Energiesparmöglichkeiten mit der CNC-Technik

 

 

Ausschnitt aus der RAVEL-Dokumentation "RAVEL im Maschinenbau" Nr. 724.333 D
von Hansruedi Wipf, Brütsch Elektronik AG, CH-8248 Uhwiesen


© GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS, 30. JANUAR 1997


Einleitung

Was wäre eine moderne Werkzeugmaschine ohne CNC-Steuerung? Nebst den ausgewiesenen Vorteilen mangelt es vielen automatisierten Maschinen an einigen Funktionen, welche mit handbetriebenen Maschinen möglich waren. Dazu gehört das Abschalten der Maschine während einer kurzen Produktionspause, das Festklemmen von Achsen, welche nicht bewegt werden und die prozessoptimale Vorschubregelung (Geräusch, Beobachtung der Spanbildung ...). Mit der CNC-Technik sind solche Funktionen nur möglich, wenn sie der Maschinenhersteller vorsieht. Der Endanwender kann nur noch die Möglichkeiten nutzen, welche er über die CNC-Steuerung erreicht. In diesem Beitrag wird versucht, die Vielfalt um den Bereich der CNC-Technik zu gliedern und Energiesparmöglichkeiten aufzuzeigen. Es zeigt sich, dass die grössten Potentiale in der Planung einer Maschinen liegen. Eine Konstruktion, welche auch auf der rationelle Verwendung von Elektrizität ausgerichtet ist, führt zu einer leistungsfähigeren Werkzeugmaschine.


Aufbau und Strukturen von CNC-Systemen

Ein CNC-Steuerungs-System lässt sich in 3 Funktionsebenen (Bild 1) unterteilen:

MMI: Das Mensch-Maschine-Interface übernimmt alle Aufgaben im Bereich der Bedienung, Datenvisualisierung und Kommunikation mit den peripheren Einheiten und der Datenaufarbeitung.

NCP: Im NC-Kern werden in den einzelnen Funktionsmodulen alle Echtzeitfunktionen gesteuert. Die beiden Komponenten des NCP's sind: NCI, der NC-Interpreter, zuständig für die Ablaufsteuerung der Bearbeitungsprogramme und Zyklen. AXM, der Achsen-Manager, in dem die Interpolationsdaten für alle NC-Achsen generiert werden.

PLC: Die speicherprogrammierbare Anpass-Steuerung (SPS), in welcher alle Steuerungs- und Überwachungsaufgaben der Maschinenperipherie wahrgenommen werden.


Preisklassen von CNC-Systemen

Die Möglichkeiten, ein CNC-System in allen Belangen optimal an eine Maschine anzupassen, sind abhängig von der jeweiligen CNC-Struktur. Bis zu einem gewissen Grad sind die Möglichkeiten proportional zum Preis einer CNC-Steuerung, so dass eine grobe Unterteilung in die folgenden drei Preisklassen gemacht werden könnte:

Lowcost-CNC: Eine Lowcost-CNC ist eine Steuerungen für bis zu 3 NC-Achsen welche in einfachen Fräsmaschinen und Kreuztischen eingesetzt wird. Es gibt feste Funktionsstrukturen und vorgegebene anwendungsspezifische Zyklen. Die Werkstückprogrammierung erfolgt nach DIN 66025 oder vorgegebenen Zyklenfunktionen. Für Sonderfunktionen stehen nur geringe Adaptionsmöglichkeiten zur Verfügung. Die Bedienerstrukturen für Hand, Automatik und Programmieren sind fest vorgegeben. Die typische Leistungsdaten sind: Blockzykluszeiten 20-100 ms, Interpolations- und Lagereglertakt 10-20 ms.

Medium-CNC: Die Medium-CNC ist ausbaubar bis etwa 6 NC-Achsen. Mehrkanalstrukturen mit unabhängigen Interpolatoren sind möglich. Die Standardvarianten für Fräsen, Drehen, Schleifen usw. sind verfügbar. Getrennte Funktionsebenen MMI, NC, SPS inklusive programmierbarer Applikationsschnittstellen sind vorhanden.

