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Pack den Tiger in den Tank...
...oder wie die Plätzchen in die Schachtel kommen
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In der Verpackungsindustrie geht es darum, Produkte in die Verkaufsver
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Dazu erteilte uns die Firma Gerhardt Schubert GmbH in Crailsheim, ein führender Hersteller von Ver-packungsmaschinen und Verpackungsrobotern, den Auftrag eine Robotersteuerung zu realisieren, die flexibel und schnell sein musste, um als Standardkomponente in den unterschiedlichsten Verpackungs-maschinen eingesetzt zu werden. Um den Anforderungen an die Flexibilität gerecht zu werden, ist eine Schnittstelle zu max. vier Bildverarbeitungssystemen in die Steuerung und in die Roboterprogrammier-sprache integriert worden. Die Bildverarbeitungssysteme können bis zu 4000 Produkte pro Minute an die Robotersteuerung weiterleiten. Dabei werden Positionsdaten und Drehlage erfasst und die Form sowie die Fläche als Qualitätskriterium überprüft.
Um die Geschwindigkeit der Roboter deutlich zu steigern, wurden volldigital regelnde
Servoverstärker mit SERCOS-Schnittstelle eingesetzt. Die in die Servoverstärker
integrierten Regelkreise für das Drehmo-ment, die Drehzahl und die Position
arbeiten mit Zykluszeiten bis max. eine Millisekunde (Strom
Typ SNC-F44
Beschleunigungen von ca. 10g und trotz der hohen Beschleuni
Jetzt gibt nicht mehr der Roboter die Leistungsgrenze vor, sondern die zu ver-
Durch die Ankopplung der Antriebe über die standardisierte SERCOS-Schnittstelle konnte der Verdrahtungsaufwand reduziert werden. Dadurch konnten mehr Achsen an eine Robotersteuerung angeschlossen werden. Eine Robotersteuerung des hier vorgestellten Typs SNC-F44 ist nun z.B. für
8 Achsen zuständig. Da für die
Umsetzvorgänge bei der Verpackung von Produkten im allg. 4 Frei-heitsgrade
ausreichen, wurden zwei Roboterarme mit je 4 Achsen in einer Steuerung
realisiert. Das in die Robotersteuerung integrierte, effiziente
Antriebsmanagement ermöglicht den unabhängigen Betrieb der beiden Roboterarme,
so dass mit einer Robotersteuerung quasi zwei Roboter zur Verfügung stehen. Die
dadurch resultierende Kosten
Eine weitere Funktion, die in die Robotersteuerung integriert wurde, ist die Ansteuerung von Bändern für die Produkt-Zuführung und den Abtransport. Dazu sind Frequenzumrichter zur Ansteuerung der Motoren für den Bandantrieb und Sensoren zur Ermittlung der Bandgeschwindigkeit und der Bandposition an die Robotersteuerung anzuschließen. Auch dafür wurden Standardkomponenten mit einer Feldbusschnittstelle (CAN) eingesetzt, um die Kosten zu minimieren, den Verdrahtungsaufwand zu reduzieren und Erweite-rungsmöglichkeiten zu lassen. Der kürzere Datenpfad durch die direkte Ankopplung erlaubte außerdem die Erhöhung der Produktgeschwindigkeit, ohne an Positioniergenauigkeit zu verlieren. Die Synchronisie-rung der Roboterbewegung mit der Bandbewegung bei der Produktaufnahme und -ablage ist selbstver-ständlich und erhöht die Positioniergenauigkeit weiter.
Des weiteren wurde eine elegante Schnittstelle zur SPS integriert, die den Signalaustausch zwischen Robotersteuerung und SPS über den CAN-Bus erledigt. Die für den Signalaustausch reservierten digitalen Ein- und Ausgänge auf Seiten der SPS und auf Seiten des Roboters gehören der Vergangenheit an. Die Verdrahtung der zusätzlichen Signale entfällt ebenfalls.
Durch die Ankopplung von Sensoren und Aktoren direkt an den multimaster
Denn trotz der drastisch gesteigerten Leistung eines einzelnen Roboters, kann er im allgemeinen nicht den Anforderungen einer modernen Produktionslinie genügen.
Zur Lösung dieses Problems forcierte die Firma Schubert die Idee der Integration zweier Roboter in eine Steuerung. Das Ergebnis sind skalierbare Verpackungslinien, die aus bis zu zwölf vernetzten Robotern bestehen. Die Anzahl der eingesetzten Roboter hängt von der zu verpackenden Produktmenge ab. Die Gesamtleistung einer Verpackungslinie wird auf alle Roboter verteilt, wobei die Leistungsfähigkeit des Einzelroboters nur geringfügig durch das Gesamtsystem eingeschränkt wird.
