Motion Design Wie Technologie-Plattformen Konstruktion von Maschinen erleichtern

Autor / Redakteur: Gregory Boucaud, Reinholt Schlechter / Karin Pfeiffer

Komplexe Maschinen planen und bauen? Häufig eine konstruktive Aufgabe mit vielen Brüchen. Technologieplattformen wie Pac Drive 3 verfolgen einen durchgängigen Ansatz und lassen so alle Entwicklungsschritte ineinandergreifen.

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Mit ihrer integrierten Antriebselektronik lassen sich die Servomodule Lexium 62 ILM flexibel verkabeln.
Mit ihrer integrierten Antriebselektronik lassen sich die Servomodule Lexium 62 ILM flexibel verkabeln.
(Bild: Schneider Electric)

In vielen Industrien zählen komplexe und höchst anspruchsvolle Maschinenanwendungen mittlerweile zur Standardausrüstung. Ohne sie ginge es schlicht nicht. Wer etwa in der Verpackungs- oder Lebensmittelindustrie dauerhaft konkurrenzfähig bleiben möchte, ist heute mehr denn je auf eine äußerst flexible, präzise und ressourceneffiziente Anlage angewiesen. Treiber sind neben gesetzlichen Vorgaben zu Hygiene, Nachverfolgbarkeit und Klimaschutz vor allem individuelle Kundenansprüche. Sie bedeuten kleine Losgrößen, saisonaler Sortimentswechsel oder stark schwankende Produktionsmengen. Und das verlangt einer Maschine viel ab. Eine große Herausforderung also auch für den Maschinenhersteller.

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Angefangen bei der Planung in virtueller Softwareumgebung über die Auslegung und Konstruktion der realen Anlage bis hin zu Testfahrten und Inbetriebnahme: Der Bau einer komplexen Maschine deckt nicht nur eine breite Palette an Tätigkeiten ab, er erfordert auch die Zusammenarbeit vieler unterschiedlicher Spezialisten. Damit die Maschine später trotzdem wie aus einem Guss funktioniert, sollte der Prozess möglichst ohne Brüche ineinandergreifen. Der betriebswirtschaftliche Nebeneffekt: Ein einheitliches Vorgehen beugt Fehlern und ungeplanten Zusatzkosten vor und beschleunigt die Time-to-Market.

Der Haken: Die dafür erforderliche Kontinuität auf Software- wie Hardwareebene lässt sich im Arbeitsalltag erfahrungsgemäß nur schwer realisieren – aus vielfältigen Gründen. Zunächst einmal besteht eine Maschine nur selten aus einem homogenen Set an Bauteilen. Frequenzumrichter, Antriebe, Steuerungen oder Sicherheitselemente stammen oft von verschiedenen Herstellern. Ihre Integration erfordert oft technische Anpassungen und damit zumindest ein Quäntchen an Geduld, Zeit und Geld. Darin steckt viel Optimierungspotenzial. Ebenfalls problematisch: In vielen Fällen kommen unterschiedliche Softwareumgebungen für Planung, Programmierung, Inbetriebnahme und Betrieb zum Einsatz. Hier muss das Projekt immer wieder „übergeben“ oder neu angelegt werden. Das erzeugt unweigerlich multiple Dateneinträge und redundante Informationen, deren Aktualitätsüberprüfung zu kostspieligen Verzögerungen führen kann.

Für Schneider Electric sind das alles gute Gründe, um bei Entwicklung und Bau einer Maschine auf eine ganzheitliche Technologieplattform wie Pac Drive 3 zu setzen. Sie bietet dem Konstrukteur in puncto Automatisierung ein vollständiges Portfolio an leistungsstarken und platzsparenden Hardware-Komponenten und liefert auch eine einheitliche Softwarelösung für den gesamten Lebenszyklus der Maschine.

