Diagnostizieren Sie Fehlercodes an einem digitalen Servoantrieb für das CNC-Rohrbiegen

Die BendPro-Software bietet Benutzern digitaler Servoantriebe eine Echtzeitansicht des Geschehens in der Maschine, auch aus der Ferne.

Kürzlich erhielten wir einen Anruf von einem Hersteller von Hydraulikteilen, der in jeder Schicht ein paar Produktionsstunden an einer seiner CNC-Rohrbiegemaschinen verlor: „Wir können ein paar Teile verarbeiten, dann bekommen wir einen Schlittenfehler!“

Bei der Biegemaschine handelt es sich um eine ältere Maschine, die etwa sechs Monate zuvor mit einer neuen BendPro G2-Steuerung aufgerüstet wurde. Das Unternehmen ersetzte die alten analogen Servoantriebe und Motoren der Einheit durch neue digitale Antriebe und Servomotoren von Bosch Rexroth.

Bei einem CNC-Rohrbieger kann die Bewegung (Achse) nahezu aller Vorrichtungen durch Servomotoren, die von einem Servoantrieb gesteuert werden, präzise positioniert werden. Ein Servoantrieb ist ein Verstärker, der die elektrische Spannung der Maschine in eine kontrollierte Spannung umwandelt, um einen Servomotor präzise zu bewegen.

Ein Servomotor sendet ein Signal zurück an den Antrieb, der seine Geschwindigkeit und Richtung überwacht. Um zu wissen, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit man sich bewegen muss, muss das Steuerungssystem dem Antrieb Informationen bereitstellen. Die meisten CNC-Biegemaschinen verfügen über mindestens zwei Servomotoren und eine vollelektrische Maschine kann über zwölf oder mehr verfügen.

Analog. In einem analogen Servosystem sendet das Hauptsteuerungssystem ein analoges Signal, das die Antriebsgeschwindigkeit und -richtung vorgibt. Das Signal kann ein analoges Signal mit niedriger Stromstärke sein, aber die am häufigsten verwendeten Systeme stellen eine Befehlsspannung von bis zu 10 positiven Gleichspannungen oder bis zu 10 negativen Gleichspannungen (+/- 10 VDC) bereit. Theoretisch sollte die Achse stationär sein, wenn ein Null-Volt-Befehlssignal an den Antrieb angelegt wird. Wenn das System +10 Volt liefert, sollte sich der Antrieb mit voller Geschwindigkeit in eine Richtung bewegen; bei -10 Volt sollte es sich mit voller Geschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung bewegen; bei 5 Volt sollte es sich mit halber Geschwindigkeit bewegen; und so weiter.

Der Antrieb übersetzt jede bereitgestellte Befehlsspannung in eine relative Geschwindigkeit und Richtung der Achse. Der Antrieb überwacht dann diese Spannung, um sicherzustellen, dass der Servomotor die richtige Geschwindigkeit und Richtung ausführt.

Dem Steuerungssystem werden außerdem Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldungen bereitgestellt. Der Antrieb sendet möglicherweise ein Signal, das das Feedbacksignal des Motors emuliert, oder es gibt einen zweiten Encoder, der die Positionsdaten der Achse überwacht. Das Steuerungssystem nutzt diese Rückmeldung, um das analoge Spannungssignal anzupassen und so die Achse präzise zu steuern.

Die Antriebs- und Steuerungssysteme müssen außerdem über einige zusätzliche Ein- und Ausgänge verfügen, um den Status untereinander zu kommunizieren. Die Steuerung sendet ein Freigabesignal, das anzeigt, dass der Antrieb die Achse bewegen kann, und der Antrieb sendet ein OK-Signal, das der Steuereinheit mitteilt, dass keine Probleme mit seinen internen Systemen oder dem Motor aufgetreten sind.

Wenn das Steuerungssystem nicht bewegungsbereit ist, verhindert es außerdem als Sicherheitsmaßnahme in der Regel, dass der Antrieb eine Achse überhaupt bewegt, indem ein Schütz verwendet wird, um die Hauptstromquelle vom Antrieb zu trennen oder eine Unterbrechung zwischen dem Antrieb und dem Antrieb herzustellen der Motor.

An den Antrieb kann auch ein zusätzliches Analogsignal angeschlossen werden, um mitzuteilen, wie viel der verfügbaren Leistung des Motors für die Ausführung einer Bewegung verwendet werden soll.

Bei einem Antriebsfehler während des Normalbetriebs stoppt die Maschine und es erscheint eine Meldung, dass eine der Achsen (in diesem Fall die Y-Achse) fehlerhaft ist.

Da dies alles über eine Reihe von Drähten und Kabeln in der Maschine und im Schaltschrank erfolgt, sind analoge Systeme anfällig für elektrisches Rauschen, das zu unbeabsichtigten Bewegungen der Achse führen kann. Ein unterbrochenes oder kurzgeschlossenes Kabel kann außerdem unbeabsichtigt Spannung auf die Analogsignale übertragen oder eine Positionsrückmeldung verhindern. Im Extremfall kann es zum unkontrollierten Weglaufen der Achse kommen.

