worldwide | usa PC-Control 04 | 2018|

PC Control optimiert Prüfung großer Bauteile für Luft- und Raumfahrt

Die Genesis Systems Group aus Davenport, Iowa, USA, entwickelt robotergestützte Systeme für die zerstörungsfreie Prüfung großer Bauteile für große und kleine Flugzeuge, Satelliten und sogar Raketen. PC- und EtherCAT-basierte Steue-rungstechnik ermöglicht dabei nicht nur eine hohe Genauigkeit und einen hohen Durchsatz bei der automatisierten Prüfung sicherheitskritischer Bauteile, sondern auch beträchtliche Einsparungen bei der Verkabelung und Installation.

One Cable Automation: Verkabelungsaufwand bei robotergestützten Systemen für zerstörungsfreie Prüfung halbiert

Oben: RoboPogo, ein Teile-Haltesystem mit mehreren Gelenkrobotern

für die NSpect™-NDI-Prüfung großer Bauteile für die Luft- und Raum-

fahrt industrie, ist eine Neuentwicklung der Genesis Systems Group.

Links: Genesis nutzt den Embedded-PC CX2030 für SPS, Motion Control,

Sicherheitslogik, Prüfsoftware, HMI und Windows und lastet dabei die

CPU-Kapazität selbst in Systemen mit 20 Robotern nur zu etwa 25 % aus.

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Die NSpect™-Systeme von Genesis Systems kombinieren Daten der Ultraschallprüfung mit Positionsdaten

des Roboters und gewährleisten so die lückenlose Materialprüfung sicherheitskritischer Bauteile.

Die Anforderungen an die Materialprüfung und Qualitätssicherung in der

Luft- und Raumfahrtindustrie sind hoch, denn nur eine lückenlose Prüfung von

Material und Komponenten kann die Sicherheit von Passagieren, Crew und

Fracht gewährleisten. Die Genesis Systems Group ist ein Systemintegrator von

robotergestützten Systemen für die Fertigungs-, Transport- sowie Luft- und

Raumfahrtindustrie. Für die speziellen Anforderungen bei der zerstörungs-

freien Prüfung besonders großer Bauteile für Flugzeuge, Satelliten und Raketen

hat Genesis Systems robotergestützte NDI (Non-Destructive Inspection)-

Systeme für die zerstörungsfreie Prüfung entwickelt. Auch für erfahrene

Prüfer stellt die traditionelle manuelle Prüfung solcher Bauteile eine Herausforde-

rung dar, denn sie müssen sich um Teile jeder Größe herumbewegen und dabei die

vollständige Materialprüfung unter Einhaltung höchster Genauigkeitsanforde-

rungen sicherstellen. Automatisiert mit PC- und EtherCAT-basierter Steuerungs-

technik von Beckhoff führen die Prüfsysteme von Genesis diese Aufgabe nun mit

der geforderten Präzision und in wesentlich kürzerer Zeit aus.

Robotersysteme für den ultimativen finalen Test

Die NDI-Lösungen der NSpect™-Reihe von Genesis Systems prüfen die

großen Oberflächen von Luft- und Raumfahrtkomponenten auf Defekte im

Material und die Einhaltung von Fertigungsvorgaben. Dafür sind die Ro-

boter mit Ultraschallprüftechnik ausgerüstet, die Ultraschall vom Sender

durch das zu prüfende Teil an den Empfänger schickt. Neben herkömmli-

chen Prüfverfahren wie der Impuls-Echo-Technik, Phasenverschiebung und

Shearografie werden auch andere Verfahren unterstützt. Bei den unter-

suchten Materialien handelt es sich meist um Stahl, Aluminium oder Ver-

bundstoffe. Kernkomponente der Lösung ist ein 6-Achs-Gelenkroboter, das

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Genesis Blitz Module™. Dank der ausgefeilten C++-Programmierung er-

fasst das Blitz Module™ alle Roboterpositionen und erzeugt innerhalb von

ca. 200 µs einen virtuellen Encoder mit sechs Freiheitsgraden und Messungs-

rastermaßen bis 1 mm. Diese Positionsrückführung stellt die lückenlose Prüfung

der großen Oberflächen der Bauteile sicher. „In der Welt der Materialprüfung

nennt man das Pulse-on-Position (PoP)“, erklärt Ryan Steckel, Automation Sys-

tems Engineer der Genesis Systems Group, und fährt fort: „Das Blitz Module™

erfasst die Messdaten des geprüften Materials und korreliert diese mit der

Position des Instruments oder Sensors. Dabei gilt, je schneller die Impulse aus-

gesandt werden, umso schneller kann sich der Roboter vorwärts bewegen und

umso produktiver ist das NDI-System.“ Durch die schnelle Kommunikation mit

EtherCAT benötigt das Blitz Module™ nur 1 ms für das Aussenden der Impulse,

während der Standardwert 10 ms ist. EtherCAT ermöglicht außerdem auch eine

extrem hohe Messgenauigkeit und hochpräzise Systemsynchronisierung – zwei

Schlüsselkriterien in der Materialprüfung.

Eine andere Neuentwicklung ist RoboPogo, ein Teile-Haltesystem mit mehreren

Gelenkrobotern für die Prüfung mit den NSpect™-Systemen. RoboPogo kann

große Teile mit den verschiedensten Geometrien halten, erläutert Whitney

Moon, Director Aerospace Division, Genesis Systems Group. „2017 übernahm

Genesis ein Projekt, bei dem während der NDI-Prüfung besonders große Teile

fixiert werden mussten. Mit herkömmlichen Vorrichtungen oder manuell ange-

passten Halterungen wäre das sehr aufwändig und teuer geworden.“ Wenn

Teile mit einer Länge von 3 bis 33 m fixiert werden sollen, ist diese Lösung

optimal, da die Gelenkarmroboter die nötige Flexibilität für die Anpassung an

andere Teilegeometrien, Abläufe oder Applikationen bieten und sogar die dyna-

mische Repositionierung während der Messung ermöglichen – immer in exakter

Synchronisation mit den Prüfrobotern der NSpect™-Reihe.

