Beckhoff: Kürzere Zykluszeiten beim 3D-Laserschneiden

TTEngineering ist Spezialist für Bearbeitungsmaschinen, mit denen Rollenbleche zu Rohren für verschiedene Anwendungen, wie z. B. Heizungs- und Entlüftungsanlagen, Rauchgasrohre und den Automobilbau, verarbeitet werden. Die Architektur der 3D-Laserschneidmaschinen der Top-Serie wurden nun mit einer auf Beckhoff Technik basierenden Steuerungslösung komplett überarbeitet, wodurch sich einige technische Einschränkungen überwinden und die Zykluszeiten verkürzen ließen.

In einer Branche wie der Werkzeugmaschinenindustrie ist Innovation nicht nur der Schlüssel zu besseren Ergebnissen. Vielmehr ist sie unerlässlich, um wettbewerbsfähig zu bleiben und den Kunden immer leistungsfähigere und effizientere Produkte anzubieten. Das weiß TTEngineering, ein Unternehmen aus dem italienischen Lomazzo (CO), das sich mit über 30 Jahren Erfahrung auf die Entwicklung und Herstellung von Prozessautomatisierungssystemen für die Blechbearbeitung aus Coils spezialisiert hat. Dazu erläutert Geschäftsführer Massimiliano Crespi: „Unsere Maschinen wurden schon immer so konzipiert, dass sie den Anwendern einen Mehrwert bieten. Genau mit diesem Ziel vor Augen haben wir beschlossen, noch einen Schritt weiter zu gehen, und unsere Orbital-Laserschneidanlagen der Top-Serie mit einer Beckhoff Steuerungslösung komplett neu entwickelt, wobei wir sehr zufriedenstellende Ergebnisse erzielt haben.“

Die Herausforderung der Mikroverbindungen
Die Top-Serie umfasst zwei 3D-Laserschneidmaschinen, die als eigenständige Einheit oder integriert in eine robotergesteuerte Fertigungslinie betrieben werden können. Es handelt sich um Komplettmaschinen, da sie allen Produktionsanforderungen gerecht werden: z. B. für Kurvenschnitte sowie bei 90-Grad- und seitlichen Verbindungen. „Wir hatten bereits Gelegenheit, das Potenzial der Beckhoff Lösungen zu testen, und wussten, dass wir einen deutlichen Schritt nach vorne machen konnten“, fährt Massimiliano Crespi fort. „Nicht, dass die in der Vergangenheit gebauten Maschinen leistungsschwach gewesen wären, aber sie waren durch einige technische Einschränkungen begrenzt, die den traditionellen CNC-Lösungen innewohnen.“

Ein typisches Beispiel für eine solche Einschränkung war die Ausführung von Mikroverbindungen. Dies sind kleine Materialabschnitte, die während der Bearbeitung absichtlich nicht geschnitten werden, um den Verschnitt in Position zu halten und die Stabilität sowie die geometrische Präzision des Werkstücks sicherzustellen. Diese Mikrounterbrechungen, die weniger als ein Zehntel Millimeter lang sind, lassen sich am Ende der Bearbeitung durch leichte mechanische Bearbeitung ohne großen Aufwand entfernen.

Mit der zuvor verwendeten CNC war es nicht möglich, die Laserleistung in der Nähe des Mikroschnittpunkts präzise zu modulieren. Daher war es notwendig, die Achsen zu verlangsamen, die Leistung der Laserquelle auf Null zu setzen und anschließend einen neuen Schneidzyklus zu starten. Dies ging allerdings mit einem deutlichen Leistungsverlust einher. Durch die hohe Rechenleistung des Beckhoff Embedded-PC CX2033, ausgestattet mit einem 2-Kern-Prozessor AMD Ryzen™ V1202B (2,3 GHz Taktfrequenz), sowie das leistungsstarke Multiachs-Servosystem AX8000 und die hohe EtherCAT-Übertragungsgeschwindigkeit konnten die vorherigen ständigen Stop-and-Go-Vorgänge vermieden werden. Hieraus resultiert bei der neuen Top-Serie eine Effizienzsteigerung und eine deutliche Verkürzung der Zykluszeiten. Insbesondere das Multiachs-Servosystem AX8000 hat sich laut Massimiliano Crespi als perfekte Wahl erwiesen, da es in Kombination mit der ultraschnellen EtherCAT-Kommunikation und den Beckhoff Servomotoren AM8000 die präzise Abwicklung komplexer Bewegungsprofile mit sehr kurzen Zykluszeiten, hoher Dynamik und gleichzeitig flüssigem Lauf ermöglicht – synchron mit allen anderen vernetzten Komponenten der Maschine, einschließlich der Laserquelle.

