Intelligent Motion Control Die intelligente Bewegungssteuerung als Kernelement der digitalisierten Fertigung

Ein Gastbeitrag von Maurice O'Brien*

Eine intelligente und flexible Fertigung erfordert ebenso intelligente Lösungen für die Antriebs- und Bewegungssteuerung von Robotern, Förderanlagen oder Pick-and-Place-Systemen. Doch bei der Auswahl von Motion-Control-Komponenten sollten Nutzer mehrere Faktoren berücksichtigen.

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Intelligent Motion Control kann den Strombedarf von Elektromotoren und Antrieben reduzieren, was nicht nur der Umwelt sondern auch dem jeweiligen Unternehmen nutzt.
Intelligent Motion Control kann den Strombedarf von Elektromotoren und Antrieben reduzieren, was nicht nur der Umwelt sondern auch dem jeweiligen Unternehmen nutzt.
(Bild: gemeinfrei / Pexels )

Industrieunternehmen haben damit begonnen, das Potenzial auszuschöpfen, das Smart Manufacturing bietet. So sind Firmen dank dieses Ansatzes in der Lage, Fertigungsprozesse flexibel an geänderte Anforderungen anzupassen und gleichzeitig die Umweltverträglichkeit zu verbessern. Eine wichtige Rolle spielt dabei die intelligente Antriebs- und Bewegungssteuerung, auch Intelligent Motion Control genannt, von Elektromotoren und Antrieben. Solche Komponenten kommen in Robotern, Fördersystemen, Pumpen und Pressen zum Einsatz.

Intelligent Motion Control kann beispielsweise dazu beitragen, den Strombedarf zu senken. Denn etwa 70 Prozent der elektrischen Energie, die Fertigungsunternehmen verbrauchen, entfallen auf Elektromotoren und Antriebe. Dieser Anteil lässt sich reduzieren, wenn eine Steuerung die Leistung eines Antriebs flexibel an die aktuellen Anforderungen anpasst, statt eine fixe Geschwindigkeit zu verwenden. Das wirkt sich positiv auf die Kosten aus. Hinzu kommt, dass ein Unternehmen dadurch Umweltschutzvorgaben erfüllen kann.

Die Fertigung agiler machen

Zu den größten Vorzügen von Intelligent-Motion-Control-Lösungen im Zusammenspiel mit Smart Manufacturing zählt jedoch, dass sie die Flexibilität und Agilität eines Fertigungsunternehmens erhöhen. Denn Hersteller müssen heute in der Lage sein, innerhalb kurzer Zeit ihren Kunden maßgeschneiderte, personalisierte Produkte zu liefern. Das erfordert Fertigungsumgebungen, die sich schnell für neue Aufträge konfigurieren lassen.

Das gilt beispielsweise für Roboter. In der Industrie sind unter anderem folgende Systeme im Einsatz:

  • Industrieroboter mit Mehrachsen-Servoantrieben,
  • kollaborative Robotersysteme, also Cobots, die Mitarbeiter bei ihren Tätigkeiten unterstützen sowie
  • mobile Roboter, beispielsweise fahrerlose Transportfahrzeuge mit einem Knickarmroboter.

Solche Systeme haben bis zu sechs Achsen. Um die Bewegungen präzise zu steuern und aufeinander abzustimmen, sind komplexe Kontroll- und Steuerungsalgorithmen erforderlich. Bei Cobots muss eine intelligente Motion Control zudem Funktionen für die Begrenzung der Leistung und Kraft, auch als Power and Force Limiting oder kurz PFL bezeichnet, bereitstellen. PFL stellt sicher, dass menschliche Mitarbeiter gefahrlos mit einem Cobot zusammenarbeiten können.

Mit Intelligent-Motion-Control-Anwendungen kann ein Unternehmen Roboter, Fördereinrichtungen, Transportsysteme und Maschinen mit akzeptablem Aufwand umrüsten. Das macht den Weg frei für eine Fertigung mit kleinen Losgrößen.

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Optimierung von Prozessen

Eng mit der höheren Agilität und Flexibilität von Produktionsvorgängen in einer Smart-Manufacturing-Umgebung verbunden ist ein weiterer Aspekt: die Digitalisierung von Prozessen.

