Mechatronik, quo vadis: Funktionsintegration in der Automatisierungstechnik

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1 Mechatronik, quo vadis: Funktionsintegration in der Automatisierungstechnik Mechatronische Systeme Dezentrale Lösungen Applikation und Inbetriebnahme Mechatronische Simulation Dr. Dietmar Tilch Referent Technik Strategie Fabrikautomation und Anlagenausrüstung Bosch Rexroth AG Lohr a. Main Motek Kongress Mechatronik , Stuttgart

2 Bosch Rexroth The Drive & Control Company , Abteilung Bosch Rexroth AG DC/ECI-Tilch,Funktionsintegration Alle Rechte vorbehalten, in der auch Automatisierungstechnik bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Bosch Schutzrechtsanmeldungen. Rexroth AG 2009: Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. A5

3 Bosch Rexroth Automatisierungslösungen Antriebs- und Steuerungstechnik Automatisierungslösungen Mechatroniksupport für optimales Maschinendesign Vorgefertigte Baukastenlösungen Elektrik Hydraulik Lineartechnik Pneumatik

4 Funktionsintegration in der Automatisierungstechnik Mechatronik Funktionsintegration Begriffsklärung Mechatronische Systeme Maximale Flexibilität und Wirtschaftlichkeit in unterschiedlichen Applikationen Dezentrale Lösungen Verteilte Intelligenz, vereinfachte Modularisierung und Standardisierung von Maschinen Integrierte Engineering-Tools Einfache Einbindung und Inbetriebnahme mechatronischer Systeme Mechatronische Simulation im Maschinenentwicklungsprozess Schnellere Entwicklung von performanten Maschinen Modulen bei optimierten Kosten

6 Mechatronik Elektrik / Elektronik Mechanik Mechatronik Sensorik / Software Begriff Mechatronics 1969 von Yaskawa geprägt ursprünglich: Synthese von Mechanik und elektrischer Aktorik Heute: Ergänzung durch Sensorik, Software und Kommunikation zu autonomen Modulen Zusammenwirken von: Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik

7 Funktionsintegration Bewegung, Handling ergänzende Funktionen - lokale Intelligenz - Diagnostik - schnelle Adaption - Funktionsintegration Mechatronisches System Elektrik / Elektronik Mechanik Mechatronik Sensorik / Software + Zusatznutzen Funktionsintegration = Die Basis für innovative mechatronische Systeme

9 Treiber funktionsintegrierter Lösungen Substitution klassischer, mechanischer Antriebstechnik Kostenreduzierung mehr Flexibilität - einfache Produkt- und Formatwechsel Modularisierung eigenständige Teilfunktionen standardisierte Anbindungen Parallelisierte Applikation und Inbetriebnahme Reduzierung der Systemkomplexität Miniaturisierung Variantenbeherrschung (Varianz in die SW-Applikation)

10 Software ersetzt bzw. vereinfacht Mechanik Beispiel Verpackungsmaschine 1990 Ein zentraler Antrieb mit mechanischer Verzweigung (Königswelle, Getriebe) Mechanische Adaption => unflexibel Motion Logic Controller ab 2006 Substitution Königswellen, Getriebe, Kurvenscheiben durch Software Verteilte Direktantriebe 1998 Synchronisation über Antriebs-Software Ablaufsteuerung Synchronlauffunktion in Antriebs-Software Motor-integrierte Antriebstechnologie Realisierung der Maschinenfunktionen durch konfigurierbare Motion-Logic Funktionsblöcke Erlaubt modulare Maschinenkonstruktionen und schnelle Formatwechsel ohne Hardware- Änderungen Standardisierte Programmierung von Motion und Logik nach IEC in einer Engineering-Umgebung Beispiele für Funktionsblöcke: Elektronisches Elektronische Kurven- Getriebe scheibe Synchronisation Quersiegler

11 Funktionsintegration mittels integrierter Bibliothek Robot Control Einfaches Engineering über vorgefertigte mechatronische Bibliotheksfunktionen Electronic Gears Electronic Cams Motion Profile Synchronisation Virtual Master Axes Real Master Axes Temperatur Temperature Control High Speed Cams Cross Cutter

12 Mechatronik in der Fluidtechnik Axialkolbenpumpe mit Onboard-Elektronik (OBE) Verfügbare Ansteuervarianten Steuerdruckabhängige Verstellung Elektrische Prop.- Verstellung Elektrische Zweipunktverstellung OBE mit Druck-, Drehzahlsensoren und Schwenkwinkelsensoren Wegabhängige Verstellung Drehzahlabhängige Verstellung Ersatz mechanischer Bauteile durch Elektronik Abbildung der Bauteilvarianz und Funktionen durch Software

