Square One Systems Design nutzt PC-based Control und EtherCAT zur Unterstützung von Experimenten am Röntgenlaser des SLAC National Accelerator Laboratory mit Robotern
Am SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Kalifornien, beschleunigt das hochmoderne Robotersystem von Square One Systems Design und Beckhoff die Durchführung von Experimenten der Hochenergiephysik. Durch einen effizienteren Betrieb vergrößert das Tri-Sphere Robotic Positioning System die Ausnutzung der „Strahlzeit“. Das maximiert den Zugang der Forscher zum derzeit leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt und verbessert die Forschungsergebnisse.
Tri-Sphere von Square One ist ein hochmoderner Parallelroboter, dessen Aufbau auf die strengen Anforderungen der Forschung in der Hochenergiephysik zugeschnitten ist. Wie die drehbar gelagerten industriellen Gelenkarm-Roboter bietet Tri-Sphere sechs Freiheitsgrade in der Bewegung. Im Gegensatz zu klassischen Robotern bietet dieser jedoch eine enorme Nutzlastkapazität, höchste Präzision und ein kompaktes Design, das enge Räume hervorragend ausnutzt. Tri-Sphere entspricht außerdem dem unter Physikern weit verbreiteten Standard EPICS (Experimental Physics Integrated Control System). EPICS bietet Forschern und Technikern eine standardisierte Steuerungssystemarchitektur und ein Software-Toolkit für die Verbindung zu und die Steuerung von Highend-Geräten. Dies verbessert die Leistung bei der Prozessverfolgung und optimiert die Analyse der während der Experimente erfassten Metadaten.
Der Einsatz von Tri-Sphere-Robotern am SLAC ist Teil einer größeren Modernisierung der Linac Coherent Light Source (LCLS), des derzeit weltweit leistungsstärksten Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers, (auch XFEL für X-Ray Free-Electron Laser genannt). Das jüngste Upgrade (LCLS-II) steigerte die Leistung des Systems von 120 auf 1 Mio. Pulse pro Sekunde, und die geplante nächste Ausbaustufe (LCLS-II-HE) wird die Röntgenenergie weiter erhöhen. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten für fortschrittliche Forschungsprojekte, die für Wissenschaftler bisher als nicht durchführbar galten, z. B. die Entwicklung neuer Generationen von Solarenergietechnologien, Supraleitern, Arzneimitteln.
Grenzen der physikalischen Grundlagenforschung erweitern
Der Roboter ermöglicht mit einzigartigen Features die schnelle Folge des Auf- und Abbaus von komplexen Forschungsaufbauten und den Einsatz in den anspruchsvollen Umgebungen, die für Einrichtungen wie das LCLS typisch sind. Mit seiner kompakten Geometrie findet der Roboter auch in den engsten Testkammern Platz. Dies sind die zentralen Bestandteile der Forschungseinrichtungen bzw. die Vorrichtungen, die verwendet werden, um Testproben mit Röntgenstrahlen zu durchleuchten. Das hochpräzise Positioniersystem des Roboters sorgt dafür, dass die Forschungsgeräte präzise in Strahlen mit einem Durchmesser von nur 100 nm bewegt werden können.
Tri-Sphere ist nicht nur präzise, sondern auch sehr stabil – er unterstützt die schnelle Bewegung und Neupositionierung schwerer Objekte mit der Genauigkeit, die für die Durchführung bahnbrechender Experimente erforderlich ist. „Der Roboter wurde speziell für schwere Nutzlasten entwickelt und kann bis zu 12.000 Pfund (ca. 5.440 kg) handhaben – was für die Positionierung schwerer Objekte in nationalen Instituten wie SLAC unerlässlich ist“, erklärt Bob Viola, Director of Engineering bei Square One Systems Design. „Diese Leistungsfähigkeit übertrifft die von herkömmlichen Industrierobotern bei Weitem.“
Die Maximierung der Strahlzeit ist entscheidend, um so viele Experimente wie möglich durchführen zu können. „Nationale Labore wie SLAC sind buchstäblich unbezahlbare nationale Ressourcen, und jede Sekunde Strahlzeit zählt“, betont Bob Viola. „Die Fähigkeit zur schnellen Umrüstung, ohne die Präzision oder Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen, ist daher ein Game Changer.“
Jace Walsh, Chief Controls Engineer bei Square One, erklärt weiter: „Der asymmetrische Arbeitsbereich des Tri-Sphere und der per Software einstellbare Rotationspunkt bieten eine unübertroffene Vielseitigkeit und Präzision, sodass er sich an ein breites Spektrum von Experimenten anpassen lässt. Diese Flexibilität ist entscheidend für Experimente, bei denen die Möglichkeit, Versuchsaufbauten schnell und präzise neu zu positionieren, die Forschungsergebnisse erheblich beeinflussen kann.“
Das Tri-Sphere-Upgrade integriert Automatisierungs- und Steuerungstechnik von Beckhoff für mehrere Experimentierkammern und ermöglicht es dem SLAC, hochpräzise Experimente mit minimalen Wartezeiten durchzuführen. Die Mitarbeiter können mit der benutzerfreundlichen Software des Tri-Sphere einen neuen Fokus für den Strahl einrichten, neue Konfigurationseinstellungen auswählen und neue Höhen- oder Rotationsparameter eingeben.