So kann eine Intelligent Motion Control Daten von Motoren und Antrieben in Echtzeit erfassen und zur Auswertung an Analytics-Anwendungen weiterleiten. Das gilt für Informationen über Strom- und Leistungswerte, die Position der Roboter-Werkzeuge, die Temperaturentwicklung und den Energieverbrauch. Hinzu kommen Daten von IoT-Komponenten wie Sensoren. Diese erfassen beispielsweise Vibrationen, Stöße und Temperaturen, die auf Antriebe und Motoren einwirken.

Edge-Systeme mit einer KI-Software erstellen auf Basis dieser Daten in Echtzeit Auswertungen. Diese Analysen geben nicht nur Aufschluss über den aktuellen Gesundheitszustand der Motoren und Antriebe, sondern auch der Systeme, in denen diese Komponenten verbaut sind. Konzepte wie Predictive Maintenance nutzen solche Einblicke, um proaktiv Wartungsarbeiten und Reparaturen durchzuführen.

Industrial Ethernet mit Echtzeitfunktion

Damit sich die genannten Vorteile in der Praxis einstellen, müssen Intelligent-Motion-Control-Lösungen mehrere Anforderungen erfüllen. Eine Applikation von mehreren Roboter-Achsen muss beispielsweise in der Lage sein, komplexe Bewegungen in Echtzeit zu steuern – also mit Netzwerk-Zykluszeiten von weniger als einer Millisekunde. Diese niedrigen Latenzzeiten gelten für den gesamten Kontroll- und Steuerzyklus, also Ende zu Ende, inklusive der Analyse von Daten durch Edge-Computing-Systeme.

Für das Netzwerk bedeutet dies, dass es deterministische Zugriffsverfahren und Echtzeitprotokolle unterstützen muss. Diese Vorgaben erfüllen Industrial-Ethernet-Protokolle wie Ethercat, Profinet und Ethernet/IP sowie der Ethernet-Standard TSN, was für Time Sensitive Networking steht, basierend auf der IEEE 802.1 Spezifikation. Ein Trend bei TSN sind konvergente Architekturen. Sie basieren auf Gigabit-Breitbandverbindungen und unterstützen unterschiedliche Arten von Netzwerkverkehr: eine zyklische Übermittlung, etwa von Kontrolldaten, sowie die azyklische Übertragung von Monitoring-Informationen und Bilddaten, beispielsweise im Bereich Qualitätskontrolle. Künftig werden neben kabelgestützten Industrial-Ethernet-Verbindungen auch 5G-Mobilfunk-Links zum Einsatz kommen. Dafür eignen sich Technologien wie 5G in Verbindung mit TSN.

Ein weiterer Vorteil der Konvergenz unterschiedlicher Daten- und Verkehrstypen ist, dass sie die Zusammenführung von OT- und IT-Umgebungen vereinfacht – also die Verbindung zwischen dem Netzwerk in der Produktionsumgebung und der IT-Infrastruktur, in der Anwendungen wie ERP-Lösungen sowie KI- und Analytics-Software angesiedelt sind. Dadurch können Unternehmen beispielsweise Daten, die eine Intelligent Motion Control und Anwendungen auf der Geräte-Ebene bereitstellen, mit Cloud-Applikationen analysieren und in Ableitungen umsetzen.

Conference & Expo: Future of Industrial Usability

Früher noch optional, wird Benutzerfreundlichkeit auch in der Industrie zunehmend zu einem obligatorischen Erfolgskriterium. Doch was bedeutet das und wo fängt man an? Wie gestaltet man eine optimale Mensch-Maschinen-Schnittstelle und erhöht so beispielsweise die Bedien- und Prozess-Sicherheit von Maschinen und Anlagen?
Die Konferenz Future of Industrial Usability am 26. und 27. Oktober in Würzburg liefert Antworten. Das neuaufgelegte Format dient als Plattform, auf der Expertinnen und Experten von neusten Entwicklungen berichten und echter Austausch möglich ist – branchenübergreifend und praxisnah.

