Von der Kette genommen

Maschinenautomatisierung - SEW-Eurodrive möchte mit dem Geschäftsfeld »Maxolution Maschinenautomatisierung« neue Einsatzgebiete erschließen. Wie sich Energie und Daten für mobile Roboter kontaktlos übertragen lassen, verdeutlicht ein Roboterportal ohne Energieführungsketten.

19. November 2019
Von der Kette genommen
Das Geschäftsfeld Maxolution Maschinen- automatisierung hat sich zum Ziel gesetzt, Systemlösungen zu liefern – etwa für Handling-Portale. (Bild: SEW-Eurodrive/Sienk)

SEW-Eurodrive ist bekannt für seine zuverlässigen und energieeffizienten Antriebs- und Automatisierungskomponenten. Parallel hierzu verfolgt das neu gegründete Geschäftsfeld »Maxolution Maschinenautomatisierung« das Ziel, ausgewählte Branchen mit maßgeschneiderten Systemlösungen aus einer Hand zu bedienen. Welche Vorteile sich daraus ergeben, zeigte das Unternehmen aus Bruchsal anhand eines Roboterportals ohne Energieführungsketten bereits auf der SPS 2018.

Produkte automatisch erkennen, sicher greifen und zügig ans Ziel bringen: Portalroboter sind ein probates Mittel für den intralogistischen Materialfluss innerhalb einer Maschine oder Applikation. Gemeinsam mit dem Maschinenbauer EMAG in Salach, 50 Kilometer östlich von Stuttgart, konzipierte SEW-Eurodrive Portalroboter. Dafür wurde die Antriebstechnik und Kommunikation buchstäblich von der Kette genommen. Die gerade in Portalsystemen bekannten Energieführungsketten gehören in der aktuellen Entwicklung nahezu der Vergangenheit an. Dieses Novum wurde möglich, weil SEW-Eurodrive optische und induktive Wege der Signal- und Energieübertragung ermöglicht.

Leiser, dynamischer, flexibler

Anhand eines kartesischen Portals wurden bereits auf der SPS 2018 die Möglichkeiten demonstriert, welche Lösungen mit heutiger Technik möglich sind, sofern intelligente Software mit zuverlässiger Mechatronik zu vollständig integrierten Lösungspaketen kombiniert werden.

Auffällig ist das Antriebskonzept, mit dem die Portalroboter auf der Schiene unterwegs sind. Augenfällig ist vor allem, dass sich mehrere Roboter auf der gleichen, horizontalen Strecke weitgehend frei bewegen können. Hierbei kommt es dann regelmäßig zu überlappenden Abschnitten – was letztlich eine enorme Freiheit bei den Logistikabläufen ermöglicht. »Solche Abläufe wären mit Energieführungsketten nicht so einfach möglich«, erläutert Klaus Just. Der Gruppenleiter Systemplanung bei SEW-Eurodrive verweist auf die höheren Massen, die in Systemen mit Energieführungsketten ständig mit zu bewegen sind. Sie erzeugen Lärm, verschleißen, vergrößern die Massenträgheit und wirken sich insgesamt negativ auf die Dynamik sowie Energieeffizienz als Folge der Reibung aus.

Ein weiterer Vorteil der neuen Lösung ist, dass es keine Einschränkungen mehr in Hinblick auf Bauraum, Kabelbruch oder limitierte Zykluszahlen gibt, die aus der Energieführungskette sowie den bewegten Kabeln resultieren. Möglich wurde dieser smarte Aufbau mit SEW durch die induktive Energieübertragung Movitrans mit dem dezentralen Einspeisemodul TES. Je nach Ausführung liefern diese Module Übertragungsleistungen zwischen drei und acht Kilowatt.

Das Spannende an dieser Logistiklösung: Über den kompletten Lastzyklus nimmt der Roboter über den Übertragerkopf weniger als 500 Watt auf, obwohl allein die Horizontalachse beim Beschleunigen mehr als drei Kilowatt Beschleunigungsleistung benötigt. Gespeist wird der kurzzeitige Energiebedarf aus dem DPS-Speicher von SEW-Eurodrive, einem Doppelschicht-Kondensator-Paket, das die primäre Stromversorgung der Roboter mit 100 Volt Gleichspannung Zwischenkreisspannung übernimmt.

Die typischen Fahrprofile eines Portalroboters mit wechselnden Beschleunigungs- und Abbremsphasen führten zu der Überlegung, die beim Bremsen erzeugte, generatorische Energie nicht über Widerstände abzuführen, sondern im Prozess zu behalten. Der Energiespeicher DPS nimmt diese Bremsenergie auf und wirkt als Booster, wenn die Antriebe des Portals mit sechs Metern pro Sekunde Quadrat beschleunigen. Der Aufbau arbeitet dabei so wirkungsvoll, dass per Movitrans nur noch die mechanischen Wirkungsgradverluste im Energieverbund auszugleichen sind, was in Summe rund 500 Watt ausmacht. »Im Gegensatz zum bekannten Gleich- spannungs-Zwischenkreisverbund von Mehrachsanwendungen im zentralen Schaltschrank versetzen wir jede Einheit in die Lage, für sich selbst die Energie zu speichern. Das macht es sehr einfach, solch ein System zu skalieren«, erklärt Just.

