J. Schneeberger Maschinen AG: Wenn's schnell und präzise sein muss

>> Die J. Schneeberger Maschinen AG zählt unbestritten zu den Pionieren des fünfachsigen Werkzeugschleifens – und des Einsatzes von Direktantrieben. Seit vor acht Jahren die erste Sirius-Maschine mit einem Linearmotor ausgestattet wurde, hat sich diese Technik bei Schneeberger bestens bewährt. Sie kommt heute auf allen Highend-Schleifmaschinen zum Einsatz und spielt ihre Stärken besonders dann aus, wenn lange Wege schnell zu bewältigen oder oszillierende Bewegungen auszuführen sind.

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Das Produzieren und Nachschleifen von schneidenden Werkzeugen ist ein vielfältiger und technisch komplexer Prozess. Die Geometrien, aber auch die Materialien auf Werkstück- und Schleifscheibenseite stellen hohe Anforderungen an die Schleifmaschine. Die Grösse der zu schleifenden Werkzeuge variiert von kleinen Profil-Wendeschneidplatten bis zu grossen Räum- und Abwälzfräswerkzeugen. Für die meisten der in der Metall- und Holzbearbeitung eingesetzten Werkzeuge hält die J. Schneeberger Maschinen AG im schweizerischen Roggwil die passende Werkzeugschleifmaschine bereit. Seit jeher gilt Schneeberger als besonders innovationsfreudig. Als das Unternehmen 1990 das erste 5-Achsen-Schleifkonzept vorgestellt hatte, kam dies einer kleinen Revolution im Werkzeug-Schleifmaschinenmarkt gleich. Auch 2003 erregte Schneeberger Aufmerksamkeit: Zur damaligen EMO präsentierten die Werkzeugschleifspezialisten erstmals eine Maschine mit Linearantrieben: die Sirius HPM.

Dr. Hartmut Rühl, Leiter Software und Elektronik, bestätigt: «Viele unserer heutigen Maschinen wären ohne Direktantriebstechnik nicht denkbar. Die Vorteile bezüglich Dynamik, Langzeitpräzision und Langlebigkeit rechtfertigen im Highend-Segment der Werkzeugschleifmaschinen auf jeden Fall die etwas höheren Anschaffungskosten. Denn alternative Kugelrollspindeln sind bei Extrembelastung nach einer gewissen Lebenszeit verschlissen und dadurch zu ersetzen. Einen Linearmotor haben wir jedoch noch nie aufgrund von Verschleiss austauschen müssen.»

Enge Partnerschaft mit FANUC

Die Entwicklung der direktangetriebenen Maschinen wurde von Fanuc, dem langjährigen Schneeberger-Lieferanten für Steuerungs- und Antriebstechnik unterstützt. Seit 1990 besteht diese Partnerschaft mit Fanuc, von der Hartmut Rühl überzeugt ist: «Kein anderer Steuerungshersteller ist weltweit derart gut organisiert. Auch das Qualitätsniveau der Fanuc-Produkte ist ausgesprochen hoch. Bei der Einführung der Linearmotoren haben wir perfekte Unterstützung erhalten, die weit in unseren Applikationsbereich hineinreichte.»

Die am obersten technischen Level angesiedelte Baureihe Sirius HPM linear 10 nano eignet sich für Werkzeug-Inserts und andere kleine, hochpräzise Teile mit einem typischen Schleifbereich von 100 x 100 x 100 mm. Sie ist noch immer ein Musterbeispiel einer direktangetriebenen Werkzeugschleifmaschine. Bei ihr kommen in allen Achsen Direktantriebe zum Einsatz. So sind die Achsen X, Y und Z mit Linearmotoren und Absolutwertmesssystemen mit einer Auflösung von 10 nm ausgerüstet. Die Massstäbe gibt es mit einer Direktschnittstelle für Fanuc-Antriebe, wodurch ein zusätzliches Interface überflüssig wird. Die beiden Rotationsachsen werden von Torquemotoren angetrieben, die eine hohe Auflösung von 0,05 Tausendstel Grad bieten.

Bei langen Verfahrwegen sind Linearmotoren vorteilhaft

Bei Schneeberger sind Linearantriebe auch für grössere, anspruchsvolle Werkzeugschleifmaschinen Pflicht. Hartmut Rühl erklärt: «Heute statten wir alle Maschinen ab einem Verfahrweg von 1100 mm in der X-Achse mit Linearmotoren aus. Unsere grösste Standardmaschine, die Corvus, kann über drei Meter verfahren und einen 40-kW-Schleifkopf mit einer Tonne Gewicht bewegen. Da wäre mit einer Kugelrollspindel kaum solch hohe Präzision zu erreichen.» Denn der exakte Einbau einer 3-m-Spindel ist anspruchsvoll und schwierig. Wenn sie nur minimal aus der Flucht ist, entstehen Schwingungen, die die Lebensdauer der Spindel enorm beeinträchtigen. Ausserdem wirken sich die Dynamik und erreichbare Endgeschwindigkeit des Linearmotors bei einem Verfahrweg von ein bis drei Metern sehr positiv auf die Bearbeitungszeit aus.

Ein typisches Anwendungsbeispiel sind grosse Abwälzfräser. Um deren Nuten zu schleifen, muss man den Schleifkopf fast einen Meter hin- und herfahren. Dabei gilt es, mit geringen, aber häufigen Zustellungen das Material abzutragen. Das funktioniert mit dem Linearmotor sehr viel besser und geräuschärmer als mit konventioneller Technik. Hartmut Rühl bestätigt: «Gerade bei den grossen Maschinen hört sich ein Linearmotor viel angenehmer an als eine Kugelrollspindel.»

