Vollautomatisierte Kaffeeausgabe - technikerprojekt.de

Vollautomatisierte Kaffeeausgabe 

Kaffeezubereitung mit Hilfe eines Fünf-Achsen-Industrieroboters 

Dokumentation 

Technikerarbeit von 

Martin Schwendemann Sven Wambsganß 

Untertal 26 Speyerer Straße 23 

77790 Steinach 76829 LD – Dammheim 

Karlsruhe, im Sommer 2005

Martin Schwendemann 

Technikerarbeit 2005 Sven Wambsganß 

Inhaltsverzeichnis 

Inhaltsverzeichnis ........................................................................................... 1 

Vorwort ........................................................................................................... 3 

Erklärung ........................................................................................................ 4 

1. Einleitung.................................................................................................... 5 

1.1 Themenfindung ...................................................................................... 5 

1.2 Sponsorensuche .................................................................................... 6 

1.3 Pflichten-Lasten-Beschreibung .............................................................. 7 

2. Projektbeschreibung................................................................................... 8 

2.1 Vollautomatisierte Kaffeeausgabe.......................................................... 8 

2.2 Anlagenbeschreibung............................................................................. 8 

2.3 Roboter .................................................................................................. 9 

2.4 Steuerung und Bedienung...................................................................... 9 

2.5 Touchpanel .......................................................................................... 10 

2.6 Kaffeevollautomat ................................................................................ 10 

2.7 Milch- und Zuckerspender.................................................................... 10 

2.8 Bedienungs- und Ablaufbeschreibung.................................................. 11 

2.8.1 Kaffeezubereitung........................................................................... 11 

2.8.2 Handbetrieb .................................................................................... 12 

2.8.3 Demobetrieb ................................................................................... 12 

2.8.4 Kaffeeautomat ein- bzw. ausschalten ............................................. 13 

3. Aufbau ...................................................................................................... 14 

3.1 Anlagenansichten................................................................................. 14 

4. Verwendete Komponenten ....................................................................... 16 

4.1 Roboterteile.......................................................................................... 16 

4.1.1 Kenndaten der verwendeten Roboterteile....................................... 17 

4.2 SPS...................................................................................................... 22 

4.2.1 Netzteil PS 307 5A.......................................................................... 22 

4.2.2 CPU 315 - 2DP ............................................................................... 22 

4.2.3 Digital-Eingangskarte...................................................................... 23 

4.2.4 SPS Schnittstellen .......................................................................... 23 

4.3 Touchpanel .......................................................................................... 24 

4.4 Displayauswertung Kaffeeautomat....................................................... 24 

4.5 Kaffeevollautomat ................................................................................ 26 

1



4.6 Milch- und Zuckerspender.................................................................... 26 

4.7 Weitere Komponenten.......................................................................... 27 

4.7.1 SITOP 20A Netzteil......................................................................... 27 

4.7.2 Not-Aus-Modul................................................................................ 28 

4.8 Stückliste eingesetzter Komponenten .................................................. 29 

5. Anlagenbedienung.................................................................................... 30 

5.1 Vor dem Systemstart............................................................................ 30 

5.2 Anlage einschalten............................................................................... 31 

5.3 Passwort eingeben............................................................................... 31 

5.4 Referenzfahrt ....................................................................................... 31 

5.5 Kaffeeautomat einschalten................................................................... 32 

5.6 Automatische Kaffeezubereitung ......................................................... 34 

5.7 Handbetrieb.......................................................................................... 35 

5.8 Demonstrationsbetrieb ......................................................................... 36 

5.9 Einstellungen im Bedienermodus......................................................... 37 

5.9.1 Referenz-Fahrt................................................................................ 37 

5.9.2 Achsen- Reset ................................................................................ 38 

5.9.3 Kaffeeautomat ein-/ausschalten ..................................................... 38 

5.9.4 Systemmeldungen .......................................................................... 39 

5.9.5 Display Kaffeeautomat.................................................................... 39 

5.9.6 Bild heller ........................................................................................ 40 

5.9.7 Bild dunkler ..................................................................................... 40 

5.9.8 Touchpanelkalibrierung................................................................... 40 

5.9.9 Passwort ändern............................................................................. 41 

5.9.10 Transfer-Modus............................................................................. 41 

5.10 Ablaufunterbrechung.......................................................................... 42 

5.11 Systemmeldungen.............................................................................. 42 

5.11.1 Kaffeeautomat .............................................................................. 43 

5.11.2 Steuerung ..................................................................................... 44 

5.12 Fehlerbehebung ................................................................................. 46 

6. SPS Programm......................................................................................... 47 

6.1 Wichtige Bausteine............................................................................... 47 

6.2 Programmablaufpläne .......................................................................... 49 

7. Beteiligte Sponsoren ................................................................................ 56 

8. Schlusswort .............................................................................................. 58 

9. Projektbilder.............................................................................................. 59 

10. Quellenverzeichnis ................................................................................. 60 

2



Vorwort 

Verehrte Leserin, verehrter Leser, 

Sie halten die Dokumentation einer Technikerarbeit des Jahres 2005 in 

Händen. Die Technikerabschlussarbeit ist Bestandteil des Abschlusses zum 

staatlich geprüften Techniker. 

Diese Dokumentation wurde von uns angefertigt und dient zur schriftlichen 

Erläuterung der von uns erstellten Anlage zur vollautomatisierten 

Kaffeeausgabe. 

Wir hoffen, Ihnen unser Projekt anschaulich und verständlich nahe bringen 

zu können. 

Auf den folgenden Seiten erläutern wir, wie es zur Themenfindung kam, 

welche Probleme wir während der Vorbereitungs- und Durchführungsphase 

zu bewältigen hatten, welche Lösungsansätze realisiert wurden und wie sich 

die Anlage im Einsatz verhält. Darüber hinaus sind Beschreibungen und 

Angaben zu den Hauptbestandteilen der Anlage enthalten. 

Wir, das sind Martin Schwendemann und Sven Wambsganß, zwei 

Technikerschüler der Fachrichtung Energietechnik und Prozessautomatisierung 

des Abschlussjahrganges 2005 an der Heinrich-Hertz- 

Schule in Karlsruhe. 

Karlsruhe, im Sommer 2005 

Martin Schwendemann & Sven Wambsganß 

3



Erklärung 

Hiermit versichern wir, dass die Anlage zur vollautomatisierten 

Kaffeeausgabe, die dazugehörige Programmierung und die vorliegende 

Dokumentation von uns selbstständig erstellt wurden. 

Es kamen keine anderen Hilfsmittel als die im Anhang genannten zum 

Einsatz. Sofern nicht ausdrücklich gekennzeichnet, wurden sämtliche 

Unterlagen von uns selbst erstellt. 

Alle Texte und Darstellungen der Arbeit, die aus anderen Werken im Wortlaut 

oder dem Sinn nach entnommen wurden, sind mit Angabe der Quelle 

kenntlich gemacht. 

Karlsruhe, 23. Juni 2005 

Martin Schwendemann Sven Wambsganß 

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1. Einleitung 

1.1 Themenfindung 

Da zum erfolgreichen Bestehen der Technikerausbildung ein abschließendes 

Technikerprojekt anzufertigen ist, hielten wir ab Sommer 2004 Ausschau 

nach möglichen Aufgabenstellungen. 

In mehreren Besprechungen mit dem Ziel ein Thema zu finden, kristallisierte 

sich immer das Thema „Kaffee“ heraus. 

Die erste konkrete Idee, aus einem handelsüblichen Kaffeeautomaten einen 

Standautomaten mit Tassenspeicher zu bauen, wurde recht schnell 

verworfen, als ein Katalog mit Handhabungstechnikkomponenten auf den 

Tisch kam. Es wurde umgehend klar, dass industrielle Roboterkomponenten 

verbaut werden sollten, um einen noch genauer zu definierende Ablauf zu 

automatisieren. 

Da uns dieses Thema interessant, und als Projektthema geeignet erschien, 

haben wir uns im Bereich Automatisierungs- und Handhabungstechnik weit 

reichend informiert. 

Da das Thema Kaffee nach wie vor präsent war, kombinierten wir letztendlich 

die beiden Ideen und kamen so zu unserem Thema, der „vollautomatisierten 

Kaffeeausgabe“. 

Nun galt es diese Idee zu konkretisieren und dazu erste Ausarbeitungen 

anzufertigen. 

Als schulischen Betreuer hofften wir unseren Lehrer im Fach 

Automatisierungs- und Kommunikationssysteme, Herrn Merz, gewinnen zu 

können. Nachdem wir von ihm, nach einer ersten Projektvorstellung, das OK 

zur Aufgabenstellung erhalten hatten, machten wir uns an die genaue 

Planung und Ausarbeitung der Projektbeschreibung. 

5



1.2 Sponsorensuche 

Da das gewählte Thema unserer Technikerarbeit finanzielle Risiken barg 

mussten wir uns auf die Suche nach Kooperationspartnern und Sponsoren 

machen. 

Nach umfangreicher Information und einem Besuch der Fachmesse „Motek“ 

in Sinsheim wurden wir in der Realisierbarkeit der Anlage bestärkt und 

fanden mehrere Teilsponsoren und Interessenten. 

Hauptproblem war jedoch die fehlende Bereitschaft einer Gesamtübernahme 

der Anlage durch einen Generalsponsor. 

