Antriebstechnik Test-Kapazität und Durchsatz bei der Endkontrolle steigern

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Trotz zahlreicher Klemmenvarianten bei der Endkontrolle den Durchsatz deutlich erhöhen: Vor dieser Herausforderung stand Beckhoff in der eigenen Fertigung. Realisiert werden konnte das mit einem ausgeklügelten Anlagenkonzept, welches das intelligente Transportsystem X-Planar und PC-based Control nutzt.

Im Herbst 2021 begann man bei Beckhoff, die Endkontrolle der I/O-Komponenten zu überdenken. Das Ziel war, die Prüfkapazität und den Durchsatz deutlich zu steigern. Das klingt nach der Quadratur des Kreises: Je nach Klemmenvariante – mit/ohne FPGA, einem Controller oder mit analogen Kanälen – dauern das Programmieren und der anschließende Funktionstest unterschiedlich lang. „Das können durchaus auch mal 30 Sekunden sein, bis eine Firmware aufgespielt ist und alle Analogkanäle abgeglichen sind“, erklärt Stefan Engelke, der mit seinem Team die Testschränke entwickelt und programmiert hat.

Die Lösung des Zeitproblems liegt in der Parallelisierung und Trennung vom Aufspielen der Firmware einerseits und den Funktionstests andererseits. Das ist zunächst keine bahnbrechende Idee, sehr wohl aber die konsequente Nutzung der Freiheitsgrade von X-Planar für die gesamte interne Logistik und Zuführung der Klemmen zu den Arbeitsstationen. Durch die freie 2D-Bewegung der Produkte ist es unerheblich, ob eine einzelne Busklemme zehn Sekunden oder eine Minute in einem Tester braucht. Die übrigen Mover fahren einfach an den belegten Stationen vorbei zur nächsten freien Station. Der Gesamtausstoß der Anlage bleibt daher von einzelnen Verzögerungen unberührt.

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Planarmotorsystem

Schwebend Bewegen mit sechs Freiheitsgraden

Einfaches und flexibles Handling der Klemmenvarianten

„Der Ablauf ist dennoch denkbar einfach“, so Michael Golz, Leiter der Abteilung Demo-Systems, „denn der Bediener muss nichts einstellen – nur einen Stapel Trays mit Klemmen an der Zuführstation auflegen und einen Taster drücken.“ Danach läuft der Stapel in die Pickstation ein, wo ein Deltaroboter die Module aus den Trays greift und einzeln auf die bereitstehen-den X-Planar-Mover legt. Die Anlage hat zwei Hauptstraßen, quasi Autobahnen, die links und rechts zu den Programmier- und Teststationen führen. Die Stationen befinden sich an Ausfahrten bzw. Parkbuchten seitlich der beiden Fahrbahnen. Dazwischen liegt eine dritte Straße, auf der alle Mover zurück zum Picker fahren. Dieser symmetrische Aufbau hat den Vorteil, dass selbst bei Ausfall einer kompletten Anlagenhälfte die andere Seite weiterarbeiten kann.

Die Mover bringen die Klemmen unter einer Lesestation hindurch zu den längsseits angeordneten Programmierstationen. Die Lesestation erfasst über mehrere Kameras und Beckhoff Vision den individuellen Beckhoff Identification Code (BIC) jeder Klemme. „Danach kennt die Anlage den Klemmentyp und erledigt alles komplett eigenständig − Programmierung, ggf. Abgleich der analogen Kanäle und Funktionstest“, ergänzt Ulrich Brockhaus, verantwortlich für die Anlagenprogrammierung. Gleichzeitig wird der BIC mit dem Mover über dessen ID „verheiratet“. So lässt sich über die Mover-ID auch nach einem Energieausfall nachvollziehen, wo sich jeder einzelne Mover bzw. jede Klemme befindet. Hat der Mover eine freie Programmierstation erreicht, positioniert er die Klemme exakt unter deren Kontaktnadeln. Danach wird abhängig vom BIC die entsprechende Firmware auf die Klemme geladen.

