Einfach bedienbare, präzise CNC-Technik für hochwertige Blechteile des Airbus A320
TwinCAT NC I bei Großformat-Fräsanlagen für die Flugzeugindustrie
Einfach bedienbare, präzise CNC-Technik für hochwertige Blechteile des Airbus A320
Im Flugzeugbau gelten aus naheliegenden Gründen besonders hohe Anforderungen für die Bauteilqualität und -genauigkeit. Hinzu kommen die oft sehr großen Abmessungen der Blechteile, die beim Bearbeitungs- und Handlingprozess zu berücksichtigen sind. Basierend auf PC-based Control von Beckhoff wurde all das bei den Großformat-Fräsanlagen von Harmuth CNC-Frästechnik in enger Zusammenarbeit mit dem CNC-Spezialisten Penta-Tec und dem Fräs-Spezialisten A&T, der u. a. die Airbus-Tochter Premium Aerotec mit Strukturbauteilen beliefert, umgesetzt.

Die Penta-Tec CNC-Automation GmbH, mit Sitz im österreichischen Grödig, startete bereits in den 1990er Jahren mit der Entwicklung kompletter CNC-Maschinenlösungen, wie Geschäftsführer Dieter König erläutert: „Schon damals lag unser Fokus eher abseits der klassischen CNC-Werkzeugmaschinen, d. h. auf Bereichen wie z.B. Architekturmodellbau, Holzbearbeitung in kleineren Handwerksbetrieben und Kunsthandwerk. Diese Anwendergruppe, mit traditionell wenig CNC-Erfahrung, stellt besondere Anforderungen an eine solche Steuerung. Dazu zählen einfache Handhabung, flexibles Eingreifen an jeder Stelle des Workflows sowie zahlreiche kleinere Funktionen rund um die eigentliche NC-Bearbeitung.“

Penta-Tec entschied sich schon zu Beginn dafür, die im Bereich Maschinensteuerung zunehmend verbreitete PC-Technik zu nutzen, und entwickelte dementsprechend eine komplette vollgrafische Benutzeroberfläche u. a. mit Grafikeditor, 2½-D-CAM-System, Material- und Werkzeugverwaltung sowie Maschinenbedienung. Laut Dieter König waren dies ideale Voraussetzungen, um 2011 auf PC-based Control von Beckhoff zu setzen: „Diese einzigartige Steuerungslösung hatte sich im Maschinenbau und auch bei den CNC-Maschinenherstellern immer weiter verbreitet und durch die individuellen Anforderungen dieser zahlreichen Kunden kontinuierlich weiterentwickelt.
Zudem verlagerte sich unsere Kernkompetenz verstärkt in Richtung CNC-Software und CNC-Benutzeroberflächen. Aus diesen Gründen verfolgten wir damals den eigenen Maschinenbau nicht mehr weiter, nutzten die Beckhoff-Technik und konzentrierten uns auf die CNC-Lösungsanforderungen der verschiedenen Maschinenbaukunden.“

PC-based Control erhöht Flexibilität im Maschinenbau

Einer dieser Maschinenbauer ist ein deutscher Spezialist für 3D-Fräsanlagen und Sonderanlagen, die Harmuth CNC-Frästechnik in Nordenham. Einige der speziellen Anforderungen erläutert Geschäftsführer und gelernter Flugzeugbauer Andreas Harmuth: „Bei den Großformat-Fräsanlagen sind vor allem die Abmessungen und die erforderlichen Steifigkeiten zu beachten. Dabei reicht das Spektrum von leichten und damit möglichst dynamisch arbeitenden Maschinen bis hin zu schweren Anlagen mit großen Fräsköpfen für präzise Planfräsarbeiten. Hier sind wir als Maschinenbauer sehr flexibel, nicht zuletzt durch die offene und z. B. hinsichtlich Rechenleistung und Achsanzahl fein skalierbare Steuerungstechnik von Beckhoff. Hinzu kommen die vielfältigen Möglichkeiten, die PC-based Control für die Fernwartung bietet. Entscheidend ist bei der PC-basierten Steuerungstechnik und auch bei der Software von Penta-Tec die Zuverlässigkeit, um den Serviceaufwand zu minimieren.“

