PC-based Control für Robotik in Handhabung, Fertigung und Montage

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1 PC-based Control für Robotik in Handhabung, Fertigung und Montage IPC I/O Motion Automation

2 PC-based Control: Die einheitliche Steuerungsplattform Beckhoff realisiert seit mehr als 30 Jahren Automatisierungslösungen auf der Grundlage PC-basierter Steuerungstechnik, die sich aufgrund ihrer Offenheit und ihrer Leistungsfähigkeit in den unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen erfolgreich bewährt haben. Das global agierende Unternehmen, mit Headquarter und Produktionsstandort in Verl, Deutschland, ist mit 33* Tochterunternehmen und Distributoren in über 60 Ländern vertreten und beschäftigt weltweit rund 2510* Mitarbeiter. Die stetige technologische Weiterentwicklung, das wirtschaftliche Wachstum sowie die hohe Fertigungstiefe und die Produktionskapazitäten von Beckhoff stehen für die Langzeitverfügbarkeit und Liefertreue der PC-basierten Steuerungstechnik. Ein Spezialistenteam für Robotik- und Handling-Applikationen macht Beckhoff zu einem zuverlässigen Partner mit hoher Lösungskompetenz sowie weltweitem Kundenservice und Support. (*Stand April 2014) IPC I/O Motion Automation 2 BeckhofF New Automation Technology Technische Änderungen vorbehalten

3 für die komplette Produktionslinie. Mit der PC- und EtherCAT-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff lässt sich die gesamte Prozesskette einzelner Bearbeitungsmaschinen sowie kompletter Fertigungslinien und Produktionszellen steuern und überwachen. Zuführen, Fügen (Schweißen, Kleben etc.), Montage, Prüfen, Handling und Palletierung können durchgängig mit den Beckhoff Industrie-PCs als Hardwareplattform und der Automatisierungssoftware TwinCAT sowie EtherCAT als Kommunikationssystem realisiert werden. Dabei ist maximale Flexibilität gewährleistet, wenn Produktionszellen oder Fertigungslinien ohne hohen Implementierungsaufwand an wechselnde Anforderungen angepasst oder neue Funktionalitäten problemlos integriert werden. Gleichzeitig stellt die PC-Technologie kontinuierlich mehr Rechenleistung und Speicherplatz zur Verfügung, um den steigenden Anforderungen immer komplexerer Maschinen und Anlagen, mit höherer Funktionalität, gerecht zu werden. 3 Technische Änderungen vorbehalten BeckhofF New Automation Technology

4 PC-based Control integriert Robotik und Condition Monitoring in die Standardsteuerung, Hochleistungs-PCs, mit eigens für den industriellen Einsatz entwickelten Motherboards, Multitouch-Control-Panel als Bedienelemente, schnelle und kompakte I/O-Baugruppen, EtherCAT als offenes und ultraschnelles Kommunikationssystem, flexibel einsetzbare, dynamische Servoantriebstechnik und die SPS- und Motion-Control-Software TwinCAT bilden die Basis für Scientific Automation. Die leistungsstarke PC-Plattform übernimmt, neben der Ablaufsteuerung und der Visualisierung auch Motion Control, Robotik, Sicherheits- und Messtechnik sowie Condition Monitoring. Durch die volle Ausnutzung der Multicore-Technologie moderner Prozessoren lassen sich mit TwinCAT komplizierte mathematische Algorithmen zur Analyse von Messwerten oder für Robotikanwendungen auf separaten Kernen ohne Leistungseinbußen bei der SPS rechnen. Dabei profitiert der Anwender nicht nur hinsichtlich der Synchronisation und der Prozessoptimierung, sondern auch von den Kostenvorteilen durch reduzierte Hardware und geringeren Engineeringaufwand. 4 BeckhofF New Automation Technology Technische Änderungen vorbehalten

