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Intelligentes Zerspanen mit intelligenter Steuerung

| Redakteur: Anne Richter

>> Okuma kombiniert innovative Softwareentwicklungen zu einer Intelligent Technology für die Zerspanungstechnik. Auf der EMO 2013 in Hannover hat das Unternehmen erzielbaren Kundennutzen seiner Entwicklungen demonstriert. Die CNC-Steuerung OSP-P300 ist die rechenschnelle Basis vieler Okuma-Technologien: CAS, TFC, Machining Navi und 5-Axis Auto Tuning System.

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Mit der Intelligent Technology Machining-Navi zerspanen Anwender immer mit der optimalen Drehzahl für perfekte Schnittbedingungen mit entsprechend besserer Oberflächenqualität.
Mit der Intelligent Technology Machining-Navi zerspanen Anwender immer mit der optimalen Drehzahl für perfekte Schnittbedingungen mit entsprechend besserer Oberflächenqualität.
(Bild: Okuma)

ari. Okuma ist einer der grössten Werkzeugmaschinenbauer der Welt und entwickelt als einziger Hersteller seit 1963 eigene CNC-Steuerungen sowie Antriebe und absolute Weg- und Winkelmesssysteme.

Diese mechatronische Gesamtkompetenz erklärt unter anderem die nachweislich sehr hohe Zuverlässigkeit und die weit überdurchschnittlichen Wiederverkaufswerte der Okuma-Maschinen. Sowohl die Programmierung als auch die Bedienung der CNC-Drehmaschinen, Dreh-Fräszentren und BAZ sind anerkannt einfach wie effizient und sicher.

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Neben Innovationen im Maschinenbau, der Steuerungs-, Antriebs- und Sensortechnologie bringt Okuma alle Jahre wieder neue Softwareentwicklungen auf den Markt. Das demonstrierte das Unternehmen auch auf der EMO 2013 in Hannover.

CNC-Steuerung – Verbindung der Vorteile von PC und CNC

Gemeinsamer Nenner und Basis der Okuma-Maschinen ist die CNC-Steuerung OSP-P300. Die Systemarchitektur der Steuerung verbindet die Vorteile von CNC und PC.

Sie integriert mit Windows und dem CNC-Echtzeit-System für die eigentliche Steuerung der Maschinenfunktionen zwei Betriebssysteme, die als unabhängige, aber eng verzahnte Prozesse parallel auf einem industriefesten Intel-i7-Prozessor laufen.

Eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung erhöht die Betriebssicherheit. Die OSP-P300 bietet die Offenheit und Konnektivität der Windows-PC-Welt und kommuniziert zudem via ServoLink mit Antrieben und interagiert via SSIO mit Komponenten der Feldebene.

Die OSP-P300 ist die rechenschnelle Basis für viele Technologien, die nur Okuma anbietet.

Prämierte Technologien wie Kollisionsvermeidung

Viele der durch konkrete Praxisanforderungen initiierten Softwareentwicklungen sind wegweisend und vielfach prämiert.

Hierzu gehören das Kollisionsvermeidungssystem CAS (Collision Avoidance System), das Thermo-Friendly Concept (TFC), das den Einfluss von Temperaturschwankungen auf das Bearbeitungsergebnis eliminiert, das Machining Navi, eine Entwicklung, mit der Anwender stets die perfekte Spindeldrehzahl für eine vibrationsfreie Bearbeitung finden, oder das 5-Axis Auto Tuning System, mit der Anwender die Prozessgenauigkeiten von 5-Achs-BAZ erhöhen, indem die Ist-Genauigkeiten automatisch gemessen und Abweichungen von Ideal kompensiert werden.

Die Intelligent Technology der OSP findet ihre Fortsetzung und Ergänzung in Okuma-eigenen IT-Produkten, von denen hier der 3D-Virtual-Monitor erwähnt sei.

Originale Modelldaten

Im Gegensatz zu CAM-Systemen von Fremdanbietern nutzt die PC-Software zur Simulation und Kollisionsüberprüfung von NC-Programmen für Okuma-Maschinen die originalen Modelldaten der jeweiligen Maschine. Diese «echte» virtuelle Maschine auf dem PC bildet das Bindeglied zum Kollisionsvermeidungssystem CAS auf der Okuma-Steuerung.

