PC-alapú CNC vezérlés kis-méretű alkatrészek gyártásához

A Willemin-Macodel a 701S típusú megmunkálóközpontjával óriási lépést tett előre a kis-méretű alkatrészek megmunkálásában, mivel először sikerült teljes egészében kihasználniuk a párhuzamos kinematikájú szerszámgépekben rejlő lehetőségeket, mint a merevség és a nagy dinamika. Ezt az előrelépést a mozgatott tömegek jelentős csökkentésével és a Beckhoff PC-alapú CNC vezérlés előnyeinek kihasználásával sikerült elérniük. A fejlesztésekkel 90%-os csökkenést értek el az energiafelhasználásban, a megmunkálási idő, igaz, munkadarabtól függően, a tizedére esett.

Beckhoff_mikro_2

A svájci Delémont székhelyű Willemin-Macodel kis méretű alkatrészek gyártására alkalmas szerszámgépekre szakosodott. Ezeket a gépeket többek között az óragyártásban, egészségügyi eszközök gyártásában vagy a repülőgépiparban alkalmazzák. “Fő profilunk a nagy pontosságú, teljes forgácsolási folyamatot elvégző szerszámgépek. Mivel a kis méretű alkatrészek rögzítése mindig komoly kihívást jelent, ezért minden forgácsolási feladatot egy gép végez, a forgácsolás hagyományos felosztása – mint az esztergálás, marás, fúrás – nélkül. A gép végzi az anyagmozgatást, például a munkadarabok be- és kifogását. Ennek legjobb példája a 701S megmunkálóközpont, melyet az EMO 2013 szakkiállításon mutattunk be.” magyarázta Denis Jeannerat műszaki igazgató.

Egy egyszerű ötlet forradalmasítja a mikro-megmunkálást

A felszínen az új szerszámgép koncepciója egyszerűen hangzik. A 701S mikro-megmunkáló központ egy párhuzamos kinematikájú robottal rendelkezik, melyet inverz szereltek be – gyakorlatilag “fejjel lefelé”. Ez a robot mozgatja a munkadarabot, mely a hagyományos gépeken általában a szánok feladata vagy a szerszám végez minden mozgást. Denis Jeannerat így magyarázta az ötlet mögötti koncepciót: “A mi piacainkon egyértelmű tendencia mutat az alkatrészek miniatürizálása felé, ezért arra törekedtünk, hogy olyan gépet tervezzünk, melynek jobb a munkadarab méretének szerszámgép méretéhez viszonyított aránya. Ugyanis, ha 2 grammos, vagy 20 grammos tömegű alkatrészt kell megmunkálni, akkor semmi értelme egy 100 kg tömegű szánt 3 méteren mozgatni, melynek a teljes tömege akár 12 tonna is lehet. Sokkal hatékonyabb, ha a mozgásokat a kis tömegű alkatrész végzi a szerszámok helyett. Ezzel a módszerrel a mozgatott tömeg az eddigi 500-800 kg-ról egy átlagos tengely jellegű alkatrész esetében mindössze 2 kg-ra csökkent. A kis tehetetlenségi nyomatékok előnyei még jobban kihasználhatók a párhuzamos kinematikájú robottal.”

Beckhoff_mikro_1

Ennek megfelelően, az alapkoncepció szerint a szerszámgép alapja egy párhuzamos kinematikájú delta robot, melynek a munkadarab megfogója három karon keresztül csatlakozik. A 701S – melyet kis-méretű (Ø51 x 32 mm) alkatrészekre fejlesztettek – megmunkálási stratégiája nagy számítási igényű körinterpolációra épül. A gép futási pontossága jobb, mint 0.2 μm, a hőmérséklet-változásokra alig érzékeny és nagyon jó az ismétlési pontossága. A speciális főorsó motor legnagyobb fordulatszáma 80.000 1/perc, szerszámtartó nélküli kialakítása nagyobb statikus és dinamikus merevséget, valamint nagyon jó kiegyensúlyozottságot és alacsony ütést biztosít (kisebb, mint 1 μm a szerszám végén).

