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INTEGRIERTE AUTOMATION
www.polyscope.ch
RO B OT IK & H A ND L I NG
Ste ue rung, Mo tion, CNC und Ro bo ti c
Die Grenzen verschwimmen immer mehr
Seit über 40 Jahren steht der Begriff CNC für hochgenaue Werkzeugmaschinen. Oberstes
Gebot von CNC-Werkzeugmaschinen ist, die Genauigkeit der programmierten Bahn
zu sichern. Produktionsmaschinen dagegen sollen mittels SPS Prozessfunktionen und
-signale möglichst reaktionsschnell verarbeiten.
» Gernot Bachler
SPS. Dies schafft die Voraussetzung, um auch
die komplexesten Aufgabenstellungen erfüllen
zu können. Die Einsatzgebiete der Soft-CNC
reichen von der klassischen Fräsmaschine
und von Bearbeitungszentren für Fensterund Türrahmen über Brenn-, Plasma- oder
Wasserstrahlschneiden, Glasbearbeitung bis
hin zu Selektivlötanlagen und Maschinen zum
Auftragen und Dosieren von Dichtraupen.
Die flexible Lösung erlaubt individuelle
Anpassungen
Die Anwendungsgebiete für Industrieroboter reichen von einfachen Handhabungsaufgaben bis hin
zu komplizierten Bewegungsabläufen wie beim Schweissen
In Produktionsmaschinen kommen immer
häufiger Industrieroboter für unterschiedlichste Aufgaben zum Einsatz. Deren Anwendungsgebiet ist dabei sehr breit und reicht
von einfachen Handhabungsaufgaben bis hin
zu komplizierten Bewegungsabläufen wie z. B.
beim Schweissen. Die geometrische Bahntreue steht dabei nicht mehr im Vordergrund.
Entscheidend sind hier die Wiederholgenauigkeit für Bewegungsendpunkte oder die
Dynamik der Bewegung selbst.
Der zunehmende Automatisierungsgrad
in allen Industriebranchen sowie die immer
komplexer werdenden Anforderungen an
einzelne Maschinenlinien lässt die scheinbar klar gezogene Grenze zu einer «klasPolyscope 6/08
sischen» CNC-Maschine immer mehr verschwimmen.
Maschinenhersteller wünschen sich
eine komplette Plattform
Hersteller von Maschinen wünschen sich
nicht nur eine Steuerung, sondern eine komplette Plattform, die eine Maschine automatisiert. Dies inkludiert Antriebe, Bewegungsbzw. Bahnsteuerung, Visualisierung und
deren Vernetzung. Eine Bahnsteuerung mit
CNC-Funktionen wird integraler Bestandteil
des Automatisierungssystems.
B&R vereint in seinem Ansatz alle Komponenten in einem System. Die Soft-CNC ist
eingebettet in das Echtzeitbetriebssystem der
Was ermöglicht nun dieses breite Einsatzspektrum? Zum einen wird im Echtzeitbetriebssystem der notwendige Rahmen für
hochpräzise Positionieraufgaben geschaffen.
CNC-Zykluszeiten von 400 µs ermöglichen
eine Bahngenauigkeit im Submikronbereich.
Generierte Sollpositionen werden über Ethernet-Powerlink jitterfrei an die verwendeten
Antriebe übertragen. Darüber hinaus können
die benötigen I/Os beinahe unbegrenzt ins
System eingebunden werden.
Diese Flexibilität der Systemarchitektur
sowie der breite Funktionsumfang ermöglichen es, eine Maschinenlinie individuell auf
Kundenwünsche anpassen zu können. Nicht
zu vernachlässigen ist auch der Aspekt, dass
das eigentliche Know-how einer Automatisierungslösung in der Applikationsschicht gekapselt werden kann und nicht direkt in den
Autor
Dipl.-Ing. Dr. Gernot
Bachler arbeitet im Bereich
Research & Development
Motion bei B&R
in AT-Eggelsberg
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R O B OT I K & H A N D L I N G
INTEGRIERTE AUTOMATION
wie Werkzeugradius oder sogar Endpunkte
von Bahnstücken, noch während des Programmlaufs geändert werden, zum anderen
stehen bestimmte Daten bahnsynchron zur
Verfügung.
