Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die grundlegende Struktur und Zusammensetzung einer selbstentwickelten CNC-Nietmaschine. Im Fokus stehen die Methode und die Schlüsseltechnologien für den Aufbau eines CNC-Nietmaschinensystems mit Bewegungssteuerung, SPS und grafischem Bedienterminal. Es wurde eine wirtschaftliche, hocheffiziente, qualitativ hochwertige und zuverlässige CNC-Nietmaschine entwickelt. 1 Einleitung: Nieten ist ein Nietverfahren, das auf oszillierender Walzentechnologie basiert. Es bietet eine stabile und zuverlässige Nietqualität sowie einen reibungslosen, stoßfreien Nietvorgang und ist daher eine vielversprechende Niettechnologie, die in der Fertigung von Computerperipheriegeräten, Bürogeräten, Haushaltsgeräten und Automobilen weit verbreitet ist. Mit der wirtschaftlichen und technologischen Entwicklung meines Landes haben einige namhafte Drucker- und Kopiererhersteller die Teilefertigung in mein Land verlagert. Viele dieser Produktionsstätten verwenden jedoch weiterhin manuell betriebene Nietmaschinen, was zu geringer Effizienz, hohem Arbeitsaufwand und schwankender Qualität führt. Die Steigerung der Effizienz und die Sicherstellung der Qualität durch den Einsatz automatischer Nietmaschinen sind daher für diese Betriebe dringend erforderlich. Darüber hinaus setzen diese Fabriken eine große Anzahl von Nietmaschinen ein, was hohe Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit automatischer Nietmaschinen stellt. Geeignete, fertige automatische Nietmaschinen sind jedoch noch nicht auf dem Markt erhältlich. Daher ist die Entwicklung einer effizienten, hochwertigen und wirtschaftlichen automatischen Nietmaschine von großer praktischer Bedeutung. Wir haben mehrere CNC-Nietmaschinen für ein Werk in Shenzhen entwickelt, das sich auf die Herstellung von Kopierer- und Druckerkomponenten für namhafte Marken spezialisiert hat. Dieser Artikel konzentriert sich auf die grundlegende Struktur und die Schlüsseltechnologien dieser Maschine. 2 Funktionsprinzip und Prozess der CNC-Nietmaschine Die grundlegende Struktur der von unserem Unternehmen eigenständig entwickelten CNC-Nietmaschine ist in Abbildung 1 dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Nietkopf und einem XY-CNC-Arbeitstisch. Die Spindel des Nietkopfes wird von einem Motor angetrieben und bewegt sich unter dem Antrieb eines Zylinders auf und ab. Die Achse des Nietkopfes ist in einem bestimmten Winkel zur Achse der Spindel angeordnet. Der Nietkopf rotiert einerseits um die Spindelachse (Oszillation und Rotation) und rollt andererseits über die Werkstückoberfläche, wodurch er sich um seine eigene Achse dreht. Unter dem Druck des Zylinders wird das Stiftende lokal verformt, was zu einer kontinuierlichen plastischen Verformung führt. Nach einer gewissen Bearbeitungszeit sind Stift und Stützrahmen fest miteinander vernietet (Abbildung 1(a)). Abbildung 1: Grundstruktur und Funktionsprinzip der CNC-Nietmaschine. In Getriebesystemen von Geräten wie Druckern und Kopierern müssen häufig mehrere parallele Antriebsstifte mit Stützrahmen vernietet werden. Bei der Bearbeitung mit einer herkömmlichen Nietmaschine wird jeder Nietpunkt einzeln durch manuelles Verschieben der Form zum Nietkopf transportiert. Dies ist ineffizient, arbeitsintensiv und begrenzt die Anzahl der Nietpunkte pro Arbeitsgang. Dadurch lässt sich die Parallelität nur schwer gewährleisten, was zu Qualitätsschwankungen führt. Diese CNC-Nietmaschine wurde speziell für das Vernieten solcher Bauteile entwickelt. Der grundlegende Prozessablauf ist wie folgt: Zunächst fährt der