PC-alapú vezérlés teszi tökéletessé a szerszámgép kinematikát

Annak ellenére, hogy elég egyszerűen hangzik, a koncepció megvalósítása komoly mérnöki munkát és tudást igényelt mind a tervezés, mind a vezérlés részéről. Denis Jeannerat elmondta: “Nagyon hosszú projektünk volt, több, mint 5 éve kezdődött. A mechanikai rendszer és hajtástechnika tervezése jelentős erőfeszítést igényelt, hogy végül teljesen kifejlesszük és tökéletesítsük a dinamikus viselkedést.”

Már a projekt elején eldöntöttük, hogy PC-alapú vezérlést fogunk alkalmazni, hiszen csak így tudtuk biztosítani a komplex körinterpolációk és a gyors szabályozási utak hatékony számítását. Denis Jeannerat hozzátette: “A legfőbb célkitűzésünk egy nagy dinamikájú gép kifejlesztése volt, mely a szabályozási körök paramétereit rendkívül gyorsan ki tudja számolni. Ez különösen a nagyon kis mozgatott tömeg szempontjából fontos.”

PC-alapú vezérlés: nagy teljesítményű, bizonyított és nyitott

Beckhoff_mikro_3A PC-alapú vezérlés melletti döntést követően gyorsan sikerült megfelelő beszállítót találni. Denis Jeannerat elmondta: “Sokféle ipari vezérlő architektúrát értékeltünk, de a PC-alapú vezérlés azonnal lenyűgözött minket. Nem csak a technológia miatt, hanem a meggyőző know-how és a számos, miénkhez hasonló ipari alkalmazási tapasztalat miatt is.”

Denis Jeannerat szerint a Willemin-Macodel különösen nagy figyelmet fordít a rugalmasságra a szerszámgépek tervezése során: “Hogy minél rugalmasabbá tegyük a kialakítást, olyan rendszerre volt szükségünk, mely minden tekintetben a lehető legnyitottabb – sokrétű I/O lehetőségekkel, illetve kapcsolódási képességgel a különféle kommunikációt és szoftvereket használó alrendszerekkel. Például elengedhetetlen a kiegészítő robotokkal és anyagmozgató egységekkel való kommunikáció. Egyfelől előnyös számunkra, hogy a kinematika már integrálva van a TwinCAT automatizálási szoftverbe, másfelől viszont könnyen be tudjuk vinni a saját fejlesztéseinket.” Továbbá minden egyes önálló gép hozzá lett illesztve az alkalmazáshoz, ami nem is lenne lehetséges, ha nem nyílt rendszert alkalmaznának. Az automatizálást lehetővé tevő moduláris hardver mellett, mely rugalmas gépkonfigurációkat tesz lehetővé, szükséges, a dinamikus vezérlő szoftver moduláris strukturálhatósága.

A 701S megmunkáló központ esetén a PC-alapú vezérlés még olyan egyszerű esetekben is hasznosnak bizonyult, mint a szerszámok optikai bemérőjének csatlakoztatása. A mérőberendezéssel a szerszámok maximális sebességen is mérhetőkké váltak, ide értve az ütést is. A mérőrendszer egyszerűen összekapcsolható volt a Beckhoff vezérlő számítógéppel. Mindössze egy alkalmas PCI foglalati kártyára volt szükség, így a számítógép közvetlenül és gyorsan nyert adatokat a mérőrendszerből. A nagy számítási kapacitással rendelkező 1.9 GHz, Intel® Celeron® processzorral ellátott C6920-as beágyazott PC további előnnyel is rendelkezik Denis Jeannerat szerint: “A Beckhoff C6920as beágyazott PC nagyon kompakt, ezért csak kis helyet foglal el a szerszámgép vezérlőszekrényében.”

