Zerstörungsfreie Prüftechnik in der Luft- und Raumfahrtindustrie
Automatisierung steigert Prüfgeschwindigkeit um Faktor 10
Als Innerspec mit der Entwicklung eines zerstörungsfreien Prüfsystems beauftragt wurde, entschied sich das Unternehmen für Automatisierungstechnik von Beckhoff. Die robotergestützte Lösung ermöglicht die Prüfung unterschiedlicher Teilegeometrien bei einem stark erhöhten Durchsatz.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGDie Entwicklung zerstörungsfreier Prüfsysteme (NDT) für Kunden aus der Luft- und Raumfahrt wird dadurch erschwert, dass die zu prüfenden Teile oft der Geheimhaltung unterliegen oder sich ihr Design schnell ändert. "Die Art der Prüfung wird von der Teilegeometrie, der Materialzusammensetzung und den Prüfkriterien bestimmt", sagt Cory Grant, Leiter Systems Engineering bei Innerspec. "In der Regel erhalten wir eine kleine Anzahl von Mustern für die Abnahmeprüfung, müssen die Maschinen aber für eine immens große, uns nicht genau bekannte Vielfalt von Teilen planen. Also decken wir die unbekannten Parameter ab, indem wir das System so universell wie möglich auslegen."
Test aufgabenkritischer Komponenten
Das entwickelte Twin Robotic System beinhaltet insgesamt 18 koordinierte Bewegungsachsen, zwei schienenmontierte Roboter, einen Drehtisch für Wirbelstromprüfungen, einen Linearrotator und einen ca. 19.000l fassenden Tank für Ultraschallprüfungen mit einem untergetauchten Drehtisch, der Bauteile mit einem Gewicht von bis zu 1.360kg handhaben kann. Bei diesem System müssen die Steuerungskomponenten in der Lage sein, Prüfdaten nahtlos mit einem Industrieserver und zwei Fremd-PCs auszutauschen: Einer dient der Erfassung und sicheren Speicherung von Daten, der andere der manuellen Analyse.
Software erleichtert die Entwicklung
Der Schlüssel zur verbesserten Funktionalität und Flexibilität des zerstörungsfreien Prüfsystems war laut den Innerspec-Experten die Software Twincat. Neben der Bündelung von SPS und Motion Control biete diese eine durchgängige Entwicklungs- und Laufzeitumgebung für alle Aspekte der Automatisierung. Twincat ist in Microsoft Visual Studio integriert und ermöglicht es Ingenieuren, in den Sprachen zu programmieren, die am besten zur Anwendung passen. Dazu gehören IEC61131-3-Sprachen mit objektorientierten Erweiterungen, vor- oder benutzerdefinierte Funktionsblöcke und Informatikstandards von C# und C++ bis hin zu Python. So wurde die Bedienoberfläche für die Maschine mit Twincat HMI entwickelt, das die mUX-Erstellung mit Webdesign-Standards wie HTML5 und JavaScript unterstützt.
Das System von Innerspec profitierte auch vom Twincat XML Server. Diese Funktion bietet eine SPS-Bibliothek, die den Schreib-/Lesezugriff auf XML-Daten ermöglicht, die in der SPS als Variable hinterlegt sind. "So kann ich alle Konfigurationseinstellungen in die XML-Datei einfügen. Egal, ob der Kunde das System für ein neues Teil einrichtet oder eine Wartung durchführt, der Twincat XML Server erhöht die Erweiterbarkeit, Transparenz und Kontrolle", erklärt Grant.
Zentrale Steuerung des Prüfzentrums
Der Embedded-PC CX5130 dient als Maschinensteuerung für das gesamte System. Über direkt angereihte Ethercat-Klemmen erfasst der PC die Daten der verschiedenen Sensoren am End-of-Arm-Tooling und sendet sie über die OPC-UA- und MQTT-Schnittstelle in Twincat IoT an die Server- und Analyse-PCs der Anlage. Mit schnellen Zykluszeiten koordiniert die Multicore-Maschinensteuerung die präzisen Bewegungen der vier mit Servomotoren AM8000 und Servoverstärkern AX5206 realisierten Achsen sowie derjenigen mit 16 Drittanbietermotoren und zwei Robotersteuerungen.
