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Steuerungstechnik

Mit Sicherheit geregelt

28.09.2006 | Redakteur:

In die Steuerung integrierte Sicherheitsfunktionen schützen Maschine und Bediener.

Werkzeugmaschinen haben sich in den letzten Jahren zu Hochleistungsmaschinen entwickelt, deren Achsbeschleunigungen zum Teil mehrfache Erdbeschleunigung und die Verfahrgeschwindigkeiten enorme Werte erreichen. Auch die Verfahrmöglichkeiten der Maschinen haben zugenommen. Fünf und mehr Achsen lassen sich gleichzeitig steuern, was zur Produktion hoch komplexer Bauteile genutzt wird. Allerdings sind damit auch die Anforderungen an Maschinenprogramme und den Bediener gestiegen. Um eine in jeder Hinsicht sichere Bearbeitung zu gewährleisten, bieten Hightech-CNC Hilfestellung an.GE Fanuc hat in den CNC der Serien 30i Modell A, 31i Modell A/A5 sowie in den entsprechenden Open-CNC 300i und 310i ein spezielles Echtzeit-System integriert, das Kollisionen zwischen Maschinenkomponenten und Werkstück im automatischen wie auch im manuellen Betrieb vorbeugt. Diese 3D-Interferenzprüfung genannte Funktion zeigt ihre Stärken vor allem beim Einrichten der Maschine – besonders, wenn komplexe Bauteile gefertigt werden sollen.Kollisionen während des Einrichtvorgangs vermeidenWährend in der automatischen Serienbearbeitung im Allgemeinen ein getestetes Programm zum Einsatz kommt, ist die Kollisionsgefahr beim Einrichtvorgang wesentlich größer. Der Maschinenbediener muss mit dem Messtaster verschiedene Punkte anfahren oder das Werkstück ankratzen, um den Nullpunkt zu bestimmen. Bei komplexen Teilen sind jedoch die dafür erforderlichen Verfahrbewegungen des Werkzeugs kompliziert und nicht jede Bahn vorhersehbar.Um Kollisionen zu vermeiden, kann der Bediener mit der 3D-Interferenzprüfung sein Werkstück sowie die Spannvorrichtungen schützen. Dazu muss er allerdings diese kollisionsgefährdeten Objekte definieren. Das funktioniert über quaderförmige Hüllgeometrien, sogenannte Interferenzbereiche, die das Werkstück und die Spannvorrichtung umgeben. Sie funktionieren wie Software-Endschalter, die bei Berührung die Achsbewegungen sofort stoppen. Die Maschinenelemente (zum Beispiel der Tisch) sind als solche Interferenzbereiche bereits durch den Maschinenhersteller vorgegeben. Der Interferenzbereich des Werkzeugs inklusive Aufnahme wird von der Steuerung durch die Angabe von Länge und Durchmesser bestimmt.Um die Interferenzbereiche für Werkstück und Spannvorrichtung einzugeben, bestehen zweierlei Möglichkeiten: Bei den Standard-CNC von GE Fanuc muss der Bediener die Bereiche über Parameter festlegen. Die Open-CNC der Serien 300i und 310i von GE Fanuc, die mit einem zusätzlichen Industrie-PC ausgestattet sind, bieten diesbezüglich noch mehr Komfort: Eine Library-Funktion (Focas-2-Schnittstelle) ermöglicht dem Bediener ein optisch unterstütztes Programmieren der geschützten Bereiche, und eine Simulationssoftware zeigt die Werkzeugbewegungen in Echtzeit an. Sollte es zu Interferenzen der geschützten Bereiche kommen, bleibt die Maschine sowohl bei der Standard- als auch bei der Open-CNC augenblicklich stehen - eine Kollision ist ausgeschlossen. Auf dem PC werden die gefährdeten Bereiche sogar farbig und blinkend dargestellt. Kraft, Beweglichkeit und Schnelligkeit einer modernen Werkzeugmaschine gefährden nicht nur das Werkstück und die Maschine selbst, sie stellen auch für den Bediener ein erhebliches Gefahrenpotenzial dar. Daher haben Werkzeugmaschinen heutzutage in der Regel die Sicherheitskategorie 3 (EN 954-1) zu erfüllen, um die Sicherheit von Maschine und Bediener zu garantieren. Anstatt mechanischer Sicherheitsvorkehrungen können auch moderne CNC diese Aufgabe übernehmen.Eine spezielle integrierte Funktion, die bei CNC von GE Fanuc Dual-Check-Safety heißt, unterstützt die Sicherheit aktiv. Im Gegensatz zu passiven Sicherheitsmechanismen, also angebauten mechanisch-elektronischen Bauteilen wie Schutztüren und Sicherheitsschaltern, sind aktive Mechanismen in das Steuerungssystem der Maschine eingebaut. Die CNC überwacht also mit Sensoren sowohl den Zugang zur Maschine als auch alle Bewegungen, die die Maschine ausführt. Sie vergleicht die aktuellen Ist-Geschwindigkeiten und -Positionen der sich bewegenden Maschinenteile (Achsen und Spindeln) mit den Geschwindigkeits- und Positions-Daten, die in vor unerlaubtem Zugriff geschützten Sicherheitsparametern gespeichert sind. Bei Bedarf und im Notfall setzt sie die Maschine still.Um die Sicherheit hundertprozentig zu gewährleisten, muss die Steuerung die Maschine zweikanalig überwachen. Dafür sind grundsätzlich zwei unabhängige Prozessoren notwendig. Bei GE Fanuc-Steuerungen bedeutet das jedoch keinen zusätzlichen Aufwand. Von Haus aus ist eine CNC-CPU und eine Monitor-CPU vorhanden. Beide überwachen die Motoren sowie die sicherheitsrelevanten E/A-Signale. Die CNC-CPU, das Herz des Gesamtsystems, stellt zudem die Algorithmen und CNC-Programmiertechnik bereit. Beide empfangen von der Maschine über separate Kanäle die Signale, die den Status der Maschine angeben. Beide haben ihre eigenen RAM-Daten und wissen von der anderen CPU, wie deren Datenaustausch mit Motoren und Amplifiern aussehen soll. So kontrollieren sie sich gegenseitig. Jeder Prozessor prüft seine Daten gegen die des anderen.Ein aktives Sicherheitssystem überwacht die MaschineSicherheitsrelevante Türen werden in beide CPU hinein verdrahtet, damit der Öffnungszustand gegenseitig überwacht werden kann. Bei offener Tür schaltet die Steuerung auf einen Sicherheitsmodus, der Bewegungen nur in vorgegebenen Bereichen und Geschwindigkeiten zulässt. Sollten die Ist-Daten mit den Soll-Daten nicht übereinstimmen, aktiviert eine CPU den Zustand Not-Aus, der die Maschine schnellstmöglich in eine gefahrlose Ruhestellung bringt.Der Vorteil von aktiven Sicherheitsvorkehrungen wie Dual-Check-Safety ist, dass man auf viele Anbauteile wie zum Beispiel Achs-Endschalter verzichten kann, und auch auf deren Verdrahtung und Programmierung. Das spart Platz, Ärger und Arbeit im Schaltschrank.

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