Fertigungsautomatisierung Offen bis in den Kern

Nur offene CNC können die Anforderungen der Werkzeugmaschinenindustrie erfüllen

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Nur offene CNC können die Anforderungen der Werkzeugmaschinenindustrie erfüllenDer Maschinenbau, insbesondere in der Werkzeugmaschinen-Industrie, kann nur mit immer schnelleren Innovationszyklen in der Maschinenkonstruktion im internationalen Wettbewerb bestehen. Diese hohen Anforderungen lassen sich nur durch innovative Konzepte und neue Ideen bei der Steuerung oder dem Antrieb realisieren. Auf der Steuerungsseite lassen sich solche Forderungen beispielsweise mit einem offenen CNC-Steuerungskonzept erfüllen, das Erweiterungen auch im NC-Kern zulässt.Ein Beispiel dafür sind Werkzeugmaschinen, deren Maschinenachsen sich in einem nichtkartesischen Koordinatensystem bewegen (bei so genannten Parallelkinematiken).Bisher mussten bei diesen Maschinen die kartesischen Positionssollwerte offline über einen Postprozessor in Sollwerte für die Maschinenachsen umgerechnet werden. Mit der offenen Architektur und der hohen Rechenleistung der CNC Sinumerik 840D ist es nun möglich, flexible, schnelle und kostengünstige Anpassungen der CNC-Funktionen an unterschiedlichste innovative Maschinenkinematiken zu verwirklichen.In der Steuerung implementierte kinematische Transformationen gestatten die Berechnung der Positionssollwerte in Echtzeit ohne Postprozessor. Der Maschinenhersteller bestellt die standardmäßige NCU-Systemsoftware und bereits getestete ladbare technologische Zusatzfunktionen und kombiniert daraus sein „maßgeschneidertes Standardprodukt“. In Verbindung mit von Siemens angebotenen Dienstleistungen wird die Offenheit der CNC Sinumerik 840D zum deutlichen Vorteil für den Kunden.Die Werkzeugmaschine V100 der Firma Index steht dabei beispielhaft für die fruchtbare Zusammenarbeit zwischen Steuerungs- und Maschinenhersteller.Das hochdynamische vertikale Drehzentrum V100 von Index arbeitet nach dem Parallelkinematik-Prinzip (Index-spezifisches Know-how), einem für Drehmaschinen revolutionär neuen Konzept: die Motorspindel sitzt auf einer Plattform, die über sechs Stäbe mit konstanter Länge frei im Raum bewegt werden kann (Delta-Prinzip).Jedes der drei parallelen Stabpaare wird auf einem Vertikalschlitten von einem Servomotor Simodrive 611 digital auf höchste Touren gebracht. Damit werden Eilgangbewegungen bis 60 m/min erreicht. Die geringen Massen erlauben hohe Beschleunigungen von bis zu 1 g. Die Werkzeuge sind auf einem schwenkbaren Flächenrevolver mit zwei mal sechs Bearbeitungsstationen in der XY-Fläche angeordnet und können von der Motorspindel auf kürzesten Wegen erreicht werden.Es lassen sich kurze Span-zu-Span-Zeiten erreichenDamit lassen sich sehr kurze Span-zu-Span-Zeiten und eine Reduzierung der Nebenzeiten erreichen. Die Motorspindel ist nach dem Pick-up-Verfahren auch für den Werkstücktransport verantwortlich. Dabei kommt die hohe Dynamik zur vollen Entfaltung. In kürzester Zeit werden bereitstehende Werkstücke abgeholt, den Bearbeitungswerkzeugen zugeführt und nach der Bearbeitung wieder aus dem Arbeitsraum zum Transportsystem zurückgebracht. Während der Bearbeitung wird die Be- und Entladestelle des Transportbandes durch eine drehbare Metallröhre verschlossen und geschützt.Das Parallelkinematikprinzip der V100 übertrifft herkömmliche Kreuzschlitten in der Steifigkeit um ein Vielfaches. Das führt zu einer erheblichen Verbesserung der Oberflächengüte und Minimierung der Toleranzen der gefertigten Werkstücke. Diese Vorteile wirken