Werkstücke schweben – Planarantriebe drängen in die Fabrikautomation

Das muss man selbst gesehen haben. Fast schon magisch schweben Werkstücke auf den Magnetfeldern mit Planarmotoren über ebene Flächen. Weil dabei keine Schienen oder Weichen mehr benötigt werden, können Prozesse nun deutlich schneller umgestellt werden als bisher.

Planarantriebe wie das XPlanar von Beckhoff und seit Kurzem auch das System Acopos 6D von der ABB-Tochter B&R hätten in diesem Jahr wesentliche Publikumsmagnete in Hannover werden können. Denn durch ihre Freiheitsgrade in sechs Achsen (x,y,z als kartesische Koordinaten und a,b,c als Winkel zur Raumorientierung) eröffnen sie der Fabrikautomation faszinierende Bewegungsmöglichkeiten. Nachdem die Hannover Messe 2021 erneut nur digital stattfindet, bleiben vor allem Onlinepräsentationen. VDI nachrichten hat sich bei Beckhoff umgehört, welche Erfahrungen das Unternehmen seit der Vorstellung ihres Systems im November 2018 mit seinem System gesammelt hat.

Johannes Beckhoff, Entwickler im Bereich XPlanar beim Automatisierungsspezialisten Beckhoff, beschreibt die Faszination der neuen Antriebsart so: „Schwebende Magnetplatten – sogenannte Mover – können in sechs Dimensionen durch räumlich und zeitlich modulierte Magnetfelder exakt positioniert und bewegt werden.“ Die Magnetfelder erzeugt das Unternehmen dabei mit seinen Motorkacheln, die die Oberfläche bilden, über die sich die Mover individuell bewegen können. „Die Kacheln lassen sich wie im Fliesenverbund zu beliebigen Geometrien auslegen: Dadurch können wir uns an jede Anwendung anpassen, ob lang gezogene Förderstrecken oder großflächige Anlagen“, berichtet der Sohn des Firmengründers.

Unerwartete Kreativität beim Einsatz

Laut Felix Schulte, Produktmanager für XPlanar bei Beckhoff, hat sich die Faszination längst auch auf die Kunden des Unternehmens übertragen. „Nach oft ungläubigem Staunen folgt unmittelbar eine Flut von Ideen, bezogen auf die eigenen möglichen Anwendungen“, berichtet er. Viele Maschinenbauanwendungen könnten damit vereinfacht und optimiert werden. Darüber hinaus ließen sich damit völlig neue Anwendungen entwickeln.

Zu den bisherigen Kundenprojekten sagt Beckhoff: „Wir haben uns vorher viele Gedanken gemacht, was wir mit dem Planarmotor-Antriebssystem alles machen können. Jetzt erleben wir, dass Kunden mit Lösungen und Anfragen kommen, die wir uns nie vorstellen konnten.“ Sein Unternehmen habe viel aus den Projekten in unterschiedlichen Branchen gelernt, sodass das System durch die Kreativität auf der Kundenseite stetig verfeinert werde.

Schulte ergänzt: „Wir sind bei der Markteinführung davon ausgegangen, dass das XPlanar insbesondere für Kunden mit hygienisch anspruchsvollen Anwendungen – z. B. im Food- und Pharma-Umfeld – interessant ist. Neben diesen spannenden Branchen findet das System aber auch im klassischen Maschinenbau, in der Assemblierung, in der Textilproduktion, in der Gastronomie und vielen weiteren Bereichen großen Anklang.“ Erste Serienanlagen würden dazu in den kommenden Monaten von den Anwendern präsentiert.

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Entkoppelte Produktbewegung

Schulte stellt fest: „Viele Kunden nutzen das XPlanar als 2-D-Transportsystem, welches Stationen in beliebiger Reihenfolge miteinander verbindet.“ Der Vorteil liege dabei in der individuellen und entkoppelten Produktbewegung für eine effiziente Losgröße-1-Produktion. Defekte Produkte könnten damit beispielsweise ohne Unterbrechung des Prozesses einfach ausgeschleust werden. „Darüber hinaus wird es unter anderem auch als dynamischer und flexibler Produktpuffer eingesetzt. So können unterschiedliche Taktzeiten zwischen einzelnen Bearbeitungsschritten ausgeglichen werden“, erklärt der Produktmanager. „Das so realisierte System kann besonders schnell auf Produktwechsel reagieren und ist leicht zu reinigen.“

Über die 2-D-Stationsverbindung hinaus ergeben sich durch die Rotation der 360-Grad-Mover weitere Optionen. „Unsere Kunden können Werkstücke von allen Seiten inspizieren und bearbeiten oder Produkte in die richtige Orientierung für die nachfolgende Verarbeitung bringen“, berichtet Schulte. Das System übernehme damit Funktionen, die üblicherweise nur durch externe Bearbeitungsstationen und Mechaniken bereitgestellt würden. „Maschinen können dadurch kleiner gebaut und mit weniger Wartungsaufwand betrieben werden“, sagt er. Durch die Neigung der Mover um bis zu 5° sei es z. B. auch möglich, Behälter mit Flüssigkeiten schneller zu beschleunigen bzw. abzubremsen, ohne etwas zu verschütten.