PC-basierte Steuerungsplattform vereinfacht Systemintegration

„Die Applikationen, auf die wir mit dem RoboPogo-System abzielen, sind sehr

speziell. Darum benötigen wir flexible Automatisierungstechnik, die einen

einfachen Systemaufbau ermöglicht“, fährt Whitney Moon fort. „PC-basierte

Steuerungen sind ideal, weil wir alle Aufgaben mit einer integrierten Plattform

aus einer Hand lösen können.“ Bei Genesis Systems sind alle Funktionen in

den leistungsstarken Embedded-PC CX2030 integriert – SPS, Sicherheits-SPS,

Motion Control, HMI-Software, Windows-Betriebssystem und die eigenen

Prüfprogramme von Genesis. „Wir nutzen den CX2030 in Systemen mit 20 Ro-

botern und lasten die CPU dabei nur zu etwa 25 % aus“, erklärt Ryan Steckel.

„Die Erfassung aller Prüfdaten und die Kommunikation mit 20 KUKA-Robotern

im Millisekundentakt ist beeindruckend. Das zeigt deutlich die Vorteile von

PC-based Control und EtherCAT.“

Systemprogrammierung und Runtime mit TwinCAT-3-Software vereinfacht die

Systembereitstellung weiter. „Zur Entwicklungsumgebung gehören Structured

Text und objektorientierte Programmierung. Dadurch können wir das RoboPogo-

Systemprogrammierung

und Runtime basieren auf

TwinCAT-3-Software von Beckhoff.

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weitere Infos unter:www.genesis-systems.comwww.beckhoffautomation.com

Konzept je nach Bedarf einfach anpassen – an Systeme mit vier Robotern oder

auch mit 20“, hebt Whitney Moon hervor. „Bei einem neuen System muss man

nur Basisparameter anpassen, statt ein neues Programm zu schreiben“, fügt

Ryan Steckel hinzu.

EtherCAT – schlanke Automatisierung und erhöhte Sicherheit

RoboPogo und die anderen NDI-Systeme von Genesis kommunizieren über

EtherCAT, das von den größten Roboterherstellern der Welt ebenfalls unterstützt

wird. Genesis Systems war auch ein Early Adopter von EtherCAT P für One Cable

Automation. „Seitdem Genesis Systems in größerem Maßstab für die Luft- und

Raumfahrt arbeitet, werden Anwendungen für Teile mit einer Länge von 100 m

und mehr benötigt“, erzählt Whitney Moon. „Wenn man die zahlreichen erfor-

derlichen Kabel zurück zum Schaltschrank führen muss, ist das zeitaufwändig

und teuer. Deswegen nutzt Genesis Systems EtherCAT P für die Übertragung von

Leistung und EtherCAT-Signalen zwischen den einzelnen Stationen, und kann

auf eine Rückleitung von den Stationen zum Hauptschaltschrank verzichten.“

IP-67-geschützte EtherCAT-P-Box-Module sowie Servomotoren und -antriebe mit

One Cable Technology (OCT) reduzieren den Gesamtverkabelungsaufwand weiter.

TwinSAFE als in das EtherCAT-I/O-System integrierte Sicherheitstechnologie

bietet dank FSoE-gestützter Kommunikation weitere Vorteile, ergänzt Whitney

Moon: „Die Anzahl der benötigten Sicherheitsrelais hat sich um 90 % reduziert.

Die EtherCAT-Diagnosefunktion erhöht die Sicherheit in unseren Systemen,

denn integrierte Tools können einen Fehler exakt dem Gerät als Teilnehmer im

Netzwerk zuordnen.“ Zudem könnten Sicherheitszonen eingerichtet und im

laufenden Betrieb rekonfiguriert werden. So könne z. B. der nächste Prüfling in

einer Zone sicher eingespannt werden, während das System in einer anderen

weiter prüft. Dieses Maß an Flexibilität war mit anderen Steuerungssystemen

und Safety-Interfaces bisher nicht möglich.

Signifikante Einsparungen bei erhöhter Genauigkeit

und Produktivität

„Durch One Cable Automation von Beckhoff kann Genesis Systems die Verka-

belung von Antrieben, Motoren, Sensoren, Stellantrieben und pneumatischen

Ventilen in NDI-Systemen um bis zu 50 Prozent reduzieren“, fasst Ryan Steckel

zusammen. „Auch die Zeit für Verkabelung und Installation aller elektrischen

Komponenten konnte um 50 % reduziert werden“, fügt Whitney Moon zu.

„Der Platzbedarf in Schalt- und Steuerschränken hat sich zudem um 20 %

verringert.“

V. l. n. r.: Ryan Steckel, Automation Systems Engineer, Genesis Systems

Group; Dennis Sowada, Regional Sales Engineer, Beckhoff USA;

Whitney Moon, Director, Aerospace Division, Genesis Systems Group

„Durch den Einsatz von PC-basierter Steuerungstechnik und EtherCAT konnte Genesis

Systems die Zeit für Verkabelung und Installation aller elektrischen Komponenten um

50 % reduzieren“, erklärt Whitney Moon.