Die vollautomatische Schweißzelle Wigpod arbeitet mit einer Hexapod-Kinematik und erreicht damit eine hohe Dynamik bei einer Bahngenauigkeit im zweistelligen µm-Bereich. (Bild: Beckhoff)
Der erste Eindruck trügt: Es ist keine erstklassig gelungene Silikonfuge auf die Castro-Geschäftsführer Udo Massari voller Stolz deutet, sondern der absolut gleichmäßige Wulst der Schweißnaht an einem Titan-Katalysator. „Wir sind die einzigen, die diese Qualität liefern können. Noch nicht einmal ein Roboter schafft das“, betont Massari. Sein Geheimnis: Wigpod, eine automatisierte Wolfram-Inertgas-Schweißzelle, die mit Parallelkinematik arbeitet. Die sechs parallel angeordneten Achsen können ihre Länge verändern und sich in allen drei translatorischen und rotatorischen Freiheitsgraden bewegen. Die steuerungstechnische Basis bildet die Automatisierungsplattform von Beckhoff Automation in Verl. Der Umstieg von der zuvor verwendeten Steuerungstechnik auf PC-based Control gelang laut Udo Massari überraschend einfach und schnell: „Innerhalb von nur vier Monaten hatten wir die Steuerung erneuert sowie die Transformationsanpassung und das HMI realisiert.“ Eine Erfahrung, die auch Peter Böckstiegel machte. Der Geschäftsführer des unterstützenden Systemintegrators ergänzt: „Bei allen Projekten unterstüzt Beckhoff, sodass auch ich als kleineres Unternehmen anspruchsvolle Aufträge erfüllen kann. Dazu trägt vor allem bei, dass sogar sehr individuelle Aufgaben wie bei Castro äußerst zuverlässig gelöst werden.“
Auf die Schnelle
Das Wesentliche in 20 Sek.
- Hexapod-Mechanik steigert Schweißqualität
- 6-Achsverbund positioniert im Hundertstel-Millimeter-Bereich
- Stewart-Transformation ist Kern des mathematischen Modells
Komplette CNC-Funktionalität implementiert - Schnelle und günstige Montage durch One Cable Technology
Immer wieder hochgenau
Von Hand und mit herkömmlichen CNC-Maschinen in dieser Präzision nicht zu schaffen: Schweißnaht eines Aluminium-Hochdruckfeuerlöschers. Beckhoff
Castro entwickelt seit den 1990er Jahren Systeme auf Basis von Hexapoden. Zunächst begannen die Augsburger mit medizinischen Behandlungs- und OP-Liegen. Nach einigen Jahren Entwicklungsarbeit kam 2009 mit ‚Cadpod‘ die erste Lösung für den Maschinenbau auf den Markt. Udo Massari blickt zurück: „Die Herausforderung bei der Entwicklung bestand vor allem in der Umsetzung der Parallelkinematik in CNC-basierte Steuerungstechnik. Mit dem Einsatz von PC-based Control hat nun eine Ära begonnen, die den Anforderungen des Präzisionsmaschinenbaus perfekt entspricht.“
Die Caspod-Baureihe umfasst 6-achsige Maschinenzellen mit Parallelkinematik, die sich für die unterschiedlichsten Fertigungsschritte auslegen lassen, wie Schweißen, Entgraten, Fräsen, Polieren oder Laserschneiden. Die kompakte Bearbeitungszelle arbeitet sehr dynamisch, mit hoher Bahngenauigkeit und großer Steifigkeit. Die neue Schweißzelle Wigpod kann den 0,5 kg schweren WIG-Schweißbrenner mit einer Toleranz im Hundertstel-Millimeter-Bereich positionieren, bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 60 m/min – und das bei nur einem Bruchteil der Leistungsaufnahme herkömmlicher Arbeitsmaschinen.
Möglich wird dies, weil die sechs Achsen mit ihrer geringen Eigenmasse parallel angeordnet sind: „Die Besonderheit besteht darin, dass die Bewegung in einer Achsrichtung von sechs statt nur einem einzigen Antrieb ausgeführt wird“, so Massari. Herkömmliche, seriell angeordnete Systeme müssen hingegen für die gleichen Aufgaben mehrere 100 kg an Eigengewicht bewegen und erreichen dabei schnell Leistungsaufnahmen von mehreren kW. Bei vergleichbarem Arbeitsraum arbeitet Wigpod mit einer Leistungsaufnahme von nur 0,8 kW um ein Vielfaches effizienter. Somit können Bauteile für Handwerk, Industrie, Luft- und Raumfahrt sowie Automotive – insbesondere aus Titan, Aluminium und Edelstahl – vollautomatisch ohne Anlauffarben, energieeffizient sowie umwelt- und gesundheitsschonend geschweißt werden.