Die Roboter des SLAC sind auf luftgelagerten Rollen montiert. Dadurch können sie schnell in die verschiedenen Kabinen hinein- und wieder herausbewegt werden. Ein weiterer großer Vorteil des Tri-Sphere ist die präzise Handhabung empfindlicher Proben. „Ein Vakuumtransfersystem stellt sicher, dass der Roboter eine Vielzahl von Behältertypen ohne Beschädigung handeln kann, einschließlich empfindlicher Produkte mit Soft-Touch-Oberflächen“, sagt Bob Viola. „Das ist wichtig für Experimente mit hochempfindlichen Probenmaterialien.“
Zukunftsautomatisierung für Forschung und Entwicklung
Entscheidend für den Erfolg des Positioniersystems war die Integration der PC- und EtherCAT-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff. Tri-Sphere nutzt derzeit Beckhoff Embedded-PCs CX2033 zur Steuerung, die mit Echtzeit-EtherCAT-Kommunikation und hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten alle Automatisierungs- und Steuerungsaufgaben nahtlos abwickeln. Auf dem CX2033 läuft die Software TwinCAT NC PTP zur Bewegungssteuerung.
Mit der automatischen Adressierung der hochmodularen Geräte, zahlreichen Verdrahtungstopologien und hohen Teilnehmerzahlen ermöglicht EtherCAT eine robuste und skalierbare Netzwerkinfrastruktur. Darüber hinaus passen die kleinformatigen EtherCAT-Klemmen leicht in die kompakten, über den Tri-Sphere-Roboter verteilten Gehäuse. EtherCAT-Klemmen übernehmen nicht nur die Datenerfassung, sondern integrieren auch kompakte Antriebstechnik von Beckhoff mit den Schrittmotorklemmen EL7041 und EL7047 sowie den 2-Kanal-Interface-Klemmen EL5042 für den Anschluss von Encodern mit BiSS®-C- oder SSI-Schnittstelle.
Die TwinSAFE-Klemmen von Beckhoff und die Technologie Safety over EtherCAT (FSoE) bieten eine robuste Funktionalität für Maschinensicherheit, die sich nahtlos in das SLAC-System für Personen- und Geräteschutz integriert, um den Sicherheitsstatus zu überwachen, wenn sich Personen in einer Testkabine aufhalten und im Bedarfsfall Not-Halt-Schaltungen auszulösen. „Indem TwinSAFE diese einzigartigen Sicherheitsanforderungen unterstützt, ist jederzeit ein sicherer Zugang zu den Testkammern sowie eine zuverlässige Steuerung der leistungsstarken Positionierer möglich“, betont Bob Viola.
Tri-Sphere ist auch mit den für Kalifornien typischen seismischen Verankerungsanforderungen kompatibel. Dadurch wird sichergestellt, dass die Systeme seismischen Aktivitäten standhalten und dabei ihre präzise Positionierung beibehalten können.
Vielversprechende Zukunft für führende Forschungsprojekte
„Wenn das SLAC einen experimentellen Arbeitsaufbau auf Tri-Sphere außerhalb der Testkabine vorbereiten kann, ohne die Strahllinie abschalten zu müssen, beschleunigt das den Prozess“, sagt Bob Viola. „Das System hat die Zeit für den Umbau von SLAC-Experimenten von zwei Tagen auf nur zwölf Stunden reduziert.“
Mathew Garcia, Business Development Leader bei Beckhoff USA, schließt sich dieser Meinung an. „Das Tri-Sphere-Projekt ist ein Ergebnis der engen Zusammenarbeit zwischen Square One und Beckhoff. Es ist spannend zu sehen, wie unsere Technologie dazu beiträgt, die Forschungsergebnisse und die Effizienz am SLAC und an anderen Einrichtungen zu verbessern.“ Wie der erfolgreiche Einsatz am SLAC zeigt, hilft Tri-Sphere bei der Bewältigung großer Herausforderungen in vielen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung. Das System hat sich als flexibel und leistungsfähig bei der Anpassung an eine Vielzahl schwieriger Testräume erwiesen. Inzwischen wird es auch in anderen weltbekannten Instituten eingesetzt, um die potenziell nächste große Entdeckung zu ermöglichen.
