Antriebssteuerung

Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wird mit präziser CNC noch genauer

02.02.2007 | Autor / Redakteur: Uwe Warnatz / Reinhold Schäfer

Zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung werden - außer einer steifen Mechanik - auch High-end-CNC-Steuerungen, Motoren und Verstärker benötigt. Bild: GE Fanuc

High Speed Cutting (HSC) ist zu einer beliebten Bearbeitungsform herangewachsen. Denn mit der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung kann der Anwender seine Produktivität in der Fertigung deutlich steigern. Dabei sind außer einer steifen Mechanik auch High-end-CNC, Motoren und Verstärker gefragt. Kommen diese aus einer Hand, ist auch die Sicherheit gegeben, dass diese optimal zusammenpassen.

Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung hat sich in vielen Branchen etabliert. Spezielle HSC-Bearbeitungszentren versprechen kurze Bearbeitungszeiten und exzellente Oberflächen. Ein hohes Maß an Präzision gehört zu den Grundvoraussetzungen. Dafür haben die Maschinenhersteller Konzepte entwickelt, die sich durch besonders steifen Aufbau und möglichst geringe zu bewegende Massen auszeichnen. Doch die Mechanik allein ist für das Bearbeitungsergebnis nicht entscheidend. Außer der CNC-Steuerung, welche die schnellen und dennoch präzisen Bewegungen kontrollieren muss, spielt auch die gesamte Antriebstechnik eine wichtige Rolle.

Als Basis dienen High-end-CNC-Steuerungen, wie zum Beispiel die der Serie 30/31/32i von GE Fanuc. Durch intensive Entwicklungsarbeit und modernste Mikroelektronik wurden Steuerungen geschaffen, die sich durch schnelle Datenverarbeitung und viele Softwarefunktionen auszeichnen. In Zahlen ausgedrückt heißt das, dass mit der CNC 30i bis zu 40 Achsen – davon 24 gleichzeitig – interpoliert werden können (Bild 1).

Es stehen zehn Kanäle zur Verfügung. Die Steuerung enthält einen neuen Ultra-Hochgeschwindigkeitsprozessor und einen internen Hochgeschwindigkeits-Bus, die für HSC-Bearbeitung beste Voraussetzungen bieten.

8 MB interner Programmspeicher

Der interne Programmspeicher von 8 MByte reicht selbst für große Programme aus, wie sie in der HSC- und Freiformbearbeitung an der Tagesordnung sind. Dieser Speicher kann bei Bedarf mit dem Data-Server von GE Fanuc auf mehrere Gigabyte erweitert werden.

Für den Datentransfer vom CAD/CAM-System steht eine Fast-Ethernet-Anbindung zur Verfügung. Bei nicht ins Firmennetzwerk integrierten Maschinen lassen sich die Programme größeren Umfangs über Compact-Flash-Karten übertragen.

Automatische Vorschubkontrollsysteme

Auch die beste CNC-Steuerung muss bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung auf Maschine und Bearbeitungsaufgaben abgestimmt werden. Deshalb pflegt GE Fanuc enge Beziehungen zu den jeweiligen Maschinenherstellern und stellt ihnen Steuerungsspezialisten zur Verfügung, die das vorhandene Potenzial optimal ausreizen.

Für den HSC-Einsatz bieten die CNC-Steuerungen der Serie 30/31/32i die automatischen Vorschubkontrollsysteme AICC1 und AICC2. Unter diesen Bezeichnungen – CC steht für Contour Control – hat GE Fanuc Funktionen zusammengefasst, die Beschleunigungs- und Bremsvorgänge optimieren sowie Geschwindigkeiten automatisch für Eckenbearbeitung oder Kreissegmente anpassen können. Mit diesen Standard- und optionalen Funktionen ist der CNC-Anwendungstechniker in der Lage, die Steuerung genau an die HSC-Erfordernisse anzupassen.

Verschiedene Funktionen für die Geschwindigkeitsprofile

Um optimierte Geschwindigkeitsprofile zu erreichen, hat GE Fanuc verschiedene Funktionen entwickelt, wie zum Beispiel die „Feed Control by Acceleration“, also die Geschwindigkeitskontrolle bei Beschleunigungswechsel. Weitere Funktionen stehen zur Verfügung, die zum Beispiel eine glockenförmige Geschwindigkeitsänderung bewirken.

Eine für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wesentliche Funktion ist die „Jerk Control“, die Ruckbegrenzung, die für sanftere Bewegungen sorgt. Rein mathematisch betrachtet ist die Geschwindigkeit die erste Ableitung des Weges nach der Zeit. Die Beschleunigung ist die zweite Ableitung und der Ruck die dritte.

Eine linear ansteigende Geschwindigkeit führt demnach zu einem unendlich großen Anstieg im Ruck, der unerwünschte Schwingungen auslösen kann. Daher gilt es, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile zu erzeugen, die den Ruck „begrenzen“, wozu unter anderem die Funktion Jerk Control beitragen kann. Sie glättet die linearen Beschleunigungen an den Anstiegskanten und sorgt dadurch auch für einen geglätteten Ruck.

