Kinematische Transformationen 1 - Stirnseiten- und Mantelflächenbearbeitung  

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Klingt theoretisch, ist aber praktisch

Es hört sich sehr theoretisch an, hat aber an der Werkzeugmaschine einen täglichen praktischen Nutzen: Dank kinematischer Transformationen werden komplexe, auch nicht rechtwinklige Maschinenkoordinatensysteme wie gewohnt in einem rechtwinkligen Werkstückkoordinatensystem programmiert. Anders gesagt: Egal, wie die Maschine die Bearbeitung realisiert, es kann immer mit den Werkstück-Koordinaten aus der Zeichnung gearbeitet werden.

 

Kinematische Transformationen sind somit wichtige Helfer im Hintergrund. Diese Artikelreihe vermittelt Hintergrundwissen zu diesen leistungsfähigen CNC-Funktionen und zeigt Anwendungsfälle, an die Sie vermutlich noch nicht gedacht haben. 

Kinematische Transformation für das Multitasking in Fräs- und Drehbearbeitungszentren

Drehbearbeitungszentren bieten schon seit langem Bohr- und Fräsbearbeitungen mit angetriebenen Werkzeugen. Seit der Verfügbarkeit von Torque-Motoren für schnelldrehende Rundtische ermöglichen Fräsbearbeitungszentren wiederum anspruchsvolle Drehbearbeitungen. So ein „Multitasking“ aus Drehen und Fräsen auf einer Maschine bietet handfeste Vorteile: Das Bauteilspektrum der Maschine wird erweitert und der Wegfall von Umspannvorgängen verbessert die Bauteilgenauigkeit deutlich.

 

Multitasking wie das Fräs-/Drehen und Dreh-/Fräsen basieren maßgeblich auf kinematischen Transformationen. Diese Artikelreihe stellt die wichtigen Transformationen für diese beiden Universaltechnologien vor. In diesem Beitrag geht es um die Stirnseiten- und Mantelflächentransformation.    

Stirnseitentransformation

Der SINUMERIK Sprachbefehl TRANSMIT

Diese kinematische Transformation wird zur Bearbeitung mit angetriebenen Werkzeugen auf Drehbearbeitungszentren verwendet, die nicht mit einer realen Y-Achse ausgestattet sind. Werkzeugbahnen auf der Stirnseite der Drehwerkstücke werden dabei in der G17-Ebene, also in einem rechtwinkligen Werkstückkoordinatensystem programmiert, als ob es eine reale Y-Achse gäbe. Bei SINUMERIK CNCs wird die nun benötigte kinematische Transformation mit dem CNC-Sprachbefehl TRANSMIT aktiviert. 

Das Video zeigt, wie mit TRANSMIT die Werkzeugbahnen aus der XY-Ebene umgesetzt werden in eine koordinierte Bewegung der X-Achse und der C-Achse – also der Hauptspindel in Lageregelung.

Physikalische Einschränkung

Eine physikalische Einschränkung dieser Transformation muss allerdings berücksichtigt werden: Führt die in der XY-Ebene definierte Werkzeugbahn durch den Drehmittelpunkt des Bauteils, so müsste die C-Achse in dieser Polstelle unendlich schnell drehen - und gleichzeitig reversieren. Die Drehzahl der Hauptspindel ist durch die dafür notwendige elektrische Energie begrenzt. Durch die Begrenzung der Drehzahl nimmt aber auch der Bahnvorschub ab und die Schnittbedingungen sind somit nicht mehr optimal.

Stehen also Bauteile mit Bearbeitungen in der Nähe der Rotationsachse der Hauptspindel im Fokus der Fertigung, ist die Investition in eine Maschine mit realer Y-Achse sinnvoll. Aber auch bei solchen Maschinen kommt TRANSMIT zum Einsatz – nämlich dann, wenn die Y-Achse nicht den vollen Durchmesser eines Bauteiles abdeckt. In diesem Falle existiert ein Mischbetrieb mit und ohne Stirnseitentransformation TRANSMIT.

Mantelflächentransformation

Der SINUMERIK Sprachbefehl TRACYL

Diese Transformation dient zur Bearbeitung auf der Mantelfläche rotationssymmetrischer Werkstücke. Die Werkzeugbahnen werden dabei in einem rechtwinkligen Werkstückkoordinatensystem programmiert, als sei die Mantelfläche des Zylinders flach, also „abgewickelt“. Wenn es sich um eine Drehmaschine handelt, ist dies die G19-Ebene. 

