Flexible Endkontrolle in der Klemmen-Fertigung
Planarsystem steigert Kapazität und Durchsatz
Um die Prüfkapazität und den Durchsatz deutlich zu steigern - trotz der vielen Klemmenvarianten - hat Beckhoff die Endkontrolle seiner I/O-Komponenten komplett neu gestaltet. Die vom eigenen Betriebsmittelbau realisierte Anlage kann nun pro Schicht rund 10.000 Klemmen vollautomatisch programmieren, abgleichen und testen. Verantwortlich für die hohe Geschwindigkeit und die Flexibilität sind neben dem ausgeklügelten Anlagenkonzept das intelligente Transportsystem XPlanar, PC-based Control sowie die breite Palette an Ethercat-Klemmen.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGDie Herausforderung war, dass das Programmieren und der anschließende Funktionstest je nach Klemmenvariante - mit/ohne FPGA, einem Controller oder mit analogen Kanälen - unterschiedlich lang dauert. "Das können durchaus auch mal 30 Sekunden sein, bis eine Firmware aufgespielt ist und alle Analogkanäle abgeglichen sind", erklärt Stefan Engelke, der mit seinem Team die Testschränke entwickelt und programmiert hat.
Die Lösung des Zeitproblems liegt in der Parallelisierung sowie Trennung von Aufspielen der Firmware einerseits und den Funktionstests andererseits. An sich keine bahnbrechende Idee, sehr wohl aber die konsequente Nutzung der Freiheitsgrade von XPlanar für die gesamte interne Logistik und Zuführung der Klemmen zu den Arbeitsstationen. Durch die freie 2D-Bewegung der Produkte ist es unerheblich, ob eine einzelne Busklemme 10s oder 1min in einem Tester braucht. Die übrigen Mover fahren einfach an den belegten Stationen vorbei zur nächsten freien Station. Der Gesamtausstoß der Anlage bleibt daher von einzelnen Verzögerungen unberührt.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGEinfaches, flexibles und transparentes Handling
Die Anlage hat zwei Hauptstraßen, quasi Autobahnen, die links und rechts zu den Programmier- und Teststationen führen. "Der Ablauf ist denkbar einfach", erläutert Michael Golz, Abteilungsleiter Demo-Systems, "der Bediener muss nichts einstellen, nur einen Stapel Trays mit Klemmen an der Zuführstation auflegen und einen Taster drücken." Danach läuft der Stapel in die Pickstation ein, wo ein Deltaroboter die Module aus den Trays greift und einzeln auf die bereitstehenden XPlanar-Mover legt. Die Stationen befinden sich an Ausfahrten bzw. Parkbuchten seitlich an den beiden Fahrbahnen. Dazwischen befindet sich eine dritte Straße, auf der alle Mover zurück zum Picker fahren. Dieser symmetrische Aufbau hat den Vorteil, dass selbst bei Ausfall einer kompletten Anlagenhälfte die andere Seite weiterarbeiten kann.
Die Mover bringen die Klemmen unter einer Lesestation hindurch zu den längsseits angeordneten Programmierstationen. Die Lesestation erfasst über mehrere Kameras und Beckhoff Vision den individuellen Beckhoff Identification Code (BIC) jeder Klemme. "Danach kennt die Anlage den Klemmentyp und erledigt alles komplett eigenständig - Programmierung, ggf. Abgleich der analogen Kanäle und Funktionstest", ergänzt Ulrich Brockhaus, verantwortlich für die Anlagenprogrammierung. Gleichzeitig wird der BIC mit dem Mover über dessen ID verheiratet. So lässt sich über die Mover-ID auch nach einem Energieausfall nachvollziehen, wo sich jeder einzelne Mover bzw. jede Klemme befindet. Wenn der Mover eine freie Programmierstation erreicht hat, positioniert er die Klemme exakt unter deren Kontaktnadeln. Danach wird abhängig vom BIC die entsprechende Firmware auf die Klemme geladen.