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Weitere Anforderungen an eine Bewegungssteuerung

Bei der Auswahl einer Lösung für die Antriebs- und Bewegungssteuerung sollten Unternehmen auf weitere Kriterien achten:

Hohe Präzision und kurze Reaktionszeiten
Das gilt für die Bewegungssteuerung, die Drehmomentüberwachung sowie den gesamten Kontroll- und Regelkreis. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Stromrückkopplung. Um präzise Werte zu erhalten, sind eine exakte Synchronisierung auf die PWM-Zyklen, also die Pulsweitenmodulation, eine niedrige Offset-Drift und eine simultane Abtastung mit niedriger Latenzzeit erforderlich – mit einer Auflösung von 14 bis 18 Bit. Eine exakte Positionsmessung in Drehgebern und Linearantrieben benötigt außerdem entsprechende Präzisionswandler.

Robustheit, kompakte Maße und hohe Integrationsmöglichkeiten
Die Lösung sollte auf den Einsatz in rauen Umgebungen abgestimmt sein und sich auch in kompakte Systeme integrieren lassen, Stichwort Embedded Motion Control.

Hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit
Das gilt vor allem für die Stromversorgungskomponenten. Sie müssen eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen und für den Betrieb bei hohen Temperaturen ausgelegt sein. Außerdem sollte die Antriebs- und Bewegungssteuerung den Betrieb mit Wide-Bandgap-Leistungsschaltern, kurz WBG, auf Basis von Siliziumcarbid, SiC, und Galliumnitrid, GaN, unterstützen.

Magnetische Abtastung
Die Sensoren für die Positionierung, etwa von Roboterarmen, können eine magnetische Abtastung auf Basis des anisotropen, magnetoresistiven Effekts, auch AMR abgekürzt, verwenden. Solche Sensoren sind kostengünstiger und robuster als optische Komponenten, vor allem in Umgebungen, in denen Staub und Vibrationen auftreten.

Passende Schnittstellen und Isolierung
Antriebe und Motoren, die für komplexe Motion-Control-Anwendungen ausgelegt sind, benötigen digitale Isolierungslösungen. Isolation ist gefordert bei Schnittstellen für Daten und Kommunikation wie etwa RS-485, USB und LVDS, also Low Voltage Differential Signaling. Außerdem sind isolierte Gate-Treiber für die Ansteuerung von Low- und High-Side-Leistungs-ICs erforderlich. Diese wiederum stellen sicher, dass Motoren und Antriebe in Verbindung mit einer Intelligent Motion Control zuverlässig und auf sichere Weise funktionieren.

Fazit: Baustein für neue Geschäftsmodelle

Lösungen für die intelligente Antriebs- und Bewegungssteuerung sind für die intelligente Produktion unverzichtbar. Dies umso mehr, als sie Industrieunternehmen den Weg zu neuen Geschäftsmodellen ebnen. Ein Beispiel ist die Zustandsüberwachung, auch Condition Monitoring genannt, von Automatisierungskomponenten, Robotern, Pumpen und Förderanlagen. Ein Hersteller von Industrierobotern kann beispielsweise die Rückmeldung von Bewegungssteuerungen und Sensoren nutzen, um Modelle wie Robots-as-a-Service anzubieten. Ein Industrieunternehmen bucht bei einem Anbieter nach Bedarf die Arbeitsleistung solcher Systeme, inklusive Bereitstellung, vorausschauender Wartung und dem Austausch defekter Roboter.

Ein Hersteller von Förderanlagen wiederum nutzt die Daten von Intelligent-Motion-Control-Applikationen, um dem Nutzer eine höhere Verfügbarkeit, weniger ungeplante Ausfallzeiten und eine höhere Lebensdauer der Anlage zu bieten. Dies geht über das klassische Modell hinaus, das Verkauf, Installation und Wartung eines Systems vorsieht. Mithilfe der Informationen von Intelligent-Motion-Control-Lösungen kann ein Systemanbieter außerdem zusammen mit dem Kunden dessen Fertigungsprozesse verbessern und agiler gestalten. Somit profitieren alle Beteiligten von solchen Ansätzen: der Nutzer und der Anbieter von Smart-Manufacturing-Lösungen.

* Maurice O'Brien ist als Strategic Marketing Manager für Industrial Automation bei Analog Devices tätig.

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