Hohe Leistungsfähigkeit in einer integrierten Umgebung
Die Maschinen der Top-Serie nutzen eine Dreh- und eine Linearachse, die durch die NC-Algorithmen interpoliert werden, um das vom Laserkopf ausgeführte Schnittprofil zu erzeugen. Da die Rohre nie perfekt rund sind, erfasst ein kapazitiver Sensor deren jeweilige Höhe. Das Sensor-Feedback ermöglicht es, die Höhe des Laserkopfes in Echtzeit zu kalibrieren, um den Schnittabstand konstant zu halten.

Während die Interpolationsgeschwindigkeit der Achsen in Verbindung mit der Notwendigkeit, komplexe Zusatzaufgaben – wie die Ausführung von Mikroverbindungen – zu bewältigen, das Potenzial der Beckhoff Hardware voll zur Geltung brachte, haben die von TwinCAT angebotenen Programmierfunktionen den Rest erledigt, wie Roberto Angeli, Softwareentwickler bei TTEngineering, erklärt: „TwinCAT ist eine sehr flexible Entwicklungsplattform, die sich für unsere Anforderungen als perfekt erwiesen hat. Die gesamte Entwicklung ließ sich präzise steuern, einschließlich der komplexesten Funktionen. Und dabei konnten auch Teile des C#-Codes integriert werden, die wir im Laufe der Zeit bereits erstellt hatten. Positiv beeindruckt hat uns auch die Präzision und Einfachheit, mit der man von der Simulation der Kinematik zur tatsächlichen Ausführung der Maschinenbewegungen übergeht. Dies ermöglichte es uns, einen Großteil der Anwendung zu entwickeln und bereits in der Prototypenphase zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.“

Ein nicht zu unterschätzender Aspekt, der die Arbeit der Entwickler vereinfachte, war die Möglichkeit, auf die meisten Variablen direkt zuzugreifen – also ohne Umweg über die SPS. Ein Vorteil, der zu einer geringeren Komplexität bei der Integration und zu einer erheblichen Einsparung von Zeit und Ressourcen führte. Weitere Vorteile ergaben sich im Hinblick auf die Sicherheit: TwinSAFE machte den Einsatz einer separaten Safety-Architektur überflüssig: Standard- und Sicherheitslogik existieren auf derselben Plattform, was die Projektierung, die Verkabelung und sogar die Wartung vereinfacht. Denn die Konfiguration und Verwaltung aller Funktionen erfolgt innerhalb derselben Entwicklungsumgebung, einschließlich der STO-, SLS- und SBT-Funktionen der Servoachsen.

Eine offene Lösung – auch für die Bildverarbeitung
Der Vorteil einer Steuerung auf Basis eines skalierbaren und leistungsstarken Embedded-PC und eines Standardkommunikationssystems wie EtherCAT besteht nach Ansicht von TTEngineering darin, dass neue Funktionen je nach Marktanforderungen ohne Einschränkungen durch eine begrenzte Rechenkapazität hinzugefügt werden können. So lasse sich beispielsweise eine Stand-alone-Maschine ohne großen technischen Aufwand mit einem Be- und Entladeroboter verbinden.

Gleiches gilt für die Integration von Sonderfunktionen, wie z. B. die Suche nach der Schweißnaht mittels Bildverarbeitungssystem. Derzeit verfügt TTEngineering bereits über ein optisches System zur Nahtsuche, das einen Laserstrahl und eine Kamera nutzt. Im Hinblick auf weitere Verbesserungen wird derzeit der Einsatz von KI und Mustererkennung geprüft, sowohl mit Blick auf die entsprechenden TwinCAT Functions als auch auf die Vision-Hardware-Komponenten von Beckhoff.