Mit minimalem Aufwand zu optimalem Nutzen

Dr.-Ing. Hans-Peter Schossig und Dietmar Fickert sind Mitarbeiter der Deckel Maho Pfronten GmbH

Im Automobil sind intelligente Einrichtungen mit Abkürzungen wie ABS, ASR oder ESP fast schon Standard. Laut Halbleiterhersteller Infineon Technologies hat „… schon heute ein Auto die Rechenkapazität eines frühen Airbus”. Doch wie sieht das bei modernen Werkzeugmaschinen aus, wo zunehmend nicht nur die Haupt-, sondern auch die Nebenprozesse der Zerspanung automatisch ablaufen?

Die Werkzeugmaschinenbranche und deren Zulieferer bieten heute intelligente Lösungen für eine noch effektivere und präzisere Fertigung zu vergleichsweise geringen Kosten an. Und die Einrichtungen haben bereits ihre Feuertaufe in der Praxis mit nachgewiesenem Nutzen bestanden.

Was aber hat der Anwender unter Intelligenter Maschine zu verstehen?

Verdeutlicht werden soll das an Deckel- Maho-Universal-Fräsmaschinen mit statisch und dynamisch optimierten Eigenschaften, die mit fünf NC-Achsen und den aktuellen Bahnsteuerungen Heidenhain iTNC 530 und Mill-Plus IT ausgestattet sind. Diese Universalfräsmaschinen ermöglichen durch Bearbeiten von fünf Seiten oder mit fünf NC-Achsen schon in der Standardversion eine produktive Komplettfertigung der Werkstücke bei hoher Maßhaltigkeit und Oberflächengüte.

Während und nach der Zerspanung festgestellte Abweichungen zu den programmierten Sollwerten wie Geometriefehler oder Leistungseinbußen werden inzwischen automatisch kompensiert. Der automatisierte Zerspanvorgang kann damit so genau und effektiv ausgeführt werden, wie es die Maschineneigenschaften zulassen.

Die Maschinensteuerungen bieten für die intelligenten Zusatzeinrichtungen die hardwaretechnischen Voraussetzungen, speziell entwickelte Software bewirkt zusammen mit den Zusatzeinrichtungen der Maschine die Maschinenintelligenz. Der Bediener muss nur noch die intelligenten Funktionen in das NC-Programm einbauen, wie folgende Beispiele verdeutlichen.

TPC-Zyklus: Maschinenpräzision erhöht

Trotz größter Sorgfalt bei der Herstellung und beim Einbau NC-gesteuerter Fräsmaschinentische liegt im praktischen Fräsbetrieb das Tisch-Drehzentrum nicht exakt im programmierten Zentrum. Während des Maschinenbetriebes über längere Zeiträume oder durch Temperatureinflüsse treten weitere kinematische Verschiebungen des Tisch-Drehzentrums auf. Ein Messtaster ermittelt diese Abweichungen in allen Achsen.

Diese Werte werden unter Regie des Steuerungs-Zyklus Table Precision Control (TPC) am Bedienpult eingegeben. Die Maschine kompensiert künftig mit dem TPC-Zyklus die jeweils ermittelten Tischabweichungen während des Fräsens automatisch und unabhängig von der Fräskopfstellung. Ab einer bestimmten CNC-Version ist der TPC-Zyklus nachzurüsten.

HPC-Zyklus: Maschinenpräzision erhöht

Ebenso können auch mechanische oder temperaturbedingte Verschiebungen des gesteuerten Fräskopfes (B-Achse) kompensiert werden. Die Funktion Head Precision Control (HPC) realisiert das. Voraussetzung dafür ist der Einsatz einer Werkzeugmesseinrichtung, wie die der Firma Blum. Der Bediener gibt die durch den Laserstrahl während eines speziellen Messzyklus mit einem Kalibrierwerkzeug in X/Y/Z gemessenen Fräskopf-Verschiebewerte in ein betreffendes Feld des HPC-Zyklus am Bedienpult ein. Nach entsprechender Aktivierung berechnet das Programm die temporär ermittelten Fräskopfverschiebungen automatisch bei der Bearbeitung und zwar unabhängig von der Stellung des Tisches.

