CODESYS reaches space Eben doch Rocket Science!

Aaron:
Ihr bezeichnet Euch selbst als „softwarelastiger Sondermaschinenbauer“. Ist Raumfahrt dabei Eure Spezialität?

Martin:
Natürlich machen wir auch andere hochkomplexe Dinge, bei denen es auf sehr gute Software im Sondermaschinenbau ankommt. Das gilt eben im Speziellen für die Raumfahrt, insofern sind wir hier schon sehr weit drin und kennen die Branche gut. Kurzum: Die Raumfahrt ist unser Spezialgebiet, aber nicht das einzige. Zum Beispiel arbeiten wir auch intensiv in der Lebensmitteltechnik oder im sensorischen Bereich.

 

Aaron:
Kannst Du uns bitte Euer Projekt mit Beyond Gravity kurz beschreiben?

Martin:
Ein Großteil der Produktionsanlagen von Beyond Gravity in der Schweiz und auch die meisten Anlagen in Decatur in den USA sind mit Elektrotechnik von mrm² ausgestattet. Am Schweizer Produktionsstandort Emmen gibt es einen Auslegetisch für Carbonfasermatten, zwei Anlagen zur Bestückung von Fairing-Halbschalen und eine hochkomplexe, vollautomatisierte Anlage zur Bearbeitung der Fairing-Halbschalen, die horizontale Integrationsstation. In der Produktion haben wir es mit sehr vielen synchron laufenden Achsen zu tun, mit Wiederholgenauigkeiten von 0,02 mm auf eine Länge von 26 m, Werkzeugwechselsystemen inkl. Programmverwaltung, weiteren synchron laufende und extern überwachten Antriebsystemen, Multiuser-bedienbaren Visualisierungen – alles in allem hoch vernetzte Systeme. Alle haben wir auf der CODESYS-Softwareplattform entwickelt und programmiert – zum Teil mit nativem CODESYS, zum Teil mit TwinCAT von Beckhoff. Jedenfalls alles nach IEC 61131.

 

Aaron:
Produkte für die Raumfahrt müssen extreme Anforderungen an Präzision und Genauigkeit erfüllen, da Fehler im Prozess massive Konsequenzen haben können. Wie stellt Ihr sicher, dass eure Produkte diesen Anforderungen gerecht werden?

Martin:
Wie bei allen unseren Projekten spielen das herausragende technische Know-how unserer Mitarbeitenden, ein nahtloses Projektmanagement sowie unsere inzwischen 15-jährige Erfahrung mit anspruchsvollen Projekten eine Rolle. Alle Projektbeteiligten arbeiten eng vernetzt, alle Arbeitsschritte greifen perfekt ineinander.  
In der Softwareentwicklung ist zunächst das Verständnis der Aufgabenstellung entscheidend. Nach der detaillierten Erstellung eines Pflichtenhefts beginnt Schritt für Schritt die Umsetzung und Programmierung der Software. Selbstverständlich arbeiten unsere Entwicklungsingenieure durch regelmäßige Fortbildungen immer auf dem aktuellen Stand der Technik und nutzen modernste Methoden.

 

Aaron:
Kannst Du uns den Fertigungsprozess näher erklären? Und natürlich: Welche Rolle spielt CODESYS im Projekt?

Martin:
Es gibt insgesamt 4 Prozessschritte. Zunächst wird im ersten Prozessschritt auf dem sogenannten Layup Table Prepreg, ein Carbonfaser-Verbundstoff, in unterschiedlichen Bahnen ausgelegt. Diese Bahnen werden anschließend über eine Traverse auf das Negativ der Halbschalen gebracht und anschließend gebacken.

Die Carbonfaser-Folien werden über 7 Achsen abgerollt. Diese Achsen werden synchron über CANopen angesteuert. Dort, wo die Bahnen diagonal angebracht werden müssen, steuern wir sie über CODESYS SoftMotion an. Auch die Visualisierung ist mit CODESYS programmiert.

Im zweiten Prozessschritt erfolgt die Inspektion der gehärteten Halbschale auf Fehler und vorgegebene Toleranzen in einer sogenannten “automated non-destructive inspection“ über ein Ultraschall-Prüfverfahren.

Dabei fahren 2 Roboterarme, die mit Luft-Ultraschall-Prüfköpfen bestückt sind, hochsynchron die Oberflächen ab und führen mit einem fest definierten Abstand die Prüfung durch. So werden defekte Bereiche bereits in diesem Prozessschritt erkannt, Nachbesserungen können bereits hier durchgeführt werden. Es ist eine absolut hochpräzise dual-loop-Regelung der Roboterarme notwendig, damit das Ultraschallverfahren in der erforderlichen Präzision durchgeführt werden kann. Die Anlage ist übrigens ein Kooperationsprojekt mit der Robo-Technology GmbH.

Über Achstransformationen werden beim Außenroboter die Bahnkurven in Echtzeit berechnet. So wird die exakte Positionierung ermöglicht. Beim Außenroboter handelt es sich um einen eigenkonstruierten 5-Achs-Roboter mit 5,5m Reichweite. der Standard-Industrie-Innenroboter wird dann in Echtzeit auf den Außenroboter aufsynchronisiert, sodass immer ein absolut genauer tool center point der beiden Ultraschallköpfe an den Robotersystemen realisiert wird. Auf den Linearachsen erfolgt die Positionierung über externe Magnetbandgeber. Wir haben dezentral Beckhoff-SoftMotion inkl. EtherCAT-Feldbus und IO-Link im Einsatz, um alle Sensoren steuern und auslesen zu können. 