Anschließend geht es zu einer der universellen Teststationen weiter, die wiederum anhand des BIC die gerätespezifische Testsequenz aufruft. Ist die Software korrekt geladen und der Funktionstest einwandfrei, transportiert der Mover die Klemme über die mittlere Spur zum zweiten Deltaroboter der Pickstation, der die Klemme auf ein weiteres Tray ablegt. Dabei durchfährt der Mover die Lesestation ein zweites Mal, nur dieses Mal in umgekehrter Richtung. "Über das erneute Erfassen des BIC auf der Rückspur wird die Klemme ausgebucht und das Aufspielen der Firmware und die Funktionsprüfung jeder einzelnen Klemme in der zentralen Datenbank dokumentiert, bei Analogklemmen einschließlich aller Abgleichwerte", präzisiert Engelke.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGAlle Freiheitsgrade genutzt
Grundlage für diesen flexiblen und dennoch schnellen Ablauf bildet ein XPlanar-System aus 100 Kacheln. "Die beiden Hauptstraßen mit zwei Hinstrecken und der dazwischenliegenden Rückspur haben wir aus sechs Xplanar-Basis-Sets mit jeweils 3 x 4 Kacheln aufgebaut", so Michael Golz. Für die Anbauten (Programmierer und Tester) sind die restlichen 28 Kacheln seitlich an das Grundsystem angeschraubt. Jeder Anbauplatz hat ein standardisiertes Interface mit Spannungsversorgung (400V AC), Safety, Ethernet (LAN) sowie Ethercat. "Das Interface und das Anlagenlayout ermöglichen künftige Erweiterungen ohne große Umbaumaßnahmen", betont Daniel Golz, der für die mechanische Konstruktion der Anlage sowie die speziellen Details der Klemmen-Kontaktierung zuständig ist.
XPlanar ermöglicht aber nicht nur die Modularität der Maschine, sondern verringert auch in vielen Bereichen die mechanische Komplexität. Beispielsweise wird bei den Programmierstationen die XY-Feinpositionierung des Transportsystems genutzt. Daher können die Programmierer unmittelbar nach Erreichen der exakten Position ihre Nadeln auf die Klemmenkontakte absenken und mit dem Aufspielen der Firmware beginnen.
Ein anderes Feature reduziert den konstruktiven Aufwand bei den Teststationen: die variable Flughöhe. An der Prüfstation angekommen, wird der Mover zuerst angehoben, damit der Einschub der Prüfstation unter die Klemme fahren kann. Danach senkt der Mover seine Flughöhe wieder ab, die Klemme liegt dann auf dem Einschub und wird in den Tester eingezogen. Dadurch sind sämtliche Kontakte frei zugänglich und kontaktierbar. Nach dem Test wird die Klemme dann wieder in umgekehrter Reihenfolge auf dem Mover abgelegt. Die Möglichkeit, die Mover rotieren zu lassen, kommt wiederum beim Ein- und Ausfahren zum Tragen, wo sie abhängig von der benutzten Anlagenseite um 180° gedreht werden. "Auch diese Funktion hat den mechanischen Aufwand erheblich reduziert und die platzsparende Anordnung von Tester und Programmierer auf beiden Seiten erst ermöglicht", stellt D. Golz heraus.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGFunktionen unter der Lupe
Die Teststationen kontrollieren nicht nur die elektrischen Eigenschaften und Funktionen einer Klemme. "Bei Klemmen mit analogen Signalen kommen noch die entsprechenden Testsequenzen und Kalibrierungen dazu", so Engelke. Ein integriertes Vision-System kontrolliert die Anwesenheit sowie die korrekte Position des Prismas und misst die Farben sowie die Intensität der LED.
Dass auf der Anlage die unterschiedlichen Ethercat-Klemmen mit ihren vielfältigen Funktionen und Messbereichen vollautomatisch getestet werden können, liegt am Universal-Testschrank. Dessen komplette Mess- und Prüftechnik basiert auf Beckhoff-Technik, mit Schwerpunkt auf den präzisen Messtechnikklemmen der ELM-Serie. Über einen Steckverbinder mit der Anlage gekoppelt, lassen sich die fahrbaren Testschränke schnell und ohne Stillstand der kompletten Anlage austauschen. Das ist regelmäßig notwendig, da die ELM-Klemmen als Messmittel zyklisch rekalibriert und zertifiziert werden müssen.