Dynamische Funktionen reduzieren
Beschädigungen
Die Soft-CNC unterscheidet sich von einem
herkömmlichen System, indem sie alle
Komponenten in einem System vereint
CNC-Kern eingebaut werden muss, so wie es
bei anderen Herstellern der Fall ist.
Aufteilung gestattet übersichtliche
Verwaltung
Die Soft-CNC verfügt über eine umfangreiche
Funktionsliste. Teileprogramme bzw. Bewegungsabläufe werden nach DIN 66025 programmiert. Eine Aufteilung in Haupt- und
Unterprogramme ermöglicht eine übersichtliche Verwaltung von NC-Programmen. In der
Norm definierte Grundfunktionen wurden
um nützliche Zusatzfunktionen erweitert.
Darüber hinaus lässt die erweiterte Programmiertechnik die Verwendung von Elementen
einer Hochsprache, wie z.B. Schleifen, Bedingungen und Verzweigungen zu. Daten von
Applikationsprogrammen der SPS werden
über eine leistungsfähige Schnittstelle ausgetauscht. Verschiedene Zugriffsfunktionen ermöglichen die Kontrolle des Programmablaufs in Echtzeit. Zum einen können Daten,
Besonders kritisch für den Einsatz einer
Bahnsteuerung in bestimmten Technologiebereichen ist die Beeinflussung der
Bahndynamik, also Kenngrössen wie Bahngeschwindigkeit und -beschleunigung sowie der Ruck. Die Möglichkeit, diese zur
Laufzeit zu ändern oder abhängig von
Bahnradius bzw. -krümmung automatisch
anzupassen, ist für bestimmte Anwendungen essenziell.
Zusatzfunktionen gibt es auch im Bereich
der Werkzeugradiuskorrektur. Ungültige
Schnittpunkte, Kerben und Spitzen führen
nicht zwangsweise zu einem Halt auf der
Bahn, was z. B. bei einer Plasmaschneidemaschine eine massive Beschädigung des
Werkstücks zur Folge hätte, sondern werden
Soft-CNC hat umfangreiche
Funktionsliste
entsprechend den Vorgaben des Benutzers
automatisch korrigiert.
Der integrierte Look-Ahead sorgt dafür,
immer die optimale Bahngeschwindigkeit zu
erreichen. Das ist vor allem dann entscheidend, wenn, bedingt durch den Bahnverlauf, häufige Beschleunigungswechsel auftreten würden und dadurch Vibrationen an der
Maschine entstünden.
Fehlerkorrektur ist grosse Hilfe
Manchmal ist es prozesstechnisch notwendig,
der Physik ein Schnippchen zu schlagen. Um
ein besseres Resultat zu erzielen, müssen unter bestimmten Bedingungen dynamische
Achsgrenzwerte bewusst überschritten werden, wie folgendes Beispiel zeigt. Bei Schneidmaschinen wird das Schneidwerkzeug automatisch tangential zur Bahn nachgeführt.
Weist der Übergang von zwei Bahnelementen
einen zu grossen Winkel auf, so kann es ab
einer bestimmten Bahngeschwindigkeit nicht
mehr schnell genug ausgerichtet werden.
Um hier alle Grenzwerte einhalten zu können, müsste eigentlich die Bahngeschwindigkeit reduziert werden, was allerdings zu einer
deutlich schlechteren Schnittqualität führen
würde. Hier ist es also nötig, die Grenzwerte
der Tangentialachse zu überschreiten. Der
dabei kurzzeitig entstehende Positionsfehler
dieser Achse hat aber wesentlich weniger
Einfluss auf das Schneidergebnis, als es die
Absenkung der Bahngeschwindigkeit hätte.
