[Zusammenfassung] Dieser Beitrag schlägt einen technischen Weg und eine Lösung zur Modernisierung importierter oder inländischer CNC-Werkzeugschleifmaschinen vor. Hierfür wird ein spezielles CNC-System für Werkzeugschleifmaschinen des Typs Huazhong 2000 verwendet. Die Funktionsstruktur dieses CNC-Systems wird analysiert und ein konkretes Modernisierungsbeispiel vorgestellt. [Schlüsselwörter] Werkzeugschleifmaschine, CNC-System, CNC-Programmierung, CNC-Modernisierung 1 Einleitung CNC-Werkzeugschleifmaschinen, insbesondere mehrachsige CNC- und mehrachsige CNC-Werkzeugschleifmaschinen mit Gelenksteuerung, sind hochpräzise und leistungsstarke Schlüsselmaschinen zum Schleifen und Fertigen von Präzisions- und komplex geformten Schneidwerkzeugen. Sie zählen zu den Hightech-Mechatronikprodukten mit komplexen Strukturen, hohem Automatisierungsgrad und hohen Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit. Ihre Forschung und Entwicklung stellen daher eine große technische Herausforderung dar. Das Schleifen von Werkzeugen mit CNC-Werkzeugschleifmaschinen basiert auf Werkzeugschleif- und Programmiertechnologie. Die Schleiftechnologie und die Programmiersoftware für verschiedene komplex geformte Schneidwerkzeuge sind jedoch derzeit im Ausland patentiert oder vertraulich. Daher können weltweit nur wenige Hersteller leistungsstarke CNC-Werkzeugschleifmaschinen produzieren. Um die Fertigungstechnologie und Qualität von Schneidwerkzeugen in meinem Land zu verbessern, haben einige inländische Hersteller und Anwender CNC-Werkzeugschleifmaschinen importiert. Nach längerem Einsatz sind die Hauptrahmen dieser Maschinen zwar noch weitgehend funktionsfähig, ihre CNC-Systeme jedoch weit hinter der modernen CNC-Technologie zurück und gelten als veraltet. Einige inländische Hersteller haben auch eigene CNC-Werkzeugschleifmaschinen entwickelt. Da sie die Hauptrahmen selbst fertigen und auf importierte CNC-Systeme angewiesen sind, sind diese Maschinen nicht nur sehr teuer, sondern stoßen aufgrund fehlender integrierter Werkzeugschleiftechnologie und Programmiersoftware in ihren universellen CNC-Systemen auch bei Schleifvorgängen (insbesondere an komplexen Werkzeugen) an ihre Grenzen. Daher müssen die CNC-Systeme dieser inländischen CNC-Werkzeugschleifmaschinen modernisiert werden. Diese Modernisierung erfolgt typischerweise durch den Einsatz neuester, spezialisierter CNC-Systeme ausländischer Hersteller. Dieser Ansatz bietet zwar Vorteile wie ausgereifte Technologie, geringes Risiko und garantierte Zuverlässigkeit, hat aber auch Nachteile wie hohe Kosten und eine geringe Spezifität der Prozessprogrammierung. Das CNC-System der Werkzeugschleifmaschine vom Typ Huazhong 2000 ist ein integriertes CNC-System, das auf Basis der Forschungsergebnisse des nationalen Schlüsselprojekts „Entwicklung von CNC-Universalwerkzeugschleifmaschinen“ im Rahmen des Achten Fünfjahresplans entwickelt wurde. Es dient zum Schleifen verschiedener Rotationswerkzeuge. Der Einsatz dieses Systems löst die oben genannten Probleme effektiv und ist zudem kostengünstig. 