Als MMI-Funktionen sind die Bedienerstrukturen und der Bildaufbau fest vorgegeben. Die Möglichkeiten mit NC-Befehlen einfache Text- und Dialogfenster zu realisieren sind gegeben. Von den NCP-Funktionen sind die Werkstückprogrammierung ISO Code nach DIN 66025 oder Zyklenfunktionen möglich. Ein erweiterter Befehlssatz für Ablaufsteuerungen und Subroutinen ist vorhanden. Eine lineare 3-Achsen und Kreis-Interpolationen ist Standard, höhere Interpolationsarten sind zum Teil verfügbar. Typische Leistungsdaten sind: Blockzykluszeiten 10-50 ms, Interpolations- und Lagereglertakt 5-15 ms. Eine integrierte SPS mit NC-Windowsschnittstelle bildet die PLC-Funktionen.

High End-CNC: Die High End-CNC hat offene Strukturen für das Applikationsengineering auf den Ebenen MMI, NCP und PLC (Bild 2). Dadurch ergeben sich flexible Hardwarestrukturen für scalierbare Rechnerleistungen. Der vermehrter Einsatz von PC-Hardware beim MMI-Rechner wird möglich. Multiprozessorfähige NC-Systeme lassen den flexiblen Ausbau von NC-Achsen zu. Die Mehrkanalstrukturen mit unabhängigen Interpolatoren ermöglichen Varianten bis 5-Achsen-Fräsen, Mehrspindeldrehen, Schleifen usw. Die offenen Programmschnittstellen für die Integration an Sondermaschinen sind vorhanden.

Die MMI-Funktionen basieren auf vorgegebenen Standardstrukturen sowie projektierbare maschinenspezifische Benutzeroberflächen. Standardisierte multitasking Betriebssysteme ermöglichen die Integration von eigenständigen Programmen (MS-DOS, Windows, UNIX usw.) sowie maschinenspezifische Programmiersysteme (WOP und AVOR), graphische Simulationsprogramme und CAD-Systeme. DNC-Erweiterungen mit direkter LAN-Ankopplung (PC-LAN, Ethernet) sowie MMI-Windows direkt zur NC und PLC sind realisierbar. Ein Datenlogger für Fehler, History, Zustände und Diagnose sowie ein Massenspeicher wie Hard- und Floppydisk gehören zum Funktionsumfang. Für den Datentransfer steht eine 3 ½" 1,44 MB Floppydisk zur Verfügung.

Als NCP-Funktionen sind höhere Interpolationsarten wie Spline, Parabel, 5-Achsen-Polynome und Mehrkanalstrukturen mit virtuellen Achszuordnungen möglich. Zu den Antrieben gibt es offene Schnittstellen wie: analog, SERCOS, Firmenbussysteme (Siemens, FANUC ). Es können weiche Rampenübergänge für grössere Beschleunigungen generiert werden. Mit den offenen Strukturen für komplexe Zyklenprogrammierung können mathematische Funktionen und logische Operationen implementiert werden. Es können Hochsprachenstrukturen um ISO 66025 überlagert werden (IF, WHILE, FOR ...) und in die Systemsoftware kann ein Sourcecode direkt eingebunden werden.

Durch flexible NC-Windows kann eine direkte Prozessbeeinflussung stattfinden wie ISO-Interrupt aus ISO-, MMI- oder PLC-Funktionen. Eine kanalspezifische Vorschubsteuerungen kann auf Einzelachsen oder Interpolationskanäle wirken. Die flexiblen Kompensationsstrukturen basieren auf Maschinenkonstanten, Spindel- und Werkzeugkompensationen für Winkel-, Spindel-, Cross-Error. Kompensationstabellen in Funktion von Maschinenparametern und -temperaturgang können dynamisch nachgeladen werden. MMI-Windows wirkt direkt zur NC und PLC für Logik, R-Daten und Files. Die typische Leistungsdaten von High-End CNC-Systemen sind: Blockzykluszeiten 0,2-5 ms und Interpolations- und Lagereglertakt 0,5-3 ms.

