Acopos 6D: Schwarm-Intelligenz an der Maschine

Herr Sandhöfner, vielleicht skizzieren Sie zuerst kurz, was Ihre Entwickler in Eggelsberg realisiert haben?

Markus Sandhöfner: Unsere Experten haben die Grundlage für eine Schwarmproduktion geschaffen. Dahinter verbirgt sich ein Konzept, bei dem sich Produkte selbständig den Weg durch die Produktion suchen. Es gibt also keinen exakt vordefinierten Produktionsablauf, sondern jedes Produkt fährt individuell zu den Bearbeitungsstationen, die es benötigt. Das erleichtert die Produktion in sehr kleinen Losgrößen. Zudem können mehrere, unterschiedliche Produkte gleichzeitig auf derselben Maschine gefertigt werden. Mit Acopos 6D lässt sich so eine Schwarm­produktion in die Realität umsetzen.

Wofür steht eigentlich 6D?

Markus Sandhöfner: 6D ist das Synonym für die sechs Freiheits­grade, die zur Verfügung stehen. Drei davon sind die linearen Achsen für die zweidimensionale Bewegung auf der Fläche (x, y) und die Veränderung der Flughöhe (z). Die weiteren drei sind die Dreh- und Kippbewegungen in alle Richtungen. Diese Bewegungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.

Welche Vorteile bringt das System denn einem Maschinenbauer?

Markus Sandhöfner: Es gibt völlige Freiheit bei der Gestaltung der Maschinenprozesse. Ohne die bisherigen Beschränkungen der herkömmlichen Transportsysteme können Fertigungsprozesse völlig neu gedacht werden. Acopos 6D wird aus meiner Sicht zu ganz neuen Maschinenkonzepten führen.

Wie sieht ein typischer Aufbau aus?

Markus Sandhöfner: Einen typischen Systemaufbau, den gibt es nicht. Darin liegt der große Vorteil von Acopos 6D: Die Technologie ist flexibel und modular. Es wird Applikationen geben, bei denen bereits drei Motor-Segmente mit wenigen Shuttles ausreichen. Am anderen Ende der Skala sind ebenso Systeme mit weit über hundert Segmenten denkbar – aufgebaut in allen erdenklichen Formen. Einzig der Fertigungsprozess entscheidet über Aufbau und Architektur.

Aus welchen Komponenten besteht ihr System?

Markus Sandhöfner: Es werden lediglich drei Komponenten benötigt: der 6D-Controller, die Motorsegmente und die Shuttles. Die Shuttles können ohne Abstand nebeneinander herfahren. Daraus ergeben sich zwei Vorteile: Größere oder schwerere Produkte können von mehreren Shuttles gemeinsam transportiert werden und die vorhandene Platz wird besser genutzt. Andere Systeme weisen einen höheren Mindestabstand auf. Dadurch wird der Produktabstand zwangsweise größer wodurch die Produktivität sinkt und die Maschinen an sich größer gebaut werden müssen.

Warum die Trennung von Maschinen- und 6D Controller?

Markus Sandhöfner: Das vermeidet eine Belastung der Maschinensteuerung und des Netzwerks. Rechenintensive Aufgaben wie die Bahnplanung und die Kollisionsvermeidung erfolgen im 6D Controller und in den Motorsegmenten. Steuerung und -netzwerk brauchen daher kaum zusätzliche Ressourcen für Acopos 6D. Andere Systeme setzen auf eine zentrale Systemarchitektur. Das kompliziert aus unserer Sicht den Systemaufbau, die Verdrahtung sowie die Programmierung. Zudem wird solch ein System unnötig fehleranfällig und teuer. Für den Fall, dass das System nachträglich erweitert wird, braucht es sofort zusätzliche Steuerungshardware. Unsere Lösung dagegen ist ein einfach zu beherrschendes System mit möglichst vielen Freiheitsgraden.

Ist die Trennung nicht auch dem Umstand geschuldet, dass das System von der Firma PMI entwickelt wurde?

