Maschinensicherheit CNC verhindert in Echtzeit Kollisionen bei komplexer Maschinen-Kinematik

Durch die komplexe Kinematik moderner Werkzeugmaschinen wird es für Bediener immer schwieriger, für eine sichere und kollisionsfreie Bearbeitung zu sorgen. Ein in der CNC integrierter Kollisionsschutz sorgt in Echtzeit dafür, mögliche Zusammenstöße zu verhindern.

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Renishaw GmbH

COSCOM Computer GmbH

Urma AG Werkzeugfabrik

FANUC Europe Corporation SA

Um Fertigungsprozesse möglichst produktiv zu gestalten, kommen verstärkt komplexe Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Sie verfügen häufig über mehrachsige Verfahrmöglichkeiten, kombinierte Zerspantechniken sowie Fähigkeiten zur Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsbearbeitung. Solche Hightech-Werkzeugmaschinen wie Dreh-Fräs-Zentren oder Fünf-Achsen-Maschinen versprechen eine sehr effiziente Bearbeitung.

Allerdings wird es für den Maschinenbediener immer schwieriger, der schnellen und komplexen Bearbeitung zu folgen. Ein von Hand ausgelöster Stopp bei drohender Kollision ist so gut wie unmöglich.

Verschiedene CNC- und CAD/CAM-Anbieter haben darauf reagiert und Konzepte ausgearbeitet, die zu einer sicheren Bearbeitung führen sollen. Diese lassen sich grundsätzlich in integrierte und Offline-Systeme gliedern.

Unter Offline sind alle Simulationen zu verstehen, die getrennt von der Werkzeugmaschine und deren Steuerung auf einem PC ablaufen. Gerade CAD/CAM-Anbieter machen sich dafür ihr Know-how in der dreidimensionalen Modellierung von Werkstücken zu Nutze, fügen virtuell Maschinenkomponenten und Werkzeuge hinzu und lassen letztere die zur Bearbeitung notwendigen Bahnen abfahren. Damit können diese Simulationen die NC-Programme auf ihre Tauglichkeit und mögliche Kollisionen überprüfen.

Nur eingeschränkte Kollisionsvermeidung durch Offline-System

Diese Form der Kollisionsvermeidung haben mittlerweile auch manche Hersteller von PC-unterstützten CNC adaptiert. Mit diesen Offline-Systemen kann der Bediener, schon während die Maschine ein Bauteil bearbeitet, die Simulation des nächsten Werkstücks aufrufen und die Werkzeugbahnen kontrollieren.

Allerdings bietet diese Art der Kollisionskontrolle nur eingeschränkte Sicherheit. Denn die virtuelle Welt entspricht nicht immer der Realität. Was ist, wenn zum Beispiel ein Werkzeug gebrochen ist und ausgetauscht wird? Um die Simulation der Realität anzupassen, müssen die neuen Werkzeugdaten auf den PC geladen, ins CAM-System integriert und die Simulation muss neu berechnet werden.

Das Gleiche gilt für kurzfristige Änderungen an Spannvorrichtungen oder der Maschine. Auch der Einrichtbetrieb, bei dem erfahrungsgemäß viele Crashs passieren, bleibt bei der Offline-Kontrolle außen vor. Denn das Verhalten eines Maschineneinrichters lässt sich virtuell nicht immer vorhersehen.

Integrierte Systeme schließen alle Lücken bei der Maschinensicherheit

Integrierte Systeme sind in der Lage, all diese Sicherheitslücken zu schließen. Ihre Überwachung findet in Echtzeit statt und orientiert sich stets am aktuellen Zustand der Maschine. Somit besteht der Crash-Schutz bei jeder Maschinenbewegung, auch im Einrichtbetrieb. Weil in integrierten Systemen die eigentliche Bearbeitung nicht bewertet werden kann, ist es durchaus sinnvoll, große, komplexe Programme schon vorher auf dem PC zu simulieren, bevor sie auf die Maschine kommen.

