Die Elektrifizierung der modernen Fertigung hat die Maschinenautomatisierung grundlegend verändert und grundlegende Bewegungsabläufe wesentlich zuverlässiger und besser steuerbar gemacht. Mit steigenden Produktionsanforderungen verlagert sich die Herausforderung jedoch von der Steuerung einzelner Achsen hin zur Steuerung der Bewegungen innerhalb der gesamten Produktionszelle als vollständig integrierte, mehrachsige Koordinationsschicht.
Die Konfiguration einzelner Motoren und Antriebe gehört zu den grundlegenden Funktionen. Die Komplexität kommt erst dann zum Tragen, wenn man beginnt, diese Komponenten innerhalb größerer Host-Plattformen zu skalieren und zu koordinieren. Moderne Servoantriebssysteme müssen heute unter realen Produktionsbedingungen synchron, dynamisch und stabil bleiben. Und das alles, ohne die Teams mit Programmieraufwand zu überfrachten oder bei hohen Geschwindigkeiten Instabilität zu verursachen.
In diesem Artikel wird erläutert, wie Bewegungsabläufe über die gesamte Produktionszelle hinweg definiert, koordiniert und aufrechterhalten werden können, um ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit zu gewährleisten.
Die wahre Komplexität mehrachsiger Bewegungen
Fangen wir ganz von vorne an. Bewegungssteuerungssysteme werden in der Regel durch die für die Fertigungshalle ausgewählte Bewegungssteuerungsumgebung der übergeordneten SPS bestimmt, unabhängig davon, ob diese auf einer Plattform von Rockwell, Siemens oder einem anderen Anbieter basiert. Sobald dieser Rahmen geschaffen ist, müssen alle Bewegungskomponenten (Motor, Antrieb, Steuerung und Rückmeldegerät) nahtlos darin integriert sein und miteinander kommunizieren. Nun geht es nicht mehr darum, einen Motor zum Laufen zu bringen, sondern darum, Kompatibilität, Kommunikation und Koordination innerhalb einer einheitlichen Architektur sicherzustellen.
Eine Ladung von Punkt A nach Punkt B zu transportieren, ist relativ einfach. Die Feinheiten dieser Bewegung zu beherrschen, ist viel schwieriger. Beschleunigung und Verzögerung muss kontrolliert erfolgen. Die Absetzzeit muss kurz bleiben. Die Bewegung muss auch unter hoher Belastung wiederholbar bleiben.
Je mehr Achsen, Förderbänder, Sensoren und nachgelagerte Prozesse hinzukommen, desto schwieriger wird es, diese Leistung aufrechtzuerhalten. Systeme, die bei niedrigen Geschwindigkeiten reibungslos zu funktionieren scheinen, können bei steigenden Produktionsanforderungen schnell instabil werden. Gleichzeitig führen übermäßig komplexe Lösungen zu betrieblichen Engpässen, sobald die Maschine übergeben wird. Betreiber und Wartungsteams müssen auch lange nach der ersten Inbetriebnahme in der Lage sein, das System zu warten und Fehler zu beheben.
Warum die Koordination in der Praxis die größte Herausforderung darstellt
Während in Diskussionen über Automatisierung oft die Robotik im Vordergrund steht, basiert ein erheblicher Teil der modernen Fabrikautomatisierung auf hochgradig koordinierten Servoprozessen. Vorgänge wie Indexierung, Förderung, Sortierung und Positionierung basieren auf Dutzenden synchronisierter Servoachsen, die zusammenarbeiten, um die Materialhandhabung und Montage zu unterstützen. Selbst Anwendungen wie Förderbandverfolgung, vertikale Maschinen zum Formen/Füllen/Verschließen, Fliegend-Schersysteme, Etikettiermaschinen und Bestückungsmechanismen stellen enorme Anforderungen an die Synchronisation der mehrachsigen Bewegungen.
Die Ausführung derart komplexer, synchronisierter Bewegungen erfordert eine einwandfreie Abstimmung der Systemarchitektur. Der Bewegungsregler muss das System durch hochspezifische Profile führen und gleichzeitig schwankende Trägheiten und mechanische Nachgiebigkeiten spontan ausgleichen. Ein fliegendes Messer muss beispielsweise eine sich bewegende Bahn erfassen, einen präzisen Schnitt ausführen, loslassen, in seine Ausgangsposition zurückkehren und diesen Vorgang kontinuierlich wiederholen, ohne den Materialfluss zu unterbrechen.
Gerade wenn diese Präzisions-Bewegungssteuerungssysteme auf einen höheren Durchsatz ausgelegt werden, treten ihre Schwächen zutage. Bewegungen, die bei niedrigen Geschwindigkeiten stabil erscheinen, geraten bei steigender Geschwindigkeit häufig aus dem Takt, wodurch sich kleine Abstimmungsprobleme zu systemweiten Ausfällen ausweiten können. Dies könnte zu unregelmäßigen Schnitten, Platzierungsfehlern und inakzeptablen Ausfallzeiten führen. Was bei der Inbetriebnahme zunächst wie eine geringfügige Konfigurationsabweichung aussah, wird im laufenden Betrieb schnell zu einem Risiko für die Produktion.
