CNC-Glasbearbeitung mit 2-achsigem Spielausgleich setzt neue Maßstäbe
Das 5-achsige horizontale CNC-Bearbeitungszentrum für die Glasbearbeitung ist das Highend-Modell des chinesischen Spezialisten Ge‘en Intelligent Technology. Es nutzt TwinCAT von Beckhoff als offene CNC-Plattform und integriert dort flexible Schnittstellen sowie CAM-Nesting-Software, um einen effizienten und komfortablen Betrieb zu ermöglichen. Durch die Funktion zur Umkehrspielkompensation bei zwei Motoren konnte die dynamische Stabilität bzw. die Steuerungspräzision der C-Achse verbessert sowie die ursprüngliche Struktur mit Direktantrieb kostengünstig ersetzt werden.
Ge‘en Intelligent Technology ist ein Hersteller von intelligenten Glas-Kaltbearbeitungsmaschinen. Das Unternehmen produziert verschiedene Anlagen wie vertikale Bohr- und Fräszentren, vertikale Bearbeitungszentren mit Saugnapf, 3-achsige horizontale Bearbeitungszentren, 5-achsige horizontale Bearbeitungszentren und deren automatische Fertigungslinien. Diese Produkte sind in der glasverarbeitenden Industrie weit verbreitet und wurden in zahlreiche Länder und Regionen der Welt exportiert.
Das 5-achsige horizontale Bearbeitungszentrum AIR 3015.5 ist eine horizontale Highend-CNC-Maschine für die Glasbearbeitung mit drei linearen Achsen (X, Y, Z) und zwei Drehachsen (A, C). Sie ermöglicht eine mehrachsige Simultansteuerung für eine Vielzahl von Glasbearbeitungsvorgängen, einschließlich Bohren, Fräsen, Schleifen, Polieren, Schleifen und Polieren von abgeschrägten Kanten in jedem Winkel sowie präzises Positionieren mit einem Messtaster. Optional können verschiedene Werkzeuge für die spezielle Glasbearbeitung eingesetzt werden. Die Maschine nutzt TwinCAT 3 CNC zur präzisen Steuerung jeder Servoachse und verfügt über eine automatische Werkzeugkompensation, die das Werkzeug während der Bearbeitung ständig nachführt. Eine eigenständig entwickelte Steuerungsschnittstelle sorgt für eine einfache Bedienung, unterstützt die Erkennung von CAD-Grafiken und generiert automatisch optimierte Werkzeugwege, um Effizienz und Qualität der Bearbeitung sicherzustellen.
Hauptfunktionen und -struktur des Bearbeitungszentrums
Das 5-achsige horizontale Bearbeitungszentrum ist eine vielseitige Glasbearbeitungsmaschine, die auch unregelmäßige Glasformen wie z. B. Kreise, Ellipsen und Polygone automatisch bearbeiten kann. Zudem lassen sich abgeschrägte Kanten in jedem beliebigen Winkel schleifen und polieren. Dabei ermöglicht ein Messtaster durch die präzise Erfassung des Werkstücks eine optimale Positionierung und Bearbeitung.
Zu den Bearbeitungsfunktionen zählen:
- Bohren: Mit einem Bohrer können Löcher mit verschiedenen Durchmessern bearbeitet werden
- Fräsen: schnelles und einfaches Fräsen verschiedener Formen
- Anfasen: wahlweise mit einem Bohrer mit einer Anfashülse oder einer Anfasscheibe
- Kantenschleifen: von Innen- und Außenkonturen, einschließlich Sicherheitsecken
- Polieren: von Innen- und Außenkonturen, einschließlich Sicherheitsecken
Für das Bearbeiten abgeschrägter Kanten kann der 5-achsige Bearbeitungskopf automatisch Werkzeuge wie z. B. Diamant-, Harz- und Wollscheiben auswählen, um die Kanten in jedem beliebigen Winkel entsprechend den Prozessanforderungen zu schleifen und zu polieren.