Mit Nano-Interpolation und Nurbs zu glatten Oberflächen

Selbstverständlich lassen sich perfekte Oberflächen auch ohne Jerk Control erreichen, doch meist mit großen Einschränkungen in der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Doch gerade beim High-Speed-Cutting kommt es außer auf Präzision und Oberflächengüte auf Drehzahlen und Vorschübe an, deren Verhältnis mit weiteren Softwaretools optimiert werden kann.

Dazu trägt zum Beispiel die große Anzahl von „Look-ahead“-Blöcken bei, die bei der CNC der Serie 30i bei bis zu 1000 liegt. Auch die individuell für jede Achse festlegbare Beschleunigung (Acceleration for Individual Axes) trägt zu einer kürzeren Bearbeitungszeit bei, weil sich ansonsten alle Achsen am schwächsten Element orientieren müssten. Ebenso nützlich ist die Funktion „Multi-Block Overlap“, die im CAM-System generierte kleine Blöcke zeitlich zusammenfasst.

Nurbs-Kurven aus dem CAD/CAM-Postprozessor

Vor allem für das Highspeedfräsen von Freiformflächen spielt die Nurbs-Fähigkeit der CNC-Steuerung eine wichtige Rolle. Die CNC-Steuerungen von GE Fanuc bieten die Möglichkeit, Nurbs-Kurven aus dem CAD/CAM-Postprozessor zu übernehmen. Dabei werden die mathematischen Eigenschaften wie stetige Übergänge voll ausgenutzt, so dass glatte und gleichmäßige Oberflächen entstehen.

Alternativ können konventionelle Programme, die lineare Blöcke enthalten, durch die Funktion „Nano-Smoothing“ (Bild 2) aufgewertet werden. Dabei werden die linearen Abschnitte durch kontinuierliche Nurbs-Kurven ersetzt. Wenn es darum geht, feinste Oberflächenqualitäten zu erzeugen, bieten die CNC-Steuerungen von GE Fanuc eine weitere Stärke: die Nano-Interpolation.

Durch diese Funktion generiert die Steuerung Positionierbefehle in der Einheit Nanometer, was digitale Präzisions-Servosysteme erst richtig ausreizt. Mit dieser Interpolation können hochwertige Servosysteme der Werkzeugbahn sehr gleichmäßig folgen und damit beste Oberflächen bei hohen Vorschüben und Drehzahlen erzielen.

Kollisionskontrolle sorgt für sicheres Bearbeiten

Wenn sich beim HSC die Achsen der Maschine sehr schnell bewegen, bedeutet das immer ein gewisses Sicherheitsrisiko – zumindest wenn der Bediener allein auf seine Augen angewiesen ist. Deshalb hat GE Fanuc mit der „3D-Interferenzprüfung“ eine Software entwickelt, die Maschinenkollisionen vermeiden hilft.

Mit dieser Kollisionskontrolle kann der Maschinenbauer – und gegebenenfalls auch der Maschinenbediener – alle kollisionsgefährdeten Bereiche (wie Werkzeugkopf, Werkstück, Tisch und Spannvorrichtungen) mit Hilfe von geometrischen Figuren definieren (Bild 3). Diese etwas größer gewählten „Hüllelemente“ stellen quasi eine Tabuzone dar.

Die Steuerung beachtet die räumlichen Informationen zusammen mit den aktuellen Werkzeugdaten bei der Berechnung der Achsbewegungen und vermeidet selbst bei 5-Achs-Programmen eine mögliche Kollision. Der letzte Interpolationsschritt vor einem definierten Hüllkörper wird nicht durchgeführt – die Maschine stoppt.

Kollisionsüberwachung nicht an Servoantriebe gebunden

Die Kollisionsüberwachung ist eine reine Berechnung und nicht an die Servoantriebe gebunden, wodurch der Bediener die Prüfung auch im Trockenlauf vor der eigentlichen Bearbeitung durchführen kann. Kommt es während des Fräsens doch noch zum Maschinenstopp aufgrund einer rechtzeitig erkannten Kollisionsgefahr, kann der Maschinenbediener – bei weiterhin aktiver Überwachung – die betroffenen Achsen zurückfahren. So wird die Kollision sicher vermieden, selbst wenn er aus Versehen den falschen Knopf drücken sollte.

Wie eingangs erwähnt, kommt es bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung auf ein optimales Zusammenspiel von Mechanik, Steuerung und der gesamten Antriebstechnik an. Bezüglich letzterer hat GE Fanuc einen großen Vorteil zu bieten: Zum Programm des CNC-Spezialisten gehört außer Steuerungen ein umfangreiches Sortiment an Servo- und Spindelmotoren aller Größen und Leistungsvarianten, die sich durch kompakte Bauweise und hohe Dynamik auszeichnen. Der Maschinenhersteller erhält außerdem die dazu passenden leistungsstarken, dabei energiesparenden Verstärker und somit alle Komponenten aus einer Hand, perfekt aufeinander abgestimmt.MM

Uwe Warnatz ist als Anwendungsingenieur europaweit für den technischen Support der GE Fanuc Automation CNC Europe zuständig. Weitere Informationen: GE Fanuc Automation Deutschland GmbH, 73765 Neuhausen a .d. F., Tel. (0 71 58) 1 87-4 00, Fax (0 71 58) 1 87-4 55, infocnc@gefanuc.de

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