1. Benutzerübersicht und Projektanforderungen Automade Assemblies (AAC) ist ein weltweit führender Entwickler und Hersteller von Spritzgießrobotern und Fertigungszellen. Die eingetragene Marke des Unternehmens ist Raptor. Viele der Roboterprodukte zählen zu den weltweit besten Industrierobotern. Um der weltweit steigenden Nachfrage nach schnelleren, intelligenteren und komfortableren Robotern gerecht zu werden, entwickelte AAC einen neuartigen Spritzgießroboter, der bisher nicht auf dem Markt erhältlich war. AAC plante, das Endprodukt innerhalb eines Jahres nach Projektbeginn des Raptor-Roboterprojekts der nächsten Generation zu liefern. Auf Empfehlung des Value-Added-Distributors Target Electronic Supply entschied sich AAC für die Bewegungssteuerungsplattform und die SynqNet-Bewegungsnetzwerktechnologie von MEI. Target war überzeugt, dass die Anwendung der MEI-Bewegungssteuerungsplattform und des SynqNet-Bewegungsnetzwerks beim Design des Raptor-Roboters nicht nur die technischen Spezifikationen von Raptor vollständig erfüllen, sondern auch die wichtigen Entwicklungspläne des Kunden für die Routineplattform unterstützen würde. 2. MEI SynqNet-Lösung Die im Raptor-Projekt eingesetzte MEI-Bewegungssteuerungsplattform und die SynqNet-Bewegungsnetzwerktechnologie stellen einen Technologiesprung von der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) zur Computersteuerung in industriellen Roboter-Bewegungssteuerungssystemen dar und definieren die nächste Generation digitaler Roboter-Bewegungsnetzwerke für die Industrie. Diese Anwendung findet zunehmend in industriellen Anwendungen verschiedenster Branchen Verwendung, nicht nur weil der Einsatz eines vollständig digital vernetzten Steuerungssystems schnellere, stabilere und intelligentere Roboter der nächsten Generation ermöglicht, sondern auch weil er die Entwicklungs-, Produktions-, Spritzguss- und Lieferzyklen verkürzt, die Effizienz durch Automatisierung steigert und letztendlich Kosten spart und so einen Mehrwert für die Kunden schafft. 2.1 Von der SPS-Steuerung zur Computersteuerung Wie viele andere Anwendungen nutzten auch die vorherigen Robotersteuerungssysteme von AAC SPS und verwandte Lösungen, die kostengünstig und einfach zu implementieren waren. Angesichts der steigenden Anforderungen von Branchen wie dem Spritzguss an Zuverlässigkeit, Funktionalität, benutzerfreundliche Schnittstellen und Datenverwaltung in automatisierten Steuerungssystemen ist ein computergesteuertes System jedoch zweifellos die geeignetere und fortschrittlichere Lösung, um schnellere Roboter zu produzieren und die Automatisierung des Spritzgussprozesses zu maximieren. AAC benötigte eine leistungsstarke und intuitive grafische Benutzeroberfläche (GUI), um Endanwendern die schnelle Programmierung des Raptor-Roboters oder der gesamten Arbeitszelle über einen visuellen Arbeitsbereich zu ermöglichen. Dadurch können Endanwender die Leistungsfähigkeit moderner Computer nutzen und gleichzeitig die Komplexität reduzieren. Basierend auf verschiedenen technologischen Möglichkeiten entschied sich AAC für das SynqNet-Bewegungsnetzwerk auf Basis des Linux-Betriebssystems für die Raptor-Roboterproduktion und wählte einen integrierten XMP-SynqNet-PCI-Controller mit CANopen-Schnittstelle für die allgemeine Ein-/Ausgabe zur Steuerung aller Servoachsen im System. Die Erstkonfiguration dieses Controllers bildet die Grundlage für eine Standard-Steuerungsplattform für zukünftige Roboterkonstruktionen. 