Über die Kunst und Wissenschaft des Maschinendesigns

Als Integrationspartner unterstützt Aerotech seine Kunden von der ersten Idee bis zum schlüsselfertigen Automatisierungssystem

Fürth, 09. November 2023 - Eine erfolgreiche Maschinenkonstruktion beginnt in der Regel mit einem Blatt Papier und einer Skizze - "Ja! Das ist es, was ich will!". Was über diese erste Idee hinausgeht, hängt von den Anforderungen ihres Systems ab, erklärt Uwe Fischer, Marketing Manager Europe bei Aerotech. Die Experten für Bewegungssteuerung bei Aerotech liefern ihren Kunden nicht nur Komponenten und Steuerungen, sondern gehen auch Partnerschaften ein, um vollständig integrierte, branchenspezifische Automatisierungssysteme zu entwickeln.

Seit 1970 liefert Aerotech Standardproduktlösungen wie Motoren, Antriebe, Steuerungen und Positioniertische. Kundenspezifische Bewegungs-Subsysteme, einschließlich Positioniersysteme auf Granitstrukturen und Schwingungsisolierung, sowie externe Messsysteme. Vollständig integrierte Systeme sind schlüsselfertige Maschinen, die gemeinsam mit dem Kunden entwickelt werden, um einen automatisierten Prozess durchzuführen. Sie umfassen nicht nur Präzisionskomponenten für die Bewegungssteuerung, die im eigenen Haus hergestellt werden, sondern auch die vollständige Integration der Automatisierung, z. B. Teilehandhabung, Prozessinstrumente, Sicherheitselemente und kundenspezifische Software.

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Als Integrationspartner übernimmt Aerotech eine Vielzahl von Aufgaben für seine Kunden.
Bei Komponenten und Subsystemen bedeutet dies, an den wichtigsten Anforderungen zu arbeiten, um die Leistungskriterien zu erfüllen. Aerotech glänzt vor allem bei schlüsselfertigen Systemen, bei denen eine Idee über die Entwicklung des Maschinenkonzepts und die detaillierte Definition der Anforderungen bis hin zur Konstruktion und Herstellung des Endprodukts begleitet werden kann.
"Die Anforderungsphase ist eine der wichtigsten und muss präzise gehandhabt werden. Wenn im weiteren Verlauf des Produktdesigns etwas schief geht, ist das meist auf Unzulänglichkeiten in dieser Phase zurückzuführen", so die Erfahrung unserer Experten, erklärt Uwe Fischer. "Um ein Beispiel zu nennen: Bei einer Laserschneidmaschine schauen sie dabei zuerst an, wie der Laser selbst und die verschiedenen Bewegungsarten, die zum Schneiden benötigt werden, zu handhaben sind.“
Bei Aerotech werden die Prozessanforderungen in einem Top-Down-Prozess entwickelt, d.h. die Experten fragen sich konkret, für wen das System gebaut wird. In welcher Branche ist das Unternehmen tätig und was soll damit  gefertigt werden? Wer wird später an der Maschine arbeiten und zu welchem Zweck? Wie groß oder wie klein muss die Maschine ausgelegt sein? All das wird benötigt, um das Benutzer- und Produktprofil zu erstellen. "Aerotech arbeitet mit einer Vielzahl von Branchen zusammen, die alle ihr eigenes, einzigartiges Benutzer- und Anforderungsprofil haben - das können Test- oder Inspektionssysteme für die Halbleiterindustrie sein oder staatlich finanzierte Forschungseinrichtungen mit wissenschaftlichen Nutzern", erklärt Uwe Fischer .

Sicherheit geht vor
"Unsere Designexperten beginnen mit einer allgemeinen Risikobewertung und gehen dann immer weiter in die Details. Aus den Ergebnissen leiten sie dann die einzelnen Kontrollmaßnahmen ab." Grundsätzlich gelte dabei: Je komplexer das System ist, desto anspruchsvoller ist der Prozess der Verifizierung und Validierung.
Noch bevor das Produkt in Betrieb genommen wird, wird es von Aerotech ausgiebig getestet. Die Positionierexperten verifizieren und validieren die einzelnen Schritte anhand von Checklisten und vorgegebenen Tests, die sowohl die ursprüngliche Idee als auch alle branchentypischen Anforderungen berücksichtigen. Besonders wichtig ist hierbei die Sicherheitsbewertung während der Nutzung.