sich besonders bei hochgenauen Bearbeitungsvorgängen wie beim Hartdrehen aus. Voraussetzung für die schnelle Umsetzung solcher kreativer und zukunftsweisender Maschinenkonzepte ist eine CNC-Steuerung, die sich in allen Bereichen an die gestellten Aufgaben anpassen lässt.Mit der Sinumerik 840D gibt es eine CNC-Steuerung mit Offenheit für den Maschinenhersteller in den Bereichen HMI (Human Machine Interface) für eigene Bedienoberflächen und im NCK (Numerical Kernel) für maschinenspezifische Funktionalität. Mit Hilfe von speziell zu entwickelnden kundenspezifischen Erweiterungen in Form von so genannten „Compile-Zyklen“ wird die kinematische Transformation neuartiger Maschinenkinematiken in der Steuerung hinterlegt und in Echtzeit interpoliert.Die Implementation einer anwenderspezifischen kinematischen Transformation wird in der Regel als Dienstleistung vom Steuerungshersteller als Partner der Maschinenindustrie erbracht. Ganz entscheidend ist dabei der zeitliche Rahmen, in dem die Umsetzung stattfindet. Durch die Trennung von Standard-CNC-Funktionalität und separat entwickelter Compile-Zyklen ist die Implementation einer neuen Maschinenkinematik innerhalb weniger Wochen möglich. Die anwenderspezifischen Entwicklungen werden dann vom Maschinenhersteller als Add-on in die Standardsoftware geladen. Die Applikationsentwicklung ist dabei weitgehend unabhängig von den Innovationszyklen der Standardsoftware.Programmieren wie gewohntNach der Einbindung der maschinenspezifischen Transformation in die Systemsoftware bleiben fast alle übrigen Steuerungsfunktionen uneingeschränkt nutzbar. Die Programmierung kann in gewohnter Weise im kartesischen Werkstückkoordinatensystem erfolgen. Der programmierte Vorschub wird wie üblich auf die Werkzeugspitze bezogen. Nullpunktverschiebungen und Rotationen für die Bearbeitung in einem geschwenkten Koordinatensystem sind ebenso anwendbar wie die vielfältigen Möglichkeiten der Werkzeugkorrekturen im Raum. Zur Vermeidung von Kollisionen im Arbeitsraum, zum Beispiel zwischen der bewegten Motorspindel und feststehenden Maschinenteilen, können dreidimensionale Schutzbereiche genutzt werden.Diese Schutzbereiche werden ebenfalls direkt im kartesischen Bezugssystem beschrieben und von der kinematischen Transformation während der Bearbeitung (und im Handbetrieb) berücksichtigt. Auch im Handbetrieb werden die Achsen kartesisch verfahren. Damit findet der Bediener das gewohnte Verhalten einer konventionellen Maschine weitestgehend wieder. Zur zeitlichen Optimierung der Bearbeitungsabläufe lassen sich bei der CNC Sinumerik 840D Bearbeitungssynchronaktionen, kurz Synchronaktionen, programmieren, die parallel zur eigentlichen Teilebearbeitung im Interpolationstakt Aktionen auslösen können. So kann beispielsweise beim Anfahren des Transportbandes die Ladeluke abhängig vom Restweg und ohne Geschwindigkeitseinbruch parallel zur Bewegung angesteuert werden.Die Vorschubbewegung kann über den „Bahn-Override“ solange reduziert werden, bis die Einfahrt zum Transportband frei ist. Dabei entstehen zeitoptimale Einfahrbewegungen ohne Zwischenhalt. Sobald die Ladeluke über dem Transportband der V100 öffnet, wird die Spindeldrehzahl mit der zertifizierten Sicherheitsfunktion „Sinumerik Safety Integrated“ begrenzt und sicher überwacht. Zur Erhöhung der Maschinengenauigkeit steht neben den konventionellen axialen Kompensationen für Umkehrlose, Spindelsteigungsfehler und Temperaturkompensation für die Stabkinematik eine zusätzliche räumliche Kompensation zur Verfügung, die sogenannte „Space Error Compensation SEC“.Zur