Soft-CNC

Mehr als präzise

Hochgenaue Werkzeugmaschinen mit Generic Motion Control
Maschinenspezifische Funktionen werden nicht nachträglich den Standardfunktionen hinzugefügt. Vielmehr werden einzelne, bereits vorgefertigte Module in das Projekt integriert, um ein Maximum an Flexibilität zu erreichen.
Hersteller von Maschinen wünschen sich eine komplette Plattform, die eine Maschine automatisiert – samt Antriebe, Bewegungs- beziehungsweise Bahnsteuerung, Visualisierung und deren Vernetzung. Eine Bahnsteuerung mit CNC-Funktionen wird integraler Bestandteil des Automatisierungssystems. B&R aus dem österreichischen Eggelsberg vereint alle Komponenten in einem System.

Seit mehr als 40 Jahren steht der Begriff CNC für hochgenaue Werkzeugmaschinen zur Herstellung und Bearbeitung von Werkstücken. Oberstes Gebot ist die Genauigkeit der programmierten Bahn. Dagegen stehen die Anforderungen an Produktionsmaschinen, Prozessfunktionen und -signale schnell zu verarbeiten. Immer häufiger erledigen Industrieroboter einfache Handhabungsaufgaben oder komplizierte Bewegungsabläufe. Die geometrische Bahntreue steht nicht im Vordergrund – entscheidend sind hier vielmehr die Wiederholgenauigkeit für Bewegungsendpunkte oder die Dynamik der Bewegung selbst. Der zunehmende Automatisierungsgrad sowie immer komplexer werdende Anforderungen an einzelne Maschinenlinien lässt die scheinbar klar gezogene Grenze zu einer klassischen CNC-Maschine zunehmend verschwimmen.

Die Soft-CNC aus Eggelsberg ist eingebettet in das Echtzeitbetriebssystem der SPS. Dies schafft die Voraussetzung, um auch komplexe Aufgabenstellungen erfüllen zu können. Die Einsatzgebiete reichen von der klassischen Fräsmaschine und Bearbeitungszentren für Fenster- und Türrahmen über Brenn-, Plasma- oder Wasserstrahlsschneiden, Glasbearbeitung bis zu Selektivlötanlagen und Maschinen zum Auftragen und Dosieren von Dichtraupen.
Die Lösung ist flexibel, das Einsatzspektrum breit. Zum einen wird im Echtzeitbetriebssystem der notwendige Rahmen für hochpräzise Positionieraufgaben geschaffen. CNC-Zykluszeiten von 400 Mikrosekunden machen eine Bahngenauigkeit im Submikronbereich möglich. Generierte Sollpositionen werden über Ethernet Powerlink jitterfrei an die verwendeten Antriebe übertragen. Die benötigen I/Os können beinahe unbegrenzt ins System eingebunden werden. Diese Systemarchitektur und der breite Funktionsumfang ermöglichen es, eine Maschinenlinie individuell auf Kundenwünsche anzupassen. Teileprogramme beziehungsweise Bewegungsabläufe werden nach DIN 66025 programmiert. Eine Aufteilung in Haupt- und Unterprogramme macht die Verwaltung von NC-Programmen übersichtlich. In der Norm definierte Grundfunktionen wurden um nützliche Zusatzfunktionen erweitert. Die erweiterte Programmiertechnik lässt die Verwendung von Elementen einer Hochsprache zu. Daten von Applikationsprogrammen der SPS werden über eine leistungsfähige Schnittstelle ausgetauscht. Verschiedene Zugriffsfunktionen ermöglichen die Kontrolle des Programmablaufs in Echtzeit. Werkzeugradius oder Endpunkte von Bahnstücken können während des Programmlaufs geändert werden, bestimmte Daten stehen bahnsynchron zur Verfügung.

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Besonders kritisch für den Einsatz einer Bahnsteuerung in bestimmten Technologiebereichen ist die Beeinflussung der Bahndynamik, also Kenngrößen wie Bahngeschwindigkeit und -beschleunigung sowie der Ruck. Die Möglichkeit, diese zur Laufzeit zu ändern oder abhängig von Bahnradius beziehungsweise -krümmung automatisch anzupassen, ist für bestimmte Anwendungen essentiell. Zusatzfunktionen gibt es auch im Bereich der Werkzeugradiuskorrektur. Ungültige Schnittpunkte, Kerben und Spitzen führen nicht zwangsweise zu einem Halt auf der Bahn, was etwa bei einer Plasmaschneidemaschine eine massive Beschädigung des Werkstückes zur Folge hätte, sondern werden entsprechend den Vorgaben des Benutzers automatisch korrigiert.

Der integrierte Look-Ahead sorgt für die optimale Bahngeschwindigkeit. Das ist entscheidend, wenn bedingt durch den Bahnverlauf häufige Beschleunigungswechsel auftreten würden und dadurch Vibrationen an der Maschine entstünden. Nützlich sind Funktionen wie die beliebige Drehung einer Arbeitsebene im Raum (3D) oder die Kompensation der Schiefwinkeligkeit von Maschinenachsen. Die Werkzeugorientierung kann an die schiefe Arbeitsebene angepasst werden. Die Korrektur der Schiefwinkeligkeit ist von Vorteil, wenn es mechanisch nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist, die Rechtwinkligkeit der Koordinatenachsen zu gewährleisten. Die Soft-CNC verzerrt das Teileprogramm so, dass die tatsächliche Bahn wie in einem idealen rechtwinkeligen System verfahren wird. Sie kümmert sich auch um Korrekturfunktion auf Achsebene. Dazu zählen Spindelsteigungsfehler- und Losekompensation. Mit deren Hilfe ist es auch auf mechanisch weniger genauen Maschinen möglich, noch eine exzellente Bahntreue zu erreichen.

All diese Funktionen sind nicht nur im CNC-Bereich nützlich. Denn Maschinen sind zunehmend Funktionseinheiten, die einem Roboter ähneln oder mit einem Industrieroboter interagieren. Der Gedanke liegt nahe, die komplette Automatisierungslösung aus einem homogenen System heraus zu steuern. Die Soft-CNC hat Schnittstellen, die es ermöglichen, die kinematische Beschreibung einer mechanischen Struktur im System bekannt zu geben. Dabei sind zwei Transformationsfunktionen relevant: Die so genannte „inverse Kinematik“ oder Rückwärtstransformation, und die „direkte Kinematik“ oder Vorwärtstransformation. Mit Hilfe der Vorwärtstransformation wird eine Raumlage aus den Gelenkwinkeln des Roboters errechnet. Die Rückwärtstransformation bezeichnet das Gegenstück, also die Berechnung der Gelenkwinkel aus der Lage.

Dieses Prinzip macht es möglich, die Vorteile des CNC-Systems auch für die Steuerung von Robotern zu nutzen. Für viele Anwendungen kann die Soft-CNC Vorteile bringen. Werden etwa Freiformkurven über eine einfache Serie von Geradenstücken beschrieben, wird durch den integrierten Look-Ahead eine optimierte Bahngeschwindigkeit erreicht. Diese Architektur ist besonders für Anwendungen geeignet, bei denen Bahntreue gewünscht ist aber auch einfache Punkt-zu-Punkt Bewegungen notwendig sind.
Gernot Bachler (pb)

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