2.1.1 MEI Zentrales Steuerungssystem Aufgrund der kurzen Produktlebenszyklen und unsicheren Produktionsmengen von Verpackungsprodukten im Bereich der kundenspezifischen Spritzgussteile sowie des Drucks, den Produkten einen Mehrwert zu verleihen, ist die Anlagenauslastung für Kunststoffhersteller entscheidend. Dies bedeutet, zu verstehen, inwieweit Arbeitszellen wiederverwendet werden können, wenn nach Fertigstellung des ersten Produkts ein weiteres, dem ersten Produkt ähnliches Produkt hergestellt wird. Schnelle Umrüstung und Flexibilität sind entscheidend für die Rentabilität. AAC-Präsident Steve Braig erklärte: „Für uns liegt der Schlüssel darin, eine standardisierte Steuerungsplattform zu entwickeln, die mit einem einzigen computerbasierten Controller die Funktionalität der Arbeitszelle erweitert und so einen Mehrwert für Hersteller von kundenspezifischen Spritzgussteilen schafft. Zukünftig entstehen den Spritzgussherstellern bei Projektänderungen keine zusätzlichen Kosten für Steuerungssysteme, und sie können Arbeitszellen mit minimalem Aufwand modifizieren. Die Flexibilität computergestützter Steuerungssysteme mit MEI-Technologie und dem digitalen Netzwerk SynqNet ist ideal, um diesem branchenweiten Bedarf gerecht zu werden.“ Abbildung 1 2.1.2 SynqNet Digitales Netzwerk SynqNet eignet sich für die Servosteuerung aller Roboter und unterstützt bis zu 32 hochsynchronisierte Hochleistungsachsen. Dies bietet AAC große Flexibilität für Anwendungen, die zusätzliche Werkzeugendservos erfordern. AAC verwendet die MEI-Programmierschnittstelle (Motion Programming Interface, MPI) zur Programmierung. MPI ist eine leistungsstarke, ANSI-standardorientierte C/C++-Bewegungsbibliothek, die mit allen MEI SynqNet-Controllern kompatibel ist. AAC entwickelte anschließend eine eigene, kompakte Mensch-Maschine-Schnittstelle für eine einfache Bedienung. Der Drag-and-Drop-Touchscreen ermöglicht die Steuerung und das Training von Roboterroutinen und steuert gleichzeitig Ethernet-basierte Bildverarbeitungssysteme, Förderbänder und weitere für die Anwendung benötigte Arbeitszellenkomponenten. 2.1.3 SynqNet-Netzwerksteuerungsfunktion: SynqNet basiert auf dem IEEE-802.3-Standard und verwendet Standard-Cat-5-Kabel und RJ45-Stecker zur Verbindung von Steuerungen und Antrieben. Dieses Netzwerk bietet eine Drehmomentaktualisierungsrate von bis zu 48 kHz, hervorragende Ferndiagnosefunktionen und kann diese Funktionalität per Ethernet auf einem Computer vom Werk an das Unternehmen übertragen. Neben der Echtzeit-Ferndiagnose ermöglicht SynqNet auch den Netzwerk-Download von Konfigurationsdateien und Firmware. David Lee, Produktentwicklungsleiter bei AAC, sieht darin ein weiteres wichtiges Merkmal: „Die Software kann aktualisiert werden, um sicherzustellen, dass alle Geräte weltweit über die passende oder neueste Version verfügen. Gleichzeitig wird der Bedarf an technischem Support vor Ort reduziert, selbst wenn sich die Softwareversion oder die Hardwareparameter vor Ort nicht wesentlich unterscheiden.“ 2.1.4 SPI-Schnittstelle: Der Raptor-Roboter kommuniziert über eine Standard-SPI-Schnittstelle mit anderen Maschinen. In der Spritzgussindustrie ermöglicht die SPI-Schnittstelle den elektronischen Dialog zwischen Computern und Kunststoffverarbeitungsmaschinen. Der MEI-Controller erfasst Eingangs-/Ausgangssignale anderer Maschinen und integriert sie in die Raptor-Programmierlösung für die nahtlose Zusammenarbeit mit allen Arten von Kunststoffmaschinen. Alle MEI-Controller sind mit dedizierten Ein-/Ausgabegeräten sowie optional mit Syn-qNet- und CANopen-Ein-/Ausgabe ausgestattet. 