 

Aaron:
Die Toleranz bei der Länge macht die Steuerung der Roboterarme sicherlich anspruchsvoll. Nun verwendet Ihr beim Verlegen der CFK-Bahnen im ersten Prozessschritt CANopen für die Kommunikation und im zweiten Prozessschritt EtherCAT. Liegt dies am Antrieb und der Herstellerbindung? Oder gab es andere Gründe für die Entscheidung? 

Martin:
Die Anlagen sind ganz einfach zu unterschiedlichen Zeiten gebaut worden, insofern hat die Entscheidung eine historische Komponente. Die Anlage, auf der das Verlegen der Carbonfaserbahnen erfolgt und die über CANopen gesteuert wird, ist wesentlich älter. Da waren die Funktionalitäten von EtherCAT noch nicht so gut ausgeprägt. Außerdem gab es zum damaligen Zeitpunkt eine spezielle Funktion bei CANopen, die für die Umsetzung des diagonalen oder kreuzenden Verfahrens erforderlich war. EtherCAT ist flexibler und wurde daher später zum Kommunikationsprotokoll der Wahl. 

 

Aaron:
Ok, das leuchtet ein. Dann zurück zum Fertigungsprozess!

Martin: Im 3. Prozessschritt wird auf der horizontalen Integrationsstation auf 26 m Länge überschüssiges Material abgetrimmt. Über 20 synchron laufende Achsen positionieren die Verkleidung zur Weiterverarbeitung. Die Achsen werden über SoftMotion von Beckhoff gesteuert. Über 450 Löcher werden pro Halbseite in die Verkleidung sowie in deren zugehörige Profile gebohrt. Sogenannte Sprengringe werden integriert, die die Nutzlastverkleidung koordiniert absprengen bzw. den Satelliten oder die Nutzlast freilegen. 

Im 4. und letzten Prozessschritt, in dem unsere Anlagen mitwirken, dem machining station drive assembly, werden Montagearbeiten ausgeführt. 

Beide Halbschalen werden dabei mit Hilfe von angetriebenen Ringen aufgenommen und zu einem von zwei finalen Verkleidungselementen assembliert. Die Ringe können das Verkleidungselement um bis zu 180° drehen, um Bohrungen zu setzen und weitere Montageschritte durchzuführen. Auf der gesamten Bauteillänge von bis zu 26 Metern muss eine Torsionsbelastung vollständig ausgeschlossen werden. Die beiden Ringe müssen folglich absolut synchron arbeiten, um Spannungen zu vermeiden.

CODESYS SoftMotion steuert den synchronisierten Antrieb der Ringe und kann den hohen Anforderungen des Bauteils und der Raumfahrt dank Echtzeitsteuerung problemlos gerecht werden.

 

Aaron:
Die Visualisierung der Steuerung ist ein Standardfeature der CODESYS Suite. Die Steuerung der Antriebe mit Hilfe von SoftMotion ist schon deutlich anspruchsvoller. Teilweise steuert Ihr mehr 20 Antriebe synchron in einer Applikation. Wie habt ihr das geschafft?

Martin:
Ganz einfach durch eine sehr gute, ausgeklügelte Software-Architektur und eine genauso sorgfältig geplante elektrotechnische Hardwaretopologie. 

 

Aaron:
Mit EtherCAT, FSoE, IO-Link und CANopen habt Ihr verschiedene Protokolle im Einsatz. Welche Kriterien legt ihr an für die Entscheidung, welchen Kommunikationsweg Ihr nutzt? Gab es hier Probleme bei der Implementierung? 

Martin:
CANopen war lange das beste Protokoll für Antriebstechnik. Aus unserer Sicht ist es inzwischen aber nicht mehr Stand der Technik, daher der Switch zu EtherCAT, das inzwischen führend ist bei Antriebstechnik. EtherCAT und darüber dann auch FSoE (Fail Safe over EtherCAT) kommen sehr gut mit langen Distanzen zwischen Komponenten klar. FSoE eignet sich außerdem gut für Sicherheitsfunktionen der Antriebstechnik. IO-Link wiederum hat seine Vorteile bei dezentralem Aufbau, dezentraler Sensorik und kurzen Distanzen in den hier fahrenden Einheiten. IO-Link ist außerdem sehr wartungsfreundlich, Komponenten lassen sich problemlos austauschen und gut erweitern. 

 

Aaron:
Danke für die Einblicke in Euere Projekte, Martin. Dass mit Hilfe von CODESYS das Weltall erobert wird, finden wir wirklich großartig. Euer Projekt mit Beyond Gravity ist ein Paradebeispiel für Anwendungen, die über unterschiedliche Protokolle wie CANopen, EtherCAT, IO-Link oder FSoE in Echtzeit kommunizieren und gleichzeitig ein Höchstmaß an Genauigkeit erfüllen. Sicherlich eine Herausforderung, der wir uns als CODESYS gerne stellen, um stetig zu lernen und besser zu werden. Für Eure weitere Arbeit wünschen wir euch alles Gute – wir sind stolz, ein Teil davon sein zu dürfen.