Die Hochgeschwindigkeits-CNC-Bearbeitungstechnologie ist eine komplexe Technologie, bei der in der Praxis noch viele Probleme gelöst werden müssen. Dazu gehören: die dynamischen und thermischen Eigenschaften von Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen; das Verhältnis zwischen Werkzeugmaterialien, Geometrie und Standzeit; Werkzeuge, Vorrichtungen und Prozessparameter von Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen; Kühlung und Schmierung; Zerspanung und sicherer Betrieb; sowie das hochpräzise und schnelle CNC-Steuerungssystem. Um die umfassenden technischen Herausforderungen der CNC-Bearbeitung in der Luft- und Raumfahrt zu bewältigen, gründete die Aviation Industry Corporation of China (AVIC) kürzlich das „Aerospace Key Laboratory of Numerical Control Manufacturing Technology“ (LANCMT) am Beijing Aeronautical Process Research Institute und definierte die Hochgeschwindigkeits-CNC-Bearbeitungstechnologie als einen ihrer Forschungsschwerpunkte. Dieser Artikel beschreibt das Steuerungssystem von Ultrahochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen aus der Perspektive der Spindelsteuerung, der Servosysteme und der CNC-Systeme. 1. Vektorgesteuerter PWM-Wechselstrom-Frequenzumrichter Die elektrische Spindel ist eine Schlüsselkomponente von Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen. Aktuell zählen international führende elektrische Spindeln zu den Modellen von Fisher (Schweiz) mit einer maximalen Drehzahl (nmax) von 40.000 U/min und einer Leistung (P) von 40 kW sowie zur ORB17 von Forest-Line (Frankreich) mit denselben Werten. Als Lager kommen typischerweise Keramikkugellager, Magnetlager und hydrostatische Luftlager zum Einsatz. Hochleistungsspindeln erreichen ihre maximale Drehzahl aus dem Stillstand in nur 1,5 Sekunden bei einer Beschleunigung von 1 g. Diese Parameter erfordern von der Spindelsteuerung höchste Dynamik, Präzision, Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit. Ein vektorgesteuertes PWM-Wechselstrom-Frequenzregelungssystem ist hierfür optimal geeignet. Die Vektorsteuerung umfasst Koordinatentransformation, Vektorberechnung (komplexe nichtlineare Berechnungen) und Parametererkennung. Die Hochgeschwindigkeitsberechnung ist eine notwendige Voraussetzung für die Regelung der Momentanwerte eines Wechselstrommotors. Der Einsatz einer dedizierten CPU und eines 32-Bit-DSP verbessert die Berechnungsgeschwindigkeit und ermöglicht die Ausführung von Befehlen in nur Nanosekunden, wodurch ein schnelles Drehmomentansprechverhalten erreicht wird. Ein weiterer Faktor für die hohe Geschwindigkeit ist die Verwendung von Solid-State-Treiberschaltungen. Ein vollständig digitales Hardware-Stromregelungssystem, ein adaptives Motordrehzahlerkennungssystem sowie Spannungs- und Strommesssignale werden durch Abtastung verarbeitet, um hochzuverlässige dynamische Motorparameterwerte zu ermitteln. Die Leistungsmerkmale und Spezifikationen dieses PWM-Wechselrichters mit variabler Frequenzregelung sind wie folgt: Vektorregelung mit über 150 % höherem Anlaufdrehmoment bei 1 Hz; intelligentes 1-GBT-Leistungsmodul mit hoher Trägerfrequenz (>15 kHz); ein 32-Bit-DSP (Digital Signal Processor) und MPU-Chip mit zwei CPUs zur Implementierung komplexer Vektoroperationen und PWM-Regelung für die digitale Vollsignalverarbeitung; Selbstdiagnoseüberwachung und -anzeige von Fehlern; Selbsterkennung von Parametern und Offline-Selbsteinstellungsfunktionen; adaptive Drehzahlerkennung mittels neuronalem Netzwerk; zwei Drehzahlregelungsmodi: Konstantdrehmoment und Konstantleistung; Ausgangsfrequenzbereich von 0,1–400 Hz. Beschleunigungs-/Verzögerungszeiten von 0,1–300 s usw. 2. Schnelle Reaktion, hohe Positioniergenauigkeit, sofortige Strukturänderung, Echtzeit-Steuerung durch Servosystem und Linearmotorantrieb. Die Bearbeitung mit extrem hohen Geschwindigkeiten erfordert nicht nur extrem hohe Spindeldrehzahlen, sondern auch sehr hohe Vorschubgeschwindigkeiten und Beschleunigungen. Typische Vorschubgeschwindigkeiten liegen bei über 30 m/min, und die Beschleunigungen erreichen 1 g. Mit Kugelgewindetrieben liegen diese Grenzen