Von den Großen zu den Kleinen und wieder zurück
Bei der Zusammenarbeit mit Kunden spielt die erwartete Kapitalrendite oft eine Rolle. Private Unternehmen orientieren sich in der Regel am Return on Investment, also an der Zeit, in der sie ihre Anfangsinvestition "zurückverdienen". Bei wissenschaftlichen Unternehmen geht es eher um den gesellschaftlichen Aufstieg, die internationale Anerkennung oder konkret darum, wie viele wissenschaftliche Arbeiten mit Hilfe der Maschine produziert werden können.
Ausgehend von den Bedürfnissen des Anwenders entscheiden Aerotech und der Kunde dann gemeinsam über ein angemessenes Budget. Der erste Schritt besteht darin, den gesamten Prozess zu definieren, der von der Maschine ausgeführt werden soll. Dazu gehören auch die voraussichtliche Dauer der Wartung, Rüstzeiten und internationale Richtlinien und Normen. Und dann geht es nach dem Top-Down-Prinzip weiter in die Systemanforderungen, d.h. in eine sehr detaillierte Ausarbeitung der technischen Spezifikationen und Funktionalitäten.
Aerotech Marketing Manager Uwe Fischer: "Meist wird sich zunächst ein Gesamtbild verschafft: Dazu wird ein Diagramm mit den einzelnen Bereichen und Beteiligten gezeichnet, die das Projekt betrifft. Darauf basierend wird die Produktumgebung entwickelt. Anschließend werden die Primärprozesse angegangen." Dies ist die Basisarbeit von Aerotech mit dem Kunden und kann als Antrag für die weitere Zusammenarbeit gesehen werden.  "Die meisten Kunden kommen bereits mit einer groben Idee auf Aerotech zu, haben aber oft keine Vorstellung davon, wie der Prozess dahinter aussehen soll. Unsere Experten klären dann konkret, welche Art von Bewegung benötigt wird. Aus den Antworten entwickeln sie den primären Prozess und entscheiden die Spezifikation des Bewegungssystems."

Alles in sich aufnehmen
Dann gehen wir zu den sekundären Prozessanforderungen über. Neben der Berücksichtigung geltender Normen und Sicherheitsrichtlinien geht es um die weiteren Anforderungen an eine komplette Maschine, zum Beispiel um die Berücksichtigung des zu bearbeitenden Materials oder ob ein Inspektionssystem in den Laserschneider integriert werden soll. Auch muss geklärt werden, wie die einzelnen Vorgaben auf das Steuerungselement übertragen werden können.
Ein sekundärer Prozess könnte aus unkritischen Achsen bestehen, die ebenfalls gesteuert werden müssen. Beispielsweise könnten sekundäre Achsen zusätzliche Bewegungen im Zusammenhang mit der Umstellung des Werkstücks auslösen. Ein solcher Vorgang erfordert zwar nicht die höchste Leistung, sollte aber zumindest in eine kohärente Steuerungsarchitektur integriert werden, bei der alles auf denselben Punkt zurückgeführt wird. Daraus wiederum könnten sich weitere Anforderungen für andere Funktionen ergeben, wie z. B. die Integration mit Not-Aus-Funktionen. "Es gibt heute sehr spezifische Erwartungen auf dem Steuerungsmarkt und damit auch für Aerotech als Integrationspartner", so Uwe Fischer weiter.
Darüber hinaus werden auch rein betriebliche Erwägungen relevant, zum Beispiel Benutzerfreundlichkeit und Funktionalität. Wie einfach lässt sich die Maschine einrichten, abstimmen und nutzbar machen? Wie sollte das Steuerungssystem gestaltet sein, damit es von den Benutzern leicht verstanden wird? Können auch Wartungstechniker mit dem System interagieren, wenn es um die Durchführung von präventiven und reaktiven Arbeiten geht?
"Statt einer Reihe von halbindividuell konzipierten Anwendungen entwickeln unsere Experten lieber eine gemeinsame, leistungsstarke Plattform, die flexibel und leicht zu modifizieren ist", sagt der Aerotech-Manager. "Wenn sich der Prozess des Kunden ändert oder weitere branchenspezifische Anforderungen notwendig werden, können diese mit Hilfe einer einfachen Modifikation erfüllt werden."