Die Kontaktaufnahme mit der Firma Schunk GmbH & Co. KG aus Lauffen am 

Neckar erwies sich als gute Entscheidung, da sich die Firma Schunk zu einer 

Kooperation und der Gesamtübernahme der Anlage bereit erklärte. 

Auch die Firma Jura Elektrogeräte-Vertriebs-GmbH erklärte sich umgehend 

bereit entsprechende Teile zur Verfügung zu stellen. 

Während der Sponsorensuche entschieden wir uns zudem, als zusätzliche 

Informationsquelle für Interessierte und bereits gewonnene Sponsoren, eine 

Website einzurichten. Unsere anfänglich kümmerlichen Webseitenkenntnisse 

spiegelten sich in einer ersten, „groben“ Webseitengestaltung wieder. Dies 

verbesserten wir aber im Laufe der Zeit merklich. 

Die gesamte Webseite ist unter www.technikerprojekt.de vorerst weiterhin 

erreichbar und dokumentiert den gesamten Projektverlauf, von der ersten 

Idee bis zum fertigen Projekt. 

6



1.3 Pflichten-Lasten-Beschreibung 

Thema Vollautomatisierte Kaffeeausgabe 

Aufgabenstellung Es ist eine Anlage zur vollautomatisierten 

Kaffeeausgabe als Messeausstellungsstück 

anzufertigen. Die Anlage besteht aus den 

Hauptkomponenten Roboter, Steuerung, 

Anforderungen 

Kaffeevollautomat sowie einem Milch- und 

Zuckerspender. Die Anlage ist aufzubauen, zu 

programmieren und in Betrieb zu nehmen. 

Abschließend ist eine Dokumentation mit den 

dazugehörigen Unterlagen zu erstellen. 

Die Anlage soll neben einem automatischen 

Ablauf einen Demonstrationsbetrieb und einen 

Handbetrieb ausführen können. 

Im Automatikbetrieb sind eine Unterscheidung 

einzelner Einstellungen und die daraus 

resultierenden 

berücksichtigen. 

Ablaufänderungen zu 

Der Demonstrationsbetrieb ist als Endlos- 

Schleife mit Unterbrechungsmöglichkeit 

auszuführen. 

Im Handbetrieb muss es möglich sein, einzelne 

Achsen anzuwählen um diese dann mit den 

gewünschten Eingabewerten zu verfahren. 

Es ist generell darauf zu achten, dass der 

Roboter keine für die Restanlage gefährdende 

Position oder Fahrtrichtung einnimmt. 

Systemkritische Einstellungsmöglichkeiten sind 

durchweg mit einem Passwort vor unbefugten 

Zugriffen zu schützen. 

7



2. Projektbeschreibung 

2.1 Vollautomatisierte Kaffeeausgabe 

Mit Hilfe eines programmierbaren Roboters wird gezeigt, wie präzise 

Komponenten arbeiten und angesteuert werden können. Die Anlage dient der 

Firma Schunk GmbH & Co. KG nach ihrer Fertigstellung als Ausstellungsobjekt 

auf nationalen und internationalen Fachmessen. 

2.2 Anlagenbeschreibung 

Um Ansteuerbarkeit, Anlauf, Abbremsung und Wiederholungsgenauigkeit zu 

demonstrieren, werden offene, mit Flüssigkeit gefüllte Behälter transportiert. 

Unser Projekt zeigt, wie mit Einsatz eines Roboters aus einem handelsüblichen 

Kaffeeautomaten eine vollautomatisierte Kaffeeausgabe wird. Die Ausgabe 

erfolgt über den Fünf-Achsen-Roboter, der Kaffeetassen mit Kaffee, Milch und 

Zucker befüllt. Das Mischungsverhältnis wird hierbei vom Benutzer gewählt. 

Vor dem Start des Programmablaufes ist eine entsprechende Tasse in die 

Ein-/Ausgabe zu stellen, welche auf ihre Position hin überprüft wird. Die Tasse 

wird bei richtiger Positionierung entnommen, befüllt und danach wieder in die 

Ein-/Ausgabe zurückgebracht. 

Um die Selbstständigkeit des Kaffeevollautomaten zu gewährleisten, werden mit 

Hilfe von Sensoren die Meldeanzeigen abgelesen und an die SPS übergeben. 

Somit sind keine Manipulationen, wie etwa das Öffnen des Geräts, am 

Kaffeeautomaten nötig und dieser kann bei Bedarf problemlos ersetzt oder 

anderweitig verwendet werden. 

Die Anlage wird mit Hilfe eines Touchpanels bedient. Über dieses Panel erfolgen 

sowohl die Benutzereingaben als auch die Visualisierung der gesamten Anlage. 

8



2.3 Roboter 

Der Roboter ist als Fünf-Achsen-Modell ausgeführt. Die Achsen sind den 

Fahrtrichtungen wie folgt zugeordnet: 

x-Achse vor – zurück 

y-Achse rechts – links 

z-Achse auf – ab 

a-Achse Schwenkeinheit 

b-Achse Greifer 

9 

Abb. 1 Aufbauskizze Roboter 

Der Roboter wird komplett über den Industriebus Profibus DP angesteuert und 

überwacht. 

2.4 Steuerung und Bedienung 

Durch den Einsatz einer Siemens SPS „Simatic S7-300“ wird die benötigte 

Rechenleistung zur Steuerung der Anlage erreicht. Die SPS soll sowohl die 

vorgegebenen Programme verarbeiten, als auch auf eventuelle Störungen 

reagieren und entsprechende Meldungen aktivieren. Um dies zu erreichen 

müssen sämtliche Sensoren und Funktionsschalter von der Steuerung 

überwacht werden. Die Komponenten des Roboter-Systems werden mittels 

Profibus DP an die steuernde SPS angebunden. Die Visualisierung und 

Bedienung der Anlage erfolgt über ein Touchpanel.



2.5 Touchpanel 

Die Bedienung der Anlage erfolgt über ein das Siemens-Touchpanel TP270 

10“color. Über dieses Panel erfolgen sowohl die Benutzereingaben als auch die 

Visualisierung der gesamten Anlage. Mit Hilfe des Touchpanels sollen sowohl 

Störmeldungen der Anlage als auch des Kaffeevollautomaten visualisiert 

werden. 

2.6 Kaffeevollautomat 

Das wichtigste Kriterium des eingesetzten Kaffeeautomaten ist das Fehlen eines 

Klartextdisplays. Die Übertragung der Funktions- und Störmeldungen an die 

steuernde SPS erfolgt ohne Manipulation des Kaffeeautomaten. Dies wird über 

das Grafikdisplay, welches mit Lichtsensoren abgelesen wird, realisiert. 

Ein weiterer Vorteil des Kaffeeautomaten ist die Erreichbarkeit der zu 

bedienenden Tasten und des Kaffeeauslaufes. Diese Teile müssen für den 

Roboter leicht zugänglich und einfach zu bedienen sein. 

2.7 Milch- und Zuckerspender 

Um die Kaffeezubereitung zu vervollständigen, ist ein Milch- und Zuckerspender 

in die Anlage eingebunden. Dieser ist aufgrund der einfachen Handhabung 

bestens geeignet, um vom eingesetzten Roboter bedient zu werden. Lediglich 

der Bedienpunkt des Zuckerspenders muss beim eingesetzten Gerät verändert 

werden, um diesen für den Roboter zugänglich zu machen. 

10



2.8 Bedienungs- und Ablaufbeschreibung 

Die Anlage verfügt über mehrere unterschiedliche Betriebsmöglichkeiten. 

2.8.1 Kaffeezubereitung 

Als Hauptablauf ist die vollautomatische Kaffeezubereitung zu sehen. Dabei 

wird, nach erfolgter Freigabe, ein Kaffee im vorher gewählten Mischverhältnis 

zubereitet. 

Der Bediener kann zwischen je zwei Kaffeegrößen, Milch- und Zuckermengen 

wählen. Bei Anwahl eines kleinen Kaffees kann zudem die Kaffeestärke variiert 

werden, um so eine Espressozubereitung zu ermöglichen. Natürlich ist auch eine 

Kaffee „schwarz“, als ohne Milch und/ oder Zucker möglich. 

Nach Betätigen der Starttaste nimmt der Roboter eine zuvor in die Ein-/Ausgabe 

gestellte Tasse und führt diese dem Kaffeeautomaten zu. 

Als erstes muss zur Henkelpositionierung ein Drehen der Tasse auf der dazu 

vorgesehenen Drehplattform erfolgen. Danach stellt der Roboter die Tasse unter 

den Kaffeeauslauf des Kaffeeautomaten und betätigt die entsprechenden Tasten 

des Kaffeevollautomaten, um die Tasse zu befüllen. Nach Abschluss des 

Brühvorgangs entnimmt der Roboter die Tasse aus dem Automaten um sie, bei 

entsprechender Vorwahl, mit Milch und Zucker zu befüllen. Dazu stellt er die 

bereits mit Kaffee gefüllte Tasse vorsichtig unter den jeweiligen Auslass des 

Milch- und Zuckerspenders und betätigt anschließend den dazugehörigen 

Bedienhebel. Abschließend wird die Tasse wieder gedreht und zurück in die Ein- 

/Ausgabe gestellt. Nach erfolgter Freischaltung der Lichtschranken kann der 

Benutzer die zurückgegebene Tasse entnehmen. 