2. Funktionen und Struktur des modifizierten CNC-Systems 2.1 Grundlegende Systemfunktionen Nach der Modifizierung der Werkzeugschleifmaschine mit dem CNC-System des Typs Huazhong 2000 verfügt das System über die folgenden drei grundlegenden Funktionen: Allgemeine CNC-Systemfunktionen Das System behält die grundlegenden Funktionen des ursprünglichen allgemeinen CNC-Systems bei, wie z. B. Achsensteuerungsfunktionen mit bis zu 16 Achsen und 9 Achsenverkettung, Programmverifizierungsfunktion, MDI-Funktion, lineare, kreisförmige und spiralförmige Interpolationsfunktionen, M-, S- und T-Funktionen, Fehlerdiagnoseanzeigefunktion und integrierte SPS-Funktion usw. Das wichtigste Merkmal dieses Systems ist seine automatische CNC-Programmierfunktion. Basierend auf einem standardmäßigen CNC-System für allgemeine Anwendungen integriert es eine Software zur Werkzeugschleifprogrammierung. Anwender können die Strukturabmessungen des zu schleifenden Werkzeugs und den Bearbeitungsprozess direkt über ein grafisches Menü des CNC-Systems eingeben. Dies ermöglicht die automatische Programmierung und Bearbeitung und somit eine integrierte Programmierung und Bearbeitung. Werkzeugmessung und automatische Werkzeugeinstellung sind ebenfalls in das CNC-System integriert. Die automatische Werkzeugeinstellung löst beim CNC-Werkzeugschleifen die Probleme der mühsamen und ungenauen manuellen Werkzeugeinstellung. 2.2 Systemhardwarestruktur Die Hardwarestruktur des modifizierten CNC-Systems ist in Abbildung 1 dargestellt und besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: einer numerischen Steuereinheit (CNC-Einheit), einer Servoantriebseinheit (einschließlich Motoren) und einer Messeinheit. Die CNC-Einheit umfasst einen Industrie-PC, ein Positionssteuerungsmodul und ein Ein-/Ausgabemodul und ist die grundlegendste Einheit des CNC-Systems. Der Industrie-PC kann je nach Bedarf mit CPU, Speicher, Grafikkarte, Monitor, Festplatte oder elektronischem Datenträger, Diskettenlaufwerk usw. konfiguriert werden. Das Positionssteuerungsmodul verfügt über mehrere Positionserfassungsschnittstellen. Es erfasst Impulssignale von fotoelektrischen Gebern als Positionsrückmeldung für jede Koordinate der Werkzeugmaschine und steuert die Drehzahleinheit über mehrkanalige D/A-Ausgangssignale. Es ist kompatibel mit volldigitalen AC-Servoeinheiten und Motoren der Wuhan Huazhong CNC Company sowie mit Antriebseinheiten von Siemens (Deutschland), AMK (Deutschland), Sanyo (Japan) und Panasonic (Japan). Das Ein-/Ausgabemodul dient als Hardware-Ein-/Ausgabeschnittstelle der in das CNC-System integrierten SPS. Die Eingangs-/Ausgangsspannung beträgt 24 V, der maximale Strom 100 mA. Es wird für die Eingabe von Tastensignalen am Bedienfeld, die Schaltererkennung der Werkzeugmaschine usw. verwendet. Die Basiskapazität beträgt 48/48 Ein-/Ausgangspunkte, die bei Bedarf auf 256/196 Punkte erweitert werden können. Servoeinheit und Motor sind die wichtigsten Komponenten für den zuverlässigen Betrieb des Systems. Die AC-Servoeinheit nutzt fotoelektrische Geber zur Positionserfassung mit 2500 Impulsen/U. Die minimale Systemauflösung beträgt 0,001 mm/0,001°. Die Messeinheit ist eine wesentliche Hardwarekomponente des Systems zur Realisierung der Werkzeugmessung und der automatischen Werkzeugeinstellung. Sie umfasst ein Signalverarbeitungsmodul und ein Messelement. Ersteres dient hauptsächlich der A/D-Wandlung und Datenfilterung, während letzteres als Sensor (Tastkopf) für Werkzeugmessung und Werkzeugeinstellung fungiert und je nach Bedarf als Kontakt- oder berührungsloser Tastkopf ausgewählt werden kann. 2.3 Systemsoftwarestruktur 2.3.1 Gesamtstruktur Das universelle CNC-System Huazhong Typ I basiert auf DOS und verfügt über eine modulare, mehrschichtige Struktur. Die Systemsoftware ist in vier Schichten unterteilt: Die erste Schicht ist das Betriebssystem, das Dateiverwaltung, Prozessmanagement, Echtzeit-Aufgabenplanung und die physische