Beckhoff Automation

New Automation Technology

Motion Control und Messdatenerfassung exakt synchronisiert

Beckhoff Automation
Beckhoff Automation am 6. Juni 2024 um 11:25 Uhr

PC-based Control und EtherCAT in kompakter Sportartikel-Testmaschine

Welche Vorteile die nahtlos integrierte Steuerungs- und Messtechnik von Beckhoff bietet, zeigt der modernisierte Impact Tester der Automated Design Corporation (ADC). Beim dynamischen Test von Dämpfungselementen für Sportschuhe liefert das System präzise Messergebnisse mit den Standardkomponenten des Automatisierungsspezialisten. Die Hardwarekosten konnten damit um rund 4.000 US-Dollar pro Maschine gesenkt werden.

Der modernisierte Impact Tester von ADC verdeutlicht, wie gut die traditionell getrennten Disziplinen der Messtechnik und der industriellen Automatisierung zusammenarbeiten können. „Wie die meisten unserer Systeme ist das Falltestsystem industrieller ausgelegt als die typischen Desktop-Geräte fürs Labor, aber nun bietet es außerdem erweiterte Möglichkeiten zur Datenerfassung“, erklärt Thomas, Jr., Vice President und leitender Entwickler von ADC. Das 1986 von Thomas Bitskys Eltern gegründete Unternehmen mit Sitz in Romeoville, Illinois, beliefert heute die Forschungs- und Entwicklungsabteilungen zahlreicher namhafter Sportartikelhersteller.

Beim Upgrade des Impact Testers galten die Anforderungen präzise Bewegungssteuerung, Echtzeit-Feldbuskommunikation und schnelle Zykluszeiten. Und eine intuitivere Benutzeroberfläche war ein Muss. Außerdem sollte die neue Lösung die Grenzen zwischen traditioneller Messtechnik und Steuerungstechnik überwinden. Denn die Zeit der Insellösungen ist nach Ansicht von Thomas Bitsky schon lange vorbei. In der Vergangenheit konnte ADC die hohen Abtastraten, die für die geforderte Messqualität erforderlich sind, jedoch nur mit Komponenten spezieller Anbieter erreichen. Will man aber einen klassischen Mess-Controller nutzen, auf dem LabVIEW™-Software läuft, ist eine separate SPS für den automatischen Testablauf erforderlich. Dazu Thomas Bitsky: „Dieses Setup verursacht Kosten, es macht die Kommunikation langsamer und die Verkabelung aufwendiger.“ Für ein präzises, wiederholgenaues Testergebnis müssen Bewegungssteuerung und Messtechnik exakt synchronisiert sein – und das war bei der Verwendung separater Lösungen schwierig. Um die Verluste an den Schnittstellen zu minimieren, setzte ADC auf die Nachrüstung der systemintegrierten Messtechnik in eine flexible Steuerungsplattform von Beckhoff.

Der Embedded-PC CX5130 (links) und die Messklemme ELM3502 (Metallmodul rechts) sparen Platz im Schaltschrank der kompakten Testmaschine für Laborumgebungen.

Der Embedded-PC CX5130 (links) und die Messklemme ELM3502 (Metallmodul rechts) sparen Platz im Schaltschrank der kompakten Testmaschine für Laborumgebungen.

Highend-Messtechnik im Standard-I/O-System

EtherCAT bietet zahlreiche Vorteile, aber für ADC sind hohe Geschwindigkeit und Bandbreite ausschlaggebend. Für die Analogdatenerfassung beim Falltest werden nun EtherCAT-Messtechnikklemmen aus der Serie ELM eingesetzt. Mit ihrer Oversampling-Funktion lesen sie die Daten mehrmals pro Steuerungszyklus und erhöhen so die zeitliche Signalauflösung sowie die Genauigkeit. Diese Performanz versetzte ADC in die Lage, Standardkomponenten von Beckhoff statt teurer Spezialhardware zu verwenden. Die Highend-Messtechnikklemmen ELM3502 sind vollständig in das Standard-I/O-System integriert und bieten zwei Messkanäle in einem robusten Metallgehäuse. Mit Abtastraten von bis zu 20 kSps deckt die Klemme die meisten der anspruchsvollen Messaufgaben bei ADC ab. Die skalierbare ELM-Serie bietet aber auch Klemmen mit Abtastraten von bis zu 50 kSps.