11



2.8.2 Handbetrieb 

Im Handbetrieb wird zunächst der Roboter auf Mittelposition gefahren, damit er 

eine für die Restanlage unbedenkliche Position einnimmt. 

Nun können Achsen einzeln angewählt und verfahren werden. Zum Verfahren 

dienen Schieberegler mit den Parametern Beschleunigung (mm/s²), 

Geschwindigkeit (mm/s) und Position (mm bzw. Grad). Zusätzlich kann der 

Positionswert mit den Plus- und Minustasten in Einerschritten geändert werden. 

Die ausgewählten Parameter werden umgehend an die Achse weitergeleitet, 

was gerade bei Geschwindigkeitsänderungen von Bedeutung ist. Nach 

Verlassen des Parameterbildschirms wird der Roboter sofort wieder auf 

Mittelposition verfahren, um eine sichere Ausgangsposition für die nächste 

Achsenanwahl herzustellen. 

Bei Verlassen des Handbetriebes fährt der Roboter selbstständig zurück auf 

Nullposition. 

2.8.3 Demobetrieb 

Der Demonstrationsbetrieb setzt sich aus drei automatischen Abläufen 

zusammen. Nach erfolgter Startfreigabe fährt der Roboter auf Mittelposition. Hier 

bleibt er für eine vorgegebene Zeit stehen. Danach fährt der Roboter bei allen 

Achsen, ausgenommen die x-Achse, auf die jeweiligen Maximal- bzw. 

Minimalpositionen. Nach Abschluss dieses Ablaufes bleibt der Roboter erneut 

auf der Mittelposition stehen und wartet. Der letzte Ablauf besteht aus der 

Nullpositionsfahrt. Am Nullpunkt angekommen wartet der Roboter, um erneut mit 

der Mittelpositionsfahrt zu starten. Dieser Ablauf wird endlos wiederholt, solange 

er nicht von Benutzer abgebrochen wird. Bei Betätigen der „Demo-Betriebbeenden“-Taste 

fährt der Roboter auf Nullposition und beendet damit den 

Demobetrieb. 

12



2.8.4 Kaffeeautomat ein- bzw. ausschalten 

Im Menübildschirm „Bediener-Modus“ ist ein Ablauf zum Ein- bzw. Ausschalten 

des Kaffeeautomaten vorgesehen. Dabei ist eine Tasse in die Ein-/Ausgabe zu 

stellen und die Starttaste zu drücken. Nun holt der Roboter die Tasse aus der 

Ein-/Ausgabe und dreht diese um die Henkelposition zu korrigieren. Danach 

bedient der Roboter den Kaffeeautomaten entsprechend dem Betriebszustand 

des Automaten um diesen ein- bzw. auszuschalten. Da der verwendete 

Kaffeeautomat beim Einschalten aus dem Kaltzustand ein anderes 

Betriebsverhalten an den Tag legt, als bei einem „Warmstart“, sind die 

entsprechenden Weiterschaltbedingungen zusätzlich mit einem 

Überwachungstimer „überbrückt“. Das Gleiche gilt für den Ausschaltvorgang. 

Der Kaffeeautomat spült beim Einschalten aus dem Kaltzustand nach erfolgtem 

Aufheizen des Wasserboilers sein internes Leitungssystem. Dieses 

Schmutzwasser wird in der untergestellten Tasse aufgefangen und am Ende des 

Prozesses in die Ein-/Ausgabe zurückgebracht. Beim Einschalten des 

Automaten ohne Aufwärmphase (Warmstart) entfällt dieses Spülen und der 

Roboter bringt nach erfolgter Wartezeit dem Benutzer die Tasse zurück. 

Beim Ausschalten verhält sich der Kaffeeautomat ähnlich. Nach erfolgtem 

Einstellen einer leeren Tasse ist ein Ausschalten des Automaten möglich. Dabei 

sind ebenfalls zwei verschiedene Verhaltensweisen des Kaffeeautomaten 

möglich. Ohne vorherigen Kaffeebezug, das interne Leitungssystem ist noch 

sauber, wird kein Spülen ausgeführt. Der Roboter bringt auch hier nach 

erfolgtem Warten die Tasse zurück. Bei einem Ausschalten nach einem 

Kaffeebezug spült die Maschine das interne Leitungssystem und das hierbei 

entstehende Schmutzwasser wird in der verwendeten Tasse in die Ein-/Ausgabe 

zurückgebracht. 

13



3. Aufbau 

Der Hauptbestandteil der Anlage, der Bedienroboter, wurde von der Firma 

Schunk GmbH & Co. KG aus Lauffen am Neckar nach den entsprechenden 

Maßgaben vormontiert und zusammen mit dem Holzunterbau zur Verfügung 

gestellt. Die Arbeitsplatte wurde ebenfalls gestellt und von uns nachbearbeitet. 

Der Kaffeevollautomat wurde in die Arbeitsplatte eingelassen, um einen 

definierten und festen Standort zu gewährleisten. Die Spendereinheit für Milch 

und Zucker wurde ebenfalls auf der Platte gegen Verrutschen gesichert. Von 

einer Festmontage dieser beiden Bestandteile wurde abgesehen, da beide zu 

Wartungszwecken schnell und einfach entnehmbar sein müssen. 

Die Passform für die Ein-/Ausgabe, die Drehplatte und die Greiferbacken wurden 

im Hause Schunk anlagenspezifisch konstruiert und gefertigt. 

Die Elektromontageplatte wurde von uns aufgebaut und verdrahtet. 

3.1 Anlagenansichten 

14 

Abb. 2 Ansicht Montageplatte



Abb. 4 Ansicht 2 

15 

Abb. 3 Ansicht 1



4. Verwendete Komponenten 

4.1 Roboterteile 

Der Fünf-Achsen-Roboter besteht ausschließlich aus Teilen der POWERCUBE 

Produktpalette der Firma amtec robotics GmbH, einem Tochterunternehmen der 

Schunk Unternehmensgruppe. 

Die POWERCUBE Komponenten mit ihrer modularen Bauweise zeichnen sich 

besonders durch ihre Genauigkeit und Kraft aus. 

Wiederholungstoleranzen von 0.01 mm tragen ebenso wie Schubkäfte von 

maximal 915 N dazu bei, dass unterschiedlichste Anwendungsgebiete 

angesprochen werden können. 

Die integrierte Kommunikationsschnittstelle und Motorenelektronik helfen dabei, 

die Komponenten flexibel nutzen zu können. 

Die eingesetzte 32-Bit-Technologie eignet sich auch für anspruchsvolle 

Anwendungen. 

Einfaches Einbinden in verschiedene Applikationen ist durch die 

unterschiedlichen Kommunikationsschnittstellen gegeben. Die POWERCUBE- 

Komponenten sind mit Profibus DP-, CAN-Bus- oder RS 232 Schnittstelle 

erhältlich. 

Der Spannungsbereich ist mit 18 Volt bis 30 Volt (Logik) und 22 Volt bis 48 Volt 

(Leistung) variabel. 

16



4.1.1 Kenndaten der verwendeten Roboterteile 

x-Achse: 

17 

Abb. 5 Linearversteller 

mit Zahnriemenantrieb 

Modultyp: PLB 070 Servolinearversteller mit 

Zahnriemenantrieb 

Seriennummer: 3181 

Modul-Adresse (ID): 21 

Cubeversion: 351b 

COM-Interface: Profibus. Baud Rate = auto 

Home Offset: 0.00 mm 

Minimal Position: 0.00 mm 

Maximal Position: 800.00 mm 

Maximal Geschwindigkeit: 200.00 mm/s 

Maximal Beschleunigung: 800 mm/s² 

Nennstrom: 5 Ampere 

Spitzenstrom: 15 Ampere 

Getriebeübersetzungsfaktor: 51.00 

Inkremente /Umdrehung: 500 

Bremse vorhanden: Nein



y-Achse: 

18 

Abb.6 Linearversteller 

mit Zahnriemenantrieb 

Modultyp: PLB 070 Servolinearversteller mit 

Zahnriemenantrieb 






Minimal Position: -500.00 mm 








Bremse vorhanden: Nein



z-Achse: 

Abb. 7 Linearversteller mit Kugelumlaufspindel 

Modultyp: PLS 070 Servolinearversteller mit 




Kugelumlaufspindel 



Minimal Position: 0.00 mm 








Bremse vorhanden: Ja / startaktiv 

19



a-Achse: 

Abb. 8 Servoelektrische Schwenkeinheit 

Modultyp: PR 070 Servoelektrische Schwenkeinheit 





Home Offset: 1.740° 

Minimal Position: -160.00° 

Maximal Position: 160.00° 

Maximal Geschwindigkeit: 150 °/s 

Maximal Beschleunigung: 600 °/s² 





Bremse vorhanden: Nein 

20



b-Achse: 

21 

Abb. 9 Servoelektrischer 2-Finger- 

Parallelgreifer 

Modultyp: PG 070 Servoelektrischer 2-Finger- 

Parallelgreifer 






Minimal Position: -0.60 mm 




Nennstrom: 4.2 Ampere 




Bremse vorhanden: Ja / startaktiv



4.2 SPS 

Als Steuerung dienen Komponenten der Siemens S7 300 Baureihe. Diese 

Baureihe eignet sich besonders für Aufgaben im unteren und mittleren 

Leistungsfeld. Sie ist universell und sowohl für zentrale als auch dezentrale 

Aufgaben einsetzbar. Ein wichtiges Kriterium ist die gute Vernetzbarkeit der 

Komponenten. Alle zur Steuerung gehörenden S7 Bauteile wurden auf einer 

Siemens-Profilschiene montiert. Zur eingesetzten SPS-Steuerung gehören 

neben dem Netzteil PS 307 5A, der CPU 315-2DP eine digitale 32 Bit 

Eingangskarte SM 321. 

