Kvantumugrás a mikro-megmunkálásban a nyílt, nagysebességű CNC vezérlésnek köszönhetőenA Willemin-Macodel a 701S típusú megmunkálóközpontjával óriási lépést tett előre a kisméretű 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 megmunká-lási idő, igaz, munkadarabtól függően, a tizedére esett.

PC-alapú CNC vezérlés kisméretű alkatrészek gyártásához

cover PC Control 01 | 2014

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 al-

katrészt 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.”

Ennek megfelelően, az alapkoncepció szerint a szerszámgép alapja egy párhuza-

mos kinematikájú delta robot, melynek a munkadarab megfogója három karon

keresztül csatlakozik. A 701S – melyet kisméretű (Ø51 x 32 mm) alkatrészekre

Az alap ötlet: a megmunkálási folyamat során a mozgásokat a kis tömegű alkatrész

végzi a szerszámok helyett.

A svájci Delémont székhelyű Willemin-Macodel kisméretű alkatrészek gyár-

tására 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 kisméretű 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 leg-

jobb 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

PC Control 01 | 2014 cover

fejlesztettek – megmunkálási stratégiája nagy számítási igényű körinterpolációra

épül. A gép futási pontossága jobb, mint 0.2 μm, a hőmérsékletváltozásokra alig

érzékeny és nagyon jó az ismétlési pontossága. A speciális főorsó motor legna-

gyobb 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 din-

amikus 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

A 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 képes-

séggel a különféle kommunikációt és szoftvereket használó alrendszerekkel.

Például elengedhetetlen a kiegészítő robotokkal és anyagmozgató egységekkel

való kommunikáció. Egyfelől előnyös számunkra, hogy a kinematika már inte-

grálva van a TwinCAT automatizálási szoftverbe, másfelől viszont könnyen be

tudjuk vinni a rendszerbe 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 is.

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 össze-

kapcsolható 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 C6920-as beá-

gyazott PC nagyon kompakt, ezért csak kis helyet foglal el a szerszámgép

vezérlőszekrényében.”

A 701S mikro-megmunkáló központ nagyjából 1 m2 helyet foglal el.

A megmunkáló központ egy testreszabott 15 colos érintőképernyővel

rendelkező CP7912 “Economy” vezérlőpanelről működtethető.

cover PC Control 01 | 2014

CNC-specifikus szoftver és felhasználói felület

Eltekintve 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 me-

goldással 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 fela-

dat 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 elter-

jedt terepibusz 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 termi-

nálokon, 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 következ-

tetésre jutott, hogy “a kezelőfelület rendkívül kényelmessé teszi a szerszámgép

használatát. Számos funkció közvetlenül érhető el, például az elektromechanikus

nyomógombokkal, ami intuitív és nagyon egyszerű működtetést tesz lehetővé.”

Nagy hatékonyságú mikro-megmunkálási megoldás

Az intelligens tervezés és a hatékony automatizálás kombinációja nem csak kis

helyigényű (kb. 1 m2), kompakt gépet eredményezett, de egyúttal nagy haté-

konyságút 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 pályapontosság-

gal – 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 viszonyítva a megmunkálási idő akár harmada-tizede is

lehet. Egy réz elektróda megmunkálása a korábbi egy órához képest mindössze

8 percet vesz igénybe.”

Bővebb információ:www.willemin-macodel.comwww.beckhoff.com/CNC

Az EK1100 EtherCAT csatoló a vezérlőegységbe integrálja a számos EtherCAT termi-

nált, mint például a 2 bemeneti csatornával rendelkező ellenállás érzékelők számára

alkalmas EL3202 terminál, és az EL5101 inkrementális enkóder interfész terminál.

Az 1.9 GHz-es Intel® Celeron® processzorral ellátott C6920-as beágyazott PC nagy

számítási kapacitással rendelkezik, ami lehetővé teszi a komplex körinterpolációk

hatékony számítását.

PC Control 01 | 2014 cover