Beschreibung

Die Erodierbearbeitung unterscheidet sich von alternativen Bearbeitungsformen wie zum Beispiel Fräsen hauptsächlich in der Form des Materialabtrags. Statt eines mechanischen Abtrags werden beim Erodieren die Elektrode und das Werkstück unter Spannung gesetzt und mit einem Funken wird das Material geschmolzen und verdampft. Um ein gutes Bearbeitungsergebnis zu erreichen, ist es notwendig, dass der Spalt zwischen Werkstück und Elektrode kontinuierlich während des Prozesses geregelt wird.

Beim Senkerodieren wird das Werkstück mit einer Elektrode, die eine negative Form des zu erreichenden Werkstücks besitzt, gefertigt. Das Werkstück befindet sich dabei meist in einem Becken mit Dielektrikum. Um das abgetragene Material abzutransportieren wird die Elektrode schnell vom Werkstück weggezogen und somit wird das Material herausgespült. Dieses Dokument beschreibt, wie mit dem ISG-Kernel eine Maschine zur Senkerodierbearbeitung aufgebaut sein muss, und welche Funktionen der ISG-Kernel für die Senkerodierbearbeitung anbietet.

Nachfolgende Abbildung zeigt einen Überblick über die einzelnen an dem Erodierprozess zur Bewegungsführung beteiligten Komponenten:

Der Funkengenerator ist die Komponente, die aus den aktuellen Messwerten am Werkstück die Geschwindigkeitsvorgabe für die Spaltregelung gibt. Die SPS verwendet diese Vorgabe in Abhängigkeit vom aktuellen Erosionsmodus, um der CNC die notwendigen Informationen zur Bewegungsführung der Elektrode zu übergeben. Diese erzeugt die Sollwerte für die Antriebe unter Einhaltung der maximalen Dynamik für eine optimale Bewegungsführung und somit ein optimales Bearbeitungsergebnisses.

Phasen des Erodierprozesses

Für den Erodierprozess bietet die CNC 4 Bearbeitungsphasen an:

1. Positionierung ohne aktiven Erodierprozess
2. Erodieren auf der Bahn (Optional)
3. Erodieren mit Planetäraufweiten (Optional)
4. Rückzug der Elektrode nach der Bearbeitung

Bei der Positionierung erfolgt eine Bewegung der Elektrode auf einen Punkt oberhalb des Bearbeitungsbeginns.

Anschließend kann entschieden werden, wie das Werkstück gefertigt werden soll. Dabei wird unterschieden zwischen Erodieren auf der Bahn, Erodieren mit Planetäraufweiten oder zuerst einer Erosion auf der Bahn mit anschließender Erosion mit Planetäraufweiten.

Die Bearbeitungen unterscheiden sich in der Bewegungsführung der Elektrode. Beim Erodieren auf der Bahn bewegt sich die Elektrode auf einer programmierten Bahn vor und zurück.

Beim Erodieren mit planetärem Aufweiten entsteht die Bewegung der Elektrode aus zwei asynchron oder synchronen abinterpolierten 2D-Geometrien. Dabei wird die Rückzugsbewegung vom aktuellen Elektrodenpunkt abhängig von einer Rückzugsstrategie berechnet.

Nach der Bearbeitung kann die Elektrode wieder aus dem Werkstück entfernt werden.

Bewegung der Elektrode beim planetärem Aufweiten

Die Elektrodenführung beim planetären Aufweiten wird in 2 Prozesse zerlegt:

1. Senken in der RZ-Ebene
2. Planetärbewegung in der X-Y-Ebene

Je nach Bearbeitungsart können diese Prozesse vollständig asynchron oder zum Teil synchronisiert zueinander verlaufen.

Für die Rückzugsbewegung der Elektrode ist noch ein dritter Prozess aktiv. Dieser übernimmt in Echtzeit die funkengeneratorgesteuerte Rückzugsstrategie sowie auch den Spülvorgang.

CNC Architektur für das Senkerodieren

Um diese Anforderungen des Erodierprozesses zu erfüllen, sind in der CNC-Steuerung drei NC-Kanäle im Einsatz, welche zusammen die Achsen der Erodiermaschine steuern.