13 Mechatronik in der Fluidtechnik Drehzahlvariable Pumpenantriebe 3~ 3~ p Q Aggregat (hydraulischer Output) Drehzahlvariabler Asynch.Motor Offener hydraulischer Kreis Stellglieder Ventile p/q Regelung 3~ F v p Q s 3~ Achse (mechanischer Output) Servomotor Offener/geschlossener Kreislauf Ggf. keine Stellglieder (Ventile) F/v/s (p/q/s) - Regelung P Druck; Q Volumenstrom; F Kraft; v Geschwindigkeit; s Weg Energieeinsparungen bis zu 70% Einfachere Integration von Hydraulik in die Automatisierungstopologie

15 Dezentrale Lösungen und Funktionale Integration Beispiel IndraDrive Mi + IndraDrive Mi Antriebselektronik + SPS Motor IndraDrive Mi motornahe Variante Kundennutzen Kompaktheit, Kostenreduzierung, Höhere Flexibilität der Applikationen Motor und Antriebselektronik sind zu einer Einheit verschmolzen Ein Kabel für Leistungsversorgung und Kommunikation Serienschaltung von bis zu 20 Mi an einem Strang Dezentrale, antriebsintegrierte SPS (Realisierung autarker Motion-Module) E-Antriebe Hochintegrierte Subsystem-Lösung > bis zu 20 Achsen

16 Dezentrale Lösungen und Funktionale Integration IndraDrive Mi - Anwendungsbeispiel Konventionelle Lösung an einer Verpackungsmaschine Innovative Automatisierungslösung mit IndraDrive Mi Zur Steuerung Einlesen von Sensoren am Antrieb bis zu 70 % kleinere Schaltschränke Reduzierung der Verlustwärme im Schaltschrank Verzicht auf Klimageräte Reduzierung des Verkabelungsaufwands bis zu 85 % weniger Verkabelung Verringerung von Leitungsverlusten infolge kürzerer Kabellängen Vereinfachung des Planungsprozesses deutlich weniger EMV-Beeinflussung der Komponenten untereinander Management der Verlustleistungen von Komponenten ist einfacher Einsparung von Primärenergie bei der: Produktion unserer Produkte Fertigung im täglichen Betrieb Standardisierung von Maschinenmodulen (Mechanik und Elektrik) Dezentraler Antrieb IndraDrive Mi

17 Innovative Automatisierungslösungen als Basis für Mechatronik-Baukasten Pneumatik Engineeringsuite und Softwarebasierte Steuerungsplattform Dezentrale Antriebsund Steuerungslösungen Lineartechnologie

18 Vorteile der mechatronischen Integration - Beispiel Rexroth Mechatronik-Baukasten - Bewertung Lösungsmöglichkeiten Projektierung Freigabe Montage Inbetriebnahme Multi- Technologie: Lineartechnik Pneumatik Elektrik Systemlieferung Mechanik Konzeption und einheitliches Design. Nomenklatur und Untereinheiten vordefiniert Minimierung der Fehlerquellen (Standardisierte Komponenten) Anpassung der Tragkraft und Skalierung nach Kundenbedarf Fehlerfreies Zusammenspiel Motorenparameter erkannt durch Umrichter Integrierte Lösung und vorprogrammiert. Automatisierung Zeitgewinn bei der Programmierung: Funktionen vorprogrammiert, grafische Menüs Zeitgewinn bei der Parametrierung: Parametrierung Vorkonfiguriert Flexibilität: Durchgängige Engineeringsuite zu Programmierung / Konfiguration

19 Vorteile der mechatronischen Integration - Beispiel Rexroth Mechatronik Baukasten - Engineering Programmierung Engineering + Controls + Drives + Movement = Systems

20 Beispiel Schraub- und Einpresstechnik Integrierte SPS Integrierte SPS im Schraubsystem Flexible Programmierung nach IEC Für einfache Abläufe Rund um die Schraube Dezentrale externe SPS kann entfallen - Gelbe Lampe Motor läuft ein - Blaue Lampe Motor in der Station Schraubvorgang - Grüne Lampe Verschraubungen i.o.

