatz. „Der IPC bietet ausreichend Rechenleistung, um unser Ziel von 4 ms SPS-Zykluszeit zuverlässig erreichen zu können. Hinzu kommen seine sehr kompakte Bauform und die variablen Montagemöglichkeiten“, so Fabian Glöckler. Beim Human Machine Interface stehe die komfortable und fehlerfreie Maschinenbedienung im Vordergrund, wobei man schon sehr früh auf TwinCAT HMI gesetzt habe: „Dementsprechend wichtig war zu Beginn die enge Zusammenarbeit mit Beckhoff, insbesondere mit der Niederlassung München, um ein solch großes HMI-Projekt realisieren zu können. Dies hat – z. B. bei der automatischen Kopplung zwischen HMI und PLC sowie der Umsetzung der Mehrsprachigkeit – sehr gut funktioniert und zu einem für unsere Anforderungen maßgeschneiderten HMI mit dem Fokus auf intuitive Bedienbarkeit, übersichtliche Parameterdarstellung und sehr große Diagnosetiefe geführt. Ergebnis ist ein einheitliches und innovatives Bedienkonzept für alle unsere Anlagen.“
Komplexe Bewegungen per Servoachsen und XTS
Die zahlreichen rotatorischen Achsen sind mit Servoverstärkern AX5000 und teilweise mit der kompakten Antriebstechnik EL72xx und EP72xx sowie den Servomotoren AM8000 realisiert. Dabei sieht Martin Ellenrieder einen besonderen Vorteil in der One Cable Technology: „OCT ergibt einen wesentlich reduzierten Verkabelungsaufwand und minimiert die Fehlerquellen. Weitere wichtige Faktoren beim Einsatz des AX5000 sind die zusätzlich abgedeckten Geber-Schnittstellen sowie die Safe-Motion-Funktionen der TwinSAFE-Optionskarte AX5805.“ Hinzu komme der hohe Funktionsumfang innerhalb von TwinCAT wie z. B. TwinCAT NC PTP, NC Camming oder NC Flying Saw und vor allem die Kombination dieser Funktionen.
Ergänzt werden die rotatorischen Bewegungsachsen durch XTS von Beckhoff. Zum Einsatz kommt ein System mit ovaler, 3 m langer Streckenführung und zwölf Movern, welche die einzelnen Hairpins für den abschließenden Steckprozess an ein Linearportal übergeben. XTS-Anwendungsvorteile sieht Daniel Gugenberger vor allem in der gesteigerten Anlagenflexibilität und der einfachen Möglichkeit zur Erweiterung um neue Funktionen. Und weiter: „Neben der klassischen Transportaufgabe nutzen wir XTS zur flexiblen Positionierung an unterschiedlichen Bearbeitungspositionen – den Biege- und Kamerastationen. Dabei profitieren wir von der kompakten Bauform sowie der Modularität, durch die sich unterschiedliche Stationen einfach integrieren lassen. Weitere Vorteile ergibt das Transportsystem durch eine flexible Abstandsregelung je nach Bauteilstatus (kein Bauteil, 1. Biegung, 2. Biegung), über die Reduzierung der Taktzeiten sowie mit der Entkopplung von Einzelprozessen, damit z. B. schwankende Prozesszeiten sich nicht direkt auf die Gesamtmaschine auswirken.“
TwinSAFE hat sich laut Martin Ellenrieder insgesamt als systemintegrierte Safety-Funktionalität bewährt und bietet eine hohe Flexibilität in der Sicherheitsapplikation. Ergänzend zur antriebsbasierten Sicherheitstechnik kommt die TwinSAFE Logic EL6910 als dedizierte Sicherheitssteuerung zum Einsatz. Bei kompletten Fertigungslinien kommunizieren die verteilten Sicherheitsapplikationen der einzelnen Maschinen und Anlagen über das EtherCAT Automation Protocol (EAP) miteinander. „Diese Safety-Kommunikation über Steuerungsgrenzen hinweg ist ein sehr wichtiger Aspekt der Maschinensicherheit, da unsere Kunden meist sehr viele und zudem verkettete Anlagen einsetzen“, resümiert Martin Ellenrieder.