CNC-Arbeitstisch die Form zur Be- und Entladestation, platziert die Stifte und Stützrahmen auf den entsprechenden Positionierflächen der Form und fixiert die Stützrahmen mittels eines Elektromagneten. Anschließend fährt der CNC-Arbeitstisch die einzelnen Nietpunkte nacheinander gemäß den programmierten Koordinatenpositionen zum Nietkopf. Das Steuerungssystem steuert den Nietkopf an, der den Nietvorgang am Werkstück durchführt. Nach Ablauf der eingestellten Nietzeit ist die Bearbeitung des jeweiligen Nietpunkts abgeschlossen. Sobald alle Stifte vernietet sind, fährt die Maschine zur Be- und Entladestation zurück, und der Entladezylinder hebt das vernietete Werkstück zum Entladen an. 3. Struktur und Hauptfunktionen des Steuerungssystems. Basierend auf dem Funktionsprinzip der CNC-Nietmaschine besteht die Hauptaufgabe des Steuerungssystems in der Bewegungssteuerung des XY-Arbeitstisches sowie der Steuerung des Hebens und Senkens des Nietkopfes, des Startens und Stoppens des Spindelmotors, der Funktion des Entladezylinders und des Spannmagneten. Darüber hinaus ermöglicht es die entsprechende Mensch-Maschine-Interaktion, wie die Eingabe und Bearbeitung des Bearbeitungsprogramms und die Anzeige des Betriebszustands der Anlage. Abbildung 2 zeigt die grundlegende Struktur des Steuerungssystems. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit der CNC-Nietmaschine ist der Einsatz von PC-basierten oder anderen Standard-CNC-Systemen ausgeschlossen. Unter Berücksichtigung von Faktoren wie Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, Entwicklungsaufwand und Entwicklungszyklus wurden das Bewegungssteuerungsmodul FX2N-20GM, die SPS der FX2~x-Serie und das grafische Bedienterminal F940GOT der Mitsubishi Corporation (Japan) für den Aufbau des CNC-Systems der CNC-Nietmaschine verwendet. Die grundlegende Struktur des Steuerungssystems ist in Abbildung 2 dargestellt. 3.1 Bewegungssteuerung des XY-Arbeitstisches Der XY-Arbeitstisch muss sich entsprechend der voreingestellten Koordinatenposition und -reihenfolge jedes Nietpunkts bewegen und mit dem Nietvorgang des Nietkopfes koordiniert werden. Da das Werkstück (Getriebehalterung) vor dem Nieten bereits gestanzt und gebogen wurde, benötigt der XY-Tisch eine lineare oder zirkulare Interpolationsfunktion, um die gebogenen Bereiche des Werkstücks zu umfahren. Die Bewegungssteuerungseinheit FX2N-20GM ermöglicht die simultane lineare und zirkulare Interpolation auf zwei Achsen mit einer Ausgangsfrequenz von bis zu 100 kHz während der Interpolation. Diese Steuereinheit verfügt außerdem über grundlegende Bewegungssteuerungsfunktionen wie die Verarbeitung von positiven und gerichteten Endsignalen, Nahpunktsignalen und Nullpunktsignalen, manuelle Impulseingabe, manuelle Steuerung und die Rückkehr zum Maschinenursprung. Das von der FX2N-20GM ausgegebene Bewegungssignal ist ein Impulssignal, das mit AC-Servoantrieben mit Impulseingang verwendet werden kann. Daher eignet sich die Bewegungssteuerungseinheit FX2N-20GM gut für die Bewegungssteuerung von Nietmaschinen. Als Bewegungssteuerungsmodul verfügt die FX2N-20GM selbst jedoch über keine Schnittstelle zur CNC-Programmbearbeitung. Zwar kann die Software SWOD5-FXVPS-E von Mitsubishi nach einer RS232-zu-RS422-Konvertierung Bewegungstrajektorien über eine serielle Computerschnittstelle an die FX2N-20GM übertragen, dies eignet sich jedoch nur zur Eingabe fester Bewegungstrajektorien in die FX2N-20GM und ist nicht als Programmeingabewerkzeug in der Produktion geeignet. Da Mitsubishi das kompilierte Befehlsformat oder das zugehörige Kommunikationsprotokoll