CNC-specifikus szoftver és kezelői felület

Beckhoff_mikro_4Eltekintve a komplex pályaszámításoktól, a PC-alapú vezérlés feladataihoz tartozik a nagy teljesítményű orsó sebességének és helyzetének vezérlése is. Összesen négy tengely – a delta robot három tengelye valamint az orsón egy további tengely – vezérlését végzi rendkívül gyorsan. Ez teszi lehetővé speciális forgácsolási műveletek – mint a gyalulás vagy a sorjázás – elvégzését az orsóval. Ezt TwinCAT CNC vezérléssel, azaz beágyazott PC-n futó, tisztán szoftveres megoldással sikerült megvalósítani. A TwinCAT CNC összesen 64 tengelyt/orsót tud egyszerre kezelni, melyet 12 CNC csatornára lehet leosztani. Egy CNC csatornán 32 tengely interpolálható szimultán, mellyel a legbonyolultabb mozgatási feladat is megvalósítható.

A TwinCAT CNC-vel a felhasználók az I/O csatornák, valamint a hajtásrendszer nyíltságából is profitálhatnak, mely egyébként szokatlan a hagyományos CNC világban. A legkülönfélébb részegységek kapcsolhatók be szinte minden elterjedt terepi-busz rendszeren. A hajtásrendszerek teljesen az alkalmazási igénynek megfelelően kapcsolhatók össze a CNC-vel, akár analóg/enkóder csatolón, akár közvetlenül digitális hajtás csatlakozással. A 701S megmunkálógép I/O rendszere 44 EtherCAT terminált tartalmaz, az információk szállításáról két EK1100 EtherCAT terminál gondoskodik. Az adatok szerzése elsősorban EL1124 vagy EL1008 digitális bemeneti terminálokon, EL2008 digitális kimeneti terminálokon, EL3064 vagy EL3202 analóg bemeneti terminálokon, EL4002 analóg kimeneti terminálokon és EL5101 inkrementális enkódereken keresztül történik.

A CNC kezelőfelülethez a 701S egy személyre szabott CP7912 “Economy” vezérlőpanelt kapott, 15″-os érintőképernyővel, valamint integrált DVI/USB-Extended technológiával, minek köszönhetően akár 50 méterről is használható. A kar rögzítésére szolgáló, IP65 védelemmel ellátott panelen, masszív alumínium házban kapott helyet egy további billentyűzet konzol és 12 funkcióbillentyű valamint 10 LED által megvilágított speciális PLC billentyű is. Továbbá található rajta egy vészleállító gomb, 6 megvilágított nyomógomb, Gray-kód kapcsoló (23 pozícióval), és egy inkrementális enkóder. Denis Jeannerat arra a következtetésre jutott, hogy “a kezelőfelület rendkívül kényelmessé teszi a szerszámgép használatát. Számos funkció közvetlenül érhető el, például az elektromechanikus nyomógombokkal intuitív és nagyon egyszerű működtetést tesz lehetővé.”

Nagy hatékonyságú mikro-megmunkálási megoldás

Beckhoff_mikro_5Az intelligens tervezés és a hatékony automatizálás kombinációja nem csak kis helyigényű (kb. 1 m2), kompakt gépet eredményezett, de egyúttal nagy hatékonyságút is. A lecsökkentett mozgatott tömegeknek köszönhetően, mindössze 2 kW teljesítményigény jelentkezik kis alkatrész megmunkálása esetén. Egy hagyományos gépnek 20 kW vagy akár még nagyobb teljesítményre is szüksége lehet. Denis Jeannerat hozzátette: “A kiemelkedő, 0.2 μm-es pályapontossággal – még teljes sebességen is – a 701S 10-szer jobb értéket ér el, mint a hagyományos megmunkálóközpontok. A következő nagy előny a megmunkálási időben elért óriási időmegtakarítás. A munkadarab bonyolultságától függően a hagyományos gépekhez viszonytítva a megmunkálási idő akár harmada-tizede is lehet. Egy réz elektróda megmunkálása a korábbi egy órához képest mindössze 8 percet vesz igénybe.”

További információ

Beckhoff Automation honlapján