Etablierte Technik ist die Basis

Beckhoff hat nach eigenen Angaben bereits 2014 mit der Entwicklung seines Planarsystems angefangen und es seitdem stetig verbessert. „Seit letztem Jahr fertigen wir in Serie und liefern kontinuierlich aus“, berichtet Johannes Beckhoff. Von Anfang an nutzte das Unternehmen aus Verl dazu Hard- und Softwaretechnologien seines linearen Transportsystems XTS. „Die sechs Dimensionen in der Regelung und Positionierung sind natürlich aufwendiger zu behandeln als eine Dimension, jedoch stellt unsere PC-Control-Architektur die notwendige Leistung und Komplexität zur Verfügung“, sagt der Entwickler. Leistungsfähige Industrie-PCs mit Mehrkernprozessor (many core) stellen die Rechenpower bereit, um die umfangreichen Algorithmen zur Erzeugung der Wandermagnetfelder in Echtzeit zu berechnen. Für die schnelle und deterministische Kommunikation vom PC zu den Motorkacheln sorgt der echtzeitfähige Ethernetstandard EtherCAT G mit 1 GHz Übertragungsrate.

Schulte verdeutlicht: „Dabei hilft uns vor allem TwinCat.“ Die Standardsoftwareplattform von Beckhoff liefere die Basis für die steuerungstechnische Intelligenz. Aus den Prozessdaten im PC werden mittels maschinellen Lernens (ML) zudem Algorithmen zur Echtzeitregelung des XPlanar entwickelt. „Die XPlanar-Software ist vollständig in TwinCAT integriert, sodass alle bekannten Standard-Steuerungsfunktionen dem Kunden in einer XPlanar-Anwendung zur Verfügung stehen“, sagt der Produktmanager. Das reiche von einfachen SPS-Abläufen, der Ansteuerung von Hilfsachsen und der integrierten Bildverarbeitung, bis hin zur Spracherkennung für entsprechende Bedienschnittstellen.

Auf den ersten Blick verwundert es, dass die Kacheln des Beckhoff-Systems 24 cm Kantenlänge besitzen, wodurch bei vier Kacheln 4 cm zu einem Meter fehlen. Johannes Beckhoff dazu: „Das ist systembedingt. Der Polpitch des Magnetsystems ist kein Vielfaches von 25, deswegen ist das technisch nicht möglich.“

Starterkits und Demosysteme

Damit sich Anwender mit der neuen Technik vertraut machen können, bietet Beckhoff unter anderem Starterkits und verschickt in der aktuellen Pandemiezeit auch Demosysteme. Die Starterkits beinhalten XPlanar-Kacheln und -Mover, einen leistungsfähigen Embedded-PC sowie alle relevanten Softwarelizenzen (TwinCAT) und ein Softwarebeispiel. Die Komponenten werden laut Hersteller vollständig assembliert ausgeliefert und sind somit „ready to use“. Das bedeutet, die Kacheln werden einfach zusammengesteckt und an die Steuerung anschlossen. Wird ein Mover auf das Magnetfeld gesetzt, erkennt die Software direkt seine Position. Die Fahrstrecken werden dann über die Software definiert. Das kann über grafische Editoren, per Hand über eine Mausbewegung, über Tabellenwerte, aber auch mit CNC-Programmen geschehen.

Schulte berichtet: „Viele Fragen klären sich durch den Einsatz der Starterkits von selbst und Kunden merken, wie schnell sie damit zurechtkommen und welche vielfältigen Möglichkeiten sich durch das XPlanar ergeben.“ Erfahrungen mit SPS-Systemen seien dabei hilfreich. Die Starterkits können bei Bedarf um Kacheln ergänzt werden und so in der tatsächlichen Maschine aufgehen. Während des gesamten Weges – von der Idee über das Starterkit bis zur Maschine – unterstützt Beckhoff bei Bedarf mit Schulungen, Tests, Beratung aber vor allem mit Spaß an der Technik. „Dazu stellen wir zum Teil Applikationen bei uns in Verl nach und besprechen dann mit den Kunden per Videokonferenz Lösungsansätze“, erklärt Schulte. „Wir merken aber auch, dass die Kunden großes Interesse daran haben, selbst das notwendige Know-how aufzubauen.“

Einen Beitrag, der neben XPlanar von Beckhoff auch das System Acopos 6D von B&R beschreibt, finden Sie in der aktuellen VDI nachrichten.