Ideal für oszillierende Bearbeitung

Auch bei oszillierenden Bewegungen ist eine Kugelrollspindel aufgrund von Spiel und Abnutzung die schlechtere Wahl. Darum setzt Schneeberger auch dort Linearmotoren ein, wo ein leichter Schleifkopf einen Verfahrweg von nur 100 mm zurücklegen muss. Hartmut Rühl präzisiert: «Pendelhübe von 5 mm mit 15 Hz realisieren wir ausschliesslich mit Linearmotoren. Wobei wir diese Bewegungen nicht über G-Code programmieren, sondern über eine Datentabelle. Diese wird dann über eine spezielle Fanuc-Software namens PTO in Maschinenbefehle umgesetzt.»

Mit PTO (Path Table Operation), die Fanuc in den Highend-CNC-Steuerungen der Serien 30i und 31i zur Verfügung stellt, lassen sich so präzise Interpolationen und Synchronisationen erreichen wie mit keinem anderen Verfahren. Die grundsätzliche Struktur ist einfach: Für jede Achse wird eine zweispaltige Tabelle angelegt. In der ersten Spalte wird die Zeiteinheit in Millisekunden eingegeben, die der Synchronisation dient. In der zweiten wird dem jeweiligen Takt eine in dieser Zeitspanne zu erreichende Achsposition zugewiesen. Damit werden im einheitlichen Interpolationstakt alle Achsen synchronisiert.

Für alle Maschinen des oberen Segments verwendet Schneeberger die für die 5-Achs-Bearbeitung prädestinierten Fanuc-CNC-Steuerungen der Serie 31i-A5 – in einer Variante mit integriertem PC. Dieser ist mit der CNC über den Hochgeschwindigkeitsbus FSSB verbunden. Das ermöglicht dem Schleifspezialisten, sein Know-how in der eigenen Software Quinto mit selbstgestalteter Oberfläche einzubringen. Nachteile bezüglich der Betriebssicherheit vermeidet Fanuc durch die physikalische Trennung des separaten CNC-Prozessors, an den die Daten mit einem speziellen Interface übergeben werden.

Servo-Tuning für optimale Maschinenleistung

Die neueste Fanuc-Steuerungsgeneration, die Serie 30i/31i, enthält nicht nur modernste Hochleistungselektronik, sie ist auch auf Softwareseite bestens ausgestattet. So gehört unter anderem der sogenannte Servo-Guide zum Funktionsumfang, mit dem sich Servo- und Spindelmotoren schnell und effizient parametrieren und damit optimieren lassen. Dieses Servo-Tuning gehört zum Zuständigkeitsbereich von Schneeberger Applikationsingenieur Antonio Grasso. Er erklärt: «Bei der Parametrierung der Motoren werden Beschleunigungsraten, Abbremsraten und das sonstige Verhalten der Motoren aufgrund der mechanischen Bauteile angepasst. Wenn Sie 1 t hin und her bewegen, brauchen sie andere Verstärkereinstellungen als bei einer Last von 100 g.»

Nun gehört das Servo-Tuning zum grundsätzlichen Leistungsumfang des Steuerungspartners Fanuc. Da Schneeberger jedoch grössten Wert auf ein Komplett-Know-how in eigenen Reihen hält und kundenspezifisches Parametrieren zum Service gehört, hat sich Antonio Grasso mit Fanuc-Unterstützung weitergebildet und auf das Tuning spezialisiert. Daher ist Schneeberger in der Lage, äusserst flexibel und schnell auf Kundenwünsche zu reagieren.

Software erleichtert das Tuning

Für die Unterstützung von Seiten Fanuc hat Antonio Grasso lobende Worte: «Ich bin mittlerweile über zehn Jahre bei Schneeberger in diesem Bereich tätig, eine Zeit, in der sich in der Servotechnik viel verändert hat. Beim Servo-Tuning konnte Fanuc grosse Fortschritte erzielen. Mit dem Software-Werkzeug ‹Servo-Guide› ist das Tuning viel einfacher geworden, obwohl sich mehr Parameter setzen lassen und dadurch jede Maschine spezifisch optimiert werden kann. Die von Fanuc entwickelte Software mit der dazugehörenden Datenbank unterstützt uns perfekt.»

Mit Servo-Guide lässt sich die antriebsseitige Diagnostik und Optimierung einer Maschine entweder auf der CNC-Steuerung (ab Serie 30i/31i) oder auf einem beigestellten externen PC durchführen. Das gilt sowohl für einfache Servo- und Spindelmotoren als auch für Direktantriebe. Deutlich bessere Ergebnisse erreicht man beim Einsatz von Linearmotoren, wie Antonio Grasso bestätigt: «Unsere Auswertungen haben ergeben, dass die Frequenzresonanz eines Linearmotors viel höher ist als die eines normalen Servomotors. Das bedeutet, dass wir einen solchen Direktantrieb viel feiner tunen können. Wir erreichen höhere Dynamik und bessere Positionierung, wobei das Verhalten der Maschine viel steifer bleibt als beim normalen Servomotor. Da muss man sich etwas zurückhalten, damit die Maschine nicht selbst zu schwingen beginnt.» <<

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