Zum Tragen kommen die Vorteile der Fräsanlagen u. a. bei der Herstellung von Großblechen für die Flugzeugserie Airbus A320. Geliefert werden diese von der A&T Manufacturing GmbH in Nordenham, wie Geschäftsführer Marc Bochinger beschreibt: „Airbus bzw. das für die Großbleche zuständige Tochterunternehmen Premium Aerotec ist unser größter Kunde, für den wir neben der kompletten Materialbereitstellung (Aluminiumbleche) in erster Linie das Umformen und die mechanische Bearbeitung von großen und komplexen Strukturteilen übernehmen. Dabei zeichnet A&T aus, dass der jeweilige Kundenwunsch im Vordergrund steht und genau dafür in möglichst kurzer Zeit die optimale Produktions- und Logistiklösung gefunden wird.“

Vielseitige und leistungsfähige Standard-Steuerungstechnik


Die Vielfalt der Produktionstechnik bei A&T bestätigt auch Roman Felber, technischer Geschäftsführer bei Penta-Tec: „Die besondere Herausforderung bei A&T liegt darin, dass immer wieder neue Maschinenfunktionalitäten umzusetzen sind. So kann für den optimalen Produktionsprozess beispielsweise eine Drehspindel oder eine zweite Spindel erforderlich sein. Dies erfordert eine hochflexible Steuerungstechnik, die alle Varianten standardmäßig abdeckt. So werden die Anlagen in enger Zusammenarbeit von A&T und Harmuth CNC-Frästechnik bei Bedarf auch mehrfach umgebaut, um Optimierungspotenziale in der Produktion zu erschließen. PC-based Control von Beckhoff bietet hierfür alle Voraussetzungen, insbesondere mit der Möglichkeit, Achsen bei Bedarf innerhalb von TwinCAT umzukoppeln.“

Durch die steigenden Anforderungen an die Funktionalität der Harmuth-Maschinen stieß man bei Penta-Tec im Jahr 2010 schließlich immer öfter an die Leistungsgrenzen des eigenen proprietären Steuerungssystems. Dazu Dieter König: „Rund um die eigentliche CNC-Bearbeitung mussten zusätzlich Automatisierungsaufgaben übernommen werden und häufig waren spezielle Sensoren oder Aktoren verschiedener Hersteller mit in das System einzubinden. Außerdem war die verfügbare Antriebsleistung und die Flexibilität hinsichtlich der Achsanzahl sehr eingeschränkt. Es war daher klar, dass wir ein neues, entsprechend leistungsfähiges, aber auch flexibles Steuerungssystem benötigten. Nach einigen Recherchen und Analysen des Steuerungsmarkts hat sich die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff recht schnell als ideale Lösung herausgestellt.“

Einerseits – so Dieter König weiter – decke die Antriebstechnik u. a. mit der Schrittmotorklemme EL7047, den Servoverstärkern AX5000 und den Servomotoren AM8000 alle erdenklichen Anforderungen von der einfachen Stepper-Hilfsachse über Servoachsen bis hin zur Einbindung von Linear- und Hydraulikachsen ab. Andererseits ließen sich auf der I/O-Seite durch das äußerst breite Spektrum an EtherCAT-Klemmen alle Anwendungen lösen, zumal über den weltweit verbreiteten Standard EtherCAT bei Bedarf entsprechende Spezialhardware von Drittanbietern zur Verfügung stehe. Weiterer entscheidender Punkt sei Windows als zugrunde liegendes Betriebssystem gewesen. Denn damit ließen sich die CAD-CAM-CNC-Bedienoberfläche Penta-NC und TwinCAT optimal kombinieren und auf demselben Zielrechner einsetzen. Hinzu komme das breite IPC-Spektrum, z. B. der Embedded-PC CX2040 für die Maschinensteuerung und der CX5120 für die zentrale Vakuumsteuerung.

