CNC-Bearbeitungszentrum für die Fenster- und Türfertigung mit PC-based Control und EtherCAT
Ingenieure halten ihre besten Ideen oft in einer Skizze fest. Als Joseph Machine Company 1986 die erste Broschüre druckte, enthielt sie eine Zeichnung mit einem ehrgeizigen Konzept: ein Bearbeitungszentrum für Fenster- und Türprofile, das sich an neue Produktionsanforderungen anpassen kann, ohne die Maschine von Grund auf neu zu bauen. Schließlich konnte der OEM aus Pennsylvania seine 40 Jahre alte Vision mit der PC- und EtherCAT-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff verwirklichen.
Das Kerngeschäft von Joseph Machine ist einfach in der Beschreibung, aber komplex in der Ausführung. „Unsere ,Start to Finish'-Lösungen können jeden Aspekt abdecken – von der Herstellung, dem Schneiden, Stanzen, Schweißen, Verglasen, Einsetzen von Beschlägen und Reinigen bis zur kosteneffizienten Montage von Fenster- und Türrahmen aus PVC, Fiberglas oder Aluminium in weniger als 60 s“, sagt Tom Vajdic, Vice President of Sales bei Joseph Machine.
Trotz der hohen Geschwindigkeit bei der Ausführung müssen die Maschinen präzise sein und den flexiblen Wechsel von Materialien, Produkttypen und Prozessabläufen ermöglichen. „Jahrzehntelang wurden die Maschinen für ein Produkt konfiguriert, von dem die Endanwender wussten, dass sie es über die nächsten Jahre hinweg herstellen würden“, fügt Anthony Pigliacampo hinzu, Inhaber und CEO von Joseph Machine. „Das ist heute nicht mehr der Fall. Die Endanwender brauchen hochflexible Maschinen, die sich schnell umrüsten und umprogrammieren lassen, wenn neue Produkte gefragt sind.“
Limitierender Faktor: konventionelle Automatisierung
Joseph Machine stellte fest, dass ein limitierender Faktor für die gewünschte Flexibilität oft die Automatisierungstechnik war. Traditionelle Motion-Control-Systeme zwangen die Ingenieure zum Bau komplexer, starrer mechanischer Lösungen und machten koordinierte Mehrachsbewegungen schwierig, langsam oder unzuverlässig.
Für die Auswahl einer neuen Steuerungsplattform legte das Entwicklerteam deswegen strenge Kriterien fest: Sie musste hochleistungsfähige, präzise koordinierte Bewegungssteuerung für potenziell Hunderte von Achsen bieten; eine einzige Softwareentwicklungsumgebung für die gesamte Steuerungstechnik unterstützen; die Inbetriebnahme, Verdrahtung und Wartung vereinfachen und offen genug sein, um Sensoren und Geräte von Drittanbietern zu integrieren. Nach einer Evaluierung im Jahr 2022 entschied sich Joseph Machine für eine Lösung. „Wir haben viele Hersteller bewertet und Beckhoff erfüllte alle Kriterien“, sagt Tom Vajdic. Nach dem Bau eines internen Teststands zur Konzepterprobung entstand im dritten Quartal 2024 das 32-achsige Fertigungszentrum jFlex SFMC mit vier unabhängigen CNCs und zwei Pushern.
Neues flexibles Steuerungspaket
Die neuen Maschinen von Joseph Machine, wie z. B. die jFlex und der jFlow PVC Schweißer/Reiniger, nutzen nun PC-based Control und EtherCAT von Beckhoff für alle Bereiche der Automatisierung und Bewegungssteuerung. Bei einfacheren Maschinen mit weniger Achsen setzt das Unternehmen Embedded-PCs CX7000 mit einem Prozessor Arm® Cortex®-M7 und integrierten I/Os ein. Bei Highend-Anwendungen bieten die lüfterlosen Beckhoff Ultra-Kompakt-Industrie-PCs C6025 mit Prozessoren bis Intel® Core™ i7 (vier Kerne) die notwendige Rechenleistung, um komplexe, mehrachsige Bewegungen auf Bearbeitungszentren auszuführen.
Es gibt keinen Kommunikationsengpass bei der Steuerung, da EtherCAT deterministische Hochgeschwindigkeitskommunikation und -synchronisation über Dutzende von Achsen und verteilte I/Os ermöglicht. Die Offenheit von Beckhoff für mehrere Protokolle und die breite Unterstützung von EtherCAT in der Industrie waren weitere Schlüsselfaktoren.
Joseph Machine fand zusätzliche Vorteile in der Schutzart IP67 der maschinenmontierbaren EtherCAT-Box-Module. Zudem reduziert EtherCAT P als Einkabellösung den Verdrahtungsaufwand. „Durch den Umstieg auf EtherCAT P konnten wir unsere Verkabelung um etwa 50 % reduzieren und die aufwendige Feldverdrahtung eliminieren“, sagt Albert Arustamyan, Leiter Steuerungstechnik bei Joseph Machine.
