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Auf der sicheren Seite

CNC-Steuerungen schützen Mensch und Maschine
Auf der sicheren Seite

Werkzeugmaschinen werden immer leistungsfähiger, immer schneller. Da muss die Sicherheitstechnik sehen, dass sie Schritt hält. Fanuc GE bietet dafür in den CNC-Steuerungen der Serien 30i und 31i zwei wichtige Funktionen an: den 3D-Interference Check, der Kollisionen zu nahezu 100 Prozent vermeidet, und Dual Check Safety, ein in die CNC-Steuerung integriertes Sicherheitssystem.

Moderne Werkzeugmaschinen werden immer komplexer und schneller, so dass es für den Betrachter zunehmend schwierig wird, dem Dreh-, Fräs- oder Bohrvorgang mit den Augen zu folgen. Zudem ist die Komplexität der Maschine erheblich gestiegen. Daraus, dass inzwischen fünf und mehr Achsen gleichzeitig gesteuert werden können, resultiert eine Beweglichkeit des Werkzeugs, die in Kombination mit hoher Geschwindigkeit neben vielen Vorteilen auch den Nachteil hoher Kollisionsgefahr in sich birgt.

Konzepte zum Kollisionsschutz
Um den gefürchteten Crash möglichst zuverlässig zu vermeiden, haben CNC-Steuerungs- und CAD/CAM-Anbieter verschiedene Kollisionsschutzkonzepte ausgearbeitet. Diese unterscheiden sich grundsätzlich in integrierte und offline Systeme. Unter „off- line“ sind alle Simulationen zu verstehen, die getrennt von der Werkzeugmaschine und deren Steuerung auf einem PC ablaufen. Gerade CAD/CAM-Anbieter machen sich dafür ihr Know-how in der dreidimensionalen Modellierung von Werkstücken zu Nutze, fügen virtuell Maschinenkomponenten und Werkzeuge hinzu und lassen letztere die zur Bearbeitung notwendigen Bahnen abfahren. Damit können diese Simulationen NC-Programme auf ihre Tauglichkeit und mögliche Kollisionen überprüfen. Diese Form der Kollisionsvermeidung haben mittlerweile auch manche Hersteller von PC-unterstützten CNC-Steuerungen adaptiert.
Allerdings bietet diese Art der Kollisionskontrolle nur eingeschränkte Sicherheit. Denn die virtuelle Welt entspricht nicht immer der Realität. Was ist, wenn zum Beispiel ein Werkzeug gebrochen ist und ausgetauscht wird? Um die Simulation der Realität anzupassen, müssen die neuen Werkzeugdaten auf den PC geladen, ins CAM-System integriert und die Simulation neu berechnet werden. Das Gleiche gilt für kurzfristige Änderungen an Spannvorrichtungen oder der Maschine. Auch der Einrichtbetrieb, bei dem erfahrungsgemäß die meisten Crashs passieren, bleibt bei der Offline-Untersuchung außen vor. Denn das Verhalten eines Maschineneinrichters lässt sich virtuell nicht vorhersehen.
Crash-Schutz auch im Einrichtbetrieb
Integrierte Systeme sind in der Lage, all diese Sicherheitslücken zu schließen. Ihre Überwachung findet in Echtzeit statt und orientiert sich stets am aktuellen Zustand der Maschine. Somit besteht der Crash-Schutz bei jeder Maschinenbewegung, auch im Einrichtbetrieb. Fanuc GE bietet für die CNC-Steuerungen der Serien 30i/31i Model A mit dem „3D-Interference Check“ eine im CNC-Kern integrierte Funktion an, die bei richtiger Konfiguration mit nahezu hundertprozentiger Sicherheit Maschinenkollisionen zu vermeiden hilft. Dieses System arbeitet mit geometrischen Hüllelementen (Ebene, Quader und Zylinder), die über alle kollisionsgefährdeten Bereiche gelegt werden – bei Bedarf in einem engen Abstand von bis zu 1 µm von der tatsächlichen Kontur. Die maximale Anzahl dieser Elemente beträgt 24.