Anschließend geht es weiter zu einer der universellen Teststationen, die wiederum anhand des BIC die gerätespezifische Testsequenz aufruft. Ist die Software korrekt geladen und der Funktionstest einwandfrei, transportiert der Mover die Klemme über die mittlere Spur zum zweiten Deltaroboter der Pickstation, der die Klemme auf ein weiteres Tray ablegt. Dabei durchfährt der Mover die Lesestation ein zweites Mal, diesmal aber in umgekehrter Richtung. „Über das erneute Erfassen des BIC auf der Rückspur wird die Klemme ausgebucht und das Aufspielen der Firmware und die Funktionsprüfung jeder einzelnen Klemme in der zentralen Datenbank dokumentiert, bei Analogklemmen einschließlich aller Abgleichwerte“, präzisiert Stefan Engelke.

Alle Freiheitsgrade von X-Planar genutzt

Grundlage für diesen flexiblen und dennoch schnellen Ablauf bildet ein X-Planar-System aus 100 Kacheln. „Die beiden Hauptstraßen mit zwei Hinstrecken und der dazwischenliegenden Rückspur haben wir aus sechs X-Planar-Basis-Sets mit jeweils 3 × 4 Kacheln aufgebaut“, so Michael Golz. Für die Anbauten (Programmierer und Tester) sind seitlich die restlichen 28 Kacheln an das Grundsystem angeschraubt. Jeder Anbauplatz hat ein standardisiertes Interface mit Spannungsversorgung (400 V_AC), Safety, Ethernet (LAN) sowie Ethercat. „Das Interface und das Anlagenlayout ermöglichen künftige Erweiterungen ohne große Umbaumaßnahmen“, betont Daniel Golz, der für die mechanische Konstruktion der Anlage und die speziellen Details der Klemmenkontaktierung zuständig ist.

X-Planar ermöglicht aber nicht nur die Modularität der Maschine, sondern verringert auch in vielen Bereichen die mechanische Komplexität. Beispielsweise wird bei den Programmierstationen die XY-Feinpositionierung von X-Planar genutzt. Daher können die Programmierer unmittelbar nach Erreichen der exakten Position ihre Nadeln auf die Klemmenkontakte absenken und mit dem Aufspielen der Firmware beginnen.

Möglichkeit zum Drehen und Heben reduziert Konstruktionsaufwand

Bei den Teststationen reduziert ein weiteres Feature von X-Planar den konstruktiven Aufwand: die variable Flughöhe. An der Prüfstation angekommen, wird der Mover zuerst angehoben, damit der Einschub der Prüfstation unter die Klemme fahren kann. Danach senkt der Mover seine Flughöhe wieder ab, die Klemme liegt dann auf dem Einschub und wird in den Tester eingezogen. Der Vorteil: Sämtliche Kontakte sind frei zugänglich und kontaktierbar. Nach dem Test wird die Klemme dann wieder in umgekehrter Reihenfolge auf dem Mover abgelegt. Die Möglichkeit, die Mover rotieren zu lassen, kommt wiederum beim Ein- und Ausfahren zum Tragen. Mit ihr werden die Mover abhängig von der benutzten Anlagenseite um 180 Grad gedreht. „Auch diese Funktion hat den mechanischen Aufwand erheblich reduziert und die platzsparende Anordnung von Tester und Programmierer auf beiden Seiten erst ermöglicht“, stellt Daniel Golz heraus.

Insgesamt profitiert das Anlagenlayout von vier X-Planar-Eigenschaften:

• Die 2D-Produktbewegungen entkoppeln den Transport der Klemmen und ermöglichen eine parallele Bearbeitung in den Programmier- und Teststationen.

• Die XY-Feinpositionierung erspart ein Handling-System bei den Programmierstationen.

• Die Übergabe der Busklemme mithilfe der Z-Bewegung (Heben/Senken) ersetzt eine aufwendige mechanische Konstruktion in den Teststationen.

• Die 360-Grad-Rotation ermöglicht den spiegelsymmetrischen Aufbau der Anlage.

Elektrische und optische Funktionen unter der Lupe

Die Teststationen kontrollieren nicht nur die elektrischen Eigenschaften und Funktionen einer Klemme. „Bei Klemmen mit analogen Signalen kommen noch die entsprechenden Testsequenzen und Kalibrierungen dazu“, erklärt Engelke. Über ein integriertes Vision-System werden auch die Anwesenheit und korrekte Position des Prismas kontrolliert sowie die Farben und Intensität der LED gemessen.