21 Funktionsintegration Hydraulikventil Hydraulische Achse (Integrated Axis Controller) Drucksensor Integration integrierter Drucksensor Motion Control + Integration integrierte Motion Control Integrierte Motion Control + + Ventil-Elektronik Integration integrierte Elektronik + integrierte Elektronik + integrierte Elektronik + Ventil Ventil Ventil Ventil IAC IAC Vom diskreten Ventil zur dezentralen hydraulischen Achse mit eigener Steuerungsintelligenz IAC = Integrated Axis Controller

22 Funktionsintegration in der Pneumatik Druck-Optimierung nur soviel Energie wie nötig Zylinderrücklauf mit vermindertem Druck Drucklufteinsparung bis zu 40% Zwischenspeicher im Zylinderrohr Zylinder mit Verschleiß-Überwachung Sensordichtung aus zwei Komponenten Condition-Monitoring-fähige Komponente Mat 1 + Zylinderrohr LED Mat 2 _ Kolben

23 Funktionsintegration in der Automatisierungstechnik Mechatronik Funktionsintegration Begriffsklärung Mechatronische Systeme Maximale Flexibilität und Wirtschaftlichkeit in unterschiedlichen Applikationen Dezentrale Lösungen Integrierte Engineering-Tools Mechatronische Simulation im Maschinenentwicklungsprozess Verteilte Intelligenz, vereinfachte Modularisierung und Standardisierung von Maschinen Einfache Einbindung und Inbetriebnahme mechatronischer Systeme Schnellere Entwicklung von performanten Maschinen Modulen bei optimierten Kosten

24 Durchgängiger Workflow mit integrierten Tools Beispiel: IndraWorks Integriertes Software-Framework für den durchgängigen Engineering- Workflow auf Basis.NET und offenen Standards Sämtliche Tools integriert mit zentralem Datenmanagement Single-point-of-Engineering - Projektierung, Parametrierung, Programmierung, Diagnose und Visualisierung in einer Umgebung Intuitive Bedienung mit kontextsensitiven Agenten und umfangreichen Online-Hilfen Einheitlich verfügbar für alle Rexroth- Systeme und -Lösungen

25 Skalierbare, softwarebasierte Steuerungsplattform Die optimale angepasste Lösung Lösung für f r Produktionsmaschine Lösung für f r Handling Komponenten der Software- plattform MES/PPS Komponenten der Steuerungs- plattform Industrial Ethernet Industrial Ethernet Komponenten der Antriebs- plattform Modul n

27 Motivation für Mechatronic Simulation im Maschinenentwicklungsprozess Klarer Trend hin zur Modularisierung steigert den Bedarf an mechatronischen Subsystemen Zunehmende Komplexität und Ausreizen der techn. Grenzen erfordert frühzeitige Machbarkeitsstudie, um die Realisierung von mechatronischen Systemen abzusichern Energie-Effizienz-Betrachtungen können in der Konzeptphase von Maschinen am wirkungsvollsten berücksichtigt werden Time to Market Faktor als Erfolgsfaktor am Markt Reduktion der Lebenszykluskosten Qualitätssicherung durch abgesicherten Entwicklungsprozess

28 Mechatronische Co-Simulation im Entwicklungsprozess Stufe1 CAD (Konstruktion) Geometrie (Kinematik) Material -->Masse (Trägheiten) Nichtlinearitäten (Lose/Spiel, Reibung ) Stufe2 FEM-Simulation (mechanische Simulation) Stufe3 Co- Simulation (MKS) (mechatronische Gesamtsimulation) Eigenmoden Mechan. Optimierung Eigenmoden Mech. Übertragungsfunktion Systemübertragungsfunktion Dyn. Stabilität Kollisions- Konturanalyse genauigkeit Energie Effizienz Optimierung Idee/Auftrag Konzept/ Designentwurf Detaillierung / Absicherung Virt. Prototyp

29 Zusammenfassung Elektrische Antriebstechnik Mechatronisches Gesamtssytem Control & Engineering Funktionsintegration Funktionsintegration als als Basisprozess Basisprozess zur zur Entwicklung Entwicklung innovativer innovativer mechatronischer mechatronischer Systeme, Systeme, technologieübergreifend. technologieübergreifend. Mechatronische Mechatronische Systeme Systeme und und dezentrale dezentrale Lösungen Lösungen fördern fördern die die Modularisierung Modularisierung und und Standardisierung Standardisierung von von Maschinen Maschinen und und Anlagen. Anlagen. Pneumatik / Hydraulik Lineartechnik Trend: Trend: Integration Integration von von multitechnologischen multitechnologischen Antriebslösungen Antriebslösungen auf auf Basis Basis vorgefertigter vorgefertigter Baukästen. Baukästen. Durchgängige Durchgängige Engineering Engineering Suite Suite ist ist essentiell essentiell für für die die Nutzbarmachung Nutzbarmachung aller aller Funktionen Funktionen und und Reduzierung Reduzierung der der Systemkomplexität. Systemkomplexität. Einsatz Einsatz mechatronischer mechatronischer Simulation Simulation zur zur schnelleren schnelleren Entwicklung Entwicklung von von performanten performanten Maschinen Maschinen zu zu optimierten optimierten Kosten. Kosten.