Ausarbeitung und Umsetzung eines Konzeptes für eine servogesteuerte Handhebelpresse und Entwicklung einer Applikation zur Parametrierung und Diagnose via ModBus RTU in Visual C#

von Felix Beck und Florian Hahn
in Kooperation mit der Egmont Wilhelm GmbH
betreut von StD Markus Stock, Dipl.-Ing (FH)

Überblick

Für mechanische Fügeprozesse in kleiner Stückzahl werden in der Praxis oft konventionelle Handhebelpressen eingesetzt, welche aber einige Nachteile mit sich bringen. Geringes Maximalmoment, nichtlinearer Kraft-Weg-Verlauf und die Notwendigkeit der Aufbringung von Muskelkraft, sind nur wenige Gründe warum ein rein mechanisches Fügen oft nicht mehr zeitgemäß ist.

Auch hydraulisch oder pneumatisch unterstützte Systeme erreichen nicht die gewünschte Performance eines servobasierenden Produktes. Darüber hinaus muss das jeweilige Medium, falls nicht vorhanden, erzeugt bzw. bereitgestellt werden.

Jedoch muss berücksichtigt werden, dass nur eine Lösung mit offenem Arbeitsbereich in Frage kommt. Automatische Pressensysteme mit Zweihandstart oder Hubtür werden seit langem auf dem Markt angeboten, allerdings ist hier eine Spannvorrichtung für das Werkstück zwingend erforderlich. Daher ist ein ausgereiftes Sicherheitskonzept unerlässlich.

Auf Basis dieser Anforderungen wurde von der Egmont Wilhelm GmbH ein Konzept für ein Produkt erstellt, welches so auf dem Markt noch nicht erhältlich ist.

Konzept

    Komponenten
  • Closed-Loop Schrittmotor mit Absolutwertgeber und Motorcontroller
  • 20kN Wilhelm Einpressspindel mit Planetengetriebe
  • Drehwinkelsensor zur Erfassung des Neigungswinkels des Handhebels
  • Steuerelektronik zur Auswertung des Drehwinkelsensors und zur Festlegung der verschiedenen Geschwindigkeitsbereiche
  • Wilhelm Kraft-/Wegmesssystem zur Analyse und Verifikation
    Funktion
  • Je nach Drehwinkel soll die Presse in drei Stufen eine Geschwindigkeit von bis zu 10mm/s erreichen
  • Bei Erreichen einer eingestellten Blockkraft soll die Abwärtsbewegung der Spindel gestoppt werden und nur die Aufwärtsbewegung möglich sein
  • Der Status des Antriebs wird über LEDs am Handhebel angezeigt
  • Optional soll eine Kraft-/Wegüberwachung die Fügeoperation überwachen und zur Abschaltung bei Nennkraft verwendet werden

Ausführung

Aufgabenstellung

Bild 3: Projektbild

Kompenentenübersicht

  • Aufbau / Inbetriebnahme / Systemintegration / Realisierung der Grundfunktion
  • Analyse des Einpressverhaltens
  • Entwicklung der C#-Applikation
  • Funktionale Sicherheit
Bei der Auswahl der Komponenten und Erstellung des Steuerungskonzepts ist hervorzuheben, dass es keine zentrale Steuerung oder dergleichen gibt.
Die von der Firma Wilhelm entwickelte Steuerelektronik, wird alle logischen Funktionen erfassen und den Motorcontroller entsprechend ansteuern.

Lösung

Bild 4: Projektbild

Einblick in die C#-Applikation


Aufbau / Inbetriebnahme / Systemintegration / Realisierung der Grundfunktion

Zunächst galt es, sich in die Funktionsweise der verschiedenen Komponenten und deren Schnittstellen einzuarbeiten. Die Firma Orientalmotor stellt mit der Software MEXE02 eine sehr umfangreiche Software zur Verfügung, mit der der Motorcontroller parametriert werden kann. Die Konfiguration des Controllers war ein kontinuierlicher Prozess, der sich auch über den gesamten Zeitraum der Analyse des Systems erstreckte.

Analyse des Einpressverhaltens

Ob sich die Kombination aus Schrittmotor und dem eingesetzen Conroller zur Einressung eignet, war bei der Konzeptionierung noch nicht absehbar. Mithilfe eines Wilhelm Kraft-/ Wegmesssystems wurde die Arbeitsweise der Handhebelpresse auf Herz und Nieren geprüft und verschiedene Verhaltensweisen analysiert und dokumentiert. Z.B wurden Versuche angestellt, ob es möglich ist die Presse von extern beim Erreichen einer bestimmten Kraft zu stoppen und wie groß die entstehende Abweichung zwischen Ist- und Sollkraft ist. Die praktische Einsatztauglichkeit der Handhebelpresse wurde mit der Analyse bestätigt.