Bei der Fehlerbehebung in einem analogen System sollte ein Techniker die Eingänge, Ausgänge und Befehlssignale mit einem herkömmlichen Voltmeter prüfen. Die meisten modernen analogen Laufwerke verfügen über einen kleinen Bildschirm, auf dem eine Statusmeldung über den Zustand des Laufwerks angezeigt wird. Dies kann ein einfacher Code aus zwei Buchstaben oder eine Reihe von Symbolen und Lichtern sein. Die meisten Systeme führen außerdem ein Protokoll der letzten Fehler.

Diese historischen Daten können sich für einen Techniker bei der Fehlerbehebung in einem analogen System als äußerst wertvoll erweisen. Um historische Daten abzurufen, muss ein Computer direkt an das Laufwerk angeschlossen und die Software des Herstellers verwendet werden.

Chris Brennan, Steuerungsingenieur bei Current Tech (Hersteller der Rohrbiegesoftware BendPro), sagte: „Analogantriebe geben oft nur ein allgemeines Antriebsfehlersignal aus. Um den eigentlichen Fehler zu untersuchen, ist häufig das Öffnen der Türen des Hochspannungsschranks erforderlich, was dem Bediener aus Sicherheitsgründen in der Regel nicht gestattet ist.“

Digital. In einem digitalen Servosystem steuert der Antrieb weiterhin die Motorgeschwindigkeit und -richtung und erhält eine Rückmeldung vom Motor, die bestätigt, dass er die richtige Geschwindigkeit und Richtung ausführt. Der Befehl vom Steuersystem und die Rückmeldung vom Steuersystem werden jedoch über ein digitales Kommunikationsnetzwerk bereitgestellt.

Hersteller von Servo- und Steuerungssystemen haben verschiedene Protokolle und Methoden für die Kommunikation zwischen Geräten entwickelt (z. B. ProfiBUS, ModBUS, EtherCAT und SERCOS). Sie alle ermöglichen eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Servoantrieb und dem Steuerungssystem sowie vielen anderen möglicherweise erforderlichen Geräten.

In einem digitalen System wird kein Spannungs- oder Stromsignal per Kabel gesendet, um Geschwindigkeit und Richtung an den Antrieb zu übermitteln. Stattdessen sendet die Steuerung im Wesentlichen ein Signal mit der Aufschrift „Fahren Sie mit dieser Geschwindigkeit zu dieser Position“, und der Antrieb übernimmt die Aufgabe tatsächliche Bewegung des Motors. Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldungen werden über dasselbe digitale Netzwerk tausende Male pro Sekunde an das Steuerungssystem zurückgegeben. Da diese Systeme nicht auf einem analogen Signal basieren, ist die Wahrscheinlichkeit einer unbeabsichtigten Bewegung aufgrund von elektrischem Rauschen oder einem unterbrochenen oder kurzgeschlossenen Kabel viel geringer, so dass die Gefahr eines Durchgehens der Achse deutlich geringer ist.

Da der Antrieb an ein digitales Kommunikationssystem angeschlossen ist, können viel mehr Informationen hin und her übertragen werden, entweder direkt an das Steuerungssystem oder an die Software des Antriebs. Während des Betriebs kann der Antrieb den Motor auf kritische Daten wie Motorgeschwindigkeit, skalierte zurückgelegte Distanz, tatsächliche skalierte Position, Motortemperatur und das für eine Bewegung erforderliche Drehmoment überwachen.

Abhängig vom Antriebshersteller und den verwendeten Kommunikationsprotokollen kann ein Techniker diese Daten verwenden, um mehrere Probleme mit einer bestimmten Achse zu beheben und möglicherweise sogar die Bewegung und Skalierung von Motor und Achse unabhängig vom Hauptsteuerungssystem zu testen.

Typischerweise können Sie die Software des Antriebsherstellers oft direkt auf die Steuerung laden. Wenn Sie dies tun, kann ein Techniker über das digitale Kommunikationssystem aus der Ferne auf das gesamte Servosystem zugreifen, ohne dass eine direkte Verbindung zum Servoantrieb erforderlich ist. Mit einer Fernverbindung zur Maschine kann ein Techniker den Status, den Verlauf, die Skalierung und andere Systemparameter überwachen, um festzustellen, was ein bestimmtes Problem verursacht. Wenn ein lokaler Bediener die Maschinenbewegung steuert, kann ein Techniker Live-Daten vom Servosystem überwachen.

Die Diagnosemeldung hier weist darauf hin, dass ein Problem mit dem Encodersignal vorliegt. Mit einer Internetverbindung an der Maschine kann sich ein Techniker anmelden und aus der Ferne Fehler an der Biegemaschine beheben.

