> Bewegungssteuerungen (SP2)

Bewegungssteuerungen zur Automatisierung fertigungstechnischer Prozesse 

Die Automatisierung fertigungstechnischer Prozesse etwa in der Automobiloindustrie ist geprägt durch hohe Geschwindigkeit und Präzision. Die meisten Fertigungsabläufe laufen parallel ab und müssen koordiniert werden, um hohe Durchsatzraten zu ermöglichen.


Zur Bewegung, Bearbeitung und Lagerung einzelner Werkstücke und Werkzeuge werden komplexe mechatronische Systeme eingesetzt, wie etwa Förderbänder, Werkzeugmaschinen, Roboterarme, autonome Transportsysteme und Hochregallager.


Die Steuerung der Bewegungsprozesse erfolgt heutzutage mit Motion-Control-Systemen, die wie eine SPS nach IEC 61131 und mit Standard-Motionbausteinen der PLCopen programmiert werden können. Trotzdem erfordert der Softwareentwurf genaue Kenntnisse der Konzepte zur Programmierung von Bewegungsbahnen, Achssynchronisierung, Interpolation, Lageregelung und Koordinatentransformation.


Um die Sicherheit in Fertigungsanlagen zu gewährleisten, müssen je nach Risiko mitunter sicherheitsgerichtete Steuerungen eingesetzt werden, die im Fehlerfall die Anlage zuverlässig in den sicheren Zustand überführen.

1. Einführung
    1.1 Fertigungstechnische Prozesse in der digitalen Fabrik
    1.2 Bewegungssteuerungen: SPS, CNC, Motion-Control-System

2. Projektierung zuverlässiger Automatisierungssysteme
  2.1 Gute Automatisierungspraxis 
  2.2 Planung und Design
      2.2.1 Lastenheft     
      2.2.2 Pflichtenheft       
  2.3 Software-Engineering
      2.3.1 Konfigurieren statt Programmieren  
      2.3.2 Standardmodule zur Anlagensteuerung
      2.3.3 Standardmodule zur Anlagensimulation
      2.3.4 Standardmodule zur Prozessvisualisierung
      2.3.5 Konfiguration des Prozessablaufs
  2.4 Inbetriebnahme und Verifizierung
      2.4.1 Factory Acceptance Test  
      2.4.2 Installationsprüfung
      2.4.3 Funktionsprüfung
      2.4.4 Performanceprüfung
      2.4.5 Wartung und Instandhaltung

3. Steuerung von Werkzeugmaschinen
  3.1 Aufbau von Fräs- und Drehmaschine
  3.2 Steuerung einer Linearachse
      3.2.1 PLCopen-Bausteine für Einzelachsen     
      3.2.2 Achsschnittstelle 
      3.2.3 Interpolation  
      3.2.4 Sensorik
      3.2.5 Lageregelung  
  3.3 Bahnvorgabe durch CNC-Programm
      3.3.1 CNC-Editor, G-Codes  
      3.3.2 Bahninterpolation
  3.4 Achssynchronisation mit elektronischen Kurvenscheiben [1, Kap. 6.3]
      3.4.1 Mechanische und elektronische Kurvenscheiben
      3.4.2 CAM-Editor und PLCopen-Bausteine
      3.4.3 Steuerung einer Fliegenden Säge
 
4. Steuerung von Industrierobotern
  4.1 Aufbau von Scara- und Knickarmrobotern
  4.2 Koordinatentransformation
      4.2.1 Direkte Kinematische Transformation
      4.2.2 Inverse Kinematische Transformation
  4.3 Programmierung von Bewegungsabläufen
      4.3.1 Roboterprogrammierarten
      4.3.2 Programmierung von Achsgruppen nach PLCopen

5. Bildverarbeitung zur Steuerung autonomer Roboter
  5.1 Aufbau von Bildverarbeitungssystemen
  5.2 Bildverarbeitungsstufen
      5.2.1 Bildaufnahme
      5.2.2 Bildfilterung
      5.2.3 Bildsegmentierung
      5.2.4 Merkmalsextraktion
  5.3 3D-Positionsbestimmung
      5.3.1 Direkte Perspektivische Transformation
      5.3.2 Inverse Perspektivische Transformation

6. Autonome mobile Roboter
  6.1 Aufbau holonomer und nicht-holonomer Roboter
  6.2 Interpolation und Kinematik
  6.3 Navigation
      6.3.1 Koppelnavigation
      6.3.2 Navigation mit Landmarken
      6.3.3 Spurverfolgung
  6.4 Kollisionsvermeidung

7. Funktionale Sicherheit
  7.1 Gefahren- und Risikoanalyse
      7.1.1 Ereignisbaumanalyse
      7.1.2 Fehlerbaumanalyse
      7.1.3 Risikograf
      7.1.4 Safety Integrity Levels (SIL)
  7.2 Fehlersichere Steuerungen
      7.2.1 Redundanz und Diversität
      7.2.2 Aufbau und Funktionsweise sicherheitsgerichteter SPSen
      7.2.3 Sicherheitsgerichtete Feldbusse

8. Fertigungsablaufplanung
  8.1 Montageplanung mit Vorranggrafen
  8.2 Koordination paralleler Abläufe mit Petri-Netzen
      8.2.1 Ablaufmodellierung mit Petri-Netzen
      8.2.2 Algebraischer Entwurf zur Koordination
      8.2.3 Analyse auf Steuerbarkeit durch Erreichbarkeitsgrafen
      8.2.4 Programmentwurf
      8.2.5 Ablaufplanung für eine Fertigungszelle [1, Kap. 6.5]

9. Zusammenfassung

Die Kapitel 2, 3, 4, 5, 7 und 8 sind weitgehend beschrieben in: M. Seitz: "Speicherprogrammierbare Steuerungen für die Fabrik- und Prozessautomation", Hanser Verlag, 2015.

Zentraler Bestandteil der Lehrveranstaltung ist die praktische Umsetzung der in der Vorlesung behandelten Themen durch folgende Laborübungen:

  1. Engineering und Verifizierung sicherheitsgerichteter Steuerungen
    am Beispiel eines Hochregallagers, das durch eine im TIA-Portal programmierte Siemens S7-Steuerung mit WinCC automatisiert wird.
  2. Bahnplanung und -interpolation einer Werkzeugmaschine
    automatisiert durch ein Beckhoff Motion-Control-System, das mit CoDeSys programmiert wird.
  3. Robotik und Bildverarbeitung
    Bildverarbeitung mit Matlab/Simulink zur Steuerung eines manutec r2 Roboters, der durch ein ELAU Motion-Control-System gesteuert und in CoDeSys programmiert wird.
  4. Lageregelung und Visual Servoing von autonomen Transportsystemen
    automatisiert durch eine WAGO-Steuerung mit CoDeSys bzw. Festo robotinoVIEW

 

 

Persönliche Seiten von Prof. Dr. Seitz

Externe Links
Moodle 1)
SPS-Lern-Übungsseite 2)

1) Quizzes, Scripts, Laboranleitungen
2) SPS-Lern-und-Übungsseite zum Buch Speicherprogrammierbare Steuerungen