Berührungslose Energie und Datenübertragung

Berührungslose Energie und Datenübertragung
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2 Kopplersets (Remote/Base) in der Übertragungsposition
24.07.2015 | Induktive IO-Link Koppler von Balluff übermitteln Messergebnisse im Mikrometerbereich zuverlässig und verlustfrei.

Wo Werkstückträger in ständiger Bewegung sind und es wie in Bearbeitungszentren buchstäblich um bis zu 360 Grad rund geht, stellt die Datenübertragung von mobilen zu fixen Teilen der Anlage Elektrokonstrukteure regelmäßig vor Herausforderungen. Induktive Kopplersysteme (BIC) von Balluff übertragen digitalisierte Daten, Signale und sogar Energie zur Versorgung der eingesetzten Sensorik und Aktorik über einen schmalen Luftspalt. Darunter auch Werte analoger Messtaster mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich. IO-Link bündelt die Prozessgeräte an Ort und Stelle und transferiert deren Daten per Dreidrahtkabel und Balluff IO-Link Master an die Steuerung. Diese unkomplizierte Übertragungstechnik erspart zusätzliche Prozessschritte und damit Zeit und Geld. Eine innovative Lösung, die nicht nur in der Automobilindustrie für mehr Produktivität sorgt.


Ein namhafter skandinavischer Automobilhersteller bringt derzeit seine Fertigungslinie für LKW-Motoren auf den Stand der Technik. 20 Bearbeitungszentren stehen dort in Reih und Glied, die Schritt für Schritt aus den angelieferten Gussrohteilen nahezu vollständig automatisiert montagefertige Motorenblöcke fertigen. Dabei setzt das Unternehmen auf die Kompetenz der Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH mit Hauptsitz in Nürtingen. Horizontale Bearbeitungszentren, 5-Achs-Bearbeitungszentren,Fräs-Dreh-Zentren sowie flexible Fertigungssysteme zählen zu den Kernprodukten des renommierten Werkzeugmaschinenherstellers mit weltweit ca. 2.500 Beschäftigten.


Zwei dieser Bearbeitungszentren mit einem footprint von rund acht mal vier und einer Höhe von gut drei Metern absolvieren derzeit ihre finalen Funktionstests im Nürtinger Werk. Ein automatisiertes Ladesystem hievt den noch unbearbeiteten Gussmotorenblock von oben auf einen um 360 Grad schwenkbaren Rundtisch, der auch in Z-Achse verfahrbar ist. Im hinteren Bereich ist sowohl ein Werkzeugwechsler als auch eine entlang der Horizontal- und Vertikalachse verfahrbare Arbeitseinheit angebracht, die erste Bohr- und Fräsaufgaben ausführen wird.


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Spannvorrichtung mit Balluff-Sensorhub und MARPOSS-Messverstärker

Doch zunächst muss der Rohling mittels einer hydraulischen Spannvorrichtung sicher auf der Auflagefläche des Rundtisches fixiert werden. Weil Rohgussblöcke herstellungsbedingt meist divergierende Abmessungen aufweisen, muss im Zuge des Aufspannverfahrens die relative Lage des Werkstücks auf dem Rundtisch ermittelt und der Steuerung mitgeteilt werden. Dazu erfasst ein auf der Grundplatte sitzender Bolzen die auf der Unterseite des Motorenblocks angebrachte Indexbohrung, bevor vier massive Schwenkspanner das Werkstück nach hinten ziehen und 16 induktive Sensoren von Balluff schließlich den exakten Sitz bestätigen. Während das Gussteil in seine Bearbeitungsposition gefahren wird, registriert ein induktiver Messtaster quasi nebenbei, welchen Weg der Bolzen in der Indexbohrung mitsamt dem Werkstück zurückgelegt hat. Sitzt der Gussblock schließlich in seiner Bearbeitungsposition, sind die Lage- und Abmessungsdaten bereits erfasst und an die Steuerungsebene übermittelt. Die Bearbeitung des Motorenblocks kann beginnen.


Ein Längenmesstaster wie der hier eingesetzte von MARPOSS dient der präzisen Messwertermittlung im Zuge der Werkzeugbearbeitung und Qualitätskontrolle. Er gleicht quasi die unvermeidlichen Schwankungen bei den Abmessungen der Gussteile aus und stellt somit exakte und identische Bearbeitungsergebnisse sicher. MARPOSS ist führender Hersteller von Fertigungsmesstechnik für In-Prozess und Post-Prozess Werkstattanwendungen. Das Unternehmen mit Hauptsitz im italienischen Bentivoglio beschäftigt 2.800 Mitarbeiter weltweit, zentraler Standort für Deutschland ist Weinstadt.


