CNC mit offener Architektur lässt sich flexibel anpassen

Damit CNC den Marktanforderungen genügen können, sind sie stetig weiterzuentwickeln. Ob es neue Funktionen in der Standardsoftware oder die Realisierung technologischer Zusatzfunktionen über...

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Damit CNC den Marktanforderungen genügen können, sind sie stetig weiterzuentwickeln. Ob es neue Funktionen in der Standardsoftware oder die Realisierung technologischer Zusatzfunktionen über Compilezyklen sind ? auf immer leistungsfähigerer Steuerungshardware lassen sich mit entsprechender Software heute kostengünstig Aufgaben lösen, die noch vor kurzem teure Spezialsteuerungen erforderten.Mit der Sinumerik 840D powerline bietet Siemens jetzt eine CNC im mittleren und oberen Leistungsbereich an, die offen ist für (fast) alle Anwendungen. Die Innovation besteht aus den jeweils leistungsstärksten NCU-Baugruppen der Steuerungsfamilie Sinumerik in Verbindung mit den neuen Sinumerik-Bedientafelkomponenten.Mit dem Softwarestand 5.3 wurde die CNC so ,,aufgebohrt", dass vor allem für die Technologien Handling, Robotik, Laserbearbeitung und Pressen neue Funktionen zur Verfügung stehen: So ermöglicht die Funktion PTP (Kartesisches Point-to-Point-Fahren) Achsbewegungen auf kürzestem Weg vom Start zum Ziel, ohne dass die Orientierungstransformation des Werkzeugs vorher ausgeschaltet werden muss. Durch den gleitenden Übergang von PTP- zu CP-(Continuous Path) Bewegungen kann von schneller Zuführung der Werkstücke zeitoptimal zu einer Montage- oder Positionierbewegung umgeschaltet werden. Außerdem tritt beim Fahren durch eine Singularität (zum Beispiel Gelenkstellung wechselt beim Handling) keine Achsüberlastung auf. PTP-Fahren ist auch in der Betriebsart ,,Jogging" möglich und erfordert keine Umrechnung kartesisch vorliegender Positionen (beispielsweise von CAD-Systemen) in Maschinenachswerte.Das kartesische PTP-Fahren wird auch bei Rundschleifmaschinen mit schräger Achse angewendet: Bei aktiver Transformation kann die Zustellachse wahlweise kartesisch oder im Winkel der schrägen Achse bewegt werden. Bewegungen an Pressen wurden früher über Kurvenscheiben und mechanische Kopplung mit dem Stößel realisiert. Heute werden zunehmend mechanisch gekoppelte Lösungen durch flexibel einsetzbare elektrische Antriebe ersetzt: Die einzelnen Achsen werden nach einem vorgegebenen Verfahrprofil-Bewegungsgesetz (zum Beispiel Kurventabelle und Polynom) kontinuierlich nach dem Leitwert des Stößelgebers verfahren. Die Vorgaben können zum Beispiel Polygone oder Polynome sein. Mit der neuen Steuerungsoption ,,Elektronischer Transfer" wird die CNC auch zur optimalen Transfersteuerung. Besondere Vorzüge des elektronischen Transfers sind:cKopplung des gesamten Bewegungssystems an einen übergeordneten Leitwert;cwahlweise Nutzung eines externen oder eines berechneten internen Leitwertes (fliegend umschaltbar);cDefinition beliebig vieler Kurvenscheiben über hochgenaue Polynome;cBewegungsführung nach genormten Bewegungsgesetzen (VDI 2143);cfrei projektierbare Not- und Halt-Strategien;cBerechnung der maximal möglichen Hubzahl.Die Steuerungsoption ,,Elektronischer Transfer" enthält für eine hochdynamische und positionsgenaue Transfersteuerung eine Kombination aus Einzeloptionen wie Wegschaltsignale/Nockenschaltwerk, Polynominterpolation, Leitwertkopplung und Kurventabelleninterpolation, betriebsartübergreifende Aktionen, Peripherieanschaltung über Profibus-DP, Bewegungssynchronaktionen, Gleichlauf-Achsenpaar (Gantry-Achsen) und eine zusätzliche Positionierachse. Der elektronische Transfer bietet eine Reihe von Vereinfachungen und Vorteilen wie geringerer mechanischer Bauaufwand, besseres