Ermittlung der SEC-Kompensationsdaten werden einige hundert gitterförmig im Arbeitsraum verteilte Positionen angefahren und mit einem externen Messgerät absolut vermessen. Die Abweichungen zu den Sollpositionen werden in ein dreidimensionales Datenfeld übertragen und in Echtzeit verrechnet. Mit dieser Methode lassen sich auch kleinste resultierende statische Abweichungen auf einfache Weise kompensieren.Mit virtuellen Prototypen schneller am MarktWettbewerbsfähigkeit im Werkzeugmaschinenbau wird durch schnelle Innovationszyklen gewährleistet. Mit dem gewohnten Vorgehen - erst mechanische Konstruktion, dann Auswahl der elektrischen Komponenten mit folgendem Prototypenbau und anschließender Testphase - erreicht man zwar eine optimale Maschine, für den heutigen Markt aber nicht schnell genug. Abhilfe schafft die mechatronische, das heißt ganzheitliche Betrachtung der Maschine.Sie ermöglicht durch Simulation und Analysen die Entwicklungs- und Testphase einer Maschine wesentlich zu verkürzen - bei gleichzeitiger Erhöhung der Qualität.Mit der von Siemens A&D Motion Control angebotenen Dienstleistung „Mechatronik Support“ werden alle „Kunden“ - vom Maschinenhersteller bis zum Endkunden - zu jedem Zeitpunkt von der Produktentstehung über den Maschinenbau bis zum Maschinenbetrieb unterstützt. Schon beim Entwurf der Maschine wird der gesamte Antriebsstrang und die Ansteuerung mit berücksichtigt.Mit Hilfe einer Simulation kann die Maschine in ihren Eigenschaften nachgebildet werden. Als Ergebnis erhält man schließlich eine virtuelle Maschine, von der man recht genau sagen kann, wie sie sich als Prototyp verhalten wird. Das liefert ein deutliches Einsparungspotential sowohl in Bezug auf Zeit- als auch auf Materialeinsatz. Unnötige Iterationsschritte im Entwicklungsprozess werden vermieden, der erste Maschinenprototyp erfüllt die gewünschte Funktionalität sofort, langwierige Tests und aufwändige kostenintensive Erstinbetriebnahmen entfallen.Besonders bei Parallelkinematiken ist eine gemeinsame Analyse aller Achsen erforderlich, weil Bewegungsführung und Abstützung nicht getrennt und Dynamik beziehungsweise Steifigkeit für viele Arbeitspunkte zu untersuchen sind. Dabei kommt die Siemens-Dienstleistung „Technologie Transfer Center TTC für Parallelkinematik-Anwendungen“ zu Hilfe: An der virtuellen Maschine werden Engineering-Tools zur Bewegungs- und Bearbeitungssimulation eingesetzt, um die Einfahrzeiten von NC-Programmen an der realen Maschine zu minimieren und um Laufzeiten zu optimieren.Virtuelle Fertigung ermöglicht mikrometergenaue AuflösungBei der virtuellen Fertigung von Werkstücken lässt sich eine mikrometergenaue „Auflösung“ der Werkstückoberfläche mit der Darstellung zahlreicher Zwischenschritte (Teileprogramm, Interpolations-Output, Mechanik-Output) und anschließender Teileprogramm-Analyse erreichen.Diese Siemens-Dienstleistung wird nicht nur für Parallelkinematik-Maschinen, sondern auch für konventionelle Maschinen angeboten. Das Mechatronik-Angebot endet aber nicht mit der Maschinensimulation.Der Marktführer Siemens ist schließlich selbst Hersteller und Anwender der Automatisierungs- und Antriebstechnik und kann diese Erfahrungen auch bei der Entstehung der realen Maschine und während der Erstinbetriebnahme in enger Zusammenarbeit mit seinen Kunden einbringen. Mechatronik-Support erzielt den höchsten Nutzen, wenn der Maschinenhersteller diese Dienstleistung schon in der Konzeptionsphase neuer Maschinen mit einbezieht, was anhand der beschriebenen innovativen Werkzeugmaschine V100 eindrucksvoll bestätigt wurde.