Hochgeschwindigkeitspositionierung mit einem Fehler von weniger als 0,005 mm bei 1000 Mal pro Minute, gleichmäßige und koordinierte Bewegungen völlig unabhängiger Bewegungsmechanismen, hohe Effizienz und intelligente Steuerung – der erfolgreiche Einsatz eines universellen CNC-Steuerungssystems in Zahnbürsten-Tuftingmaschinen ist ein Grund zum Stolz für Branchenexperten. 1. Einleitung Zahnbürsten-Tuftingmaschinen lassen sich grob in drei Typen einteilen: Ein Typ ist eine langsam laufende, intelligente Tuftingmaschine, die von einem Schrittmotor angetrieben wird und mit einem Ein-Chip-Mikrocomputersystem entwickelt wurde (hochintelligent, aber mit einer maximalen Geschwindigkeit von 240 Löchern/Minute); ein anderer Typ ist eine Hochgeschwindigkeits-Tuftingmaschine mit Nockenantrieb, deren Wechsel jedoch die Herstellung von drei verschiedenen Nockenscheiben und Farbwechselscheiben gemäß einer vorgegebenen Bahn erfordert (langer Bearbeitungszyklus, komplexer Prozess und beschränkt auf feste Typen und Farben); der dritte Typ ist ein dediziertes, intelligentes Hochgeschwindigkeits-Tuftingmaschinensystem, das unabhängig von deutschen oder taiwanesischen Herstellern entwickelt wurde (hochspezialisiert, mit teurer Ausrüstung und Ersatzteilen). 2 Schlüsselaspekte des Systemdesigns 2.1 Festlegung der Konfiguration des Universal-CNC-Systems Basierend auf der Forschung und Entwicklung unseres Unternehmens im Bereich Hochgeschwindigkeits-Nockenmaschinen, unserer Vertrautheit mit den Anlagen und ihren Funktionsprinzipien sowie unserem eigenen Niveau an Automatisierungstechnik haben wir festgestellt, dass der Einsatz eines Universal-CNC-Systems in Verbindung mit leistungsstarken Servoantrieben die Steuerungsanforderungen einer intelligenten Hochgeschwindigkeits-Tuftingmaschine erfüllt. Darüber hinaus erfüllen die Stabilität, Zuverlässigkeit und Störfestigkeit des Universal-CNC-Systems die Prozessanforderungen vollständig. Vor Festlegung der Konfiguration haben wir die technischen Anforderungen der Hochgeschwindigkeits-Haartransplantationsmaschine an das System detailliert aufgelistet: (1) Anforderung an eine hohe Positioniergeschwindigkeit und -präzision von 1000 Mal pro Minute für 2,5 Achsen, wobei jede Positionieraktion einschließlich Beschleunigungs- und Verzögerungszeit 48 ms nicht überschreiten darf; der Positioniergenauigkeitsfehler sollte weniger als 0,005 mm betragen; (2) Verzögerungsfreie Ausgabe zur Beurteilung von bis zu 4 Arten von Ausgangssignalen während des Positioniervorgangs. (3) Logischer Schnellstopp: Bei Ausfall des Hauptspindel-Frequenzumrichtermotors erfolgt der Stopp von 1000 U/min innerhalb von maximal 2 Umdrehungen, was doppelt so schnell ist wie die mechanische Bremsgeschwindigkeit. (4) Schnelle Ansprechzeit der Detektionselemente (>5000 Hz). (5) Systemzuverlässigkeit, Stabilität und vielseitige Einsatzmöglichkeiten . 2.2 Maßnahmen bei technischen Schwierigkeiten (1) Anforderungen an hohe Positioniergeschwindigkeit und -präzision: Wir haben uns für die taiwanesische HUST CNC mit hoher Geschwindigkeit (2 µs Ansprechzeit) und einer Steuerungsgenauigkeit von bis zu 7 Stellen entschieden. Sie ist eine der weltweit schnellsten Allzweck-DELTA-Steuerungen. Tests haben bestätigt, dass die Servoantriebe der ASD-Serie die Motordrehzahl im Leerlauf in weniger als 10 ms von -3000 U/min auf +3000 U/min reduzieren können. Ihre Auflösung von 1/10000 erfüllt die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit. Daher haben wir bei der Anlagenfertigung auch hochpräzise und hochstabile mechanische Getriebe eingesetzt. Die Anforderungen an die Steuerung können wir durch theoretische Datenanalyse erfüllen. (2) Die Hochgeschwindigkeitspositionierung der Achse hängt auch von der Funktion anderer pneumatischer Aktuatoren ab. In der realen Anlagenfertigung sind jedoch die Verschiebung, die Hilfsfunktion und die Spindelfunktion völlig unabhängig. Die Koordination der Systemaktionen muss jedoch gewährleistet sein. Daher verwenden wir den G-Code des CNC-Systems