Ein Fünf-Achsen-Prozess, 10 Automatisierungselemente

Bei der neuen Fünf-Achs-Maschine mit Sechs-Stationen-Palettenpool und Palettenbeladesystem von Phoenix Proto (dasselbe gilt für eine seiner ähnlich ausgestatteten Drei-Achs-Maschinen) wird die Automatisierung auch für das ungeübte Auge sichtbar. Allerdings gibt es noch andere, vielleicht subtilere Elemente der Automatisierung, die den fünfachsigen Prozess des Shops ausmachen. Tatsächlich sind es diese Elemente, die es dem Prozess ermöglichen, wiederholt die Toleranzen und Oberflächengüten zu erzielen, die für die Aluminiumformkomponenten der Werkstatt erforderlich sind, während sie sich mit minimalem oder gar keinem menschlichen Eingriff an die inhärenten Variablen anpassen, die die Bearbeitungspräzision und den Durchsatz beeinträchtigen können. P>

Dieser Punkt zum Durchsatz ist wichtig, da das Ziel der Werkstatt in Centreville, Michigan, darin besteht, den Kunden innerhalb von drei Wochen montierte Aluminiumformen zur Verfügung zu stellen, so dass eine schnelle Lieferung von qualitativ hochwertigen, bearbeiteten Werkzeugkomponenten unerlässlich ist.

Bob Lammon, Präsident des Unternehmens, sagt, dass Aluminium weiterhin häufig zur Herstellung von Prototypen und „Brücken“-Werkzeugen verwendet wird (Formen, die vorübergehend verwendet werden, damit ein Unternehmen mit dem Spritzgießen von Kunststoffteilen für neue Produkte beginnen kann, während es auf die Fertigstellung der Stahlproduktionswerkzeuge wartet). Er sieht jedoch ein zunehmendes Interesse an Aluminiumformen, die anstelle von traditionellen Stahlformen für die Produktion verwendet werden.

„Je nach Geometrie und Harz des Spritzgussteils sind 50.000 Schüsse aus einer unbeschichteten Aluminiumform möglich“, erklärt Herr Lammon. „In einigen Fällen reicht dies möglicherweise aus, um die Produktionsanforderungen zu erfüllen. Durch das Härten von Aluminiumformen auf 54 HRC mit einer Technologie wie dem von uns verwendeten Nibore-Hartnickelbeschichtungsverfahren ist es jedoch möglich, 1 Million oder mehr Schüsse für ein nicht abrasives Harz und vielleicht 250.000 für ein abrasives glasgefülltes Harz zu erhalten .“

Die Anwendungen für die in der Werkstatt hergestellten Formen sind breit gefächert, darunter Teile für die Haushaltsgeräte-, Automobil-, Konsumgüter-, Medizin- und Schusswaffenindustrie. Dies führt zu einer hohen Mischung von Formgrößen, Merkmalen und Geometrien, die der Bearbeitungsbereich in kurzer Zeit aufnehmen muss. Herr Lammon sagt, die natürliche Lösung schien die Automatisierung eines Hochgeschwindigkeits-Fünf-Achsen-Bearbeitungsprozesses zu sein, um lange Strecken unbeaufsichtigter Produktion ohne Beleuchtung für die komplexesten Formkomponenten zu erzielen. Dies ist ihm bewusst, wie ich kürzlich bei einem Besuch im Geschäft in Michigan erfahren habe.

Automatisierungsergänzungen

Phoenix Proto verfügt über drei Hochgeschwindigkeitsmaschinen und drei konventionelle CNC-Maschinen. Das erste automatisierte Bearbeitungszentrum, das der Werkstatt hinzugefügt wurde, war eine Roeders RXP500 Dreiachsenmaschine, die 2012 gekauft wurde. Diese Linearmotormaschine mit 42.000 U/min verfügt über ein RCE 1-Palettenwechselsystem mit einem Palettenpool mit sechs Stationen. Es wird jetzt hauptsächlich für die Bearbeitung von Komponenten wie Formaufbauten und Kavitätenblöcken verwendet.