Entwicklung der C#-Applikation

Mit zum Aufgabenumfang dieses Projektes gehörte es auch, zu untersuchen welche zusätzlichen Möglichkeiten zur Kommunikation mit externen Geräten der Oriental-Controller noch bietet. Der Fokus lag hierbei schnell auf der RS845-Schnittstelle, welche über das ModBus RTU Protokoll angesprochen werden kann. Orientalmotor stellt seinen Kunden eine C#-Bibliothek zur Kommunikation kostenlos zur Verfügung. Auf dieser Basis wurde entschieden, dass zum ausgiebigen Test der Verbindung eine Software zur Parametrierung und Diagnose der Handhebelpresse in C# entwickelt werden soll. Der Kunde hat nun die Möglichkeit über eine übersichtliche und intuitiv bedienbare Software alle prozessrelevanten Parameter einzusehen und anzupassen. Auch werden etwaige Fehler des Controllers und die nötige Abhilfe genau beschrieben.

Funktionale Sicherheit

Um das Inverkehrbringen der Handhebelpresse zu ermöglichen, muss diese eine CE Kennzeichnung aufweisen. Da dieses Vorhaben enorm Umfangreich ist wurde für die funktionale Sicherheit ein externes Dienstleistungsunternehmen hinzugezogen. Für das erlangen der CE-Kennzeichnung müssen mehrere Punkte abgearbeitet werden. Zum einen muss ermittelt werden, welche Normen für diese Art von Machschine gelten und auch welche Risiken von ihr ausgehen. Des Weiteren muss anhand der Gefährdungen eine Risikobewertung durchgeführt werden. Ergbnis dieser Bewertung ist der Performance Level. Daraus können die gegebenenfalls nötigen Schutzeinrichtungen ausgewählt werden.
Im Fall der Handhebelpresse wurde ermittelt, dass das Risoko einer Gefährdung, welches durch den unerwarteten Anlauf von der Maschine ausgeht, mit einer Zustimmeinrichtung gemindert werden muss. Im Gegenzug konnte der bereits eingeplante Not-Halt Taster aber entfernt werden, da bei kleinen, übersichtlichen Anlagen diese Funktion auch über den ohnehin verhandenen Hauptschalter gegeben ist, solange dieser sich in Reichweite des Bedieners befindet.

Fazit

Das Projekt Handhebelpresse zeigt sehr gut, wie aus einfachen Komponenten und komplexer Entwicklungsarbeit ein fertiges Produkt entstehen kann. Auch beweist es den möglichen Einsatz von Schrittmotoren in nie dafür vorgesehenen Anwendungsbereichen. Die Presse kann sowohl mit als auch ohne ein Kraft-/Wegmesssystem betrieben werden, was fast unbegrenzte Einsatzmöglichkeiten bietet.

Die Entwicklung der Applikation zur Parametrierung und Diagnose via ModBus RTU in Visual C# war eine herausfordernde Aufgabe, da die Komplexität der Software anfangs noch kaum absehbar war. Jedoch steht nun außer Frage, ob es eine prozessfähige Schnittstelle gibt. Jegliche Erkenntnisse aus der Arbeit mit der seriellen Kommunikation können für weitere Einsätze des Controllers nützlich sein.

Uns persönlich hat die Teilnahme an diesem Projekt sehr gefallen, da uns das innovative Konzept sehr zusagt. Auch die Arbeit mit dem Schrittmotor und dessen Controller waren eine passende Möglichkeit, das theoretische Wissen aus den Fachbereichen Antriebs-, Regelungs- und Automatisierungstechnik praktisch umzusetzen.

Bild 5: Projektbild

Handhebelpresse mit PCU und Schaltschrank


Danksagung

Hiermit möchten wir allen Personen unseren Dank aussprechen, die sich um die Umsetzung und Durchführung der Technikerarbeit bemüht und uns unterstützt haben.
Des Weiteren möchten wir uns bei Herrn Markus Stock bedanken, der die Betreuung aus schulischer Seite übernommen hat.
Unser besonderer Dank gilt Herrn Lothar Beck und den verantwortlichen Mitarbeitern der Firma Egmont Wilhelm GmbH für die ausgiebige Unterstützung und das entgegengebrachte Vertrauen in diesem Projekt.