Dieser Artikel beschreibt die CNC-Nachrüstung einer älteren, in der Schweiz hergestellten CNC-Kurvenfräsmaschine in einem Unternehmen. Dabei kamen ein modernes Siemens 802D CNC-System und ein kompaktes, leistungsstarkes und benutzerfreundliches digitales AC-Servosystem zum Einsatz. Ziel war es, die alte Anlage optimal zu nutzen und Kosten zu sparen. Der Artikel beschreibt die einzelnen Nachrüstungsschritte und die wichtigsten technischen Aspekte des CNC-Kurvenfräsprozesses. 1 Einleitung Die CNC-Nachrüstung von Werkzeugmaschinen erfordert den Einsatz zahlreicher Technologien aus den Bereichen Mechanik, Elektrotechnik, Informatik und Servotechnik und ist daher eine sehr komplexe Aufgabe. Im Ausland hat sich die CNC-Nachrüstung von Werkzeugmaschinen zu einer etablierten Branche entwickelt, und auch in China erfährt die CNC-Nachrüstung traditioneller Werkzeugmaschinen zunehmend Beachtung und wird bereits umgesetzt. Im Bereich der mechanischen Fertigung ist die CNC-Nachrüstung von Werkzeugmaschinen von großer Bedeutung, da sie die CNC-Fähigkeiten der Maschinen verbessert und Kosten spart. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Nachrüstung der CNC- und Servosysteme einer Kurvenfräsmaschine in einem bestimmten Unternehmen. Die ursprüngliche CNC-Kurvenfräsmaschine wurde von Strausak in der Schweiz hergestellt, und ihr CNC-System nutzte ein Steuerungssystem von GE. Da das Steuerungssystem aus den 1970er-Jahren stammt, ist es technologisch veraltet, umständlich in der Bedienung und Programmierung, anfällig für häufige Störungen und unzuverlässig im Betrieb, wodurch eine normale Teilebearbeitung nicht möglich ist. Die wichtigsten technischen Parameter der ursprünglichen Nockenfräsmaschine sind in Tabelle 1 dargestellt. Vor der Modifizierung wurde eine Wirtschaftlichkeitsanalyse durchgeführt. Die Anschaffung einer neuen Werkzeugmaschine mit denselben Funktionen würde 300.000–500.000 RMB kosten, während die Modifizierung dieser Werkzeugmaschine weniger als 100.000 RMB, also weniger als ein Drittel der Kosten einer neuen Maschine, kosten würde. Daher ist die Modifizierung lohnenswert. Gleichzeitig können Leerlaufzeiten reduziert werden. Anschließend untersuchten wir die mechanischen Antriebsteile der Werkzeugmaschine, namentlich Spindel, Führungsschienen und Gewindespindel, und stellten fest, dass praktisch kein Verschleiß vorhanden war und eine gute Präzision vorlag. Die geforderte Präzision kann durch die Modifizierung vollständig erreicht werden. 2. Entwicklung eines Modifikationsplans: Die Funktionen einer CNC-Werkzeugmaschine lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Zum einen die vom CNC-Systemhersteller bereitgestellten Funktionen, wie z. B. Mensch-Maschine-Schnittstelle, Programmeingabe, -bearbeitung, -speicherung, Grafikfunktionen, Werkzeugkompensation und Nullpunktbestimmung des Koordinatensystems. Zum anderen die vom Werkzeugmaschinenhersteller oder Systemintegrator auf Basis der vom CNC-Systemhersteller bereitgestellten Schnittstelle entwickelten Funktionen. Diese werden hauptsächlich über das Bedienfeld der Werkzeugmaschine und die SPS-Software (Speicherprogrammierbare Steuerung) bereitgestellt. Beispiele hierfür sind Start, Stopp, manueller Betrieb, Drehzahlüberschwingen, Spindelstart/-stopp