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Optimierungspotential steckt in den Details

CNC organisiert Einzelleistungen zur produktiven Summe
Optimierungspotential steckt in den Details

Sparpotential steckt nicht nur in den Hauptzeiten. Was lohnt, ist der Blick auf den gesamten Ablauf zwischen der Konstruktion und der mechanischen Fertigung von Werkzeugen und Formen. Moderne Steuerungen optimieren den gesamten Herstellprozeß.

Dr. Werner Eberlein, Siemens AG, Erlangen

Die Prozeßkette im Werkzeugbau für den Plastikspritzguß ist äußerst komplex. Sie beginnt bei der Übernahme der CAD-Daten und reicht über die Konstruktion des Gesamtwerkzeugs bis zur Fertigung der Werkzeugeinsätze. Diese selbst werden oft indirekt hergestellt. Das bedeutet, daß zunächst Elektroden aus Kupfer oder Graphit gefertigt und dann mit Senkerodiermaschinen in die endgültige Werkzeugform übertragen werden. Sind sie nicht allzu filigran, werden Einsätze zunehmend auch direkt aus dem gehärteten Stahl gefräst. Das geschieht auf Werkzeugmaschinen mit genauer CNC-Steuerung sowie mit speziell beschichteten Fräswerkzeugen.
Wieviel Zeit sich dabei ein-sparen läßt, hängt zum einen vom konsequenten Einsatz der 3D CAD/ CAM-Technik ab. So lassen sich mit modernen Systemen bereits erstellte Abläufe für die Konstruktion und Arbeitsplanung in einer Wissensbasis hinterlegen und für das nächste ähnliche Projekt wieder aufrufen. Alle Arbeitsschritte sind assoziativ an das Modell der Grundgeometrie gekoppelt. Dadurch wird das Hinterlegen von betrieblichem Wissen unterstützt.
Zum anderen ergeben sich Zeitvorteile durch das Schlichtfräsen mit hoher Schnittgeschwindigkeit. Aber nicht nur die Reduzierung der Maschinenlaufzeit ist wichtig: Dank der verbesserten Oberflächengüte werden ansonsten notwendige Nacharbeiten wie das Polieren der Werkzeuge minimiert. Außerdem ist eine höhere Präzision erreichbar, so daß sich bei der Montage und dem Einfahren des Gesamtwerkzeuges weniger Probleme ergeben – dafür sorgen verbesserte Form- und Lagetoleranzen. Oft macht die höhere Paßgenauigkeit auch zusätzliche Abstimmvorrichtungen überflüssig.
Zum High-Speed-Fräsen reicht allerdings nicht nur eine HSC-fähige Steuerung. Vielmehr muß das ganze System optimiert werden. Maschine, Spindel, CNC und Antrieb sind dabei die wichtigsten Bausteine. Hinzu kommen die Präzisionswerkzeuge und das CAM-System. Die Werkzeugmaschine muß entsprechend steif sein. Bei Drehzahlen bis 10000 min-1 kommt auch einer Werkzeugspannung mit hoher Rundlaufgüte wichtige Bedeutung zu.
CNC-Steuerungen für die HSC-Bearbeitung sind heute komplett digitale Systeme: Die Motoren, die die Achsen der Werkzeugmaschine ansteuern, werden von Mikroprozessoren angesteuert und direkt geregelt. Eine moderne High-Speed-Steuerung wie die Sinumerik 840D ist ein Mehrprozessorsystem. Sie enthält zwei Pentium-Prozessoren. Pro Achse regelt ein digitaler Signalprozessor die Achsantriebsmotoren. Hinzu kommen zahlreiche Spezialchips (ASIC).
Über die reine Rechenleistung hinaus sind für HSC eine Reihe von Steuerungsfunktionen unverzichtbar: Der „High-Speed-Bahnbetrieb mit Look-ahead” bestimmt durch Vorausschau von weit über 100 Sätzen ein dem Bahnverlauf entsprechend optimiertes Geschwindigkeitsprofil. Bei glatten Satzübergängen wird auch über Satzgrenzen hinweg beschleunigt und gebremst.
Hohe Rechenleistung plus spezielle Steuerungsfunktionen
Durch Schleppfehler bedingte Ungenauigkeiten lassen sich durch die Funktion „Schleppfehlerfreier Betrieb mit Vorsteuerung” nahezu eliminieren. Auch bei hohen Geschwindigkeiten ist so eine hervorragende Genauigkeit möglich.