Das Ergebnis ist ein System, das die Unterwasser-Prüfung von Teilen mit einem Durchmesser von bis zu 250cm und einem Gewicht von mehr als einer Tonne ermöglicht. "Wenn sich der Drehtisch hebt und senkt, synchronisieren softwarebasierte Getriebefunktionen aus den Twincat-Bibliotheken die Motoren perfekt", sagt Grant. "Wenn sich der Drehtisch dem Boden des Tanks nähert, schaltet das Servosystem vom positionsbasierten Modus zu einem drehmomentbasierten um. Indem wir die Motoren auf ein bestimmtes Drehmoment einstellen, schieben wir den Rahmen in den Boden des Tanks und stoßen auf harte Keilanschläge, die ihn an Ort und Stelle fixieren. Auf diese Weise bleiben selbst riesige Teile stabil, wenn sie sich mit 30U/min drehen."
Zwei zweikanalige Servoverstärker AX5206 treiben die vier Motoren an. Mit Twinsafe integrieren sie auch funktionale Sicherheit direkt in die Antriebskomponenten. Durch die Kommunikation über Safety-over-Ethercat werden die antriebsrelevanten Sicherheitsfunktionen STO, SS1 und SS2 unterstützt. Die Echtzeitkommunikation ermöglicht die präzise Synchronisation der Bewegungsachsen. Darüber hinaus trug die Kombination von Energieversorgung und Kommunikation über die One Cable Technology dazu bei, den Zeit- und Kostenaufwand für die Verdrahtung des über 36m langen Systems zu reduzieren. Der Einsatz von Ethercat beseitigte auch jegliche Kommunikationsbarrieren mit den Robotern und ermöglicht den Wechsel verschiedener End-of-Arm-Werkzeuge.
Leistungsschub durch Integration
Innerspec konnte die technischen Anforderungen seines Großkunden aus der Luft- und Raumfahrt erfüllen. Das NDT-System Twin Robotic bietet ausreichend Flexibilität, um auch in Zukunft neue Teile oder Prozesse zu unterstützen. So kann Grant z.B. benutzerdefinierten C++-Code schreiben und ihn über eine Twincat-Funktion bereitstellen, anstatt die Basisfunktionalität der Robotersteuerungen zur Ansteuerung der Werkzeuge zu verwenden: "Mit dem Fast-Send-Treiber von Kuka kann man bis zu 1ms pro Update erreichen, aber mit unseren Software-Algorithmen, die im C++-Modul in Twincat implementiert sind, schaffen wir das in etwa 100µs. Wir können also Instrumente im Grunde zehnmal schneller auslösen als zuvor, was die Prüfgeschwindigkeit und -genauigkeit drastisch erhöht."
Als Innerspec mit der Entwicklung eines zerstörungsfreien Prüfsystems beauftragt wurde, entschied sich das Unternehmen für Automatisierungstechnik von Beckhoff. Die robotergestützte Lösung ermöglicht die Prüfung unterschiedlicher Teilegeometrien bei einem stark erhöhten Durchsatz.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGDie Entwicklung zerstörungsfreier Prüfsysteme (NDT) für Kunden aus der Luft- und Raumfahrt wird dadurch erschwert, dass die zu prüfenden Teile oft der Geheimhaltung unterliegen oder sich ihr Design schnell ändert. "Die Art der Prüfung wird von der Teilegeometrie, der Materialzusammensetzung und den Prüfkriterien bestimmt", sagt Cory Grant, Leiter Systems Engineering bei Innerspec. "In der Regel erhalten wir eine kleine Anzahl von Mustern für die Abnahmeprüfung, müssen die Maschinen aber für eine immens große, uns nicht genau bekannte Vielfalt von Teilen planen. Also decken wir die unbekannten Parameter ab, indem wir das System so universell wie möglich auslegen."
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in ROBOTIK UND PRODUKTION 2 (April) 2025 - 22.04.25.Für weitere Artikel besuchen Sie www.robotik-produktion.de
