XTS bei variabler Anlage zur Herstellung von mehrteiligen Kunststoffdübeln
Bei fast gleichem Footprint die Ausbringungsrate um über 30 % zu steigern, dazu braucht es ausgeklügelte Montageprozesse und Highend-Automatisierung. Bei einer neuen Anlage zur vollautomatischen Montage, Beschriftung und Verpackung von mehrteiligen Kunststoffdübeln setzt fischer Innomation deshalb auf die Performance und Präzision von XTS und Motion Control sowie auf die große Vielfalt an I/O-Komponenten von Beckhoff.
Als Ausgründung des Sondermaschinenbaus der fischer Group kann fischer Innomation in Horb am Neckar jahrzehntelange Expertise im Bau von Montage- und Produktionsanlagen vorweisen.
Entsprechend der Historie liegt der Schwerpunkt des Maschinenbauers auf vollautomatischen Montageanlagen für unterschiedlichste Kunststoffdübel sowie der Fertigung von Stahldübeln, die anschließend zusammengesetzt und verpackt werden. Der dritte Kompetenzbereich betrifft Montage- und Abfüllanlagen für Kartuschen, die z. B. mit Zweikomponentenkleber oder anderen chemischen Produkten befüllt werden. Generell sind Materialzuführung, Bedruckung und Verpackung bis hin zur Palettierung Bestandteil der Maschinenkonzepte.
„Grundsätzlich konzipieren wir alle Anlagen modular, um flexibel auf Kundenanforderungen reagieren zu können. Diese ändern sich teilweise bereits während der Konstruktion und Montage, aber immer spätestens nach einigen Jahren, wenn neue Produkte auf den Anlagen produziert werden sollen“, skizziert Alexander Schäfer, Leiter Steuerungstechnik, Software und Elektrokonstruktion bei fischer Innomation. „Und je größer die Bandbreite an Technologien und Funktionen ist, desto wichtiger ist eine skalierbare und flexible Automatisierungsplattform wie PC-based Control“, ergänzt Dieter Völkle, Vertrieb Beckhoff Balingen. Bei dem jüngsten Projekt, einer vollautomatischen Produktionsanlage für mehrteilige Kunststoffdübel, kommt das besonders zum Tragen. „Die Anlage stellt in Sachen Komplexität einen Meilenstein dar und optimiert den Prozess bisheriger Fertigungslinien“, betont Eckhard Bukenberger, Bereichsleiter bei fischer Innomation.
XTS eröffnet Optimierungspotenzial
Die Vorgaben für die neue Anlage waren ambitioniert: Bei ähnlichem Footprint sollten Flexibilität und Leistung deutlich höher sein: „Rund ein Drittel mehr Output im Vergleich zu den bestehenden Anlagen“, präzisiert Alexander Schäfer. Kein leichtes Unterfangen, bei rund 250 Dübelvarianten, die überwiegend auftragsbezogen produziert, verpackt und zum Versand vorbereitet werden. „Deshalb müssen bei einem Produktwechsel alle Einstellungen ohne manuelle Justagen vorzunehmen sein“, skizziert Eckhard Bukenberger eine weitere Kernforderung. Denn die Anforderungen des Marktes entwickeln sich stetig weiter und damit auch der Bedarf an mehrteiligen Kunststoffdübeln. Das führt zwangsläufig zu Anpassungen am Montageprozess. Mit XTS und den unterschiedlichen Softwaretools kann fischer Innomation die Anlage nun bei Bedarf umkonfigurieren. „Im Vergleich zu den bisherigen Montageautomaten mit deutlich reduzierten Rüstzeiten“, betont Alexander Schäfer.
Umgesetzt wurde das Montagekonzept mit PC-based Control auf einer rund 10 m langen XTS-Strecke mit 48 Movern, welche die einzelnen Prozessstationen zur Montage der mehrteiligen Kunststoffdübel verketten. In der ersten Station wird das Grundbauteil des mehrteiligen Dübels in die Halterung eines Movers eingelegt. Danach erfolgt dessen produktspezifische Beschriftung durch zwei CO2-Laser. Aufgrund der hohen Leistung werden die beiden Laser über Safety over EtherCAT (FSoE) gesteuert.