Erreichen des Arbeitsraums beim Werkzeugwechsel, höhere Genauigkeit und Dynamik durch direkte Ableitung der Transportbewegung ohne Umleitung über elastische Wellen- und Stangengetriebe, flexible Parametrierung des Bewegungsablaufs durch den Pressenbetreiber, kürzere Werkzeugwechselzeiten sowie eine materialschonende Bewegungsführung.CNC-Funktionalität steuert Pressen und DrückmaschinenUm die CNC funktionell auch als ideale Steuerung für Pressen und Drückmaschinen anbieten zu können, wurde die Funktionalität ,,Erweitertes Fahren auf Festanschlag" eingeführt: Hersteller von hydraulischen Pressen benötigen zur Technologieumsetzung positions-, zeit- oder variablenabhängiges Verändern der Kraft. Auch diesen Anforderungen wird die Steuerung ab dem Softwarestand 5.3 gerecht: Die Kraft (Drehmoment) kann modal (bis auf Widerruf) oder satzbezogen über entsprechende Kraft/Weg- oder Kraft/Zeit-Profile angepasst werden. Das Fahren auf Festanschlag lässt sich aus Bewegungssynchronaktionen heraus programmieren. Dabei ist eine Aktivierung auch ohne Bewegung möglich. Die Kraft wird sofort begrenzt. Beim Fahren mit begrenzter Kraft (Force Control) kann eine Kraftänderung auch rampenförmig oder (kurzzeitig) .100% vorgegeben werden.Aufbauend auf dem Softwarestand 5.3 enthält die Baureihe Sinumerik 840D mit dem Softwarestand 6 weitere neue und verbesserte Funktionen, die diese Steuerung für einen größeren Anwenderkreis interessant machen: So steht nun auch die Option ,,Elektronisches Getriebe mit nicht linearer Kopplung" zur Verfügung. Dazu wird die bewährte Funktionalität ,,Kurventabelleninterpolation" in das bereits vorhandene elektronische Getriebe mit ,,linearer Kopplung" eingebunden.Ballige Zahnflächen herstellen mit KurventabellenBeim elektronischen Getriebe mit nicht linearer Kopplung können bis zu fünf Leitachsen über Kurventabellen an eine Folgeachse gekoppelt werden. Die Folgeachse kann wiederum Leitachse für einen anderen Getriebeverband sein (Kaskadierung). Die Folgeachse lässt sich über je eine Kurventabelle oder über je ein festes Übersetzungsverhältnis (Zähler/Nenner) an die Leitachsen koppeln. Leit- und Folgeachsen können sowohl reale oder simulierte Linear- oder Rundachsen sein. Mit diesen Kurventabellen im elektronischen Getriebe ist nun neben der Herstellung balliger Zahnflächen bei der Zahnradbearbeitung zum Beispiel auch die Kompensation nicht linearer Eigenschaften des Prozesses möglich. Als Erweiterung des bisherigen antriebsautarken Stillsetzens und Rückziehens zur schnellen, gefahrlosen und schonenden Trennung von Werkzeug und Werkstück und zum geordneten Stillsetzen der Bearbeitung wird ab Softwarestand 6 die Funktion ,,NC-geführtes Stillsetzen und Rückziehen" angeboten: Zum schonenden interpolatorischen Rückziehen auf der Bahn beziehungsweise Kontur kann die Bahninterpolation nach dem auslösenden Trigger-Ereignis über einen vorgebbaren Zeitraum weiterbearbeitet werden. Die Rückzugachsen werden anschließend zeitsynchron auf eine absolut oder inkrementell programmierte Position gefahren. Diese Funktionen werden vorrangig in den Technologien Verzahnung und Schleifen verwendet.Einen wesentlichen Vorteil für den Anwender bietet die Erweiterung der generischen 5-Achs-Transformation auf die 3- und/oder 4-Achs-Transformation. Mit der Funktion ,,Generische Transformation" ist die Orientierung des Werkzeugs im Raum bei Grundstellung der Achsen beliebig vorgebbar und wird nicht allein durch die Z-Richtung bestimmt. Sie kann auf diese Weise viel flexibler und universeller angewendet werden. So lassen sich jetzt zum Beispiel auch Maschinenkinematiken von der CNC steuern, bei denen die Orientierung der Rundachsen nicht exakt parallel zu den Linearachsen