In diesem Artikel wird eine Entwurfsmethode für eine Zubehörkopfsteuerung vorgestellt, die auf CNC-Systeme von Siemens zugeschnitten ist. Die Steuerung ermöglicht einen vollautomatischen Werkzeugwechsel in einem komplexen Kopfmagazin mit fünf-Stationen, wodurch die Bearbeitungseffizienz effektiv gesteigert und die für den Zubehörkopfwechsel erforderliche Zeit reduziert wird. Das Hardware-Design umfasst die Schaltkreise sowohl für das Kopfmagazin als auch für die Zubehörköpfe, während das Software-Design die NC-Programmierung und die SPS-Logik umfasst. Die praktische Anwendung des Controllers wird anhand eines konkreten Implementierungsfalls demonstriert.
Da die Fertigungsindustrie immer höhere Bearbeitungspräzision und -effizienz verlangt, ist die Umsetzung mehrerer Bearbeitungsprozesse auf einer einzigen Werkzeugmaschine zu einem zentralen Forschungsgebiet geworden. Durch den Einsatz von Zubehörköpfen ist es möglich, mehrere Bearbeitungsvorgänge mit einer Werkstückaufspannung durchzuführen und so die Produktivität deutlich zu steigern. Der komplexe Aufbau von Kopfmagazinen stellt jedoch eine Herausforderung für die automatisierte Steuerung dar. In diesem Dokument wird eine hochpräzise Steuerungstechnologie für den automatischen Kopfwechsel in einem Portal--Mehrspindel-Bearbeitungszentrum vorgestellt, das mit einem CNC-System von Siemens ausgestattet ist, um diese Herausforderungen zu bewältigen.
Zubehörköpfe werden häufig verwendet, um die Bearbeitungsmöglichkeiten von CNC-Werkzeugmaschinen zu erweitern, Werkstückbearbeitungszyklen zu verkürzen, die Bearbeitung mehrerer Prozesse mit einer einzigen Aufspannung zu ermöglichen und die Gesamteffizienz zu verbessern. Sie werden vor allem zur Bearbeitung von Sonderflächen, Schrägflächen, Nuten und Lochbildern eingesetzt. Zu den gängigen Arten von Zubehörköpfen gehören rechtwinklige Fräsköpfe, Verlängerungsfräsköpfe, verlängerte rechtwinklige Fräsköpfe und Universalfräsköpfe.
Das hochpräzise Portal-{{2}Mehrspindel-Fünf-{4}Seiten-Bearbeitungszentrum GMC2550wsu (siehe Abbildung 1)-ein landesweites Großprojekt der Autorenorganisation-verfügt über einen beweglichen Tisch, einen Portalrahmen (bestehend aus zwei Säulen und einem Oberbalken) und eine vertikal verstellbare Querschiene. Es ist mit einem Kopfmagazin mit fünf -Stationen ausgestattet (siehe Abbildung 2). Die Magazinbaugruppe besteht aus einem Servomotor, Führungsschienen, Kopfhalterungen, einem Drehmechanismus und einem Übertragungsmechanismus. Das Magazin befindet sich links von der Hauptmaschine und verfügt an jeder Station über Halterungen zur Aufnahme der Zubehörköpfe. Drei Stationen sind feststehend, die anderen beiden bilden eine integrierte bewegliche Einheit; Diese Einheit kann sich entlang linearer Führungsschienen parallel zur X--Achse der Maschine bewegen und mithilfe eines Rotationsmechanismus neben dem Stößel der Maschine positioniert werden, um Zubehörköpfe auszutauschen. Das 5{18}Stationen-Werkzeugkopfmagazin ist mit vier Magazinhalterungen und vier Aufsatzköpfen (Standardfräskopf, rechtwinkliger Fräskopf, Verlängerungsfräskopf und Universalfräskopf) ausgestattet. Es besteht eine Eins-zu{38}}Entsprechung zwischen den Magazinhalterungen und den Befestigungsköpfen (d. h. die Magazinhalterung Nr.. 1 kann nur den Befestigungskopf Nr.. 1 aufnehmen); Die Magazinplätze und Halterungen können jedoch ausgetauscht werden (d. h. Station Nr. . 1 kann Halterung Nr. . 1 oder Halterung Nr. . 2, 3 oder 4 aufnehmen). Die an den drei festen Stationen (Stationen 1, 2 und 3) und den beiden beweglichen Stationen (Stationen A und B) befindlichen Magazinhalterungen können über einen Schleppmechanismus ihre Positionen tauschen. Da weder die Magazinhalterungen noch die Vorsatzköpfe festen Stationen zugeordnet sind, ist die Steuerungslogik für den automatischen Vorsatzkopfwechsel komplex und stellt höchste Anforderungen an die Kopfwechselsteuerung. Die Position des Werkzeugkopfmagazins auf dem Bearbeitungszentrum ist in Abbildung 3 dargestellt.
