Maschine und Roboter wachsen zusammen

Annina Schopen,

Mit KI schon vor der Öffnung unterwegs

Stimmen Spritzgießmaschine und Roboter ihre Bewegungsabläufe aufeinander ab, reduziert dies in vielen Anwendungen die Zykluszeit. Denn der Roboterarm kann bereits in den Werkzeugbereich einfahren, solange die Maschine noch in Bewegung, das Werkzeug also noch nicht vollständig geöffnet ist. Das Assistenzsystem iQ motion control von Engel ermöglicht einen sicheren Frühstart, kombiniert mit einer vollautomatisch optimierten Bahnplanung.

Fährt der Roboter noch während der Formöffnungsbewegung in den Werkzeugbereich ein, kann dies Zykluszeit einsparen. Besonders groß ist der Effekt bei Bauteilen mit langen Kernen, wie beispielsweise Boxen. © Engel

Fließende Bewegungsabläufe entstehen, indem Bewegungen harmonisch ineinandergreifen. Erst dann werden sie ökonomisch und effizient. Das Gehirn jedes Lebewesen beherrscht dieses kraft- und zeitsparende Zusammenspiel unterschiedlicher Gliedmaßen – ein Roboter oder automatisierte Maschinen und Prozesse sind in diesem Punkt nur so gut, wie es der Mensch über die Steuerung des Systems zu programmieren vermag.

In einer Spritzgießzelle gibt es viele unterschiedliche, sich bewegende „Glieder“. Einige davon bestimmen die Zykluszeit des Spritzgießprozesses entscheidend mit. Dazu gehören die Ein- und Ausfahrbewegungen des Entnahmeroboters sowie die Öffnungs- und Schließzeit des Werkzeugs. Es ist einleuchtend, dass viel Zykluszeit verschenkt wird, wenn ein Entnahmeroboter sich erst dann in Bewegung setzt, wenn das Spritzgießwerkzeug vollständig geöffnet wird.

Um in der Produktionszelle fließende Bewegungen zu erreichen, legt Engel sein Augenmerk auf das Zusammenspiel der Bewegungen von Spritzgießmaschine und Automatisierung. Liefert das Unternehmen von der Spritzgießmaschine über die Automatisierung und weitere Peripherie bis zur Prozesstechnologie die komplette Produktionszelle aus einer Hand, greifen alle Komponenten der Zelle auf dieselbe Steuerungsplattform und dieselbe Datenbasis zu und haben damit die besten Voraussetzungen für eine minimale Gesamtzykluszeit.

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Da eine Spritzgießzelle diese ineinandergreifenden, parallelen Bewegungen nicht per se beherrscht, muss der Bediener die Bewegungen über die zentrale Bedienstation oder das mobile Handbediengerät festlegen. Er muss den Roboter „teachen“ – ihm Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Einfahrbewegung vorgeben. iQ motion control reduziert diesen Teach-Aufwand auf wenige Klicks.

Optimierte Bahnplanung spart Zykluszeit

Linearroboter bewegen sich in der Regel von Punkt zu Punkt. Diese einzelnen Punkte werden beim Teachen festgelegt. Um eine optimale Bahn zu erreichen, bestimmt der Anlagenbediener die Bahnkurve (Trajektorie) manuell und legt dafür sehr viele Punkte fest, um die Fahrwege zu optimieren.

iQ motion control arbeitet mit einer optimierten Bahnplanung (rechts). Die Bahn wird gesamt-heitlich berechnet und nicht wie bisher mittels Überschleifen von Einzelachsbewegungen generiert. © Engel

Beim Feature iQ motion control, das neue Linearroboter der Engel-Viper-Serie als Standard an Bord haben, wurde eine optimierte Bahnplanung bereits implementiert. Der Linearroboter berechnet seine Bahn und somit müssen deutlich weniger Parameter eingestellt beziehungsweise Positionen geteacht werden. Damit wird die Zykluszeit des Spritzgießprozesses und darüber hinaus auch die Einrichtungsdauer und der Zeitbedarf für das Teachen deutlich verkürzt.

iQ motion control ist das jüngste Produkt in der Reihe der intelligenten Assistenzsysteme von Engel. Den größtmöglichen Nutzen für den Anwender im Blick, muss das Bedienen der Assistenzsysteme sehr einfach sein. So gibt es auch bei iQ motion control zum Einstellen der Entnahme eine intuitive Maske mit allen verfügbaren Optionen.

In drei Schritten zur optimierten Bahnplanung

Um beim Einfahren die Bewegung des Roboters so zu planen, dass er die Entnahmeposition genau dann erreicht, wenn das Werkzeug die Formöffnungsposition erreicht, sind gewisse Randbedingungen zu berücksichtigen. Zum einen die vom Nutzer eingestellten Parameter wie Positionen und Linearabstände sowie die Bewegung der Form. Zum anderen die roboterspezifischen Grenzwerte für Geschwindigkeit, Beschleunigung und weitere Parameter.

Um die optimalen Einfahrbewegung zu bestimmen, sind folgende Schritte notwendig, die mit aktiviertem iQ motion control automatisch abgearbeitet werden:

1. Die „optimale Trajektoriendauer“ bestimmen: Basierend auf dem letzten Zyklus wird die Zeitspanne vom Erreichen der eingestellten Frühstartposition bis zur Formöffnung gemessen. Diese Zeitspanne tF,opt entspricht der Trajektorien-dauer des Roboters, damit Roboter und Form ihre Endpositionen zeitgleich erreichen.