Präzision und hoher Durchsatz sind gefragt
Bei den heutigen Systemen geht es in der Regel um Leistung - insbesondere um Leistung, die den Durchsatz erhöht. Im Fall von Aerotech bedeutet dies, dass die Produkte die höchstmögliche Prozessgeschwindigkeit erreichen und gleichzeitig ein hochpräzises Bewegungsprofil beibehalten. Neben der Punkt-zu-Punkt-Bewegung, der so genannten statischen Leistung, muss also auch die dynamische Leistung berücksichtigt werden. Ein Lineartisch zum Beispiel kann sich tagelang problemlos hin und her bewegen. Bei der eigentlichen Bewegung treten jedoch Roll-, Nick- und Gierbewegungen auf. Wie gerade und flach müssen also die Bewegungsachsen sein, damit der ganze Prozess reibungslos funktioniert?
Wenn sich der Arbeitspunkt beispielsweise 300 mm über dem Tisch befindet und dies zu einem Fehler von etwa einem Milliradian führt, muss mitunter der Arbeitspunkt genauer angeschaut werden. "Bei einem einachsigen System mit einem einzigen Arbeitspunkt ist es noch relativ einfach, diesen Punkt zu berechnen", so Uwe Fischer. "Wenn man jedoch ein mehrachsiges System, wie z. B. eine Gantry-Lösung, in Betracht zieht, sind die Fehler mehrerer Achsen zu berücksichtigen. Darauf folgt eine detaillierte Analyse des Fehleraufbaus, bei der ermittelt wird, wie sich der Fehler durch Kalibrierung, Achsenkorrekturen und andere Techniken kontrollieren lässt."

Das Kontrollsystem macht es
Um die Korrekturen für eine bessere Systemleistung vorzunehmen, ist ein funktionelles Steuerungselement erforderlich. Laut Aerotech entfallen 50 Prozent der Maschinenleistung auf die Mechanik, während die anderen 50 Prozent durch die Steuerung erreicht werden. Der Anwender hat die Möglichkeit, eine E/A-fokussierte Steuerung, eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder eine bewegungsorientierte Steuerung wie die Automation1 von Aerotech zu verwenden.
E/A-fokussierte Steuerungen (SPS) sind hervorragend für die allgemeine Automatisierung geeignet. Bei komplexeren Aufgaben schwindet jedoch die Benutzerfreundlichkeit. "Wir hören von unseren Kunden immer wieder, dass eine E/A-fokussierte Steuerung keine einfach zu bedienenden Schnittstellen für Bewegungsprozesse bietet", weiß Uwe Fischer von seinen Fachleuten. "Die gewählte Steuerung muss in der Lage sein, sowohl einachsige Punkt-zu-Punkt-Bewegungen als auch komplexe Mehrachsensteuerungen zu bewältigen. Kompliziertere Steuerungsalgorithmen, wie sie von Experten auf der ganzen Welt entwickelt werden, sollten ebenfalls einfach zu integrieren sein."
Im Allgemeinen erhöht ein Steuerungssystem die Leistung eines Bewegungsprozesses, wenn es speziell dafür ausgelegt ist. Für ein einfaches Förderbandsystem beispielsweise ist eine SPS normalerweise ausreichend. Handelt es sich bei dem System jedoch um ein Hochgeschwindigkeits-Laserscanning-Portal, das Bildgebung und Laser synchronisiert, sollte eine speziell programmierte Bewegungssteuerung verwendet werden.
Es ist aber auch eine Kombination aus beidem möglich, d.h. ein Motion Controller wird für den gesamten Bewegungsprozess eingesetzt und eine SPS für die Steuerung anderer Hilfsgeräte. "Nach den Erkenntnissen unserer Maschinendesigner ist dies oft die eleganteste Lösung - die beste Leistung in einem bewegungsbasierten Prozess erhalte man jedoch nur über Motion Control", fasst Uwe Fischer zusammen.