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Abbildung 1 GMC2550wsu Hochpräzisions-Portal--5-Seiten-Bearbeitungszentrum mit mehreren Spindelköpfen
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a) Rechtwinkliger Fräskopf
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b) Universal-Fräskopf
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c) Verlängerungsfräskopf
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d) Standard-Fräskopf
Abbildung 2 Aufsatzköpfe
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a) Universal-Fräskopf am Stößel montiert
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b) Werkzeugkopfmagazin (bewegliche Stationen A und B auf der Spindelseite positioniert)
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c) Werkzeugkopfmagazin (bewegliche Stationen A und B auf der Magazinseite positioniert)
Abbildung 3 Position des Werkzeugkopfmagazins auf dem Bearbeitungszentrum
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TEIL 3
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Systemdesign
Die Anbaukopfsteuerung besteht aus zwei Hauptkomponenten: Hardware-Design und Software-Design. Der gesamte Design-Workflow ist in Abbildung 4 dargestellt.
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Abbildung 4 Gesamtentwurfsablauf der Anbaukopfsteuerung
3.1 Hardware-Design
(1) Schaltplan des Werkzeugkopfmagazins: Wie folgt aufgebaut.
1) Der Antriebsschaltplan der Werkzeugkopfmagazinachse zeigt die Verkabelung zwischen dem Servomotor und der Antriebseinheit, die die beweglichen Stationen (Stationen A und B) entlang der linearen Führungsschienen bewegt. es umfasst Komponenten wie den Motor und den Encoder. 2) Der Signalschaltplan der Kopfspeichereinheit zeigt die Verkabelung für Signalschalter, die den Abschluss der Vorgänge der Kopfspeichereinheit überwachen. Es umfasst: ① Signalschalter, die das Vorhandensein von Kopfaufbewahrungshalterungen an jeder Station erkennen; ② Signalschalter, die die positiven und negativen Bewegungsgrenzen der Kopfspeichereinheit erkennen; ③ Signalschalter, die das Ein- und Ausrücken des mobilen Wagens erkennen; ④ Signalschalter, die die Drehung und Rückkehr des mobilen Wagens erkennen; ⑤ Signalschalter, die die Entnahme und Rückgabe von Kopfaufbewahrungshalterungen an beweglichen Stationen erkennen; und ⑥ Signalschalter zur Erkennung des Luftdrucks an beweglichen Stationen.
3) Der Schaltplan des Magnetventils der Kopfspeichereinheit zeigt die Verkabelung aller mit der Kopfspeichereinheit verbundenen Magnetventile. Es umfasst: ① Magnetventile zum Ein- und Auskuppeln des mobilen Schlittens; ② Magnetventile zum Drehen und Zurückfahren des mobilen Wagens; ③ Magnetventile zum Zurückholen und Zurückholen von Kopfspeicherhalterungen an beweglichen Stationen; und ④ Magnetventile für Luftstrahlarbeiten an beweglichen Stationen.
(2) Abschnitt „Zubehörkopf-Schaltplan“: Der Spindelkopf-Signalschaltplan und der Magnetventil-Schaltplan umfassen die Verkabelung für Signalschalter und Magnetventile, die unter anderem das Lösen und Spannen von Zubehörköpfen überwachen.