Kommunikation ebenfalls kabellos

Die berührungslose Energieübertragung mit dem Verzicht auf limitierende Kabel setzt sich innerhalb des Roboterportals bei der Kommunikation fort. Zum Einsatz kommt eine Datenlichtschranke für EtherCat. Sie überträgt die interpolierten Lagesollwerte im Ein-Millisekun- den-Raster von der zentralen SEW-Steuerung an die vier Servoregler in der mitfahrenden SEW-Gehäusebox. Die Berechnung der komplexen Roboter-Motion-Control übernimmt ein MOVI-C-Automation-Controller – und zwar für bis zu vier Roboter gleichzeitig. Teil der Bewegungsführung sind Berechnungen zur Kollisionsvermeidung sowie die Koordinierung des Roboterverbundes mit Blick auf ein produktives Ganzes.

Benötigt eine Maschine innerhalb eines Produktionsverbundes die doppelte Materialflussleistung, lässt sich im Portalsystem ein Roboter aus einem anderen Bereich flexibel abziehen. Werden hingegen Handlingseinheiten über eine Energieführungskette versorgt, sind sie an ihren Bereich gebunden. »Wir nehmen Maschinenbereiche von der Kette, machen die damit verbundenen Ressourcen beweglich und machen Anlagen insgesamt für die Zukunft flexibler und produktiver«, bringt es Just auf den Punkt. Damit verbunden sind entsprechend hohe Anforderungen an die Kommunikation.

Optische Echtzeitkommunikation

SEW-Eurodrive setzt im Portal auf das Echtzeit-Ethernet-Protokoll EtherCat (ebenfalls ohne Kabel), mittels einer optischen Verbindung zu den mobilen Einheiten. Per Datenlichtschranke werden die Antriebsdaten kaskadierbar an die Roboter übergeben. »Wir verzichten damit auf eine gesonderte Steuerung in jedem Roboter«, erklärt Just. Mit einer Zykluszeit von einer Millisekunde weist das optische System quasi keine Latenzzeit auf bei der Übertragung der interpolierten Lage-Soll-Werte an die Regler sowie die Rückmeldung der entsprechenden Ist-Werte.

Auf gleichem Weg erfolgt die Kommunikation für die funktionale Sicherheitstechnik. Bei dieser Applikation setzte SEW-Eurodrive eine zentrale Sicherheitssteuerung für alle Roboter und die Gesamtmaschine ein. Diese kommuniziert per EtherCat direkt mit dem MOVI-C-Automation-Controller und verwendet dafür das EtherCat-Safety-Protokoll FSoE (Fail Safe over EtherCat). Dieser Aufbau ermöglicht den einfachen Datenaustausch zwischen beiden Steuerungen, vereinfacht die Programmerstellung deutlich und bietet mit seiner Informationsdichte sehr gute Rahmenbedingungen für Diagnose und Debugging.

Lösungen auf den Punkt gebracht

Die nahtlose Integration des FSoE-Safety-Masters oder der EtherCat-Datenlichtschranke in die Automatisierungswelt von SEW-Eurodrive macht deutlich, welchen Weg die Bruchsaler gehen, wenn sie von Maxolution Maschinenautomatisierung sprechen. Hierbei spielen standardisierte Schnittstellen ebenso eine große Rolle, wie vorbereitete Softwarebausteine oder applikationsspezifische Funktionsmodule.

Hintergrund

Die EMAG-Gruppe gehört zu den wichtigsten Herstellern von Fertigungssystemen für Bauteile aus den Bereichen Getriebe-, Motoren- und Fahrwerkskomponentenfertigung. Durch den Zugriff auf ein sehr breites Technologiespektrum realisiert EMAG die komplette Prozesskette.

»Der Markt verlangt Systemlösungen«, erklärt Ronald Matzig, Key Account Manager für SEW-Eurodrive bei EMAG. »Dabei sind die Anforderungen, auf die wir hier bei EMAG reagieren müssen, höchst unterschiedlich. Wir fingen daher schon vor Jahren an, eigene Automatisierungslösungen zu entwickeln, um möglichst flexibel auf Kundenanforderungen reagieren zu können. Weil wir aber in erster Linie Hersteller von Werkzeugmaschinen sind, entschlossen wir uns, für die Weiterentwicklung dieser Automatisierungstechnik einen starken Partner zu suchen, der uns vor allem bei den Themen Elektro- und Steuerungstechnik unterstützt. Dass dabei die Wahl auf SEW-Eurodrive fiel, bedurfte keiner langen Überlegung. Schließlich verbindet beide Unternehmen eine jahrelange, vertrauensvolle Geschäftsbeziehung. Ich bin sehr glücklich darüber, dass wir bereits auf der SPS vor einem Jahr ein erstes Ergebnis dieser Zusammenarbeit präsentieren konnten, bei dem EMAG die mechanischen Komponenten und SEW-Eurodrive die komplette Energie-, Elektro- und Steuerungstechnik entwickelte.«

Erschienen in Ausgabe: 08/2019
Seite: 4 bis 17