steht. Die ,,generische Transformation" ist mit dieser Erweiterung auch für Maschinen mit nur einer Rundachse (beispielsweise drehbares Werkzeug oder drehbares Werkstück) verwendbar.Interpolationen ergänzen generische TransformationNeue Interpolationen von Werkzeugorientierungen ergänzen die ,,generische Transformation": Die Werkzeugorientierung kann nun auch in einer Ebene als Großkreisinterpolation, auf einer Kegelmantelfläche oder selbst mit freier Orientierungsvorgabe der Werkzeugkurve programmiert werden. Damit lassen sich mit wenig Aufwand in kürzester Zeit optimale Werkstückoberflächen erreichen.Last but not least: Als neue Interpolationsverfahren werden dem Anwender die Evolventeninterpolation und die Polynominterpolation für Polynome fünften Grades (bis Softwarestand 5 Polynome dritten Grades) seit Softwarestand 6 auf zur Verfügung gestellt.Mit Hilfe der Funktion ,,Evolventeninterpolation" kann man eine spiralförmige Kontur in Form einer so genannten Kreisevolvente in einem NC-Satz anstelle vieler angenäherter Einzelsätze programmieren. Dank der exakten mathematischen Beschreibung der Kontur ist eine höhere Bahngeschwindigkeit und damit eine Verringerung der Bearbeitungszeit erreichbar. Eventuell durch grobe Polygonzüge entstehende unerwünschte Facetten werden somit vermieden. Außerdem muss bei der Evolventeninterpolation der Endpunkt nicht genau auf der durch den Startpunkt definierten Evolvente liegen, sondern es ist eine maximal zulässige Abweichung über Maschinendaten einzugeben. Polynome fünften Grades ermöglichen im Unterschied zu Polynomen dritten Grades weitere Approximationsmöglichkeiten vorgegebener Konturen. Polynominterpolation dient als SchnittstelleDie PolynomiInterpolation dient aber in erster Linie als Schnittstelle für die Programmierung extern erzeugter Spline-Kurven. Optimal anzuwenden sind Polynome fünften Grades, wenn die Koeffizienten direkt von einem CAD-CAM-System kommen. Voraussetzung für die effiziente Nutzung dieser PolynomiInterpolation sind also entsprechende CAD-CAM-Systeme.Reichen die mit der Steuerung zur Verfügung gestellten Funktionen immer noch nicht aus, um alle Anforderungen vollständig zu erfüllen, so kann dank der Offenheit dieser Steuerung hinsichtlich Bedienoberfläche, NC-Kern, NC-Teileprogramm und PLC fast ,,Unmögliches" erreicht werden. Der Anwender kann seine Bedienoberfläche schon in der Grundausführung mit der Funktionalität ,,Bedienoberfläche ergänzen" oder optional mit den Software-Produkten ,,Easy Mask", ,,Simatik ProTool/Pro Option Sinumerik" sowie dem Open-Architecture-Paket MMC/PCU in unterschiedlichen Ausbaustufen nach seinen Bedürfnissen frei gestalten.Technologische Zusatzfunktionen, die nicht in der NC-Systemsoftware enthalten sind, können in Form von Compilezyklen frei programmiert werden. Umfangreiche Bewegungssynchronaktionen und -funktionen ermöglichen dem Anwender, im Teileprogramm gewisse Einflussmöglichkeiten parallel zur Bearbeitung im technologischen Prozess zu definieren.Mit der Programmiersoftware Step 7 lässt sich die Anpassung der Steuerung an die Maschine übersichtlich und komfortabel durchführen. Die im Siemens-Grundprogramm zur Verfügung gestellten Funktionsbausteine können für die Anwendung entsprechend frei parametriert verwendet werden. Die CNC bietet eine Offenheit im NC-Kern, die bisher unerreicht ist und eine Lösung für (fast) jede Aufgabenstellung. Hierbei kann der Anwender seine Compile-Zyklen auf Basis des Open-Architecture-Pakets NCK und der entsprechenden Entwicklungsumgebung selbst programmieren. Applikationsentwicklungen lassen sich aber auch mittels Siemens-Dienstleistungen realisieren. Diese erstrecken sich von der Beratung über die Angebots- und