Fanuc GE bietet für die CNC der Serien 30i/31i Model A (Bild 2) mit dem 3D-Interference-Check eine im CNC-Kern integrierte Funktion an, die bei richtiger Konfiguration mit nahezu hundertprozentiger Sicherheit Maschinenkollisionen zu vermeiden hilft. Dieses System arbeitet mit geometrischen Hüllelementen (Quader, Zylinder und Ebene), die über alle kollisionsgefährdeten Bereiche gelegt werden (Bild 3) – bei Bedarf in einem engen Abstand von bis zu 1 µm von der tatsächlichen Kontur. Die maximale Anzahl dieser Elemente ist 24.

Werkzeugmaschine stoppt bei drohendem Zusammenstoß

Die CNC beachtet diese räumlichen Informationen zusammen mit den aktuellen Werkzeugdaten bei der Berechnung der Achsbewegungen. Das heißt, im 4-ms-Takt berechnet die Haupt-CPU parallel zur Interpolation der Achsen alle im Kollisionsmodell befindlichen Objekte. Sollte ein Zusammenstoß drohen, stoppt die Maschine, indem der letzte Interpolationsschritt vor einem definierten Hüllkörper nicht ausgeführt wird.

Für den Fall, dass ein Kollisionsmodell zu komplex ist und sich nicht in den 4 ms rechnen lässt, setzt Fanuc GE auf eine Eskalationsstrategie: Die Zeit wird auf 8 ms verdoppelt und zum Ausgleich wird eine großzügigere Hüllkurve darüber gelegt.

Beim Konfigurieren des 3D-Interference-Checks steht dem Anwender die Möglichkeit offen, Bedingungen zwischen verschiedenen Kollisionselementen zu vereinbaren: Entweder werden die Interferenzen bei jeder Bewegung oder nur im Eilgang berechnet. Bei der Paarung Werkzeug und Werkstück zum Beispiel wird die Kollisionsberechnung nur für den Eilgang aktiviert, denn zum Zerspanen muss das Werkzeug das Werkstück berühren dürfen.

Kollisionsschutz ist auch beim manuellen Bedienen aktiv

Kommt es während des Fräsens tatsächlich zum Maschinenstopp aufgrund einer rechtzeitig erkannten Kollisionsgefahr, ist es dem Maschinenbediener möglich, bei weiterhin aktiver Überwachung die betroffenen Achsen manuell zurückzufahren. So wird die Kollision sicher vermieden, selbst wenn er aus Versehen den falschen Knopf drücken sollte.

Der Umgang mit dem 3D-Interference-Check ist einfach. Die benötigten geometrischen Daten lassen sich direkt in die CNC einpflegen. Die Werkzeugdaten, die der Steuerung für die Bearbeitung bekannt sein müssen, werden automatisch in den Interference Check übernommen.

In vielen Fällen ist es allerdings komfortabler und um bis zu 40% schneller, die Konfiguration über eine von Fanuc GE entwickelte, unterstützende Software vorzunehmen. Mit dem so genannten Setting Tool kann der Maschinenhersteller – und auch der Maschinenbediener – alle kollisionsgefährdeten Bereiche wie Tisch, Spannvorrichtungen und so weiter mit Hilfe von geometrischen Figuren definieren.

Das auf einem PC unter den Betriebssystemen Windows 2000/XP/Vista lauffähige Programm erleichtert dem Anwender die Definition der kollisionsgefährdeten Objekte, indem es den Datenaustausch mit 3D-CAD-Systemen unterstützt. Über eine IGES-Schnittstelle können die gewünschten CAD-Elemente auf den PC geladen und im Setting Tool für die Kollisionsüberwachung aufbereitet werden.

Besonders praktisch ist diese Software zum Verwalten von verschiedenen Varianten einer Maschinenserie. Denn mit ihr lassen sich gleichzeitig viele verschiedene Konfigurationen des Kollisionsmodells verwalten und bei Bedarf nur einzelne Elemente von der einen auf die andere Maschine kopieren.