Vier Faktoren werden wichtig
Bei den auf dem Markt erhältlichen Steuerungen sind vor allem vier verschiedene Faktoren zu beachten: Benutzerfreundlichkeit, Flexibilität, Schnittstellen und Leistung. In der Regel können sich die Benutzer schnell ein Bild von der Benutzerfreundlichkeit machen: Ist die Bedienung der Steuerung leicht zu erlernen? Ist es einfach zu konfigurieren und ist vieles selbsterklärend, so dass man nicht gleich vergisst, wie es funktioniert?
Dann ist da noch die Frage der Flexibilität: Können Achsen leicht hinzugefügt oder aus dem System entfernt werden? Ist es möglich, die Stromstärke der Verstärker zu variieren? Kann ein statischer Laser durch einen Scankopf ersetzt werden, um komplexere Formen zu erzeugen?
Das Thema der Schnittstellen ist so umfangreich wie die Fragen, die wichtig werden. Wie werden die Benutzer die Maschine in Zukunft nutzen? Wie werden die Programme ausgeführt? Welche Automatisierungen sind notwendig? Wie kann die Maschine ein- und ausgeschaltet werden? Werden andere Geräte an die Maschine angeschlossen, kann z.B. eine SPS integriert werden? Wie kann der Zustand der Maschine überwacht werden? Gibt es Möglichkeiten für eine vorausschauende Wartung?
Der letzte Faktor ist der entscheidende und betrifft die Leistung. Wie kann die Anzahl der Einheiten pro Stunde erhöht werden? Wie lassen sich Position und Geschwindigkeit kontrollieren? Wie sieht es mit den zeitlichen Auswirkungen der modernen Bustechnologien aus?

Intelligente Bewegungssteuerung für präzise Anwendungen
Die Automation1-Steuerungsplattform von Aerotech unterstützt ihre Anwender mit Hilfe von virtuellen Assistenten, auch "Helfer" genannt. Dies erleichtert die Konfiguration von Antrieben und Mechanik innerhalb des Maschineneinrichtungsassistenten. Das System scannt das Bewegungsnetzwerk, identifiziert die angeschlossenen Geräte und ermöglicht dann das Hinzufügen der mechanischen Geräte. "Automation1 verfügt über einen Gerätekatalog sowohl für Aerotech-Geräte als auch für Versteller von Drittanbietern - wenn die Motordaten bekannt sind, erhalten Anwender auch erste Berechnungen für die Servo- und Stromschleifenverstärkung. Das ist sehr praktisch, denn mit nur fünf Mausklicks kann man etwa 20 Parameter einstellen", erklärt Uwe Fischer.
Ein weiterer Vorteil in Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit ist die automatische Berechnung der Anfangsparameter. Beim Einrichten eines Geräts werden alle möglichen Parameter eingestellt. Dies spart eine Menge Zeit und Mühe bei der Ersteinrichtung, was früher Stunden dauerte, ist jetzt eine Sache von Minuten.
Automation1 bietet auch Checklisten, die den Benutzer durch den Einrichtungsprozess führen. Möchten sie ihre Fehler konfigurieren? Wie möchten sie ihre Homing-Sequenz konfigurieren? Die Konfiguration der Achsen oder die Fehlersuche ist somit jederzeit möglich, auch für weniger erfahrene Benutzer.
Diejenigen, die das Leistungsniveau ihrer Maschine im Handumdrehen verbessern wollen, nutzen auch EasyTune. "EasyTune geht weit über die Möglichkeiten von Autotune hinaus und ist sozusagen Aerotechs technologisches Äquivalent dazu, dass sich jemand mit 10 bis 20 Jahren Steuerungserfahrung hinsetzt und das System abstimmt", sagt Uwe Fischer. "Wir haben sogar eine eigene Abteilung, die sich mit der Verbesserung von EasyTune beschäftigt.“ Viele Anwender verwenden Easy Tune nur deshalb, um ihre Hochleistungssysteme zu tunen, und selbst die am schwierigsten zu tunenden Systeme erhalten laut Aerotech auf Anhieb eine Leistungssteigerung von 75-80%.
Die Automation1-Steuerung ist direkt in das Antriebssystem der Maschine integriert. Verfügt das System beispielsweise über vier Achsen, zwei Portalholme, eine Brücke und eine Vertikale für die Laserbewegung, dann können diese vier Antriebe über das HyperWire Motion Network miteinander kommunizieren. HyperWire ist ein Motion-Bus, der speziell von Aerotech entwickelt wurde, um die höchstmögliche Leistung zu erzielen und jeder anderen Technologie einen Schritt voraus zu sein, und um Timing-Jitter zu minimieren.
Auch das Thema Schnittstellen wurde von den Aerotech-Experten optimiert. "Unser Feature MachineApps hat sehr klare, anpassbare Schnittstellen", so Uwe Fischer. "Es braucht nur zwischen 5 bis 30 Minuten, um eine relativ komplexe Schnittstelle für Kunden oder zu Demonstrationszwecken einzurichten. Unsere Automation1-Experten haben auch eine Reihe von Modulen entwickelt, die sich leicht hinzufügen und automatisch per Drag & Drop konfigurieren lassen." Der Vorteil der Automation1-Motion-Control-Plattform sei unverkennbar: Periphere Komponenten wie SPS können ebenfalls einfach integriert und über dieselbe Plattform gesteuert werden.