Die CNC-Steuerung beachtet diese räumlichen Informationen zusammen mit den aktuellen Werkzeugdaten bei der Berechnung der Achsbewegungen. Das heißt, im 4 ms-Takt berechnet die Haupt-CPU parallel zur Interpolation der Achsen alle im Kollisionsmodell befindlichen Objekte. Sollte ein Crash drohen, stoppt die Maschine, indem der letzte Interpolationsschritt vor einem definierten Hüllkörper nicht durchgeführt wird. Für den Fall, dass ein Kollisionsmodell zu komplex ist und sich nicht in den 4 ms rechnen lässt, setzt Fanuc GE auf eine Eskalationsstrategie: Es wird die Zeit auf 8 ms verdoppelt und zum Ausgleich eine großzügigere Hüllkurve darüber gelegt.
Setting Tool zum Einrichten des 3D-Interference Check
Der Umgang mit dem 3D-Interference Check ist einfach. Die benötigten geometrischen Daten lassen sich direkt in die CNC einpflegen. Die Werkzeugdaten, die der CNC-Steuerung für die Bearbeitung bekannt sein müssen, werden automatisch in den Interference Check übernommen. In vielen Fällen ist es allerdings komfortabler und um bis zu 40 Prozent schneller, die Konfiguration über eine von Fanuc GE entwickelte, unterstützende Software vorzunehmen. Mit diesem so genannten „Setting Tool“ kann der Maschinenhersteller – und auch der Maschinenbediener – alle kollisionsgefährdeten Bereiche wie Tisch, Spannvorrichtungen und so weiter mit Hilfe von geometrischen Figuren definieren. Das auf einem PC unter den Betriebssystemen Windows 2000 / XP / Vista lauffähige Setting Tool erleichtert dem Anwender die Definition der kollisionsgefährdeten Objekte, indem es den Datenaustausch mit 3D-CAD-Systemen unterstützt. Über eine IGES-Schnittstelle können die gewünschten CAD-Elemente auf den PC geladen und im Setting Tool für die Kollisionsüberwachung aufbereitet werden.
Besonders praktisch ist diese Software zum Verwalten von verschiedenen Varianten einer Maschinenserie. Denn mit ihr lassen sich gleichzeitig viele verschiedene Konfigurationen des Kollisionsmodells verwalten und bei Bedarf nur einzelne Elemente von der einen auf die andere Maschine kopieren.
Während das Setting Tool für das Konfigurieren und Verifizieren des Kollisionsmodells zuständig ist, findet der eigentliche 3D-Interference Check wie beschrieben in der CNC statt. Das ist auch der Grund für den grafisch reduzierten Monitoring Screen. Fanuc GE beschränkt sich bewusst auf eine übersichtliche, verständliche Oberfläche und verzichtet auf eine aufwändig animierte 3D-Grafik zugunsten kurzer Datenübertragungszeiten. Dafür bleiben beim Einsatz des 3D-Interference Checks die Blockprozesszeiten der CNC-Steuerung unbeeinträchtigt und die Produktivität der Maschine in vollem Maße erhalten – eine Eigenschaft, die nicht bei allen integrierten Kollisionsschutzsystemen gegeben ist.
Wer die Fanuc Open CNC-Steuerungen der Serie 300i/310i/320i von Fanuc GE einsetzt, die mit einem zusätzlichen PC ausgestattet sind, kann beim 3D-Interference Check auch eine aufwändigere grafische Darstellung realisieren. In diesem Fall liefert die CNC in Echtzeit mit einem – durch die Look-ahead-Funktion vorgegebenen – zeitlichen Vorsprung zukünftige Positionen an den PC, bevor diese auf der CNC abgearbeitet werden. In diesem Fall findet die Kollisionsberechnung auf dem PC statt und wird dort 3D-animiert dargestellt. Mögliche Überschneidungen der definierten Objekte meldet der Rechner an die CNC, die alle Achsbewegungen vor der drohenden Kollision stoppt. Ein Hochgeschwindigkeitsbus zwischen CNC und PC ist dafür Grundvoraussetzung.
