Neuer Ansatz

Steuerungstechnik

Steuerungskonzept – Die Technische Universität Wien entwickelt eine hochdynamische dreiachsige Bearbeitungsmaschine mit außerordentlicher Steifigkeit, hoher Energieeffizienz und geringem Platzbedarf. Eine entscheidende Rolle bei der Innovation spielt die Steuerungs- und Kommunikationstechnik.

09. April 2010

Warum sollten Werkzeugmaschinen immer gleich aufgebaut sein, nur weil sich das seit Jahrzehnten bewährt hat? Diese Frage stellte sich das Team von Prof. Friedrich Bleicher im Labor für Fertigungstechnik am Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik der Technischen Universität Wien. Eine Antwort auf diese Frage heißt X-Cut und ist eine Maschine, deren Hauptspindel sich innerhalb des zur Verfügung stehenden Raumes in zwei Achsen völlig frei bewegen und positionieren lässt. Eine dritte und eventuell vierte Achse können durch Längsbewegung des Werkzeugträgers auf der Spindel beziehungsweise durch Verfahren des Werkstückträgers hinzukommen.

Neue Wege im Maschinenbau

Das namensgebende X kommt von der hochgradigen Parallelkinematik mit dem Parallelitätsgrad 2 zur Positionierung der Spindel. Diese befindet sich an der Spitze eines Dreiecks, gebildet aus zwei Schwingen, deren andere Enden auf einer gemeinsamen Bahn parallel und gegenläufig bewegt werden und so die Spindel in x- und y-Richtung verschieben. Dieser Aufbau hat gegenüber klassischen Ansätzen vier Vorteile: Zum einen ist die Bautiefe der Maschine aufgrund der senkrechten Laufbahnen für die Schwingen sehr gering. Zum anderen ist die Steifigkeit in z-Richtung konstruktiv bedingt sehr hoch. Drittens kann auch die Steifigkeit in x- und y-Richtung durch unabhängiges Verfahren und quasi Verkeilen der beiden Dreiecke bewusst gesteuert und gesteigert werden. Zudem sind, im Vergleich zu Maschinen mit kartesischer Achsanordnung, durch die kinematischen Übersetzungen Beschleunigungswerte bis knapp an 2 g möglich.

Komplexe Steuerung

Die Steuerung der Parallelkinematik des XCut ist daher eine Aufgabe, die über die sequenzielle Programmierung einzelner Bewegungsschritte weit hinausgeht. »Besser als lineare Achsenbewegungen zu programmieren, ist, das mathematische Modell der kinematischen Transformation zu verwenden und dieses für alle erforderlichen Bahnkorrekturen zu verwenden«, sagt Falko Puschitz, Projektleiter für Mechatronik am Labor. »Unter anderem fiel deshalb für die Automatisierungstechnik unsere Wahl auf B&R, denn in der Entwicklungsumgebung Automation Studio kann der Entwickler diese Transformationen selbst programmieren. Ein weiterer Beweggrund für die Entscheidung ist die vollständig durchgängige Automatisierungslösung«, ergänzt Puschitz. »Von der CPU bis zu den Motoren ist alles aus einer Hand und aufeinander abgestimmt. Wir müssen uns nicht um die Kommunikation zwischen den Komponenten kümmern und haben nur einen Ansprechpartner.«

Alles auf einer Leitung

Die benötigte Verarbeitungsleistung liefert ein APC 620. Der anpassungsfähige und durch lüfter- und festplattenlose Bauweise sehr robuste Industrie PC ist via Powerlink mit den Schnittstellenmodulen der X20-Serie verbunden. Die X20-Module werden für die Schaltbefehle der Maschine benötigt. Zwar sind noch keine Schutzeinrichtungen an der Maschine, aber auch diese können mit Safe-I/O-Komponenten von B&R in die Reihe der X20-Module eingefügt und mit dem Safe Designer in derselben Entwicklungsumgebung programmiert werden.

»Die interne Vernetzung über Powerlink bewährt sich in mehrfacher Hinsicht«, so Puschitz. »Nicht nur ist der Verkabelungsaufwand minimal und der Platzbedarf im Schaltschrank gering, die hohe Dynamik und Präzision der Parallelkinematik machen einen hohen Datendurchsatz erforderlich, zumal auch Rückmeldungen und Diagnosedaten über dieselbe Leitung laufen.«

Ebenso sind die Antriebskomponenten der Serie Acopos Multi über Powerlink mit der CPU verbunden. Kompakt und leistungsstark bieten die Servoverstärker durch ihre Eigenintelligenz Zugriff auf die umfangreichen Diagnose- und Sicherheitsfunktionen.

Die Durchgängigkeit der Automatisierungslösung reicht bis zu den Motoren. Die fünf Drehstrommotoren des Types 8LS mit 31,6 Newtonmeter Nominalmoment und 36,4 Newtonmeter Stillstandsmoment sind permanenterregte, elektronisch kommutierte Synchronmotoren für Applikationen mit hohen Anforderungen an Dynamik und Positioniergenauigkeit bei gleichzeitig geringem Bauvolumen und Gewicht.

Erfolgte die Bedienung der Maschine in der Entwicklungsphase über ein Automation Panel 900, so stellte B&R der TU Mitte 2009 ein für Fräsbearbeitungszentren entwickeltes CNC-Panel samt Handbediengerät zur Verfügung. Ausgestattet mit spezifischen Bedienfunktionen für die CNC-Bearbeitung ist es speziell auf die offene Bedienoberfläche CNC-Sample abgestimmt, jedoch ebenso für die Programmierung eigener Visualisierungen durch den Kunden geeignet.

Andreas Enzenbach, B&R/csc

Erschienen in Ausgabe: 02/2010