4.2.1 Netzteil PS 307 5A 

Die Netzteile der PS Baureihe dienen als 

Standardnetzteile für SPS-Anwendungen. Das hier 

eingesetzte Netzteil liefert 5 Ampere maximalen 

Ausgangsstrom bei einer Ausgangsspannung von 

24 Volt Gleichspannung. Die Eingangsspannung 

kann dabei zwischen 120 und 230 Volt variieren. Abb. 10 Netzteil PS 307 5A 

4.2.2 CPU 315 - 2DP 

Die eingesetzte CPU von Siemens verfügt über einen MPI- 

Anschluss und eine Profibus DP Master/Slave-Schnittstelle. 

Die Profibusschnittstelle ermöglicht im vorliegenden Falle die 

Verbindung mit den Roboterachsen und dem Touchpanel. Die 

Programmierung der Anlage erfolgt über den MPI-Bus. Die 

Kommunikation mit der Eingangskarte erfolgt über den 

Rückwandbus. Abb. 11 CPU 315- 2 DP 

22



Die CPU arbeitet neben dem internen 128 kByte Arbeitsspeicher mit einer 128 

kByte Micro Memory Card als Programmablagespeicher. Diese Karte ist für die 

Funktion der CPU grundsätzlich erforderlich. Hier können neben dem Programm 

auch Zusatztools, Kommentare sowie Symbolinformationen abgelegt werden. 

4.2.3 Digital-Eingangskarte 

Die eingebaute digitale Eingangskarte von Siemens verfügt über 

32 Eingänge. Der Signalzustand der Eingänge wird über LEDs 

signalisiert. Mit einer Eingangsspannung von 24 Volt sind die 

Eingänge über die CPU-Spannungsversorgung ansprechbar. In 

unserem Falle wurde bei Versuchen festgestellt, dass die 

Eingänge bereits bei 12 Volt reagieren und die Signale somit 

bereits in der CPU verarbeitet werden können. Abb. 12 SM321 

4.2.4 SPS Schnittstellen 

MPI (Mehrpunktfähige Schnittstelle) 

Über eine MPI-Schnittstelle können einfache SPS-Netze realisiert werden. Sie 

dient hauptsächlich zur Programmierung von Anlagen. Eine Vernetzung 

mehrerer CPUs über den MPI-Bus ist auf 16 Teilnehmer begrenzt. 

Profibus DP Master/Slave 

Die Profibusschnittstelle wird zum Aufbau von dezentralen 

Automatisierungsaufgaben verwendet. Durch seine hohe Geschwindigkeit und 

einfache Handhabung setzte sich der Profibus als Industriestandard durch. Da 

auch die dezentrale Peripherie aus Sicht des Anwenders als zentrale Peripherie 

behandelt wird, ist eine einfache und schnelle Parametrierung der 

anzusprechenden Komponenten möglich. 

23



4.3 Touchpanel 

Zur Bedienung und Visualisierung der Anlage 

wurde ein Siemens Touchpanel TP270 10“ color 

eingesetzt. Dieses eignet sich besonders durch 

den großen Darstellungsbildschirm für 

graphische Anwendungen. Das TP270 arbeitet 

auf der Basis von Windows CE, welches dem 

Abb. 13 Touchpanel TP270 Anwender ermöglicht auf windowstypische 

Bedienabläufe zurückzugreifen. Die Auflösung von 640 mal 480 Pixel bei 256 

Farben verleiht dem Touchpanel volle VGA-Tauglichkeit. Der interne 

Anwendungsspeicher von 2 MB wurde durch eine Compact Flash Speicherkarte 

mit 32 MB erweitert. 

4.4 Displayauswertung Kaffeeautomat 

Um die Statusmeldungen des eingesetzten Kaffeevollautomaten der steuernden 

SPS zugänglich zu machen, entwickelten wir zwei Platinen, die diese Aufgabe 

erfüllen. Die Platinen wurde selbst layoutet und gelötet. Die Schaltung welche 

über einen spannungsvergleichenden Operationsverstärker realisiert ist, wurde 

in mehreren Testaufbauten und Simulationsdurchgängen entwickelt. 

Abb. 14 Schaltplan Ableseeinheit und Auswertung 

24



Die Statusanzeigen des Kaffeeautomaten werden über lichtempfindliche 

Fotowiderstände abgelesen. 

Die eingesetzten LDRs des Typs 

A1060 haben im dunklen 

Zustand einen Widerstandswert 

von 1 MOhm. Bei Beleuchtung 

durch die Status-LED des 

Kaffeeautomaten verringert sich 

dieser Widerstand um den 

Faktor 10 auf 100 kOhm. 

Die daraus resultierende 

Spannungsänderung in der Abb. 15 Layout Auswerteplatine 

Messbrückenschaltung löst ein Durchsteuern des Operationsverstärkers aus. 

Der eingesetzte Operationsverstärker LM348_N schaltet nach Abzug einer 

internen Betriebsspannung von ca. 4 Volt den Ausgang mit 20 Volt durch. Dies 

reicht aus, um das Signal an die digitale Eingangskarte weiterzugeben. Die 

Betriebsspannung der Messbrücke von 12 Volt wird über einen 

Festspannungsregler des Typs MC7812CT erzeugt. Die Referenzspannung für 

den Vergleich am Operationsverstärker liefert ein Festspannungsregler des Typs 

MC7806CT. 

Die Ableseplatine ist in Gießharz 

gegossen und mit einer Silikonlippe 

abgedichtet, um ein Eindringen von 

systemfremdem Licht und somit ein 

Verfälschen der Ergebnisse zu 

verhindern. Die Montage der Platine vor 

dem Anzeigedisplay ist mit 

doppelseitigem Klebeband erfolgt, um ein 

Abb. 16 Layout Ableseplatine 

schnelles Demontieren und Entnehmen des Kaffeevollautomaten zu 

gewährleisten. 

25



4.5 Kaffeevollautomat 

Der eingesetzte Kaffeevollautomat 

IMPRESSA E25 von Jura eignet 

sich besonders aufgrund der 

Statusmeldungsausgabe über 

Grafiksymbole, anstelle der heute 

größtenteils eingesetzten 

Klartextanzeigen. Das Auslesen der 

Statusmeldungen ist über die 

vorhandenen Symbolanzeigen 

realisierbar. Abb. 17 Jura IMPRESA E25 

Einen Klartext auszulesen und zu erkennen, würde für sich alleine eine 

Abschlussarbeit bedeuten. Ein weiterer Entscheidungsgrund für den Jura 

Automaten ist seine einfach Bedien- und Erreichbarkeit der Funktionstasten. 

Durch mehrmaliges Drücken der Bezugstaste kann z.B. eine einfache 

Kaffeestärkenänderung ausgeführt werden. Lediglich der Kaffeeauslass wurde 

aufgrund der Tassenhöhe etwas gekürzt, um die Kaffeetassen ohne Schleifen an 

den Auslässen einstellen zu können. 

4.6 Milch- und Zuckerspender 

Die Milch- und Zuckerspenderkombination des Typs Trio 

von der Firma Frilich GmbH erfüllt ebenfalls bestens 

unsere Anforderungen. Einfach Bedienbarkeit und 

Handhabung sind auch hier oberstes Kriterium. Zwar 

mussten kleinere Änderungen vorgenommen werden, 

um alle Bedienteile dem Roboter zugänglich zu machen, 

doch prinzipiell wurden die Funktionen nicht verändert. 

26 

Abb. 18 Frilich Trio



So wurde lediglich der Zuckerauslass aufgrund der vorgegebenen 

Kaffeetassenmaße durch Anbringen eines Schweißpunktes erhöht. Ebenso 

musste der Drückmechanismus des Zuckerspenders nach unten verlängert 

werden, da er ansonsten zu hoch gelegen wäre. Der Milchspender wurde wegen 

des zu großen Spiels in der Führung durch Anbringen eines Bleches am 

Gehäuse fixiert. Das gleiche Problem wurde auch am Milchhahn durch 

Anbringen eines Bleches gelöst. 

4.7 Weitere Komponenten 

Neben den bereits beschrieben Hauptbestandteilen wurden weitere Teile 

eingesetzt, um verschiedene Anforderungen zu erfüllen. 

4.7.1 SITOP 20A Netzteil 

Abb. 19 Siemens SITOP Netzgerät 

Um genügend elektrische Leistung für die 

Roboterachsen zur Verfügung stellen zu 

können, wurde zusätzlich ein Siemens 

SITOP 20 Ampere Netzteil eingesetzt, da 

Spitzenströme von bis zu 15 Ampere pro 

Achse auftreten können. Das Netzteil 

liefert 24 Volt geregelte Gleichspannung 

an seinen Ausgangsklemmen. Das 

Netzteil kann mit 120 Volt oder 230 Volt 

Eingangsspannungen betrieben werden. 