mit der FX2N-20GM nicht öffentlich zugänglich gemacht hat, kann keine ähnliche Methode zur Übertragung von Bewegungstrajektoriendaten über serielle Kommunikation verwendet werden. Daher besteht die Hauptaufgabe beim Aufbau eines CNC-Systems auf Basis der FX2N-20GM darin, Bearbeitungsprogramme für verschiedene Teile zur Ausführung an die FX2N-20GM zu übertragen. Die FX2N-20GM verwendet eigene Steuerungs- und Interpolationsbefehle. In ihren Interpolationsbefehlen können Datenregister als Koordinatenparameter für lineare und zirkuläre Interpolation genutzt werden. Beim Schreiben des Bewegungssteuerungsprogramms werden daher universelle Datenregister als Koordinatenvariablen für die Bewegungstrajektorie in den Interpolationsbefehlen verwendet. Die SPS sendet die Bewegungsparameter an diese Register, und die FX2N-20GM führt die entsprechende Interpolationsbewegung basierend auf diesen Parametern durch. Beispielsweise werden bei der linearen Interpolation die 32-Bit-Datenregister DD100 und DD102 als Endpunktkoordinaten und DD104 als Bewegungsgeschwindigkeit verwendet. Der Interpolationsbefehl kann wie folgt geschrieben werden: 0020: cod01(LIN)xDD100yDD102 fDD104; Im System kann die FX2N-20GM als Erweiterungsmodul der SPS eingesetzt werden, und die Bearbeitungsprogramme für verschiedene Teile werden in der SPS gespeichert. Während des Bearbeitungsprozesses sendet die SPS kontinuierlich Prozessparameter wie die Koordinaten der Bewegungsbahn, die Bewegungsgeschwindigkeit, die Vernietungszeit an jedem Punkt und die Anzahl der Vernietungspunkte über den 32-Bit-Transferbefehl DTO an die entsprechenden Register (DD100, DD102, DD104) der FX2N-20GM. Dies ermöglicht die Steuerung der Ausführung entsprechender Befehle auf der FX2N-20GM. Das zugehörige SPS-Programm lautet: LD M8000 DTO K0 K100 D201 K2 DTO K0 K104 D500 K1 …… In diesem SPS-Programm speichern die Datenregister D201 bis D202 und D203 bis D204 der SPS die X- und Y-Koordinaten des Endpunkts der geraden Bahn. Der DTO-Befehl überträgt die X- und Y-Koordinaten an DD100 und DD102 der FX2N-20GM. Die BFM-Nummern für DD100 und DD102 des FX2N-20GM lauten #100 bis #103, die BFM-Nummer für DD104 ist #104. Parameter wie die aktuellen Systemkoordinaten und der Status des Servosystems werden über den FROM-Befehl der SPS vom FX2N-20GM ausgelesen. Die BFM-Nummer des aktuellen X-Koordinatenregisters im FX2N-20GM ist #9004 (32 Bit), die des Y-Koordinatenregisters #9014 (32 Bit). Der Betriebszustand des FX2N-20GM (z. B. bereit/beschäftigt, Positionierung abgeschlossen, Referenzfahrt abgeschlossen) wird in den Hilfsrelais M9048–M9096 mit den zugehörigen BFM-Nummern #23, #24, #25 und #26 gespeichert. Daher werden mittels des FROM-Befehls der SPS die Werte der aktuellen X- und Y-Koordinatenregister in die Datenregister D11-D111 und D112-D113 der SPS eingelesen. Gleichzeitig werden die Werte der Betriebsstatusregister der FX2N-20GM in die Register M100-M131 der SPS für die SPS-Steuerung eingelesen und auf dem abgebildeten Bedienterminal angezeigt. Das zugehörige SPS-Programm lautet wie folgt: LD M8000 DFROM K0 K9004 D110 DFROM K0 K9014 D112 FROM K0 K23 K2M100 FROM K0 K25 K2M108 FROM K0 K24 K2M116 FROM K0 K26 K2M124 … 3.2 Implementierung der Dateifunktionalität Ein weiterer wichtiger Aspekt beim Aufbau eines CNC-Systems mit FX2N-20GM und SPS-Modulen ist die Dateifunktionalität zum Eingeben, Bearbeiten und Speichern von Bearbeitungsprogrammen. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften des Nietens wird bei der entwickelten CNC-Nietmaschine kein C-Code zur Darstellung des Bearbeitungsprogramms verwendet. Stattdessen werden die bearbeitungsprogrammbezogenen Daten, wie z. B. Sequenz, Koordinaten und Nietzeitpunkt jedes Nietpunkts, tabellarisch über das grafische Bedienterminal eingegeben. Diese Daten werden anschließend in der Datenspeichereinheit der SPS für den Notbetrieb gespeichert. Bearbeitungsdaten für verschiedene Teile können in separaten Dateien abgelegt werden. So lässt sich beim Bearbeiten unterschiedlicher Teile die jeweils zugehörige Datei einfach abrufen und verwenden. Entsprechend den Produktionsanforderungen müssen 100 Bearbeitungsprogramme gespeichert werden, wobei jede Programmdatei 24 Bearbeitungspunkte speichern kann. Zur Realisierung der Dateifunktion werden in der Dateneinheit der SPS drei dateibezogene Bereiche eingerichtet: ein Speicherbereich, ein Bearbeitungsbereich und ein Ausführungsbereich. Der erste Bereich ist die 7K-Datenspeichereinheit für den Notbetrieb ab D1000, die in 100 Segmente unterteilt ist, wobei jedes Segment ein Bearbeitungsprogramm speichert. Der zweite Abschnitt (D120 bis D191) dient als Dateibearbeitungsbereich. Beim Bearbeiten eines Bearbeitungsprogramms werden die entsprechenden Dateidaten mithilfe des Blockverschiebungsbefehls über Index V2 vom Dateibereich in den temporären Dateibereich kopiert. Anschließend wird das Bearbeitungsprogramm über das grafische Bedienterminal bearbeitet. Nach Abschluss der Bearbeitung und zum Speichern der geänderten Datei wird der Blockverschiebungsbefehl erneut verwendet, um die bearbeitete Bearbeitungsprogrammdatei aus dem temporären Dateibereich zurück in den Dateibereich zu speichern. Durch die Einrichtung eines separaten Dateibearbeitungsbereichs wird vermieden, dass die Datei direkt im Speicherbereich vor dem Speichern der bearbeiteten Datei geändert wird. Der dritte Abschnitt (D400 bis D471) ist der Dateibereich des aktuell laufenden Programms. Wenn ein bestimmtes Bearbeitungsprogramm ausgeführt werden soll, werden die entsprechenden Dateidaten mithilfe des Blockverschiebungsbefehls über Index V vom Dateibereich in den Dateibereich des laufenden Programms kopiert. Während der Bearbeitung ruft das SPS-Programm Bearbeitungsparameter wie X-Koordinate, Y-Koordinate, Geschwindigkeit und Nietzeit aus diesem Abschnitt ab und sendet sie an die FX2V-20GM, um die Bewegung des Arbeitstisches der Nietmaschine zu steuern. 2.3 Mensch-Maschine-Interaktion Die Mensch-Maschine-Interaktion wird über das grafische Bedienterminal F940GOT von Mitsubishi realisiert. Das Bearbeitungsprogramm wird über das Bedienterminal programmiert. Je nach Werkstück werden die Koordinaten jedes Nietpunkts, die Nietzeit jedes Punktes und die Bewegungsgeschwindigkeit eingegeben. Gleichzeitig kann der Betriebszustand der CNC-Nietmaschine, wie z. B. die aktuellen Koordinaten, der Status des Servosystems, der Status des Nietkopfes, Auswurf, Spannen und Ausgabe, in Echtzeit auf dem Bedienterminal angezeigt werden. 4 Fazit Dieser Beitrag stellt die grundlegende Struktur und den Aufbau der eigens entwickelten CNC-Nietmaschine vor. Ein numerisches Steuerungssystem für eine automatische Nietmaschine wurde mit einer Bewegungssteuerungseinheit, einer SPS und einem grafischen Bedienterminal entwickelt. Dieses System zeichnet sich durch eine einfache Struktur, Stabilität, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit aus. Die entwickelte CNC-Nietmaschine ist bereits in Produktion. Daten aus der Produktion zeigen, dass das CNC-System im Vergleich zu manuell bedienten Nietmaschinen die Produktivität um das 5- bis 7-Fache steigern und die Qualität deutlich verbessern kann.