bei etwa 60 m/min und 1 g, während mit Linearmotoren Geschwindigkeiten von über 160 m/min und Beschleunigungen von über 2,5 g bei einer Positioniergenauigkeit von 0,5–0,05 µm erreicht werden können. Der Einsatz schneller, präziser, hochtouriger und langlebiger Linearmotoren vermeidet die Nachteile von Kugelgewindetrieben (Zahnrad-, Zahnstangenantrieben) wie Spiel, Trägheit, Reibung und unzureichende Steifigkeit. Dies ermöglicht einen kontaktlosen Direktantrieb und führt zu einer allgemein anerkannten, hochpräzisen und schnellen Positionierbewegung (extrem hohe Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit bei hohen Geschwindigkeiten) sowie exzellenter Stabilität. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist jedoch ein leistungsstarkes und hochsensibles Servoantriebssystem erforderlich. Vollständig digitale AC-Antriebssysteme werden heutzutage in vielen Produkten eingesetzt und bilden die Grundlage für eine hochsensible und variable Regelung in der Servotechnik. Dedizierte CPUs werden für die vollständige Regelung von Strom, Drehzahl und Position verwendet. Durch Vorsteuerung mit Servo-Tracking-Vorhersage zur Vorwärtskompensation werden Trackingfehler reduziert und die Ansprechgeschwindigkeit erhöht. Nichtlineare Kompensationsfunktionen gleichen Fehler aus, die durch statische Reibung und viskosen Widerstand im Antriebsmechanismus verursacht werden. Die robuste Regelungstheorie dient der Selbstkorrektur und kompensiert Fehler, die durch Drehmomentträgheit und Laständerungen entstehen. Um eine hohe Positioniergenauigkeit bei hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten, kommen fortschrittliche Technologien wie hochauflösende magnetische Absolutwertgeber (z. B. 1 Million Linien pro Umdrehung, 0,01 µm Auflösung) zum Einsatz. Um bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung hervorragende Ergebnisse zu erzielen – einschließlich schneller Reaktionszeiten, hoher Störfestigkeit und hoher Positioniergenauigkeit –, wird üblicherweise ein Servoregelungsverfahren mit variabler Struktur eingesetzt. Dieses Regelungsverfahren kann die Systemstruktur bei transienten Änderungen anpassen, wobei diese Änderung vom aktuellen Systemzustand abhängt. Darüber hinaus ist dieses System unempfindlich gegenüber Änderungen der Systemparameter und externen Störungen und kann die dynamischen Eigenschaften des Systems verbessern. Dadurch kann das System schnell und präzise positionieren oder einer vorgegebenen Kurve folgen. 3. CNC-Steuerungssysteme mit reduziertem Befehlssatz: Um bei der Ultrahochgeschwindigkeitsbearbeitung komplexer Teile höchste Präzision zu erreichen, verwenden viele CNC-Systeme RISC-Systeme (Reduced Instruction Set Computing). RISC-Systeme können die durch Systemparameter verursachten Fehler berechnen und diese entsprechend den tatsächlichen Anforderungen korrigieren. So wird sichergestellt, dass die tatsächliche Bahn der programmierten Bahn genau folgt und Nachführfehler eliminiert werden. RISC bietet außerdem Funktionen wie die Steuerung von Beschleunigung und Verzögerung sowie die Optimierung der Programmausführung. Diese Systeme (beispielsweise FANUC 16 und Siemens 840) verwenden alle 32-Bit-CPUs, einige sogar 64-Bit-CPUs, und verfügen über eine kleine Datenbank, CAM-Funktionalität und MAP3.0-Kommunikationsfähigkeit. Sie sind in C programmiert und besitzen Werkzeugüberwachungsfunktionen. Bevor Linearmotoren weit verbreitet waren, umfassten die meisten modernen NC-Systeme zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit, Produktqualität und Bearbeitungseffizienz folgende Funktionen: Künstliche Intelligenz (KI) zur Fehlerdiagnose. Das System speichert eine Wissensdatenbank mit Informationen zu den Ursachen mechanischer Ausfälle und deren Behebung. Es verfügt über ein Schlussfolgerungssystem, das diese Wissensdatenbank nutzt, um die Hauptursachen mechanischer Ausfälle zu identifizieren. Mit zunehmender Speicherkapazität der CNC-Maschine wird eine kleine Prozessdatenbank installiert, die die Auswahl und Steuerung von Prozessparametern wie Werkzeugen, Materialien und Schnittparametern ermöglicht. Das System besitzt leistungsstarke Grafikfunktionen zur Darstellung von bearbeiteten Teilen, Werkzeugwegen und dynamischen Simulationen des Bearbeitungsprozesses. Dies bietet eine optisch ansprechende, intuitive und effiziente Lösung, die die Effizienz steigert und Fehler bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung minimiert. Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung hoher Bearbeitungsgeschwindigkeiten besteht in der Bereitstellung robuster Interpolationsfunktionen. Neben linearer und kreisförmiger Interpolation kommen spezielle Kurveninterpolationsverfahren wie Splines, Evolventen, Polarkoordinaten, Zylinder, Exponentialfunktionen und trigonometrische Funktionen zum Einsatz. Die hohe Geschwindigkeit der CNC-Maschine spiegelt sich nicht nur in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, sondern auch in der Reduzierung der Nebenzeiten wider. Zu diesem Zweck wurde eine dedizierte Hochgeschwindigkeits-SPS entwickelt, die primär auf die Verbesserung der Ausführungsgeschwindigkeit grundlegender Anweisungen abzielt. Eine automatische Messfunktion ist konfiguriert, um bearbeitete Teile automatisch zu prüfen. Dabei werden die Werkzeuglänge gemessen und eine Fünf-Achs-Werkzeugkompensation zur Werkzeugkorrektur eingesetzt. Bei der NC-Bearbeitung ist eine automatische Neustartfunktion erforderlich, die bei Werkzeugbruch einen Neustart ermöglicht. Diese Funktion umfasst den Werkzeugrückzug, die Rückführung, den Neustart der Bearbeitung und, nach dem Zurückziehen des alten und dem Einsetzen eines neuen Werkzeugs, die Rückkehr zum Unterbrechungspunkt, um einen neuen Bearbeitungszyklus zu beginnen. Bei Portalfräsmaschinen mit hoher Geschwindigkeit ist eine doppelseitige Synchronisationstechnologie erforderlich, wenn der effektive Verfahrweg zwischen den Portalsegmenten 2 Meter überschreitet. Bei schwereren Werkzeugmaschinen mit einer Spindelleistung von über 20 kW nutzt das doppelseitige Synchronservosystem ein Master-Slave-Rückkopplungsprinzip, um den maximalen doppelseitigen Folgefehler typischerweise auf unter 0,01 mm zu begrenzen. Die CNC-Steuerung der nächsten Generation ist eine Echtzeit-Bearbeitungssteuerung und Arbeitsplatzsteuerung. Sie verfügt über eine Wissensdatenbank, Prozess-Ein-/Ausgabe, Bewegungssteuerung, Echtzeitsteuerung, Arbeitsplatzsteuerung und Kommunikationsfunktionen. Diese Steuerungsart optimiert Werkzeugparameter, indem sie Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe und weitere Schnittparameter bei der Auswahl geeigneter Werkzeugmaterialien und -strukturen automatisch bestimmt und die Werkzeugstandzeit erhöht. Dies trägt wesentlich zur Steigerung der Zerspanungseffizienz bei. 4. Weitere Hilfssteuerungstechnologien Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung birgt eine Reihe weiterer Herausforderungen, insbesondere: Nichtlinearität im Werkzeugmaschinenprozess, schnelle Verformung durch Temperaturanstieg an mehreren Wärmequellen, Werkzeug- und Werkstückfehlererkennung und Sicherheitssteuerung, Hochgeschwindigkeitskühlung und rasche Spanabfuhr, allgemeine Bearbeitungssicherheit sowie die notwendige wissenschaftliche Managementtechnologie zur Effizienzsteigerung. Um diese Probleme zu lösen, liegt der Hauptansatz in der schnellen Reaktion der internen programmierbaren Werkzeugmaschinensteuerung (SPS) des Bearbeitungszentrums (PMC). Dies geschieht durch die Anwendung von Mehrgrößen-Regelalgorithmen während der thermischen Verformung, wodurch eine schnelle Steuerung mehrerer Variablen in einem System mit mehreren Eingängen und Ausgängen erreicht wird. So können Wärme- oder Kältequellen die Werkzeugmaschine vorkühlen oder vorwärmen. Da die Spindel mit Zehntausenden von Umdrehungen pro Minute rotiert, kann die immense Zentrifugalkraft gebrochene Schneidwerkzeuge wie Geschosse wegschleudern. Neben der Verstärkung der Schutzabdeckung und der Robustheit des Sichtfensters muss das Online-Überwachungssystem Werkzeugbruch und -abnutzung überwachen. Alarme und Sicherheitsfunktionen müssen bei Auftreten von Anomalien sofort aktiviert werden. Große Mengen an Spänen, die beim Hochgeschwindigkeitsbearbeiten