Fachbeitrag

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1 Zündende Idee für die Walzentexturierung per Funkenerosion Maschinenspezialist Kleinknecht erreicht Technologiesprung mit eisenlosen Linearmotoren von Rexroth Glänzend und makellos glatt soll der Lack auf Autos und Haushaltsgeräten sein doch dazu muss das Blech eine raue, texturierte Oberfläche haben. Diese bekommt es durch eine Walze, die mit hohem Druck ihre Struktur auf das Blech überträgt. Die bevorzugte Methode zur Oberflächenbehandlung der Walzen ist die Funkenerosion (Electrical Discharge Texturing = EDT). Das Siegener Maschinenbauunternehmen H. Kleinknecht & Co. GmbH ist dabei einen neuen Weg gegangen und rüstet EDT-Maschinen mit linearen und rotativen Direktantrieben sowie mit Steuerungstechnik von Rexroth aus. Lacke und Pulverbeschichtungen haften auf texturierten Blechen nicht nur deutlich besser, die Beschichtungen lassen sich auch wesentlich wirtschaftlicher aufbringen. Beispielsweise sparen Automobilhersteller auf diese Weise bei der Lackierung etwa vier Kilogramm Lack pro Pkw. Aber wie bekommt das Blech die gewünschte Oberfläche mit einer exakt definierten Rauigkeit? Beim sogenannten Dressieren walzen Maschinen das Blech nach und übertragen gezielt und mit hohem Druck ihre mikroskopisch feine Oberflächenstruktur wie beim Prägen einer Münze. Die bevorzugte Methode, um die Dressierwalzen mit einer definierten Oberfläche auszustatten, ist die Funkenerosion (Electrical Discharge Texturing = EDT). Genauigkeit von einem Mikrometer Als erster Hersteller von EDT-Maschinen weltweit nutzt Kleinknecht elektrische Linearmotoren als Stellantriebe für die zur Funkenerosion verwendeten Elektroden (siehe Kasten zum EDT-Verfahren) und hat sich diese Lösung patentieren lassen. Die Herausforderung bei der Entwicklung unserer EDT-Maschine bestand darin, alle 68 Elektroden koordiniert zu bewegen und im Sub-Mikrometerbereich zu positionieren. Dadurch können wir die gewünschte Oberflächenstruktur auf den Walzen in perfekter Qualität herstellen, erläutert Christoph Hauck, Geschäftsführer bei Kleinknecht. Das Antriebssystem zur Verstellung des Elektrodenabstands besteht aus eisenlosen Linearmotoren IndraDyn MCL und Kompaktreglern IndraDrive Cs von Rexroth. Es ermöglicht, die Elektroden mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer zu positionieren zehnmal genauer als die bislang, Unternehmenskommunikation, Lohr a. Main, Deutschland,

