CNC Maschinenlösungen mit CNC-Automatisierung

Redakteur: Bernhard Herzog

>> Für die Entwicklung von Werkzeugmaschinen, die den heutigen Anforderungen hinsichtlich Produktivität, Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit gerecht werden, muss das mechatronische Gesamtsystem – bestehend aus mechanischen Maschinenkomponenten, Motoren, Antrieben, Messsystemen sowie Steuerung und Regelung – bereits in der Konstruktionsphase am Computer modelliert, simuliert, analysiert und optimiert werden.

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Sinumerik Ctrl-Energy – Basis für energiesparende Werkzeugmaschinen.
Sinumerik Ctrl-Energy – Basis für energiesparende Werkzeugmaschinen.
(Bild: Siemens)

her. Mit der Dienstleistung «Mechatronic Support» von Siemens werden Maschi-nenhersteller mit simulativen Analysen und Optimierungen ihrer Maschine unterstützt – die Folge sind kürzere Marktein-führungszeiten und produktivere Maschinen.

Durch Einsatz des Sinumerik-CNC-Automatisierungssystems profitiert der Maschinenbauer zudem von einer Vielzahl neuer Funktionen und Technologien zur Steigerung der Performance, Genauigkeit, Energieeffizienz und Verfügbarkeit seiner Maschine. Stellvertretend werden im vorliegenden Beitrag das «Volumetric Compensation System» zur Steigerung der Maschinengenauigkeit, die «Advanced Position Control» zur Steigerung der Leistungsfähigkeit, das «Sinumerik Ctrl-Energy» zur Reduktion des Energieverbrauchs der Maschine und das «Sinumerik MDynamics» für perfekte Fräsergebnisse vorgestellt.

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Mechatronische Optimierung an virtueller Maschine

Hersteller von Werkzeugmaschinen müssen die Kundenforderung nach hoher Präzision, Dynamik, Flexibilität und geringen Lebenszykluskosten konsequent erfüllen. Einer der Schlüssel zum Erfolg für Maschinenhersteller liegt in der simulativen Optimierung der Maschinen bereits in der Konstruktionsphase, wenn die Maschine nur im CAD-Programm im PC existiert.

Siemens bietet seinen Kunden mit der Dienstleistung «Mechatronic Support» die Simulation einer neu zu entwickelnden Maschine auf der Basis eines virtuellen Modells. Die charakteristischen Maschineneigenschaften können durch Experten vor dem tatsächlichen Bau der Maschine am virtuellen Modell getestet und gemeinsam mit dem Maschinenbauer modifiziert und optimiert werden. Dieses Vorgehen kann sogar den zeitaufwändigen und kostspieligen Bau eines realen Prototyps komplett überflüssig machen. Die virtuelle Maschine besteht aus einem dynamischen Maschinenmodell (z. B. einem FE-Modell), einem elektronischen Steuerungs- und Antriebssystem sowie einem Prozessmodell für die Frästechnik. Die virtuelle Maschine ermöglicht die Analyse und Verbesserung der wesentlichen Leistungsmerkmale einer neuen Maschine.

Als Serviceleistung wird bei «Mechatronic Support» die zu entwickelnde Maschine des Kunden als virtuelle Maschine aufgebaut. Dafür stellt der Maschinenhersteller Siemens die CAD-Daten der Maschine zur Verfügung. Dies geschieht idealerweise in einer frühen Konstruktionsphase, so dass Varianten simulativ mit geringem Aufwand verglichen und bewertet werden können.

Alle Analysen, die normalerweise nur am realen Prototyp einer neuen Werkzeugmaschine möglich sind, werden jetzt an einem PC mit der virtuellen Maschine durchgeführt. Ziel ist die Verbesserung der Leistungsdaten, die von der neuen Maschine erwartet werden.

Steigerung der Maschinengenauigkeit

Die Anforderung an die Positioniergenauigkeit von Werkzeugmaschinen im gesamten Arbeitsraum (= volumetrische Genauigkeit) steigt ständig und kann mit der klassischen Kompensation des Spindelsteigungsfehlers oder des Durchhangs nicht befriedigt werden. Um hohe Genauigkeitsklassen zu erreichen, ist zuerst eine sehr hohe Qualität der mechanischen Fertigung der Maschinenkomponenten und der Maschinenmontage selbst notwendig. Soll die hohe volumetrische Genauigkeit aber auch mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand erreicht werden, so ist der Einsatz neuester steuerungstechnischer Kompensationsmethoden unerlässlich. Mit dem «Volumetric Compensation System» (VCS) der Steuerung Sinumerik 840D sl kann der verbleibende Restfehler beim Positionieren im kompletten Arbeitsraum weiter spürbar reduziert werden.

Jede Vorschubachse einer kartesischen Werkzeugmaschine hat nach ISO 230-1 sechs Abweichungsarten, die sich auf die Positionsabweichung des TCP (Tool Center Point) und die Orientierungsabweichung des Werkzeugs auswirken:

  • Linearer Positionsfehler
  • Vertikaler Geradheitsfehler
  • Horizontaler Geradheitsfehler
  • Rollfehler
  • Nickfehler
  • Gierfehler

Hinzu kommen bei kartesischen Maschinen zusätzlich die drei Rechtwinkligkeitsfehler der Achsen, so dass in einem vollständigen realen Fehlermodell insgesamt 21 Fehlerarten bei einer Dreiachsmaschine am TCP wirken. Diese 21 Fehler erzeugen am TCP einer dreiachsigen Werkzeugmaschine sowohl einen Positionsversatz der Werkzeugspitze als auch eine Orientierungsabweichung des eingespannten Werkzeugs.

Bei einer dreiachsigen Maschine wird von VCS der Volumenfehler am TCP korrigiert. Bei fünfachsigen Portalfräsmaschinen mit Dreh-Schwenkkopf ist es zudem möglich, auch den Fehler in der Orientierung des Werkzeugs zu reduzieren. Durch Einsatz des VCS kann der Maschinenbauer hohe volumetrische Genauigkeit im kompletten Arbeitsraum seiner Maschine erreichen. Der Kreisformtest (siehe Abbildung) kann mit VCS in jedem Punkt des Arbeitsraums und auch in unterschiedlichen Ebenen mit stets erhöhter Konturgenauigkeit ausgeführt werden.

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