Digitaler Zwilling: Momenten-Bedarf simulieren

Bei der Planung einer Maschine greift meist ein einfacher Grundsatz: Je exakter die ideal geplante Maschine dem Original entspricht, desto besser das Ergebnis. Gleichzeitig sollte die geplante Maschine keinesfalls ein starres Konstrukt bleiben. Entscheidend ist ein dynamisches und an reale Bedingungen anpassbares Modell, das die gesamte Maschinenentwicklung kontinuierlich begleitet. Insbesondere Digital-Twin-Applikationen erleben gerade einen Boom. Schneider Electric zum Beispiel bietet seinen Kunden im Maschinenbau mittlerweile die Option einer exakten Simulation von Motorströmen. Mithilfe dieses neuen Features ist es möglich, die Momente der Bewegung für jede beliebige Mechanik an einem Antriebsstrang zu bestimmen – und das in Echtzeit. An jeder einzelnen Position der Bewegung ist damit klar, welcher Momenten-, bzw. Strombedarf jeweils herrscht. Ein Antriebsstrang lässt sich somit komplett optimiert auslegen. Das vereinfacht die Wahl der passenden Antriebe und mechatronischen Komponenten. Im Sinne einer Überlagerung von IT und OT sind virtuelle 3D-Konstruktion und die spätere reale Anlage deckungsgleich. Auf diese Weise lässt sich direkt am PC eine Maschine erstellen und genau auf ihre spätere Funktionsweise testen – und das, ohne auch nur einen einzigen Millimeter Stahl zu verbauen.

Um zwischen dem digitalen Zwilling und der späteren, realen Umsetzung eine möglichst hohe Kontinuität zu gewährleisten, basiert die diese Digital-Twin-Applikation auf den Funktionsbausteinen der „Pac Drive 3“-Systembibliothek. Setzt ein Konstrukteur also auf die Automatisierungsplattform des Tech-Konzerns, kann er auch die Motorstrom-Simulation nutzen. Zudem ist es möglich, dass die exakt geplante und bereits getestete 3D-Anlage das komplette Projekt weiterhin eng begleitet.

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Motorströme simulieren – Antrieb optimieren

Schneider Electric bietet seinen Kunden im Maschinenbau mittlerweile die Option einer exakten Simulation von Motorströmen. Mithilfe dieses neuen Features ist es möglich, die Momente der Bewegung für jede beliebige Mechanik an einem Antriebsstrang zu bestimmen – und das in Echtzeit. An jeder einzelnen Position der Bewegung ist damit klar, welcher Momenten-, bzw. Strombedarf jeweils herrscht. Ein Antriebsstrang lässt sich somit komplett optimiert auslegen. Das vereinfacht die Wahl der passenden Antriebe und mechatronischen Komponenten. Im Sinne einer Überlagerung von IT und OT sind virtuelle 3D-Konstruktion und die spätere reale Anlage deckungsgleich. Auf diese Weise lässt sich direkt am PC eine Maschine erstellen und genau auf ihre spätere Funktionsweise testen – und das, ohne auch nur einen einzigen Millimeter Stahl zu verbauen.

Konstruktion: Passgenaue Auslegung, weniger Hardware

Möglichst genaue 3D-Modelle können die Konstruktion einer Maschine erheblich erleichtern. Da sich mit Pac Drive 3 nicht nur der Momentenbedarf exakt bestimmen lässt, sondern die virtuelle Maschine bereits auf den passenden Funktionsbausteinen beruht, wird auch klar, welche Bauteile sich für welche Anwendungen optimal eignen. Die Suche nach dem effizientesten Antrieb ist Schneider Electric zufolge damit hinfällig. Auch bei nachträglichen Änderungswünschen, die während eines Konstruktionsprozesses bekanntlich immer mal vorkommen können, erweisen sich exakte Simulations-Features oft als Vorteil. Braucht ein Kunde beispielsweise doch 20 Prozent mehr Leistung für seine Maschine, sind keine Anpassungen von Weg-Zeit-Diagrammen oder weitere Berechnungen mehr erforderlich. Innerhalb der Simulation lässt sich die Ablauf-Geschwindigkeit ganz einfach um den gewünschten Wert erhöhen, und der Momenten-Bedarf wird automatisch neu berechnet. So ist sofort klar, ob, und wenn ja, an welcher Stelle welche neuen Antriebe benötigt werden.

