Maschinenbau Zusammenspiel von Antrieb und CNC ermöglicht hochgenaue Bearbeitung

Autor / Redakteur: Leopold Schenk / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Wenn präzise zerspant werden muss, kommt es wesentlich auf ein perfektes Zusammenspiel von Maschine, Antrieb und CNC-Steuerung an. Von jedem Element wird optimale Leistung und Genauigkeit gefordert, damit am Ende ein µm-genaues Ergebnis zustande kommt.

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Wenn sich Bearbeitungsergebnisse in engen Toleranzen bewegen müssen – wie hier beim Schleifen von Exzenterwellen – spielen außer dem steifen Maschinenaufbau eine hochgenaue, spielfreie Antriebstechnik sowie eine schnelle CNC eine wichtige Rolle. Bild: GE Fanuc
Wenn sich Bearbeitungsergebnisse in engen Toleranzen bewegen müssen – wie hier beim Schleifen von Exzenterwellen – spielen außer dem steifen Maschinenaufbau eine hochgenaue, spielfreie Antriebstechnik sowie eine schnelle CNC eine wichtige Rolle. Bild: GE Fanuc
( Archiv: Vogel Business Media )

Hochpräzise Bearbeitung, auch High Precision Machining (HPM) genannt, hat für viele Endprodukte eine große Bedeutung. Speziell in der Automobilindustrie, Medizintechnik und Uhrenindustrie, wo extrem genaue Teile erforderlich sind, müssen sich die Bearbeitungsergebnisse in engen Toleranzen bewegen. Das betrifft vor allem die Schleifbearbeitung, aber auch das Drehen und Fräsen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben die Maschinenhersteller Konzepte entwickelt, die sich unter anderem durch besonders steifen Aufbau und hochgenaue, spielfreie Antriebstechnik auszeichnen. Auch die Steuerung (CNC) spielt eine wichtige Rolle, weil sie die exakten Bewegungen kontrollieren muss.

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Die Mathematik im Hintergrund steuert CNC und Antrieb

Die grundlegende Basis für Präzisionsbearbeitung bieten High-end-CNC wie zum Beispiel die der Serie 30/31/32i von GE Fanuc (Bild 1). Durch intensive Entwicklungsarbeit und modernste Mikroelektronik wurden Steuerungen geschaffen, die sich durch schnelle Datenverarbeitung und viele Softwarefunktionen auszeichnen.

Sie enthalten unter anderem einen neuen Ultrahochgeschwindigkeits-Prozessor und einen internen Hochgeschwindigkeitsbus. Außer der Rechengeschwindigkeit stellen diese CNC die notwendige mathematische Präzision zur Verfügung, die sich in Steuerungsschritten mit 10 nm kleinen Inkrementen ausdrückt.

Encoder und Motoren müssten präzise Rechenschritte im Antrieb umsetzen

Diese Genauigkeit müssen Encoder und Motoren umsetzen. Unterstützung liefern dafür die GE-Fanuc-Motorgeber, die mit 16 Mio. Pulsen pro Umdrehung aufwarten können. Ein wichtiger Faktor zur hochpräzisen Bewegungssteuerung sind außerdem Linearmaßstäbe an den Achsen, die inzwischen eine Genauigkeit bis 10 nm bieten. Sie kommen Linearmotoren zu Gute, die sich dadurch für die Präzisionsbearbeitung einsetzen lassen.

Linearmaßstäbe unterstützen aber ebenso konventionelle Antriebe, deren erreichbare Genauigkeit außerdem von der Spindelsteigung des Kugelgewindetriebs abhängt. Bei Einsatz inkrementeller Maßstäbe können sie eine Genauigkeit von etwa 10 nm erreichen, sofern sie eine Standardteilung von 20 µm aufweisen und bis zu 2048 Mal interpoliert werden. Bei inkrementellen Maßstäben mit einem Gitterabstand von 2 µm sind sogar Auflösungen von 1 nm möglich.

CNC-Steuerung kompensiert das Spindelspiel

Die erreichbare Auflösung ist lediglich Voraussetzung, aber keine Garantie für die erzielte Genauigkeit. Dabei spielt die Mechanik eine wichtige Rolle, zum Beispiel die Kugelrollspindel, die so wenig Spiel wie möglich aufweisen sollte. Verbesserungen lassen sich durch die CNC erreichen, die mit entsprechenden Kompensationsmöglichkeiten ausgestattet ist, wie zum Beispiel der Backlash-Acceleration-Kompensation (zum Ausgleich des Spiels bei Kugelrollspindeln).

Mit Hilfe der Antriebseinstellungs-Software Servo Guide erfolgt ein automatisches Nachregulieren dieser Backlash-Acceleration. Bei Inbetriebnahme der Maschine bewegt man die entsprechenden Achsen bei verschiedenen Geschwindigkeiten hin und her, um das Umkehrspiel zu erfassen. Die Servo-Guide-Software, die auf einem PC läuft, ermittelt intern die besten Kompensationswerte und stellt die CNC entsprechend ein.

Software stellt CNC-Steuerung in 15 Minuten ein

Während früher, bei manueller Kompensation, ein Zeitaufwand bis zu einem Tag notwendig war, erledigt die Software die Aufgabe heute in 15 Minuten. Die CNC von GE Fanuc verfügen selbstverständlich über weitere Kompensationsmöglichkeiten, die helfen, Ungenauigkeiten der Maschine auszugleichen, zum Beispiel die Spindelsteigungs-Kompensation und die Geradlinigkeits-Kompensation.