Diese drei Kanäle sind in nachfolgender Abbildung dargestellt. Sie werden im folgenden Dokument wie folgt genannt:

1. Senkkanal
2. Planetärkanal
3. Rückzugskanal

Jeder Kanal wird grundsätzlich mit seinem eigenen NC-Programm beauftragt und besitzt seine eigene Status- und Positionsanzeige. Dabei steuert der Senkkanal als Hauptkanal den Planetär- und Rückzugskanal und stellt eine Kopplung der Kanäle her.

Der Senkkanal besitzt die Aufgabe des Hauptkanals, wodurch er die anderen beiden Kanäle beauftragt und startet. In seinem NC-Programm werden unter anderem die Geometrie der Positionierung und die Erosion auf der Bahn ausgeführt. Während dem planetärem Aufweiten darf in ihm nur noch eine zweidimensionale Kontur programmiert werden (siehe Darstellung oben).

Der Planetärkanal führt dabei simultan in einer Endlosschleife die Bewegung auf seiner programmierten Geometrie durch. Die dabei an den Senkkanal zurückgegebenen X- und Y-Koordinaten sind abhängig von der aktuellen Position im Planetärkanal und dem vom Senkkanal übergebenen Radius. Durch die Überlagerung dieser beiden zweidimensionalen Bewegungen entsteht die resultierende dreidimensionale Bewegung.

Der Rückzugskanal wird im selben Koordinatensystem wie der Senkkanal programmiert. Mit diesem Kanal wird die Rückzugsbewegung der Elektrode gesteuert. Es existieren unterschiedliche Strategien, die ausgehend von der aktuellen Position im Senkkanal einen Rückzugspfad zur Programmlaufzeit berechnen. Auf diesem Rückzugspfad bewegt sich der Rückzugskanal. Dadurch ist es möglich, die Spaltgröße unabhängig vom Programmfortschritt im Senkkanal einzustellen. Die Geschwindigkeit des Rückzugskanals, ist ebenso wie die Geschwindigkeit im Senkkanal, eine durch den Prozess gesteuerte Größe und wird durch einen Funkengenerator vorgegeben. Außerdem wird der Rückzugskanal für die Beauftragung des Spülvorgangs durch eine Abhebebewegung verwendet, welcher einen optimalen Spülprozess, einen schnellen Rückzug und ein schnelles Wiederanfahren auf dem Rückzugspfad ermöglicht.

Durch diesen Ansatz mit getrennten Kanälen ist es möglich, den Fortschritt in der RZ-Ebene unabhängig vom Fortschritt der Planetärbewegung zu gestalten und dabei mittels des Rückzugskanals die Spaltgröße ständig anzupassen.

Ebenso besteht die Möglichkeit, bei konstanter Position im Senkkanal und vorhandener Geschwindigkeit im Planetärkanal sich auf einer Planetärscheibe zu bewegen. Durch Regelung der Rückzugsgeschwindigkeit kann der Spaltabstand und damit die Oberflächengüte auf der Scheibenhöhe optimiert werden (siehe Scheiben Verwaltung).

Regelung des Erodierprozesses

Die Regelung des Erodierprozesses durch den Funkengenerator erfolgt bei der CNC vollständig über die SPS. Die SPS kann die Geschwindigkeitsvorgabe des Generators über die externe Geschwindigkeitsschnittstelle (Control Unit ext_command_speed) auf die einzelnen Kanäle verteilen.

Diese verteilte Vorgabe der Geschwindigkeiten bietet die Möglichkeit verschiedene Erosionsmodi mit der gleichen CNC Architektur zu realisieren. Es folgen hier zwei Beispiele und im Kapitel 3.5 folgen noch weitere und wie genau diese Erosionsmodi programmiert werden müssen.

Alternierendes Planetäraufweiten

Bei vorhandener Geschwindigkeit im Planetärkanal und konstanter Position im Senkkanal entstehen horizontale Scheiben. Durch eine Bewegung im Senkkanal können Scheiben auf unterschiedlichen Höhen ausgeführt werden.

Sternförmiges Planetäraufweiten

Durch die Unabhängigkeit des Planetärkanals ist es auch möglich bei konstanter Position im Orbit und vorhandener Bewegung im Senkkanal eine Bewegung auf einer vertikalen Ebene durchzuführen, um so z.B. die Oberflächengüte in den Ecken einer Geometrie auf den gewünschten Wert zu bringen. Eine Werkzeugbewegung aufgrund dieser Bearbeitungsstrategie ist in nachfolgender Abbildung dargestellt.