2.1.5 Intelimotion™ AAC, basierend auf der leistungsstarken MEI-Bewegungstechnologie, hat eine branchenführende Technologie zur Verarbeitung von Bewegungstrajektorien und Roboterlastdynamik (Intelimotion™) entwickelt, die optimal auf Lastart und -gewicht abgestimmt ist. Diese Technologie kann Produktvariationen basierend auf Art und Gewicht der aus der Form entnommenen Teile verarbeiten und Geschwindigkeit und Bewegungstrajektorie automatisch anpassen, um höchste Produktqualität bei maximaler Effizienz zu gewährleisten und so die Belastung der Anwender zu reduzieren. Die Technologie unterstützt die in der Raptor-Arbeitszellenprogrammierung verwendeten Bewegungsprofile über eine intuitive Drag-and-Drop-Maschinenoberfläche. 2.1.6 Die Steuerungen der MEI-Steuerungsserie XMP-SynqNet verfügen über analoge Bauelemente für die digitale Signalverarbeitung (DSP) von Bewegungsprozessen und eine direkt speicherabgebildete Architektur (DMMA) auf dem PCI-Bus des Computers. Dadurch wird die Kommunikation zwischen Host-Computer und Steuerung effizient abgewickelt. Die Motion Programming Interface (MPI) ist MEIs leistungsstarke, portable C/C++-Bewegungsbibliothek, mit der alle XMP-Steuerungen programmiert werden können. Weitere Programmierumgebungen wie ActiveX und MatLab/Simulink lassen sich über MEI-Plug-ins implementieren. Die fortschrittlichen Servosteuerungs- und Regelungssoftware MechaWare von MEI tragen außerdem dazu bei, mechanische Anomalien auszugleichen und die Maschinenleistung zu verbessern. Darüber hinaus ist die XMP-SynqNet-Steuerung mit einer standardmäßigen SynqNet-Schnittstelle ausgestattet, die Reihenschaltungen oder Ringtopologien ermöglicht. Die SynqNet-Ringtopologie bietet eine selbstheilende Fehlertoleranz, sodass die Bewegung dank Vollduplex-Kommunikation von der Steuerung unabhängig von Kabelfehlern zwischen den Knoten fortgesetzt werden kann. Die überlegene Sicherheit und Zuverlässigkeit von SynqNet-Bewegungsnetzwerken sind derzeit branchenweit unübertroffen. 2.1.7 MEI-Softwaretools Zusätzlich zu MPI bietet MEI eine Vielzahl von Anwendungen zur Unterstützung der Bewegungsprogrammierung an. AAC ist besonders von MotionScope™ beeindruckt. Diese Software ermöglicht die Darstellung von vollständigen Kurven und die Echtzeit-Bewegungsdatenanalyse. Position, Geschwindigkeit und viele weitere wichtige Bewegungsparameter werden in Echtzeit mit nur einem Mausklick angezeigt. Die Datenlogger-Funktion von MPI (mit XMP-Hardware) ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das AAC die Fernnutzung von MotionScope und das Debuggen der Software ermöglicht. David Lee erklärte: „Mit MotionScope lassen sich mehrere Echtzeit-Bewegungsparameter während einer einzelnen Bewegung darstellen und die Bewegungen anschließend vergleichen, um quantitativ zu ermitteln, wie die Bewegung letztendlich ausgeführt werden soll.“ Da die AAC-Anwendung in einer PCI-Architektur-Betriebssystemumgebung auf Basis von Red Hat Linux entwickelt wurde, können Benutzer die integrierte TCP/IP-Funktionalität der Anwendung nutzen, um Remote-Hosts mit MotionScope über eine Standard-Ethernet-Verbindung zu analysieren. „Der Wert dieses Werkzeugs für die schnelle Analyse und die Verbesserung der Bewegungsleistung ist unschätzbar.