Mechatronik Wie ein Motion-Control-System im Großtransformatorenbau den Takt vorgibt

Die modulare Steuerung Melsec System Q kombiniert SPS und Motion Control auf einer Automatisierungsplattform. Während die nahtlose Integration von Hard- und Software die Systemleistung steigert, sinken die Kosten für Entwicklung, Inbetriebnahme, Wartung und Betrieb. Ein Beispiel aus dem Großtransformatorenbau zeigt den Erfolg dieses Konzepts.

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In modernen Produktionsmaschinen und -anlagen übernehmen zunehmend leistungsfähige Motion-Control-Systeme die Koordination der Achsbewegungen. Elektrisch gekoppelte Servoantriebe ersetzen dabei klassische mechanische Antriebselemente wie Getriebe, Kupplungen und Königswellen.

Der Begriff Motion Control steht heute für die unterschiedlichsten Bewegungssteuerungen, von der Einzelachspositionierung in einfachen Maschinen bis hin zur anspruchsvollen Mehrachspositionierung in Großanlagen. Doch erst das eng verzahnte Zusammenspiel von Steuerungs- und Antriebskomponenten, Netzwerktechnik und ausgereiften Softwarewerkzeugen für die Planung, Konstruktion und den Betrieb befähigen Motion-Control-Systeme für viele Antriebsaufgaben.

Ein autarkes System steuert die Bewegung

Ein Automatisierungskonzept, um die steigenden Anforderungen im Maschinenbau in den Griff zu bekommen, besteht darin, die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) und die Motion Control auf einer Plattform zu kombinieren. Die Kernelemente einer solch modular aufgebauten Komplettlösung für Mehrachssysteme sind die zentralen Prozessoreinheiten zur Bewegungs- (Motion-CPU) und zur Systemsteuerung (SPS-CPU), verschiedene Servoverstärker und -motoren, ein Motionbus für den schnellen Datenaustausch sowie umfassende Konfigurations- und Diagnosewerkzeuge.

Während der Motion-Prozessor über das Servonetzwerk und die Servoantriebe die Bewegungen der Achsen synchronisiert und steuert, kommuniziert der SPS-Prozessor zeitgleich mit den Systemmodulen und überwacht den programmgemäßen Betriebsablauf der Maschine. Die Prozessoren tauschen Daten über einen gemeinsamen Rückwandbus aus und teilen sich zudem Register und Speicher. Das Ergebnis ist ein autarkes Bewegungssteuerungssystem, das sich früher nur mit zwei separaten Steuerungen verwirklichen ließ.

Programmiert werden Motion Controller über handelsübliche Personalcomputer mit gängigen Betriebssystemen. Schnittstellen schaffen die Verbindung zu übergeordneten Planungssystemen und zum Internet. Sie sorgen für Transparenz in der Produktion und ermöglichen den Fernzugriff für Diagnose und Wartung. Die Leistungsfähigkeit heutiger Motion-Control-Systeme zeigt das Beispiel einer voll automatischen Legemaschine zur Produktion von Transformatorkernen.

Transformatorkern besteht aus kompliziert geschichteten Blechen

Transformatorenkerne bestehen meist aus drei Schenkeln, die oben und unten durch Joche verbunden sind. Um die Wirbelstromverluste möglichst niedrig zu halten sind die Eisenkerne aus mehreren Tausend 0,23 bis 0,35 Millimeter dünnen Blechen geschichtet. Durch Stufung von Blechpaketen unterschiedlicher Breite und Dicke nähert man den Querschnitt des Kerns an eine Kreisform an.

Die Verzapfung der Joch- mit den Schenkelblechen erfolgt überlappend, wobei in der komplizierten, aber für den Flussverlauf besseren Step-lap-Schichtung zusätzlich die Stoßstellen in jeder Lage geringfügig in fünf bis sieben Positionen zueinander versetzt angeordnet werden.

Bis heute sind viele Arbeitsgänge im Transformatorenbau präzise Handarbeit. Steigende Anforderungen an die Qualität der Eisenkerne, kurze Produktions- und Lieferzeiten bei möglichst niedrigen Kosten und nicht zuletzt der Schutz der Mitarbeiter verlangen jedoch nach automatisierten Kernlegeverfahren.

Die jüngste Entwicklung auf diesem Gebiet ist eine über 20 Meter lange Legemaschine mit 55 Antrieben, geplant, konstruiert und gebaut von der Kohls Maschinenbau GmbH aus Freigericht. Die Maschine ist für Bleche bis 4,70 m Länge und 0,70 m Breite ausgelegt und fertigt Schenkel und Joche bis zu einem Durchmesser von 500 mm voll automatisch als komplette Blechsäulen, größere Kerndurchmesser in Teilpaketen.

