Die „intelligente“ Königswelle

Nach dem Ersatz der mechanischen durch die elektronische Königswelle erschließt jetzt die „intelligente“ Königswelle neues Potenzial. Das Beispiel Verpackungsmaschinen zeigt, wie sich mittels dieser Software-Funktion Belastungsspitzen einzelner Achsen innerhalb des Maschinentaktes durch temporäres Verringern der Geschwindigkeit begrenzen lassen.

Nach dem Ersatz der mechanischen durch die elektronische Königswelle erschließt jetzt die „intelligente“ Königswelle neues Potenzial. Das Beispiel Verpackungsmaschinen zeigt, wie sich mittels dieser Software-Funktion Belastungsspitzen einzelner Achsen innerhalb des Maschinentaktes durch temporäres Verringern der Geschwindigkeit begrenzen lassen.

Verpackungsmaschinen sind geprägt durch Bewegungsprozesse, die sich aus winkelsynchron zueinander ablaufenden Einzelbewegungen zusammensetzen. Im klassischen Maschinenbau wird diese Synchronität durch mechanische Kopplung erreicht. Basis ist beziehungsweise war eine Königswelle, die über Kurvenscheiben, Nocken und sonstige Kraftkopplungen alle Bewegungen in einem definierten Ablaufschema initiiert. Anders bei der Antriebsarchitektur einer elektronischen Verpackungsmaschine: Hier generiert eine Vielzahl von synchronisierten Einzelantrieben den Bewegungsablauf des Verpackungsprozesses. Die Elektronische Königswelle (Electronic Line Shaft – ELS) verriegelt diese Einzelachsen mit einer virtuellen oder realen Master-Achse. Die Generierung der Positionswerte für die Achsen-Module, die diese in Kurvenscheiben-Sollwerte für die Antriebe transformieren, erfolgt über den virtuelle Master in der Motion-Control-Software der Steuerung.

Ein Nachteil bei diesem Konzept ist, dass der virtuelle Master die vorgegebene Maschinengeschwindigkeit ohne Berücksichtigung kritischer Bewegungsphasen der Einzelantriebe umsetzt. Ob beim Ausführen des Bewegungsprofils temporär zu hohe Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen einzelner Achsen auftreten, die zu erhöhtem Verschleiß oder Zerstörung führen, bleibt dabei ebenso unberücksichtigt wie der Fall, dass Packmittel oder Packgut kurzzeitig zu hohen Beschleunigungen ausgesetzt sind, sodass es zum Kippen oder sonstigen Beeinträchtigungen des Verpackungsprozesses kommen kann. Die mechanisch am höchsten belastete Achse beziehungsweise die Bewegung, welche Packmittel oder Packgut am stärksten beeinträchtigt, legt daher die Grenze für die maximale Maschinengeschwindigkeit fest. Schon unterhalb dieser Grenze kann es zu erhöhtem Verschleiß an den von dieser Achse angetriebenen mechanischen Komponenten oder zu Prozessstörungen kommen. Kürzere Wartungsintervalle beziehungsweise häufigere Betriebsstörungen sind die Folge.

Auf diesen Grundfunktionen setzt das ILS-Software-Modul auf, welches die Vorgabe von Maximalwerten für Beschleunigung und Geschwindigkeit für eine Achse erlaubt. Das Software-Modul regelt den Informationsfluss von der Slave-Achse zum virtuellen Master und berechnet für diesen die zur Einhaltung der Grenzwerte notwendigen Geschwindigkeitsverringerungen. Die Realisierung der Funktion als universeller Baustein in einem Programmierkonzept mit generell standardisierten Software-Funktionen hat noch einen weiteren Vorteil: ILS eignet sich nicht nur zur Optimierung von in der Entwicklung befindlichen Maschinen, sondern lässt sich gleichermaßen für eine nachträgliche Optimierung bestehender Maschinen einsetzen.

Optimierungspotenzial verlagert sich in die Software

Der ILS-Optimierungsansatz verdeutlicht, welches Potenzial applikationsspezifischen Optimierungsverfahren auf Software-Ebene zukommt: Mit ILS sind ohne Aufwand für Programmierung oder Mechanik-Optimierung beträchtliche Geschwindigkeitssteigerungen beziehungsweise Bewegungs-Optimierungen erzielbar. Vorteile, die auf anderem Weg kaum zu realisieren sind. Die Umsetzung demonstriert auch, wie wichtig in Zukunft der Übergang von der klassischen Code-Generierung zum funktionsorientierten Zusammensetzen vorgefertigter Software-Module wird. Steigende Komplexität der Produkte und sinkende Produktlebenszeiten zwingen unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit zu diesem Weg. Programmierlogik wird wieder verwendbar, ohne redundanten Code neu erstellen oder warten zu müssen. Große, komplexe Softwareprogramme lassen sich durch den Einsatz von Modulen gliedern und strukturieren; Funktionalitäten sind nach dem Baukastenprinzip zusammensetzbar. Last but not least können mehrere Entwicklergruppen unabhängig voneinander einzelne Module bearbeiten und testen, wodurch Software-Projekte zeitlich besser steuerbar sind. gh