Systemweiter Ansatz zur Aufrechterhaltung der Bewegungsqualität
Die Bewegungsqualität wird letztlich durch das instabilste oder am wenigsten reaktionsfähige Element im System begrenzt. Kommunikationsverzögerungen, schlecht abgestimmte Servoregelkreise, mechanische Nachgiebigkeit oder Rückführungsverzögerungen können die Synchronisation und die Gesamtleistung der Maschine beeinträchtigen. Unabhängig von der Quelle bestimmt diese Begrenzung die Obergrenze dessen, was die gesamte Maschine leisten kann.
Beginnen wir mit der Kommunikationsebene Ihres Systems. Industrial-Ethernet-Protokolle wie EtherCAT, EtherNet/IP und PROFINET werden häufig eingesetzt, um deterministische oder nahezu in Echtzeit stattfindende Kommunikation zu unterstützen, da unvorhersehbare Netzwerkverzögerungen die Synchronisation in großen Systemen beeinträchtigen. Wenn es bei der Kommunikation zu Schwankungen kommt, trifft der Regler Entscheidungen auf der Grundlage von Daten, die bereits leicht verfälscht sind. Es nimmt Korrekturen vor, die sich danach richten, wo sich die Achsen befanden, und nicht danach, wo sie sich befinden. Bei einer geringen Anzahl von Achsen und moderaten Geschwindigkeiten ist dieser Abstand verkraftbar. Mit zunehmender Größe der Systeme verschärft sich das Problem, und was zunächst wie eine stabile Bewegung aussah, beginnt zu driften.
Genau hier kommt es auf die Abstimmung zwischen Steuerung und Antrieb an. Durch die enge Abstimmung erkennt das System Positionsfehler schnell und korrigiert sie, bevor sie sich ausbreiten. Eine enge Abstimmung ist jedoch nur so gut wie die Daten, auf denen sie basiert. Ist die Kommunikationsschicht inkonsistent, müssen Regler und Antrieb ständig ein sich ständig veränderndes Ziel verfolgen, um Fehler zu korrigieren, die sich bereits verschoben haben, wenn der Befehl eintrifft. Dies gewinnt für OEMs, die Maschinen für verschiedene Endanwenderumgebungen bauen, noch mehr an Bedeutung, da die Kommunikationsarchitekturen dort zwischen EtherCAT-, EtherNet/IP- oder PROFINET-Netzwerken variieren können.
Die Ansprechbandbreite entscheidet darüber, ob diese Korrekturen tatsächlich eine Rolle spielen. Ein Servoregelkreis mit hoher Bandbreite reagiert innerhalb von Mikrosekunden auf Störungen. Eine Schleife mit geringer Bandbreite ist noch dabei, den Rückstand aufzuholen, wenn die nächste Störung eintritt. Bei geringem Datendurchsatz bleibt diese Verzögerung möglicherweise noch im Rahmen. Bei Produktionsgeschwindigkeit summiert sich jede nicht korrigierte Abweichung zur nächsten.
Technische Wartung und Skalierbarkeit
Der Integrationsaufwand ist der Grund, warum Projekte mit mehreren Achsen ins Stocken geraten. Mit einem skalierbaren, integrierten Ökosystem können Ingenieure jedoch verschiedene Leistungsstufen unter einer einzigen Bewegungssteuerungsarchitektur zusammenfassen, um die Integration zu vereinfachen. So können beispielsweise kostengünstige Komponenten wie das Kollmorgen Essentials™ Motion System in Kombination mit dem leistungsstarken Kollmorgen 2G Motion System dazu beitragen, Komplexität, Kosten und Präzision dort in Einklang zu bringen, wo es erforderlich ist.
Und mit einer einheitlichen Controller-Plattform wie der PCMM2G-Reihe lässt sich dieselbe Architektur ohne Neukonzeption skalieren. Wenn sich die Produktionsanforderungen ändern, können Ingenieure innerhalb derselben Steuerungsumgebung Achsen hinzufügen oder die Leistungsfähigkeit erweitern. Der Servoantrieb AKD2G und der Servomotor AKM2G bieten Regelkreise mit hoher Bandbreite für gleichmäßige, präzise Bewegungen bei hoher Geschwindigkeit und verfügen über eine integrierte schnelle Reaktion auf Lastwechsel.
Die Inbetriebnahme folgt derselben Logik. Softwareumgebungen wie die Kollmorgen Automation Suite (KAS) vereinfachen die Inbetriebnahme und Fehlerbehebung durch standardisierte IEC 61131-3-Programmierung und wiederverwendbare Bewegungsfunktionen. Und intelligente Rückführungssysteme ermöglichen die automatische Motorerkennung. Sobald der Antrieb angeschlossen ist, erkennt er die Motorparameter sofort, wodurch sich die Inbetriebnahmezeit und der Debugging-Aufwand vom ersten Tag an erheblich reduzieren – und die Komplexität des Betriebs bleibt auch lange nach der Inbetriebnahme gering.
Das Fazit zum Bewegungsmanagement
Eine konsistente Steuerung der Bewegungsabläufe in der Fertigungszelle erfordert einen ganzheitlichen Ansatz auf Systemebene, bei dem Synchronisation, Skalierbarkeit und langfristige Nutzbarkeit im Vordergrund stehen. Angesichts steigender Leistungsziele reichen isolierte Komponenten nicht mehr aus. Sie benötigen eine einheitliche Architektur, die für die Komplexität der Praxis ausgelegt ist.
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