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Jul 12, 2023

Automatisierung fördert die Montage von Elektrofahrzeugmotoren

GROBs Elektromotor-Statoren (rechts) enthalten mehrere Wickelkränze aus einzelnen Haarnadeln (links). Foto mit freundlicher Genehmigung der GROB-Werke GmbH & Co. KG Das Multitouch-Bedienfeld CP3918 zusammen mit einem

GROBs Elektromotor-Statoren (rechts) enthalten mehrere Wickelkränze aus einzelnen Haarnadeln (links). Foto mit freundlicher Genehmigung der GROB-Werke GmbH & Co. KG

Das Multitouch-Bedienpanel CP3918 ermöglicht zusammen mit einer anwendungsspezifischen Tastererweiterung und einer mit TwinCAT HMI erstellten Benutzeroberfläche die optimale Nutzung aller GROB-Maschinenfunktionalitäten. Foto mit freundlicher Genehmigung von Beckhoff Automation

Ein ultrakompakter Industrie-PC C6030 bietet optimale Rechenleistung für die zentrale Steuerung aller Prozessabläufe. Foto mit freundlicher Genehmigung von Beckhoff Automation

Ein Blick ins Innere der Maschine lässt die Komplexität und Vielfalt der Bewegungsabläufe erahnen. Im Vordergrund steht das linearmotorische Transportsystem XTS. Foto mit freundlicher Genehmigung von Beckhoff Automation

AX5000-Servoantriebe werden hauptsächlich zur Steuerung von AM8000-Servomotoren verwendet. Die One Cable Technology von Beckhoff minimiert den Bauraum und den Verkabelungsaufwand. Foto mit freundlicher Genehmigung von Beckhoff Automation

Die GROB-Werke GmbH & Co. KG erstellt Großserien-Produktionssysteme für den Markt für Elektrofahrzeuge (EV). Der in Mindelheim ansässige Werkzeugmaschinenhersteller hat kürzlich eine hochentwickelte Anlage zur Herstellung von Haarnadeln fertiggestellt, die die Statorwickelkränze von Elektromotoren bilden. Die Komplexität dieses Systems, das für einen in den USA ansässigen Hersteller von Elektrofahrzeugen gebaut wurde, verdeutlicht die Vorteile eines vollständig integrierten, optimal skalierbaren Automatisierungssystems.

Als weltweit agierendes Familienunternehmen entwickelt GROB seit mehr als 95 Jahren Produktionsanlagen und Werkzeugmaschinen für Automobilhersteller und deren Zulieferer. Das Portfolio des Unternehmens umfasst Bearbeitungszentren, Produktionsanlagen, manuelle Montageplätze und vollautomatische Montagelinien. Dazu gehören auch Produktionsanlagen für Elektromotoren, Batterien und Brennstoffzellen.

„Wir decken die gesamte Produktionskette ab und bieten kundenspezifische Systeme für den gesamten EV-Antriebsstrang“, sagt Fabian Glöckler, Leiter der Abteilung Steuerungstechnik im GROB-Geschäftsbereich Elektromobilität.

Die EV-Anwendungen von GROB, darunter auch die Hairpin-Maschine, zeichnen sich durch minimale Taktzeiten und schnelle Prozessabläufe aus. Diesen Anforderungen begegnet das Unternehmen mit einer Vielzahl von Technologien von Beckhoff Automation, darunter PC-basierte Steuerungen, EtherCAT-Feldbustechnik, Antriebe und das eXtended Transport System (XTS), ein schnelles und flexibles Linearmotor-Transportsystem.

Laut Daniel Gugenberger, Gruppenleiter für Elektrokonstruktion im Geschäftsbereich Elektromobilität von GROB, unterscheidet sich die Herstellung von Elektrofahrzeugmotoren stark von der Produktion von Verbrennungsmotoren.

„Die klassischen Montageprozesse wie Verschrauben, Einpressen und manuelle Montagevorgänge sind weitgehend automatisiert und könnten von einem Maschinenbediener nicht in der erforderlichen Qualität, Präzision und Geschwindigkeit durchgeführt werden“, sagt er.