und Kühl-/Schmierschalter. Für Endanwender ist die Unterscheidung zwischen den Funktionskategorien oft nicht erforderlich. Die erste Kategorie ist fest vorgegeben, während die zweite Kategorie flexibel ist und hinzugefügt oder entfernt werden kann. Der Schwerpunkt der CNC-Nachrüstung liegt auf der Entwicklung der zweiten Funktionskategorie. Mithilfe der vom CNC-System bereitgestellten SPS-Anwendungssoftware und unter Berücksichtigung der tatsächlichen Steuerungsanforderungen werden die Tasten an der Werkzeugmaschine und am Bedienfeld mit den E/A-Ports der SPS verbunden. Die korrekte Steuerung der Werkzeugmaschine ist der Schlüsselfaktor bei der CNC-Nachrüstung. 2.1 Hardware-Systemanalyse und Nachrüstungskonzept Eine gründliche Analyse des ursprünglichen Betriebsablaufs, der Steuerungssequenz und der logischen Zusammenhänge der Werkzeugmaschine ist Voraussetzung für die Festlegung des Nachrüstungskonzepts. Die Spindel des ursprünglichen Steuerungssystems wurde über einen Frequenzumrichter gesteuert, weitere Hilfsfunktionen über Relais. Die Steuerungskomponenten waren sperrig, die elektrischen Komponenten veraltet und funktionierten nicht einwandfrei. Nach der Analyse wurden die Kühl- und Schmiersysteme der Werkzeugmaschine beibehalten. Die Spindel wurde weiterhin über den ursprünglichen Frequenzumrichter gesteuert. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Bedienelemente für Kühlung, Schmierung und Frequenzumrichter an die I/O-Ports des neuen CNC-Systems angeschlossen sind, wodurch die Steuerung integriert wird. Für die Vorschubachsen wurden das CNC-System SINUMER-IK802D und das Antriebssystem SIMODRIVE611 der Firma SIEMENS ausgewählt. Das SINUMER-IK802D integriert alle CNC-, SPS-, HMI- und Kommunikationsaufgaben in einer Einheit. Die wartungsfreie Hardware verfügt über eine PROFIBUS-Schnittstelle für Antriebe und E/A-Module und zeichnet sich durch ein ultradünnes Bedienfeld mit Schnellmontage aus. Das SINUMER-IK802D ist ein PROFIBUS-basiertes CNC-System. Ein- und Ausgangssignale werden über PROFIBUS übertragen, ebenso die Positionseinstellung (Drehzahl-Sollwert und Positionsrückmeldung). Das SINUMER-IK802D kann bis zu vier digitale Vorschubachsen und eine Spindel steuern. Der SIMODRIVE611 ist ein konfigurierbares Antriebssystem mit modularem Aufbau und PROFIBUS-Schnittstelle. Dadurch lässt sich die Leistung jedes Achsenantriebs unabhängig konfigurieren und bildet eine ideale Kombination mit dem SINUMER-IK802D. Mit dem SIMODRIVE 611 kann ein volldigitales Antriebssystem realisiert werden, das die Anforderungen der Werkzeugmaschine hinsichtlich Dynamik, Drehzahlbereich und Rundlaufgenauigkeit erfüllt. Dank des modularen Aufbaus des Antriebssystems lässt sich jeder Treiber individuell optimieren. Die Vorschubachsen werden von 1FK6-Motoren angetrieben. Der AC-Servomotor 1FK6 ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit integriertem fotoelektrischem Encoder. Der Motor ist ohne externe Kühlung ausgelegt; die Wärme wird über die Motoroberfläche abgeführt. [align=center]Tabelle 1: Haupttechnologien der Kurvenfräsmaschine[/align] Die Bewegung der CNC-Kurvenfräsmaschine ist in Abbildung 1 dargestellt. Die drei Vorschubachsen X, Y und Z können unabhängig oder gemeinsam bewegt