Die Maschine empfängt die von der Stanzanlage über ein Transport- und Übergabeband mit hoher Geschwindigkeit zugeführten Bleche und verteilt sie je nach Bauform des Kerns auf fünf oder sechs Stapel. An drei Doppelstationen heben je zwei Greifereinheiten die bereits entsprechend ihrer Form und Lage im Kern geschnittenen Bleche vom Band und legen sie Schicht für Schicht auf die vordere und hintere Ablageposition des zugehörigen Arbeitstischs, der mit jeder neuen Lage automatisch eine Blechdicke nach unten fährt.

Das Herz der Maschine ist eine modulare Steuerung

Das Herz der Maschine ist die modulare Steuerung Melsec System Q, die SPS- und Motion-Control-Funktionalität auf einer Plattform vereint. Sie steuert neben der Bewegung der 52 Servoantriebe und drei Frequenzumrichter auch alle Funktionen der Maschine.

Für die exakte Positionierung der Achsen sorgen Servoverstärker der Baureihe Melservo MR-J2-Super, die zugehörigen Servomotoren der Serien HC-KFS und HC-SFS sowie Frequenzumrichter der Baureihe FR-S520. Ein Bediengerät der GOT1000-Serie komplettiert die Automatisierungstechnik.

Die Vorteile dieses Systems basieren auf der Multiprozessortechnologie der Automatisierungsplattform. Die Verteilung der Steuerungsaufgaben auf bis zu drei Motion- und einem SPS-Prozessor, die über den Rückwandbus des Baugruppenträgers nahezu in Echtzeit Daten austauschen, gewährleisten in Verbindung mit der Regelungstechnik der Servoantriebe einen schnellen Zugriff auf bis zu 96 Achsen und damit eine maximale Systemgeschwindigkeit.

Funktionen wie die automatische Motorerkennung, das Echtzeitautotuning und die Vibrationsunterdrückung unterstützen eine rasche Inbetriebnahme und den Aufbau hochpräziser Systeme mit minimalen Anregelzeiten. Der maßgeschneiderte Ausbau der Steuerung erfolgt mit anlagentypischen Erweiterungs- und Funktionsmodulen. Fast 100 verschiedene E/A-, Sonder- und Netzwerkmodule stehen zur Auswahl, darunter MES-Module (Manufacturing Execution System) zur direkten Anbindung der Steuerung an die Managementebene.

Konstruktion der Mehrachssysteme per Mausklick

Die Programmierung und Konstruktion der Mehrachssysteme erfolgt am Rechner. Die mechanischen Komponenten, wie Controller, Servoverstärker und -motoren, werden per Mausklick ausgewählt, platziert, konfiguriert und in das System eingebunden. Dabei werden die virtuellen Antriebselemente der Konfigurationssoftware einzelnen Achsen zugeordnet.

Komplexe Bewegungsabläufe lassen sich bequem am Bildschirm konstruieren, indem man Kupplungen, Übersetzungs- oder Ausgleichsgetriebe sowie Nocken- und Kurvenscheiben an bestimmte Leitachsen anbaut. Auch eine Königswelle mit Kurvenscheiben ist so einfach und grafisch zu programmieren.

Die Sollwert-Vorgaben erhalten die Antriebe von zwei, in die Automatisierungsplattform integrierte Motion-Prozessoren über das schnelle Servo-System-Controller-Netzwerk (SSCNET), das in der aktuellen Version eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 50 MBits/s und eine Buszykluszeit von 0,44 ms unterstützt.

Die Ablageposition jedes einzelnen Blechs ist über die Steuerung genau vorgegeben. Bereits während des Greifvorgangs erfassen Lasertaster die Länge und die Lage der ankommenden Bleche. Mit Hilfe dieser Daten ermittelt die Steuerung umgehend die exakte Positionierung der Bleche auf dem vorgesehenen Stapel. Die Entnahme vom Band erfolgt mit bis zu 32 Vakuumsauggreifern, die entsprechend der Länge der Bleche einzeln ausgefahren werden.

Das Ergebnis dieses voll automatischen Verfahrens: Die Maschine stapelt die in Step-lap-Schichtung zwischen sieben bis zehn Millimeter versetzt angeordneten, bis zu 4,70 m langen Bleche mit einer Toleranz von nur 0,15 mm präzise aufeinander. Die Taktzeit für eine komplette Lage von fünf Blechen, drei Schenkel und zwei Joche, beträgt bei optimaler Stanzfolge zehn Sekunden – und ist damit erheblich kürzer als beim manuellen Stapeln der Bleche durch erfahrene Mitarbeiter. Die Kernproduktion steigt und die Qualität der hergestellten Kerne ist gleichbleibend hoch.

*Dipl.-Ing. (FH) Michael Orant arbeitet beim Business Development bei der Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen.

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