Markus Sandhöfner: B&R arbeitet eng mit PMI aus Kanada zusammen. Dessen Gründer beschäftigt sich seit über 15 Jahren damit, die Magnetschwebetechnik für den industriellen Einsatz zu perfektionieren. Er besitzt diverse Patente auf diese Technologie. B&R ist seit Anfang des Jahres an PMI mit 20 % beteiligt.

Wie ist die Aufgabenverteilung geregelt?

Markus Sandhöfner: PMI wird weiterhin die Bereiche Forschung und Entwicklung vorantreiben. B&R steuert sein Know-how in den Bereichen Industrialisierung, Vertrieb und Service bei.

Welche Applikationen nehmen Sie denn ins Visier?

Markus Sandhöfner: Acopos 6D ist für viele Anwendungsgebiete geeignet. Seine Stärken spielt das System besonders dort aus, wo höchste Präzision gefordert ist, die Reihenfolge von Prozessschritten sich immer wieder ändert, die Losgrößen sehr klein sind oder das Transportsystem keinerlei Verunreinigungen in den Produktionsprozess bringen darf.
Daraus ergeben sich drei Branchen in denen Acopos 6D auf besonders großes Interesse stößt: Pharma – mit Themen wie aseptische Abfüllung, Reinraumproduktion und Sterilisierungsmaschinen oder Assemblierung in der Elektronik-Fertigung, von Medical Devices und Batteriezellen. Der Kernsektor ist die Verpackungsindustrie mit Primär- und Sekundär-Verpackungen sowie Nahrungs- und Genussmittel). Eigentlich jede Stückgut-, Chargen oder Batch-orientierte Fertigung, sofern die Komponenten die Traglast unserer Shuttles nicht übersteigen.

Entsprechend der Zielbranchen gibt es auch Shuttle-Varianten für Reinräume oder NuG?

Markus Sandhöfner: Alle zehn Shuttle-Varianten gibt es auch in Edelstahl in Schutzart IP69K. Die Motorsegmente wiederum können einfach mit einer Abdeckung aus Edelstahl, Kunststoff oder Glas versehen werden, um die hohe Schutzart zu erreichen.

Gibt es erste Pilotkunden?

Markus Sandhöfner: Unser System ist bereits bei diversen Pilotkunden im Einsatz, die an ihren neuen Maschinenkonzepten auf Basis von Acopos 6D arbeiten. Unter anderem in den Bereichen Batteriezellenfertigung, Lebensmittel, Druck und Pharma.

Eine klassische Werkzeugmaschine lebt von ihrer Masse, um Schwingungen zu vermeiden, die zu Lasten der Präzision gehen. Lässt sich das Shuttle denn fixieren, um präzise zu bohren oder zu fräsen?

Markus Sandhöfner: Wir können beispielsweise Stifte auf den Motorsegmenten anbringen, über die das Shuttle fährt und sich dann absenkt. Die Stifte halten dann den Shuttle mit dem Werkstück während des Bohrvorgangs. Danach wird das Shuttle über die Magnete wieder angehoben und bringt das Werkstück zur nächsten Bearbeitungsstation.

Funktioniert das System auch vertikal oder gar kopfüber?

Markus Sandhöfner: Ja, die Ausrichtung des Systems spielt prinzipiell keine Rolle. Es muss allerdings darauf geachtet werden, dass bei einem Stromausfall die Shuttles nicht mehr von einem Magnet­feld gehalten werden.

Welche Seitenkräfte kann das System ohne Arretierung aufnehmen?

Markus Sandhöfner: Das hängt vom gewählten Shuttle ab. Die erzeugbaren Drehmomente reichen je nach Shuttlegröße von 0,3 Nm bis zu 30 Nm. Insgesamt gibt es derzeit 10 Shuttlegrößen, die eine Traglast von 0,6 bis 14 Kilogramm haben. Zusätzlich steht jede Shuttlegröße in einer Edelstahl-Variante zur Verfügung, die Schutzart IP69K erfüllen. In der Regel wird man aber bei Applikationen mit einer mechanischen Bearbeitung für eine zusätzliche hochsteife Fixierung der Shuttles sorgen, in Form von Stiften, Spannwerkzeugen oder Niederhaltern.

