Als Hersteller von Mehrspindel-Drehautomaten haben wir uns bereits vor einiger Zeit gefragt, wie wir unsere Kunden bei dieser täglichen und konkreten Herausforderung unterstützen können.
War noch vor einigen Jahren die konstante Präzision der mechanischen Kurve die einzig mögliche Antwort, bietet die Industrieautomatisierung heute eine erfolgreiche Alternative: die Flexibilität der elektronischen Kurve.
Gemeinsam mit einem unserer Kunden sind wir der Sache auf den Grund gegangen und haben eine maßgeschneiderte Lösung entwickelt. Es war eine Zusammenarbeit, die beiden Seiten einen kleinen, aber wichtigen Meilenstein eingebracht hat: Einerseits hat seine Fertigung einen Qualitätssprung gemacht; andererseits haben wir bei AXIS eine neue Ressource entwickelt, um denjenigen, die sich für eine Zusammenarbeit mit uns entscheiden, bestmöglich zur Seite zu stehen.
Bevor wir Ihnen dieses Projekt vorstellen, beginnen wir mit den Grundlagen: In diesem ersten Artikel vergleichen wir die Funktionsweise und die Grenzen der mechanischen Kurve mit denen der elektronischen Kurve. Wir geben Ihnen das Rüstzeug an die Hand, um zu verstehen, wann die eine der anderen vorzuziehen ist und wann die beste Wahl darin besteht, beide in Synergie arbeiten zu lassen.
Bei einem Mehrspindel-Drehautomaten entspricht der für die Herstellung eines Werkstücks erforderliche Arbeitszyklus einer 360°-Drehung der Kurvenwellen. Die Synchronisation aller vorgesehenen Bearbeitungen in den 6 oder 8 Arbeitsstationen der Trommel wird durch dieses kinematische System koordiniert. Es wandelt die konstante Drehbewegung der Wellen in geradlinige Bewegungen der Werkzeugschlitten und somit der darauf montierten Werkzeuge um.
Die Wirkrichtungen der Werkzeuge sind in diesem Fall zweierlei:
- Radialkurven: Sie bewegen die Werkzeuge senkrecht zur Werkstückachse und führen die Außen- und Trennbearbeitungen aus (wie das Plandrehen und Abstechen).
- Axialkurven: Sie bewegen die Werkzeuge parallel zur Werkstückachse und steuern die Frontal- und Einsenkbearbeitungen (wie das Bohren und Längsdrehen).
Da jeder Schlitten von einer spezifischen, dedizierten Kurve gesteuert wird, nimmt jedes Werkzeug für jeden einzelnen Wert oder Gradbereich während des Arbeitszyklus eine definierte und unabhängige lineare Position ein. Infolgedessen führen verschiedene Schlitten bei demselben Drehwinkel der Steuerwelle unabhängige Bearbeitungen aus – jeder mit seinem spezifischen Verfahrweg und seiner eigenen Vorschubgeschwindigkeit. Diese Unabhängigkeit ermöglicht es, die Taktzeiten zu optimieren, indem die Bewegung jedes einzelnen Werkzeugs perfekt an die spezifische Bearbeitung der jeweiligen Station angepasst wird.
Gerade durch diese Gleichzeitigkeit der Aktionen wird die finale Taktzeit für die Herstellung des Werkstücks ausschließlich durch die längste Bearbeitung unter den in den 6 oder 8 Stationen vorgesehenen Operationen bestimmt. Die Dauer aller anderen Operationen wird, da sie parallel ablaufen, vollständig von der langsamsten Operation überdeckt.
Es ist wichtig zu betonen, dass in dieser 360°-Drehung auch die sogenannte Nebenzeit enthalten ist: Ein Teil der Zyklusgrade wird nämlich genutzt, um die Schlitten im Eilgang zurückzuziehen, die Spindeltrommel weiterzuschalten, um die Spindeln zur nächsten Arbeitsstation zu bewegen, und sie für den Beginn des nächsten Zyklus in Position zu verriegeln.