Die PLC-Funktionen umfassen SPS mit MMI- und NC-Windowsschnittstelle. Feldbusinterfaces für Interbus-S, Profibus, CAN-Bus usw. sind möglich. Hilfsachsen wie Schrittmotoren und Servohydraulik können direkt angesteuert werden. Als Analogschnittstellen stehen 12/16-Bit ADI und ADC zur Verfügung. Die Durchführung einer Maschinendiagnose ist möglich.


Trends im Steuerungsbau

Im Steuerungsbau findet bei den CNC-Hersteller eine Strukturbereinigung statt. Bei den MMI-Konzepten baut man auf PC-Hardware mit 486 CPU`s. Es werden vermehrt Mono, Dual-Scan und TFT LCD-Display's eingesetzt. Die Harddisk als Datenträger für System- und Anwendersoftware sowie die 3 ½" Floppy als Transfermedium setzen sich durch. Die flexible Vernetzung ist in immer mehr Systemen möglich. Die NC-Funktionen verfügen über mächtigere Befehlsstrukturen aus ISO. Schnellere Satzverarbeitungszeiten und verbesserte Regelalgorithmen ermöglichen einen geringeren Schleppabstand. Normierte Befehlsstrukturen wie extended ISO und OSACA werden Standard. Eine erweiterte elektronische Fehlerkompensationen erhöht die Maschinengenauigkeit.

Offene Antriebsschnittstellen konkurrieren weiterhin Paketlösungen, werden sich aber am Markt behaupten. Die PLC-Strukturen ermöglichen Schnittstellen zwischen CNC und SPS Steuerungen über Feldbusse. Normierte Programmiersprachen vereinfachen die Kommunikation. Mit Feldbussystemen für dezentrale Lösungen stehen bessere Anschlusstechniken durch standardisierte E/A-Module und normierten Datenschnittstellen zu Aggregaten wie Spindelantriebe, Messstationen und Sensorik zur Verfügung.


Planungsphasen für energiesparende Massnahmen an Werkzeugmaschinen

Der Energiepreis ist noch in den wenigsten Fällen ausschlaggebend für aktive Massnahmen zum Energiesparen auf Werkzeugmaschinen. Beachten wir die Tatsache das unnötiger Energieverbrauch zusätzliche thermische Probleme im Schaltschrank und auf der Maschine hervorrufen kann, so ist es wichtig, in jeder Entwicklungs- und Planungsphase diesem Aspekt die notwendige Aufmerksamkeit zu schenken.

Entwicklung: Im Bereich der Werkzeugmaschinen und der dazugehörigen Steuerungstechnik wird die Forschung und Entwicklung noch wichtige Beiträge zur Optimierung der Steuerungskomponenten leisten. Durch die Entwicklung von Steuer- und Antriebseinheiten mit einem besseren Wirkungsgrad kann die Kühlleistung im Schaltschrank und der Temperaturgang auf der Maschine reduziert werden. Die Geräteschnittstellen sind offen für eine flexible Maschinenintegrationen zu gestalten. Die Komponenten bekommen ein temperaturunabhängiges Verhalten mit einem breiten Spannungs- und Frequenzbereich ohne verlustreiche Anpassungsschaltungen. Mit einer verbesserten Sensorik kann der Prozess überwacht werden. Dazu gehört zum Beispiel eine präzise Leistungsinformation bei Spindelantrieben über den gesamten Drehzahlbereich und Körperschallmessgeräte für adaptive Vorschubsteuerungen.