5 Zuführung Montage Prüfen Handling optimiert den Fertigungsprozess und reduziert die Kosten. Vom Portalroboter bis zu 6-Achs-Kinematiken mit PC-based Control steht eine durchgängige Automatisierungsplattform für unterschiedliche Robotikanwendungen zur Verfügung. Durch die nahtlose Integration der Robotik in die Maschinensteuerung werden Reibungsverluste bzw. Latenzzeiten, wie sie bei der Kommunikation unterschiedlicher Systeme auftreten, vermieden. So lassen sich die hohe Dynamik und Wiederholgenauigkeit, die bei Handhabungsprozessen gefordert sind, einfach erreichen und der Fertigungsprozess wird optimiert. Die Einbindung des Condition Monitorings über Messtechnikklemmen in die Steuerung erlaubt die Realisierung einer Maschinenüberwachung auch in preissensiblen Bereichen: Messtechnische Größen werden im EtherCAT-Klemmensystem erfasst und in der zentralen Steuerung verarbeitet. Die ebenso effiziente, wie kostengünstige Lösung sorgt für eine längere Lebensdauer der Maschine und erhöht durch vorbeugende Wartung ihre Verfügbarkeit. 5 Technische Änderungen vorbehalten BeckhofF New Automation Technology

6 PC-based Control für alle Robotertypen Zuführung Ethernet... TwinCAT PLC NC PTP/NC I Control Panel Montage Schließen von Regelkreisen über EtherCAT CP-Link 4 (StandardCAT6A-Kabel) Industrie-PC Ethernet USB DVI..... Embedded-PC TwinCAT PLC NC I Kinematic Transformation schneller Werkzeugwechsel durch Hot-Connect Control Panel Prüfen Ethernet USB DVI..... TwinCAT PLC/C++ Condition Monitoring XFC Ethernet Control Panel Kamera Handling TwinCAT PLC NC PTP XTS Waage Ethernet Panel-PC BeckhofF New Automation Technology Technische Änderungen vorbehalten

7 sichere Überwachung des Arbeitsraums EtherCAT-Klemmen flexible Erfassung von I/O-Signalen EtherCAT-Servodrives x-achse y-/z-achsen Bei der Zuführung von Material in die Produktionsanlage ist vor allem Geschwindigkeit gefordert. Die exakte Führung von mehreren gekoppelten Achsen ist eine Stärke der Beckhoff-Automatisierungssoftware TwinCAT. So lassen sich beispielweise die vier Achsen eines Gantry-Roboters über zwei 2-Kanal- Servoverstärker platzsparend realisieren. Die Sicherheitslösung TwinSAFE steht sowohl für sichere Ein- und Ausgänge als auch für die Antriebstechnik mit integrierter Sicherheit zur Verfügung. Servomotor für Hilfsantriebe EtherCAT Box Für Montageschritte, wie Fügen, Kleben, Schrauben, Schweißen etc., kommen häufig Portal- oder Knickarmroboter zum Einsatz. Die PC- und EtherCAT-basierte Steuerung mit mehreren parallelen Tasks und kürzesten Zykluszeiten besitzt die Performance, viele Achsen gleichzeitig anzusteuern. Über die Hot-Connect-Funktion von EtherCAT sind schnelle Werkzeugwechsel realisierbar. Portalroboter Knickarmroboter Hilfsachsen Connectivity zu anderen Feldbussystemen Voraussetzung für eine gleichbleibende Produktionsqualität ist die Anbindung entsprechender Hilfssysteme an die Steuerung. Aufgrund der Schnittstellenvielfalt von TwinCAT lassen sich Geräte mit beliebiger Feldbusschnittstelle anschließen. Über Condition-Monitoring-Klemmen wird die Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen ohne den Einsatz spezieller Hardwaremodule einfach und kostengünstig in die Steuerung integriert. Zuführung Prüfzyklus Weitertransport Das lineare Transportsystem XTS ermöglicht individuellen Produkttransport, d. h. es können gleichzeitig unterschiedliche Fahraufträge ausgeführt werden. Die Mover kabellose Trägermodule bewegen sich bis zu 4 m/s und transportieren die Produkte/Werkstücke hochgenau zur jeweiligen Bearbeitungsstation. Durch das geringe Bauvolumen des XTS kann der Maschinenbauer seine Maschine wesentlich platzsparender konstruieren. XTS extended Transport System uwww.beckhoff.de/xts 7 Technische Änderungen vorbehalten BeckhofF New Automation Technology

