TNC-Steuerung wird präziser

Produktivitätssteigerung und Kostenreduzierung sind vorrangige Ziele moderner Produktionsunternehmen. Eng damit verknüpft sind die Forderungen nach reduziertem Ausschuss, kürzeren Bearbeitungszeiten und dem Vermeiden von zusätzlichen Bearbeitungsschritten oder Nacharbeit. Steuerungen für Werkzeugmaschinen müssen somit in der Lage sein, im Zielkonflikt zwischen Bearbeitungszeit, Oberflächenqualität und Werkstückgenauigkeit einen für die Fräsmaschine und den Fertigungsprozess optimierten Ansatz zu finden.

Unter dem Begriff „Dynamic Precision“ fasst Heidenhain (Halle 25, Stand D 07) eine Gruppe von Funktionen für TNC-Steuerungen zusammen, welche die Bahngenauigkeit von Werkzeugmaschinen auch bei hohen Vorschüben und komplexen Bahnbewegungen verbessern soll. „Dynamic Precision“ ist ein Paket von optionalen Funktionen für TNC-Steuerungen, die sich optimal ergänzen sollen. Diese Funktionen verbessern die dynamische Genauigkeit von Werkzeugmaschinen. Fräsbearbeitungen auf einer Maschine mit „Dynamic Precision“ können schneller und präziser ausgeführt werden. Die Fertigung wird produktiver. Anwender sparen Zeit und Kosten für unnötigen Ausschuss.

Dynamische Abweichungen entstehen durch die Bearbeitung selbst. Sie sind kurzzeitige Positions- oder Winkelabweichungen oder Schwingungen am Werkzeugmittelpunkt, dem Tool Center Point (TCP), die aus der Beschleunigung von Vorschubachsen resultieren. Deshalb nehmen sie zu, je schneller ein NC-Programm abgearbeitet wird. Dynamische Abweichungen können meist von der Antriebsregelung nicht vollständig kompensiert werden. So führen sie unter anderem zu einem Schleppfehler zwischen der Sollposition und der tatsächlichen Position der Vorschubachsen.

Aber auch der Antriebsstrang selbst ist nicht ganz steif. Durch eine gewisse Elastizität der Komponenten kann es zu Schwingungen kommen. Über die Lebenszeit einer Maschine verändern sich außerdem die dynamischen Abweichungen, da sich die Reibkräfte zum Beispiel in den Führungen durch Verschleiß verändern. Dynamische Abweichungen nehmen bei Maschinen mit Tischkinematik üblicherweise auch dann zu, wenn schwere Werkstücke eingespannt werden.

Um die Richtungswechsel bei komplexen Bahnbewegungen zu bewältigen, müssen Achsen abgebremst und beschleunigt werden. Je schneller das geschieht, desto höher ist der Ruck. Der Ruck ist das Maß für die Dauer des Beschleunigungsaufbaus. Je höher er ist, desto mehr wird die Maschine zu Schwingungen angeregt. Das führt zu dynamischen Abweichungen und besonders auf schwach gekrümmten Flächen zu sichtbaren Schattierungen. Bisher ließ sich das nur durch langsamere Vorschübe verhindern.

„Dynamic Precision“ reduziert diese dynamischen Abweichungen einer Werkzeugmaschine. Damit können Anwender das Genauigkeitspotential der Werkzeugmaschine vollständig nutzen. Da es sich hierbei um Software-Funktionen handelt, ist keinerlei Eingriff in die Maschinenmechanik oder in den Antriebsstrang notwendig.

Die Funktionen von „Dynamic Precision“ werden in der Regler-Einheit – einer Komponente der Heidenhain-Steuerungen – mit hoher Taktrate an die Bewegungen und Belastungen der Werkzeugmaschine angepasst. Die Reglerfunktionen kompensieren Abweichungen, dämpfen Schwingungen und regeln Maschinenparameter in Abhängigkeit von Position, Massenträgheit und Geschwindigkeit. Dabei erfolgt kein Eingriff in die Maschinenmechanik. „Dynamic Precision“ soll die Genauigkeit in Abhängigkeit von der aktuellen Bewegung und Belastung erhöhen.

Testbearbeitungen haben ergeben, dass eine Verbesserung der Genauigkeit auch bei einer Erhöhung des Rucks um den Faktor zwei immer noch möglich ist. Gleichzeitig konnte die Fräszeit dabei um bis zu 15 % reduziert werden. Für genaue Werkstücke mit hoher Oberflächengüte muss also nicht mehr zwangsläufig langsam bearbeitet werden. Werkzeugmaschinen arbeiten mit „Dynamic Precision“ gleichzeitig schnell und präzise. Hohe Präzision bei schneller Bearbeitung bedeutet gleichzeitig auch eine Erhöhung der Produktivität. Stückkosten sinken ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit und der Oberflächenqualität.

Mit einer deutlichen Reduktion der Fehler am Tool Center Point bei hochdynamischer Abarbeitung von NC-Programmen leistet „Dynamic Precision“ einen wertvollen Beitrag zur Steigerung der Performance von Werkzeugmaschinen. Anwender sparen Zeit und Kosten für unnötigen Ausschuss, da sich die höhere dynamische Genauigkeit von Werkzeugmaschinen in kürzeren Bearbeitungszeiten, verbesserter Werkstückgenauigkeit und höherer Oberflächengüte bemerkbar macht.

Dr. Jens Kummetz Leiter Marketing und Produktbetreuung Steuerungen für Werkzeugmaschinen, Heidenhain, Traunreut

Die Funktionen von „Dynamic Precision“ stehen als Optionen für Steuerungen von Heidenhain zur Verfügung. Sie können sowohl einzeln als auch in Kombination eingesetzt werden.

Cross Talk Compensation (CTC) kompensiert Positionsabweichungen, die durch Nachgiebigkeit zwischen Achsen entstehen. Damit können der Ruck um bis zu Faktor 2 erhöht und Bearbeitungszeiten um bis zu 15 % verkürzt werden.

Active Vibration Damping (AVD) ist eine aktive Schwingungsdämpfung. Sie unterdrückt dominante niederfrequente Schwingungen (Aufstellschwingungen oder Elastizität im Antriebsstrang). Um vergleichbare Oberflächen ohne AVD zu erhalten, müssten die Ruckwerte um bis zu Faktor 3 reduziert werden.

Position Adaptive Control (PAC) passt die Vorschubregelung in Abhängigkeit von den Achspositionen an. Damit wird eine bessere Konturtreue innerhalb des gesamten Verfahrbereichs der Vorschubachsen erreicht.

Load Adaptive Control (LAC) passt die Vorschubregelung lastabhängig an. Dazu ermittelt LAC permanent die aktuelle Masse bei Linearachsen bzw. die Massenträgheit bei Rundachsen und gleicht Maschinenparameter kontinuierlich an die aktuell gemessenen Werte an. Der Maschinenbediener muss den Beladungszustand nicht mehr selbst bestimmen, damit sind Bedienerfehler ausgeschlossen.

Motion Adaptive Control (MAC) passt die Vorschubregelung bewegungsabhängig an. MAC verändert Parameter in Abhängigkeit von Geschwindigkeit oder Beschleunigung eines Antriebs. Damit kann eine höhere Maximalbeschleunigung bei Eilgangbewegungen erreicht werden.