2. Die kürzestmögliche Robotertrajektorie berechnen: Mit Hilfe der roboterspezifischen kinematischen Limits (maximale Geschwindigkeit, maximale Beschleunigung etc.) der einzelnen Achsen und des vom Bediener definierten Linearabstandes lässt sich eine Robotertrajektorie berechnen. Die Trajektoriendauer tR,opt ist dabei die kürzest mögliche Trajektoriendauer, die unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen erreicht werden kann. Ist die Frühstartfunktion deaktiviert, wird diese Trajektorie verwendet, der Roboter fährt die Einfahrbewegung also unter Ausnutzung seiner Limits ab.

3. Die Trajektorie skalieren: Bei aktivierter Frühstartfunktion ist darauf zu achten, dass die Trajektoriendauer der Roboterbewegung tR,opt größer oder gleich der ermittelten optimalen Dauer tF,opt ist. Ist dies ohnehin der Fall, dann ist es dem Roboter aufgrund seiner Limits nicht möglich, die Zielposition zeitlich mit der Form zu erreichen. Gilt jedoch tR,opt <tF,opt, würde der Roboter auf die Form auffahren. Um dies zu vermeiden, erfolgt eine Skalierung der Trajektorie, sodass die Bedingung tR,opt=tF,opt erfüllt ist.

Die Funktion kompensiert etwaige Langzeiteffekte wie beispielsweise Unterschiede im Fahrverhalten zwischen kalter und warmer Maschine, Temperatureinflüsse etc.

Frühstart erwünscht und unterstützt

Die Zykluszeit wird bei heutigen Systemen auch dann unnötig verlängert, wenn die Form beim Öffnen auf den Roboter warten muss, bis dieser in dem Entnahmebereich einfährt und die Teile entformt. Da der Roboter in einer Engel-Spritzgießzelle aufgrund der integrierten Steuerung direkt auf die Maschinendaten, wie Formöffnungshub und Position der beweglichen Platte, zugreifen kann, fahren Roboter und Maschine eine abgestimmte Bewegung und sind für die Entnahme idealerweise zur selben Zeit an der Formöffnungsposition beziehungsweise in Entnahmeposition. Im Idealfall wird dann der Zyklus durch das Einfahren des Roboters nicht verlängert.

Die Gegenüberstellung zeigt das Potenzial von iQ motion control zu Zykluszeiteinsparung auf. © Engel

Die Zykluszeit wird mit Hilfe von iQ motion control verkürzt, da die Form nicht auf den Roboter warten muss. Dies wird dadurch erreicht, dass der Roboter beim Einfahren nicht auf den vollständig erreichten Formöffnungshub warten muss, sondern durch das bereits bekannte und in iQ motion control vollständig integrierte Feature „Frühstart“ frühzeitig in den Maschinenbereich einfahren kann. Auf der Einstellmaske wird ein Vorschlag für die Frühstartposition, der auf den Roboter- und Maschinen-Einstellparametern basiert, angezeigt.

Mehrstufige Sicherheit durch intensiven Datenaustausch

Um trotz des frühzeitigen Einfahrens in den Maschinenbereich eine Kollision zwischen Roboter und beweglicher Formhälfte sicher auszuschließen, arbeitet iQ motion control mit einem zweistufigen Sicherheitsnetz.

Die erste Stufe korrigiert frühzeitig die Roboterbewegung bei erkannten Abweichungen von der geplanten Formbewegung. Die zweite Stufe stellt sicher, dass der Roboter im Falle einer Ausnahmesituation oder eines Nothalts noch rechtzeitig vor einem Kontakt mit der Form abbremsen kann. Da der Roboter die genaue Position der beweglichen Aufspannplatte kennt, stoppt er folglich auch in time, sollte eine Kollision drohen. So können Schäden an Werkzeug und Greifer-System bei unvorhergesehenen Fehlpositionen oder fehlerhaften Einstellungen dank des direkten Datenaustauschs innerhalb der gemeinsamen Steuerung der integrierten Systemlösung sicher vermieden werden.

Wer profitiert von iQ motion control?

Selbst Prozesse mit einfachen Entnahmebewegungen können sehr gut durch iQ motion control optimiert werden. Besonders profitieren Anwender, die tiefe Spritzteile – beispielsweise Gehäusekomponenten, Boxen oder Container mit einem langen Kern – produzieren, da die Maschine hier einen besonders großen Formöffnungshub fahren muss.

Um das Potenzial auszuloten, hat Engel Versuche mit einem Viper-12-Linearroboter durchgeführt. Bei einem Formöffnungshub von 490 mm und einer maximalen Geschwindigkeit der beweglichen Werkzeugaufspannplatte von 1.465 mm/s wurde eine Gesamtzykluszeit von 15 Sekunden erreicht. Mit dieser Zeit lassen sich laut Engel bei einem angenommenen Dauerbetrieb über 24 Stunden mit iQ motion control und Frühstart pro Tag 236 Teile mehr produzieren als mit der sequentiellen Drei-Punkt-Entnahme.

Der Einsatz von iQ motion control ist vom Typ der Spritzgießmaschine und der Art der Entnahme unabhängig. Das Assistenzsystem passt sich selbsttätig an die jeweilige Entnahmevariante an. Das umfasst sowohl die vertikale als auch – bei holmlosen Maschinen – horizontale Entnahme für die bekannten Aufbauvarianten – sowie die bedienrückseitige, bedienseitige oder auch stirnseitige Ablage bei Längsaufbauten.

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