History in the Making
Neuartige Produkte aus ein -oder mehrfarbigen Kunststoffen wie Mobiltelefone oder medizinische Geräte erfordern schlag- und kratzfestes Material. Die Herstellung erfolgt deshalb mit hohen Temperaturen, erfordert einen schnellen Einspritzvorgang und eine extreme Dynamik beim Öffnen und Schließen der Form. Dies ist mit herkömmlicher Automatisierungstechnik nicht kostengünstig zu lösen, sondern erfordert innovative Konzepte.
Haben Sie sich neulich auch eine Brille gekauft? Dann sicher eine mit diesen neuartigen, kratzfesten Kunststoffgläsern mit spezieller Beschichtung gegen Spiegelungen! Dass es sich dabei um ein Hightech-Produkt handelt kommt einem eigentlich kaum in den Sinn. Dabei dauert die Evolution der Produktionsmethoden, die eine solche Präzision im Spritzen von Kunststoffen erlauben schon mehr als zehn Jahre an. Künftig werden Teile für medizinische Anwendungen statt aus Stahl ebenso aus Kunststoffen sein, wie die Flachbildschirme der nächsten Generation.
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Die Anforderungen hochpräziser Fertigungstechnik gehen über die Logikverarbeitung traditioneller SPS-Technik weit hinaus. Die hohe Effektivität moderner Automatisierung wird maßgeblich durch ein Maximum an Flexibilität und Dynamik erreicht. Dies erfordert immer kürzere Reaktionszeiten der Steuerungs- und Regelsysteme. Die Ergänzung der SPS durch Servoantriebe mit einer Vielzahl von Parametern erhöht hierbei nur die Komplexität der Aufgabe ohne zu deren Lösung beizutragen.Die Notwendigkeit einer nahtlosen Verzahnung von Antrieb und Steuerung wird am Beispiel einer vollkommen elektrisch angetriebenen Kunststoff-Spritzguss-Maschine deutlich. Im Gegensatz zur konventionellen Technik werden keine hydraulisch betriebenen Schließzylinder und Einspritzpumpen eingesetzt. Die volle Schließkraft wird alleine durch den elektrischen Antrieb aufgebracht. Kritisch ist dabei die zeitliche Abstimmung der einzelnen Vorgänge auf die extrem kurze Zeitspanne, bei welcher der Hauptantrieb die Form bei Stillstand des Motors unter Volllast geschlossen hält und die Einspritzung des Kunststoffs erfolgt.
Für beide gilt, dass neue Produkte zunehmend höhere Leistung und vor allem eine genauere Regelung des Verlaufs der Druckprofile erfordern, die mit herkömmlichen, hydraulischen Spritzgussmaschinen nicht zu erreichen sind. Die Regelung des Einspritzdrucks gemäß einem vorgegebenen Profil führt dabei zu einem gleich-mäßigen Füllvorgang auch bei komplexen Formen des Produkts. Qualitätssicherung mit PC-basierter Automation Neue Produktionsmethoden an der Grenze des technisch Machbaren erfordern ein besonderes Augenmerk bei der Gütekontrolle und Qualitätssicherung. Bedeutung erlangt dies vor allem bei der Produktion medizinischer Geräte und bei Produkten, die eine Nullfehler-Güte verlangen wie LCD-Bildschirme. Die Erfassung der PC-basierte Steuerung als Komplettlösung Das Mechanical Institute & Research Lab in Hsin Chu (Taiwan) hat deshalb für den All Electric Injection Moulding Controller eine PC-basierte Automatisierungstechnik gewählt. Die analogen und digitalen Ein/Ausgänge sind ebenso wie die Servoantriebe als PC-Karten realisiert. Dies führt zu einer kompakten aber durch einfachen Austausch von Karten leicht wartbaren Steuerungslösung.
Da DOS bereits seit vielen Jahren in anderen MIRL-Projekten eingesetzt wurde, lagen hierfür bereits Erfahrungswerte für die wesentlichen Leistungsdaten vor. Die Entwicklung einer zeitgemäßen grafischen Benutzeroberfläche ist damit aber nicht möglich. Die bewährte Kombination von Windows XPembedded, erweitert um ReadyOn und RTX zur Erlangung der Echtzeitfähigkeit, schied wegen des hohen Speicherbedarfs und der anfallenden Laufzeitlizenzen aus. |
und hat eine gute Echtzeitfähigkeit und wurde deshalb eingesetzt. Der Nachteil liegt dort eher in der vergleichsweise aufwendigen Implementierung der Geräteanbindung unter Echtzeitbedingungen.