Wie die Stewart-Transformation bei der Kinematik des Hexapoden hilft, lesen Sie auf Seite 2.
Castro-Geschäftsführer Udo Massari (links) und Peter Böckstiegel, Geschäftsführer von Böckstiegel Automation, am speziell für den Einsatz an Werkzeugmaschinen konzipierten Control Panel CP6942. Beckhoff
Transformation der Kinematik ist entscheidend
Die komplexe Kinematik eines Hexapoden in die Maschinenbau-typische CNC-Technik umzusetzen, galt bei dem Projekt als besondere Herausforderung. Kernstück des dahinterstehenden mathematischen Modells ist die Stewart-Transformation. Sie sorgt dafür, dass sich die Servomotoren der sechs Achsen aufeinander abgestimmt ansteuern lassen und somit exakt fließende Bewegungen erzeugen. Dazu erhält die Stewart-Plattform von der übergeordneten CNC die Sollwerte sämtlicher Bewegungsabläufe, berechnet daraus die Achspositionen und meldet der Antriebssteuerung diese Werte zurück. Peter Böckstiegel erläutert dazu: „Beckhoff stellt hierfür in der Twincat 3 CNC die entsprechenden mathematischen Übersetzungstools oder Kinematiktransformationen bereit. Dies ermöglicht eine besonders einfache und flexible Bedienung und Programmierung.“ Die Software umfasst die komplette CNC-Funktionalität und deckt damit den gesamten Bereich klassischer CNC-Bahnsteuerungen bis hin zu komplexen Bewegungs- und Kinematikanforderungen ab. Zur Umsetzung bei Wigpod erläutert Dieter Auer, Spezialist für Applikationssoftware in der Beckhoff-Niederlassung München: „Durch die Steuerung und Transformation mit Twincat ist es gegenüber dem Vorgängersystem nun auch möglich, um eine weitere Achse zu drehen.“ Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Schweißkopf um die zu schweißende Naht gedreht werden muss.
Bei den zweiachsigen Antriebsverstärkern sorgen die One Cable Technology und Ethercat für eine übersichtliche Verdrahtung. Beckhoff
Als hoch skalierbares System bietet die PC-basierte Steuerungstechnik zudem die für jede Anwendung passende Hardware-Plattform – bei Wigpod ist es ein Schaltschrank-PC C6920. Die harte Echtzeit des Twincat Realtime-Kernels und die schnelle Systemkommunikation über Ethercat schaffen die Voraussetzungen für eine hochpräzise Bewegungssteuerung. Zur Bedienung wird das anwendungsspezifisch ausgelegte 15″-Control-Panel CP6942 für Werkzeugmaschinen mit CNC-Tastatur-Erweiterung eingesetzt. Als Bedienoberfläche dient das CNC-HMI von Twincat. Es lässt sich über Microsoft-.Net-Standards programmieren und ermöglicht durch sein offenes, modulares Konzept ein anwendungsgerechtes Design. Die sechs Hauptachsen der Schweißzelle werden von Servomotoren aus der Baureihe AM8000 angetrieben. Zusätzlich gibt es zwei Hilfsachsen für die lineare Teilezuführung und rotatorische Bauteilpositionierung. Für die insgesamt acht CNC-Achsen sind vier kompakt bauende, zweikanalige Servoverstärker AX5203 im Einsatz. Sie unterstützen insbesondere schnelle und hochdynamische Positionieraufgaben und erfüllen damit, laut Peter Böckstiegel, optimal die Anforderungen der Schweißzelle. Ein weiterer Vorteil der Beckhoff-Antriebstechnik sieht er in der One Cable Technology (OCT), die einen verringerten Verdrahtungsaufwand mit deutlich reduzierten Material- und Inbetriebnahmekosten ergibt.
Sichere Fahrt auch beim Einrichten
Zum Schutz der Bediener vor gefährlichen Bewegungen sind in den Servoverstärkern Optionskarten eingebaut. „Vor allem bei Testläufen mit neuen Produkten oder beim Einrichten der Maschine ist es wichtig, dass der Bediener auch per Hand in den Arbeitsprozess eingreifen kann“, so Böckstiegel. Mit Twinsafe kann die Schweißzelle bei Bedarf auch bei offener Tür oder mit einer sicher reduzierten Geschwindigkeit arbeiten, ohne dass eine Gefahr für den Bediener besteht.
SPS IPC Drives 2017 Halle 7, Stand 406