Heute wird fast die gesamte Bearbeitung von Formkavitäten und Kernen auf dem neuen fünfachsigen Roeders RXP601DSH mit größerem Palettenwechselsystem RCE 2 durchgeführt. Diese erste und (zumindest vorerst) einzige Fünfachsenmaschine der Werkstatt wurde Anfang 2016 installiert. Wie die Hochgeschwindigkeits-Dreiachsen-Roeders verfügt auch sie über eine 42.000-U/min-Spindel und Linearmotorantriebe mit 1-Nanometer-Auflösung. Linearmotoren sind der Schlüssel für schnelle Bewegungen und ermöglichen schnelle Verfahrgeschwindigkeiten von 2.362 ipm. Sie bieten auch weniger Reibung als Kugelumlaufspindeln, was zu einem geringeren Stromverbrauch führt.

Die Fünf-Achsen-Maschine mit einem Bearbeitungsraum von 21,3 x 25 x 15,7 Zoll und einem maximalen Werkstückgewicht von 440 Pfund verfügt über ein zapfenförmiges Design mit einem Schwenkbereich der A-Achse von ±115 Grad. Die andere Drehbewegung wird durch den C-Achsen-Plattenteller auf dem Zapfen bereitgestellt. Laut Matt Byers, Präsident von Roeders of America, ist das Zapfendesign, bei dem die Spindel keine Rotationsachsenbewegung bietet, tendenziell steifer als alternative fünfachsige Maschinenplattformen, um schwere Schnitte zu ermöglichen. Darüber hinaus hält der niedrige Schwerpunkt des Werkstücks die Trägheitskräfte niedrig, um Kipp- oder Neigeeffekte während der Hochgeschwindigkeitsbewegung zu mildern.

Herr Byers glaubt auch, dass die proprietäre Steuerungstechnologie der Maschine Vorteile für die Art des Hochgeschwindigkeitsfräsens bietet, die Phoenix Proto durchführt. Zwei wichtige Parameter zum Ermöglichen eines effektiven Hochgeschwindigkeitsfräsens sind Vorausschau und Blockverarbeitungsgeschwindigkeit. Die PC-basierte RMS6-CNC der Maschine bietet 10.000-Block-Lookahead und eine Blockverarbeitungsgeschwindigkeit von 0,1 Millisekunden.

Der hohe Durchsatz, der durch die schnellen Zykluszeiten der Maschine mit Hochgeschwindigkeitsbearbeitungstechniken ermöglicht wird, wird durch alle Elemente der Automatisierung ergänzt, die in diesen Prozess integriert sind. Hier sind 10 Automatisierungselemente, die mir bei meinem Besuch aufgefallen sind:

1. Ladesystem und Palettenpool

Das automatische Palettenwechselsystem RCE 2 der Fünfachsmaschine verfügt über einen Palettenpool mit sechs Stationen, obwohl die Werkstatt manchmal mehr als ein Teil auf einer Palette befestigt. Jede Palette misst 23,6 x 15,7 Zoll.

Auf Wunsch von Phoenix Proto wurde der Greifer des Ladesystems modifiziert. Ursprünglich durfte kein Teil über die Kanten der Palette hinausragen. Indem der Greifer so modifiziert wurde, dass er von der Unterseite der Palette aufnimmt, kann das System jetzt größere Werkstücke laden. Jetzt wird die Teilegröße nur durch die Maschinenkapazität begrenzt, nicht durch den Lader.

Das Geschäft verwendet die Auftragsverwaltungssoftware von Roeders, um Aufträge zu planen und zu verwalten. Es wird versucht, lange Schichten über Nacht und am Wochenende zu planen, derzeit läuft eine 12-Stunden-Schicht an fünf Tagen pro Woche. Alternativ versucht es sicherzustellen, dass genügend Aufträge mit kürzerer Laufzeit eingerichtet sind, damit die Maschine selbstständig beschäftigt bleiben kann.