Bei GE Fanuc erhält der Maschinenhersteller nicht nur Steuerungen, sondern auch alle Antriebskomponenten – aus einer Hand und aufeinander abgestimmt. Das Sortiment an Servo- und Spindel-Motoren umfasst alle Größen und Leistungsvarianten sowie die dazu passenden Verstärker.

Antriebe für die Präzisionsbearbeitung besonders dynamisch

Für die Präzisionsbearbeitung werden dynamische Antriebe benötigt, also Motoren mit geringer Eigenträgheit und Verstärker mit relativ hohen Strömen, die schnell auf Kommandos reagieren können (Bild 2). Solche Motoren finden sich beispielsweise in der GE-Fanuc-Alpha-is-Serie. Das „s“ steht dabei für strong, sprich für den Einsatz von Selten-Erde-Magneten, womit der Motor sehr kompakt aufgebaut werden kann und hochdynamisch ist. Als Alternative kommen auch Linearantriebe in Frage.

Ganz entscheidend für eine präzise Bearbeitung ist der Gleichlauf des Antriebs, der bei Linearmotoren von GE Fanuc im Bereich weniger Nanometer liegt. Aber auch bei rotatorischen Synchronmotoren hat Fanuc viel in die Entwicklung investiert, um einen nahezu perfekten Gleichlauf zu erzeugen.

Das Problem dabei sind die internen Rotormagnete, die für minimale Sprünge in der Bewegung, so genannte Rippel, sorgen. Durch eine spezielle Konstruktion ist es Fanuc gelungen, einen nahezu perfekten Gleichlauf zu erzeugen, bei dem diese Rippel nicht zu spüren und auch in der erzeugten Oberfläche nicht zu erkennen sind.

Präzisionsbearbeitung erfordert feine Stromregelung

Außerdem erfordert die Präzisionsbearbeitung Verstärker, die eine feine Stromregelung ermöglichen. Prädestiniert sind die HRV-Regelungen 3 und 4, die sehr hohe Geschwindigkeits- und Positionsverstärkungen ermöglichen. Je höher die Verstärkung, desto schneller kann der Motor (beziehungsweise die jeweilige Achse) auf Befehle und äußere Einflüsse reagieren. Das hat eine sehr hohe Konturtreue zur Folge.

Eine von Fanuc entwickelte Regelungstechnik kommt den Transistoren in den Verstärkern zugute. Sie hält entstehende Verlustwärme in Grenzen, wodurch bei gleicher Leistung die Baumaße geringer als üblich ausfallen. Die damit verringerte Verlustleistung führt auch zu Energieeinsparungen beim Endanwender.

Steuerung fürs Feintuning der Maschine

Letztendlich ist wieder die Steuerung gefragt, um das Beste aus Mechanik, Antrieben und Verstärkern herauszuholen. Einen wichtigen Teil tragen die automatischen Vorschubkontrollsysteme AICC1 und AICC2 bei. Unter diesen Bezeichnungen – CC steht für Contour Control – hat GE Fanuc Funktionen zusammengefasst, die Beschleunigungs- und Bremsvorgänge optimieren sowie Geschwindigkeiten automatisch für Eckenbearbeitung oder Kreissegmente anpassen können.

Dazu zählen beispielsweise die „Feed Control by Acceleration“, also die Geschwindigkeitskontrolle bei Beschleunigungswechsel sowie ist die „Jerk-Control“ Funktion, die Ruckbegrenzung, die für sanftere Bewegungen sorgt. Mit all diesen Standard- und optionalen Funktionen ist der CNC-Anwendungstechniker in der Lage, die Steuerung optimal an die Genauigkeitsanforderungen anzupassen.

Maschine wird entsprechend der Bearbeitung optimiert

Damit der Endanwender nicht jeden Parameter selbst setzen muss, hat GE Fanuc Funktionen entwickelt, die ein einfaches Optimieren der Maschine je nach Bearbeitungsaufgabe zulassen. Dazu zählt die Machining-Level-Condition-Funktion, bei der der Anwender auf einer Skala von 1 bis 10 seine Priorität zugunsten der Genauigkeit oder der Geschwindigkeit setzen kann. Bei den neuesten Steuerungen hat GE Fanuc die Wahlmöglichkeit erweitert. In einer grafisch gestalteten Oberfläche kann der Anwender nun einen Punkt in einer Ebene anwählen, die zwischen den Eckpunkten Präzision, Geschwindigkeit und Oberflächengüte aufgespannt wird. Die Steuerung wählt dann selbst das optimale Parameter-Set.

Dabei wird auch die Nurbs-Fähigkeit der Steuerung ausgenutzt und ihre Funktion Nano-Smoothing‚ (Bild 3) berücksichtigt. Gerade dem Werkzeug- und Formenbau, wo außer der Genauigkeit vor allem die Oberflächengüte eine wichtige Rolle spielt, kommt diese erweiterte Wahlmöglichkeit sehr entgegen.MM

Leopold Schenk ist Geschäftsführer der GE Fanuc Automation CNC Deutschland GmbH

GE Fanuc Automation, Tel. (0 71 58) 1 87-4 00, www.gefanuc.de

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