Da die Motion-Control-Aspekte der neuen Maschinen aufgabenkritisch waren, entschied sich Joseph Machine für Beckhoff Antriebstechnik wie die Servoverstärker AX8000 und die Servomotoren AM8000 mit One Cable Technology (OCT) und Beckhoff Getrieben der AG-Serien. Durch das Schnellverbindungssystem AX-Bridge zum schnellen Durchkontaktieren der Zwischenkreise konnte der OEM den Verdrahtungsaufwand und die Anzahl der benötigten Sicherungen im Vergleich zum vorherigen Antriebssystem deutlich reduzieren. Darüber hinaus konnte Joseph Machine dank der energiesparenden Elektrozylinder AA30x3 energieintensive hydraulische und pneumatische Lösungen ersetzen, vor allem traditionell hydraulisch ausgeführte Stanzprozesse.
Joseph Machine begann auch mit dem Einsatz dezentraler Motion-Control-Technologie in Form der kompakten integrierten Servoantriebe AMI8100. Diese kombinieren Servomotor, Servoverstärker und Feldbusanschluss. Die für den Kleinspannungsbereich bis 48 V DC und Leistungen bis 400 W geeigneten Antriebe können direkt an der Maschine platziert werden.
Neben der Hardware sorgt die Automatisierungssoftware TwinCAT 3 für weitere Effizienzsteigerungen im Engineering. Da viele der Maschinen Dutzende von Achsen zur Bewegungssteuerung benötigen, wird TwinCAT 3 NC PTP für die Entwicklung der vielen NC-Achsen pro Maschine eingesetzt. Die Softwareingenieure setzen auf die Programmierung mit Structured Text, TwinCAT-Motion-Bibliotheken, Kinematik und Kurvenscheiben. Die Tools des TwinCAT Motion Designer ermöglichen es dem gesamten Softwareteam, Antriebe, Motoren und andere Komponenten zu spezifizieren und zu konfigurieren, ohne immer einen Motion-Spezialisten involvieren zu müssen.
Die Möglichkeit, modulare, wiederverwendbare Codeblöcke zu schreiben und CNC-Pfade mit Variablen anzuwenden, anstatt den Code an Hunderten von Stellen neu zu erstellen, hat die Herangehensweise des Unternehmens an die Maschinenentwicklung verändert. „Jetzt können wir koordinierte, interpolierte Bewegungen gleichmäßig und präzise ausführen, und wenn wir einen Radius oder einen Startpunkt ändern müssen, editieren wir das einmal im G-Code, und es wirkt sich auf jedes Fertigungsverfahren aus, das die Maschine ausführt“, sagt Albert Arustamyan. „Durch die Wiederverwendbarkeit des TwinCAT-Codes von Maschine zu Maschine können wir uns auf die Softwareentwicklung konzentrieren und mehr interessante Funktionserweiterungen einführen.“
Die offensichtlichste Leistungsverbesserung liegt in der Bewegungssteuerung: Joseph kann nun sich überschneidende Prozessschritte und Werkzeugaktionen simultan ausführen, die zuvor seriell ablaufen mussten. So unterstützt die Plattform Konzepte wie „gekoppelte Werkzeuge“, bei denen mehrere Werkzeuge gleichzeitig auf eine Maßposition treffen, und mehrspurige Operationen, bei denen mehrere Teile parallel bearbeitet werden – dies ermöglicht beeindruckende Durchsatzsteigerungen ohne Einbußen bei der Produktqualität.
Die Vision von vor 40 Jahren verwirklicht
Mit jFlex SFMC und jFlow hat Joseph Machine ein lang gehegtes Ziel vom Papier in die Fabrikhalle gebracht. Die Maschinen bieten Fenster- und Türenherstellern eine zuverlässige, wiederverwendbare und anpassungsfähige Ausrüstung für die Produktion mit hohem Durchsatz. „Die koordinierte Hochgeschwindigkeitsbewegung von Beckhoff ist entscheidend für die erfolgreiche Einführung leistungsstarker neuer Maschinen“, sagt Albert Arustamyan.
Die Vereinfachung bei der Inbetriebnahme und der dezentrale Ansatz mit IP67-Komponenten haben sich positiv ausgewirkt. Arbeitsaufwand, Inbetriebnahmezeit und Schaltschrankgröße wurden reduziert. „Durch die Minimierung des Kabel-, Klemmen- und Platzbedarfs mithilfe maschinenmontierbarer EtherCAT-Box-Module und Antriebstechnik konnten wir die Schaltschränke um schätzungsweise 15 bis 20 % verkleinern“, sagt Albert Arustamyan.
Anthony Pigliacampo fasst zusammen: „Wir sind sehr froh, dass wir diesen Weg gewählt haben. Die Zusammenarbeit mit Beckhoff erleben wir als echte Partnerschaft und Erweiterung unseres Teams. Unsere Maschinen sind nun mit den richtigen Bausteinen für die Zukunft der flexiblen Bearbeitung ausgestattet – und das ist letztlich ein entscheidender Vorteil für unsere Kunden.“