Verwaltungsschicht der Parameterdatenbank umfasst. Die Systemverwaltungssoftware ist eine Erweiterung von DOS und beinhaltet Echtzeit-Aufgabenplanung, CRT-Treiber und eine Schnittstellensoftware für die Parameterbibliothek. Der Einstiegspunkt für die Aufgabensteuerung ist INT62, ein Soft-Interrupt, der Steuerungsprimitive für das Umschalten auf Scheduling, Erstellen, Anhalten, Abbrechen, Blockieren, Aufwecken, Verzögern und Abrufen des Aufgabenstatus bereitstellt. Die zweite Ebene ist die Ein-/Ausgabeebene der Werkzeugmaschine, die die Positionsregelungssoftware, die MST-Codeausgabe, das Scheduling-Management und die Schalter-Ein-/Ausgabe umfasst. Die Positionsregelungssoftware empfängt Steuerungs- und Positionsbefehle über den internen Kommunikationsbereich und sendet diese an die Servoeinheit. Die dritte Ebene ist die Interpolationssteuerungsebene, die ISO-Code-Interpolation mit Interpolation, Werkzeugkompensation und Programmkompilierung beinhaltet. Die vierte Ebene ist die Benutzerbedienungsebene. Der spezifische Inhalt jeder Ebene ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese hierarchische, modulare Struktur ermöglicht eine einfache Erweiterung und Portierung. Die automatische Programmiersoftware für das CNC-Schleifen von Schneidwerkzeugen und die Software zum Messen und automatischen Einstellen von Schneidwerkzeugen sind in die Benutzerbedienungsebene integriert. 2.3.2 Automatische Programmiersoftware für das CNC-Schleifen von Schneidwerkzeugen [2] Die Struktur der automatischen Programmiersoftware für das CNC-Schleifen von Schneidwerkzeugen ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Software besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: (1) Prozessdatenbank Die Programmiersoftware erfasst die relevanten Prozessdaten der zu programmierenden Schneidwerkzeuge und organisiert und verwaltet diese mithilfe einer geeigneten Datenstruktur zu einer Prozessdatenbank. Diese Prozessdaten umfassen Informationen zum CNC-System, Informationen zur Werkzeugmaschinenstruktur, geometrische Parameter des Werkzeugs, Parameter der Schleifscheibenform, Informationen zum Bearbeitungsprozess und Bearbeitungsprozessparameter. Die Prozessdatenbank bildet die Grundlage der gesamten Programmiersoftware. Die Informationen zum CNC-System beschreiben das CNC-Codeformat des verwendeten CNC-Systems und sind für die Formatkonvertierung in der Nachbearbeitung erforderlich. Die Informationen zur Werkzeugmaschinenstruktur beschreiben das Strukturmodell und die Strukturparameter der CNC-Werkzeugschleifmaschine, einschließlich des Modellcodes des Werkzeugmaschinenmechanismus, der anfänglichen Positionsbeziehung zwischen den Koordinatensystemen der Werkzeugmaschinen-Kinematikkette und der Richtung jeder Bewegungsachse der Werkzeugmaschine [2]. Die Werkzeuggeometrieparameter beziehen sich auf die Struktur- und Schnittparameter des bearbeiteten Werkzeugs und werden anhand der Werkzeugstrukturelemente als Basisobjekte beschrieben. Die Schleifscheibenformparameter beschreiben Form und Größe der verwendeten Schleifscheibe. Die Bearbeitungsprozessinformationen beschreiben den Bearbeitungsprozess des programmierten Werkzeugs. Das System klassifiziert, organisiert und verwaltet die Schleifprozesse verschiedener Werkzeuge anhand der Werkzeugstrukturelemente als Basiseinheit und bildet so eine Bearbeitungsprozessbibliothek. Die Bearbeitungsprozessparameter umfassen hauptsächlich Vorschubgeschwindigkeit, Schnittgeschwindigkeit, Vorschubmenge, Aufmaß, Kühlmittelumschaltung