8 TwinCAT, die offene Automatisierungssoftware TwinCAT, die offene, skalierbare Beckhoff-Automatisierungssoftware auf der Basis von Windows-Betriebssystemen, bildet das Herzstück der PC-basierten Steuerung. Sie substituiert herkömmliche SPS- und Motion-Steuerungen und verwandelt nahezu jeden kompatiblen PC in eine Echtzeit steuerung mit Multi-SPS-System, Motion Control, Programmierumgebung und Bedienstation. Eine Anbindung an alle gängigen Feldbusse ist integriert. Mit der IEC 61131, C/C++ sowie MATLAB /Simulink steht für jede Aufgabenstellung eine geeignete Programmiersprache zur Verfügung. Zahlreiche SPS-Bibliotheken mit Bausteinen nach dem PLCopen-Motion-Control-Standard erleichtern die Programmierung. Durch die Multicore-Fähigkeit von TwinCAT 3 können alle Cores optimal genutzt werden, was zu einer erheblichen Performancesteigerung führt. uwww.beckhoff.de/twincat 8 BeckhofF New Automation Technology Technische Änderungen vorbehalten

9 integriert Engineering und Runtime auf einer Plattform. Dem Anwender steht mit TwinCAT ein einheitliches Softwaretool zur durchgängigen Konfiguration, Programmierung und Diagnose zur Verfügung, wodurch sich das Engineering deutlich vereinfacht. Robotik- und Motion-Control-Funktionen lassen sich optimal mit TwinCAT NC PTP (Achspositionierung Punkt-zu-Punkt) oder NC I (Achsinterpolation in drei Dimensionen) synchronisieren. Alle NC-Eigenschaften, wie z. B. Kurvenscheiben oder Fliegende Säge, sind auf der gemeinsamen Hard- und Softwareplattform kombinierbar. Mit TwinCAT lässt sich nahezu jede beliebige Roboterkinematik in normaler SPS-Programmiersprache ohne spezielle Robotiktools und -sprachen programmieren. Dadurch ist ein effizientes Engineering garantiert und die Kosten werden gesenkt. Die Einbindung von C- und C++-Code macht es möglich, existierende Roboterkinematiken weiter zu nutzen; MATLAB /Simulink erlaubt die Verwendung bestehender Modelle für Regler oder Simulationen. 9 Technische Änderungen vorbehalten BeckhofF New Automation Technology

10 TwinCAT integriert Roboterkinematiken in die Standardsteuerung TwinCAT Kinematic Transformation integriert die Robotersteuerung in TwinCAT, sodass SPS, Motion Control und Robotik auf einem Industrie-PC zum Ablauf kommen. Neben dem Kartesischen Portal, serieller 2-D- Kinematik, 2-D-Parallelkinematik und 3-D-Delta-Kinematik, stehen auch 6-Achs-Kinematiken zur Verfügung. Die Auswahl und Parametrierung der jeweiligen Kinematik erfolgt komfortabel im TwinCAT System Manager. Dort werden im Kinematikkanal neben dem Typ (z. B. Delta oder SCARA) auch die Stablängen und Versätze parametriert. Für eine Dynamikvorsteuerung können Massen und Massenträgheiten vorgegeben werden. Zusätzlich umfasst die Softwarebibliothek Tracking-Funktionalitäten. Dabei wird der Roboter auf ein bewegtes Objekt aufsynchronisiert, um z. B. Werkstücke von Förderbändern oder von schräg liegenden Drehtellern zu greifen. uwww.beckhoff.de/tf BeckhofF New Automation Technology Technische Änderungen vorbehalten