Mit dem CNC-Sprachbefehl TRACYL wird die kinematische Transformation aktiviert. Das Video zeigt, wie die in der ZY-Ebene programmierten Bahnen nun umgesetzt werden in eine Bewegung der Z-Achse und der C-Achse (Hauptspindel in Lageregelung).

TRACYL mit gebogenem Taschenboden

Bei Bohroperationen auf der Mantelfläche wird die Geometrie der Bearbeitung durch die Kontur des Werkzeugs eingeprägt: Ein zylindrischer Bohrer erzeugt ein zylindrisches Bohrloch (mit „parallelen Wänden“), dessen Boden von der Kontur der Bohrerschneide geprägt ist. 

 

Beim Fräsen auf zylindrischen Mantelflächen ist das anders: Ist keine Y-Achse im Einsatz, ist der Fräser stets radial ausgerichtet. Eine in der G19-Ebene programmierte Tasche mit flachem Boden hat nach dem Fräsen auf der Mantelfläche einen gebogenen Boden - wodurch die in Richtung der Abwicklung verlaufenden Schultern der Tasche nicht parallel sind.

Eine typische Anwendung für solche Taschenformen ist die Herstellung der Walzen für Blister-Verpackungsmaschinen, zum Beispiel für medizinische Tabletten. Auch bei der Herstellung von Hygieneartikeln sind Rollen im Einsatz, die auf diese Weise mit TRACYL gefräst werden.

Mantelflächentransformation für parallelwandige Nuten

TRACYL wird ebenfalls verwendet, wenn hoch präzise Nuten auf Mantelflächen gefräst werden – genau dann, wenn zum Einhalten der Toleranz die Fräserradiuskorrektur erforderlich ist. Der Fräser muss dabei einen etwas geringeren Durchmesser haben als die Nut breit ist, und es werden beide Flanken der Nut als eigene Werkzeugbahn gefräst. 

Diese Ausprägung von TRACYL setzt eine reale Y-Achse in der Maschine voraus: Sobald die Nutgeometrie einen Anteil längs der Rotationsachse des Bauteils aufweist, ist diese dritte Achse erforderlich. Nur wenn die Nuten rein radial verlaufen, kommt die dritte Geometrieachse (Y-Achse) nicht zum Einsatz. 

Die Nut muss dabei vorwärts und rückwärts in einer Kontur beschrieben werden, damit die Werkzeugbahn am Ende der Nut reversiert und die Radiuskorrektur an beiden Nutwänden wirksam wird. Der Durchmesser des Fräsers sollte dabei mindestens 90 % der Nutbreite aufweisen, um geometrische Verzerrungen zu vermeiden.

 

Ein Anwendungsfall dieser Transformation ist die Herstellung von Führungsrollen für ultraschnelle Verpackungsmaschinen. Das Geschwindigkeitsprofil dieser Maschinen wir durch Nuten auf der Mantelfläche von drehbaren Walzen eingeprägt. Für diese Nuten gelten minimale Toleranzen – was nur per Fräserradiuskorrektur erreichbar ist.

TRACYL auch auf Fräsmaschinen!

Rotationssymmetrische Bauteile sind keine alleinige Domäne der Drehmaschinen. Ist die Fräsmaschine mit einem Teilapparat ausgeführt, beispielsweise mit einer A-Achse, kann dort TRACYL verwendet werden. Auch 5-achsige Fräsbearbeitungszentren sind von ihrer Kinematik grundsätzlich für die Mantelflächentransformation nutzbar.

ShopTurn und ShopMill: Im Hintergrund arbeiten kinematische Transformationen

Auch die grafische Arbeitsschrittprogrammierung ShopTurn und ShopMill bietet die Stirn- und Mantelflächentransformation. Was dort über Masken einfach und schnell parametrierbar ist, nutzt im Hintergrund ebenfalls die CNC-Sprachbefehle TRANSMIT und TRACYL, um die kinematischen Transformationen der CNC zu ermöglichen.

Ausblick

Im nächsten Artikel widmen wir uns dem Thema der 5-Achstransformationen mit statisch angestellten Werkzeugen.

 

Sie dürfen gespannt sein!

Autor: Andreas Grözinger

(aus dem CNC4you-Magazin 2022-2)

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