Da mit der Komplexität eines Systems auch die Fehleranfälligkeit wächst, war ein wichtiges Designziel die Fehlertoleranz. Eine Verpackungslinie soll auch noch produzieren können, wenn einzelne Roboter ausge-schaltet werden, weshalb ein dezentraler Ansatz gewählt wurde. Statt eines Zentralrechners zur Koordi-nierung, wurde ein Regelwerk entworfen, in dem beschrieben wird, wie ein einzelner Roboter arbeitet, und wie er sich im Verbund mit anderen Robotern zu verhalten hat. Z.B. hat der Roboter, der als letzter Produkte in eine Schachtel einlegen kann bevor die Schachtel an die Nachmaschine übergeben wird, die Aufgabe, für die vollständige Befüllung aller Schachteln zu sorgen. Dazu darf dieser Roboter die Ge-schwindigkeit des Abtransportbandes regeln. Roboter in der Mitte einer Verpackungslinie versuchen, die Produkte mit dem kleinsten Verfahrweg des Roboters in die vorbeilaufenden Schachteln einzulegen. Jede Aktion wird an die anderen Roboter der Verpackungslinie gemeldet, so dass jeder Roboter stets weiß, was seine Vorgänger bereits getan haben und kann die angefangenen Aufgabe fortführen. Wird ein Roboter ausgeschaltet, wird automatisch die Reihenfolge neu bestimmt. Die Produktion läuft während der Bestimmung der Reihenfolge ohne Unterbrechung weiter.
Trotz des einfachen Regelwerkes ist das Verhalten der Anlage sehr komplex und optimal an die Produk-tionsbedingungen angepasst. Schon nach wenigen Schachteln produziert eine Verpackungslinie mit der Sollleistung. Unterbrechungen der zugeführten Produktströme werden nach kurzer Zeit ausgeglichen.
Die Zeichnung zeigt einen Roboter des Typs SNC-F44 in einer Standardanwendung. Auf einem Produkt-band werden z.B. Kekse in den Arbeitsbereich des Roboters geführt. Die beiden Roboterarme mit je
4 synchronisierten Antrieben nehmen die Kekse unabhängig voneinander auf und legen sie in Schachteln ab, die auf einem weiteren Band zugeführt werden. Die Positionen der Kekse auf dem Zufuhrband wer-den durch ein Bildverarbeitungssystem erfasst. Zur Verbesserung der Produktaufnahme und -ablage werden die Roboterbewegungen mit den Bandbewegungen synchronisiert. Dass in diesem Fall die Bänder in unterschiedlichen Richtungen laufen, wird von der Steuerung automatisch berücksichtigt.
Zusätzlich übernimmt die Robotersteuerung die Kontrolle über das Abfuhrband. Der letzte Roboter in einer Verpackungslinie sorgt dafür, dass alle Schachteln befüllt sind, bevor sie an die Nachmaschine übergeben werden. Außerdem teilen sich alle Roboter einer Verpackungslinie ein Abfuhrband. Warum für jeden Roboter einen Sensor zur Ermittlung der Bandgeschwindigkeit und der Schachtelpositionen ver-wenden, wenn alle Roboter mit dem gleichen Band arbeiten. Darum wird konsequenterweise nur ein Drehgeber verwendet, dessen Signale an alle Roboter gleichzeitig übermittelt wird. Durch die deutliche Reduzierung der beweglichen Teile beim Abtransport der befüllten Schachteln konnte eine große Fehler-quelle der Vergangenheit eliminiert werden. Denn der Aufwand für den Produktabtransport steigt mit jedem zusätzlichen Schachtelformat.
Die logische Aufteilung der Achsen in synchronisierte Antriebsgruppen erlaubte den Einsatz des Antriebs-managements bereits in mehrere unterschiedliche Roboter mit zwei bzw. 4 synchronisierten Achsen und in Positioniersysteme für einzelne Achsen. Da die Steuerung bei den Einzelachsanwendungen mit einer Achse längst nicht ausgelastet ist, kontrolliert eine Steuerung im allgemeinen mehrere Achsen (bis zu
8 Achsen). Der Hardwareaufwand für eine zusätzliche Achse ist gering und beschränkt sich auf den SERCOS-Steller, den Motor, ein Stück Lichtwellenleiter und die Verdrahtung des Stellers und des Motors. Zur Steuerung ist nur die Kopplung an den SERCOS-Lichtwellenleiterring erforderlich.
Den Erfolg dieses Konzeptes beweisen die ca. 100 installierten Roboter alleine im Jahr 1998. Das zeigt, dass es der Firma Schubert gelungen ist, ein System mit hoher Leistung für einen konkurrenzfähigen Preis zu realisieren. Die Vernetzung der Roboter ist in dieser Form bislang einzigartig. Auch international wurden damit neue Maßstäbe gesetzt, wie die Resonanz auf Fachmessen in Nordamerika und der Interpack 99 in Düsseldorf zeigte. Die Verpackungslinien waren dort stets ein Anziehungspunkt und die Arbeitsweise der vernetzten Roboter konnte auch Zuschauer begeistern, die nicht die Takte pro Minute gestoppt haben.