Konstruktion: Bereits bei einem allgemeinen Maschinenpflichtenheft müssen die Entwicklungsteams der Konstruktion, Elektroplanung und dem Softwareengineering eng zusammenarbeiten, um eine optimale Lösung zu erreichen. Die nachfolgenden Punkte sind Beispiele, wo bereits in frühen Planungs- und Entwicklungsphasen einer Werkzeugmaschine wichtige Punkte mitberücksichtigt werden müssen:

Der Temperaturgang der Maschine kann mit guter Wärmeableitung im Bereich der Motoren, Spannvorrichtungen und Aggregate verbessert werden. Für die Temperaturstabilität ist der Einfluss des Kühlmittelflusses in der Maschine zu berücksichtigen. Bei der Antriebsdimensionierung ist auf die thermische Zeitkonstante der Antriebe, auf die Beschleunigungs- und Schnittkräfte sowie auf die optimale Abstimmung des Massenträgheitsmoments zwischen Antrieb und Maschine zu achten. Für die Halte- und Klemmeinrichtungen von Haupt- und Hilfsantrieben sind Sicherheitsaspekte und die Energieabschaltung in Betracht zu ziehen. Mit dem Einsatz von elektronischen Kompensationen (Bild 3) können Winkelfehler, Cross-Error und Spindelsteigung korrigiert werden.

Anhand mechanischer Referenzsysteme, welche bei der Konstruktion festzulegen sind, können die notwendigen Maschinenkonstanten bei der Inbetriebnahme einfach vermessen werden. Die in leistungsfähigen CNC-Steuerungen integrierten Kompensationsmechanismen ermöglichen weitgehend automatisierte Einrichtfunktionen zu realisieren. Dadurch ergeben sich kürzeste Stillstandszeiten beim Umrüsten, automatischer Werkstückwechsel und weniger Ausschuss (first part, good part).

Bild 3) Kippkompensationen mit erweiterter Spindelsteigungsfehlerkompensation

 

Elektroengineering: Gute Elektroplanung leistet bei der gesamten Anlagenplanung einen wesentlichen Beitrag für eine flexible Steuerung der installierten Verbraucher. Leider werden solche Forderungen oft durch den vorgegebenen Kostenrahmen ganz ausser acht gelassen. Andererseits ist zu beachten, dass flexible Steuerfunktionen auch die Maschinenfunktionalität erhöhen kann. Zusätzlich sind bei der Berücksichtigung von einigen Aspekten auch ohne zusätzliche Aufwendungen Energie und Kosten einzusparen.

Das Ziel muss es sein, ohne Schrankkühlung die zulässigen Temperaturbereiche nicht zu überschreiten. Temperaturunterschiede bis 10 Grad innerhalb eines Schaltschrankes sind durchaus möglich, und somit bei der Layoutplanung entscheidend, ob zusätzliche Kühlleistung in Schaltschrank zu installieren ist. Bei der Planung eines Schranklayouts sollten temperaturunempfindliche Einheiten wie Klemmen, Rangierfelder, Sicherungen usw. im oberen Schrankteil angeordnet sein. Die Leistungseinheiten mit grossen Verlustleistungen können in einem getrennten Schrankteil plaziert werden. Lokale Wärmestaus oder gegenseitige Warmluftbeeinflussung durch Geräte sind zu vermeiden. Wärmestaus lassen sich durch forcierte Umluft vermeiden.

Die Widerstandsmodule von Servo- und Spindelantrieben zur Vernichtung der Bremsenergie sind wenn möglich, ausserhalb des Schrankes zu montieren, zum Beispiel in einem Gehäuserucksack. Es sind nur Kühlgeräte mit einstellbaren Temperaturreglern einzusetzen. Die Temperatureinstellung ist möglichst hoch anzusetzen, damit der Schaltschrank nicht zum Umgebungskühler wird. Aggregate und Baugruppen sind mit möglichst selektiver Ansteuerung zu planen. Freischalten von Antrieben sollte während dem Betrieb möglich sein.