direkt im Bearbeitungsprogramm, um die Entscheidungsfindung und die Aktionen verzögerungsfrei durchzuführen und so die Anforderungen des Steuerungsprozesses zu erfüllen. (3) Im Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Anlage beträgt die Dauer eines einzelnen Stoppsignals sogar weniger als 2 ms. Aufgrund der Konstruktionsanforderungen des CNC-Systems hat die Länge des SPS-Programms in unserer CNC 27 KB erreicht, und der Ausführungszyklus der SPS hat 30 ms überschritten. Aufgrund der Komplexität des Signals können wir außerdem keinen softwarebasierten Schnellstopp per G-Code durchführen. Daher führen wir die notwendige Signalverarbeitung außerhalb der CNC durch. Nach dem Test von fast 10 verschiedenen Frequenzumrichterserien vor Ort haben wir den Hochleistungs-Frequenzumrichter von DELTA ausgewählt, der die Stoppanforderungen erfüllt. (4) Da die Dauer eines einzelnen Stoppsignals sogar unter 2 ms liegt, muss die Ansprechfrequenz des Sensors auf die höchstmögliche Geschwindigkeit erhöht werden. Andernfalls ist es schwierig, die Anforderungen an Hochgeschwindigkeitsbetrieb und -stopp zu erfüllen. (5) Angesichts der langjährigen Erfahrung und der hohen Stabilität und Zuverlässigkeit des CNC-Systems für Fräsmaschinen entschieden wir uns für die Entwicklung einer Spezialmaschine auf Basis eines Standardsystems. Um die Bedienung zu vereinfachen und die komplexe Bedienung des CNC-Systems weitgehend zu vermeiden, haben wir das System direkt als intelligentes Eingabegerät mit Lernfunktion konzipiert. 2.3 E/A-Zuordnung und Zeichnungsdesign 2.4 Spezielle Softwareentwicklung Zunächst wurde unsere Bildschirmsoftware mit CNC-Bildschirmen entwickelt, die auf einfache Bedienbarkeit und den spezifischen Prozessablauf der Zahnbürstenproduktion abgestimmt sind. Anschließend wurden die Datenstatistik und die logische Steuerung einiger Positioniervorgänge in der SPS implementiert. Gleichzeitig wurde die Hochgeschwindigkeits-Logiksteuerung für die Entscheidungsfindung und die Aktionen im Bearbeitungsprogramm realisiert. Nachfolgend ein Auszug aus dem Programm für eine Bohrungsposition: N410 G12 P6 L1; Prüfen, ob die Bohrungsposition zur nächsten Position verschoben wird G11 P1008; Linker Angusskasten funktioniert G11 P-1009; Rechter Angusskasten funktioniert G65 L82 P420 A#397 B42; Prüfen, ob Bohrung 42 locker ist G11 P1011; Ausgabe G11 P1005, wenn der Anguss gelockert wird; Ausgabe N420 G01 X#142. Y#242. W360. F#501, wenn Zahnstange und Ritzel funktionieren; Positionieraktion ausgeführt G65 L82 P422 A#395 B42; Prüfen, ob Bohrung 42 die Stütze geändert hat G11 P1012; Ausgabe G65 L80 P800, wenn die Stütze geändert wurde; Ausstiegsschleife 3: Prototypenfertigung und Produktqualitätsbewertung: Im April 2004 schlossen wir die Systementwicklung und die Prototypenfertigung ab. Diese erfüllten die Produktionsanforderungen und weitgehend die vorgegebenen Prozessspezifikationen. Bei den Tests stellten wir jedoch fest, dass die tatsächliche Ausführungskurve der Servopositionierung aufgrund der Trägheit der Hochgeschwindigkeitsbewegung nicht exakt mit den Lochpositionen übereinstimmte. Wir testeten das System mit modernsten Methoden. Nach umfassenden Anpassungen der mechanischen und elektrischen Antriebe schlossen wir die Maschinenfertigung erfolgreich ab und nahmen die Produktion Ende 2004 auf. Die elektrische Steuerung arbeitet seitdem mit über 10 Einheiten stabil. Die CE-Zertifizierung der Anlage ist im Gange, und erste Verhandlungen mit ausländischen Kunden laufen. Nachfolgend finden Sie Fotos der Maschine. 4. Fazit: Die optimale Kombination aus Stabilität und Zuverlässigkeit des universellen CNC-Systems und der schnellen Reaktionsfähigkeit der Servoantriebe in der Zahnbürstenborsten-Implantationsmaschine steigert die Produktionsgeschwindigkeit des ursprünglichen Ein-Chip-Mikrocomputers um fast das Dreifache und verbessert die Produktionseffizienz deutlich. Darüber hinaus werden die Vorteile des Systems durch die Konsistenz und Integration nach und nach deutlich werden.