“ Abbildung 2 Abbildung 3 2.2 Von Effizienzsteigerung zu Kosteneinsparungen für Kunden Die Entscheidung von AAC für SynqNet beruhte auf vielen Faktoren. Der wichtigste Grund war die hervorragende Servo-Performance, die vereinfachte Verkabelung und die verkürzte Implementierungszeit. Die Kosteneffizienz war jedoch der entscheidende Faktor für die Wahl von AAC. 2.2.1 Produktionszeitersparnis Da Steuerung und Antriebseinheit nur über ein einziges Kabel verbunden sind, konnten die Verkabelung und die Fehlersuche des frühen Prototyps des Raptor-Roboters innerhalb weniger Stunden abgeschlossen werden. Die vereinfachte Verkabelung und die reduzierte Kabelanzahl ermöglichten es AAC, den Roboter innerhalb eines engen Zeitrahmens von 4 Wochen zu liefern. Darüber hinaus erlaubte das kompakte Controller-Gehäuse die Montage des KI-Systems in der Nähe der Motoren, wodurch die Kabellänge von der Antriebseinheit zu den Motoren weiter verkürzt wurde. Das innovative mechanische CAD-Design des Roboters trug ebenfalls zur Verkürzung der Markteinführungszeit für die Raptor-Roboterlösung bei. 2.2.2 Verkürzung der Spritzgießzyklen Das Öffnen der Form während des Prozesses gilt als Ausfallzeit. ACC hatte sich zum Ziel gesetzt, die Fertigungszeit zu maximieren, indem die Öffnungszeit der Form in jedem Zyklus minimiert wurde. Die naheliegende Lösung war, den Roboter so schnell wie möglich laufen zu lassen. AAC erkannte jedoch auch, dass der verstärkte Einsatz von Sensoren und/oder Bildverarbeitungssystemen zur Überprüfung der Produktintegrität beim Verlassen der Form entscheidend für die Produktivitätssteigerung war. Die Leistungsfähigkeit des SynqNet-Protokolls in Kombination mit der leistungsstarken MEI-Steuerung ermöglichte einen schnelleren Betrieb als je zuvor bei gleichzeitiger Flexibilität zur Implementierung kundenspezifischer Werkzeugendfunktionen. Verbesserungen an den Werkzeugendservos, wie z. B. Drucksensoren, verbesserten die Gesamtproduktqualität und reduzierten die Entnahmezeiten. Servo- und Bildverarbeitungsbearbeitung erhöhten die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Produkthandhabung und reduzierten arbeitsintensive Schritte in der Fertigungszelle. 2.2.3 Entwicklungszyklus: Nachdem AAC die technischen Spezifikationen für den Raptor-Roboter finalisiert hatte, war das Ziel, innerhalb eines Jahres ein marktreifes Produkt zu entwickeln. AAC erreichte dieses dringende Ziel nicht nur, sondern benötigte von der Konzeption bis zur Prototypenlieferung nur sechs Monate. Drei Monate später ging das marktreife Produkt in Produktion. Innovation, Tatendrang und eine starke Partnerschaft mit dem Value-Added-Reseller Target Electronics ermöglichten es AAC, dieses Ziel zu erreichen. Die Auslagerung eines Großteils der Integration des Robotersteuerungssystems an andere Unternehmen war nicht nur kosteneffizient, sondern die Wahl der Standard-Bewegungsplattform von MEI erlaubte es AAC auch, sich auf andere wichtige Schritte in der Roboterentwicklung zu konzentrieren. 2.2.4 Automatisierung für mehr Effizienz Die Automatisierung wird in der Kunststoffindustrie eine entscheidende Rolle spielen und zur Maximierung der Effizienz beitragen. Braig ist überzeugt: „Wenn der Roboter mit einer Teileaufnahme ausgestattet ist, kann er mithilfe von direkt mit dem Computer verbundenen intelligenten Kameras bewegliche Teile erkennen. Dies ist eine optionale Konfiguration für das Raptor-Vision-System. Diese Teile können als Teil der kompletten Zellenlösung direkt auf das Sortierfach gelegt und weiterverpackt werden. All diese und weitere Automatisierungsfunktionen sind möglich und kosteneffizient, da das MEI-Steuerungssystem und SynqNet in der zentralen Architektur perfekt aufeinander abgestimmt sind.