Mit welcher Präzision wird die Position bei Stillstand gehalten? Gibt es systembedingt kein Ribble oder Zittern?

Markus Sandhöfner: Die Präzision liegt bei 1 µm. Und das eventuelle Zittern fällt so gering aus, dass es vernachlässigbar ist. Was die Wiederholgenauigkeit betrifft – hier schaffen wir mit dem System 5 µm.

Bei all diesen Vorzügen von Acopos 6D, wozu dann noch das Schienen-geführte AcoposTrak?

Markus Sandhöfner: AcoposTrak wird jetzt nicht obsolet – im Gegenteil. Beide Systeme ergänzen sich und werden deshalb in vielen Applikationen kombiniert zum Einsatz kommen. Stark vereinfacht lässt sich sagen, dass Acopos 6D überall dort zum Einsatz kommen wird, wo ein oder mehrere Alleinstellungsmerkmale des Systems erforderlich sind, zum Beispiel die sechs Freiheitsgrade, die hohe Präzision oder die uneingeschränkte Reinraumtauglichkeit. Unsere Track Systeme werden überall dort zum Einsatz kommen, wo hohe Dynamik oder pfeilschnelle Geschwindigkeit über größere Distanzen benötigt werden.

Wie werden die Segmente denn verbunden?

Markus Sandhöfner: Elektrisch per DC-Bus, der mittels Linienverdrahtung die Segmente verbindet. Dieser DC-Zwischenkreis mit 48 bis 60 V kann auch gemeinsam mit weiteren B&R-Komponenten genutzt werden, etwa Schrittmotoren, Servoantrieben oder Track-Systeme. Das Hantieren mit diesen Spannungen ist weitgehend ungefährlich. Daher wird für Inbetriebnahme und Service kein besonders geschultes Personal für hohe Spannungen benötigt. Aufgrund der energieeffizienten Segmente sind Energieverbrauch und Abwärme niedrig. Abhängig von diversen Faktoren wie Beschleunigung, Geschwindigkeit und Gewicht der Ladung liegt der Stromverbrauch pro Shuttle daher nur zwischen 15 bis 50 Watt. Bei den spezifizierten vier Shuttle pro Motorsegment sind das in Summe nur maximal 200 W pro Segment – und die sind thermisch gut zu beherrschen.

Die Datenkommunikation 6D Link wird ebenfalls per Stecker durchgeschleift und verbindet die Segmente mit dem Acopos 6D Controller.

Wie funktioniert das Thermomanagement bei den hermetisch geschlossenen IP69K-Segmenten?

Markus Sandhöfner: Im Normalfall reicht die reine Oberflächenkühlung aus. Jedes Motorsegment verfügt dennoch über eingebaute Leitungen zur Wasserkühlung. Sehr dynamische ­Anwendungen lassen ich damit bei Bedarf einfach und effizient über die integrierte Flüssigkeitskühlung realisieren. Eine zusätzliche Kühlung per Konvektion wird dann nicht benötigt. So erreichen wir ganz einfach die Schutzart IP69K.

Brauchen die innenliegenden Segmente denn keine zusätzliche
Kühlung?

Markus Sandhöfner: Der Kühlbedarf hängt stark von der Applikation ab, das heißt von der Anzahl der Shuttles, den Beschleunigungen und dergleichen. Daher lässt sich nicht pauschal sagen, ob und wo eine aktive Kühlung notwendig ist.

Wie erfolgt denn die Kollisionsvermeidung der Shuttle, rein per Software im Controller oder per Sensorik in den Shuttle?

Markus Sandhöfner: Per Software im Controller. Da jedes Shuttle eine eigene ID hat, kennt der Controller auf den Mikrometer genau, wo sich gerade welches Shuttle befindet.