27



4.7.2 Not-Aus-Modul 

Um eine präzise Abschaltung 

bei Betätigen des Not-Aus- 

Schalters zu gewährleisten, 

wurde ein Not-Aus-Modul BN 

5983.53 der Firma Dold 

eingesetzt. Das Relais schützt 

zudem vor unkontrolliertem 

Wiedereinschalten, da es 

quittier werden muss. Es 

verfügt neben drei Ausgängen, 

die als 400-Volt- 

Schließerkontakte ausgeführt Abb. 20 Dold Sicherheitsrelais 

sind, zusätzlich noch über einen Öffnerausgang. Dieser ist ebenfalls mit bis zu 

400 Volt beschaltbar und kann als Meldeausgang verwendet werden. Funktions- 

LEDs informieren den Nutzer über den Betriebszustand des Relais. Das 

Sicherheitsrelais erfüllt die Sicherheitskategorie 4 nach EN 954-1. 

28



4.8 Stückliste eingesetzter Komponenten 

Pos. Menge Artikel - Nummer Bezeichnung Hersteller Aggregat 

1 1 Stecker Zuleitung 16A -X1S 

2 1 Ein Aus Schalter Merten -S1 

3 1 5SY6216-6 LS-Schalter zweipolig B16A Siemens -F1 

4 1 ST3/S 800 572 Steckdose Lütze -X10 

5 1 6EP1 336-3BA00 Stromversorgung SITOP 20A Siemens -G10 

6 1 6ES7 307-1EA00-0AA0 Netzgerät 24VDC 5A Siemens -G20 

7 1 6ES7 390-1AE80-0AA0 Profilschiene 480mm Siemens -A20 

8 1 6ES7 315-2AG10-0AB0 CPU 315 -2DP Siemens -A20 

9 1 6ES7 953 - 8LG11-0AA0 Memory Card 128 Kbyte Siemens -A20 

10 1 6ES7 321-1BL00-0AA0 SM 321 32 DI Siemens -A21 

11 1 6ES7 392-1AM00-0AA0 Anschlussstecker 40 pol Siemens -A21 

12 2 6ES7 972-0BB12-0XA0 Profibusstecker Siemens -A20 / -A25 

13 1 6AV6545-0CC10-0AX0 Touch Panel TP270 10" color Siemens -A25 

14 1 6AV6 574-2AC00-2AA0 Speicherkarte CF 32Mbyte Siemens -A25 

15 1 3SB3 201-1HA20 Not - Aus - Pilzdrucktaster Siemens -S10 

16 2 3SB34 20-0C Schalterelement Öffner Siemens -S10 

17 1 3SB30 00-4AD01 Schlüsselschalter RONIS (0 Abziehstellung) Siemens -S11 

18 2 3SB34 20-0B Schalterelement Schließer Siemens -S11 

19 1 3SB38 02-0AA3 Leergehäuse Siemens -S10 / -S11 

20 1 BN 5983.53 Sicherheitsrelais Dold -K1 

21 1 3RG7014-7AA00 Lichttaster für Tassenerkennung K31 (mit Stecker M8) dunkelsc Siemens -S20 

22 1 3RX7910 Montagewinkel Siemens -S20 

23 2 3RG7011-7AA00 Reflexionslichtschranke K31 (mit Stecker M8) dunkelschaltend Siemens -S21 / -S22 

24 1 3RX7920-1A Reflektor R70 Siemens -S21 / -S22 

25 1 704318 Schalter Kaffeeautomat in Position Conrad -S23 

26 1 704318 Schalter Milch - und Zuckerspender in Position Conrad -S24 

27 1 Türendschalter -S25 

28 3 3RX1 560 Verbindungskabel Lichtschranke M8 LED Siemens -S20 - -S22 

29 6 RSC 5/DUO Duo - Stecker M12 5pol Lumberg -S20 - -S26 

30 1 STB800P-FBP-05 Verteiler 8-fach Schunk -UV1 

31 1 Eigenbau Platine Lichtsensoren Eigenbau -A22 

32 1 Eigenbau Platine Auswertung Eigenbau -A23 

33 2 Eigenbau Verbindungskabel Eigenbau -X1S / -X2S 

34 10 WDU 2,5mm² Klemmen Weidmüller -X1 / -X2 

35 4 WPE 2,5mm² Klemmen Weidmüller -X1 

36 1 WPE 6mm² Klemmen Weidmüller -X1 

37 1 3181 X - Achse amtec robotics -M1 

38 1 3182 Y - Achse amtec robotics -M2 

39 1 3180 Z - Achse amtec robotics -M3 

40 1 3183 A - Achse amtec robotics -M4 

41 1 10043 B - Achse amtec robotics -M5 

42 1 Impressa E25 Kaffeevollautomat "Impressa E25" Jura Kaffee 

43 1 DFO 002 A 017 Kaffeesahne - und Streuzuckerspender Trio Frilich Milch / Zucker 

29



5. Anlagenbedienung 

Herstellerangaben sind zu beachten! Es ist immer das zugehörige original 

Herstellerhandbuch bzw. Datenblatt parallel zu beachten! 

5.1 Vor dem Systemstart 

Vor Inbetriebnahme der Anlage ist darauf zu achten, dass folgende 

Vorbereitungen getroffen und abgeschlossen sind: 

- Evtl. noch in der Anlage befindliche Gegenstände (Tassen) entfernen 

- Kaffeeautomat reinigen, befüllen und in richtige Position bringen 

- Kaffeeauslass des Kaffeeautomaten ganz nach oben schieben 

- Schalter auf der Rückseite des Kaffeeautomaten auf „Ein“ stellen 

- Ableseplatine vor Statusdisplay des Kaffeeautomaten befestigen 

- Heißwasserdüse senkrecht positionieren und Heißwasserhahn schließen 

- Frischen Kühlakku im Milchspender platzieren 

- Milch- und Zuckerspender reinigen, befüllen und in richtige Position 

bringen 

- Auslasshahn Milchspender in waagrechte Position bringen 

- Alle Türen der Anlage schließen 

- Überprüfen, dass der Not-Aus-Schalter nicht betätigt ist 

- Alle Steckverbindungen anschließen 

- Stromversorgung anschließen 

30



5.2 Anlage einschalten 

Die Anlage ist mit dem Schalter S1 (oben rechts auf der Montageplatte) 

einzuschalten. Die SPS ist in RUN-Zustand zu versetzen. 

Die Anlage fährt hoch und das Touchpanel meldet sich an der SPS an. 

5.3 Passwort eingeben 

Nach einem Neustart der Anlage erscheint 

auf dem Touchpanel als erstes der 

Passwortbildschirm. Hier ist vom 

autorisierten Benutzer das anlageneigene 

vierstellige Passwort einzugeben. Mit 

Drücken der letzten Ziffer wird das 

Passwort geprüft und die Freigabe erfolgt. 

Abb. 21 TP Passwort eingeben 

Bei falschem Code bleibt der Bildschirm für eine neue Eingabe stehen 

5.4 Referenzfahrt 

Abb. 22 TP Bediener-Modus nach Neustart 

Bei Neustart oder schwerem 

Programmabsturz der Anlage sind die 

Achsen auf Referenzposition zu fahren und 

der Fehlerspeicher der Achsen mit einem 

Reset-Befehl zu löschen. Der Reset-Befehl 

wird automatisch bei Erreichen der 

Referenzposition aller Achsen ausgeführt. 

31



Die Achsen können nach der Anwahl 

des Referenzbuttons von Hand 

einzeln in Referenzposition gefahren 


Sobald die Achsen eine für die 

Restanlage unkritische Position 

erreicht haben, kann mit der Weiter- 

Taste zum Automatikreferenz- Abb. 23 TP Hand-Referenz 

Bildschirm gewechselt werden. Mit dem Starten der automatischen 

Referenzfahrt fahren nun alle Achsen gleichzeitig in Referenzlage. 

Dieser Vorgang kann jederzeit mit 

Drücken der Stop-Taste unterbrochen 


Das Verlassen des Bildschirmes 

„Handreferenz“ oder 

„Automatikreferenz“ durch den 

Abb. 24 TP Automatik-Referenz 

Benutzer hat einen Stop-Befehl an alle 

Achsen zur Folge. Dies bedeutet, 

dass unbedingt auf das Ende der Automatikreferenzfahrt zu warten ist sowie den 

damit verbundenen automatischen Bildwechsel, damit die Anlage in Betrieb 

genommen werden kann. 

5.5 Kaffeeautomat einschalten 

Nach erfolgter Referenzfahrt und 

ausgeführtem Reset kann der Roboter 

nun arbeiten. 

Abb. 25 TP Bediener-Modus 

32



Als erstes sollte der Kaffeeautomat eingeschaltet werden. Dies kann entfallen, 

wenn der Automat bereits von Hand durch den Benutzer eingeschaltet wurde. 

Dies wird über den grünen Kaffeeautomat-Ein/Aus-Button signalisiert. 

Zum Einschalten des Kaffeeautomaten durch den Roboter ist eine leere Tasse in 

Abb. 26 TP Kaffeeautomat einschalten 

die Ein-/Ausgabe zu stellen. Diese 

wird erkannt, wenn sie 

positionsgenau und richtig herum in 

der Passform steht. Nach Betätigen 

des „Kaffeeautomat-einschalten“- 

Button und vorheriges Überprüfen 

der Statusmeldungen am linken 

Bildschirmrand kann der Vorgang 

mit der Starttaste gestartet werden. 