Hardwareseitig soll Pac Drive 3 dem Ingenieur alles in puncto Automatisierung von anspruchsvollen Maschinen bieten, was er für die reale Auslegung seiner Anwendung braucht. Dazu zählen etwa Servomotoren und -antriebe, Robotik-Komponenten (Delta- und Kartesische-Roboter), Sicherheitskomponenten sowie leistungsstarke Motion-Steuerungen. Da eine Steuerung bis zu 130 Achsen regeln kann und sich insgesamt bis zu 20 Steuerungen für das Betreiben von 2.600 synchroner Achsen miteinander verknüpfen lassen, reduziert sich die Menge an zu verbauender Hardware im Vergleich zu herkömmlichen Systemen erheblich, heißt es bei Schneider Electric. Zudem stehen Einkabel-Motoren und dezentral installierbare ILM-Antriebe zur Verfügung, das hält den Verkabelungsaufwand und Platzbedarf im Schaltschrank gering. Dank Sicherheitsprotokoll via Sercos lässt sich zudem die Kommunikation der sicherheitsrelevanten Elemente in die Standardkommunikation integrieren. So ist hier keine zusätzliche dedizierte Verkabelung erforderlich.

Dass innerhalb einer Automatisierungsplattform alle Bauteile zu uneingeschränkter Datenkommunikation befähigt sind, erleichtert die Konstruktion ebenfalls. Kommt alles aus einer Hand, geht keine Zeit für Schnittstellenprogrammierung verloren.

Stichwort Programmierung: Bei Pac Drive 3 findet sie innerhalb der Softwareumgebung „Eco Struxure Machine Expert“ statt. Das Maschinen-Framework erlaubt es, die komplette Maschine mit nur einer einzigen Software zu automatisieren – von Frequenzumrichtern und HMIs (Human Machine Interface) über Motion und Robotik bis hin zu Steuerungen und Sicherheitsanwendungen. Die Funktions-Bausteine können auf veränderte Gegebenheiten reagieren.

Die Eckdaten:

Update Antriebstechnik – Praxisforum für Konstrukteure

Datum: 14. September 2021
Uhrzeit: 8:45 bis 18:00 Uhr
Ort: Vogel Convention Center, Würzburg

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Digitaler Zwilling leistet Vorarbeit

Das von den Konstrukteuren während der Planungsphase erstellte 3 D-Modell bringt auch einen Mehrwert in Sachen Programmierung. Der Digitale Zwilling unterzieht nicht nur die reine Mechanik per Kollisionsbetrachtung einer Funktionsprüfung. Indem sich bei PacDrive 3 der Momenten-Bedarf für jede einzelne Bewegung exakt simulieren und errechnen lässt, steht dem Automatisierungstechniker damit praktisch zeitgleich ein fertiger Programmcode für den Motion-Part seiner Maschine zur Verfügung. Dieser muss also nicht eigens erstellt werden. Das gilt auch für die Reaktion auf Sensorik.

Doch bekanntlich zeigt sich erst bei der Inbetriebnahme einer Maschine, ob Konstruktion und Programmierung alle Parameter korrekt eingestellt haben. Mit Simulationen und Tests sinkt das Risiko böser Überraschungen, aber eben nicht ganz. Verspannter Laufschlitten, abweichende Reibwerte, falsch bemessener Schwergang des Getriebes: Wenn virtuelle Idealbedingungen und Realität nicht zusammenpassen, zahlt sich eine dynamische Stromvorsteuerung aus. Damit stellt sich die Anlage bereits bei der Inbetriebnahme selbstständig auf die abweichenden Gegebenheiten ein. Die Echtzeit-Vorberechnung der Drehmomente erfolgt dabei auf Basis eines an den realen Verhältnissen orientierten und dynamisch veränderbaren Lastmodells. Die Funktion „Fast Device Replacement“ wiederum beschleunigt übrigens nicht nur den Start einer neuen Maschine. Firmware wird automatisch geladen und Stillstandzeiten minimiert.

Schneider Electric geht davon aus, dass bei der Konstruktion einer komplexen Maschine wie etwa in der Verpackungs- oder Lebensmittelindustrie ein möglichst durchgängiger und einheitlicher Entwicklungsprozess zur Grundvoraussetzung wird. Firmeneigenen Erhebungen zufolge lässt sich mit Pac Drive 3 die Time-to-Market um etwa 30 Prozent beschleunigen, in puncto Maschinenintegration sollen es sogar 40 Prozent sein. Einfacher und schneller also.

* Gregory Boucaud ist High Performance & Robotics Offer Manager, Reinholt Schlechter Segment Manager CPG, Industry Business, beide bei Schneider Electric.

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