Voll-CNC-Nockenwellenschleifmaschinen sind Schlüsselkomponenten für die Nockenwellenfertigung in Benzin- und Dieselmotoren und beeinflussen Motorleistung und -effizienz maßgeblich. Aufgrund der Komplexität des Schleifprozesses und der erforderlichen hohen Präzision waren sie traditionell auf Importe angewiesen. Inländische Hersteller können nun jedoch das Siemens 840C CNC-System optimal für die Fertigung oder Modernisierung von voll-CNC-Nockenwellenschleifmaschinen nutzen. 1. Überblick über Nockenwellenschleifmaschinen Nockenwellenschleifmaschinen lassen sich in drei Hauptkategorien unterteilen: nicht-CNC-gesteuerte, CNC-gesteuerte und voll-CNC-gesteuerte Schleifmaschinen. Voll-CNC-gesteuerte Schleifmaschinen stellen die größte technische Herausforderung dar, bieten aber die größten Vorteile: hohe Schleifpräzision, gleichbleibende Produktqualität, flexible und einfache Produktwechsel sowie hohe Produktionseffizienz. Inländische Hersteller setzen das Siemens 840C CNC-System bereits für die Fertigung und Modernisierung von voll-CNC-Nockenwellenschleifmaschinen ein. 1.1 Einführung in Nockenwellen Nockenwellen sind ein wesentlicher Bestandteil von Automobilen. Sie sind im Motor verbaut und steuern die Einlass- und Auslasssteuerung der Zylinder. Jeder Zylinder wird von einer Einlass- und einer Auslassnockenwelle gesteuert. Nockenwellen finden breite Anwendung in Benzin- und Dieselmotoren, beispielsweise in Motorrädern, Pkw, Zügen und Lkw. Jede Nockenwelle besteht aus mehreren Nocken. So besteht die Nockenwelle eines Vierzylindermotors beispielsweise aus acht Nocken. Jeder Nocken ist pfirsichförmig und setzt sich aus einem Grundkreis und zahlreichen quadratischen, kubischen und kreisförmigen Kurven zusammen. Die von diesen Kurven gebildete geschlossene Kurve wird als Erzeugungskurve bezeichnet. Abweichungen von der Linearität der Erzeugungskurve beeinflussen direkt die Qualität der Kraftstoffverbrennung im Zylinder und somit die Motorleistung. Produktabbildungen finden Sie in Anhang 1. [align=center]Abbildung 1[/align] Die Fertigung einer Nockenwelle erfordert mehr als zwanzig Bearbeitungsschritte, darunter Drehen, Fräsen, Bohren, Schrupp- und Feinschleifen des Rohlings. Die Nockenwellenschleifmaschine führt den letzten Bearbeitungsschritt durch: das Schrupp- und Feinschleifen jedes einzelnen Nockens. Hier wird die vollautomatische CNC-Nockenwellenschleifmaschine FN3 (nachfolgend FN3-Schleifmaschine genannt) als Beispiel verwendet. 1.2 Überblick über die FN3-Schleifmaschine Die FN3-Schleifmaschine wurde ursprünglich von FORTUNA in Westdeutschland unter der Modellnummer FN3-DS350/1000 hergestellt. Die mechanischen Komponenten der FN3-Schleifmaschine umfassen Maschinenbett, Arbeitstisch, Spindelstock, Reitstock, Spindelschleifscheibe, Schleifscheibenabrichter, Hydrauliksystem, Kühlsystem, dynamisches Auswuchtsystem usw. Die elektrischen Komponenten umfassen das CNC-System, das analoge Antriebssystem, das MARPOSS-Messgerät, das Ultraschallprüfgerät usw. 1.3 Technische Daten der Schleifmaschine Die wichtigsten technischen Daten der FN3-Schleifmaschine sind: Verfahrweg X-Achse (linear): 0–300 mm, Geschwindigkeit 10 m/min. Verfahrweg Z-Achse (linear): 0–1000 mm, Geschwindigkeit 10 m/min. Verfahrweg C-Achse (rotierend): 0–360 Grad, Geschwindigkeit 200 U/min. Lineare Spindelgeschwindigkeit der Schleifscheibe: 35–60 m/min; Drehzahl der Diamantscheibe: 500–2000 U/min. 2. CNC-Systemkonfiguration: Das CNC-System ist nicht nur ein unverzichtbarer Bestandteil einer CNC-Schleifmaschine, sondern ermöglicht auch das präzise Schleifen des Werkstücks durch das Antriebs- und Messsystem und überwacht die Hilfskomponenten und -geräte der Schleifmaschine. Die FN3-Schleifmaschine ist eine vollautomatische CNC-Nockenwellenschleifmaschine. Das CNC-System muss daher nicht nur das analoge Antriebssystem, das Hydrauliksystem, das Kühlsystem, das dynamische Auswuchtgerät, das MARPOSS-Messgerät, das Ultraschallprüfgerät usw. überwachen, sondern vor allem die Funktion zum Schleifen des Nockenprofils bereitstellen und sicherstellen, dass die verschiedenen technischen Kennwerte der Nockenwelle den Konstruktionsvorgaben entsprechen. Das Siemens 840C CNC-System erfüllt die Anforderungen einer vollautomatischen CNC-Nockenwellenschleifmaschine vollständig. Dies liegt hauptsächlich an den Funktionen zur elektronischen Getriebeachse, zur linearen und Kurveninterpolation sowie zur Drehzahlregelung der C-Achse. Die Hauptkonfiguration ist wie folgt: Hardwarekonfiguration: Es wird ein 840C12-Slot-Mainframe verwendet, bestehend aus einer MMC-CPU-Karte, einer NC-CPU-Karte, einer SPS-CPU-Karte, einer Positionssteuerplatine und einem DMP-Modul. Die Bedienkonsole umfasst einen Monitor und eine Werkzeugmaschinen-Tastatur. Softwarekonfiguration: Das Betriebssystem ist DRDOS V6.0, die CNC-Software Version V6.02 (Nicht-Exportversion). Optionale Komponenten: Elektronische Zahnräder, Linearinterpolation, Kurveninterpolation usw. 3. Elektrische Systemauslegung der Schleifmaschine FN3: Ziel der elektrischen Systemauslegung ist die nahtlose Integration der mechanischen und elektrischen Komponenten der Schleifmaschine, um einen hochpräzisen, hocheffizienten, sicheren und zuverlässigen vollautomatisierten Schleifprozess zu gewährleisten. Die elektrische Systemauslegung umfasst im Allgemeinen drei Bereiche: Hardware, Systeminbetriebnahme und Software. Das Prinzip der Hardwareauslegung besteht in der Kostenreduzierung bei gleichzeitiger Erfüllung der Anforderungen an die Schleiffunktion. Das Prinzip der Systeminbetriebnahme ist die Anpassung der relevanten Parameter des Standard-840C-Systems an die Betriebseigenschaften der Schleifmaschine FN3. Das Prinzip des Software-Designs besteht darin, strukturierte Programmierung anzuwenden, eine sichere und zuverlässige dynamische Steuerung des Betriebs jeder Komponente zu gewährleisten und umfassende Informationsanzeigen bereitzustellen. 3.1 Hardware-Design des elektrischen Systems Das NC-Hardware-Design umfasst hauptsächlich die Konstruktion der CNC-Achsen. Dieses Bearbeitungszentrum verfügt über fünf CNC-Achsen: X, Z, C, S1 und S2. Das SPS-Hardware-Design bezieht sich primär auf die Konstruktion der Überwachungsschaltungen für externe Aktoren. Dies umfasst das Maschinenbedienfeld, das Hilfsbedienfeld, das Antriebssystem, das Hydrauliksystem, das Kühlsystem, das dynamische Auswuchtgerät, das MARPOSS-Messgerät, das Ultraschallprüfgerät und weitere elektrische Systeme. Die Signale dieser elektrischen Systeme müssen mit dem DMP-Modul (E/A-Modul) des 840C verbunden werden. 3.2 Inbetriebnahme des elektrischen Systems Die Inbetriebnahme des elektrischen Systems umfasst die Anpassung der relevanten Parameter des konfigurierten CNC-Hardware-Systems, um die Betriebsanforderungen der Nockenwellenschleifmaschine FN3 zu erfüllen. Dies beinhaltet hauptsächlich die Anpassung der NC-Maschinendaten und der SPS-Maschinendaten. 