11 Die TwinCAT Function TwinCAT Kinematic Transformation setzt TwinCAT NC I voraus und ist in vier Levels unterteilt: Level 4: umfasst Level 3 sowie serielle 6-Achs-Kinematiken.. Hexapod 5-D-Kinematiken serielle 6-Achs-Kinematiken Hexapod 5-D-Kinematiken Level 3: umfasst Level 2 sowie komplexere Kinematiken, wie z. B. 3-D-Kinematiken.. SCARA 3-D-Delta 3-D-Kinematik SCARA 3-D-Delta-Kinematik Level 2: umfasst Level 1 sowie zusätzlich einfachere, kinematische Transformationen: Scherenkinematiken.. Rollenkinematiken (H-Bot) 2-D-Parallelkinematiken Scherenkinematik Rollenkinematik (H-Bot) 2-D-Parallelkinematik Level 1: statische Transformation (Translation and Rotation) und verschiedene Kompensationen.. Kartesisches Portal Kartesisches Portal und sorgt für höhere Performance und Genauigkeit. Mit TwinCAT Kinematic Transformation sind verschiedene parallele und serielle Kinematiken, wie sie beispielsweise für Pick-and-place-Aufgaben genutzt werden, einfach realisierbar. Der Roboter fungiert als EtherCAT-Slave; d. h. die Kommunikation zur Beckhoff-Steuerung erfolgt über EtherCAT. Die nahtlose Integration der Roboterkinematiken in die Steuerung erlaubt nicht nur den Verzicht auf eine zusätzliche Roboter-CPU, sondern sorgt auch für die optimale Interaktion und Synchronisation mit der SPS und den bestehenden Motion-Control-Funktionen: Direkte Schnittstellen ersetzen die aufwendige Kommunikation zwischen unterschiedlichen Steuerungen und Systemen. Daraus resultieren eine hohe Performance und eine verbesserte Genauigkeit. 11 Technische Änderungen vorbehalten BeckhofF New Automation Technology

12 PC-based Control: Eine Steuerungsplattform für die komplette Produktionslinie Presse Zuführung Rohmaterial PC-Steuerung für Pressen-Zelle inklusive Kommunikation zu Robotern Abfüllung PC-Steuerung für XTS 12 BeckhofF New Automation Technology Technische Änderungen vorbehalten

13 Transport/Handling PC-Steuerung für Transport/Handling inklusive Pick-and-place-Roboter Zuführung/Verpackung Gebinde/ Kartonierung/ Verpackung PC-Steuerung für Abfüll-Zelle inklusive Kommunikation zu Roboter und XTS. 13 Technische Änderungen vorbehalten BeckhofF New Automation Technology

14 EtherCAT Ultraschnelle Prozesskommunikation für Robotersteuerungen EAP (EtherCAT Automation Protocol) Direkte Ansteuerung der Roboter-Kinematik Direkte Ansteuerung von Roboter und XTS TwinCAT NC I, Kinematic Transformation TwinCAT NC I, Kinematic Transformation Industrie-PC (EtherCAT-Master) Industrie-PC (EtherCAT-Master) EtherCAT-Klemmen (IP 20) EtherCAT-Klemmen (IP 20) EtherCAT-Servodrives EtherCAT-Servodrives EtherCAT Box (IP 67) Pick-and-place- Roboter 14 6-Achs-Knickarm-Roboter Lineares Transportsystem XTS BeckhofF New Automation Technology Technische Änderungen vorbehalten