“ 2.2.5 Einmalige Softwareinvestition: Da AACs MPI zur Programmierung von Raptor-Robotern mit allen SynqNet-Controllern von MEI kompatibel ist, kann AAC die kontinuierliche Weiterentwicklung der Bewegungssteuerung auf einer einzigen Softwareplattform gewährleisten. Gleichzeitig ist MPI eine eigenständige Plattform. Das bedeutet, dass MPI bei Änderungen der Computertypen oder Betriebssystemanforderungen zukünftiger Roboterproduktionslinien problemlos portiert werden kann. Darüber hinaus unterstützt MPI CANopen, sodass AAC keinen separaten CAN-Controller benötigt und Bewegungs- und CAN-Ein-/Ausgänge über eine einzige Programmierschnittstelle programmieren kann. Da MPI verschiedene Betriebssysteme (insbesondere Linux) unterstützt, ist es ein zentraler Bestandteil von AACs Gesamtkonzept für die Steuerungsplattform. Aufgrund der hohen Zuverlässigkeit und Portabilität von Linux entschied sich AAC für Linux, um sicherzustellen, dass die Roboter auch nach einer durchschnittlichen Lebensdauer von mindestens 10 Jahren nicht veralten. Dadurch wurden fortlaufende Lizenzverträge vermieden und Kosten eingespart, die an die Endnutzer weitergegeben werden konnten. Abbildungen 4 und 5 veranschaulichen dies. 3. Implementierungsergebnisse und Nutzerfeedback: AAC arbeitete mit dem Value-Added-Reseller Target Electronics Supply Inc. zusammen, um die Auswahl und Implementierung der Raptor-Spritzgießmaschine der nächsten Generation abzuschließen. Target bot die notwendige Komplettlösung für den Roboter und die konventionelle Steuerungsplattform und empfahl die optimale Kombination aus MEI und SynqNet, die zum Erfolg der Raptor-Roboter-Produktionslinie beitrug. AAC profitierte von Targets Zugang zu erstklassigen Produkten und Lösungen mehrerer weltweit führender Anbieter. Die teilweise ausgelagerte Lösung reduzierte arbeitsintensive Bereiche im Designprozess und ermöglichte es der internen Entwicklungsabteilung von AAC, sich stärker auf die Verbesserung ihrer Kernkompetenzen zu konzentrieren. Wie David betonte: „Wir mussten das optimale System für die technischen Spezifikationen des Kunden entwickeln. Wir stellten fest, dass das zentrale Steuerungssystem MEI und die digitale Netzwerktechnologie SynqNet die Produktleistung deutlich verbessern und gleichzeitig die Systemkosten senken konnten. Dadurch wurde die Einführung der Raptor-Roboter-Produktlinie ermöglicht, um die Produktleistung zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu reduzieren.“ Die Projektumsetzung zeigte letztendlich, dass „die Kombination der leistungsstarken Softwarefunktionen von MEI mit der SynqNet-Bewegungsnetzwerktechnologie den Weg für die Implementierung und den Aufbau der Raptor-Roboterproduktionslinie ebnete. SynqNet ermöglichte eine deutlich höhere Flexibilität jenseits der Steuereinheit und wird eine Schlüsseltechnologie für zukünftige Plattformen sein.“ Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MEI SynqNet-Produkte gleichzeitig eine schnelle und vereinfachte Verdrahtung eines volldigitalen Bewegungsnetzwerks, Unterstützung der Konfigurationstechnologie, Unterstützung des Herunterladens von Konfigurationsdateien über SynqNet, Fehlertoleranz, komfortable Wartung vor Ort, Ferndiagnose von Fehlern sowie technischen Support von führenden Anbietern für SynqNet-Antriebe und Ein-/Ausgabegeräte bieten. Diese Eigenschaften erfüllen ideal die Anforderungen von Kunden wie AAC, die an moderner, leistungsstarker Steuerungstechnik interessiert sind, und ermöglichten die erfolgreiche Umsetzung des Raptor-Spritzgießroboterprojekts.