Durch den Abgleich der Maschinendaten wie Encoder-Werte, Nullpunkte, Korrekturen und Parameter ist eine exakte Kollisionskontrolle auf dem PC möglich. Das Simulations-System 3D-Virtual-Monitor mit Modellierfunktion wird zum virtuellen Einrichten und Einfahren der Maschine eingesetzt und liefert zudem realistische Stückzeitenberechnungen. Die extern auf Kollision geprüften Programme sind unmittelbar an der Maschine im Automatikbetrieb lauffähig, also ohne weiteren Prüflauf respektive Programmtest.

Echtzeit-Prüfung

Mit dem Echtzeit-Kollisionsvermeidungssystem CAS sind Anwender deutlich sicherer und schneller wieder am Start. CAS simuliert nicht nur die virtuelle Bearbeitungssituation vor der Fertigung; CAS ermöglicht zudem erstmals die Echtzeit-Prüfung während der Bearbeitung des ersten Teils. Und zwar stets unter Berücksichtigung des Restmaterials. Zudem wirkt CAS auch im manuellen Betrieb. So wird das manuelle Verfahren der Schlitten in der Simulation zu jeder Zeit korrekt dargestellt. Wenn zum Beispiel die Spindel in Futternähe wegen drohender «Kollision mit Backe» nicht indexiert, lässt sich das Futter per Handrad in der C-Achse drehen, beziehungsweise die Backe aus der Kollisionszone verfahren.

CAS verrechnet und prüft 0-Punkte, Werkzeug-Korrekturdaten und Programmbefehle stets einige Hundertstelsekunden vor der aktuellen Verfahrbewegung. Verursacht ein NC-Satz möglicherweise eine Kollision, wird die Ausführung unmittelbar gestoppt bzw. die Verfahrbewegung angehalten. Zur schnellen Analyse des aufgespürten Kollisionsproblems werden die kritischen Elemente am Bildschirm rot eingefärbt. Damit CAS funktioniert, müssen natürlich die notwendigen maschinenbezogenen Daten der Baugruppen wie Revolver, Reitstock, Gegenspindel, Futter, Backen, Werkzeughalter, Schneidwerkzeuge, Klemmhalter und Wendeplatten im System hinterlegt sein. Daten des jeweiligen Maschinenmodells sowie diverses Standard-Zubehör stehen bei Okuma zur Verfügung, anwenderindividuelle Ausrüstungsmerkmale müssen hingegen in CAS eingegeben werden.

Hohe Bearbeitungsgenauigkeit mit Thermo-Konzept

Eine weitere Okuma-exklusive Innovation heisst Thermo-Friendly Concept (TFC). TFC sichert Anwendern selbst bei grösseren Schwankungen der Umgebungstemperatur automatisch konstant hohe Bearbeitungsgenauigkeiten sowie hohe Produktivität. Basis des TFC ist eine thermisch optimierte Konstruktion. Im Rahmen des Thermo-Friendly Concept wird schon bei der Maschinenentwicklung auf eine gleichmässige Temperaturverteilung und eine gute Isolierung des Gussaufbaus geachtet. Um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Maschinenkinematik minimal zu halten, wird zum Beispiel die Maschinenverkleidung mit Abstand montiert und der Wärmeaustausch gegebenenfalls durch Ventilatoren unterstützt. Wärmequellen, wie etwa Schaltschränke, werden ausserhalb der Maschinenumhausung platziert. Okuma ermittelt das thermisch beeinflusste Wachstumsverhalten von Maschinenbetten, Ständern und sonstigen Anbaugruppen unter realen Bedingungen. Die Daten sind die Basis für eine präzise Kompensation von Wärmewachstum.

Echtzeit-Kompensation negativer Temperatureinflüsse

Trotz der konstruktiven Massnahmen unterliegt jede Maschinengeometrie natürlich auch äusseren thermischen Einflüssen. Beim TFC ermitteln bis zu einem Dutzend in den Spindeln und im Aufbau platzierte Sensoren ständig die Ist-Temperatur. Da Okuma für jede Neukonstruktion ein thermisches Profil erstellt und somit die Ausdehnungscharakteristik der Maschinenbaugruppen bekannt ist, kann die Okuma-Steuerung negative Temperatureinflüsse in Echtzeit kompensieren. Die Korrekturen erfolgen in 0,1-µm-Schritten. Der Prozess läuft vom Bediener unbemerkt im Hintergrund simultan zur Bearbeitung ab und hat keinen Einfluss auf die Bearbeitungsdauer der Werkstücke. Das Resultat des Thermo-Friendly Concept ist sensationell: Laut Okuma lässt sich in normaler Werkstattumgebung selbst bei Temperaturschwankungen von bis zu 10 °C im Dauerbetrieb eine Fertigungspräzision erzielen, die je nach Maschinenmodell zwischen 4 µm und 8 µm beträgt – und zwar an der Werkzeugspitze gemessen.