3.2.1 Anpassung der NC-Maschinendaten Die Anpassung der NC-Maschinendaten umfasst hauptsächlich die Einstellung der Parameter jeder Achse der Schleifmaschine FN3. Die wichtigsten Parameter sind wie folgt: Die Schleifmaschine FN3 ist mit einer Betriebsgruppe, einem Kanal, drei Vorschubachsen und zwei Spindeln ausgestattet. Die Schnittstellen für die Positionsregelung (Befehls- und Messanschluss) jeder der drei Vorschubachsen sowie die Schnittstellen für die Spindeldrehzahlregelung (Befehlsanschluss) sind definiert. Die berechenbaren Positionsregelungsparameter für die drei Vorschubachsen, wie z. B. der äquivalente Positionswert und der theoretische Drehzahlwert, sind festgelegt. Ebenso sind die Positionsregelungsparameter für die Bewegungscharakteristiken der drei Vorschubachsen, wie z. B. Positionsverstärkung, Beschleunigung und Achsdrehzahl, festgelegt. Die Bewegungscharakteristiken der Achsen hängen eng mit der mechanischen Struktur und dem Verschleißgrad der Schleifmaschine zusammen. Die Positionsregelungsparameter der Achsen werden entsprechend den Bewegungscharakteristiken der Achsen eingestellt. Die Positionsverstärkung beschreibt die dynamischen Nachführeigenschaften der Achsenbewegung im Positionsregelkreis. Die Positionsbeschleunigung beschreibt die Beschleunigungs- und Verzögerungscharakteristiken der Bewegungsposition während des Zeitraums vom Anfahren bis zur Solldrehzahl und vom Sollwert bis zum Stillstand im Positionsregelkreis. Die Achsdrehzahl spiegelt die Arbeitseffizienz der Schleifmaschine wider; je höher die Drehzahl, desto höher die Effizienz. Die Geschwindigkeit wird im Allgemeinen in Maximalgeschwindigkeit, manuelle Hochgeschwindigkeit, manuelle Geschwindigkeit und Referenzgeschwindigkeit unterteilt. Achsenpositionsverstärkung und Beschleunigung beeinflussen sich gegenseitig. 3.2.2 SPS-Werkzeugmaschinendatenanpassung Die SPS-Werkzeugmaschinendatenanpassung umfasst hauptsächlich die Einstellung der E/A-Moduladressen. Die E/A-Moduladressen der Schleifmaschine FN3 verwenden Standardeinstellungen, die direkt über die SPS-Werkzeugmaschinendaten konfiguriert werden. Die Schleifmaschine FN3 ist mit drei DMPL-Unterstationen ausgestattet, an denen jeweils vier Eingangs- und vier Ausgangsmodule angeschlossen werden können. 3.3 Entwurf der elektrischen Steuerungssoftware Der Entwurf der elektrischen Steuerungssoftware bezieht sich primär auf den Entwurf des SPS-Programms. Das SPS-System umfasst Standard-Schnittstellenmodule, sogenannte OB-Blöcke, die für Anwender vorgesehen sind. Neben den OB-Blöcken gibt es auch FB-, PLB-, SB-, DB-, FX- und DX-Blöcke, die von den OB-Blöcken aufgerufen werden. Die Anwendersteuerungssoftware wird innerhalb dieser Blöcke in der Siemens STEPL5-Sprache geschrieben. In dieser Steuerungssoftware werden nur OB20 und OB1 verwendet; andere Programmblöcke werden entsprechend den Funktionen des gesteuerten Objekts unter Verwendung strukturierter Programmierung geschrieben. Zu den Hauptfunktionen gehören: Initialisierungsverarbeitung; grundlegende Signalverarbeitung (einschließlich Maschinensteuerungstastatur, NC-Systemkanäle, Vorschub, Schleifscheibenachse, Achsenendsignale, Achsenrücklauf-Referenzpunktsignale und Not-Aus-Verarbeitung); Asynchronmotorverarbeitung (einschließlich Kühlmittel-Hauptsystemsteuerung, Systemsteuerung und Schmiersystemsteuerung); Magnetventilverarbeitung (einschließlich Türöffnung/-schließung, Werkstück-, Schleifscheiben- und Diamantkühlmittelöffnung/-schließung, Schleifscheibenkühlungsdüse heben/senken, Werkstückspannung/-freigabe und Vorwärts-/Rückwärtsbewegung des MARPOSS-Tasters); Diamantscheibenverarbeitung; und Sicherheitsschutzprogramme. Das Sicherheitsschutzsystem spielt eine entscheidende Rolle bei Schleifmaschinen. Es schützt erstens die Sicherheit der Bediener und zweitens verhindert es Maschinenschäden. 