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Industrie-PC

Offene CNC-basierte PC-Lösung rationalisiert Mikrobearbeitung

| Autor/ Redakteur: Philippe Monnin / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Erstmals konnte ein Schweizer Maschinenbauer in der Mikrobearbeitung Dynamik und Steifigkeit der Delta-Kinematik umfassend ausschöpfen. Möglich machte das die Verringerung der bewegten Massen sowie eine PC-basierte CNC-Lösung. Energieverbrauch und Bearbeitungszeit gingen erheblich zurück.

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Bild 2: Das Mikrobearbeitungszentrum 701S benötigt nur rund 1 m² Stellfläche.
Bild 2: Das Mikrobearbeitungszentrum 701S benötigt nur rund 1 m² Stellfläche.
(Bild: Willemin-Macodel)

Die schweizerische Willemin-Macodel ist Spezialist für Maschinen zur Kleinteilebearbeitung. Eingesetzt werden die Anlagen unter anderem in der Uhrenindustrie, Medizintechnik und Luftfahrtindustrie. Dazu erläutert der technische Geschäftsführer Denis Jeannerat: „Unsere Kernkompetenz sind hoch präzise Maschinen zur Vollprozessbearbeitung. Wegen des schwierigen Fixierens der kleinen Werkstücke übernimmt die Maschine alle Bearbeitungsschritte – ohne die traditionelle Trennung in Dreh-, Fräs- und Schleifprozess. Hinzu kommt auch das Teilehandling, das heißt das sorgfältige Ein- und Ausbringen der Werkstücke.“

Eine einfache Idee revolutioniert die Mikrobearbeitung

Paradebeispiel für diese Mikrobearbeitung ist laut Jeannerat das zur EMO 2013 vorgestellte Bearbeitungszentrum 701S. Die zugrunde liegende Idee klingt vordergründig einfach: In der Mikrobearbeitungsmaschine 701S kommt ein umgedrehter, quasi auf den Kopf gestellter Delta-Roboter zum Einsatz, der das zu bearbeitende Werkstück – und nicht wie üblich das Werkzeug – bewegt (Bild 1).

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Die Überlegungen zu diesem Konzept erklärt Denis Jeannerat folgendermaßen: „Auf unseren Märkten zeigt sich eine sehr starke Tendenz zur Miniaturisierung der Komponenten. Wir wollten daher eine Maschine entwickeln, bei der das Verhältnis von Teile- zu Maschinengröße stimmt. Denn um ein 2 oder 20 g schweres Teil zu bearbeiten, macht es keinen Sinn, einen 100 kg schweren Werkzeugschlitten in einer 3 m langen, 12 t schweren Maschine zu bewegen. Viel besser ist es, die kleine Masse des Werkstücks statt der des Werkzeugs zu bewegen. Auf diese Weise reduzieren sich die zu bewegenden Massen immens, von vielleicht 500 bis 800 kg für eine konventionelle Achse auf nur noch rund 2 kg. Und diese geringen Trägheitsmomente lassen sich auch mit einem Delta-Roboter beherrschen.“

Das Grundkonzept der neuen Maschine basiert dementsprechend auf einer Parallelkinematik mit Delta-Struktur, die sich durch einen über drei Arme verbundenen Werkstückträger auszeichnet. Die für die Bearbeitung kleiner Werkstücke (Durchmesser: 52 mm × 32 mm) ausgelegte Bearbeitungsstrategie der 701S (Bild 2) stellt die rechenintensive „Kreisinterpolation“ in den Mittelpunkt. Kennzeichen sind eine Bahnkontrolle kleiner als 0,2 µm, geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen sowie sehr hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit. Eine speziell entwickelte Hochleistungsmotorspindel mit einer maximalen Drehzahl von 80.000 min-1 und ohne Werkzeughalter sorgt zusätzlich für erhöhte statische und dynamische Steifigkeit, sehr hohe Auswuchtgüte sowie einen geringen Rundlauffehler (unter 1 μm an der Werkzeugspitze).