Die Stärken von PC-based Control zeigen sich auch bei der übergreifenden Koordination und Auswertung: Erkennt ein Tester eine Unstimmigkeit an einer Klemme, wird das zum einen über den BIC registriert, andererseits schickt der Tester die Klemme zur erneuten Konfiguration zurück zu den Programmier-Stationen. Häufen sich die Fehlermeldungen an einem Programmierer oder Tester, deutet das auf eine Störung hin. "In diesem Fall wird der Tester dem System als nicht verfügbar gemeldet und diese Position wird von den Movern so lange nicht mehr angefahren, bis der Tester überprüft und ggf. gewechselt wurde", so Brockhaus. Die Anlage läuft dann zwar kurzzeitig mit einer Station weniger, aber sie läuft und das nicht wesentlich langsamer. "Bei uns verlässt keine I/O-Klemme die Anlage, die beim Kunden irgendwelche Probleme verursachen könnte", ergänzt M. Golz.
Umfangreiche Palette im Einsatz
Die Anlage ist ein Paradebeispiel dafür, wie mit PC-based Control die unterschiedlichsten Aufgaben und Funktionen umgesetzt werden können. Neben einem Schaltschrank-Industrie-Server C6670, der die 33 Mover auf den 100 Kacheln koordiniert, steuern insgesamt zehn Ultra-Kompakt-IPCs C6032 die anderen Anlagenteile. Die Deltaroboter sind mit dem Multiachs-Servosystem AX8000 und Servomotoren AM8000 automatisiert. "Für das Ein- und Ausschleusen der Trays nutzen wir die integrierten Servoantriebe AMI8100, weil diese kompakt bauen und für den Betrieb nur Ethercat und 48V Spannung benötigen", so Brockhaus. Bei den Programmierern kommen Linearaktoren AA1000 zum Einsatz, um die Klemmen zu kontaktieren; bei den Testern zusätzlich Elektrozylinder AA3000 für den Einzug der Klemmenträger. Die Sicherheitstechnik ist komplett mit Twinsafe realisiert. Die Data-Matrix-Codes erfasst Twincat Vision. In den vier Prüfschränken sind jeweils rund 40 Ethercat-Messtechnikklemmen der ELM-Serie verbaut. Hinzu kommt eine breite Palette an Ethercat-Klemmen der EL-Reihe. M. Golz: "PC-based Control hat uns bei dem Projekt vieles erleichtert und lässt uns die Option für weitere Ausbaustufen."
Um die Prüfkapazität und den Durchsatz deutlich zu steigern - trotz der vielen Klemmenvarianten - hat Beckhoff die Endkontrolle seiner I/O-Komponenten komplett neu gestaltet. Die vom eigenen Betriebsmittelbau realisierte Anlage kann nun pro Schicht rund 10.000 Klemmen vollautomatisch programmieren, abgleichen und testen. Verantwortlich für die hohe Geschwindigkeit und die Flexibilität sind neben dem ausgeklügelten Anlagenkonzept das intelligente Transportsystem XPlanar, PC-based Control sowie die breite Palette an Ethercat-Klemmen.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGDie Herausforderung war, dass das Programmieren und der anschließende Funktionstest je nach Klemmenvariante - mit/ohne FPGA, einem Controller oder mit analogen Kanälen - unterschiedlich lang dauert. "Das können durchaus auch mal 30 Sekunden sein, bis eine Firmware aufgespielt ist und alle Analogkanäle abgeglichen sind", erklärt Stefan Engelke, der mit seinem Team die Testschränke entwickelt und programmiert hat.
Die Lösung des Zeitproblems liegt in der Parallelisierung sowie Trennung von Aufspielen der Firmware einerseits und den Funktionstests andererseits. An sich keine bahnbrechende Idee, sehr wohl aber die konsequente Nutzung der Freiheitsgrade von XPlanar für die gesamte interne Logistik und Zuführung der Klemmen zu den Arbeitsstationen. Durch die freie 2D-Bewegung der Produkte ist es unerheblich, ob eine einzelne Busklemme 10s oder 1min in einem Tester braucht. Die übrigen Mover fahren einfach an den belegten Stationen vorbei zur nächsten freien Station. Der Gesamtausstoß der Anlage bleibt daher von einzelnen Verzögerungen unberührt.
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 10 (Oktober) 2023 - 29.09.23.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