4. FN3 Schleifprozessgestaltung Aufgrund der einzigartigen Natur der Nockenwellen-Generierungskurve – sie ist weder ein Kreis noch eine Gerade – ist der Schleifprozess von Nockenwellen-Schleifmaschinen einzigartig. Die der Schleifmaschine bereitgestellte Generierungskurve besteht aus diskreten Punkten von 0 bis 360 Grad. Wie das CNC-System diese diskreten Punkte zum Schleifen von Werkstücken gemäß den Anforderungen nutzen kann, erfordert die Lösung der folgenden drei Kernprobleme: Umwandlung der diskreten Punkte in eine stetige, geschlossene Kurve. Dies kann mithilfe der Kurventabellenfunktion der 840C erreicht werden. Die generierte Kurve wird in eine Schleifkurve umgewandelt. Da Schleifpunkt und Generierungspunkt beim Nockenschleifen nicht übereinstimmen, ist eine mathematische Modelltransformation erforderlich, die auch mit der Nockenmessmethode zusammenhängt. Erstellung der Drehzahlregelungskurve für die C-Achse. Um beim Nockenschleifen eine konstante Nockenbeschleunigung zu gewährleisten, muss eine Drehzahlregelungskurve erstellt werden, die die Drehzahl der C-Achse entsprechend dem C-Achsenwinkel anpasst. Alle Schleifprozesse und Kernprobleme werden durch das NC-Schleifprogramm abgedeckt. Das Schleifprogramm FN3 basiert auf dem Nockenschleifprozess und den entsprechenden Funktionen der 840C und besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: der Nockengenerierung/Drehzahlkurvenberechnung und dem Nockenschleifen selbst. 4.1 Programm zur Berechnung der Nockenwellen- und Drehzahlkurve Die Berechnung der Nockenwellen- und Drehzahlkurve wandelt die vorgegebene Nockenwellentabelle in eine Schleifkurve (C-Koordinatenwert, X-Achsen-Koordinatenwert) für den Schleifprozess um. Sie umfasst im Wesentlichen folgende Teile: (1) Programm L900 zur Berechnung der Nockenwellen- und Drehzahlkurve. Es ruft die Programme L100, L200, L981, L982, L983, L984 und L988 auf; (2) Definition der ersten Nockenwellentabelle L100. In dieses Programm werden die Nockenwellentabelle, der Abstand, der Phasenwinkel und der Basisdurchmesser jeder Nocke gemäß der Produktzeichnung eingetragen; (3) Definition der ersten Nockendrehzahlkurventabelle L200; (4) Berechnung der Nockenwellen- und Drehzahlkurven L981 für die Nocken 1, 3, 5 und 7. Basierend auf der Nockenwellentabelle L100 werden die Nockenwellen- und Drehzahlkurven in Schleifkurven umgewandelt. Die 840C glättet diese Daten, um geschlossene Kurven für den Schleifprozess zu erzeugen (siehe Abbildung 1). (5) Berechnen Sie die Generierungskurven L982 für die Nocken 2, 4, 6 und 8. Das Prinzip ist dasselbe wie bei L981. (6) Berechnen Sie die Drehzahlregelungskurven L983 für die Nocken 1, 3, 5 und 7. Gemäß der Drehzahlkurventabelle L200 glättet die Maschine 840C diese Daten zu einer geschlossenen Schleifkurve. Die zugehörige Drehzahlregelungskurve ist in Abbildung 2 dargestellt. (7) Berechnen Sie die Drehzahlregelungskurve L984 für die Nocken 2, 4, 6 und 8. Das Prinzip ist dasselbe wie bei L983. (8) Berechnen Sie die