„Mit digitalen Antrieben ist es möglich, tatsächliche Fehlerdaten vom Steuerungssystem zu lesen und aufzuzeichnen, was bedeutet, dass die primäre Fehlerbehebung des Systems viel einfacher erfolgen kann, möglicherweise ohne die Notwendigkeit, die Schränke überhaupt zu öffnen“, sagte Brennan.

An der Biegemaschine, die nur wenige Teile verarbeiten konnte, bevor es zu einem Wagenfehler kam, konnte sich ein Techniker von RbSA Industrial aus der Ferne am Steuer-PC anmelden, auf dem die Biegesteuerungssoftware BendPro G2 läuft, und den Wagen überwachen, während ein örtlicher Bediener versuchte, Teile zu bearbeiten. Während eine Achse bewegt wird, überwacht BendPro im Allgemeinen deren Position und Geschwindigkeit und eine Bewegung ist nur zulässig, wenn die Achse innerhalb eines bestimmten Positionsfensters bleibt.

Während der Produktion stoppte die Steuerung schließlich die Rohrbiegemaschine und zeigte einen Positionsfehler der Y-Achse (Schlitten) an. Nachdem auf diese Weise ein Fehler aufgetreten war, konnte die Maschine neu gestartet werden und scheinbar problemlos ein paar weitere Teile herstellen, bevor derselbe Fehler erneut auftrat.

Während er am Steuerungs-PC angemeldet war, loggte sich der Techniker auch bei IndraWorks ein, einem Softwarepaket von Bosch Rexroth, das eine Verbindung zum Servosystem über das EtherCAT-Netzwerk des Systems ermöglicht. Er griff auf die historischen Fehlerdaten des Laufwerks zu und fand eine Reihe von Überstromfehlern.

In der Regel sind Servomotoren für den Betrieb mit einem bestimmten Drehmoment bei bestimmten Motordrehzahlen ausgelegt, das vom Antrieb gesteuert und überwacht wird. Der Motor sollte unbegrenzt mit bis zu 100 % seines Nenndrehmoments betrieben werden können. Ein Servomotor kann jedoch auch für kurze Zeiträume mit einem höheren Drehmoment betrieben werden, sodass er bei bestimmten Vorgängen kurze zusätzliche Leistungsstöße bereitstellen kann – beispielsweise zum Beschleunigen, Halten der Geschwindigkeit und Abbremsen. Wenn der Motor zu lange mehr als 100 % Drehmoment benötigt, wird vom Antriebssystem zu viel elektrischer Strom aufgenommen, was zu Schäden am Antrieb oder Motor führen kann. Bevor dies geschieht, stoppt der Antrieb die Bewegung der Achse und versetzt sich in einen Fehlerzustand.

Während der Bediener weiterhin versuchte, Teile zu verarbeiten, und der Techniker dies aus der Ferne überwachte, gab es mehrere weitere Positionsfehlerfehler, aber nach einigen Minuten zeigte BendPro anstelle eines Positionsfehlers einen Y-Achsenfehler an. Der Antrieb hatte einen Fehler und meldete diesen Fehlerstatus an die Steuerung. Eine schnelle Überprüfung in der IndraWorks-Software bestätigte, dass es sich erneut um einen Überstromzustand handelte, wie er in der Fehlerhistorie aufgezeichnet wurde. Die Software deutete darauf hin, dass der Motor zu lange zu viel Drehmoment aufwenden musste.

Während der Bediener den Drehmomentprozentsatz überwachte, bewegte er den Schlitten mithilfe des manuellen Modus und des Joysticks an der Steuerung entlang der Maschine hin und her und stellte fest, dass (wie erwartet) das Drehmoment während der Beschleunigung und Verzögerung kurzzeitig 100 % der Nenntoleranz überschritt. Dann, nach mehreren Bewegungen über die gesamte Länge der Maschine, sprang das Drehmoment auf über 200 % – und zwar nicht nur beim Beschleunigen, sondern auch bei unbelasteten Bewegungen. Dadurch wurde der Überstromfehler schließlich erneut verursacht.

Wie sich herausstellte, war eines der Linearlager, auf denen der Schlitten lief, ausgefallen und führte dazu, dass der Motor viel härter arbeiten musste, als er hätte tun müssen, um das Rohr für die nächste Biegung zu positionieren, wobei er manchmal weit genug hinter seine erwartete Position geriet, um das zu verursachen Steuerung, um die Maschine bei einem Positionsfehler anzuhalten. Dies wiederum führte manchmal dazu, dass der Antrieb die Maschine mit einem Überstromfehler stoppte und so Schäden am Motor verhinderten.

Glücklicherweise hatte die Wartungsabteilung des Herstellers ein Lager zur Verfügung und konnte das defekte Lager identifizieren und ersetzen. Etwa 20 Minuten später war die Maschine wieder in voller Produktion.

Mit Indraworks von Bosch Rexroth AE kann ein Techniker aus der Ferne auf einen Antrieb sowie dessen aktuellen Zustand und Fehlerverlauf zugreifen, ohne dass jemand einen Schaltschrank öffnen muss.