als künftige Alternative bereits qualifiziert. Die Verfügbarkeit für eine große Anzahl Controller ermöglicht dabei auch Embedded-Lösungen mit vergleichbarer Leistung Die Laufzeitumgebung auf der Steuerung muss sowohl den hohen Anforderungen an die Verarbei- tungsgeschwindigkeit der Motion-Control-Algorithmen gerecht werden, als auch in der Lage sein ein deterministisches Echtzeitverhalten für die SmartPLC zu gewährleisten. Dies ist im beschriebenen Anwendungsfall notwendig, weil die rein elektronische Auslegung der Antriebe in der Spritzgießmaschine die erfordert. Es muss insbesondere gewährleistet werden, dass der Antrieb für das Schließen der Form zeitlich unter allen Umständen deterministisch gesteuert werden kann, um eine Überlastung des Motors im geschlossenen Zustand der Form zu vermeiden. Dieser steht kurzzeitig unter voller Last still! Die gemessene Zykluszeit von 0,64ms bei einer Größe des Anwendungsprogramms von 250kB ist Bestleistung sowohl hinsichtlich Performance als auch Kompaktheit des Anwendungsprogramms! Die SmartPLC selbst kann die hohen Anforde-rungen an die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit erfüllen, weil sie einen prozessoroptimierten Native Code ausführt. Die Kommunikation zum Program- miersystem wird dabei so von der Ausführung des SPS-Zyklus entkoppelt, dass keine gegenseitige Beeinflussung möglich ist. Nur die nahtlose Kopplung zwischen SmartPLC und Motion Control eingebettet in Windows CE als Echtzeitbetriebs-system gewährleistet ein deterministisches Lauf- zeitverhalten des Gesamtsystems.
Bei einer voll elektrisch betriebenen Kunststoffspritzmaschine ist die Integration von Antriebssteuerung und SPS-Anwendungsprogramm der Schlüssel zu mehr Flexibilität, Produktivität und Qualität. Deshalb wurde der Funktionsumfang der IEC 61131-3-konformen Programmierumgebung mit OpenPCS von infoteam um eine Bibliothek leistungsfähiger Funktionsbausteine gemäß PLCopen-Profile ergänzt, die alle vier geregelten Achsen koordiniert ansteuern kann. Der komplexe Zusammenhang zwischen Einspritzdruck und Schließkraft erfordert dabei eine umfassende Ablaufsteuerung der Achsen untereinander. Die geforderte Zykluszeit von weniger als einer Milli- sekunde konnte nur durch den Einsatz von Stützpunkttabellen und der daraus berechneten Kurvenscheibentechnik erreicht werden.
Dies hat sich als wesentlich flexibler erwiesen, als das schrittweise Positionieren im Antrieb oder die Auslagerung der Funktionalität an dezentrale Motion Controller. Die technologische Innovation ist dabei die Realisierung der PLCopen Standard Motion Control-Funktionsbausteine. Deren Verknüpfung im CFC-Projektierungstool ermöglicht eine einfache, grafische Darstellung des Bewegungsablaufs und zugleich der Synchronisation zwischen mehreren Achsen. Mehrere Instanzen dieser Bausteine können miteinander verknüpft werden, um so Verfahrsequenzen achsspezifisch zu realisieren. Neben dem lagegeregelten Positionieren werden auch geschwindigkeitsgeregelte Bewegungsarten unterstützt. Technologische Funktionen wie Kurvenprofile und Getriebegleichlauf ehören ebenso dazu, wie Druckmarkenkorrekturfunktionen sowie weg- oder zeitabhängige Synchronisationsprofile. Die Spezifikation vereinheitlicht hierbei nur die reine Aufrufschnittstelle der Bausteine. Deren Implemen-tierung ist hardwarespezifisch und kann zum Beispiel in Form von Firmware-Bibliotheken für einzelne Antriebe hinterlegt sein. Zudem lässt es die IEC 61131-3-konforme Spezifikation der Bausteine zu, dass diese entsprechend den Anforderungen Diese Standardisierung lässt immer noch sehr viel Spielraum für die Integration im Programmier-system, die zudem um geeignete Anwendungen zur Konfiguration, Inbetriebnahme und Visualisierung von Motion-Control-Systemen ergänzt werden müssen. Vom Pilotprojekt zur Standardtechnologie Mit der „AllePLC“-Steuerung von MIRL und der SmartMotion-Implementierung ist der Nachweis gelungen, dass vollständig elektrisch angetriebene Kunststoffspritzmaschinen mit einer preiswerten Standardtechnologie auf PC-Basis neue Maßstäbe bei den Leistungs- und Qualitätsdaten setzen können. Die Zukunft gehört offenen Standards! Nach IEC 61131-3 mit Motion-Control-Bausteinen und standardisierter Feldbustechnologie gewinnt Embedded-Linux als Echtzeit-Betriebssystem immer mehr an Bedeutung. Nach erfolgreicher Portierung der SmartPLC-Laufzeitumgebung auf Linux, ist die Ergänzung zu SmartMotion bereits erfolgt. Die Realisierung der Maschinenbedienung unter Linux verspricht weitere Verbesserungen insbesondere hinsichtlich der deterministischen Reaktionszeit auf Benutzereingaben. Der Erfolg des Projekts hat in Taiwan bereits zwölf Hersteller von Steuerungen für Kunststoffspritzmaschinen zusam-mengebracht, welche diese neue Technologie künftig einsetzen werden. |
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