Hohe Sicherheit für den Bediener
Moderne CNC-Steuerungen unterstützen den Anwender nicht nur beim Vermeiden von Kollisionen, sie bieten auch integrierte Sicherheitsysteme, die den Bediener schützen und so manche mechanische Sicherheitsvorrichtung überflüssig machen. Gesetzliche Vorschriften und Normen regeln, welche Schutzvorkehrungen der Maschinen- und Anlagenbauer zu treffen hat. Dabei stehen ihm Partner wie Fanuc GE zur Seite, für den der Sicherheitsaspekt seit langem ein wichtiger Bestandteil seines Produktangebotes ist und der eine spezielle integrierte Funktion namens Dual Check Safety anbietet.
Um hundertprozentige Sicherheit zu gewährleisten, muss das System eine hard- und softwareseitige Redundanz aufweisen. Für die Steuerung bedeutet das eine grundsätzlich zweikanalige Überwachung der Maschine, bei der die Positionen und Geschwindigkeiten von Achsen und Spindeln im Millisekundenbereich gemessen werden. Diese Daten müssen unmittelbar mit den erlaubten Vorgaben verglichen werden, um bei Abweichungen einen so genannten Kategorie 1-Stopp einzuleiten, bei dem die Antriebe stromlos geschaltet werden.
Fanuc bietet sein Dual Check Safety System in den CNC-Serien 30i/31i/32i mit einer Standard-SPS an, die auf einer eigenen CPU läuft. Auf der CNC-CPU ist eine weitere SPS integriert, die auch als Sicherheits-SPS bezeichnet wird. So ist die Redundanz über zwei getrennte Prozessoren gegeben, die ihre jeweiligen Daten gegeneinander prüfen.
Frei definierbare Sicherheitszonen
Dadurch, dass sich in diesem Dual Check Safety System der Maschinenhersteller die Logik selbst definieren und einzelne Achsen sowie Spindeln zur Überwachung freischalten kann, lassen sich in der Maschine verschiedene Sicherheitszonen festlegen. Je nachdem ob die Tür für den Werkzeugwechsel, für den Werkstückwechsel oder zum Arbeitsraum geöffnet wird, ist es möglich, die betroffenen Achsen separat zu überwachen. Auch diverse andere Wünsche, wie zum Beispiel das Abschalten von Hilfsantrieben oder das Absenken von Schutzvorrichtungen, lassen sich in der Logik hinterlegen. Damit sind der Komplexität der überwachten Maschine keine Grenzen gesetzt. Zudem ist im Dual Check Safety der Serien 30i/31i/32i die Anzahl der frei programmierbaren Ein-/Ausgänge auf jeweils 64 angewachsen, für deren Datentransport neben dem HSSB (High Speed Serial Bus) auch der Profibus eingesetzt werden kann.
Besonderes Highlight im Dual Check Safety der Serien 30i/31i/32i ist die Möglichkeit zur Betriebshaltüberwachung, bei der nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Achsposition geprüft wird. So lassen sich vorschnelle Alarme vermeiden. Eine weitere wichtige Funktion ist der „Sichere Spindelstopp“, die ein sicheres Drehen der Spindel von Hand ermöglicht. Sei es, um bei einer Drehmaschine das Werkstück zu inspizieren, bei einer Fräsmaschine das Werkzeug zu begutachten oder bei einer Schleifmaschine anzufunken.
Ein Plus an Komfort bieten die neuen Diagnoseseiten der CNC-Steuerungen 30i/31i/32i. Sie ermöglichen dem Anwender einen direkten Blick auf den Zustand der Standard- sowie der Sicherheits-SPS und zwar auf alle freiprogrammierten Ein-/Ausgänge. Weitere Vorteile versprechen der Schutz der Sicherheitsparameter über eine Prüfsumme, die mit Datum und Uhrzeit dokumentiert ist, die doppelte Überwachung der Bremsen, was vor allem für Gravitationsachsen besonders wichtig ist, sowie der Safe Position Switch, der bei Hängeladern für höchste Sicherheit sorgt.
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