Mehrachsen-Bewegungssteuerung in Echtzeit

Modra Technology, Hersteller von Spezialmaschinen für Teppichmuster, hat sich bei dem Motion Control-System für ihre Mtuft-Maschinen für die Powerlink-Technologie von Baldor entschieden. Mit dieser deterministischen Netzwerktechnologie für die Echtzeitsynchronisierung mehrerer Achsen setzen die Mtuft-Maschinen einen neuen Industriestandard für Geschwindigkeit, Genauigkeit und Flexibilität. Diese Maschinen können ein neues Tufting-Teppichmuster in lediglich 20 Minuten produzieren - und darin ist die Einrichtzeit sogar schon enthalten. Eine solche Aufgabenimmt bei konventionellen Teppichmuster- oder Produktionsmaschinen mindestens einen vollen Tag in Anspruch.

Modra Technology ist weltweit Branchenführer bei der Entwicklung, Fertigung und Lieferung von Teppichmustermaschinen. Modra Technology wurde 1991 gegründet und produzierte ursprünglich Fehlererfassungssensoren zur Verbesserung der Effizienz von Axminster-Webstühlen. Während dieser Arbeiten hat Modra Technology den Bedarf an Produktentwicklungsmaschinen für Teppichentwickler und -hersteller erkannt. In dieser Zeit wurden Musterteppiche entweder von Hand hergestellt - ein sehr langwieriger Prozess - oder von den Teppichproduktionsmaschinen, die zu Störungen neigten und die Fertigung der Muster sehr teuer werden ließen.

Bereits Modra Technologys erste Maschine zur Produktion qualitativ hochwertiger Muster von Axminster- und Webteppichen, die unter dem Namen Kibby vertrieben wurde, wurde ein weltweiter Erfolg. Bis heute hat das Unternehmen mehr als 150 Einheiten in 24 Länder verkauft. Die neueste, vierte Generation dieser Maschine arbeitet mit einer sehr hohen Nähgeschwindigkeit von 5 Nadelstichen pro Sekunde und kann ein komplettes 500 x 500 mm-Muster eines Axminster-Teppichs in etwas mehr als einer Stunde produzieren.

Als die Entwicklung einer Maschine zur Produktion von Tufting-Teppichmustern anstand, initiierte Modra Technology das Mtuft-Projekt und setzte sich einige hochgesteckte Ziele. Das oberste Ziel war die Entwicklung eines Designs, das in der Lage ist, möglichst viele Teppichfertigungsmaschinen zu simulieren, so dass die produzierten Muster ein genaues Abbild der fertigen Teppiche darstellen, die auf den verschiedenen Maschinen der Teppichhersteller produziert werden. An dieser Stelle hat sich das Unternehmen für ein komplettes Servosystem entschieden, mit einem ausgereiften Steuerungssystem basierend auf Baldors Ethernet Powerlink-Produkten.

Tim Modra, Geschäftsführer von Modra Technology, erklärt: ''Komplexe Highspeed-Anwendungen wie diese, bei denen mehrere Achsen gesteuert werden müssen, erfordern traditionell einen hohen Verkabelungsaufwand - im Wesentlichen bei der Steuerung, aber auch für das Encoder-Feedback. Natürlich haben wir in den letzten Jahren die neuesten Entwicklungen und die verschiedenen Strategien bei der dezentralisierten Bewegungssteuerung, die uns bei der Reduzierung des Verkabelungsaufwands helfen können, aufmerksam verfolgt. Dabei sind wir zu dem Schluss gekommen, dass nicht-deterministisches Ethernet für die von uns erforderliche kritische Echtzeit-Automatisierungssteuerung ungeeignet ist. Als Baldor dann seine Ethernet-basierten Motion Controller und Servos auf den Markt brachte, die speziell zur Überwindung der Einschränkungen bei der Übermittelung von Echtzeitdaten des Standard-Ethernet entwickelt wurden, aber dennoch handelsübliche Ethernetkabel zwischen Controller und Antrieben verwendet, wollten wir diese Technologie unbedingt ausprobieren.''

Powerlink sorgt durch eine präzise und definierte Reihenfolge bei der Verwaltung des Nachrichtenaustauschs dafür, dass stets nur jeweils ein Knoten Daten sendet. Auf diese Weise wird die Ethernet-Kommunikation um den Faktor Determinismus erweitert - das Protokoll garantiert, dass alle zeitkritischen Daten innerhalb konfigurierbarer, isochroner Buszyklen übertragen werden. Auf diese Weise werden Datenkollisionen verhindert, die normalerweise bei standardmäßigen Ethernet-Kommunikationen auftreten. Auch ein Verzicht auf Bus -Arbitration-Schemata wurde möglich. Gleichzeitig wird der zusätzliche Zeitaufwand für Datenübertragungen deutlich reduziert.