Beliebige Drehung
ist nützliche Funktion
Nützlich sind auch Funktionen wie die beliebige Drehung einer Arbeitsebene im Raum
(3D) oder die Kompensation der Schiefwinkeligkeit von Maschinenachsen. Selbstverständlich kann die Werkzeugorientierung an die
schiefe Arbeitsebene angepasst werden.
Die Korrektur der Schiefwinkeligkeit ist
dann von Vorteil, wenn es mechanisch nicht,
oder nur mit grossem Aufwand, möglich ist,
die Rechtwinkligkeit der Koordinatenachsen
zu gewährleisten. Die Soft-CNC verzerrt das
Teileprogramm so, dass die tatsächliche Bahn
wie in einem idealen rechtwinkligen System
verfahren wird. Die Soft-CNC kümmert sich
aber auch um Korrekturfunktion auf Achsebene. Dazu zählen Spindelsteigungsfehlerund Losekompensation. Mit deren Hilfe ist es
auch auf mechanisch weniger genauen Ma-
Beeinflussung der
Bahndynamik ist kritisch
schinen möglich, immer noch eine exzellente
Bahntreue zu erreichen.
Die Soft-CNC
unterstützt Transformationsfunktionen
für 6-Achs-Knickarmroboter und SCARASysteme
Zwei Transformationsfunktionen
sind speziell relevant
All diese Funktionen sind aber nicht nur im
CNC-Bereich nützlich. Wie schon eingangs erwähnt, enthalten Maschinen immer öfter
Funktionseinheiten, die einem Roboter ähneln
oder mit einem Industrieroboter interagieren,
Polyscope 6/08
z.B. zum Einlegen bzw. Entnehmen von Werkstücken.
Der Gedanke liegt also nicht fern, die komplette Automatisierungslösung aus einem homogenen System heraus zu steuern. Die SoftCNC besitzt Schnittstellen, die es erlauben,
die kinematische Beschreibung einer mechanischen Struktur im System bekannt zu geben.
Dabei sind besonders zwei Transformationsfunktionen relevant. Zum einen die sogenannte «inverse Kinematik» oder auch Rückwärtstransformation, zum anderen die «direkte
Kinematik» bzw. Vorwärtstransformation.
Mit Hilfe der Vorwärtstransformation wird
eine Raumlage (Position und Orientierung)
aus den Gelenkwinkeln des Roboters errechnet. Die Rückwärtstransformation bezeichnet
das Gegenstück, also die Berechnung der Gelenkwinkel aus der Lage.
Integrierter Look-Ahead erreicht
optimierte Bahngeschwindigkeit
Dieses Prinzip ermöglicht es, die Vorteile des
CNC-Systems auch für die Steuerung von Robotern zu nutzen. Für zahlreiche Anwendungen kann aus den besonderen Eigenschaften der Soft-CNC ein Vorteil gezogen
werden. Werden z. B. Freiformkurven über
eine einfache Serie von Geradenstücken beschrieben, so wird durch den integrierten
Look-Ahead eine optimierte Bahngeschwindigkeit erreicht.
Diese Architektur ist besonders für Anwendungen geeignet, wo zum einen Bahntreue gewünscht ist, zum anderen aber auch einfache
Punkt-zu-Punkt-Bewegungen notwendig sind.
So können mehrere Bearbeitungsschritte von
einem Manipulator ausgeführt werden. Der
Roboter holt ein Werkstück aus der Ablage.
Danach führt er die notwendige Bewegung
für den Bearbeitungsvorgang durch und legt
das fertige Werkstück zum Schluss an den gewünschten Platz ab.
Die Soft-CNC unterstützt Transformationsfunktionen für 6-Achs-Knickarmroboter und
SCARA-Systeme. Die Programmierung kann
wie gewohnt über CNC-Programme erfolgen,
wobei nun aber sechs Achsen eine besondere
Bedeutung für die Beschreibung der Raumlage erhalten. X, Y und Z definieren die Raumlage und A, B und C die Orientierung, z. B. als
Eulerwinkel. Auch die Verwendung anderer
Programmiersprachen für Roboterbewegungen ist zukünftig möglich.
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