Die Anzeige des Kaffeeautomatenstatus ist rein informativ und hat keine 

Auswirkung auf den Funktionsablauf. Die anderen Statusanzeigen müssen erfüllt 

(grün) sein, um den Vorgang starten zu können. Durch Drücken der 

Statusanzeige kann ein Bildschirm mit genaueren Statusangaben betrachtet 


Der Roboter nimmt sich nun die eingestellte Tasse und führt den 

Einschaltprozess aus. 

Hinweis: Zwei Wartepunkte sind sicherheitshalber mit Überwachungstimern 

„überbrückt“, um auf unterschiedliche Abläufe zu reagieren. Erst bei mehr als 

dreiminütiger Wartezeit ohne Funktion ist von einem Programmabsturz 

auszugehen! 

Nach Ende des Ablaufs ist die zurückgegebene Tasse zu entnehmen und 

gegebenenfalls zu reinigen. 

33



5.6 Automatische Kaffeezubereitung 

Abb. 27 TP Hauptmenü 

Im Hauptmenü kann zwischen den 

Abläufen „Kaffeezubereitung“, 

„Handbetrieb“ und „Demobetrieb“ 

gewählt werden. Die „Bediener-Modus“- 

Taste führt zum passwortgeschützten 

Bedienerbereich. 

Vor Ausführen einer automatischen Kaffeezubereitung sind die Roboterachsen 

zu referenzieren und der Fehlerspeicher mit einem Reset zu löschen. 

Nach dem Einstellen einer geeigneten Tasse in die Ein-/Ausgabe und dem 

Betätigen des Buttons „Kaffeezubereitung“, kann mit dem Ablauf begonnen 


Als Standardkaffee ist ein großer Kaffee mit normaler Milch- und normaler 

Zuckermenge voreingestellt. Soll dieses Verhältnis geändert werden, so ist dies 

vor betätigen der Starttaste mit 

Hilfe des „Eingabe ändern“- 

Buttons möglich. Nun werden 

nacheinander die gewünschte 

Kaffeegröße, bei Anwahl eines 

kleinen Kaffees die Kaffeestärke, 

sowie die Milchmenge und die 

gewünschte Zuckermenge 

abgefragt. 

Abb. 28 TP Kaffeezubereitung 

Hinweis: Es kann zwischen großem und kleinem Kaffee gewählt werden. Bei 

einem kleinen Kaffee kann zusätzlich die Kaffeestärke aus drei möglichen Stufen 

gewählt werden. Es stehen je zwei Mengen Milch und Zucker zur freien 

Auswahl. Bei Kaffee ohne Zusatz ist Milch und Zucker mit der jeweiligen „Ohne“- 

Taste zu wählen. 

34



Nach Erfüllen aller am linken Rand angezeigten Einschaltbedingungen und 

Betätigen der Starttaste startet der Ablauf der Bedienereingabe entsprechend. 

Zuerst wird die Tasse aus der Ein-/Ausgabe entnommen und mit Kaffee befüllt. 

Anschließend werden Milch und Zucker im gewünschten Verhältnis eingefüllt. 

Abschließend wird die Tasse wieder zurück in die Ein-/Ausgabe gebracht. 

5.7 Handbetrieb 

Im Handbetrieb ist es möglich, einzelne Achsen des Roboters anzuwählen und 

zu bewegen. Dazu fährt der Roboter nach Drücken der Handbetriebtaste im 

Hauptmenü auf Mittelposition. Dies ist erforderlich, um ein risikofreies Verfahren 

der Achsen zu gewährleisten. 

Sind die Achsen in Mittelposition, können auf dem nun erschienen Bildschirm 

einzelne Achsen ausgewählt werden. 

Nach Anwahl einer 

Achse stehen dem 

Bediener drei 

Schieberegler und je eine 

Plus- und Minus- Taste 

zur Verfügung. Die 

Regler sind der 

Beschleunigung, 

Geschwindigkeit und der 

gewünschten Position 

zugeordnet. Die Plus- Abb. 29 TP Hand-Betrieb 

und Minus-Tasten dienen einer Positionsänderung in Millimeter-Schritten. 

Die Regler stehen bei Erscheinen des Bildschirmes auf Null bzw. 

Mittelpositionswert der Achse. Zunächst sind alle drei Regler auf einen anderen 

Wert zu verstellen, um eine Bewegung hervorzurufen. 

35



Hinweis: Die x-Achse kann lediglich im Bereich null bis 600 mm verfahren 

werden, um die Restanlage nicht zu gefährden. Alle anderen Achsen können ihr 

volles Leistungsspektrum ausschöpfen. 

Eine Änderung der vorgegeben Werte durch den Benutzer wird umgehend an 

die Achse weitergegeben. Dies ist gerade bei Richtungs- oder 

Geschwindigkeitswechseln eine interessante Einstellung, da so während der 

angefangen Bewegung die Geschwindigkeit erhöht bzw. verringert werden kann. 

Bei Verlassen einer Achse werden alle Achsen wieder auf Mittelposition 

gefahren und es kann eine neue Achse angewählt und verfahren werden. 

Bei Verlassen des Handbetriebs nimmt der Roboter seine Ausgangsposition 

hinten-rechts-oben am Nullpunkt wieder automatisch ein. 

5.8 Demonstrationsbetrieb 

Der „Demobetrieb“ dient zur 

ununterbrochenen 

Bewegungsausführung des Roboters. 

Er wird über die Taste Demobetrieb im 

Hauptmenü und anschließendem 

Betätigen des „Demo-Betrieb-starten“- 

Buttons gestartet. 

Abb. 30 TP Demo-Betrieb 

Der Roboter begibt sich zunächst in Mittelposition. Dort angekommen wartet er 

20 Sekunden bewegungslos. Danach fahren nacheinander die y-Achse, z- 

Achse, a-Achse und b-Achse auf ihre Maximalposition und wieder auf 

Mittelstellung zurück. Nach diesem Ablauf bleibt der Roboter erneut für 20 

Sekunden stehen. Als Abschluss eines Durchlaufes fährt der Roboter auf die 

Nullposition zurück, von wo aus der Ablauf nach 20 Sekunden Wartezeit 

abermals beginnt. 

36



Wird der Ablauf durch Betätigen der Taste „Demo-Betrieb beenden“ 

unterbrochen, fährt der Roboter die angefangene Bewegung zu Ende und begibt 

sich dann zurück in die Nullposition. 

5.9 Einstellungen im Bedienermodus 

Der passwortgeschützte Bedienermodus ermöglicht eine Vielzahl von 

Einstellungs- und Überwachungsmöglichkeiten. 

5.9.1 Referenz-Fahrt 

Abb. 31 TP Bediener-Modus 

37 

Die Taste „Referenzfahrt“ und 

die nachfolgenden Bildschirme 

bringen die Achsen auf 

Referenzposition. Im 

Bildschirm „Hand-Referenz“ 

können die einzelnen Achsen 

zunächst in eine 

systemunkritische Position 

gebracht werden. Dabei ist die 

Taste solange zu drücken, wie 

die Achse sich bewegen soll. 

Hinweis: Eine Achsenbewegung im Referenzmodus ist immer nur in Richtung 

Referenzlage (hinten-rechts-oben) möglich. 

Das ausführen der Achsen- Referenz- Fahrt ist bei einem Systemneustart oder 

einem schweren Programmabsturz erforderlich. In Referenzlage angekommen, 

kalibrieren sich die Achsen auf diesen Ausgangspunkt und erhalten einen Reset- 

Befehl um alle Fehlerspeicher zu löschen.



Hinweis: Ein Verlassen des Bildschirmes ohne das Ende der automatischen 

Referenzfahrt abzuwarten, hat einen Stop-Befehl an alle Achsen zur Folge und 

die Anlage ist nicht betriebsbereit. Es ist unbedingt auf das automatische Ende 

und den damit verbundenen Bildwechsel zu warten, um die Anlage in Betrieb 

nehmen zu können. 

Erfolgreich ausgeführte Referenzfahrten werden durch den grünen „Referenz- 

Fahrt“-Button signalisiert. 

5.9.2 Achsen- Reset 

Die Taste „Achsen-Reset“ schickt einen Reset-Befehl an alle Achsen und löscht 

somit alle internen Fehlerspeicher. Zudem werden wie im Referenzmodus 

steuerungsinterne Merker zurückgesetzt und ein weiterer Betrieb der Anlage ist 

möglich. Die Fehlerfreiheit der Achsen wird durch den grünen „Reset“-Button 

signalisiert. 

5.9.3 Kaffeeautomat ein-/ausschalten 

Die Taste „Kaffeeautomat ein-/ausschalten“ zeigt den Betriebszustand des 

Kaffeeautomaten an. Bei rotem Button ist der Kaffeeautomat ausgeschaltet und 

kann eingeschaltet werden. Ist der Button grün, so ist der Kaffeeautomat 

eingeschaltet und kann gegebenenfalls ausgeschaltet werden. 

38



5.9.4 Systemmeldungen 

Abb. 32 TP Systemmeldungen 

Die Taste „Systemmeldungen“ führt zu einem Übersichtsbildschirm mit allen 

bedeutenden Systemmeldungen und Statusanzeigen. Neben systemeigenen 

Meldungen sind auch die Statusmeldungen des Kaffeeautomaten zu sehen. 

Durch Drücken der Kaffeeautomaten-Meldungen gelangt man in den Bildschirm 

des Automatendisplays. 