PC-basierte Steuerungstechnik nutzt Maschinenkinematik optimal aus

Was als Konzept so einfach klingt, erfordert allerdings sowohl in konstruktiver als auch in steuerungstechnischer Hinsicht viel Entwicklungsaufwand und Know-how, wie Denis Jeannerat verdeutlicht: „Es war für uns ein sehr langes Projekt, begonnen vor mehr als fünf Jahren. Vor allem die Mechanik und Antriebstechnik erforderten einen hohen Entwicklungsaufwand, um das dynamische Verhalten erhöhen und beherrschen zu können.“

Die Entscheidung, dabei PC-basierte Steuerungstechnik einzusetzen, fiel bereits zu Beginn des Projekts. Denn von Anfang an war klar, dass sich nur mit ihr die aufwendigen Kreisinterpolationen und ausreichend schnelle Regelkreise realisieren lassen würden. Dazu Denis Jeannerat: „Ziel war schließlich, eine extrem dynamische Maschine zu entwickeln. Die entsprechend hohe dynamische Steifigkeit des Systems erreicht man gerade bei den reduzierten zu bewegenden Massen nur mit einem leistungsfähigen Industrie-PC, der die Regelkreisparameter äußerst schnell berechnen kann.“

Offene und leistungsstarke Steuerung hat sich vielfach bewährt

Nach der Entscheidung für die leistungsfähige PC-basierte Steuerungstechnik wurde der passende Lieferant ebenfalls schnell gefunden. Denis Jeannerat: „Wir haben verschiedene Systeme begutachtet und waren direkt von PC-Control überzeugt. Und zwar nicht nur von der Technik. Denn wichtig war uns auch, dass Beckhoff über viel Know-how und industrielle Erfahrung verfügt.“

Besonderen Wert legt Willemin-Macodel laut Dennis Jeannerat zudem auf eine hohe Flexibilität in der Maschinenkonstruktion: „Um unsere Maschinen möglichst flexibel gestalten zu können, benötigen wir unbedingt ein in jeglicher Hinsicht offenes System – mit einem vielfältigen I/O-Spektrum, aber auch in Bezug auf die Kommunikation mit Subsystemen und die Anpassungsfähigkeit der Software. Sehr wichtig ist beispielsweise die Kommunikation mit den notwendigen Handling- beziehungsweise Robotersystemen. Hier profitieren wir einerseits von den in der Software Twincat bereits integrierten Kinematiken, können andererseits bei Bedarf aber auch sehr einfach eigene Lösungen einbinden.“ Hinzu komme, dass man jede einzelne Maschine genau an die Applikation anpasse, was ohne ein offenes Steuerungssystem fast nicht möglich sei. Um ein entsprechend modulares Baukastensystem für die Maschinen entwickeln zu können, müsse beispielsweise auch eine Steuerungssoftware – wie hier Twincat – modular aufgebaut sein und eine große Freiheit in der Programmierung bieten.

Anbindung an Vision-basiertes Werkzeugmesssystem

Beim Bearbeitungszentrum 701S hat sich die Offenheit von PC-Control unter anderem auch in der einfachen Anbindung eines speziellen Vision-basierten Werkzeugmesssystems gezeigt. Mit dessen Hilfe lassen sich die Werkzeuge beispielsweise bei Volldrehzahl und inklusive Rundlauffehler ausmessen. Integriert wird das Messsystem ohne großen Aufwand über entsprechende PCI-Einsteckkarten im Beckhoff-Steuerungsrechner, dem so die großen Datenmengen direkt und sehr schnell zur Verfügung stehen (Bild 3).

Der in der Maschine eingesetzte Schaltschrank-IPC C6920 mit 1,9-GHz-Intel-Celeron-Prozessor bietet dabei für Denis Jeannerat zusätzlich zu der hohen Rechenleistung noch einen weiteren wichtigen Vorteil: „Der Industrie-PC C6920 ist sehr kompakt gebaut und benötigt deshalb nur wenig Platz im Schaltschrank der Maschine.“

CNC-spezifische Software mit Bedieneinheit

Zu den Aufgaben von PC-Control zählen außer den komplexen Bahnberechnungen auch die Geschwindigkeits- und Lageregelung der Hochleistungsspindel. Somit werden insgesamt vier Achsen – der Delta-Roboter und die Spindel als zusätzliche Achse – extrem schnell angesteuert.

