Automatisierung Hairpin-Maschine: Komplexes Aufgabenpaket für die Steuerungstechnik

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Minimale Zykluszeiten und schnelle Prozesse gelten als Schlüsselkriterien, wenn es um Fertigungsanlagen für die Elektromobilität geht. Warum hier die Steuerungstechnik eine wichtige Rolle spielt, zeigt eine Hairpin-Maschine von Grob mit PC-based Control von Beckhoff.

Seit gut 95 Jahren entwickelt die Grob-Werke GmbH & Co. KG, Mindelheim, als global operierendes Familienunternehmen Anlagen und Werkzeugmaschinen u. a. für namhafte 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. Der rasant wachsenden Bedeutung der Elektromobilität wird Werkzeugmaschinenhersteller Grob mit hochproduktiven Fertigungs- und Montageanlagen gerecht.

„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“, erklärt Martin Ellenrieder, Gruppenleiter Funktionsentwicklung der Business Unit Elektromobilität von Grob.

Dies zeigt sich auch bei einer Produktionsmaschine (Generation 2) für Hairpins, aus denen die Statorwicklungskränze von Elektromotoren gebildet werden. Sie ist komplett mit Steuerungs- und -Antriebstechnik von Beckhoff ausgestattet. 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.

Produktionsmaschine für Hairpins mit hoher Ausbringung

Mit einem Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 oder C6032 und der Software Twincat als Steuerungskern erreicht die Maschine eine hohe Ausbringungsleistung mit lediglich 2,3 s Taktzeit pro Hairpin. Dabei sind pro Stator rund 200 einzelne Hairpins individuell zu fertigen. Um dies einordnen zu können, dient ein Blick auf die Komplexität des Bearbeitungsprozesses und 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: „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.“

200 Hairpins in 50 Ausführungen

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, Abteilungsleiter Steuerungstechnik der Business Unit Elektromobilität von Grob: „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.“

Innovatives HMI im Automatisierungssystem

Bereits im Jahr 2004 hat Grob die erste Prozessmaschine mit Beckhoff-Technologie ausgestattet. Es folgten zunächst Teststände und Zusatzmagazine, bis der Werkzeugmaschinenhersteller Grob 2017 auch die erste Montagelinie mit PC-based Control automatisierte. „Hauptgründe für den jeweiligen Einsatz waren die kurzen Zykluszeiten der Steuerung sowie die hohe Systemflexibilität in Bezug auf zukünftige Anwendungen und Anforderungen“, sagt Martin Ellenrieder. „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 habe. „Prozessingenieure konnten so Simulationen einfach in Testanlagen integrieren“, so Ellenrieder. 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 seien weitere Aspekte. „Zudem erleichtert uns die Flexibilität von Twincat deutlich die Standardisierung in der Softwareentwicklung.“

Automatisierungslösung mit PC-based Control

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 (HMI) stehe die komfortable und fehlerfreie Maschinenbedienung im Vordergrund, wobei man schon sehr früh auf Twincat HMI gesetzt habe: Um ein solch großes HMI-Projekt realisieren zz können, sei die enge Zusammenarbeit mit Beckhoff wichtig gewesen. „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“, so Glöckler. „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. „Neben der klassischen Transportaufgabe nutzen wir XTS zur flexiblen Positionierung an unterschiedlichen Bearbeitungspositionen – den Biege- und Kamerastationen“, ergänzt Gugenberger. „Dabei profitieren wir von der kompakten Bauform sowie der Modularität, durch die sich unterschiedliche Stationen einfach integrieren lassen.“ Weitere Vorteile biete 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 beispielsweise schwankende Prozesszeiten sich nicht direkt auf die Gesamtmaschine auswirken.“

Twinsafe hat sich laut Martin Ellenrieder insgesamt als systemintegrierte Safety-Funktionalität bewährt und bietet 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.

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