Die Hauptkomponenten der Werkzeugmaschine – z. B. das Maschinenbett, der Querträger, die X-Achsen-Gleitplatte und die Z-Achsen-Gleitplatte – weisen laut Ge‘en Intelligent Technology optimale Strukturen auf, um die Steifigkeit der Maschine zu gewährleisten und Resonanzfrequenzen zu bedämpfen. Die Arbeitsplattform besteht aus Aluminiumprofilen, die mithilfe maßgeschneiderter Formen hergestellt werden. Die linken und rechten Nuten der Aluminiumprofile stellen die Gesamtintegrität und Steifigkeit des Tisches sicher, wodurch die Genauigkeit der Bearbeitung von Glasprodukten garantiert wird.
Die Übertragungsstrukturen der X-, Y- und Z-Achse sind eine Kombination aus hochpräziser Zahnstangenübertragung und Kugelumlaufspindel. Die Y-Achse verwendet eine Gantry-Struktur mit zwei Motoren, um den Querträger synchron vor und zurück auf dem Maschinenbett zu bewegen. Die Maschine ist mit einem festen Werkzeugmagazin mit mehreren Stationen für einen einfachen Werkzeugwechsel ausgestattet.
Spielbeseitigung mit zwei Motoren
Die elektrische Doppelschwingspindel der C-Achse ist eine der wichtigsten Komponenten der Maschine. Bei den A- und C-Doppelschwingspindeln handelt es sich um elektrische Hochgeschwindigkeitsspindeln mit zentralem Wasserauslass. Die A- und C-Achsen verwenden Zahnriemen- bzw. Zahnkranzgetriebe, um eine Drehbewegung zu erreichen. Präzisionsgetriebe und die Struktur zur Eliminierung des doppelten Getriebespiels verhindern das Spiel in der Bewegung und gewährleisten so eine hohe Bearbeitungsqualität von unregelmäßigen Formen und gekrümmten Oberflächen.
Aufgrund der großen strukturellen Belastung des Schwenkkopfes bewegen zwei Motoren der antreibenden C-Achse über entsprechende Ritzel ein großes peripheres Ringrad. Dazwischen ist ein Planetengetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von 200 angeordnet. Durch die Spielausgleichsfunktion der beiden Motoren lässt sich jedoch das mechanische Spiel bei Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen der Achsen C1 und C2 stark reduzieren. Nach ausführlichen Tests liegt das endgültige Spiel bei etwa 0,01 mm.
Dieser Software-Funktionsblock stellt eine mechanische Vorspannung zwischen dem Master- und dem Slave-Motor im Zweimotorenantriebssystem her. Durch die PID-Anpassung optimiert er die dynamischen Reaktionscharakteristiken der gesamten Steuerungsfunktion, wodurch das mechanische Übertragungsspiel eliminiert, die Systemsteifigkeit erhöht und die Betriebsstabilität verbessert wird.
Universelle Steuerungsplattform und Servoregelung
Als Steuerungshardware der Maschine werden ein kostengünstiger und klein bauender Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6015, EtherCAT-I/Os und Servoverstärker der Reihe AX5000 von Beckhoff eingesetzt. Softwareseitig wird die Software TwinCAT 3 CNC verwendet. Die Steuerung übernimmt die Standardversion der CNC-Software, bestehend aus einem CNC-Kanal und acht interpolierten Achsen. Das System bietet eine Funktion zur Kompensation des Werkzeugverschleißes, die feste oder dynamische Kompensationseinstellungen ermöglicht und so den durch längeren Werkzeugeinsatz entstehenden Verschleiß kompensiert und die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert. Die zweimotorige C-Achse wird vom Servoverstärker AX5203 angesteuert und verfügt über eine Ausgleichsfunktion für das Umkehrspiel der beiden Motoren. Dies stellt eine schnelle Reaktion und hohe Wiederholgenauigkeit der Positionierung während des Bearbeitungsprozesses sicher.
Die Benutzeroberfläche wurde in der Programmiersprache C# programmiert. Die Verwaltung der Glasbearbeitungsrezepte, die manuelle Bedienung, die Online-Überwachung der Hardware und andere Funktionen sind über die ADS-Kommunikation in eine einzige Plattform integriert, was eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Interaktion und die komfortable Prozessprogrammierung ermöglicht. Verschiedene Verarbeitungsmodi ermöglichen einen eigenständigen Betrieb oder die Integration in ein automatisches Be- und Entladesystem für eine automatisierte Verarbeitung.