Komplette CNC-Funktionen auf Industrie-PC-Basis

Auf diese Weise sind sogar mit der Spindel spezielle Bearbeitungsmöglichkeiten gegeben wie Hobeln oder Entgraten. Umgesetzt ist dies mit Twincat-CNC, das heißt über eine reine Softwarelösung auf PC-Basis mit kompletter CNC-Funktionalität. Twincat-CNC kann mit bis zu 64 Achsen beziehungsweise geregelten Spindeln arbeiten, die sich auf bis zu zwölf CNC-Kanäle verteilen lassen. In einem CNC-Kanal können bis zu 32 Achsen simultan interpoliert und damit auch schwierigste Bewegungsaufgaben gelöst werden.

Auch mit Twincat-CNC profitiert man von der in der traditionellen CNC-Welt ungewohnten Offenheit zur I/O-Peripherie und zum Antriebssystem. Unterschiedlichste I/O-Baugruppen können über alle gängigen Feldbussysteme angeschlossen werden. Die Antriebssysteme lassen sich ganz nach Bedarf sowohl per Analog-/Encoder-Schnittstelle als auch direkt mit digitaler Antriebsschnittstelle mit der CNC verbinden.

Die I/O-Ebene des Bearbeitungszentrums 701S bilden 44 Ethercat-Klemmen, deren Informationen über zwei Ethercat-Koppler EK1100 an die Steuerung übergeben werden. Erfasst werden die Daten unter anderem über Digitaleingangsklemmen EL1124 beziehungsweise EL1008, Digitalausgangsklemmen EL2008, Analogeingangsklemmen EL3064 beziehungsweise EL3202, Analogausgangsklemmen EL4002 sowie über die Inkremental-Encoder-Interfaces EL5101 (Bild 4).

Als CNC-Bedieneinheit verfügt die 701S über ein kundenspezifisches „Economy“-Control-Panel CP7912 mit 15-Zoll-Touchscreen sowie über die integrierte DVI/USB-Extended-Technologie zum Absetzen des Panels vom PC in einer Entfernung bis zu 50 m (Bild 5). Im IP65-geschützten, robusten Aluminiumgehäuse bietet das um eine Tastaturablage ergänzte Tragarm-Panel unter anderem zwölf Funktionstasten und zehn LED-beleuchtete SPS-Sondertasten. Hinzu kommt eine Tastererweiterung mit Nothaltschalter, sechs Leuchtdrucktastern, Graycodeschalter (23 Stellungen) und Inkremental-Encoder.

Das Fazit von Denis Jeannerat lautet: „Mit dem Control-Panel lässt sich die Maschine äußerst komfortabel bedienen. Zahlreiche Funktionen sind beispielsweise über die elektromechanischen Taster direkt integriert, was eine intuitive und damit sehr einfache Bedienung ermöglicht.“

Maschine für die effiziente Mikrobearbeitung

Die Verbindung aus intelligenter Konstruktion und leistungsfähiger Automatisierung hat eine Maschine ergeben, die mit einer Stellfläche von rund 1 m² nicht nur sehr kompakt baut, sondern vor allem hocheffizient ist. So verbraucht sie insbesondere aufgrund der reduzierten zu bewegenden Massen lediglich 2 kW Energie, um ein Kleinteil zu bearbeiten. Eine konventionelle Maschine benötigt hierfür 20 kW und mehr. Dazu ergänzt Denis Jeannerat: „Mit einer sehr hohen Bahngenauigkeit von unter 0,2 µm – auch bei voller Geschwindigkeit – erreicht die 701S, verglichen mit herkömmlichen Bearbeitungszentren, einen ebenfalls um den Faktor zehn besseren Wert. Ein weiterer Vorteil liegt im immensen Zeitgewinn für die Teilebearbeitung. Je nach Komplexität des Werkstücks reduziert sich die Bearbeitungszeit um den Faktor drei bis zehn. So dauert beispielsweise die Bearbeitung einer Kupferelektrode nun nicht mehr länger als eine Stunde, sondern nur noch acht Minuten.“

* Philippe Monnin ist Mitarbeiter im Vertrieb bei Beckhoff Schweiz. Weitere Informationen: Beckhoff Automation GmbH, 33415 Verl

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