Steuerungstechnik Feinschliff

CNC ermöglicht 5-Achsen-Schleifen mit hoher Wirtschaftlichkeit. Früher wurden Werkzeuge mit geometrisch definierten Schneiden, die unterschiedlichste und komplexe Geometrien haben können, auf...

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CNC ermöglicht 5-Achsen-Schleifen mit hoher Wirtschaftlichkeit.Früher wurden Werkzeuge mit geometrisch definierten Schneiden, die unterschiedlichste und komplexe Geometrien haben können, auf manuellen Werkzeugmaschinen mit sechs oder mehr Achsen geschliffen, wobei an eine Leitachse eine oder zwei Achsen mechanisch gekoppelt wurden. Die übrigen Achsen wurden fest auf einen bestimmten Abstand oder Winkel eingestellt. Heute erfolgt das Werkzeugschleifen auf 5-Achs-Werkzeugschleifmaschinen, weil die Werkzeuggeometrien noch komplexer und die geforderten Maßtoleranzen immer kleiner geworden sind. Auch in Zukunft steigen die Anforderungen ständig in Bezug auf die Anzahl und Komplexität der Geometrieelemente durch weiterentwickelte Techniken (beispielsweise High Speed Cutting) an die einzusetzenden Werkzeuge. Mit der auf die Erfordernisse des Werkzeugschleifens zugeschnittenen Bedien- und Programmiersoftware der Werkzeugmaschinenfabrik Alfred Schütte GmbH & Co. KG wird die CNC Sinumerik 840D zum Spezialisten für das fünfachsige Werkzeugschleifen.CNC-Steuerung für kompakte MaschinenkonzepteModerne CNC-Werkzeugschleifmaschinen sind mit drei linearen Achsen (X, Y, Z) und zwei rotatorischen Achsen (A, C) ausgestattet. Die A-Achse ist hierbei die Rotationsachse des Werkstückspindelstocks und die C-Achse die Schwenkachse der Schleifscheibe, die ein schräges Anstellen gegenüber dem Werkstück ermöglicht. Beide rotatorischen Achsen werden direkt angetrieben. Mit dieser Kinematik können alle rotationssymmetrischen Werkzeuge, Einlippen- oder Tieflochbohrer, Reibahlen, Dreh- oder Profilwerkzeuge, Stab- oder Profilmesser und Ähnliches geschliffen werden. Damit werden etwa 95% aller Werkzeugschleifanwendungen abgedeckt. Eine dritte rotatorische Achse wäre nur für die Fertigung von Flachräumwerkzeugen erforderlich, weil sich dafür das Verhältnis zwischen Arbeitsraum und Baugröße der Maschine wesentlich günstiger gestalten lässt. Aber auch eine dritte rotatorische Achse ist für moderne Maschinensteuerungen, wie die Baureihe Sinumerik 840D von Siemens, kein Problem. Die Schwenkachse C erhält bei der Entwicklung neuer CNC-Werkzeugschleifmaschinen eine ganz besondere Bedeutung: Diese Schwenkachse muss möglichst so gestaltet sein, dass sich die Schleifscheibe um sich selbst schwenken lässt. Kompakte Werkzeugschleifmaschinen integrieren deshalb die Schwenkbewegung der Schleifscheibe direkt in den Schleifkopf, um Ausgleichsbewegungen, die zu einer Reduzierung des linearen Achsverfahrweges führen, vorzubeugen.Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Konzeption neuer CNC-Werkzeugschleifmaschinen ist die Maschinensteifigkeit. Wesentliche Vorteile bringt die Kombination einer orthogonalen Fahrständer- und einer Schrägbettmaschine zur Kompaktbauweise, weil durch die unter 30° schräg angeordnete C-Achse die Auskragung und die Maschinenhöhe minimiert werden können und sich damit die Maschinensteifigkeit wesentlich erhöht.Mit der Sinumerik 840D wird diese Kinematik für den Bediener leicht beherrschbar: Das werkstückbezogene Koordinatensystem bleibt nach wie vor rechtwinklig. Es ist lediglich um 30° um die Werkstücklängsachse nach hinten geschwenkt. Die Frame-Technik der CNC berechnet automatisch im Hintergrund die Achsbewegungen: Verfährt die Maschine beispielsweise mit der Y-Achse, so bewegen sich sowohl der Fahrständer als auch der Vertikalschlitten in einem diesen 30° entsprechenden Verhältnis mit. Der Maschinenbediener muss sich also gegenüber der Orthogonalbauweise nicht auf die Bedienung der (schrägen) Kompaktbauweise umstellen. Die CNC-Werkzeug- und Universalschleifmaschine WU 305 der Werkzeugmaschinenfabrik Alfred