2. Maschine

Die Fünf-Achs-Bearbeitung ist selbst eine Form der Automatisierung. Es gibt zwei Arten von fünfachsigen Prozessen:Konturieren und Positionieren (auch bekannt als „3+2“). Phoenix Proto führt auf dieser Maschine 75 Prozent der Zeit eine 3+2-Positionierung durch. Dazu kippt die Maschine das Werkstück mit ihren beiden zusätzlichen Drehachsen nur winklig und arretiert es dann in dieser Position. Danach führt es in dieser Ausrichtung eine dreiachsige Operation aus. Ein Vorteil ist, dass dies dem Werkzeug Zugang zu fünf Seiten eines Teils in einer Aufspannung bietet. Dies minimiert die Anzahl der Rüstvorgänge, die Anzahl der Maschinen, die ein Teil sonst möglicherweise durchlaufen müsste, und somit die Anzahl der Male, die ein Teil während der Produktion „angefasst“ wird (d. h. es ist „Automatisierung“).

Die Teileneigung über 3+2 ermöglicht es Werkzeugen auch, weit in Teile einzugreifen, um knifflige Formmerkmale wie tiefe Rippen zu erzeugen. In einigen Fällen hat dies sekundäre Senkerodieroperationen und die damit verbundene Notwendigkeit, Elektroden zu bearbeiten, eliminiert. Außerdem haben die verwendeten Schrumpf-Werkzeughalter kleinere Durchmesser als Ausführungen mit Spannzangen, um zusätzlichen Spielraum zu schaffen.

Mit 3+2 kann die Werkstatt auch kürzere, steifere Messer verwenden. Mit kürzeren Werkzeugen können schnellere, aggressivere Schnitte durchgeführt werden, ohne dass die Gefahr von Vibrationen oder Rattern besteht, die auftreten können, wenn längere Werkzeuge erforderlich sind. Vibrationen und Rattern können zu schlechten Oberflächengüten führen, was im Fall von Phoenix Proto mehr manuelle Werkbankarbeit für Formkomponenten oder sogar sekundäre EDM-Arbeiten erfordern würde, um hochwertige Oberflächen zu erzielen, was die Gesamtproduktionszeit verlängert. Die Werkstatt ist auch in der Lage, verbesserte Standzeiten für Schaftfräser mit Kugelkopf zu realisieren, da, wenn Teile in unterschiedlichen Winkeln geneigt sind, mehr Radius des Werkzeugs genutzt werden kann, nicht nur die Spitze. Die Bearbeitung anderer Bereiche des Radius und nicht der Spitze (der Punkt, an dem die Drehzahl Null ist) führt ebenfalls zu besseren Oberflächengüten.

3. Tastendes Antasten

Nachdem ein neues Teil in die Maschine geladen wurde, identifiziert eine automatische Messroutine mit einem schaltenden Messtaster die Position mehrerer Punkte auf dem Teil oder der Werkstückhaltevorrichtung, um die genaue Position des Teils auf der Maschine zu ermitteln. Die CNC der Maschine passt dann automatisch das native Arbeitskoordinatensystem an. Dadurch entfällt das manuelle Ausgleichen, Anstoßen des Teils und andere zeitaufwändige Aufgaben, die ansonsten erforderlich wären, um das Teil zu nivellieren und auszurichten, damit es perfekt mit dem Koordinatensystem der Maschine übereinstimmt.

4. Automatischer Kalibrierzyklus

Die fünfachsige Maschine hat verschiedene Kühlkanäle in ihrer Basis, Schienen, Schlitten usw., damit sich diese Komponenten nicht aufgrund interner Wärmequellen ausdehnen. Zur Anpassung an Schwankungen der Umgebungstemperatur in einem Geschäft (z. B. von Tagesbeginn bis Tagesende) kann jedoch ein automatischer Kalibrierzyklus mit dem schaltenden Messtaster durchgeführt werden.

Der Kalibrierzyklus von Roeders wird anders durchgeführt als die Prozesse der meisten anderen Werkzeugmaschinenhersteller, erklärt Herr Byers. Er sagt, dass diese Zyklen normalerweise erfordern, dass die aktuell in die Maschine geladene Palette entfernt und durch eine andere Palette mit einer Werkzeugkugel ersetzt wird. Diese Kugel wird dann sondiert, um zu bestimmen, inwieweit sich ihre Position aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur in der Werkstatt verändert hat. Umgekehrt muss beim Röders-Zyklus die vorhandene Palette mit Werkstück nicht entfernt werden. Die Maschine verfügt über präzisionsgeschliffene Prismen an ihrem Zapfenarm-Gussteil und dem C-Achsen-Motorgussteil, die sondiert werden, um Positionsänderungen festzustellen und diese Änderungen bei Bedarf automatisch zu kompensieren. Phoenix Proto führt diese Kalibrierungsroutine einmal im Monat durch, es sei denn, es wird ein Problem festgestellt, und führt sie manchmal vor einem kritischen Enddurchgang durch.