Softwareengineering: Die Möglichkeiten, mittels optimierten Softwarelösungen Energie einzusparen, sind sehr vielfältig und von vielen Faktoren abhängig. Mit modernen Programmierwerkzeugen auf der CNC können komplexe Programmstrukturen wirtschaftlich gelöst werden. Möglichkeiten und Offenheit der CNC-Funktionen sind: Online-Zustell-Strategien, variable Werkzeugradiuswerte, Offenheit der Aggregatsschnittstellen und konstruktive Vorgaben wie Bremsen und Klemmen. In den Programmstrukturen sollten flexible Parameterschnittstellen für die Ablauf- und Schaltfunktionssteuerung durch den Endanwender vorhanden sein.


Energiesparen durch Produktivitätssteigerungen

Unter der Annahme, dass bei einer Werkzeugmaschine durch optimierte Abläufe die Bearbeitungszeiten gesenkt werden, reduzieren sich auch die unproduktiven Nebenzeiten, und somit auch der Gesamtenergieaufwand.

Ablaufoptimierung der Beabeitungsprozesse: Besonders bei Werkzeugmaschinen mit hoher Zyklenfunktionalität können durch intelligente Softwarelösungen unnötige Verfahrwege eliminiert werden. Dazu zählen werkzeugkompensierte Ausgangslagen, Freifahr-, Kollisionsstrategieen und spindelkompensierte Ausgangslagen beim automatischem Spindelwechsel. Voraussetzungen für die Realisierung solcher Strukturen sind CNC-Steuerungen mit sehr schnellen NC-Interpreter. Die anspruchsvollen Funktionsabläufe und umfangreiche Kompensationsberechnungen müssen online ohne Stillstandszeiten von der CNC berechnet werden (Bild 4).

% (* Beispiel Konturberechnung Online *)
N005 FOR phi = phi_start TO phi_end STEP d_phi;
N010 BEGIN;
N015 Xn = dm/2 * COS(phi) - 2 * e * COS(2*phi) + e * COS(4*phi);
N020 Yn = dm/2 * SIN(phi) + 2 * e * SIN(2*phi) + e * SIN(4*phi);
N025 G1 x Xn y Yn;
N030 END;

Bild 4) Berechnung von Wegsegmenten

Parkieren von NC-Achsen: Hilfs- und Hauptachsen können bei entsprechenden Funktionsschnittstellen (M-Codes für die Bremssteuerung, Klemmung und die Antriebsfreischaltung) einfach während dem Prozess parkiert werden. Unter Freischalten werden leistungslose Antriebe verstanden. Die Vorteile sind: keine Mikrooszillationen der Achse im Stillstand, keine unnötige Maschinenerwärmung und die Achse muss auch nicht für Referenzsuchlauf verfahren werden, wenn eine genaue Position eingestellt ist.

Werkzeugvorbereitungen: Die Werkzeugvorbereitung während der Bearbeitung, sowie eine flexible Werzeugverwaltung auf der Steuerung reduzieren die Werkzeugwechselzeiten.

Werkstückprogrammierung (AVOR/WOP): Die Werkstückprogrammierung unterteilt sich grob in zwei Hauptgruppen, welche weitgehend von der Anwendung und dem Einsatz der Werkzeugmaschine abhängig ist.

Bei der CAD-CAM-Kopplung bestimmen der NC-Generator und der nachgeschaltete Postprozessor weitgehend die Qualität von optimierten Verfahr- und Schnittstrategien. Der Postprozessor müsste auch feststellen, welche NC-Achsen für ein Werkstück nicht gebraucht werden, und diese Achsen könnte er mit dem entsprechenden M-Code parkieren. Die CNC braucht für minimale Stillstandszeiten grosse Massenspeicher (z.B. Harddisk) und einen Background Programmtransfer während der Bearbeitung.