2 eingesetzten Hydraulik- oder Spindelantriebe. Die Kernfunktionen des EDT- Verfahrens haben die Automatisierungsspezialisten von Kleinknecht direkt in die integrierten Antriebssteuerungen IndraMotion MLD der Antriebsregler programmiert. Eine übergeordnete Steuerung IndraMotion MLC von Rexroth übernimmt die Maschinensteuerung vom Einlegen bis zur Entnahme der Walze via Automatisierungsbus sercos III. Sie bindet die Maschine zudem wahlweise über PROFINET, PROFIBUS, Ethernet/IP, CANopen oder sercos III an die Produktionssysteme des Betreibers an. Die dezentrale Regelung des Erodierprozesses auf der MLD erhöht die Exaktheit des Systems und entlastet zugleich die zentrale Steuerung. Schon bei den ersten Testläufen wurde klar: Die Innovation von Kleinknecht hat großes Potenzial, sagt Jan Schönerstedt, Produktmanager für Direktantriebe bei Bosch Rexroth. Die Beschaffenheit der texturierten Oberflächen lässt sich nun wesentlich gezielter beeinflussen als mit herkömmlichen EDT-Maschinen. Das Verfahren ist zudem deutlich zuverlässiger. Die hohe Dynamik und Präzision der Linearantriebe von Rexroth machen es möglich, externe Störgrößen besser auszuregeln und fehlerfrei texturierte Oberflächen zu erzeugen. In der Praxis hat sich der neue Ansatz schon mehrfach bewährt: Kleinknecht-Kunden haben bereits die dritte Anlage erfolgreich in Betrieb genommen. Eisenlose Linearmotoren als Herzstück Wichtigste Komponenten des neuen Systems sind die eisenlosen Linearmotoren der Baureihe IndraDyn MCL von Rexroth. Ihre Leistungsmerkmale ermöglichen es, dass die neuen Kleinknecht-Maschinen die hohe Oberflächengüte der bearbeiteten Walzen sicherstellen können: So sorgt die hohe Präzision der spielfreien Direktantriebe für die exakte Einhaltung des erforderlichen Elektrodenabstands im Erodierprozess. Zudem entstehen in den IndraDyn MCL Motoren keine Rastkräfte, sodass weniger Störgrößen auf die Positionierregelung wirken. Dies erreicht Rexroth durch den eisenlosen Aufbau der universell einsetzbaren Linearantriebe: Leichte Primärteile mit Magnetspulen ohne Eisenkern werden zwischen zwei Reihen starker Dauermagnete in den feststehenden Sekundärteilen geführt. Die Elektroden in den Kleinknecht-Maschinen sind direkt und mechanisch sehr steif mit dem Primärteil der Motoren verbunden. Die damit erreichbare hohe Regelverstärkung führt zu hochdynamischen Bewegungen und präzisem Positionieren innerhalb kürzester Zeit., Unternehmenskommunikation, Lohr a. Main, Deutschland,

3 Überdies machen die geringe Eigenmasse und kleine Induktivität der eisenlosen MCL Linearmotoren hohe Beschleunigungen möglich. Durch diese hohe Dynamik lassen sich Störungen zum Beispiel durch Erschütterungen in der Nähe der Anlage oder durch verschmutzte Lünetten ausregeln, was zusätzlich die Prozesssicherheit erhöht. Zugleich konnte Kleinknecht mit der Systemlösung von Rexroth die Prozesskontrolle verbessern, da sämtliche Betriebsdaten und Antriebsparameter aus den IndraDrive Cs Kompaktreglern für die Steuerung verfügbar sind. Bosch Rexroth hat unsere Anforderungen sofort verstanden und uns gleich eine durchdachte Systemlösung vorgeschlagen. Zudem waren alle benötigten Komponenten bereits verfügbar, berichtet Hauck. So vereinfacht der durchgängige Einsatz der Antriebs- und Steuerungskomponenten des Spezialisten aus Lohr die Bedienung der Kleinknecht EDT-Maschinen. Außerdem eröffnen sich gänzlich neue Möglichkeiten bei der Strukturierung der Walzenoberfläche: Da zu jeder Zeit Zugriff auf sämtliche Antriebsparameter und Prozessgrößen besteht, konnte Kleinknecht neue Automatisierungslösungen für den Erodiervorgang entwickeln. Investitionssicherheit durch offene Standards Mit der Software IndraWorks von Rexroth nutzt Kleinknecht ein Engineering- Framework zur Programmierung, Konfiguration und Inbetriebnahme der Automatisierungssysteme, das alle notwendigen Programme einheitlich in einer Oberfläche zusammenfasst. Die Projektverwaltung mit zentralem Datenmanagement für Gerätekonfiguration, Visualisierungen und SPS- Programme stellt die Konsistenz aller Daten sicher und bietet eine übersichtliche Darstellung. Basierend auf CODESYS V3 umfasst IndraWorks alle Editoren nach IEC rd Edition, um SPS-Applikationen komfortabel zu programmieren. Die offene PLCopen Automatisierungs-Architektur von Rexroth ermöglicht eine leichte Integration der EDT-Maschinensoftware von Kleinknecht in Produktionssysteme der Maschinenbetreiber (Level 2 + 3). Intuitive Wizards und umfangreiche Online-Hilfen leiten die Nutzer der Kleinknecht-Maschinen schrittweise durch alle Engineeringschritte von der Gerätekonfiguration über das Generic Application Template bis zur Parametrierung von Technologiefunktionen. Mithilfe der Offline-Parametrierung von IndraWorks lässt sich ohne Verbindung zur Anlage die Konfiguration der projektierten, Unternehmenskommunikation, Lohr a. Main, Deutschland,