Die Teppichmustermaschine Mtuft verwendet eine Kombination aus pneumatischer und elektrischer Ansprechtechnologie. Insgesamt handelt es sich um neun Achsen, die eine elektrisch betriebene Bewegung ausführen. Alle Achsen werden dabei von einem Baldor NextMove e100 Echtzeit-Motion-Controller gesteuert. Sieben Achsen werden von Baldors Einphasen-Wechselstrommotoren MicroFlex e100 und Baldor BSM Servomotoren angetrieben, dabei wird Ethernet Powerlink für die gesamte Kommunikation zwischen Controller und Antrieben verwendet. Fünf dieser Achsen müssen interpoliert werden - auch dies erfolgt über Powerlink. Die verbleibenden beiden elektrisch getriebenen Achsen verwenden kleine Gleichstrommotoren.

Bei den Mtuft-Maschinen handelt es sich um frei stehende Einheiten fürden autonomen Betrieb, obwohl die Ethernet-Architektur eine unternehmensweite Integration und standortferne, Internet-basierte Diagnose ermöglicht. Der integrierte Hostcomputer ist ein standardmäßiger PC, der die Software zur Maschinensteuerung und die NedGraphic Vision Tuft-Software zur Erstellung neuer Teppichmusterdesigns ausführt. Jedes Teppichmusterdesign wird dann von der Vision Tuft-Software im OpenTuft-Format exportiert und Zeile für Zeile per Ethernet an den NextMove e100-Controller übertragen.

Die Maschine hält das Gewebe - das Trägermaterial für das Teppichmuster - über zwei Trommeln, die in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis angetrieben werden, unter Spannung. Zweisich hin- und herbewegende Köpfe ober- und unterhalb des Trägermaterials wandern über die Breite des Materials. Der Nadelmotor sorgt für das Referenzsignal aller interpolierten Achsen. Beim oberen Kopf wird eingroßer Servomotor für die Nadelbetätigung eingesetzt, wobei der Antrieb über Längsnuten erfolgt, um Gewicht am Kopf einzusparen. Die Köpfe werden synchron angetrieben und können auch so bewegt werden, dass siedie Produktion von Teppichmustern mit ''Zickzack''-Designs über einen Nadelversatz simulieren.

Tim Modra betont, dass der Einsatz der Highspeed-Interpolation für die beiden Hauptkopf-Servomotoren einen wesentlichen Vorteil gegenüber konventionellen mechanischen Systemen darstellt. ''Wir haben hier effektiv einen Software-Kalibrator, mit dem wir einen variablen Versatz in das System einbringen können. Anstatt also mechanische Präzisionszahnräder und Nocken zu verwenden - die teuer,zeitaufwändig zu konfigurieren und von Natur aus unflexibel sind - kalibrieren wir unsere Maschinen jetzt digital, was mit Baldors Programmiersprache Mint schnell und einfach durchgeführt werden kann.Durch diesen komplett elektronischen Ansatz konnten wir eine kompakte Maschine mit geringer Standfläche entwickeln und den Zeit- und Kostenaufwand deutlich reduzieren. Außerdem haben wir so eine extrem anpassungsfähige Plattform für zukünftige Produktentwicklungen. Die Möglichkeit, alle erforderlichen elektrischen Antriebskomponenten - einschließlich der Servomotoren, Controller, Kabel und Filter - direkt von Baldor zu beziehen, bedeutet für uns eine sehr effiziente Versorgungskette, die uns dabei hilft, die Zeit von der Produktentwicklung zur Markteinführung sokurz wie möglich zu halten.''

Die Mtuft-Maschinen werden allem Anschein nach den Stellenwert für Tufting-Teppichmuster erreichen, dendie Kibby für Axminster-Teppichmuster erreicht hat. Eine einzelne Maschine kann 1 m oder 2 m breite Cut/Loop- und Cut/Multipile-Loop-Teppichmuster in beliebiger Länge in einer oder mehreren Farben oder Servo Loop Scroll-Teppichmuster produzieren, dabei werden die Höhe des Flors und bis zu acht Farben über einen Servo gesteuert. Die Maschine kann Garnstärken von 1,5 bis 6,3 mm verarbeiten und verwendet eine Nadel pro Farbe. Das bedeutet, dass nur jeweils eine Garnrolle pro Farbe erforderlich ist. Konventionelle Mustermaschinen benötigen teilweise bis zu 200 Rollen. Die einfache Einrichtung, kombiniert mit der sehr hohen Nähgeschwindigkeit von bis zu 30 Stichen pro Sekunde sorgt dafür, dass ein typisches neues Teppichmuster in nur 20 Minuten produziert werden kann.