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Bearbeitungszentren effizienter automatisieren

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Mithilfe der objektorientierten Programmierung (mit Vererbung, Kapselung und Wiederverwendung) kann der Aufwand für Engineering, Tests und Softwarepflege reduziert werden, was sich bei Maschinen mit mehreren Varianten besonders auszahlt. Für alle Standardfeatures von Bearbeitungszentren können Maschinen­entwickler einfach auf den erprobten PLC-Baukasten mit vordefinierten Zyklen zurückgreifen, was das Engineering beschleunigt und den Testaufwand reduziert. Zur Konfiguration, Parametrierung und Optimierung der Achsen stehen Profiwerkzeuge zur Verfügung, die eine schnelle und sichere Inbetriebnahme ermöglichen.

Anwendungsteam hilft vom Konzept bis zur Serie

Ferrocontrol versteht seine Produkte und Leistungen als Services für Maschinenbauer und bietet alles aus einer Hand an. Das heißt, das CNC-Anwendungsteam hilft dem Maschinenbauer bereits bei der Projektierung des Maschinenkonzepts und die Automatisierungslösung für Serienmaschinen wird später in Form schlüsselfertiger Komponenten und fertiger Schaltschränke einschließlich Kabelsätze just in time geliefert – für die jeweilige Anwendung konfiguriert und vorparametriert. Ein Beispiel dafür sind die Industrie-PC von Ferrocontrol, die mit individuellem Image einschließlich der Kundensoftware ausgeliefert werden und wegen des montagefreundlichen Gehäuses direkt einsatzbereit sind.

Umfangreiche Dienstleistungen, von der Unterstützung bei der Inbetriebnahme des Prototyps bis zum Second-Level-Support, geben dem Maschinenbauer die Sicherheit einer langfristigen Innovationspartnerschaft. Dies beweist auch die langjährige Zusammenarbeit mit international führenden Unternehmen im Bereich Bearbeitungszentren für Aluminium, Metall, Holz, Kunststoff, Verbundwerkstoffe, Glas/Keramiken und weiteren.

Was muss ein Bearbeitungszentrum heute leisten? Bekanntlich sind Bearbeitungszentren nichts anderes als Werkzeugmaschinen, die von einer CNC gesteuert werden und mit einem Werkzeugmagazin sowie Werkzeugwechsler ausgestattet sind, um mehrere Zerspanungswerkzeuge nutzen zu können.

Heutige Bearbeitungszentren verfügen darüber hinaus häufig über einen automatischen Werkstückwechsler und die Werkstücke können rundum in einer Aufspannung bearbeitet werden. Meist werden unterschiedliche Zerspanverfahren in einer Aufspannung angewendet, wozu typischerweise Bohren, Gewindeschneiden, Fräsen, Schneiden und Schleifen gehören.

Hinzu können weitere Verfahren kommen, wie Laserbeschriftung oder Laserhärten. Die Bearbeitung komplexer Werkstücke in einer Aufspannung hat Vorteile: kurze Taktzeiten, keine Umrüstung, weniger Spannmittel und vor allem eine höhere und besser reproduzierbare Genauigkeit, weil kein Umspannen der Werkstücke nötig ist. Das Resultat sind Qualitätssteigerungen und geringere Fertigungskosten.

High-Speed-Spindeln effizienter betreiben

Herzstück jedes CNC-Bearbeitungszentrums ist die bewegte Werkzeugspindel. Häufig werden Spindelmotoren heute noch über Frequenzumrichter mit Strom versorgt: Wenn das Drehmoment am Werkzeug nicht benötigt wird, führt dies allerdings zu unnötig hohen Wärmeverlusten. Das ist nicht nur ineffizient, sondern verkürzt auch die Lebensdauer des Spindelantriebs.

Die Werkzeugspindel sollte deshalb besser über den gesamten Drehzahlbereich geregelt betrieben werden. Somit wird immer nur die tatsächlich benötigte Energie in den Motor eingespeist. Das FPGA-basierte (Field Programmable Gate Array) Servoantriebssystem E-Darc C von Ferrocontrol hilft deshalb auch beim geregelten Betrieb von synchronen und asynchronen Spindelmotoren mit bis zu 20.000 min–1. Werkzeugspindeln können damit verschleißarm und energiesparend betrieben werden. Drehzahlabweichungen durch Lastsprünge werden auch automatisch ausgeregelt, sodass variierende Werkstückdicken und Vorschübe quasi keinen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität haben. Der geregelte Betrieb von Hochfrequenzspindeln erzeugt insgesamt qualitativ hochwertigere Werkstückoberflächen und minimiert den Aufwand für die manuelle Nachbearbeitung.

Beispiel für Werkzeugmagazin in Bearbeitungszentren.
Beispiel für Werkzeugmagazin in Bearbeitungszentren.
(Bild: Elumatec AG)

High-Speed-Werkzeugwechsel

Für den schnellen Austausch von angetriebenen Werkzeugen an der Spindel verfügen Bearbeitungszentren über ein automatisches Werkzeugwechselsystem, wobei die Werkzeuge in einem Werkzeugmagazin bereitgehalten werden. Der Werkzeugwechsel limitiert die Span-zu-Span-Zeiten, die bei modernen CNC-Bearbeitungszentren bei unter 2 s liegen.