3.2 Softwaredesign
Der Softwareentwurf gliedert sich vor allem in NC-Programmierung und SPS-Programmierung. Es umfasst eine Reihe von Hauptprogrammen und Unterprogrammen zur Ausführung der Abfolge des Entladens eines Zubehörkopfs vom Stößelende und seiner Platzierung in der Kopflagereinheit.
(1) NC-Programmierung: ① Das Kopfwechsel-Hauptprogramm ist ein Makroprogramm, das zum Entladen des aktuellen Zubehörkopfs vom Stößelende und zum Platzieren in der Kopfaufbewahrungseinheit sowie zum Entnehmen eines Standardkopfs aus der Aufbewahrungseinheit und zum Montieren auf dem Stößelende verwendet wird. Dieses Programm übernimmt den Kopfwechsel für Standardköpfe, Verlängerungsköpfe, rechtwinklige Köpfe und Universalköpfe. ② Die Unterroutine „Kopf-zurückkehren der Station A wird vom Hauptprogramm der Kopf-änderung aufgerufen, um den Zubehörkopf vom Stößelende zur beweglichen Station A zurückzubringen. ③ Die Unterroutine zum Zurückholen des Kopfes der Station A- wird vom Hauptprogramm zur Kopf{8}}abholung aufgerufen, um den Zubehörkopf von der beweglichen Station A auf das Stößelende zu montieren. ④ Die Unterroutine „Kopf-Rückkehr der Station B wird vom Kopf-ändernden Hauptprogramm aufgerufen, um den Zubehörkopf vom Stößelende zur beweglichen Station B zurückzubringen. ⑤ Die Unterroutine „Kopfaufnahme der Station B“ wird vom Hauptprogramm zur Kopfaufnahme aufgerufen; Es wird verwendet, um den Zubehörkopf von der beweglichen Station B am Ende des Stößels zu montieren.
(2) SPS-Programmdesign: ① E/A-Eingänge: Basierend auf den in den Schaltplänen definierten Adressen werden alle Erkennungssignalschalter im Zusammenhang mit dem Kopfmagazin als von der SPS-erkennbare Eingangsadressen konfiguriert. ② E/A-Ausgänge: Basierend auf den in den Schaltplänen definierten Adressen werden alle Magnetventile im Zusammenhang mit dem Kopfmagazin als von der SPS-erkennbare Ausgangsadressen konfiguriert. ③ Kopfmagazinsteuerung: Steuerlogikprogramme zur Steuerung des Kopfmagazinbetriebs werden unter Verwendung der relevanten Ein- und Ausgangsadressen erstellt; Beispiele hierfür sind das Ein-/Auskuppeln des mobilen Schlittens, das Drehen/Rückführen des mobilen Schlittens, das Zurückholen/Rückführen der beweglichen Station in die Magazinhalterung und das Spülen der beweglichen Station mit Luft. ④ Zubehörkopfsteuerung: Steuerlogikprogramme zur Steuerung der Zubehörkopfoperationen werden unter Verwendung der relevanten Ein- und Ausgangsadressen erstellt; Beispiele hierfür sind das Spannen/Entspannen des Zubehörkopfes und das Lösen des Werkzeugs.
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TEIL 4
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Implementierungsplan
4.1 Hardware
Das Hardware-Design umfasst in erster Linie die Schaltpläne und die zugehörigen Komponenten-wie Motoren, Schalter, E/A [1] und Kabel-einschließlich der Schaltpläne für das Kopfmagazin und den Zubehörkopf. Die Schaltpläne des Kopfmagazins umfassen den Achsantriebskreis [2, 3], den Signalkreis (siehe Abbildung 5) und den Magnetventilkreis (siehe Abbildung 6). Die Schaltpläne des Zubehörkopfes umfassen die Signal- und Magnetventilkreise für den Spindelstock (hier sind nur die primären Signal- und Magnetventilkreise aufgeführt).
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Abbildung 5: Schaltplan für das Signal des Kopfmagazins
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Abbildung 6: Schaltplan des Magnetventils des Kopfmagazins
4.2 Software
(1) NC-Programme: Programmdetails finden Sie in Tabelle 1.