Pflichtenhefterstellung, Programmierung, Tests auf Hard- und Software sowie an der Maschine bis hin zur Logistik und Vermarktung (Bild 1).Auf diese Weise entwickelt wurden und in Verbindung mit der NCU-Systemsoftware auf einer Technologie-PC-Card angeboten werden derzeit die Compilezyklen ,,1D/3D-Abstandsregelung im Lageregeltakt", um einen beispielsweise bei der Laserbearbeitung technologisch erforderlichen Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück konstant zu halten; ,,Master-Slave-Betrieb für Antriebe" zur Momenten- und Leistungsverstärkung durch mechanische Kopplung zweier Antriebe (ab Softwarestand 6 in der NCU-Systemsoftware enthalten) und ,,Sollwertumschaltung" für Fräsmaschinen mit speziellen Fräsköpfen, bei denen zum Beispiel der Spindelmotor sowohl als Werkzeugantrieb als auch zur Orientierung des Fräskopfs verwendet wird. Zwei neue Compilezyklen-Applikationen sollen im Folgenden einmal näher beschrieben werden.Schneiden mit dem Laser wird komfortablerFür 2D-Flachbett-Schneidbearbeitungsverfahren (zum Beispiel Laser-, Oxygen- oder Wasserstrahlschneiden) wurde eine Lösung geschaffen, die es dem Maschinenbediener erlaubt, nach einer Unterbrechung der Bearbeitung ohne genaue Kenntnis des Teileprogramms zum ,,Wiederaufsetzpunkt" (damage point) zurückzukehren, um von dort aus das Werkstück weiterzubearbeiten. Die als Compilezyklus zur Verfügung stehende neue Funktion ,,Wiederaufsetzen - Retrace Support" enthält einen Ringpuffer für die geometrischen Informationen der abgefahrenen Sätze. Hieraus wird ein neues Teileprogramm für das Rückwärtsfahren generiert. ,,Wiederaufsetzen" kommt zum Beispiel dann in Betracht, wenn der Maschinenbediener den Ausfall oder die Unterbrechung erst einige Sätze nach der eigentlichen Unterbrechung bemerkt. Hierbei ist der Bearbeitungskopf meist schon weiter fortgeschritten und muss zum Wiederaufsetzen entsprechend zurückgefahren werden. Stellt der Bediener eine solche Unterbrechung fest, beendet er die Bearbeitung mit NC-Stopp. Über die Taste ,,Rückwärts/Vorwärts" kann der Bearbeitungskopf mit dem nächsten NC-Start auf der Originalkontur zurückgefahren und positioniert werden. Hat der Bearbeitungskopf den Wiederaufsetzpunkt erreicht, wird vom Bediener ein weiterer NC-Stopp ausgelöst. Der Bearbeitungskopf bleibt an der aktuellen Position stehen. Mit der Betätigung der Taste ,,Wiederaufsetzen starten" wird ein Satzsuchlauf im Originalprogramm mit Wiederaufsetzen im Satz (an der aktuellen Position) ausgeführt. Die Bearbeitung kann dann an dieser Stelle fortgesetzt werden.Programmierarbeit ist nur minimalDie Funktion ,,Schnelles Laserschaltsignal" wurde für das Highspeed-LaserCutting entwickelt: Unter der Voraussetzung, dass zumeist alle Bewegungen, bei denen der Laser ausgeschaltet sein muss, im Eilgang (G0) gefahren werden, wird nun das Schaltsignal für den Laser jeweils mit der steigenden oder fallenden Flanke von G0 verknüpft. Darüber hinaus lässt sich das Laserschaltsignal aber auch an einen einstellbaren G1-Vorschubschwellwert koppeln. Um möglichst kurze Reaktionszeiten zu erreichen, wird das Ein- und Ausschalten des digitalen Lasersignals vom Lageregler der CNC aus in Abhängigkeit der Istposition gesteuert. Das Laserschaltsignal wird über einen schnellen digitalen NCK-Ausgang ausgegeben. Zur Aktivierung dieser neuen Funktion ist vom Anwender lediglich eine Freigabe entsprechend dem Einsatz der Funktion zu programmieren. Weitere programmtechnische Vorkehrungen sind nicht erforderlich. Highspeed-Laser-Cutting wird zunehmend beispielsweise zur Herstellung von Lochblenden angewandt. Bild 2 zeigt eine Laserschneidemaschine von Finn-Power, die mit einer Sinumerik 840D und Simodrive 1FN3-Linearmotoren ausgerüstet ist.