4 Geräte einstellen und sämtliche Parameter in der SPS-Applikation verwenden. Wesentlicher Vorteil der offenen Struktur ist die Unabhängigkeit von proprietären Feldbussen und Programmierumgebungen. So können die Maschinenbetreiber freigegebene Programmbausteine unserer EDT- Maschinensoftware jederzeit individuell anpassen ein Plus an Sicherheit für langfristige Investitionen, hebt Hauck hervor. Kasten 1 Lineare Direktantriebe eine universelle Lösung Hohe Dynamik, große Präzision und Bewegungen ohne störende Rastkräfte sind Eigenschaften, die von einer Vielzahl unterschiedlicher Antriebsaufgaben gefordert werden. So verbauen Hersteller in Verpackungsmaschinen zunehmend hochdynamische Linearantriebe mit geringer Eigenmasse, damit diese mit den schneller gewordenen Produktionslinien Schritt halten können. Und auch die gestiegenen Auflösungen optischer Systeme wie beispielsweise Scanner verlangen nach möglichst gleichförmigen Linearbewegungen mit hoher Präzision und ohne störende Rastkräfte. Ebenso lassen sich Handlingsysteme mit kompakteren Linearführungen ausstatten, da die eisenlosen Linearmotoren IndraDyn MCL von Rexroth keine zusätzlichen Querkräfte erzeugen. Konstrukteure können auf sechzehn Baugrößen mit 6 bis 830 N Nennkraft zurückgreifen, um ihre Maschinenkonzepte genau den jeweiligen Anforderungen anzupassen. Primärteile mit einer Maximalgeschwindigkeit von bis zu m/min sind standardmäßig verfügbar. Im Verbund mit dem Engineering-Framework IndraWorks und den IndraDrive Cs Kompaktreglern mit integrierter IndraMotion MLD Steuerung steht Maschinenbauunternehmen ein Linearantriebssystem mit vielen weiteren Vorzügen zur Verfügung. Dazu gehören unter anderem die einfache Auslegung der aufeinander abgestimmten Komponenten, eine rasche Inbetriebnahme und eine IEC konforme Programmierung. Kasten 2, Unternehmenskommunikation, Lohr a. Main, Deutschland,

5 So funktioniert die Funkenerosion Die bevorzugte Methode zur Oberflächenbehandlung der Walzen ist die Funkenerosion (Electrical Discharge Texturing = EDT). Eine zu texturierende Walze dreht sich in einem flüssigen Dielektrikum und führt zusätzlich in axialer Richtung eine Pendelbewegung aus. Bis zu 68 Elektroden werden bis auf wenige Mikrometer Abstand an die Oberfläche der Walze herangefahren. Während des Erodierens geben viele mikroskopisch kleine elektrische Entladungen mit präzise geregelter Dauer und Stromstärke der Walzenoberfläche die gewünschte Struktur. Entscheidend für das Ergebnis ist die exakte Einhaltung der Abstände zwischen den Elektroden und der Walzenoberfläche, dabei muss der Abbrand der Elektroden ständig nachgeführt werden. Kleinknecht hat diese komplexe Regelungsaufgabe mit der antriebsintegrierten Steuerung IndraMotion MLD von Rexroth realisiert. Kasten 3 Die H. Kleinknecht & Co. GmbH Auf dem Gebiet der Funkenerosionsmaschinen kann das Unternehmen H. Kleinknecht & Co. GmbH in Siegen auf eine besonders große Erfahrung verweisen. Bereits seit 40 Jahren ist das zur Graebener Group gehörende Unternehmen im Markt der Funkenerosion tätig. Kleinknecht hat inzwischen mehr als 60 EDT-Maschinen weltweit mit elektrischen Steuerungen und Funkengeneratortechnik einschließlich technologischer Regelung ausgerüstet, um mit mehreren Tausend Zündvorgängen pro Sekunde die Oberfläche von bis zu 10 Tonnen schweren Walzen aufzurauen beispielsweise für Bleche im Automobilbau oder für Haushaltsgeräte. Mehr Informationen unter: Autor: Jan Schoenerstedt Vertriebliches Produktmanagement Direktantriebe, Unternehmenskommunikation, Lohr a. Main, Deutschland,