Basierend auf einem Industriesteuerungsrechner und unter Verwendung der Advantech PCL839 Drei-Achs-Bewegungssteuerungskarte wurde ein einfaches und leicht zu implementierendes Servoregelungssystem für einen Klebstoffapplikator entwickelt. Dieses System wurde in der Produktionspraxis getestet und zeigte niedrige Kosten, gute Anpassungsfähigkeit und signifikante Ergebnisse. 1 Einleitung Ausgehend von den Prinzipien offener CNC-Systeme auf Basis von Komponententechnologie und in Verbindung mit einem CNC-Nachrüstungsprojekt für einen Klebstoffapplikator in einem Werk, schlägt dieser Beitrag eine einfache Servoregelungssystemstruktur auf Basis einer Mehr-Achs-Bewegungssteuerungskarte vor. Dieses System hat sich in der Praxis bewährt und gute Produktionsergebnisse erzielt. Darüber hinaus bietet diese Servoregelungssystemstruktur einen gewissen Referenzwert für die CNC-Nachrüstung ähnlicher Werkzeugmaschinen. 2 Konstruktionsschema des Klebstoffapplikators 2.1 Bearbeitungsobjekte und Anforderungen an den Klebstoffapplikator Der Klebstoffapplikator wird hauptsächlich zum Auftragen von Klebstoff auf die Schutzfolie von Autotüren verwendet, indem Dichtmittel entlang zweidimensionaler Linien auf die Oberfläche der Schutzfolie aufgesprüht wird. Während des Bearbeitungsprozesses bewegt sich die Klebepistole mit gleichmäßiger Geschwindigkeit über die Schutzfolie. Der Klebstoff wird aus der Düse aufgesprüht und als Klebeband an einer bestimmten Stelle auf der Werkstückoberfläche angebracht. Das aufgesprühte Klebeband muss einen gleichmäßigen Querschnitt und eine einheitliche Größe aufweisen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, markieren die dicken schwarzen Linien auf der Schablone die Bereiche, in denen das Klebeband angebracht werden muss. Da Autotüren je nach Fahrzeugdesign variieren, ist die Form der Schutzfolie nicht festgelegt. Daher muss der Klebstoffapplikator verschiedene zweidimensionale Formen verarbeiten können, um unterschiedlichen Produktionsanforderungen gerecht zu werden. 2.2 Konstruktionsschema des Klebstoffapplikators Der Arbeitstischplan des Klebstoffapplikators ist in Abbildung 2 dargestellt. Die erforderlichen Abmessungen des Arbeitstisches betragen 1300 mm (X) × 1100 mm (Y); die maximale Arbeitsgeschwindigkeit 6 m/min; und die grafische Genauigkeit 0,01 mm. Die Klebepistole ist auf der Y-Achse montiert und wird über einen Motor und ein Getriebe angetrieben. Dadurch beschreibt sie eine zweidimensionale grafische Bahn auf der Arbeitsfläche. Das Klebstoffzufuhrsystem nutzt ein spezielles Heißextrusionssystem, das einen kontinuierlichen und gleichmäßigen Klebstofffluss gewährleistet. Das Öffnen und Schließen der Klebepistole wird automatisch vom Klebstoffapplikator-Steuerungssystem geregelt. Der Klebstoffapplikator verwendet ein servomotorgetriebenes Gewindespindelgetriebe mit einer Doppelschlittenlagerung am nicht motorgetriebenen Ende der Gewindespindel (siehe Abbildung 3). Diese Konstruktion erhöht die Steifigkeit der Antriebsstange, reduziert die Auswirkungen von Getriebeschwingungen, stabilisiert den Betrieb und verhindert Vibrationen der Klebepistole. Um die Marktanpassungsfähigkeit des neuen Klebstoffapplikators zu verbessern und die Investitionskosten für den Hersteller zu senken, wird die Softwarefunktionalität des Steuerungssystems durch eine Eingabeschnittstelle für den grafischen Code des Klebstoffapplikators erweitert. Dies ermöglicht die komfortable Verarbeitung verschiedener Grafiken für den Klebstoffapplikator. Abbildung 1: Grafische Vorlage für einen einzelnen Klebstoffapplikator . 3. Zusammensetzung des Servo-Steuerungssystems Das Steuerungssystem besteht aus einem Industrie-PC und der dreiachsigen Hochgeschwindigkeits-Bewegungssteuerungskarte PCL839 von Advantech. Die Position der Klebepistole wird über Servomotortreiber und Servomotoren in einem halbgeschlossenen Regelkreis gesteuert. Die dreiachsige Steuerkarte PCL839 kann die Bewegung aller drei Achsen gleichzeitig und unabhängig steuern und eignet sich daher für Anwendungen wie dieses Projekt. Das Hardware-Strukturprinzip des Systems ist in Abbildung 4 dargestellt. Der Industrie-PC ist ein Allzweck-PC. Als Bedienschnittstelle und Steuerzentrale für anspruchsvolle Anwender ist er hauptsächlich für den Empfang, die Verarbeitung und die Ausgabe von Steuersignalen und Statussignalen sowie die Anzeige der erforderlichen Informationen auf der Mensch-Maschine-Schnittstelle zuständig. Die Steuerkarte PCL839 erfüllt im System im Wesentlichen folgende Funktionen: (1) Über ihren 16-Bit-Digital-Ein-/Ausgangskanal dient sie als Kommunikationsbrücke zwischen dem Industrie-PC und den anderen Systemkomponenten des Servo-Steuerungssystems: Sie empfängt die Statussignale jeder Achse und sendet sie zur umfassenden Verarbeitung an den Industrie-PC. (1) Empfangen der Steuersignale des Industrie-Steuerungsrechners und Weiterleiten an die Kontrollleuchten zur Steuerung des Ein-/Aus-Zustands; Auswählen der anzuzeigenden Parameterinformationen