H. Schütte GmbH & Co KG repräsentiert eine solche Entwicklung.Für Werkzeugschleifmaschinen bringen Direktantriebe für die Schwenkachse C und den Werkstückspindelstock (A-Achse) erhebliche Vorteile: Weil diese beiden Achsen sehr oft interpolierend verfahren werden, lassen sich durch die absolute Spielfreiheit der Direktantriebe höchste Konturgenauigkeiten beim Werkzeugschleifen erreichen. Auch Beeinträchtigungen im Schleifbild werden bei spielfreien Bewegungen dieser Rundachsen vermieden. Zudem kann vollständig auf ein Schneckengetriebe verzichtet werden, was zur Reduzierung von (Verschleiß-)Teilen beiträgt. Direkt angetriebene NC-RotationsachsenDirektantriebe für diese NC-Rotationsachsen wurden möglich mit der Entwicklung von permanentmagneterregten Motorspindeln (PE-Spindeln) und deren Regelungen. Die 6-poligen Synchron-Einbaumotoren 1FE1 (High-Torque-Reihe) aus dem Simodrive-Sortiment sind speziell für Rundachsbetrieb ausgelegt und erfüllen in Zusammenarbeit mit dem Umrichtersystem Simodrive 611 digital und der CNC-Steuerung Sinumerik 840D alle schleifspezifischen Anforderungen. Diese Motoren bieten gegenüber Asynchronmotoren weitere Vorteile: etwa 90% weniger Verlustleistung und damit geringere Lagererwärmung/ Spindelausdehnung, weniger Kühlleistung bei gleichem Drehmoment, bis zu 60% höheres Drehmoment bei gleichem Bauvolumen und eine etwa um 50% kürzere Hochlaufzeit bei gleichem Trägheitsmoment. Mit Synchron-Einbaumotoren 1FE1 wird höchste Genauigkeit am Werkstück durch ruhigen, genauen Spindellauf auch bei kleinsten Drehzahlen erzeugt, da keine Antriebsquerkräfte wirken. Die technisch innovativste Multifunktionalität an einer Werkzeugschleifmaschine wird mit dem direktangetriebenen Werkstückspindelstock erreicht. Dadurch ist es möglich, die A-Achse nicht nur für das Interpolations- oder Drallschleifen zu benutzen, wobei nur sehr niedrige Drehzahlen benötigt werden. Diese Achse kann ebenso, abhängig von der Maschinenkonstruktion, für Drehzahlen bis zu 6000 min-1 eingesetzt werden. Damit eröffnen sich neue technische Wege, sodass auch Hochleistungsrundschleifprozesse, wie das Außenrundschälschleifen und -formschleifen, mit dem typischen Werkzeugschleifen kombinierbar sind. Ist die Maschine mit der entsprechenden Hardware ausgestattet, so wird das Umschalten von langsamen auf schnelle Drehzahlen zur rein softwaremäßigen Aufgabe. Die CNC stellt dafür ein umfangreiches und komfortables Achs- und Spindelfunktionspaket zur Verfügung.Für wirtschaftliches Werkzeugschleifen ist es nicht allein ausreichend, dass der Maschinenhersteller ein gut entwickeltes Maschinenkonzept vorlegt. Viele Bearbeitungen werden mit fünf gleichzeitig interpolierenden Achsen durchgeführt. Die zugrunde liegenden mathematischen Berechnungen sind sehr vielschichtig. Im Gegensatz zum Drehen oder 5-Achs-Fräsen müssen beim 5-Achs-Schleifen sehr komplexe Durchdringungen und eine wandernde Kontaktfläche an der Schleifscheibenoberfläche betrachtet werden. Somit sind die Kontaktbedingungen beim Werkzeugschleifen nie konstant.Zwar bietet die CNC für das Drehen oder Fräsen zahlreiche Funktionen und technische Zyklen an, bei denen der eigentliche Verfahrweg, ausgehend von der Werkstückgeometrie, berechnet wird, jedoch können solche Funktionen für das Schleifen nur begrenzt eingesetzt werden. Sobald die Schleifscheibe schräg zur resultierenden Achsbewegung angestellt wird - was beim Werkzeugschleifen häufig der Fall ist - sind diese Funktionen nicht anwendbar. Als Lösung bieten Hersteller von Werkzeugschleifmaschinen gemeinsam mit der Maschine auch darauf abgestimmte Programmierpakete an. Programmiersoftware entspricht AnforderungenDie Werkzeugmaschinenfabrik Alfred H. Schütte hat mit der ,,Schütte-Integrated-Grinding-Software (SIGS)" die Bedien- und Programmiersoftware HMI-Advanced für Sinumerik Operator Panels erweitert und damit eine schleifspezifische Bedien- und Programmiersoftware geschaffen, die diesen Anforderungen