Bei hohen Beschleunigungen belastet der Ruck – das ist die Änderung der Beschleunigung – die Mechanik der Maschine und regt die Achsen zu Schwingungen an. Die Funktion „Ruckbegrenzte Beschleunigung” sorgt für ein optimales Beschleunigungsverhalten und schont damit gleichzeitig die Maschinenmechanik.
Je größer der Vorschub und je enger die Radien sind, desto größer wird normalerweise der Konturfehler. Die „Programmierbare Konturpräzision” garantiert unabhängig vom Vorschub und den Krümmungsradien der Kontur eine einstellbare Präzision der Form.
Statt großer Teileprogramme werden glatte Kurven in „Nurbs-Mathematik” aus dem CAD/CAM-System direkt an die Steuerung übergeben und dort weich interpoliert.
Resonanzen der Maschine werden über die Funktion „Aktive Schwingungsdämpfung” gezielt bedämpft und damit der Konturfehler minimiert.
„Höchste Meßsystemauflösung” bedeutet, daß vier Millionen Inkremente pro Umdrehung die höchste Positionsgüte des Motors sichern.
Über die „Quadrantenfehlerkompensation” werden Konturfehler beim Umkehren der Achsen eliminiert, die durch wechselnde Reibverhältnisse an Führungsbahnen entstehen.
Durch die Wärmeausdehnung der Maschinenteile ändern sich abhängig von der Temperatur die Istpositionen der einzelnen Achsen. Dies beeinflußt die Genauigkeit der bearbeiteten Werkstücke. Über die Funktion „Temperaturkompensation” wird dies ausgeglichen.
Auch Fehler in Kugelrollspindeln und Meßsystemen werden kompensiert. Die Abweichungen werden mit einem Laserinterferometer vermessen und als Kompensationswerte hinterlegt. Die Maschine wird dadurch genauer.
Dazu ein Beispiel: Siemens Bocholt setzt zum Elektrodenfräsen ein HSC-Zentrum der Kirchheimer Digma GmbH ein. Seine Hochfrequenzspindel– Hersteller ist die IBAG AG, Zürich – liefert Drehzahlen bis 45000 min-1. Verfahrgeschwindigkeiten von 30 m/min sorgen für sehr kurze Fertigungszeiten. Die durchgängige Prozeßkette zwischen CAD/ CAM und CNC wird mit Hilfe des CAD/ CAM-Systems Euclid der Münchener Matra Datavision GmbH realisiert.
Der Auslastungsgrad der Maschine wurde so weit als möglich gesteigert. Dazu verholfen haben ein vollautomatischer Werkstückwechsler, eine integrierte Werkzeugvermessung und spezielle Steuerungsfunktionen. Zum berührungslosen Messen und zur Bruchüberwachung der Werkzeuge dient ein System der Blum GmbH, Ravensburg. Es bestimmt deren Länge und Durchmesser bei Nenndrehzahl der Spindel und übergibt diese Daten in die CNC. Dort werden die Werte beim Abarbeiten des Fräsprogramms berücksichtigt. Durch das Messen bei drehender Spindel werden Rundlauffehler sowie Dehnungen der Frässpindel mikrometergenau erfaßt und online über den Werkzeugkorrekturspeicher der Steuerung ausgeglichen. Ebenso erkennt das System, ob einzelne Werkzeugschneiden gebrochen sind.
Ein Palettenwechsler der Erowa AG, Büron/Schweiz, übernimmt die Werkstückversorgung. Der Robot X versorgt die Maschine nach jeder Bearbeitung einer Elektrode mit einem neuen Rohteil. Die Steuerung verkettet diese Komponenten zu einem automatischen System, wechselt eine frische Elektrode ein und organisiert die Teileprogramme für das Schruppen, Vorschlichten und Schlichten. Vor jedem Programmabschnitt werden die benutzten Werkzeuge vermessen. Der Werker gibt bei Schichtende lediglich eine Jobliste entsprechend dem Arbeitsplan an der CNC-Steuerung ein.
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 19
Ausgabe
19.2021
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