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