15 Integration einer externen Robotersteuerung TwinCAT PLC Embedded-PC (EtherCAT-Master) Direkte Ansteuerung der Roboter-Kinematiken Mit TwinCAT Kinematic Transformation (TF511x) lassen sich verschiedene Roboterkinematiken direkt aus TwinCAT heraus an steuern. Hierbei werden die Bahnplanung und die kinematischen Transformationen direkt in TwinCAT durchgeführt. Es ist also keine spezielle externe Robotersteuerung erforderlich, um z. B. einen SCARA oder auch einen 6-Achs-Knickarm-Roboter anzu steuern. Eine Vielzahl an Kinematiken ist bereits vorhanden. Die Integration weiterer kundenspezifischer mechanischer Kon struktionen ist ebenfalls möglich. Die Entwicklung kundenspezifischer Transformationen und Modelle garantiert den Know-how-Schutz. Pick-and-place-Bewegungen können direkt aus der TwinCAT PLC heraus programmiert werden; hierfür stehen verschiedene Libraries zur Auswahl. Bahnbewegungen werden mit TwinCAT NC I nach DIN umgesetzt; d. h. es werden Konturen beschrieben, die mit dem Roboter abgefahren werden. EtherCATKlemmen (IP 20) EtherCATKlemmen (IP 20) Master-/Slave-Kommunikation Master-/Master-Kommunikation Externe Robotersteuerung/Drives (EtherCAT-Slave/FSoE) Externe Robotersteuerung/Drives (EtherCAT-Master/FSoE) Direkte Ansteuerung von Pick-and-place-Roboter und XTS Eine CPU für alles: TwinCAT steuert das XTS und gleichzeitig den Delta-Roboter. Mit TwinCAT hat der Anwender nur eine Programmierumgebung, um die gesamte Anlage zu steuern. Dadurch, dass die aufwendige Kommunikation zwischen verschiedenen Steuerungen entfällt, werden Taktzeiten optimiert. Verschiedene Roboterkinematiken werden unterstützt. Integration einer externen Robotersteuerung in TwinCAT TwinCAT PLC (TC1200) ist die Basis zur Ansteuerung eines 6-AchsKnickarm- oder SCARA-Roboters. Hierbei werden die Verfahrkommandos für den Roboter über die PLC direkt an die Robotersteuerung gesendet. KUKA Robotics bietet zum Beispiel mit mxautomation eine definierte Schnittstelle, um Bewegungen des Roboters direkt aus der TwinCAT PLC heraus zu kommandieren. Hierfür wird eine PLC-Library eingebunden, die, basierend auf der PLCopen Part 4 (Coordinated Motion), direkt via EtherCAT mit mxautomation von KUKA kommuniziert. Schnittstellen zu anderen Roboterherstellern sind in Vorbereitung. Für den Anwender bietet auch diese Variante den Vorteil, dass er keine spezielle Robotersprache erlernen muss, weil alles über PLC-Bausteine programmiert wird. Die gesamte Bedienphilosophie ist unabhängig vom Roboterhersteller. So kann der Roboter mit Hilfe von TwinCAT PLC eingerichtet werden. Es lassen sich Bahnpunkte teachen und anschließend abfahren. 6-Achs-Knickarm-Roboter Technische Änderungen vorbehalten Steuerungskommunikation mit EtherCAT Automation Protocol Die horizontale Kommunikation zwischen Robotern und Maschinen oder eine Anbindung an einen zentralen Leitrechner kann sehr effizient mit dem EtherCAT Automation Protokoll (EAP) erfolgen. EAP ermöglicht eine Echtzeitkommunikation auch im Millisekundentakt. Es nutzt eine klassische Ethernet-Infrastruktur und kann somit über beliebige Ethernet-Medien, auch über Funk, übertragen werden. BeckhofF New Automation Technology 15

16 DK Unternehmenszentrale Beckhoff Automation GmbH Eiserstraße Verl Germany Telefon: + 49 (0) / info@beckhoff.de Produkte online Auf erhalten Sie aus führliche Informationen über das Beckhoff-Produkt programm. Animationen, Videos und interaktive Online-Vorträge ergänzen die Informationsvielfalt. Printmedien online Die Beckhoff-Kataloge und -Flyer stehen im Internet zum Download zur Verfügung. Weitere gedruckte Exemplare können Sie über das Online-Bestellformular anfordern. Gesamtkatalog PC-Control-Magazin Beckhoff, TwinCAT, EtherCAT, Safety over EtherCAT, TwinSAFE, XFC und XTS sind eingetragene und lizenzierte Marken der Beckhoff Automation GmbH. Die Verwendung anderer in dieser Dokumentation enthaltenen Marken oder Kennzeichen durch Dritte kann zu einer Verletzung von Rechten der Inhaber der entsprechenden Kennzeichen führen. Beckhoff Automation GmbH 05/2014 Die Informationen in dieser Druckschrift enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungs merkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsabschluss ausdrücklich vereinbart werden. Bildnachweis: ABB ROBOTICS, Schweden ARC Specialties, USA IMA Meinert GmbH KOCH Pac-Systeme GmbH KUKA Roboter GmbH Stäubli Robotics