Wie viele Shuttle dürfen denn maximal auf einem Segment sein?

Markus Sandhöfner: Bis zu vier Shuttle sind möglich. Entsprechend hoch ist die Prozessdichte. Das verringert den Footprint einer Maschine oder steigert die Produktivität. So kann zum Beispiel der Rücktransport von Shuttles auf dem gleichen Segment erfolgen. Das spart wiederum Kosten.

Welcher Maximalausbau ist derzeit machbar. Und in Zukunft?

Markus Sandhöfner: Da Acopos 6D modular und dezentral aufgebaut ist, gibt es prinzipiell keine Beschränkung der Größe hinsichtlich Anzahl der Shuttles und Anzahl der Segmente. Ein Controller kann bis zu 200 Segmente und 50 Shuttles ansteuern. Bei größeren Systemen werden einfach mehrere synchronisierte Acopos 6D Controller eingesetzt.

Welche Safety-relevanten Dinge sind denn bei der Planung zu berücksichtigen?

Markus Sandhöfner: Das hängt ebenfalls sehr stark von der Applikation ab. Wird zum Beispiel ein Messer auf einem Shuttle angebracht, ergibt sich ein völlig anderes Gefahrenpotenzial wie bei stumpfen Aufbauten. Diese Aspekte gilt es bei einer Risiko­beurteilung stets mit zu beachten. Acopos 6D verfügt über eine integrierte STO-Funktion, die mit dem B&R-Safety-Portfolio kompatibel ist.

Wie erfolgt denn die Synchronisierung mit AcoposTrak und den anderen Komponenten?

Markus Sandhöfner: Acopos 6D ist über Automation Studio vollständig in das B&R-System integriert. Damit einher geht die mikrosekundengenaue Synchronisierung mit allen weiteren Automatisierungskomponenten im System. Dazu zählen nicht nur andere Achsen und Achsverbünde, sondern auch Roboter, andere Track-Systeme und die Vision-Kameras.

Beispielsweise können die Shuttles als Achse in einem CNC-Verbund fungieren oder als Master- beziehungsweise Slave-Achse in Kurvenscheibenkopplungen dienen.

Passende Mapp-Components gibt es demnach auch schon?

Markus Sandhöfner: Die Mapp-Komponenten sind derzeit in Entwicklung und werden in ein paar Monaten zur Verfügung stehen. Acopos 6D wird genauso einfach zu programmieren sein, wie alle anderen B&R-Komponenten.

Sind die für Förderbänder typischen Anfahrregelungen verfügbar, um bei Gebinden etwa das Umfallen oder Überschwappen von Flüssigkeiten zu vermeiden?

Markus Sandhöfner: Mehr als das. Da Beschleunigung, Geschwindigkeit und Neigung der Shuttles individuell gesteuert werden können, lassen sich hochentwickelte Anti-Sloshing-Algorithmen verwenden, die auch bei starken Beschleunigungen und Kurvenfahrten verhindern, dass Flüssigkeiten überschwappen.

Reicht denn der maximale Speed von 2 m/s mittel- und langfristig für performante Anlagendesigns aus?

Markus Sandhöfner: Wir haben die offiziellen Leistungsdaten von Acopos 6D bewusst sehr konservativ gewählt. Das sind Werte, die das System ohne jegliche Einschränkung zur Verfügung stellen kann – garantiert. Unter Berücksichtigung gewisser Parameter sind auch höhere Geschwindigkeiten, Kräfte und größere Drehwinkel möglich.

Wann ist das System verfügbar/lieferfähig?

Markus Sandhöfner: Wie gesagt, erste Pilotanwendungen werden gerade im Maschinenbau erprobt; Prototypen sind also sofort verfügbar. Die Serienverfügbarkeit und der Abschluss aller Zertifizierungen sind für Ende 2021 geplant.

_{Das Interview führte Chefredakteur Stefan Kuppinger}