Tabelle 1 NC-Programmdetails
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(2) NC-Programmsteuerungslogik: In diesem Artikel wird als Beispiel der Prozess des Zurückbringens des Befestigungskopfes an Station A und des Aufnehmens des Befestigungskopfes an Station B verwendet. Der logische Steuerungsablauf für das Hauptprogramm zur Kopf---Änderung (HEAD) ist in Abbildung 7 dargestellt. Der logische Steuerungsablauf für das Unterprogramm L2000 (Rückgabe des Kopfes an Station A und Aufnahme des Kopfes an Station B) ist in Abbildung 8 dargestellt. und der logische Steuerfluss für das Unterprogramm L4005 (Rückkehr des Kopfes an Station A) ist in Abbildung 9 dargestellt.
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Abbildung 7 Logiksteuerungsfluss des Hauptkopf--Änderungsprogramms (HEAD)
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Abbildung 8 Logiksteuerungsfluss des Unterprogramms L2000 (Rückgabe des Kopfes an Station A und Aufnahme des Kopfes an Station B)
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Abbildung 9 Logiksteuerungsablauf des Unterprogramms L4005 (Rückgabe des Kopfes an Station A)
(3) SPS-Programm: Das SPS-Programmdesign [4] umfasst E/A-Eingänge, E/A-Ausgänge, Kopfmagazinsteuerung und Aufsatzkopfsteuerung. Einzelheiten zum SPS-Programm finden Sie in Tabelle 2.
Tabelle 2 SPS-Programmdetails
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4.3 Kopf-Befehle und Aktionsimplementierung ändern
Durch die rationelle Gestaltung der oben genannten Hardware und Software in Kombination mit der Koordination zwischen dem NC-Programm und dem SPS-Programm kann der Kopfwechsel durch die Ausführung einfacher Befehle durchgeführt werden. Head-Änderungsbefehl: HEAD(X); Dabei steht X für den Anhangkopfcode. Wenn beispielsweise
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TEIL 5
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Abschluss
Das Hardware-Design in diesem Beispiel stellt die erforderlichen Ein- und Ausgangssignale für ein Kopfmagazin mit 5-Stationen und vier Aufsatzköpfen bereit, einschließlich der Positionserkennung für die C--Achse des Aufsatzkopfes. Das Softwaredesign ermöglicht die Koordination zwischen der Hardware, dem NC-Programm des Systems und der SPS-Steuerungslogik. Basierend auf diesem Hardware- und Software-Design kann eine große Werkzeugmaschine, die mit einem komplexen 5-{10}Stationen-Kopfmagazin ausgestattet ist, letztendlich einen vollautomatischen Austausch mehrerer Befestigungsköpfe durch die Ausführung einfacher Befehle innerhalb des CNC-Systems erreichen. Dies vereinfacht den Austauschprozess, spart Zeit und erhöht die Bearbeitungseffizienz. Das Projekt zur Entwicklung des GMC2550wsu hochpräzisen Portal--Mehrspindel--Kopf- und Fünf-Seiten-Bearbeitungszentrums GMC2550wsu sowie die Lösung seiner wichtigsten technischen Herausforderungen-wurde erfolgreich abgeschlossen. Eine mit einer Siemens-Steuerung ausgestattete Einheit wurde im April 2024 an den Kunden ausgeliefert und zeigte einen stabilen Betrieb der Kopfwechselsteuerung. Im Vergleich zu herkömmlichen Kopfaufbewahrungssystemen, die auf bodenmontierten Schienen basieren, bietet dieses Design eine überlegene Positionierungsgenauigkeit für die zusätzlichen Kopfhalterungen und steigert die Effizienz des Kopfwechsels um mindestens 50 %. Darüber hinaus legt das Design Wert auf Benutzerfreundlichkeit, Wartbarkeit und Erweiterbarkeit, was zu einer deutlich verbesserten Effizienz bei Installation, Inbetriebnahme und Wartung führt. Diese Methode zum Wechseln des Kopfes eignet sich hervorragend für eine weit verbreitete Einführung bei Benutzern von Maschinen mit beweglichem Tisch, die effiziente Möglichkeiten zum Wechseln des Kopfes benötigen.