Drahtgittermodell auf dem Monitor der CNC

Ein weiterer Vorteil der Software besteht beim Verifizieren des Interference Checks. Auf CNC-Seite steht dazu ein Monitoring Screen zur Verfügung, der das aktuelle Modell in der CNC als Drahtgittermodell darstellt (Bilder 4 und 5). Dieses lässt sich drehen und von verschiedenen Seiten begutachten. Es verzichtet jedoch zugunsten der Geschwindigkeit auf Soliddarstellung und Zoomfunktion.

Das bietet aber das Setting Tool und ermöglicht damit beim Verifizieren einen Blick auf sämtliche Details. Da der PC über Ethernet oder Hochgeschwindigkeitsbus an die CNC gekoppelt ist, lassen sich auf ihm via Realtime-Online-Monitoring alle Bewegungen der Kollisionsobjekte 3D-animiert verfolgen.

Während das Setting Tool für das Konfigurieren und Verifizieren des Kollisionsmodells zuständig ist, findet der eigentliche 3D-Interference-Check wie beschrieben in der CNC statt. Das ist auch der Grund für den grafisch reduzierten Monitoring Screen.

Fanuc GE beschränkt sich bewusst auf eine übersichtliche, verständliche Oberfläche und verzichtet auf eine aufwändig animierte 3D-Grafik zugunsten kurzer Datenübertragungszeiten. Dafür bleiben beim Einsatz des 3D-Interference-Checks die Blockprozesszeiten der Steuerung unbeeinträchtigt und die Produktivität der Maschine in vollem Maße erhalten – eine Eigenschaft, die nicht bei allen integrierten Kollisionsschutzsystemen gegeben ist.

Wer die Open CNC 300i/310i/320i einsetzt, die mit einem zusätzlichen PC ausgestattet sind, kann beim 3D-Interference-Check auch eine aufwändigere grafische Darstellung realisieren. In diesem Fall liefert die CNC in Echtzeit mit einem – durch die Look-ahead-Funktion vorgegebenen – zeitlichen Vorsprung zukünftige Positionen an den PC, bevor diese auf der CNC abgearbeitet werden.

In diesem Fall findet die Kollisionsberechnung auf dem PC statt und wird dort 3D-animiert dargestellt. Mögliche Überschneidungen der definierten Objekte meldet der Rechner an die CNC, die alle Achsbewegungen vor der drohenden Kollision stoppt. Ein Hochgeschwindigkeitsbus zwischen CNC und PC ist dafür Grundvoraussetzung.

Der 3D-Interference-Check hat inzwischen schon bei einigen Werkzeugmaschinenherstellern Zustimmung gefunden – zum Beispiel bei Stama, dem Hersteller vertikaler Bearbeitungs- und Fräs-Dreh-Zentren. Dr. Achim Feinauer von der Geschäftsführung sagt, dass der Bediener bei fünfachsiger Fräs-Dreh-Bearbeitung die Achsbewegungen nicht immer überblicken kann und er deshalb bei der Kollisionsvermeidung unterstützt werden muss.

Keine CAD-Kenntnisse beim Maschinenbediener nötig

Bei Stama waren ursprünglich PC-basierte Lösungen im Gespräch, in denen die Maschine und alle Komponenten im Detail abgebildet werden. Obwohl das schön fürs Auge ist, erkannten die Verantwortlichen schnell die Nachteile, denn um Änderungen, zum Beispiel bei einer modifizierten oder zusätzlichen Störkontur, einzugeben, braucht man einen mit der CAD-Welt vertrauten Spezialisten.

Beim Fanuc-System ist das für den Maschinenbediener kein Problem. Außerdem müssen keine so großen Datenmengen gehandelt werden, wie bei einer Computersimulation notwendig wären. Das ermöglicht eine Echtzeitkontrolle, die auch während des manuellen Betriebs funktioniert. Zur Zeit werden die ersten Fräs-Dreh-Zentren MC 726 MT-G und MC 734 MT-G mit 3D-Interference-Check ausgeliefert. Andere Maschinentypen werden nach und nach angepasst.

Edgar Weiter ist Experte für komplexe Maschinenanwendungen bei Fanuc GE CNC Europe, D-73765 Neuhausen a. d. F.

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