Kompensation von Koppelkräften bei WZM

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Umsetzung in NC-System

Ein entscheidender Punkt in der Umsetzung von numerischer Kompensation von dynamischen Effekten bei Werkzeugmaschinen ist die Implementierung der Kompensation in ein bestehendes NC-System.

Die diesbezüglich auftretenden Limitierungen werden von Abele et al [6], im Zusammenhang mit der Umsetzung einer Kompensation für Portalnickbewegungen, beschrieben. Um die Kompensation ohne zusätzliche Hardware in eine Maschinensteuerung zur Anwendung zu bringen, sind entsprechende Schnittstellen für die Erfassung und Beeinflussung der Führungsgrössen der Achsen zwingend notwendig.

Echtzeitberechnung von Kompensationsgrössen

Weiter muss die Möglichkeit einer Echtzeitberechnung von Kompensationsgrössen seitens der Steuerung gegeben sein. Siemens bietet durch die offene Architektur der NC-Steuerungen entsprechende Schnittstellen sowie die Möglichkeit zur Implementierung von zusätzlichen Funktionen und Berechnungen mittels Compile-Zyklen.

Geeignete Korrekturbewegungen kommandieren

Mit der Sinumerik 840D sl ist es zunächst möglich, aus den Sollwerten von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Position einer Achse geeignete Korrekturbewegungen durch andere Achsen zu kommandieren. Weiterhin lassen sich aus diesen Sollwerten auch Kompensationssignale für die Achsregelkreise der anderen Achsen generieren.

Auf dieser Grundlage lassen sich Cross-Talk-Effekte in Werkzeugmaschinen weitgehend kompensieren, und die Ergebnisse der in diesem Artikel behandelten Untersuchungen liessen sich direkt umsetzen. Basierend auf den Funktionen zur Datenerfassung und Beeinflussung der Führungsgrössen eines Siemens-Compile-Zyklus zur Kompensation von Nickbewegungen (NOCO, «Nodding Compensation»), wurde eine beschleunigungsbasierte Kompensation von Sollbahn und Momentenvorsteuerung in die Steuerung des Prüfstands implementiert.

Die entsprechenden Parameter für die Berechnung der Kompensation wurden mittels numerischer Optimierung am Modell identifiziert.

Analog zur Simulation, konnten bei den praktischen Versuchen am Prüfstand durch eine Kompensation via Momentenvorsteuerung die Verschiebungen der X-Achse wesentlich stärker reduziert werden als bei einer Anpassung der Sollbahn der X-Achse.

Reduktion von 108 μm auf einen Maximalwert von 16 μm

Abbildung 6 zeigt die durch Koppelkraftkompensation reduzierten Verlagerungen der X-Achse mit und ohne Kompensation bei einer B-Bewegung entsprechend Abbildung 4.

Durch die numerische Kompensation konnten am Prüfstand die Verschiebungen der X-Achse von ursprünglich rund 108μm auf einen Maximalwert von 16μm verringert werden, was einer Reduktion der auftretenden dynamischen Abweichungen um rund 85 % entspricht.

Zusammenfassung und Ausblick

Ein Maschinenmodell der Struktur und der geregelten Antriebe ermöglicht eine Vorhersage der Verbesserungen der Bahngenauigkeit, welche durch verschiedene Kompensationsstrategien erreicht werden können, sowie die Bestimmung der optimalen Kompensationsparameter. Die durch die Modellierung vorhergesagte Verringerung der kraftkopplungsbedingten Abweichungen um rund 85 % konnte am Prüfstand, mittels einer handelsüblichen Siemens-Steuerung, verifiziert werden.

Insbesondere in der hochdynamischen Fertigung komplexer Bauteile auf 5-achsigen Bearbeitungszentren bietet die Anwendung von numerischer Kompensation zur Reduktion von koppelkraftbedingten Abweichungen erhebliches Potential zur Steigerung der Genauigkeit am Bauteil beziehungsweise der Produktivitätssteigerung unter Einhaltung der geforderten Toleranzen. <<

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