5. Kompensation des Spindelwachstums

Herr Byers sagt, dass einige Werkzeugmaschinenhersteller Algorithmen für jede Maschine erstellen, bevor sie an einen Kunden geliefert wird, um zu schätzen, wie stark sich ihre Spindel bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Laufzeiten ausdehnt. Allerdings sei es im Grunde unmöglich, alle unterschiedlichen Nutzungsarten der Maschine von einem Tag auf den anderen zu berücksichtigen. Die fünfachsige Maschine von Phoenix Proto verfügt über ein optionales automatisches Spindelkompensationssystem, um sich in Echtzeit an die Spindelausdehnung (oder -kontraktion) anzupassen. Das System verwendet einen berührungslosen Sensor, der an einem L-förmigen Arm befestigt ist, der in der Nähe der Spindelfläche positioniert ist (siehe Foto in der Diashow oben). Der Sensor mit Nanometerauflösung erkennt, wie stark sich die Spindel während des Betriebs ausdehnt oder zusammenzieht, und gibt diese Informationen an die CNC zurück, um die Z-Achse zum Ausgleich nach oben oder unten zu verstellen. Dies ist besonders wichtig für Fünf-Achsen-Operationen, denn wenn ein Teil geneigt ist, kann das Spindelwachstum die Position der Werkzeugspitze in allen drei Linearachsen beeinflussen, nicht nur in Z. Die automatische Kompensation trägt dazu bei, gute, konsistente Oberflächengüten und Übergänge sicherzustellen.

6. Laserwerkzeugeinstellung auf der Maschine

Nach jedem Werkzeugwechsel werden Länge und Durchmesser des neuen Werkzeugs automatisch mit dem maschineninternen Blum-Laser-Werkzeugmesstaster gemessen. (Sowohl der Lasertaster als auch die Kalibrierkugel des Tastsystems befinden sich außerhalb des Bearbeitungsraumes im Werkzeugwechsler und sind somit vor Spänen und Kühlmittel geschützt.) Die Werkstatt gibt für jeden Werkzeugdurchmesser ein Toleranzband vor. Wenn der Messtaster erkennt, dass der Durchmesser eines Werkzeugs außerhalb der Toleranz liegt, lässt er keine Bearbeitung mit diesem Werkzeug zu. Wenn beispielsweise ein 0,250-Zoll-Kugelkopffräser um ±0,0002 zu groß oder zu klein ist, wird er nicht verwendet. Dies gilt auch für die Länge des Messers.

Zuvor stellt der Laser fest, ob das auszutauschende Werkzeug gebrochen ist. Wenn das Werkzeug defekt ist, aber für nachfolgende Jobs in der Warteschlange im Palettenpool verwendet werden soll, wird die Produktion für diese Jobs nicht gestoppt. „Wenn zum Beispiel festgestellt wird, dass das Werkzeug in ATC-Position fünf gebrochen ist, entfernt die Maschine das Teil, in dem dieses Werkzeug gebrochen war, lädt den nächsten geplanten Job und führt diesen Job aus, bis er das Stadium erreicht, in dem das Werkzeug in Station fünf ist zum Einsatz kommen würden“, erklärt Mr. Lammons Sohn Scott, Betriebsleiter des Unternehmens und einer von zweien, die die fünfachsige Maschine programmieren und einrichten. „Dann würde die Maschine dieses Teil entfernen und mit dem nächsten Auftrag in der Warteschlange fortfahren. Dieser Prozess würde für jeden geladenen Job fortgesetzt.“

7. Kühlmitteldüseneinstellung

Anstatt nur herkömmliche flexible Kühlmitteldüsen zu verwenden, die manuell positioniert werden müssen, verfügt die fünfachsige Maschine über ein Kühlmittelzufuhrsystem, das die Richtung des Kühlmittelstrahls automatisch an den Schnittpunkt anpasst, unabhängig davon, wie lang das Werkzeug ist. Die Richtung der Düsen wird über einen M-Code angepasst, basierend auf der bekannten Länge des nächsten Werkzeugs, das in der Spindel installiert wird.