und weitere Informationen in jedem Bearbeitungsprozess des Werkzeugs. (2) Parametrisiertes Eingabemodul: Das parametrisierte Eingabemodul dient als Schnittstelle zur Programmiersoftware für die Mensch-Maschine-Interaktion. Es ruft relevante Prozessparameter aus der Prozessdatenbank ab, indem es Bearbeitungsinformationen eingibt, und modifiziert diese anschließend entsprechend dem jeweiligen Bearbeitungsobjekt, den Bearbeitungsbedingungen und -anforderungen. Dabei werden Datendateien für die nachfolgende Werkzeugpositionsberechnung und -verifizierung sowie das Nachbearbeitungsmodul generiert. Im Einzelnen umfassen diese: CNC-Systemeinstellungen, Werkzeugmaschineneinstellungen, Werkzeugeinstellungen, Prozesseinstellungen, Schleifscheibeneinstellungen und Prozesseinstellungen. (3) Programmierbibliothek und Modul zur Werkzeugpositionsberechnung und -prüfung: Die Programmierbibliothek ist ein Paket von Programmen zur Werkzeugpositionsberechnung und -prüfung für alle Programmierwerkzeuge der Programmiersoftware. Das Modul zur Werkzeugpositionsberechnung und -prüfung liest sequenziell die Informationen zu den Bearbeitungselementen, den Schleifscheiben-Schneidflächen und den Prozessinformationen jedes Bearbeitungsvorgangs des Werkzeugs aus der Bearbeitungsprozessdatei und ruft basierend auf diesen Informationen das entsprechende Programm zur Werkzeugpositionsberechnung und -prüfung aus der Programmierbibliothek auf, um Werkzeugpositionsdatendateien und CC-Punktdatendateien zu generieren. Werkzeugpositionsberechnung und -prüfung sind der Schlüssel zur automatischen Programmierung, und die Programmierbibliothek ist der Kern der gesamten Programmiersoftware. (4) Nachbearbeitung: Die Nachbearbeitung ist der Prozess der Umwandlung der nach der Werkzeugpositionsberechnung generierten Werkzeugpositionsdatei in CNC-Code, der von der CNC-Werkzeugschleifmaschine ausgeführt werden kann. Dies umfasst die Lösung der Werkzeugmaschinenbewegung, die Überprüfung und Korrektur nichtlinearer Bearbeitungsfehler, die Überprüfung und Korrektur der Vorschubgeschwindigkeit sowie die Dateiformatkonvertierung. 2.3.3 Werkzeugvermessung und Software für die automatische Werkzeugeinstellung Diese Software besteht aus zwei weitgehend unabhängigen Modulen: Werkzeugvermessung und automatische Werkzeugeinstellung. Beide basieren auf einer gemeinsamen Hardwarestruktur. Die Werkzeugeinstellungssoftware ermittelt die relative Positionsbeziehung zwischen dem Programmierkoordinatensystem und dem Maschinenkoordinatensystem. Bei zuverlässiger Hardware ist die Softwareimplementierung relativ einfach. Da beim Werkzeugnachschleifen die theoretischen Daten zu Werkzeugform und Schnittparametern unbekannt sind, bildet das physikalische Werkzeugmodell die einzige Grundlage für die CNC-Programmierung und -Bearbeitung. Das Werkzeugvermessungssystem erfasst das physikalische Werkzeugmodell und wandelt dessen geometrische Analoggrößen in geometrische Digitalgrößen um, die von der automatischen Programmiersoftware verarbeitet werden können. Dadurch wird die Werkzeugprogrammierung und -bearbeitung realisiert. Die Werkzeugvermessungssoftware besteht im Wesentlichen aus einem Modul zur Steuerung der Messtasterbewegung, einem Datenerfassungsmodul und einem Datenverarbeitungsmodul. Das Modul zur Steuerung der Messtasterbewegung ist der Kern der gesamten Software. Für verschiedene Werkzeugtypen, Bearbeitungsanforderungen und Messtastertypen werden unterschiedliche Bewegungssteuerungsstrategien eingesetzt (dies wird aus Platzgründen hier nicht weiter ausgeführt). 