Selbst komplexe Bearbeitungszyklen mit vielen einzelnen Bearbeitungsschritten können damit in kurzen Taktzeiten realisiert werden. Dem Bediener stehen im HMI professionelle Tools zur Optimierung der Zyklen bereit. Mit der echten CNC-gestützten Laufzeit­berechnung kann nicht nur die Bearbeitungsdauer präzise vorausgesagt werden, diese Informationen können auch für eine verlässliche Kalkulation von Bearbeitungskosten genutzt werden. Noch komfortabler lassen sich diese Aufgaben mit dem Machine Management System lösen, das vielfältige Funktionen für die Digitalisierung des Shopfloors bereithält und einen digitalen Zwilling der CNC-Anwendung enthält.

Machine Management System als digitale Erweiterung für Bearbeitungszentren.
Machine Management System als digitale Erweiterung für Bearbeitungszentren.
(Bild: Ferrocontrol)

Aber auch hinsichtlich der Antriebstechnik bietet der Werkzeugwechsel interessante Optimierungspotenziale. Von p raktischem Nutzen ist zum Beispiel die intelligente Parametersatzverwaltung: Es lassen sich bis zu 16 werkzeugbezogene Parametersätze hinterlegen, die unter anderem die Geometrie des Werkzeugs beschreiben. Dies ermöglicht eine schnelle Parametersatzumschaltung beim Werkzeugwechsel.

Aufgrund der unterschiedlichen Massen und Formen von Werkzeugen (wie Sägeblatt, Gewindeschneider, Bohrer oder Fräser) ist es sinnvoll, einen werkzeugabhängigen Parametersatz zu hinterlegen und auszuwählen. Auf diese Weise erhält die Antriebsregelung für jedes Werkzeug stets die optimalen Reglerparameter für hohe Dynamik und niedrigen Energieverbrauch. Mit der integrierten Parametersatzumschaltung sind Maschinen für kurze Werkzeugwechselzeiten beziehungsweise Span-zu-Span-Zeiten ausgezeichnet gerüstet.

Daneben sind bei einem Bearbeitungszentrum in der Regel diverse Handlingaufgaben zu automatisieren, die für einen effizienten Betrieb essenziell sind. Deshalb hat die BAZ-Steuerung von Ferrocontrol auch diverse Funktionen für Wechseltische oder Palettensysteme zur hauptzeitparallelen Be- und Entladung, so kann schon während der Bearbeitung des Werkstücks das nächste Werkstück vorbereitet werden.

Komplett automatisiert und digitalisiert

Ob 3-Achs- oder 5-Achs-Simultanbearbeitung, wer anspruchsvolle CNC-Bearbeitungszentren automatisieren möchte, benötigt ein ganzes Paket an CNC-Features. Mit den CNC-Lösungen von Ferrocontrol für Bearbeitungszentren steht Maschinenbauern ein vollständiger und vielfach bewährter Lösungsbaukasten zur Verfügung, bei dem alle Komponenten und Funktionen optimal aufeinander abgestimmt sind. Von der Steuerungs- und Antriebstechnik über Panel-PC mit einer touchoptimierten HMI-Oberfläche für Bearbeitungszentren bis hin zur nahtlos in die Automation integrierbaren Safety-Lösung.

Automatisierungslösungen für CNC-Bearbeitungszentren beinhalten Antriebs- und Steuerungstechnik, Panel-PC mit BAZ-HMI-Paket und Engineering-Tools.
Automatisierungslösungen für CNC-Bearbeitungszentren beinhalten Antriebs- und Steuerungstechnik, Panel-PC mit BAZ-HMI-Paket und Engineering-Tools.
(Bild: Eckelmann)

Steuerung von Ferrocontrol

  • Interpolation von bis zu 32 CNC-Achsen,
  • Befehlssatz nach DIN 66025 und Erweiterung für die symbolische Programmierung,
  • NC-Code-Editor,
  • integrierte CNC-Maschinensimulation zum Testen und Optimieren von Maschinenprogrammen für eine schnellere Bearbeitung und Vermeidung von Kollisionen,
  • adaptives Look-ahead für optimale Konturtreue,
  • Filter und Vorsteuern, um mechanische Unzulänglichkeiten oder thermische Effekte zu kompensieren,
  • kinematische Transformationen in der CNC, wie auch für einfache Roboterkinematiken für Handlingaufgaben oder komplexe 6-Achs-Drehtellerkinematik mit gekippten Hebeln,
  • Synchronisation von CNC- und Motion-Achsen mit der SPS,
  • Satzvorlauf,
  • Wiederanfahren an der Kontur,
  • Rotating Tool Center Point beziehungsweise Werkzeuglängenverrechnung im Raum,
  • integriertes Werkzeugmanagement, einschließlich Werkzeugbrucherkennung und Verschleißteilmanagement,
  • Technikpakete für verschiedene Schneidtechniken (Laser, Plasma, Autogen, Wasserstrahl, Messer) sowie die Stabbearbeitung und das Sägen.

* Dr. Andreas Pottharst ist Managing Director bei der Ferrocontrol Steuerungssysteme GmbH & Co. KG in 32049 Herford

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