Um die Prozessdynamik prägnant zusammenzufassen: Bei jeder Trommelschaltung wird das Stangenmaterial in der ersten Station vorgeschoben, um in den Arbeitsbereich einzutreten und bearbeitet zu werden, während in der letzten Station das fertiggestellte Werkstück abgestochen und aus dem Drehautomaten ausgeworfen wird. In der Zwischenzeit wird der Durchmesser der Stange in den Zwischenstationen schrittweise bearbeitet.
Doch wie wird aus der einfachen Drehbewegung einer Welle eine so komplexe, präzise und repetitive Abfolge linearer geometrischer Bewegungen der Schlitten? Dank der mechanischen Kurve.
Konstruktiv betrachtet ist die mechanische Kurve eine flache Stahlscheibe mit einem asymmetrischen Profil, die mit Anstiegsrampen, Abschnitten mit konstantem Radius und Abstiegsrampen versehen ist. Diese Komponente wird direkt auf die Steuerwellen (sowohl radial als auch axial) aufgekeilt, die für jede einzelne Arbeitsposition eine spezifische Kurve tragen und sich in perfekter Synchronität drehen.
Während der Drehung der Welle dient das Außenprofil jeder fest mit ihr verbundenen Kurve als Laufbahn für die Rolle eines Hebels. Dessen Schub mündet in die Linearbewegung des Werkzeugschlittens, wodurch die Umwandlung der Drehbewegung in eine geradlinige Arbeitsbewegung vollzogen wird.
Der perfekte kinematische Synchronismus dieses Mechanismus stellt eine intrinsische Kollisionssicherheit dar: Die direkte mechanische Kopplung zwischen den Wellen und den Kurvenprofilen garantiert eine konstante, starre und unveränderliche Koordination zwischen den verschiedenen Schlitten.
Trotz dieser mechanischen Präzision zeigt sich die Hauptgrenze des Systems jedoch beim Produktwechsel. Ändert sich die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks, muss der Dreautomat neu eingerichtet werden, indem die Kurvenscheiben teilweise oder vollständig ausgetauscht werden, um Hübe und Bewegungen anzupassen. Dieser Eingriff, der manuell von einem Einrichter durchgeführt wird, führt zu langen Maschinenstillstandszeiten, welche die Flexibilität des Unternehmens verringern – insbesondere bei der Verwaltung kleiner Losgrößen.
In diesem Kontext wird die Automatisierung durch die elektronische Kurve zu einer grundlegenden Ressource.
Ihre Funktionsweise basiert auf der synergistischen Beziehung zwischen zwei grundlegenden Elementen, die von einer SPS gesteuert werden: dem Master (Leitachse) und dem Slave (Folgeachse).
Der Master repräsentiert die unabhängige Variable, d. h. den absoluten Referenzpunkt, auf den sich das gesamte System synchronisiert. Der Slave ist die abhängige Variable, deren kinematischer Zustand (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung) in jedem Moment in Abhängigkeit vom Zustand des Masters berechnet wird.
Das mathematische Gesetz, das diese Beziehung steuert, lautet:
Um dieses Konzept auf die Realität eines Mehrspindel-Drehautomaten zu übertragen, denken wir an die Bewegung der Werkzeugschlitten: Der Master ist eine Drehachse, die den gesamten Maschinenzyklus (360°) repräsentiert. Die reale Position der Hauptmechanikwelle der Maschine wird in jedem Moment von einem Drehgeber (Encoder) erfasst und in ein digitales Signal übersetzt. Der Slave ist hingegen der Werkzeugschlitten, der von einem unabhängigen Motor angetrieben wird und sich vor und zurück bewegt, indem er getreu dem im Softwareprogramm hinterlegten geometrischen Profil der elektronischen Kurve folgt. Wendet man dieses Prinzip auf mehrere Arbeitsstationen an, bleiben die Schlitten untereinander perfekt synchronisiert, da sie sich alle auf exakt denselben digitalen Master beziehen.