8. Auto-Tilt-Programmierfunktion

Chris Claar ist Engineering Manager bei Phoenix Proto, der auch die fünfachsige Maschine programmiert und einrichtet. Er sagt, dass das Geschäft 2010 eine Zeitstudie durchgeführt hat, in der es seine frühere CAD/CAM-Software mit der Cimatron-Software verglichen hat. „Wir sind zu Cimatron gewechselt, nachdem unsere Studie eine 30-prozentige Programmierzeiteinsparung im Vergleich zu der anderen Software gezeigt hat“, erklärt Herr Claar. „Eine zeitsparende Funktion, die wir zu schätzen wissen, ist die automatische fünfachsige Neigefunktion. Da wir alle Maschinenkomponenten sowie Werkstücke, Vorrichtungen und Werkzeuge in der Software 3D-modelliert haben, kann die automatische Neigungsfunktion bestimmen, in welcher Tiefe der Fräser oder Werkzeughalter auf das Teil treffen würde, und das Teil dann automatisch kippen, um dies zu verhindern abstürzen und ermöglichen, dass der Vorgang fortgesetzt wird.“ Die Software verwendet diese 3D-Modelle auch, damit die Programmierer Offline-Simulationen von Bearbeitungsvorgängen durchführen können, um potenzielle Abstürze zu erkennen.

9. Syntaxprüfung

Zusätzlich zu den Programmierern, die für jedes Programm Offline-Simulationen in Cimatron ausführen, verwenden sie auch eine Syntaxprüffunktion in der Roeders-Steuerung, die das Programm und den Postprozessor automatisch Korrektur liest, um Fehler zu identifizieren, bevor dieser Job geplant wird.

10. Programm neu starten

Wenn die Maschine mitten in einem Programm angehalten werden muss, muss der Programmierer nicht manuell in das bereitgestellte Programm gehen, nach der Zeilennummer suchen, bei der die Maschine angehalten wurde, und dann den gesamten Code darüber löschen es beginnt also an der richtigen Position, an der es aufgehört hat. Bei der Roeders-Steuerung gibt ein Bediener einfach die Zeilennummer in die Befehlsdatei ein, und das Programm wird automatisch durchgelesen und von dort aus neu gestartet.

Automatisierung Seelenfrieden

Obwohl die unbeaufsichtigte Bearbeitungsstrategie von Phoenix Proto gründlich durchdacht wurde, erkennt man, dass das Unerwartete eintreten kann. Aus diesem Grund sind sowohl die drei- als auch die fünfachsigen Roeders-Maschinen so eingerichtet, dass sie Text- oder E-Mail-Benachrichtigungen mit Fehlermeldungen senden. Über die Online-Software „Team Viewer“ ist es auch möglich, sich aus der Ferne in die Maschinensteuerung einzuloggen, ebenso wie die Servicetechniker von Roeders eine Ferndiagnose der Maschine durchführen können, um sich ein Bild zu machen, wenn eine Komponente oder ein Antrieb ausgetauscht werden muss abgestimmt werden und so weiter. (Tatsächlich kann die Laufwerksabstimmung mit dieser Software aus der Ferne durchgeführt werden, sagt Mr. Byers.)

Das heißt, der Shop hat eine andere Option. Es hat eine Kamera an der Decke zwischen den beiden Roeders-Maschinen aufgehängt, auf die seine Programmierer über ihre Telefone zugreifen können, um zu sehen, was vor sich geht (siehe Foto in der Diashow oben auf dieser Seite). Sie können die Kamera schwenken und auf eine Maschine oder ihren CNC-Bildschirm zoomen, um den Status der derzeit laufenden Jobs zu sehen (und zu hören). „So beschäftigt wir jetzt auch sind, werde ich zu bestimmten Zeiten in der Nacht auf meinem Handy vorbeischauen, weil eine ausgefallene Maschine unseren Zeitplan wirklich durcheinanderbringen kann“, sagt Herr Claar. „Es ist, als würde ich an der Maschine stehen.“