Hier bewährt sich die PC-basierte Steuerung von Beckhoff, denn aufgrund des hohen Anlagendurchsatzes seien detaillierte Maschinen- und Prozessdaten von entscheidender Bedeutung

„Wenn ein kompletter Fertigungsprozess in zwei Sekunden abläuft, sind Produktionsüberwachung und Fehleranalyse nur mit Analysetools und Hochgeschwindigkeitskameras möglich“, sagt er. „Wir nutzen hierfür sehr häufig das Software-Oszilloskop TwinCAT Scope View.“

Für den Aufbau einer Statorwicklung werden rund 200 Haarnadeln in etwa 50 verschiedenen Ausführungen benötigt. Diese werden nacheinander in der Reihenfolge hergestellt, die für die Platzierung im Voreinlegenest erforderlich ist. Daher ist die Inline-Fehlererkennung wichtig.

„Im Falle eines Material- oder Geometriefehlers muss die entsprechende Haarnadel erneut hergestellt und per automatisiertem Vorschub in die Anlage eingefügt werden, damit sie an der richtigen Position eingefügt werden kann“, erklärt Glöckler. „Bei der Vielzahl an Bewegungsachsen und Hairpin-Varianten bedeutet dies eine enorme Managementaufgabe für die Steuerungstechnik, da verschiedenste Parameter, Biegewinkel und Kurvenscheiben just-in-time berechnet werden müssen.“

Laut Martin Ellenrieder, Gruppenleiter Funktionsentwicklung im GROB-Geschäftsbereich Elektromobilität, stellt die Produktion von EV-Komponenten neue Anforderungen an die Steuerungstechnik.

„Im Vergleich zu Systemen für Verbrennungsmotoren zeichnen sich Systeme [für EV-Motoren] durch ausgefeiltere Stationen, kürzere SPS-Zykluszeiten, einen höheren Anteil an Antriebstechnik in der Montage und ausgefeilte gekoppelte Bewegungen aus.“

Dies zeigt sich auch bei der Hairpin-Maschine, die komplett mit Beckhoff-Steuerungs- und Antriebstechnik ausgestattet ist. Das System umfasst neben vier GROB-Spindeln 57 numerisch gesteuerte Achsen: 40 reale Achsen, fünf virtuelle Achsen und 12 XYS-Mover, die als einzelne Servoachsen betrieben werden. Darüber hinaus gibt es eine umfangreiche I/O-Anzahl, bestehend aus EtherCAT- und TwinSAFE-Klemmen bzw. Boxmodulen, mit 270 digitalen Eingängen und 150 digitalen Ausgängen.

Mit einem ultrakompakten Industrie-PC (IPC) C6030 oder C6032 und der Automatisierungssoftware TwinCAT 3 als Steuerungskern erreicht die Maschine eine hohe Ausbringungsleistung bei einer Zykluszeit von nur 2,3 Sekunden pro Haarnadel. Dies ist umso beeindruckender, da der Bearbeitungsprozess so komplex ist und viele Steuerungsaufgaben wie Drahtvorschub, Biegen, Abisolieren und Positionieren anfallen. Zu den Kontrollaufgaben gehören:

Bereits im Jahr 2004 begann GROB mit der Implementierung von Beckhoff-Technologie in seinen Maschinenparks, beispielsweise in Prüfständen. Im Jahr 2017 automatisierte das Unternehmen dann seine erste Montagelinie mit PC-basierter Steuerung. „Hauptgründe für den Einsatz der Beckhoff-Technologie waren die Forderungen nach kurzen Regelzykluszeiten und einer hohen Systemflexibilität für zukünftige Anwendungen“, sagt Ellenrieder. „[Außerdem brauchten wir] zahlreiche Schnittstellen zu verschiedenen Bussystemen, umfangreiche Bewegungsfunktionen und umfassende Diagnosemöglichkeiten.

„TwinCAT bietet als Vorteil eine besondere Offenheit – zum Beispiel bei der Integration von Matlab, was vor allem im Entwicklungsprozess der Systeme geholfen hat“, fügt er hinzu. „Prozessingenieure könnten so Simulationen einfach in Testanlagen integrieren. Weitere Vorteile sind die automatische Codegenerierung vom CAD-System bis zum HMI; die einfache Integration selbst entwickelter Motion-Control-Softwareblöcke; und die Integration von Versionskontrolle, Fehlerverfolgung und Softwaretests. Darüber hinaus erleichtert uns die Flexibilität von TwinCAT die Standardisierung in der Softwareentwicklung erheblich.“