5.9.5 Display Kaffeeautomat 

Mit Drücken der „Display Kaffeeautomat“-Taste im Bediener-Modus kann das 

Kaffeeautomatendisplay bzw. können die anstehenden Statusmeldungen 

angezeigt werden. Die Verwendung der Original-Jura-Symbole macht das 

Benutzen der herstellereigenen Gebrauchsanweisung zu 100% möglich. 

39



Abb. 33 TP Kaffeeautomaten-Display 

5.9.6 Bild heller 

Der Kontrast des Touchpanels wird heller eingestellt. 

5.9.7 Bild dunkler 

Der Kontrast des Touchpanels wird dunkler eingestellt. 

5.9.8 Touchpanelkalibrierung 

Die Touchpanelkalibrierung ist mit der Taste „Touchkalibrierung“ möglich. Nach 

ihrer Betätigung muss den Bildschirmaufforderungen Folge geleistet werden, um 

zurück in den Bediener- Modus zu kommen. 

40



Zur Kalibrierung ist das Fadenkreuz so genau wie möglich in dessen Mitte zu 

drücken. 

Danach startet das Touchpanel neu und durch Eingabe des Benutzerpasswortes 

gelangt man zurück in den Bediener-Modus. 

5.9.9 Passwort ändern 

Abb. 34 TP Passwortänderung 

5.9.10 Transfer-Modus 

41 

Eine Passwortänderung ist mit 

Betätigen der Taste 

„Passwortänderung“ und dem 

nachfolgenden Bildschirm 

möglich. Hier wird das alte 

Passwort angezeigt und es kann 

ein neues eingegeben und mit 

drücken der „Übernahme-Taste“ 

übernommen werden. 

Die Taste „Transfer-Modus“ versetzt das Touchpanel in den 

Kommunikationsmodus, um neue Programmteile übertragen zu können.



5.10 Ablaufunterbrechung 

Eine Unterbrechung der 

Abläufe „Kaffeeautomat-ein/ 

aus“, „Kaffeezubereitung“, 

„Handbetrieb“ oder 

„Demobetrieb“ durch 

Ansprechen einer 

Lichtschranke an der Ein- 

/Ausgabe oder Öffnen der 

Wartungstür wird durch den 

Bildschirm „Not-Halt“ Abb. 35 TP Not-Halt 

angezeigt. Auf diesem Bildschirm kann schnell erkannt werden, welche Ursache 

dem Not-Halt zugrunde liegt. Die Fortsetzung des unterbrochenen Ablaufes ist 

erst nach erfolgreicher Beseitigung der Störung und der Betätigung der „Ablauf 

fortsetzten“-Taste möglich. 

Bei einem Not-Halt-Befehl bleibt der Roboter sofort stehen. 

Der Roboter setzt seinen Ablauf fort, sobald die Störung beseitigt und die 

„Ablauf-fortsetzten“-Taste gedrückt wurde. 

5.11 Systemmeldungen 

Auf der Seite „Systemmeldungen“ werden mehrere kaffeeautomatenbezogene 

und systembezogene Meldungen angezeigt. Die Anzeigen sind im „OK“-Zustand 

grün bzw. im Falle eines Fehlers rot hinterlegt. 

42



Übersicht: 

5.11.1 Kaffeeautomat 

Betriebsbereit Kaffeeautomat ist eingeschaltet und 

betriebsbereit. Keine andere 

ablaufkritische Meldung des Automaten 

liegt vor. 

Fehlerbehebung Kaffeeautomat einschalten. Andere 

Meldungen beachten und laut 

Herstellerhandbuch beheben! 

Wassertank füllen Wassertank ist in Ordnung. 

Fehlerbehebung Wassertank ausspülen und mit frischem 

Wasser füllen. 

Spülen Kaffeeautomat ist durchgespült. 

Fehlerbehebung Kaffeeautomat durch Drücken der 

Pflegetaste reinigen. 

Entkalken Kaffeeautomat ist entkalkt. 

Fehlerbehebung Kaffeeautomat laut Herstellerhandbuch 

entkalken. 

Ableseeinheit Ableseeinheit ist korrekt montiert. Kein 

systemfremder Lichteinfall. 

Fehlerbehebung Montage und richtigen Sitz der 

Ableseeinheit überprüfen. 

43



Bohnen füllen Kaffeebohnenspeicher ist gefüllt. 

Fehlerbehebung Kaffeeautomat mit Kaffeebohnen 

befüllen. 

Trester leeren Tropfwasserschale und 

Tresterbehälter sind leer und in 

Position. 

Fehlerbehebung Tropfwasserschale und 

Tresterbehälter entnehmen, leeren 

und reinigen. 

Reinigen Kaffeeautomat ist gereinigt. 

Fehlerbehebung Reinigungsvorgang 

Herstellerhandbuch durchführen. 

laut 

Filterpatrone wechseln Filterpatrone ist in Ordnung 

Fehlerbehebung Filterpatronenwechsel 

Herstellerhandbuch durchführen. 

laut 

5.11.2 Steuerung 

Referenz Referenzfahrt wurde ausgeführt und 

Referenzposition 

erkannt. 

der Achsen 

Fehlerbehebung Referenzfahrt ausführen. 

Achsen-Reset Achsen in Ordnung. 

Fehlerbehebung Achsen- Reset durchführen, 

gegebenenfalls vorher Referenzfahrt 

ausführen. 

44



Tasse in Position Eingestellte Tasse ist richtig platziert. 

Fehlerbehebung Tasse einstellen und richtig 

positionieren. 

Kaffeeautomat in Position Kaffeeautomat steht auf der richtigen 

Position. 

Fehlerbehebung Positionierung des Kaffeeautomaten 

überprüfen. 

Milch/ Zucker in Position Spendereinheit steht auf der 

richtigen Position. 

Fehlerbehebung Positionierung der Spendereinheit 

Lichtschranke 1 Ein- 

/Ausgabe 

überprüfen. 

Lichtschranke 1 ist frei. 

Fehlerbehebung Gegenstand aus 

Lichtschranke 2 Ein- 

/Ausgabe 

Lichtschrankenbereich entnehmen. 

Lichtschranke 2 ist frei. 

Fehlerbehebung Gegenstand aus 

Lichtschrankenbereich entnehmen. 

Türendschalter Wartungstür geschlossen. 

Fehlerbehebung Wartungstür schließen. 

45



5.12 Fehlerbehebung 

Da Fehler nie ganz auszuschließen sind und trotzdem ein kontrolliertes 

Weiterarbeiten der Anlage gewährleistet sein muss, wurde eine 

„Ausstiegsmöglichkeit“ aus jedem Bildschirm geschaffen. Besonders wenn es zu 

Störungen im Ablauf kommt, ist dies aufgrund der fehlenden Bedienbarkeit aus 

den Wartebildschirmen heraus nötig. Nach betätigen des Schunk Firmenlogos 

(oben rechts) auf jedem Bildschirm, gelangt man über den dann angezeigten 

„Bediener-Modus“-Button (unten rechts) in den Passworteingabe-Bildschirm. 

Nach erfolgter Passworteingabe kann im Bediener-Modus eine Referenzfahrt 

ausgelöst und das System so neu gestartet werden. 

Bei schweren Systemabstürzen führt an einem Systemneustart durch Aus- und 

Wiedereinschalten kein Weg vorbei. Dies gilt insbesondere, wenn die fehlende 

Reaktion einer Roboterachse beobachtet wird, da es dann zu Zerstörungen in 

der Anlage kommen kann. 

Hinweis: 

Herstellerangaben sind zu beachten! 

Es ist immer das zugehörige original Herstellerhandbuch bzw. Datenblatt parallel 

zu beachten! 

46



6. SPS Programm 

Das erstellte SPS Programm arbeitet nach dem unten beschriebenen Prinzip, 

um die benötigten Daten und Parameter zu ermitteln, umzurechen und an die 

jeweilige Achse mit Hilfe des Profibus zu übergeben und die entsprechenden 

Rückmeldungen zu empfangen. Die indirekte Adressierung trägt dazu bei, mit 

nur einem Baustein beliebig viele Achsen und Positionen anfahren zu können. 

Aufgrund der indirekten Adressierung können die erforderlichen 

Datenbausteinnummern variabel aus dem Prozess heraus geändert und 

übergeben werden. 

Ablaufsteuerung FC1 FB9 SFC15 

gibt DB-Nr vor Umrechen und wandeln Achsensteuerung 

Positions DB-Nr. 

Achsen DB-Nr. 

SFC 14 

liest Achsenwerte 

und speichert diese ab 

Abb. 36 Datenfluss 

6.1 Wichtige Bausteine 

Positions DB 

Achsen DB 

Werte und ID´ 

zu Achsen 

umrechen und Beschleunigung + ID´s übertragen 

zwischenspeichern Gescheindigkeit + ID´s 

Position + ID´s 

Achsen DB 

Datenfluss-/ Ablaufrichtung 

Datenbausteine für Achsenwerte (DB10 – DB14) 

47 

Achsen DB 

Die Achsen-Datenbausteine DB10 bis DB14 sind identisch aufgebaut und 

beinhalten neben den benötigten Bewegungs- und Parameter-IDs die 

Speicherorte für die Achsenkommunikation.



Die ersten 16 Byte des DBs dienen als Rückmeldespeicher. Hier werden Daten 

der Achsen gespeichert, welche mit Hilfe des von Siemens zur Verfügung 

gestellten SFC 14 über den Profibus gelesen werden. 