Für die WOP / Zyklenprogrammierung sind die gleichen Programmgeneratoren auf der CNC und in der AVOR. Der Programmgenerator muss während der Bearbeitung aktiv sein, was vermehrt bei PC-basierenden MMI`s möglich ist (Bild 5). Die Programmsimulationen mit graphischer Unterstützung müssen sowohl auf dem AVOR-Rechner und der CNC möglich sein. Flexible Steuerung der Abläufe erfolgt durch einfache Parametrisierung der Operationszyklen.

Bild 5) Bei arbeitender Maschine auf der CNC programmieren.

 


Produktivitätssteigerung durch Sensorik

Vermehrt stehen dem Werkzeugmaschinenhersteller Mess- und Steuergeräte zur Verfügung, die es ermöglichen, den Bearbeitungsprozess online zu steuern und zu regeln. Der Entwicklungsstand einiger Messgeräte ist bereits so weit fortgeschritten, dass viele CNC-Steuerungen die verfügbaren Prozessinformationen wegen ungenügenden Schnittstellen oder mangelnder CNC-Funktionalität nicht mehr optimal auswerten können.

CNC-Interfacefuntionen beinhalten: CNC-Eingänge die direkt im Interpolationstakt oder schneller eine Signalauswertung ermöglichen, exakte Positionserfassung mit Messtastern bei Maximalgeschwindigkeit, Analogeingänge bis 16 Bit ADC, Serieschnittstellen für die Kommunikation mit intelligenten Aggregaten. (Messstationen usw.) und ein Feldbusinterface für Sensor / Aktor Ebene (zum Beispiel: Interbus-S, CAN-Bus usw.)

Dadurch ergeben sich Anwendungen mit Messtaster für Werkstück- oder Aufspannpositionen. Mit Leistungssignalgeber und Körperschallsenssoren können Werkstück und Werkzeugkontakt online erkannt werden. Analoge Messtaster dienen der schnellen Positionserfassung, wenn die Steuerung anhand der Tasterauslenkung die genaue Position berechnen kann. Mit leistungsproportionalen Signalen kann der Vorschub geregelt werden (adaptive Vorschubregelung). Dieses Verfahren verlangt CNC-Steuerungen (Bild 6), die auch im Interpolationsbetrieb innerhalb den Geschwindigkeitsrampen ein schleppfehlerfehlerfreies Fahren garantieren.

Verarbeiten von Messeingängen: Messtastereingänge auf CNC-Steuerungen können je nach System direkt auf NC-Eingänge oder via PLC in der NC-verarbeitet werden. Nebst CNC-internen Reaktionsgeschwindigkeit auf Messeingängen ist es viel entscheidender, mit welcher Geschwindigkeit und Funktionalität die CNC-Applikation den Prozessablauf beeinflussen kann. Bei Hochgeschwindigkeits-Schleifscheiben wird durch Abtasten der Scheibenausdehnung mit Sensoren der Werkzeugradius automatisch kompensiert. Das "Luftschleifen" wird verhindert. Die Endmasserkennung erfolgt online und das Abfahren von Messzyklen dient der Aufspannorientierung.

Adaptive Vorschubsteuerung: Sowohl beim standard Rund-, Flach- Profilschleifen und auch vermehrt im allgemeinen Unrundschleifen kommen externe Messgeräte zum Einsatz, die ein leistungsproportionales Analogsignal zur CNC melden. Diese skalierten Online-Informationen vom Bearbeitungsprozess verarbeitet die CNC direkt als Vorschubsüberlagerung zur programmierten Geschwindigkeit. Dadurch ergibt sich ein Vorschub mit konstanter Spindelleistung. Die CNC kann ein stumpfes Werkzeug erkennen, es automatisch abrichten oder wechseln. Das Endmass wird durch die Analyse des Schleifdruckes erkannt (Bild 7).

Bild 7) Unterschiedliche Schleifdrücke beim Unrundschleifen


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