Application Tuning Cycle: Optimal fräsen

Der Anwender kann in einem Application Tuning Cycle (ATC) die Bearbeitungsziele auswählen, die für den jeweiligen Fräsprozess vorrangig sind. Bearbeitungsziele wie optimierte Oberfläche, maximal mögliche Geschwindigkeit oder höchstmögliche Genauigkeit lassen sich beim Programmieren des ATC durch unterschiedliche Bezeichnungen für den jeweiligen Bearbeitungsmodus am Bedienpult eingeben. Dabei kann im Modus (maximale) Geschwindigkeit die Maschine so schnell fräsen, wie es ihre dynamischen Eigenschaften zulassen. Andernfalls sind die Maschinenkonstanten so gewählt, dass entweder die maximal mögliche Fertigungsgenauigkeit oder alternativ die bestmögliche Werkstück-Oberfläche erzielt werden. Dazu wird noch angeboten, das im betreffenden Bearbeitungsfall anfallende Werkstückgewicht zu berücksichtigen.

Adaptiv Control: Mehr Leistung und Sicherheit Während des Fräsvorganges erfordern plötzliche, nicht programmierte Abweichungen im Fertigungsprozess bestimmte Reaktionen der Maschine: Plötzliche Werkstückgeometrie-Sprünge in Form von Nuten oder Absätzen, Materialfehler, Abweichungen der Rohteilgeometrie, akuter Verschleiß oder Defekte an den Werkzeugen.

Inzwischen sind die technischen Voraussetzungen zur Maschinenreaktion gegeben, die entwickelten Einrichtungen erprobt und bezahlbar. Unter dem Namen Omat soll eine Adaptiv-Control-Einrichtung an einer Deckel Maho- Universalfräsmaschine mit gesteuertem B-Achs-Fräskopf als Beispiel dienen. Voraussetzungen für die Einsatzfähigkeit dieser Einrichtungen sind etwa spielfreie und digital regelbare Haupt- und Vorschubantriebe an den dynamisch optimierten Fräsmaschinen und ein zweiter Prozessor in den Heidenhain – Steuerungen Mill-Plus IT oder iTNC 530.

Im praktischen Fräsbetrieb werden aus der in Echtzeit gemessenen aktuellen Hauptspindelleistung automatisch die optimal möglichen Vorschubgeschwindigkeiten und Leistungsaufnahmen der Maschine ermittelt und im Miniaturbild-Diagramm am Bediener-Bildschirm im Vergleich zur 100%- Marke grafisch dargestellt. In einem farbigen Balkendiagramm sind einzelne Bearbeitungsbedingungen wie Überlastanzeige, Spindel im Material, Luftschnitt und andere Betriebsbedingungen für die derzeit laufende Operation zu erkennen. Vorteile: Werkzeugbruch-Vermeidung/-Erkennung, Fertigungszeit-Verkürzung, Standzeit-Erhöhung, Schnittkraftanzeige, Spindelschutz gegen Überlast.

Intelligente Hauptspindel: Sensorik integriert

Nach wie vor gelten fremd- und selbsterregte Schwingungen als schlimmste Störfaktoren eines Fräsprozesses. Gegenwärtig kann eine kostengünstige und wirkungsvolle Sensorik eingesetzt werden. Im Zusammenwirken mit einem statisch und dynamisch optimierten Maschinenverhalten eliminiert sie störende Schwingungseinflüsse an der Hauptspindel weitestgehend.

Ein Beschleunigungssensor misst etwa auftretende Schwingungen im kritischen Bereich der Hauptspindel. Gleichzeitig wird in einem Echtzeit-Balkendiagramm am S-Control Display als Teil des Bildschirmes der aktuelle Schwingungszustand angezeigt. Dadurch kann kontrolliert werden, ob die Bearbeitung im optimalen grünen Bereich störungsfrei erfolgt.

Wird dieser grüne Bereich verlassen, signalisiert das Display-Diagramm gelb, der Bediener kann beispielsweise den aktuellen Vorschubwert reduzieren. Schwingt sich die Maschine weiter auf oder nutzt sich das Werkzeug weiter ab, und wird bei der Bearbeitung ein bereits kritischer Bereich erreicht, sieht das S-Control Display rot. Entweder greift der Maschinenbediener durch sofortige Vorschubreduktion ein oder die Steuerung stoppt bei Überschreitung eines festgelegten Extremwertes die Maschine.

Eine solche intelligente Hauptspindel hilft entscheidend mit, den Bearbeitungsprozess immer an der maximal möglichen Leistungsgrenze der Maschine auszuführen, ohne dass diese Schaden nimmt.