Bereits in der Entwurfsphase stellt sich die Frage, auf welche Weise Signale und Daten vom beweglichen und drehbaren Werktisch zur Maschinenbasis und damit zur Steuerungsebene gelangen sollen. „Den hohen Produktivitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen unseres Auftraggebers entsprechend kamen konventionelle Verkabelungslösungen ebenso wenig in Frage wie Schleifringsysteme: zu aufwändig, anfällig, verschleißbehaftet und damit unzuverlässig“, sagt Peter Frommer, Projektleiter Steuerungstechnik bei Heller. Zudem stellt der Längenmesstaster in Verbindung mit einem Messverstärkter von MARPOSS zunächst lediglich ein analoges Signal zur Verfügung. Dies hätte die Übertragung über ein spezielles geschirmtes Kabel notwendig gemacht. Im Wartungsfall wäre dies eine Lösung, die mit hohen Kosten verbunden wäre.


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Aufgespannter Motorenblock, induktive Koppler von Balluff links unten

Damit war nicht nur eine innovative Technik gefragt, die Daten zuverlässig vom mobilen zum fixen Anlagenteil übertragen kann, sondern gleichzeitig eine Lösung für das einfache und verlustfreie Handling analoger Messdaten anbot. Gleich mehrere Gründe, warum man bei Heller auf das induktive Kopplersystem (BIC) von Balluff setzte. Es überträgt Signale und Energie berührungslos über einen Luftspalt von bis zu 5 mm. Seine besondere Leistungsfähigkeit und Einfachheit verdankt das berührungsfreie Übertragungssystem seiner Auslegung nach IO-Link. Die bidirektionale Schnittstelle sorgt unterhalb der Busebene für einen unkomplizierten Signal- und Datenaustausch und vereinfacht Installations- und Verkabelungsprozesse radikal. Denn für sämtliche Übertragungsaufgaben kommt ein gewöhnliches ungeschirmtes dreiadriges Standardkabel zum Einsatz. IO-Link ist abwärtskompatibel zu allen Standardsensoren und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen.


Bei den von Heller hergestellten Bearbeitungszentren stehen sich der Sender (Remote) und Empfänger (Base) in der Be- und Entladeposition austauschbereit gegenüber. Im vorliegenden Fall ist das System doppelt ausgelegt: Ein Kopplerset ist für die Übertragung des Längenmesswertes, das andere für die Übermittlung der Positionsabfragedaten im 1/1000 mm Bereich zuständig. Aus dem analogen Signal des Längenmesstasters erzeugt ein Analog-Adapter (AD-Wandler) von Balluff ein IO-Link Signal, das per Standardkabel direkt an den Remote-Sender gelangt. Ein Balluff-Sensorhub sammelt die 16 induktiven Sensoren ein und das gebündelte IO-Link Signal wird an den zweiten Remote-Koppler übertragen. Selbst unter extremen Bedingungen arbeiten die in der Schutzart IP 67 ausgelegten berührungslosen Koppler verschleiß- und ausfallfrei, Späne und Kühlschmierstoffe beeinträchigen die Übertragung nicht. „Die induktiven Kopplersysteme von Balluff erlauben einen kompakten konstruktiven Aufbau, die Installation wie auch der Austausch der Geräte sind denkbar einfach. Gleiches gilt für Parametrierung und Diagnose“, betont Peter Frommer. Überzeugende Nutzenvorteile, die der Kunde gerne hört.


Grundsätzlich sind die bidirektionalen IO-Link Induktivkoppler überall dort erste Wahl, wo eine feste Verdrahtung von Sensoren und Aktoren stört oder wo man das Risiko unvorhersehbarer Ausfälle aufgrund von Materialermüdung nicht eingehen will. Als schnell trennbare Einheiten bietet das intelligente Übertragungssystem maximale Flexibilität bei Formatwechseln, spart Rüstzeiten und ermöglicht die Ankopplung von bis zu 16 Sensoren. In Kombination mit einem IO-Link-Master kann das System an nahezu jeden marktüblichen Feldbus angeschlossen werden. Keine Frage, dass man bei Heller auch bei den nachfolgenden Bearbeitungszentren auf die induktiven IO-Link Kopplersysteme von Balluff setzen wird.


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