„Wir hatten bereits andere Beckhoff Messtechnikklemmen im Einsatz, insbesondere die analoge Eingangsklemme EL3356, die sich für industrielle Anwendungen gut eignet. Aber unsere Kunden in der Test- und Prüftechnik benötigten eine Abtastung im Kilohertz-Bereich, die bisher nur von klassischen Spezialanbietern erreicht wurde“, sagt Thomas Bitsky, und fährt fort: „Die ELM-Klemmen liefern die erforderlichen Abtastraten und sie ermöglichen die exakte Synchronisation mit der Steuerung über EtherCAT. Jetzt ist der Testdurchlauf mit der Maschine sehr schnell. In einem Scan erhalte ich alle Bewegungs- und Belastungsdaten. Zudem ist unsere Messgenauigkeit genauso gut, wenn nicht besser, wie sie mit dem traditionellen Mess-Controller erreichbar wäre.“

Die Vielzahl hochkompakter Servo- und Schrittmotortechnologien (hier ein Servomotor AM8121) sind weitere Vorteile der integrierten und skalierbaren Automatisierungsplattform von Beckhoff.

Die Vielzahl hochkompakter Servo- und Schrittmotortechnologien (hier ein Servomotor AM8121) sind weitere Vorteile der integrierten und skalierbaren Automatisierungsplattform von Beckhoff.

 

Skalierbare Standardkomponenten

Die durchgängige Programmierumgebung von TwinCAT 3 erleichterte laut Thomas Bitsky die Implementierung. Die Steuerungssoftware lässt sich zudem problemlos mit LabVIEW™ und anderer Software von Drittanbietern integrieren. Mit TwinCAT können Ingenieure in den Sprachen programmieren, mit denen sie vertraut sind oder die am besten zum Projekt passen, einschließlich der IEC 61131-3 und objektorientierten Erweiterungen, Funktionsblöcke und Informatikstandards in Microsoft Visual Studio. „Wir profitieren von TwinCAT, indem wir Programmierzeit sparen“, erklärt Thomas Bitsky.

Als hutschienenmontierte, lüfterlose Maschinensteuerung spart der Embedded-PC CX5130 Platz in der Maschine und liefert reichlich Rechenleistung für Datenerfassung und Motion Control. Die Skalierbarkeit der Embedded-PCs von Beckhoff ermöglicht laut ADC zudem bei Bedarf eine flexible Erhöhung der Leistung.

 

Die kompakte Antriebstechnik von Beckhoff ist ideal für die Testsysteme, die bei den Sportartikelherstellern meist in beengten Laborumgebungen Platz finden müssen. Die Servomotorklemmen EL7211 (für den Antrieb der Servomotoren AM8100) und die Schrittmotorklemmen EL7041 bieten leistungsstarke Antriebstechnik im Klemmen-Formfaktor und sind wie das Encoder-Interface EL5101 im Schaltschrank installiert.

„Wir können auch Motoren und Antriebe von Drittanbietern verwenden, denn wenn sie EtherCAT-basiert sind, ist die Integration unglaublich einfach. Wir verwenden die Motion-Control-Bibliotheken in TwinCAT für all diese Geräte“, sagt Thomas Bitsky. „Die meisten unserer Anwendungen erfordern einfache Punkt-zu-Punkt-Bewegungen. Wir üben eine materialspezifische Last aus und benötigen eine genaue Synchronisierung zwischen dem Wägezelleneingang und der Motion Control, um dann die Messposition auszulesen. Sollte die Last zu hoch für den Prüfling eingestellt sein, wird der Test gar nicht erst ausgeführt. Die alten Mess-Controller können uns diese Funktionalität einfach nicht bieten“, fügt er hinzu. „Die Distributed Clocks von EtherCAT jedoch gewährleisten die Synchronisierung von Last und Position. Mit den integrierten Beckhoff Technologien können wir also Dinge tun, die vorher unmöglich waren.“

Reduzierter Zeit- und Kostenaufwand

Die modernisierte Falltestmaschine entspricht den Richtlinien ASTM F1976 und F1614 zum Test der Fähigkeit von Sportschuh-Dämpfungselementen, Aufprallkräfte zu absorbieren. Der Einsatz von Standardkomponenten inklusive der Highend-Messtechnik im Klemmenformat führte zu Kosteneinsparungen von etwa 4.000 US-Dollar pro Maschine. Die Beckhoff Lösung reduzierte außerdem den Zeitaufwand für Verkabelung, Montage und Programmierung. Der 24/7-Support von Beckhoff erwies sich laut ADC im Bedarfsfall als zuverlässig und kompetent.

Da ADC eine besondere Nische in der Test- und Automatisierungstechnik besetzt, ist es dem Unternehmen wichtig, sein geistiges Eigentum zu schützen. Hier bietet TwinCAT laut Beckhoff Applikationsingenieur Dave Zimbrich einen zusätzlichen Mehrwert: „Das OEM-Zertifikat, das wir anbieten, ermöglicht es ADC, seinen Code zu verschlüsseln und mit einem Passwort zu schützen. Das bedeutet, dass der Code sicher ist, egal wo die Testmaschine einmal zum Einsatz kommen wird.“

Die EtherCAT-Kommunikation sichert durch die exakte Synchronisierung von Last und Position die Integrität der Testdaten.

Die EtherCAT-Kommunikation sichert durch die exakte Synchronisierung von Last und Position die Integrität der Testdaten.

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