werden. X und Z führen eine Linearbewegung aus, während die Y-Achse eine Drehbewegung ausführt. Zusammen ergeben sie die für das Kurvenfräsen erforderliche Bewegung. Die Spindel wird einzeln über einen Frequenzumrichter gesteuert. Das Bedienfeld bietet Funktionen wie Not-Aus, Start, Stopp, Schmierung und Kühlung. Bei der konkreten Umsetzung sind folgende Aspekte zu berücksichtigen: (1) Die modifizierte Werkzeugmaschinenschnittstelle muss benutzerfreundlich und einfach zu bedienen sein. (2) Die Relais, Gleichstromversorgungen, Luftschalter, Sicherungen und Klemmenblöcke im ursprünglichen Schaltschrank der Werkzeugmaschine sollten beibehalten und gegebenenfalls geringfügig angepasst werden. (3) Bei der Konstruktion des neuen Werkzeugmaschinen-Bedienfelds sollten die Funktionseinstellungen der Bedienschalter und -tasten des ursprünglichen Bedienfelds weitestgehend beibehalten werden, um die Bedienung zu vereinfachen. [align=center] Abbildung 2: Schaltplan[/align] Das elektrische System der Werkzeugmaschine ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Treiber SIMODRIVE 611 verbindet drei AC-Servomotoren des Modells 1FK6 mit fotoelektrischen Gebern zur Steuerung der Vorschubbewegung der X-, Y- und Z-Achse der Kurvenfräsmaschine. Das CNC-System ist ein halbgeschlossenes Regelsystem, da der Geber am Servomotor das Signal direkt an das CNC-System zurücksendet und somit sowohl als Positions- als auch als Drehzahlrückmeldung dient. Der von der CNC ausgegebene Drehzahlbefehl wird an die Antriebseinheit SIMODRIVE611 gesendet. 2.2 Systemsoftware-Design Systemsoftwaremodule wie Interpolation, Servo, Dekodierung und Datenverarbeitung werden von Siemens 802D bereitgestellt. Benutzer müssen während der Werkzeugmaschinen-Inbetriebnahme lediglich die relevanten Parameter eingeben. Die SPS-Anwendung ist der Schlüssel zur Softwareentwicklung. Es vervollständigt die MST-Funktion der CNC-Werkzeugmaschine, d. h. die Hilfsfunktionen neben der Hauptbewegung. Die SPS-Softwarestruktur ist in Abbildung 3 dargestellt. [align=center] Abbildung 3: SPS-Softwarestrukturdiagramm[/align] 2.3 Werkzeugmaschinen-Debugging Das Debugging ist der letzte Schritt bei der CNC-Nachrüstung und umfasst in der Regel das Funktions-Debugging und Probeschnitte. 2.3.1 Funktions-Debugging Nach Fertigstellung des Bedienfelds, Installation der gesamten Hardware und Kompilierung der SPS-Anwendung sowie der Werkzeugmaschinenparameter kann das Debugging beginnen. Ziel des Debuggings ist die Anpassung des CNC-Systems an die Werkzeugmaschine. In der CNC-Technik wird die Steuerung in zwei Bereiche unterteilt: die Steuerung der Hauptbewegung (Koordinatenachsen) und die Steuerung der Hilfsfunktionen. Entsprechend lässt sich auch das Funktions-Debugging in das Debugging der Koordinatenachsenbewegung und das Debugging der Hilfsfunktionen unterteilen. Beim Siemens 802D-System muss nach dem Anschluss aller Komponenten die SPS-Steuerungslogik debuggt werden. Es ist entscheidend, dass das Debugging des Treibers und der 802D-Parameter erst beginnen kann, nachdem alle Sicherheitsfunktionen der SPS korrekt eingestellt sind. Sobald die SPS-Anwendung korrekt konfiguriert ist, kann die Treiber-Fehlerbehebung beginnen. Der Debugging-Prozess umfasst folgende Schritte: Zuerst wird der Computer mithilfe des mitgelieferten Treiber-Debugging-Kabels an den X471 der 611UE angeschlossen. Anschließend wird das Treiber-Debugging-Tool aufgerufen und schließlich die Motorparameter konfiguriert und debuggt. Nach Abschluss des Treiber-Debuggings muss das NC-System (802D) debuggt werden. Dazu werden zunächst die grundlegenden Parameter des 802D eingestellt, darunter die Leitungskonfiguration, die Positionierung des Treibermoduls, die Aktivierung der Positionssteuerung, das Übersetzungsverhältnis des Übertragungssystems, die Optimierung der Treiberparameter, die Koordinatengeschwindigkeit und -beschleunigung sowie die Verstärkung des Positionsregelkreises. Vor dem Debuggen der Koordinatenachsenbewegung (Hauptbewegung) wurden aus Sicherheitsgründen folgende Maßnahmen ergriffen: (1) Überprüfung des Not-Aus-Schalters und der Endschalter jeder Koordinatenachse auf einwandfreie Funktion. (2) Positionierung der beweglichen Teile jeder Koordinatenachse in der Mittelstellung. (3) Entfernen von Werkzeug, Vorrichtung und Werkstücken. (4) Absenken der Spindelposition und Aktivierung des Überschwingschalters der Vorschubgeschwindigkeit, um Gefahren bei hohen Geschwindigkeiten zu vermeiden. Die Kalibrierung der Koordinatenachsenbewegung beginnt manuell. Achten Sie auf die Übereinstimmung der Bewegungsrichtung und der Koordinatenwerte jeder Koordinatenachse mit den definierten Werten. Bei Abweichungen passen Sie die Maschinenparameter an. Prüfen Sie vor der Bewegung der Spindel und der Koordinatenachsen die ordnungsgemäße Funktion der Schmier- und Kühlsysteme, um Schäden an der Werkzeugmaschine zu vermeiden. Der automatische Betrieb darf erst erfolgen, wenn alle Funktionen und manuellen Bewegungen einwandfrei funktionieren. 2.3.2 Probebearbeitung Die Probebearbeitungsteile sollten so ausgewählt werden, dass sie die Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschine widerspiegeln. Diese Werkzeugmaschine ist eine Nockenfräsmaschine. Wir haben damit eine Serie von Nocken mit der Präzisionsklasse 7 bearbeitet. Nach der Bearbeitung wurden die Werkstücke mit einer Koordinatenmessmaschine geprüft. Die Probebearbeitung hat gezeigt, dass das CNC-System voll funktionsfähig ist und die Präzisionsanforderungen der Nockenbearbeitung erfüllt. 2.3.3 Datensicherung Nach der Systemkalibrierung ist die Datensicherung unerlässlich. Die Sinumerik 802D bietet verschiedene Datensicherungsmethoden. Zunächst können die Daten intern im System gesichert werden; eine externe Sicherung ist ebenfalls möglich. 2.4 Maschinenabnahme Nach der Kalibrierung wird die Werkzeugmaschine einer Präzisionsprüfung unterzogen. Die Präzisionsaufzeichnungen sind in Tabelle 2 dargestellt. [align=center]Tabelle 2 Genauigkeit der Werkzeugmaschine nach der Modernisierung[/align] 3 Fazit Das CNC-System Siemens Sinumerik 802D und das Antriebssystem SIMODRIVE 611 wurden zur Modernisierung einer Kurvenfräsmaschine der Firma Strausak GmbH (Schweiz) eingesetzt. Dadurch konnte die alte Maschine nicht nur wieder in Betrieb genommen, sondern auch ihre Bedienung komfortabler gestaltet werden. Die Maschine läuft seither stabil und erfüllt die Anforderungen der Kurvenbearbeitung, was Kosten spart und dem Unternehmen wirtschaftliche Vorteile bringt.