gerecht wird: Auf der Grundlage von Werkstück-, Schleifscheiben-, Maschinen- und Technikdaten werden die Achsbewegungen für sämtliche Schleifoperationen berechnet und in Form eines NC-Programmes ausgegeben. Um verschlissene Werkzeuge nachzuschleifen, stehen zusätzliche Softwarezyklen zur automatischen Vermessung der zu schleifenden Werkzeuge zur Verfügung. Über eine menügesteuerte Bedienerführung können Eingabemasken für Maschinen- und Tasterdaten sowie unterstützende Angaben zur Schleiftechnologie aufgerufen werden. Drei Hauptblöcke erlauben dabei die Eingabe von Schleifscheiben- und Werkstückdaten sowie die Erstellung des zugehörigen NC-Programms. Dieses System bietet dem Anwender die Möglichkeit, die Schleifscheibenpakete selbst zusammenzustellen und den gewünschten Schleifoperationen geeignete Schleifscheiben zuzuweisen. Die Eingabe der Werkstückdaten wird dem Bediener dadurch vereinfacht, indem für jeden Parameter eine Grafik zur Verfügung steht sowie der zulässige Wertebereich angezeigt wird. Darüber hinaus können den Parametern Zusatzfunktionen (beispielsweise Vermessung mit dem Messtaster, Übernahme aus einer Datenbank, automatische Berechnung aus anderen Parametern) zugeordnet werden. Der Bediener hat somit die Möglichkeit, das Programmiersystem auf seine individuellen Bedürfnisse anzupassen.Der Programmierer wird bei der NC-ProgrammerstelIung durch eine übersichtliche NC-Programmstruktur unterstützt. Hier werden die aus den Eingaben berechneten Achsverfahrbewegungen in Form von Parametern und Teileprogrammen eingefügt. Im Werkstückverzeichnis werden das zur Bearbeitung benötigte Hauptprogramm, das Unterprogramm für die Steuerungsoberfläche mit den Parametern und erforderliche Unterprogramme für die Bearbeitungsschritte abgelegt. Für den Bediener ergeben sich damit zwei entscheidende Vorteile: Zum einen kann er alle so erzeugten NC-Programme einsehen, ja sogar editieren. Zum anderen kann ein Anwender ohne detaillierte NC-Programmiererfahrung die Maschine in vollem Umfang nutzen und bedienen. Für den Einsatz von Sonderwerkzeugen, die von einem NC-Programmiersystem nicht unterstützt werden können, steht dem versierten Anwender die Programmiersyntax der Sinumerik 840D zur Verfügung. Die schleifspezifische Bedien- und Programmiersoftware der Fa. Schütte ist so gestaltet, dass der Anwender auch dafür Parameter auf übersichtlichen Bildschirmseiten mit Werten versorgen kann, ohne den NC-Programmcode einsehen zu müssen.CNC-Synchronaktionen lassen sich nutzenZusätzlich werden die in der CNC enthaltenen vielfältigen Bewegungssynchronaktionen (kurz: Synchronaktionen) oft genutzt: Mit Synchronaktionen lassen sich synchron zu den Achs- und Spindelbewegungen Aktionen anstoßen, die parallel zur eigentlichen Werkstückbearbeitung ablaufen und deren Einsatzzeitpunkte durch Bedingungen festgelegt werden können. Der Start solcher Synchronaktionen ist nicht an NC-Satzgrenzen gebunden. Synchronaktionen werden im Interpolationstakt der CNC ausgeführt, es können mehrere Aktionen im gleichen Interpolationstakt bearbeitet werden. Statisch wirksame Synchronaktionen sind sogar über alle Betriebsarten hinweg, also auch im Einrichtbetrieb, aktiv. Das Unternehmen Schütte setzt Bewegungssynchronaktionen zum Beispiel zur Online-Berechnung nichtlinearer Werkzeugkorrekturen und zur adaptiven Regelung ein. Damit wurde der Komfort der Werkzeugschleifmaschinen wesentlich gesteigert. Werden die Datenmengen zur Beschreibung des Schleifprozesses zu umfangreich oder ist eine NC-Programmierung durch einfache mathematische Berechnungen nicht mehr möglich, wird eine Kopplung zwischen CAD-Systemen und der CNC erforderlich. Ausgehend von den CAD-Daten, die das zu schleifende Werkstück beschreiben, werden in einem CAM-System die Schleifbearbeitungsbahnen definiert. Die anschließende Datenkonvertierung mittels Postprozessor wandelt die Schleifwege unter Berücksichtigung der Achskinematik in ein NC-Programm um.