und Senden an den Industrie-Steuerungsrechner zur Anzeige auf der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) für die Mensch-Maschine-Interaktion während der Bewegungssteuerung; (2) Empfangen der Steuersignale des Industrie-Steuerungsrechners, Umwandlung dieser Signale in Frequenz und Anzahl der Impulse mittels internem Decoder und Weiterleiten an die entsprechenden Servomotortreiber zur Ansteuerung und Steuerung der Servomotoren der X- und Y-Achse. Die Servomotoren treiben über die Kupplung die Gewindespindeln an und steuern so jeweils die X- und Y-Achse. Unter der Steuerung der CNC-Systemsoftware wird die Kopplung realisiert, sodass die Klebepistole den Klebstoff gemäß der vorgegebenen grafischen Trajektorie aufträgt. Die Steuerungssoftware ist in Visual Basic 6.0 implementiert. Sie besteht aus zwei Schichten: dem Hauptmodul und Modulen für Hardwaretreiber, Benutzeroberfläche, Einlesen der grafischen Codes für den Klebstoffauftrag, manuelle und automatische Bedienung sowie Systemalarme. Die erste Ebene ist die Hardwaretreiberebene, die Hardwaretreibermodule und Hardwarefehleralarmmodule umfasst. Sie adressiert primär die Hardware im System und verwendet reale Hardwaregeräte als Objekte. Beim Systemstart legt sie den Anfangszustand des Servomotortreibers für die Mehrachsen-Bewegungssteuerungskarte im Antriebssystem fest und gibt bei einem Hardwarefehler ein Alarmsignal aus. Ziel dieser Ebene ist es, die Hardwaregeräte des Steuerungssystems für die übergeordnete Steuerungssoftware transparent zu machen und dem Servosteuerungssystem so eine gewisse Offenheit zu verleihen. Die zweite Ebene, die übergeordnete Steuerungssoftware, ist für die Erfassung verschiedener Statusinformationen des Werkzeugmaschinen-Hardwaresystems und des Status jedes I/O-Ports des PCL 839 zuständig. Sie implementiert insbesondere verschiedene Geschwindigkeits- und Positionssteuerungen der X- und Y-Achse der Werkzeugmaschine und steuert damit beispielsweise die Klebepistole. Sie umfasst im Wesentlichen das Hauptmodul sowie Module für die Benutzeroberfläche, das Einlesen von Grafikcodes, die manuelle und die automatische Bedienung. Diese Ebene ist relativ universell; sie gibt einfach verschiedene Funktionssteuerungsbefehle aus und führt eine umfassende Informationsverarbeitung durch, unabhängig davon, wie die Systemhardware diese Funktionen implementiert. Die Systemhardware ist für sie transparent. Das Modul zum Lesen des Klebeauftragsmustercodes liest den CNC-Code und wandelt ihn in ein für den PCL839 kompatibles Datenformat um, bevor er an die Karte gesendet wird. Im Betrieb muss der Benutzer lediglich die entsprechende CNC-Codedatei auswählen, um verschiedene Klebeauftragsmuster zu verarbeiten. Dies verbessert die Produktionsflexibilität der neuen Klebeauftragsmaschine erheblich. Die Maschine verfügt über zwei Betriebsmodi: manuell und automatisch. Der manuelle Modus umfasst Tipp-, Schritt- und Referenzfahrten und dient hauptsächlich der manuellen Justierung der Klebepistolenposition. Der automatische Betriebsmodus umfasst einseitige und negative Zyklen, die im Normalbetrieb zum Einsatz kommen. Der Programmablauf der Steuerungssoftware im automatischen Betriebsmodus ist in Abbildung 5 dargestellt. Abbildung 2: Schematische Darstellung des Arbeitstischplans; Abbildung 3: Schematische Darstellung der Doppelschlittenstruktur; Abbildung 4: Schematische Darstellung der Hardwarekonfiguration des Servosteuerungssystems; Abbildung 5: Flussdiagramm der CNC-Systemsoftware für den Klebstoffauftrag. Fazit: Durch die Nutzung des Steuerungsprinzips eines offenen CNC-Systems mit Bewegungssteuerungskarte und der Auswahl der dreiachsigen Bewegungssteuerungskarte PCL839 von Advantech wurde mithilfe eines Industrie-PCs ein einfaches, automatisches Servo-Steuerungssystem für eine Klebeauftragsmaschine entwickelt. Dieses System zeichnet sich durch eine einfache Hardwarestruktur, niedrige Kosten, hohe Praktikabilität und gute Anpassungsfähigkeit aus. Seit der Inbetriebnahme vor knapp vier Monaten läuft es einwandfrei, beseitigt einige Probleme der alten Klebeauftragsmaschine und hat im Betrieb keine größeren Störungen verursacht. Die ursprüngliche Klebeauftragsmaschine benötigte 80 Sekunden für große und 45 Sekunden für kleine Teile. Die modifizierte Maschine benötigt nur noch 54 Sekunden für große und 31 Sekunden für kleine Teile. Unter Einbeziehung der Zeit für das Platzieren der Kunststoffteile durch die Mitarbeiter beträgt die Effizienz pro Teil 60 bzw. 35 Sekunden, was einer Steigerung der Arbeitseffizienz um 25 % bzw. 22,2 % entspricht. Dies führt zu signifikanten Ergebnissen und erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen für das Werk. Der Produktionsdruck, der das Werk lange Zeit belastet hatte, konnte dadurch deutlich reduziert und hervorragende Ergebnisse erzielt werden. Diese einfache und leicht zu implementierende Servoregelungssystemstruktur hat auch einen gewissen Referenzwert für andere ähnliche Produkte.