Zusammengefasst: Die elektronische Kurve ersetzt die mechanische Kopplung durch eine Software-Kopplung und bildet über den Code mit absoluter mathematischer Präzision die Aktion nach, die ein Stahlprofil physisch ausführen würde.
Diese Digitalisierung der Bewegung ist nicht nur ein theoretisches Konzept, sondern sie definiert die Produktionseffizienz neu und bewahrt gleichzeitig die traditionelle Bedienungsweise.
Bei vollständig mechanischen Maschinen kann der Einrichter die Maschine langsam von Hand über ein mechanisches Handrad drehen, das mit der Hauptwelle verbunden ist, um die Bewegungen visuell zu überprüfen, kritische Durchlaufpunkte zu kontrollieren und sicherzustellen, dass die Werkzeuge nicht kollidieren. Der enorme Vorteil der elektronischen Kurve liegt in der Fähigkeit, sich perfekt in diese Betriebsweise zu integrieren: Wenn der Bediener das Handrad betätigt, um die Maschine manuell zu bewegen, erkennt die elektronische Achse die Bewegung der Hauptwelle (Master) und wird entsprechend aktiv. Unter strikter Einhaltung ihres Bewegungsgesetzes fährt dieser „Slave“-Schlitten in perfekter Synchronität mit der traditionellen Mechanik vor oder zurück – exakt so, als würde er von einem physischen Stahlprofil bewegt. Das Ergebnis ist eine totale Koordination zwischen den Komponenten, die jegliches Kollisionsrisiko in der Einstell- und Prüfphase an der Wurzel eliminiert.
Sobald das Bewegungsrezept einer Kurve definiert und ihr korrekter Betrieb überprüft ist, erfordert das Umrüsten ihrer Positionen zudem keinerlei manuellen Eingriff mehr. Um auf ein neues Werkstück zu wechseln, reicht es aus, das Rezept oder den Rezeptsatz direkt am Bediengerät (HMI) auszuwählen. Der physische Austausch und das Einrichten der mechanischen Kurven werden somit durch einen augenblicklichen digitalen Formatwechsel ersetzt. Die Integration der elektronischen Kurve an den strategischsten Punkten der Maschine verändert somit die Fertigungseffizienz radikal, indem sie die Rüstzeit signifikant reduziert: eine drastische Reduzierung der Nebenzeiten, die eine hohe Flexibilität garantiert – ideal auch für kleinere Losgrößen.
Dieser hybride Ansatz, der auf lokal eingesetzten elektronischen Kurven basiert, bietet darüber hinaus einen deutlichen Vorteil gegenüber der Integration herkömmlicher CNC-Schlitten an denselben Positionen. Im Falle eines Zyklusstopps würde eine konventionelle CNC-Achse nämlich ihre kinematische Referenz verlieren und eine Referenzfahrprozedur erfordern. Im Gegensatz dazu bleibt die elektronische Kurve konstant an die mechanischen Steuerwellen gebunden und synchronisiert: Unabhängig von Pausen oder abrupten Stopps kennt der Slave immer die exakte Position des Masters, was die Wiederanlaufzeiten auf Null reduziert. Man erhält so die für die numerische Steuerung typische geometrische Präzision – garantiert durch Brushless-Motoren und Kugelumlaufspindel – kombiniert mit einer Technologie, die sich nahtlos in die Eigenkinematik des mechanischen Drehautomaten einfügt.
Nachdem die Grundlagen geklärt sind, werden wir im nächsten Artikel direkt in das Projekt einsteigen: Wir stellen Ihnen unsere erste Anwendung einer speziellen elektronischen Kurve vor, die für die Nachbearbeitung entwickelt wurde.
Unter diesem Link finden Sie eine kurze Videovorschau, die zeigt, wie die Bewegungen der beiden elektronischen Kurven mithilfe des Handrads langsam analysiert werden:
https://youtube.com/shorts/jVkGSquIUXE
Bleiben Sie dran!