Optimierte Abläufe durch variable Mover-Gruppierung
Die Einhaltung der kurzen Taktzeit erfordert eine Verdoppelung der langsamen Laserstation, die bei der Anlage jetzt gleichzeitig mit je einem Produkt angefahren werden. Dies ist ein Keyfeature des XTS, dass Taktzeiten reduziert werden, indem man die langsamen Prozesse mehrfach hintereinander reiht und gleichzeitig bestückt. Die Vervielfältigung der Prozessstationen ist möglich, da jeder Mover individuell angesteuert werden kann und keinem festen Takt folgen muss. Jeder Mover repräsentiert in TwinCAT eine Achse und kann mithilfe der vielfältigen Funktionen individuell angesteuert werden. „Daher lassen sich die in die Mover eingelegten Komponenten beliebig gruppieren und positionieren – ohne dass die Mover mechanisch arretiert werden“, zeigt Dieter Völkle ein wichtiges Feature von XTS auf. Die TwinCAT NC regelt die Mover-Positionen auch im Stillstand aktiv und hält die Dübel auf Position.
Beide Features kommen bei den folgenden Prozessschritten zum Tragen. Hier werden die Mover zu 6er-Gruppen unter sechs parallele Stationen positioniert und über die Bestromung der Motormodule exakt fixiert. „Exakt heißt mit 0,1 mm Genauigkeit“, betont Eckhard Bukenberger. Auf dem Weg zur Entnahme- und Packstation werden die Dübel auf den Movern über eine Führungsschiene bei voller Fahrt um 90° geschwenkt. Dadurch kommen sie bereits mit der richtigen Orientierung an den Greifern an. Dieses Detail spart fischer Innomation eine zusätzliche Schwenkachse an den Greifern der SCARA-Roboter. Für die Entnahme und Ablage der Dübel sind wiederum 4er-Gruppen ideal.
Von der Simulation zum fertigen Programm
Bei Planung und Validierung des Anlagenkonzepts hat der Simulationsmodus des XTS sehr geholfen. Beispielsweise zeigte die Simulation, dass mit 48 Movern und sechs parallelen Einpressstationen die Durchsatzsteigerung am effektivsten zu realisieren ist. „Mit XTS alle Prozessschritte so flexibel aufbauen und verketten zu können, hat uns überzeugt“, so Eckhard Bukenberger. Das XTS wurde als vormontierte und getestete Funktionsbaugruppe inklusive Schaltschrank geliefert und in Horb in die Maschine integriert. „Wir mussten nur noch die mit dem Simulationstool erstellte Software einspielen und konnten quasi sofort losfahren“, erinnert sich Alexander Schäfer.
Die Roboter der Entnahme- und Verpackungseinheit erhalten über EtherCAT die Positionsdaten, die TwinCAT anhand der Setzmuster berechnet und koordiniert. „Wir lassen die Dübel nicht einfach in den Karton fallen, sondern geben sogar die Eintauchtiefe und den horizontalen Versatz für jede Lage vor“, erklärt Alexander Schäfer. Die Setzbilder sind Bestandteil der Stückliste eines Auftrags. Abgelegt in einer zentralen Datenbank der Produktionssteuerung kann der Maschinenführer die Daten über OPC UA und den TwinCAT Database Server abrufen.
Konsequent dezentral und modular
Entsprechend der Devise maximale Flexibilität, ist auch die Steuerungsarchitektur aufgebaut. „Über die vielfältigen Infrastrukturkomponenten für EtherCAT kann fischer Innomation das Netzwerk analog zu den Prozessstationen aufbauen und bei Bedarf erweitern“, betont Dieter Völkle. Jede Zuführeinheit hat einen eigenen Steuerschrank, die über Sternverteiler mit den Steuerungsrechnern, einem Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6032, verbunden sind. Der Palettierer ist z. B. über eine EtherCAT-Bridge-Klemme EL6695 angebunden. Die Sensoren und Aktoren der Prozessstationen sammelt fischer Innomation über EP- und EPP-Box-Modulen ein.
„Nach den positiven Erfahrungen favorisieren wir EtherCAT P als standardisiertes Verkabelungskonzept bei unseren Sondermaschinen“, so Alexander Schäfer. Steuerungsseitig ist die Ablösung der bestehenden Visualisierung durch TwinCAT HMI angedacht sowie die Integration weiterer Roboter-Varianten. Für zusätzlichen Platzgewinn im Schaltschrank wird die Umstellung der Antriebstechnik von Kompakt-Servoverstärkern AX5000 auf das Multiachs-Servosystem AX8000 sorgen. „Das bei diesem Projekt gesammelte Know-how können wir künftig bei externen Projekten nutzen und den Einsatz von XTS uneingeschränkt empfehlen“, schließt Eckhard Bukenberger.
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