Prof. Dr. J. Bechtloff
   Exponat Hannover-Messe 2000
 

Elektronische Kurvenscheibe:

Neue Konzepte und ihre praktische Anwendung



Zielsetzung

Mit der Beteiligung mit einem Exponat an der diesjährigen Hannover-Messe sollen neben der Präsentation einer innovativen Lösung aus dem Bereich der Antriebstechnik

  • die fachliche Kompetenz im Bereich der angewandten Foschung und
  • Know-How-Transfer von der Hochschule in die industrielle Praxis

demonstriert werden. Der Know-How-Transfer kann dabei in unterschiedlicher Form erfolgen:

  • Beratung
  • Drittmittel-Forschung
  • Forschungs- und Entwicklungsprojekte
  • Diplomarbeiten
  • Nutzung des Modells des kooperativen Studiengangs

Eigenschaften der Lösung

  • Bewegungsplanung nach VDI 2143
  • Stoß- und Ruckfreiheit der Bewegung
  • Integration in Automatisierungssysteme
  • Dynamische Echtzeit-Interpolation
  • Online-Fähigkeit z.B. durch Sensordatenverarbeitung

Darstellung

Der Verpackungsmaschinenbau drängt verstärkt auf die Substitution mechanischer Kurvengetriebe durch elektronische Kurvenscheiben. Dies ist zum einen in der Erzielung immer höherer Taktzeiten begründet, zum anderen müssen heute Maschinen flexibel auf sich ändernde Produktparameter eingestellt werden. Gerade in diesem Punkt ist eine elektronische Lösung mit geregelten hochdynamischen Antrieben einer mechanischen Lösung überlegen, da die elektronische Lösung jederzeit umprogrammiert werden kann. Bei einer mechanische Lösung muß die Kurvenscheibe ausgetauscht werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit, eine elektronische Kurvenscheibe direkt in die Automatisierungslösung mit den entsprechendne Feldbusstandards einbinden zu können.

Elektronische Kurvenscheiben haben sich schon seit längerem auf dem Markt der Antriebstechnik etabliert. Dabei wurden jedoch die Planungsmöglichkleiten einer Abtriebsbewegung stets aus der Sicht eines Antriebstechnikers entworfen. Bei der hier vorzustellenden Lösung wird in dieser Hinsicht ein völlig neuer Weg beschritten: Das Planungswerkzeug für die Bewegungserzeugung setzt die Entwurfsmethoden zur Planung des Bewegungsplans einer Kurvenscheibe nach VDI-Richtlinie 2143 ein. Der Bewegungsplan setzt sich aus einer Verkettung mehrerer Bewegungsabschnitte zusammen, die mit Hilfe von Bewegungsgesetzen beschrieben werden. Somit werden in kompakter Form gezielt die kinematischen Anforderungen des Anlagenplaners berücksichtigt.

Steuerungsintern wurden mit dieser Lösung ebenfalls neue Wege beschritten. Anstatt den gesamten Bewegungsplan in eine große Anzahl von Punkten zu zerlegen und diese als Grundlage für eine Echtzeitinterpolation zu nutzen, wurde hier das satzorientierte Konzept von CNC-Steuerungen genutzt und der Bewegungsplan abschnittsweise in das Steuerungssystem abgelegt. Über einen Satzpuffer wird dann in Echtzeit der die elektronische Kurvenscheibe beschreibende Bewegungsplan auch bei hohen Drehzahlen des Leitantriebs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise hat den großen Vorteil, daß z.B. sensorgesteuert einzelne Punkte des Bewegungsplans online geändert werden können, während die elektronische Kurvenscheibe weiterläuft.


Exponat

Das Exponat besteht aus zwei Modellen, um die unterschiedlichen Eigenschaften der Lösung anschaulich demonstrieren zu können.

Modell 1: Mechanische und Elektronische Kurvenscheibe im direkten Vergleich

Modell 1

Beiden Abtriebsorganen (Schwinghebel) liegt der gleiche Beweugungsplan zugrunde. Im Normalbetrieb bewegen sich beide Schwinghebel absolut lage- und geschwindigkeitssynchron. Die maximale Drehzahl, für die das Exponat ausgelegt wurde, beträgt ca. 250 U/min! Die elektronische Kurvenscheibe läßt sich beliebig Ein- und Ausschalten. Zusätzlich kann während des Betriebes ein beliebiger Offset eingestellt werden, was bei der mechanischen Kurvenscheibe eine Verdrehung des Kurvenkörpers auf der Antriebswelle entsprechen würde (Funktion für beliebige Einstell- und Justagearbeiten).

Modell 2: Quersiegelprozess

Modell 2

Aus dem Verpackungsmaschinenbau kommt die zweite konkrete Anwendung: Der Quersiegelprozess aus einer Horizontal-Schlauchbeutelmaschine. Der Verpackungsprozess wird mittels Riemenantrieb als Förderband und einseitig angeordnetem Quersiegler demonstriert. Mit Hilfe eines Lichtschnittasters werden die Druckmarken bzw. Lücken meßtechnisch erfaßt. Dieses Signal steuert den Bewegungsprozeß des Quersieglers an. Dieser verschweißt den Folienschlauch und durchtrennt diesen gleichzeitig. Dieser Bewegungsvorgang erfolgt absolut lage- und geschwindigkeitssynchron zum transportierten Verpackungsgut, um eine optimale Qualität des Packgutes zu erreichen.

Steuerungstechnik

Die steuerungs- und regelungstechnische Lösung wurde auf der Basis eines Hutschinen-PC'' realisiert. Ein leistungsfähiger 32-Bit-Prozessor arbeitet in einem als Multitasking realisierten Echtzeit-Kernel die mehrkanalige - und damit echtzeitlich parallel arbeitendenden - Bewegungsprogramme ab. Am Exponat werden vier hochdynamische digitale Servoantriebe eingesetzt. Die Lageregelgenauigkeit beträgt 0,03 Winkel-Grad. Am Exponat werden vier Kanäle genutzt, um alle Achsbeweguingen vollkommen unabhängig betreiben zu können. Für die Bedienung und Visualisierung der recht komplexen Bewegungsabläufe wird eine auf Windows basierende Software eingesetzt, die über die serielle Schnittstelle mit der Bewegungssteuerung kommuniziert. Genauso gut denkbar ist die Kopplung mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung z.B. mit Profibus.


Und hier das Team


 

Letzte Änderung: 31.05.2006