Durchgängig optimiert

Hochgeschwindigkeitszerspanung auf Basis optimierter Regelungs- und Antriebstechnik

Die Firma Albrecht Röders GmbH & Co. KG aus Soltau ist vor allem im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus welt-weit bekannt. Die Wurzeln des Familienunternehmens, das jetzt in der sechsten Generation besteht, liegen in einer mehr als 200 Jahre alten Zinngießerei. Auch heute noch wird Zinngerät in zeitgemäßem Design hergestellt. Neben den Werkzeugen für die Zinngießerei wurden schon früh Blasformern für die Kunststoffindustrie produziert.

Die renommierte Maschinenbausparte, auf der heute der Schwerpunkt des Unternehmens liegt, ging aus eben diesem Formenbau hervor. Der Grund war, dass die am Markt angebotenen Bearbeitungsmaschinen die hausinternen Anforderungen nach Schnelligkeit, Genauigkeit und Qualität der Oberflächen nicht in dem gewünschten Maße erfüllten. Röders baute also eigene Maschinen mit eigenen Steuerungen, die am Markt bald Aufsehen erregten, und ist nun schon seit fast zehn Jahren etablierter Anbieter von HSC-Fräsmaschinen, die heute im Bereich Formenbau weltweit einen erheblichen Marktanteil stellen.

Das Steuerungskonzept
Die Leistung einer HSC-Maschine wird durch die Steuerung, die Regelung und den mechanischen Aufbau der Maschine bestimmt. Das fängt schon bei der Auflösung der Ist-Positionen an. Die Steuerungen der Röders-Maschinen arbeiten mit einer internen Auflösung von
0,01 µm. Die Maßstäbe an der Maschine zur Erfassung der Ist-Positionen werden in der gleichen Größenordung feininterpoliert. Die Steigung der Kugelrollspindeln ist so ausgelegt, dass auch bei einem hohen dynamischen Vorschub eine hochgenaue Bahn gefahren wird. Die für die Berechnung der Fräsbahnen erforderlichen Look-ahead-Funktionen betragen über 10 000 Frässätze. Damit lässt sich das komplette Beschleunigungs- und Bremsverhalten der Maschinen vorausberechnen.
 Herzstück der Steuerung ist ein selbst entwickeltes Parallelrechnersystem auf PC-Basis. Zwei gekoppelte Maschinen-PCs teilen sich die Arbeit, wobei der eine für die Visualisierung und Anbindung an das CAM-System, der andere für die Echtzeit-CNC-Aufgaben zuständig ist. Aufgrund dieser Hardwarestruktur und der optimierten CNC-Software werden Satzverarbeitungzeiten von 0,1 ms erreicht. Die von dem Braunschweiger Unternehmen Metronix entwickelte Antriebstechnik ist über Sercos an die Steuerung angebunden; spezielle wassergekühlte Motoren bilden die Schnittstelle zur Mechanik.

Die Bahnplanung
Für die Bahnplanung, d. h. die Interpolation der Fräserbahn durch die Stützpunkte, setzt Röders seit Jahren eine selbst optimierte Spline-Interpolation ein. Das Besondere dabei: Die Splines werden nicht nur angenähert, sondern verlaufen exakt durch die Stützpunkte der Fräsbahn. Ein weiterer Punkt, auf den Röders bei der Entwicklung des Verfahrens besonderen Wert gelegt hat, ist die „Glattheit“ der Bahn. Damit ist gemeint, dass die Bahn nur die durch die Stützpunkte vorgegeben Krümmungen und Krümmungsänderungen enthält. Demzufolge haben die HSC-Maschinen von Röders (auch bei gleicher Maschine und gleichem Fräsprogramm) in den letzten Jahren ständig bessere Werkstückoberflächen erzeugt und kürzere Bearbeitungszeiten erreicht.

Der programmierbare Antriebsregler
Die Kopplung von Antriebsverstärker und Steuerung erfolgt über Sercos. Die Verstärker integrieren die antriebsnahen Sicherheitsfunktionen auf Basis eines internen, sich selbst überwachenden Zweiprozessorsystems, das neben dem sicheren Stillsetzen auch eine sicher reduzierte Geschwindigkeit garantiert. Da die Regelungstechnik die Bahngenauigkeit und Dynamik der HSC-Maschine entscheidend bestimmt, setzt Röders beim Regelungskonzept ihrer Maschinen auf Zustands- und nicht, wie andere CNC-Antriebssteuerungshersteller, auf Kaskadenregler. Das hat den Vorteil, dass die Schwächen der Mechanik – dazu gehört
z. B. das Einfedern der Kugelrollspindel bei schnellen Beschleunigungen – kompensiert werden. Außerdem verfahren die Achsen der Röders-Maschinen absolut schleppfehlerfrei, was dazu führt, dass scharfe Kanten am Werkstück auch dann scharfkantig bleiben, wenn die Maschine mit einem hohen Vorschub über sie hinwegfährt – das von anderen Maschinen bekannte Verrunden gibt es bei Röders nicht.
 Die speziellen Röders-Regelungsalgorithmen werden auf die Metronix-Servoregler geladen. Hier übernimmt ein spezieller Digitaler Signalprozessor (APMC, Advanced Performance Motion Controller) die Stromregelung einschließlich der Drehmomentenbildung und der Auswertung der beiden Drehgebersignale. Für die Lage- und Drehzahlregelung, die gesamte Ablaufsteuerung und die Kommunikationsabwicklung über das Sercos-Interface sowie für die Überwachung und Fehlerbehandlung der Antriebssteuerung sorgt ein Paralleler Signalprozessor (SHARC). Auf Basis dieser Software- und Hardwarearchitektur kann der gesamte Antriebsstrang gesamtheitlich optimiert werden. So werden mit einem speziellen Lernprogramm offline die Motorunrundheiten (Rotorlagegeber/Spindel in Bezug auf das Längen- messsystem) vermessen. Bei der Bearbeitung werden diese Werte dann berücksichtigt, um Unlinearitäten auszuregeln.

Fazit
Die schwächste Komponente bestimmt letztendlich die Qualität einer Maschine. Deshalb setzt Röders auf die durchgängige Optimierung von Mechanik, Steuerung und Antriebstechnik im eigenen Hause. Das vermeidet anpassungsbedingte Einschränkungen, die sich ergeben, wenn Teile von verschiedenen Herstellern kombiniert werden müssen. Damit verschafft Röders seinen Kunden einen erheblichen Produktivitätsvorsprung. So gewann die Firma WP Ebner aus Steyr den Australian High Speed Machinig Award mit deutlichem Vorsprung auf der Röders HSC-Maschine RFM760. Sie fräste das 51 HRC harte Wettbewerbsstück in nur 2 Stunden und 54 Minuten aus dem Block.
www.metronix.de, www.roeders.de

Unternehmenshintergrund
Metronix fertigt und entwickelt seit über 20 Jahren innovative Antriebs- und Steuerungstechnik für den Maschinen- und Anlagenbau. Das Produktspektrum reicht von einfachen Servoreglern bis hin zu Hightech-Antriebssystemen. Kundenspezifische Lösungen werden in Teams gemeinsam mit den Anwendern umgesetzt. Die globale Orientierung von Metronix wird durch die Mitgliedschaft im weltweiten Konzernverbund der Cooper Tools unterstrichen.