3. Beispiel für die Nachrüstung eines CNC-Systems. Abbildung 4 zeigt eine Helitronic 30 NC CNC-Werkzeugschleifmaschine, die von der Walter GmbH in Deutschland an ein deutsches Flugzeugbauunternehmen importiert wurde. Diese Schleifmaschine verfügt über fünf Bewegungsachsen (X, Y, Z, A, B), die eine 3-Achs-CNC-2-Achs-Anbindung (X, Z, A) ermöglichen, während die beiden verbleibenden Achsen (Y, B) manuell gesteuert werden. Diese Werkzeugschleifmaschine ist im Wesentlichen eine multifunktionale, manuell/automatisch bedienbare Werkzeugmaschine. Im manuellen Betrieb kann sie einfache Innen- und Außenrundschleifarbeiten durchführen. Im automatischen Bearbeitungsmodus verfügt das System über drei vordefinierte Bearbeitungsprogramme: ① Programm für Außenrundschleifen; ② Programm für Indexschleifen mit geradverzahnten Rundwerkzeugen; ③ Programm für Indexschleifen mit spiralverzahnten Rundwerkzeugen. Vor der Nachrüstung wies diese Werkzeugschleifmaschine folgende Hauptmängel und Probleme auf: ① Die Bedienung und Steuerung der Maschine erfolgte ausschließlich über Tasten am Bedienfeld, was recht umständlich und komplex war; ② Es war keine 3-Achs-Anbindung möglich; ③ Die Maschine konnte nur die automatische Bearbeitung gemäß den drei vordefinierten Programmen durchführen und keine zusätzliche Programmierung vornehmen; ④ Das CNC-System war veraltet und arbeitete nicht stabil. Daher musste die Schleifmaschine modifiziert werden. Entsprechend dem oben beschriebenen technischen Modifizierungsansatz und der technischen Lösung wurde das CNC-System der Werkzeugschleifmaschine modifiziert. Die wichtigsten Modifikationen umfassten: (1) Hardware-Modifizierung: Die ursprüngliche Steuerungshardware wurde durch eine Huazhong 2000 CNC-Einheit ersetzt; die ursprünglichen Schrittmotoren und Antriebseinheiten der X-, Z- und A-Achse wurden durch japanische Panasonic AC-Servoeinheiten und -motoren ersetzt; Werkzeugmess- und Werkzeugvoreinstellgeräte wurden hinzugefügt; die ursprüngliche Werkzeugmaschinenspindel und das Hydrauliksystem wurden beibehalten. (2) Software-Modifizierung: Das ursprüngliche Steuerungssystem wurde durch ein Huazhong 2000 CNC-System speziell für Werkzeugschleifmaschinen ersetzt. Nach der Aufrüstung mit einem CNC-System verfügt die Werkzeugschleifmaschine über folgende funktionale und technische Merkmale: Sie ermöglicht die Drei-Achs-Verkettung (X, Z, A); sie kann Flankenschleifen verschiedener Fräser durchführen; Die Parameter und Bearbeitungstechniken des zu schleifenden Werkzeugs lassen sich über ein grafisches Menü direkt in die CNC-Maschine eingeben, was eine integrierte Programmierung und Bearbeitung ermöglicht. Die Maschine verfügt über eine Werkzeuggeometrie-Messfunktion, die das Nachschleifen der Freiflächen verschiedener Fräser gewährleistet. Die bequeme Online-Anpassung von Schleifscheiben-, Werkzeug- und Schleifprozessparametern ermöglicht die optimale Nutzung der Erfahrung des Bedieners und vereinfacht so das Probeschleifen und Nachschleifen von Werkzeugen erheblich. Die computergesteuerte Maschinenbewegung gewährleistet eine präzise Programmsteuerung und damit eine einfache und zuverlässige Bedienung. Nach der CNC-Systemmodernisierung wurde die Maschine erfolgreich im Systembetrieb getestet und führte Bearbeitungsversuche durch, bei denen Freiflächenschleifen von zylindrischen/konischen Schaftfräsern, Kugelfräsern und anderen Werkzeugen erfolgreich durchgeführt wurden.