entstehen, verstopfen oft den Arbeitstisch und behindern dessen Bewegung. Zudem stellen die Späne eine Hochtemperatur-Wärmequelle dar, die zu Verformungen und Verbrennungen der Werkzeugmaschine führen kann. Eine gängige Lösung ist die Steuerung des Hochdruckkühlmittels (Druck 5516–6895 kPa) mittels eines Leistungsreglers (PMC), um einen Durchfluss von 4,54 m³/min (20 gal/min) zu erreichen und so sowohl die Späneabfuhr als auch die Kühlung zu gewährleisten. Zuverlässigkeitsprobleme treten bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungswerkzeugen besonders deutlich hervor. Dies liegt daran, dass zahlreiche Faktoren die Zuverlässigkeit bei dieser Bearbeitungsart beeinflussen, beispielsweise der automatische Werkzeugwechsler. Jede Störung des automatischen Werkzeugwechslers während des Hochgeschwindigkeits-Spindelschneidens kann zu erheblichen Verlusten oder Personenschäden führen. Daher wird häufig auf Werkzeugwechsler verzichtet; stattdessen fährt der Spindelkopf direkt, um das Werkzeug zu wechseln. Für das Steuerungssystem muss die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) um ein Vielfaches höher sein als bei herkömmlichen CNC-Werkzeugmaschinen, um die erforderliche Effizienz und Teilequalität zu erreichen. Managementtechnologie spielt in allen Bereichen eine entscheidende Rolle. Im chinesischen Hochgeschwindigkeits-CNC-Bearbeitungsbereich treten die Widersprüche jedoch derzeit besonders deutlich hervor. Eine Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschine benötigt ein Team hochqualifizierter Fachkräfte, die eng zusammenarbeiten, um Probleme bei der Prozessprogrammierung, dem Betrieb und der Wartung zu lösen, Materialien, Werkzeuge und Vorrichtungen bereitzustellen, detaillierte Pläne zu erstellen und die Software für Produktionsvorbereitung, -planung und Informationsintegration in der CNC-Werkstatt zu verwalten. Andernfalls kann eine Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine nicht nur ihre Hochgeschwindigkeitsfunktion nicht erfüllen, sondern bleibt auch hinter dem Niveau einer konventionellen CNC-Werkzeugmaschine zurück, da das Schnittdrehmoment einer Hochgeschwindigkeitsspindel sehr gering ist und in der Regel nur einige zehn Newtonmeter (N·m) beträgt. 5. Bestehende Probleme und Lösungen: Hochdruck-Kühlmittel mit hohem Durchfluss tragen zur Reibungsreduzierung, Temperatursenkung, Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit, Oberflächenqualität und Werkzeugstandzeit bei und erleichtern zudem den Spanbruch und die Spanabfuhr. Der Einsatz großer Kühlmittelmengen erhöht jedoch nicht nur die Produktionskosten, sondern verursacht auch erhebliche Umweltbelastungen. Laut Statistiken einiger amerikanischer Unternehmen belaufen sich die Kosten für Kühlmittel und Abwasserbehandlung derzeit auf 14 bis 16 %, während die Werkzeugkosten lediglich 2 bis 4 % ausmachen. Um die Umwelt zu schonen und die Produktionskosten zu senken, ist der Verzicht auf Kühlmittel und die Anwendung von Trockenbearbeitung die beste Vorgehensweise. Bei der Trockenbearbeitung ist die Auswahl geeigneter Werkzeugmaterialien, die Konstruktion spezieller Werkzeugstrukturen und die Auswahl erprobter Prozessparameter unerlässlich. Linearmotoren sind zwar international für Hochgeschwindigkeits-Vorschubsysteme verfügbar, weisen jedoch Nachteile wie starke Wärmeentwicklung, geringe Leistung, hohe Kosten und hohe Umweltauflagen auf. Diese Probleme lassen sich durch die Wahl geeigneter Materialien und Fertigungsprozesse beheben. Eine Hochgeschwindigkeits-Elektrospindeleinheit besteht aus vier Komponenten: der Spindel, den Lagern, einem Innenmotor und einem Werkzeughalter. Der Einsatz eines Innenmotors vereinfacht die Spindeleinheit erheblich, die vom Innenmotor erzeugte Wärme verschlechtert jedoch die thermischen und dynamischen Eigenschaften der Elektrospindel. Derzeit werden international Technologien wie die Luft-Öl-Schmierung und die Strahlschmierung im Allgemeinen eingesetzt, um das Problem der Wärmeentwicklung zu lösen. Dabei wird Kühlmittel durch die elektrische Spindelbohrung zum Werkzeughalter geleitet, um diesen zu kühlen.