Generierungskurve L988. Diese dient der Umwandlung der Generierungskurve in eine Schleifkurve. [align=center] Abbildung 2[/align] 4.2 Nockenschleifparameter Der Schleifprozess bei der Nockenbearbeitung umfasst viele Parameter, die die Produktqualität sicherstellen. Beispielsweise können falsch gewählte Schleifmengen und Schleifgeschwindigkeiten zu Werkstückverformungen und Maßabweichungen führen. Diese Parameter lassen sich im Wesentlichen in folgende Kategorien einteilen: (1) Werkstückparameter: Positionsparameter der Nocken 1–8, Winkelparameter der Nocken 1–8, Radiusparameter der Nockenbasis, Nockenmessmethode. (2) Schleifscheibenparameter: Schleifscheibendurchmesser, Schleifscheibenbreite. (3) Abricht-Schleifscheibenparameter: Vorschubposition, Drehzahl, Abrichtmenge, Abrichtanzahl usw. (4) Schleifparameter: Vorschubposition, Drehzahl, Schrupp-, Vorschlicht- und Schlichtmenge, Drehzahl der C-Achse, Nockenkompensation usw. Einige dieser Parameter sind fest, andere werden je nach Schleifergebnis angepasst. 4.3 Nockenschleifprogramm Das Hauptprogramm zum Nockenschleifen wird mit L20 abgeschlossen. Es ruft die Generierungsberechnung L900, das Acht-Nocken-Schleifen L23, das Abrichten der Schleifscheibe L25 usw. auf. Jeder Aufruf schleift eine Nockenwelle. Die Nockenschleif-Subroutine wird mit L23 abgeschlossen. Sie umfasst die Nockenwinkeleinstellung, das Schruppen, Vorschlichten, Schlichten usw. Jeder Aufruf schleift eine Nocke. 4.4 Die Unterroutine zum Radaufbringen wird in Zeile 25 abgeschlossen. Jeder Aufruf bringt das Rad einmal auf. Aufgrund der Vielzahl an Schleifprogrammen wird hier nur ein Teil des Hauptprogramms %20 gezeigt: %MPF20 ... L900 Kurven berechnen und generieren L25 P1 Schleifscheibe abrichten.... N0120 G90 G1 F=R24 Z=-R1 R712=R11 R9=0 Z-Achse zur ersten Nockenposition N0140 L23 P1 Erste Nockenposition schleifen... N0220 G90 G1 F=R24 Z=-R2 R712=R12 R9=1 Z-Achse zur zweiten Nockenposition L23 P1 Zweite Nockenposition schleifen... N0320 G90 G1 F=R24 Z=-R3 R712=R13 R9=0 Z-Achse zur dritten Nockenposition N0340 L23 P1 Dritte Nockenposition schleifen.... N0420 G90 G1 F=R24 Z=-R4 R712=R14 R9=1 Z-Achse zur vierten Nockenposition N0430 R150=R64/2 N0440 L22 P1 Vierte Nockenwelle schleifen L25 P1 Schleifscheibe abrichten.... N0520 G90 G1 F=R24 Z=-R5 R712=R15 R9=0 Z-Achse zur fünften Nockenposition N0540 L23 P1 Fünfte Nockenwelle schleifen... N0620 G90 G1 F=R24 Z=-R6 R712=R16 R9=1 Z-Achse zur sechsten Nockenposition N0640 L23 P1 Sechste Nockenwelle schleifen... N0720 G90 G1 F=R24 Z=-R7 R712=R17 R9=0 Z-Achse zur siebten Nockenposition N0740 L23 P1 Siebte Nockenwelle schleifen... N0820 G90 G1 F=R24 Z=-R8 R712=R18 R9=1 Z-Achse zur achten Nockenposition N0840 L23 P1 Schleifen der achten Nocke N0900 M29 M39 L25, Abrichten der Schleifscheibe... M02... 5. Tatsächliches Schleifergebnis der FN3-Schleifmaschine. Mit einer Siemens 840C FN3-Nockenschleifmaschine wurden nach der Justierung und dem Schleifen einer Nocke mit akzeptablen Fertigungswerten und Oberflächenrauheit 400 Stück in Folge bearbeitet. Eine Stichprobe von 10 % wurde zufällig ausgewählt, um die Zuverlässigkeit und Stabilität des Systems zu überprüfen. Die Prüfergebnisse zeigten, dass alle technischen Indikatoren die Anforderungen der Produktentwicklung vollständig erfüllten. Diese Anlage wurde am 30. Juni 2000 abgenommen und an den Benutzer ausgeliefert und ist weiterhin im Einsatz und erfüllt eine wichtige Funktion.