Pick & Place System (PPS)

Florian Gramm, M. Eng.

Moderne Produktionsanlagen weisen einen zunehmenden Automatisierungs- und Komplexitätsgrad auf. Um eine schnelle und kostengünstige Implementierung zu gewährleisten bieten die Hersteller der entsprechenden Anlagenkomponenten möglichst einfache, standardisierte und einheitliche Geräteschnittstellen an, welche eine individuelle und prozessspezifische Optimierung nicht oder nur umständlich zulassen. Im Rahmen des Projekts soll anhand eines realen Systems und seinem digitalen Abbild, dem sogenannten digitalen Zwilling, das Optimierungspotential identifiziert und Lösungsansätze zur Übertragung auf Standardanwendungen ausgearbeitet werden. Die Bestimmung der idealen Bahnkurve ist dabei essentieller Bestandteil der Optimierung. Ziel ist die Erhöhung der Taktzeiten und Produktivität der Anlagen bei gleichzeitiger Energie- und Ressourcenschonung.

Der zunehmende Automatisierungsgrad und die Vernetzung in Produktionsanlagen und Fertigungsstraßen erfordert den Einsatz immer komplexer werdender Antriebs- und Steuergeräteverbünde. Insbesondere für Positionier- und Handlingsaufgaben sind elektrische Direktantriebe weit verbreitet.

Dabei liegen die Interoperabilität und eine möglichst einfache Implementierung beziehungsweise Inbetriebnahme im Fokus der Anlagenbetreiber wie auch Hersteller. Hochdynamische Verfahrensprozesse und möglichst kurze Intervallzeiten sollen kurze Durchlaufzeiten und hohe Produktionsraten gewährleisten. Um den Anforderungen gerecht zu werden bieten die Antriebs- und Steuergerätehersteller weitgehend standardisierte Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle an.

Die Umsetzung individueller und auf den Prozess angepasster Betriebsstrategien ist nur bedingt realisierbar. Die übergeordnete Optimierung dynamischer Handhabungsprozesse ist nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand umzusetzen. In der praktischen Anwendung von Automatisierungswerkzeugen begnügt man sich deshalb meist mit der Vorgabe von Sollpositionen und linearen Fahrwegen.

Im Rahmen des Projekts soll anhand eines zweiachsigen Positioniersystems das Optimierungspotential bezüglich Energieeffizienz und Dynamik bestimmt beziehungsweise mögliche Optimierungsansätze ausgearbeitet werden. Mit Rücksicht auf die vorhandenen Steuerungsschnittstellen sowie die etablierten Entwicklungsprozesse in der Industrie, sollen Werkzeuge entwickelt werden, die es erlauben ohne signifikanten Mehraufwand im Entwicklungsprozess die Effizienz automatisierter Anlagen zu steigern.

Im Rahmen des Optimierungsprozesses werden die Sollbahnen von Handlingsvorgängen unter Berücksichtigung von Störgrößen wie Reibung, variabler Massen oder versperrten Bereichen im Bewegungsraum optimiert. Darüber hinaus ist der Einsatz adaptiver Steuerungsstrategien zur Erhöhung der Robustheit vorgesehen. Der Einsatz des digitalen Zwillings (Abbildung 2) erlaubt die Applikation kritischer Anlagenkomponenten bereits in der Planungsphase und eine erste Abschätzung der erzielten Leistungskapazitäten. Neben der Zeitersparnis in der Entwicklungsphase können auch Fehlerfälle (HIL-Simulation) simuliert werden. Darüber hinaus können Regressionstests oder Dauerläufe über die Simulation abgebildet werden. In Abbildung 3 ist das Simulationsmodell dargestellt. 

Dabei steht nicht die Optimierung der elektrischen Hardwarekomponenten im Vordergrund, vielmehr soll durch optimale Steuerung die Effizienz der vorhandenen Hardware verbessert werden.