((Bilder))

Bild1: Uwe Fischer
BU: Uwe Fischer, Marketing Manager Europe
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Abb. 2-5: Automatisierung auf einen Blick
BU: Leistung trifft auf Benutzerfreundlichkeit: Die Automation1-Steuerungsplattform ermöglicht die direkte Ansteuerung von Servo- und Schrittmotoren, Galvo-Scan-Köpfen, piezoelektrischen Aktoren und verschiedenen anderen Geräten. Die einzelnen Achsen sind über den HyperWire-Bus verbunden, den leistungsstärksten Kommunikationsbus in der Motion-Control-Branche.
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Abb. 6: Aerotech-Komponenten und Systeme
BU: Ob Einzelkomponente oder komplette Bewegungssysteme mitsamt ihrer Peripherie – sie lassen sich mit der Bewegungssteuerungsplattform Automation1 steuern.  
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Über Aerotech
Aerotech Inc. mit Hauptsitz in Pittsburgh, USA, ist ein mittelständisches Familienunternehmen in Privatbesitz. Aerotech wurde 1970 von Stephen J. Botos gegründet und entwickelt und produziert die weltweit leistungsfähigsten Bewegungssteuerungs- und Positionierungssysteme für Kunden in Industrie, Wissenschaft und Forschung. Im Sinne eines Familienunternehmens legen die Inhaber weiterhin größten Wert auf einen offenen und vertrauensvollen Umgang mit Kunden, Geschäftspartnern und Mitarbeitern. In Deutschland ist das mittelständische Unternehmen mit einer eigenen Tochtergesellschaft, der Aerotech GmbH, mit Sitz im fränkischen Fürth vertreten. Neben den Vertriebs- und Serviceaktivitäten findet in Fürth auch die kundenspezifische Montage von Positioniersystemen für den europäischen Markt statt. Die innovativen und hochpräzisen Bewegungslösungen erfüllen alle kritischen Anforderungen, die für die anspruchsvollen Anwendungen von heute erforderlich sind. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo ein hoher Durchsatz gefordert ist - unter anderem in der Medizintechnik und Life Science, Halbleiter- und Flachbildschirmfertigung, Photonik, Automotive, Datenspeicherung, Laserbearbeitung, Luft- und Raumfahrt, Elektronikfertigung sowie in der Inspektion und Prüfung bis hin zur Montage.
Mit fortschrittlichen Analyse- und Diagnosefunktionen bietet Aerotech technischen Support und Service von Weltklasse. Wenn ein Standardprodukt für eine bestimmte Anwendung nicht geeignet ist, ist der Hersteller in der Lage, spezielle Bewegungskomponenten und -systeme zu liefern, die auf seinem langjährigen Know-how und seiner Erfahrung basieren. Die Fertigungskapazitäten für kundenspezifische Anwendungen werden durch die Erfahrung bei der Lieferung von Systemen für den Vakuum- und Reinraumbetrieb ergänzt.
Aerotech hat Full-Service-Büros in Deutschland (Fürth), Großbritannien (Ramsdell), China (Shanghai City) und Taiwan (Taipei City). Aerotech beschäftigt derzeit weltweit etwa 500 Mitarbeiter. www.de.aerotech.com

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