Dass auf der Anlage die unterschiedlichsten Ethercat-Klemmen mit ihren vielfältigen Funktionen und Messbereichen vollautomatisch getestet werden können, liegt am Universaltestschrank. Dessen komplette Mess- und Prüftechnik basiert auf Beckhoff-Technik mit Schwerpunkt auf den präzisen Messtechnikklemmen der ELM-Serie. In fahrbaren Schränken montiert und über einen Steckverbinder mit der Anlage gekoppelt, lassen sich die Testschränke schnell und ohne Stillstand der kompletten Anlage austauschen. Das ist regelmäßig notwendig, da die ELM-Klemmen als Messmittel zyklisch rekalibriert und zertifiziert werden müssen.

Die Stärken von PC-based Control zeigen sich auch bei der übergreifenden Koordination und Auswertung: Erkennt ein Tester eine Unstimmigkeit an einer Klemme, wird das zum einen über den BIC registriert, andererseits schickt der Tester die Klemme zur erneuten Konfiguration zurück zu den Programmierstationen. Häufen sich die Fehlermeldungen an einem Programmierer oder Tester, deutet das auf eine Störung hin. „In diesem Fall wird der Tester dem System als nicht verfügbar gemeldet und diese Position wird von den Movern so lange nicht mehr angefahren, bis der Tester überprüft und ggf. gewechselt wurde“, so Ulrich Brockhaus. Die Anlage läuft dann zwar kurzzeitig mit einer Station weniger, aber sie läuft, und das nicht wesentlich langsamer. „Bei uns verlässt keine I/O-Klemme die Anlage, die beim Kunden irgendwelche Probleme verursachen könnte“, ergänzt Michael Golz.

Durch dieses ausgeklügelte Anlagenkonzept können nun pro Schicht rund 10.000 Klemmen vollautomatisch programmiert, abgeglichen und getestet werden.

PC-based Control für vereinfachtes Engineering

Die Anlage ist ein Paradebeispiel dafür, wie mit PC-based Control die unterschiedlichsten Aufgaben und Funktionen umgesetzt werden können. Neben einem Schaltschrank-Industrieserver C6670, der die 33 Mover auf den 100 Kacheln koordiniert, steuern insgesamt zehn Ultra-Kompakt-Industrie-PCs C6032 die anderen Anlagenteile. Die Deltaroboter sind mit dem Multiachs-Servosystem AX8000 und Servomotoren AM8000 automatisiert.

„Für das Ein- und Ausschleusen der Trays nutzen wir die integrierten Servoantriebe AMI8100, weil diese äußerst kompakt bauen und für den Betrieb nur Ethercat und 48 Volt Spannung benötigen“, so Ulrich Brockhaus. Bei den Programmierern kommen Linearaktuatoren AA1000 zum Einsatz, um die Klemmen zu kontaktieren; bei den Testern zusätzlich Elektrozylinder AA3000 für den Einzug der Klemmenträger. Die Sicherheitstechnik ist komplett mit Twin-Safe realisiert. Die Data-Matrix-Codes erfasst Twincat Vision. In den vier Prüfschränken sind jeweils rund 40 Ethercat-Messtechnikklemmen der ELM-Serie verbaut. Hinzu kommt eine breite Palette an Ethercat-Klemmen der EL-Reihe. Michael Golz: „PC-based Control hat uns bei dem Projekt vieles erleichtert und lässt uns die Option für weitere Ausbaustufen.“

Michael Klasmeier, Leiter I/O-Produktion bei Beckhoff, ergänzt abschließend: „Unser I/O-Klemmen-Portfolio umfasst von der 2-kanaligen digitalen Eingangsklemme bis hin zur kompakten Antriebstechnik eine Vielzahl von Produkten – mit ganz unterschiedlicher Komplexität und Jahresstückzahlen von wenigen 1.000 bis 100.000 Stück. Alle Produkte werden zentral am Firmensitz in Verl gefertigt. Das Ziel ist es, mit den aktuellen Mitarbeitern und dem verfügbaren Platz deutlich mehr zu produzieren – das ist ohne automatisierten Test nicht möglich.

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