Zum Einsatz kommt der ultrakompakte Industrie-PC C6030 (bzw. C6032, falls mehr Schnittstellen benötigt werden) von Beckhoff in Verbindung mit einem Multitouch-Bedienpanel CP3918 mit kundenspezifischen Tastererweiterungen. „Der PC bietet ausreichend Rechenleistung, um unser Ziel einer SPS-Zykluszeit von 4 Millisekunden zuverlässig zu erreichen“, sagt Glöckler. „Ein weiterer Pluspunkt sind die kompakte Bauweise und die variablen Montagemöglichkeiten.“

Für eine komfortable und fehlerfreie Maschinenbedienung setzt Grob auf das TwinCAT HMI von Beckhoff. „Eine enge Zusammenarbeit mit Beckhoff … war zu Beginn wichtig, um ein so großes HMI-Projekt umzusetzen“, sagt Glöckler. „Das hat beispielsweise mit der automatischen Kopplung zwischen HMI und SPS und der Implementierung mehrerer Sprachen sehr gut funktioniert. Das Ergebnis ist ein auf unsere Anforderungen zugeschnittenes HMI mit Fokus auf intuitiver Bedienbarkeit, übersichtlicher Parameterdarstellung und außergewöhnlicher Diagnosetiefe. Das Ergebnis ist ein einheitliches und innovatives Bedienkonzept für alle unsere Systeme.“

Die zahlreichen Rundachsen werden mit AX5000-Servoantrieben, EL72xx- und EP72xx-Kompaktantrieben und AM8000-Servomotoren realisiert. Einen besonderen Vorteil sieht Ellenrieder bei Motoren und Antrieben in der One Cable Technology (OCT) von Beckhoff.

„OCT führt zu einem deutlich geringeren Verkabelungsaufwand und minimiert potenzielle Fehlerquellen“, sagt er. „Weitere wichtige Faktoren beim Einsatz des AX5000 sind die abgedeckten Encoder-Schnittstellen und die Safe-Motion-Funktionen der TwinSAFE-Optionskarte AX5805.“

Ellenrieder gefällt auch der umfangreiche Funktionsumfang von TwinCAT, wie zum Beispiel TwinCAT NC Point-to-Point, NC Camming und NC Flying Saw.

Ergänzt werden die Drehachsen durch ein XTS-Linearmotor-Transportsystem. Ein ovales, 3 Meter langes Gleissystem mit 12 Movern übergibt die einzelnen Haarnadeln an ein Linearportal für den finalen Einlegevorgang. Laut Gugenberger bietet das XTS Anwendungsvorteile, insbesondere Flexibilität beim Hinzufügen neuer Funktionen.

„Neben klassischen Transportaufgaben nutzen wir das XTS zur flexiblen Positionierung an unterschiedlichen Bearbeitungsschritten, etwa den Biege- und Kamerastationen. „Wir profitieren von der kompakten Bauweise des Systems sowie seiner Modularität, die eine einfache Integration unterschiedlicher Stationen ermöglicht“, erklärt er. „Weitere Vorteile bringt das Transportsystem durch eine flexible Abstandssteuerung je nach Bauteilstatus (kein Bauteil, erste Biegung, zweite Biegung); die Reduzierung der Zykluszeiten; und die Entkopplung einzelner Prozesse, sodass sich beispielsweise unterschiedliche Prozesszeiten nicht direkt auf die Gesamtmaschine auswirken.“

Laut Ellenrieder hat sich TwinSAFE auch als Sicherheitstechnologie bewährt und bietet ein hohes Maß an Flexibilität bei Sicherheitsanwendungen. Zusätzlich zur antriebsbasierten Sicherheitstechnik stellt das TwinSAFE-Logic-Modul EL6910 eine dedizierte Sicherheitssteuerung im I/O-Klemmenformat zur Verfügung. In kompletten Produktionslinien kommunizieren die verteilten Sicherheitsgeräte einzelner Maschinen und Anlagen über das EtherCAT Automation Protocol (EAP) miteinander.

„Diese Sicherheitskommunikation über Steuerungsgrenzen hinweg ist ein sehr wichtiger Aspekt unserer Maschinensicherheit“, sagt Ellenrieder. „GROB-Kunden nutzen eine Vielzahl miteinander vernetzter Systeme.“

Weitere Informationen zu EV-Produktionssystemen finden Sie unter www.grobgroup.com.

Weitere Informationen zur Automatisierungstechnik für Automotive-Montage- und Produktionsanlagen finden Sie unter www.beckhoff.com/automotive.

Tilman Plaß // Global Automotive Industry Manager // Beckhoff Automation // Verl, Deutschland