Das 17. Byte dient lediglich als Fehlerspeicher für den Siemens- Baustein. 

Die anschließend folgenden 8 Byte sind als Sendespeicher zu sehen. Hier 

werden die Bewegungs- und Parameterwerte sowie die zu übertragenden Daten 

gespeichert. Sie werden mit Hilfe des SFC 15 von Siemens über den Profibus an 

die jeweilige Achse übertragen. 

Das folgende Byte dient auch hier als Fehlerspeicher. 

Werte umrechen und wandeln (FC1) 

Der von uns erstellte FC1 hat die Aufgabe, Wert für Beschleunigung, 

Geschwindigkeit und Position aus den Werte- DBs auszulesen und 

entsprechend der anzusprechenden Achse umzurechen, byteweise zu drehen 

und im zugehörigen Achsen-DB in den Zwischenspeichern abzulegen. 

Die zu bearbeitenden Werte- und Achsen-DB-Nummern werden von den 

ablaufsteuernden Schrittketten vorgegebenen. 

Achsensteuerung (FB9) 

Die Aufgabe des FB9 liegt darin, die vom FC1 zuvor bearbeiteten Werte in 

richtiger Reihenfolge, zusammen mit den dazugehörigen Parameter- oder 

Bewegungs-IDs in den Sendespeicherbereich des Achsen-DBs zu verschieben. 

Von den Sendespeicherbereichen aus werden die Werte an die Achse 

übergeben. Die Reihenfolge der Datenübermittlung ist wichtig, da die drei 

benötigten Parameter nur seriell übertragen werden können. 

48



Zuerst wird die Beschleunigung an die Achse gesendet. Meldet diese einen 

erfolgreichen Empfang über die drei Ack- Bytes (Rückmelde-Byte 1- 3) zurück, 

wird als nächstes die Geschwindigkeit in mm/s bzw. Grad/s übertragen. Wenn 

auch diese Übermittlung erfolgreich angekommen ist, kopiert der von uns 

programmierte FB9 die Position in den Sendespeicher. Zusammen mit den 

mitkopierten Bewegungs-IDs löst das Senden dieser Parameter die Bewegung 

der Roboterachse aus. 

Der Baustein vergleicht nun solange den zurückgemeldeten Kurzstatus der 

Achse, bis ein Beenden der Fahrbewegung gemeldet wird. Dies wird dann im 

globalen Datenbaustein DB100 als Position_ok gemeldet und sorgt für ein 

Weiterschalten der Schrittketten. 

6.2 Programmablaufpläne 

Aus den nachfolgenden Programmablaufplänen (PAP) ist die Freigabe der 

einzelnen, ablaufsteuernden Schrittketten, welche Positions- und Achsen- 

Datenbausteinnummer prozessabhängig vorgeben, ersichtlich. 

Sie vermitteln einen vereinfachten und schnellen Überblick über die 

verschiedenen Ablaufmöglichkeiten der Anlage. 

49



PAP Kaffeeautomat ein- ausschalten 

Einfrieren 

nein ja 

Rücksetzen 

Startbedingung 

Lichtschranken scharfschalten 

Ablaufsteuerung Tasse holen 

Schrittkette weiterschalten 

Ablaufsteuerung Kaffeeautomat 

Spülvorgang 

Start 

ja nein 

Spülen 


Überbrückungstimer 

Ablaufsteuerung Tasse ausgeben 

Lichtschranken freischalten 

Rücksetzen und Bildwechsel 

Ende 

50 

Sprungmarke



PAP Kaffeezubereitung 

Start 

nein 

Einfrieren 

ja 

Rücksetzen 



Ablaufsteuerung Tasse holen 


Ablaufsteuerung Kaffeeautomat 

Kaffee groß 

ja nein 

Kaffee klein 

Kaffee zubereiten 


51 

A 

Sprungmarke 


Stärke 1 Stärke 2 

Stärke 3



ohne 

ohne 

A 

Milch 

normal viel 

Ablaufsteuerung Milch 


Zucker 

normal viel 

Ablaufsteuerung Zucker 


Ablaufsteuerung Tasse ausgeben 




52



PAP Handbetrieb 

nein 

Einfrieren 

ja 

Rücksetzen 



Start 

ja nein 

53 

Sprungmarke 

Ablaufsteuerung Handbetrieb 

Ablaufsteuerung Mittelposition Schrittkette weiterschalten 


Ablaufsteuerung Nullposition 




E d 

Beenden 


E d 

Schrittkette weiterschalten



PAP Demonstrationsbetrieb 

Einfrieren 

nein ja 

Rücksetzen 



Ablaufsteuerung Mittelposition 

nein 

nein 

Abbruch 

Wartezeit 


Ablaufsteuerung Demobetrieb 

Abbruch 

A 

Start 

ja 

ja 

54 

C 

Sprungmarke 


B



nein 

A 

Wartezeit 


Ablaufsteuerung Nullposition 


Abbruch 

Wartezeit 


C 

ja 

55 

B 


Ende



7. Beteiligte Sponsoren 

Schunk GmbH & Co. KG 

Die Firma Schunk GmbH & Co.KG aus Lauffen am Neckar tritt bei diesem 

Projekt als Komplettsponsor auf. Von ihr wurden neben dem kompletten Roboter 

auch der Unterbau und die weiteren benötigten Teile zur Verfügung gestellt. Die 

Gesamtanlage dient nach ihrer Fertigstellung der Firma Schunk als 

Ausstellungsobjekt auf nationalen und internationalen Fachmessen. 

Schunk GmbH & Co. KG Spann- und Greiftechnik 

Betreuender Ingenieur Bahnhofstrasse 106-134 

Mike Mayer 74348 Lauffen/Neckar 

amtec robotics GmbH 

www.schunk.de 

Der eingesetzte Roboter wurde von der Firma amtec robotics GmbH aus Berlin, 

einem Tochterunternehmen der Schunk Unternehmensgruppe, angefertigt. 

amtec robotics GmbH Pankstraße 8-10 

13127 Berlin 

www.amtec-robotics.de 

56



Jura Elektrogeräte Vertriebs-GmbH 

Von der Firma Jura Elektrogeräte Vertriebs-GmbH aus Nürnberg wurde ein 

Kaffeevollautomat der Reihe IMPRESSA E25 zur Verfügung gestellt. Dieser 

eignet sich aufgrund der einfachen Bedienbarkeit und des Grafikdisplays 

besonders für diese Anwendung. 

Jura Elektrogeräte Vertriebs-GmbH Postfach 99 01 44 

Frilich GmbH 

90268 Nürnberg 

www.juraworld.de 

Von der Firma Frilich GmbH aus Busek wurde ein Milch- und Zuckerspender zur 

Verfügung gestellt. Dieser wurde in die Anlage eingebunden und kann vom 

eingesetzten Roboter bedient werden. 

Frilich GmbH Fischbach 7 

35418 Buseck 

www.frilich.com 

57



8. Schlusswort 

Zum Verlauf des Projektes können wir abschließend sagen, dass es Spaß 

gemacht hat, wenn es auch ab und an zeitaufwändig war. Manch unbedachte, 

vermeintliche Kleinigkeit ebenso wie vorhergesehene Aufgaben galt es im Laufe 

des Projekts zu lösen. Zeiteinteilung, Planung und Teamabsprachen waren 

ebenso wichtig wie unser reines Fachwissen. 

Das selbstständige Planen, Bauen und Programmieren der Anlage hat viele 

Lernansätze geboten. Das Umsetzen von bereits erlerntem Fachwissen in die 

Praxis, wie auch Fehler die uns während der Ausarbeitungsphase unterlaufen 

sind, trugen dazu bei, uns fachlich weiterzuentwickeln. Das Einarbeiten und 

gezielte Anwenden von Programmen wie SIMATIC STEP 7 Manager, SIMATIC 

ProTool, ePLAN und Eagle hilft uns sicher auch in der Zukunft bei weiteren 

Aufgaben und Problemen. 

Abschließend bedanken wir uns bei allen Sponsoren, die dazu beigetragen 

haben, dieses Projekt zu ermöglichen. Ohne die Bereitschaft der einzelnen 

Firmen wäre dieses Projekt in dieser Form nicht entstanden. 

58



9. Projektbilder 

Abb. 37 Sichtschema POWERCUBE 

Abb. 38 Draufsicht Auswerteplatine 

Abb. 39 Tasse angehoben 

Abb. 40 Seitenansicht Gesamtanlage 

Abb. 41 Tasse greifen 

59



10. Quellenverzeichnis 

Abb.1; Abb.5; Abb.6; Abb.7; 

Abb.8; Abb.9; Abb.37; 

Firmenlogo, Firmenname und 

Produktbezeichnungen 

Abb.17; Firmenlogo, 

Firmenname und 


Abb.18; Firmenlogo, 

Firmenname und 


Abb.20; Firmenname und 


Abb.10; Abb.11; Abb.12; Abb.13; 

Abb.19; Firmenname und 


© Siemens AG 2005, Alle 

Rechte vorbehalten 

Firma Schunk GmbH 

www.schunk.de & 

Firma amtec robotics GmbH 

www.amtec-robotics.de 

Firma Jura Elektrogeräte 

Vertriebs GmbH 

www.juraworld.de 

Firma Frilich GmbH 

www.frilich.com 

Firma E. Dold & Söhne KG 

www.dold.com 

Firma Siemens AG 

www.ad.siemens.de 

60

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