Machining Navi für optimale Drehzahlen

Mit der Intelligent Technology Machining Navi wird immer mit der optimalen Drehzahl für perfekte Schnittbedingungen zerspant. Die Software analysiert den Klang der Bearbeitung. Auf Basis der Körperschallsignale wird die Spindeldrehzahl von der Steuerung entweder automatisch optimal angepasst oder die Drehzahlempfehlung am Touchscreen angezeigt und vom Bediener bestätigt. Die Technologie ist komplett, das heisst ohne zusätzliche Hard- und Software von Fremdanbietern direkt in die OSP-Steuerung integriert. Analyse, Visualisierung und Bedienung integrieren sich nahtlos in die Bedienoberfläche der Okuma-CNC. Das automatisch arbeitende Machining Navi M-i empfängt seine Auswertesignale von maschinenintegrierten Körperschallsensoren. Das manuelle Machining Navi M-g erfasst den Zerspanungssound per Mikrophon. Während die sensorintegrierte Lösung nur für Neumaschinen erhältlich ist, kann das Machining Navi M-g bei allen Okuma-Maschinen mit OSP-P200-Steuerung nachgerüstet werden.

Einfache Fehlerneutralisation mit 5-Achs-Auto-Tuning

Ein weiterer Schritt auf dem Weg zu einer intelligenten CNC ist auch das neue 5-Axis Auto Tuning System. Je mehr Maschinenachsen interagieren, desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich nano-kleine Toleranzen, respektive hauchzarte Fehlstellungen der Bewegungsachsen als µm-grosse Fehler in den gefrästen Geometrien und Oberflächen zeigen. Auch Faktoren wie Temperaturschwankungen oder instabile, unebene oder durch Fremdschwingungen angeregte Böden können der geometrischen Genauigkeit zusetzen. Während bei Standardmaschinen mit drei Linearachsen fünf geometrische Fehler potentiell möglich sind, erhöht sich die Zahl der Fehlereinflüsse bei einem 5-achsigen BAZ mit Dreh-Schwenkbrücke bereits auf dreizehn. Bei 5-Achs-Bearbeitungszentren liegt das grösste Fehlerpotential in der kippenden Drehachse. Die geometrische Überprüfung und Kalibrierung kosten Zeit und Geld, verlangen Profiwissen, Erfahrung und spezielles Equipment – nicht selten den Support vom Hersteller. Mit dem 5-Axis Auto Tuning System von Okuma kann jeder Anwender eines Okuma-5-Achs-Bearbeitungszentrums die geometrischen Fehler seiner Maschine innerhalb weniger Minuten ermitteln und neutralisieren.

Präzise 5-Achs-Bearbeitung

Hierzu nutzt das 5-Axis Auto Tuning System eine auf dem Tisch befestigte Referenzkugel und einen Messtaster. Zuerst wird die Referenzkugel auf dem Tisch installiert und der Berührungssensor manuell darüber positioniert. Nach dem Start des speziellen Messprogramms durch den Bediener an der CNC ermittelt das 5-Axis Auto Tuning System die Tischlage in verschiedenen Winkeln. Aus den Messwerten ermittelt die Analysesoftware automatisch die geometrischen Fehler, errechnet die Korrekturparameter und speichert diese in der CNC. Das ist alles. Die Diagnose dauert in Abhängigkeit von der Anzahl der geometrischen Fehler nur 5 bis 10 Minuten. Die Korrekturen nach dem Tuning sind unabhängig von der Betriebsart (manuell/MDI/automatisch) wirksam. Für die Bediener an der Maschine und die NC-Programmierer ändert sich nichts. Jeder eingewiesene Maschinenbediener kann das Tuning jederzeit durchführen, selbst wenn ein Werkstück oder eine Aufspannvorrichtung positioniert ist. Das 5-Axis Auto Tuning System verbessert die Genauigkeiten für die 5-Achs-Bearbeitung signifikant, da es 11 mögliche geometrische Fehler an der Hauptachse ermittelt und berücksichtigt. Durch die Kalibrierung rückt das Genauigkeitsniveau von 5-achsigen Okuma-Bearbeitungszentren immer näher an das von Präzisions-BAZ mit nur 3-Achsen. <<

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