TwinCAT NC I als flexible Steuerungsplattform


Die einfache Zusammenarbeit beider Softwaresysteme bestätigt auch Roman Felber: „Die ADS-Kommunikation zwischen Penta-NC als HMI und TwinCAT
NC I als Steuerungsplattform konnte ohne großen Overhead umgesetzt werden. Außerdem stellt TwinCAT NC I eine kostengünstige Plattform für unterschiedlichste CNC-Anwendungen dar, mit der sich durch die Einbindung von Hilfsachsen z. B. als Tangential- oder Gantryachsen auch komplexere CNC-Aufgaben wirtschaftlich lösen lassen.“ In der hohen Flexibilität von TwinCAT NC I sieht Roman Felber einen weiteren Vorteil. So können Achsparameter direkt aus der SPS beeinflusst und somit z. B. Korrekturwerte aufgrund optischer Prüfungen in Echtzeit in den Positionsregler der Achse eingespeist werden. Spindelsteigungsfehler, X/Y-Cross-Kompensationen oder eine Maschinenbettnivellierung lassen sich in gleicher Weise einfach realisieren. Auch die tangentiale Nachführung kann werkzeugabhängig ein- oder ausgeschaltet werden, um z. B. eine normalerweise als freilaufender drehzahlgeregelter Asynchronmotor betriebene Frässpindel auf Servobetrieb umzuschalten und als Tangentialachse zum Schneiden mit einem Messer zu nutzen. Sehr vorteilhaft sind zudem die flexible Konfiguration einzelner Achsen zu Interpolationsgruppen und die Master-Slave-Kopplung. Dadurch können bei komplexen Anlagen mehrere Z-Achsen je nach Bedarf entweder gleichzeitig genutzt oder für andere Aufgaben wieder einzeln verwendet werden.

Die Möglichkeit, im Betrieb Interpolationsgruppen aufzulösen und in anderer Form zu koppeln, dient z. B. dazu, ein tangential angestelltes Sägeblatt für Gehrungsschnitte im Störungsfall per Handbetrieb aus dem Material herauszufahren. Hierzu wird die NC-Interpolationsgruppe aufgelöst, abhängig vom Gehrungswinkel und vom Drehwinkel der C-Achse werden individuelle Koppelfaktoren für die X- und Y-Achse berechnet und dann an die Z-Achse angekoppelt. Wird nun mit dem Handrad die Z-Achse bewegt, verfahren alle drei Achsen so, dass das Sägeblatt exakt in Schnittrichtung aus dem Material verfährt.

Luftfahrzeugbleche präzise und energieeffizient fertigen


Bei A&T werden die Großformat-Fräsanlagen von Harmuth CNC-Frästechnik eingesetzt, um Außenhautbleche und verschiedenste Strukturfrästeile aus Luftfahrzeugblechen für die Airbus-A320-Serie zu fertigen. Laut Roman Felber liegt eine der großen Herausforderungen bei Maschinen dieser Größenordnung in der Einhaltung der Genauigkeit: „Bei einer Bearbeitungsfläche von bis zu
16 x 4 m ist die Einhaltung selbst im 1/10-mm-Bereich seitens des Maschinenbaus wirtschaftlich kaum umsetzbar. Die Genauigkeit wird daher softwaretechnisch erhöht. Jede Maschine wird nach dem Aufbau vor Ort zunächst mit einem Lasertrackingsystem vermessen, wofür Penta-NC weitgehend automatische Vermessungsfunktionen bietet. Neben den maschinenabhängigen Toleranzen werden auch die werkstückabhängigen Werte berücksichtigt. Zudem werden auf einer so großen Maschine häufig mehrere Bauteile gespannt, sodass individuelle Lage- und Formtoleranzen ebenfalls auszugleichen sind. Durch alle erwähnten Maßnahmen können wir trotzdem absolute Positioniergenauigkeiten von unter +/-0,01 mm einhalten.“

Eine einfache und sehr flexible Möglichkeit, um Blechplatten in die Fräsanlagen zu spannen, ist die Vakuumspanntechnik. Allerdings sind hier je nach Maschinengröße sehr schnell 15 bis 20 kW oder mehr an Pumpenleistung erforderlich, sodass durch einen bedarfsorientierten Leistungsabruf ein entsprechend hohes Energiesparpotenzial erschlossen werden kann. Dazu erläutert Andreas Harmuth: „Bei noch nicht zerspantem Material oder der Bearbeitung nur weniger großformatiger Bauteile reicht ein relativ geringer Unterdruck und damit eine niedrige Pumpenleistung aus. Werden jedoch viele kleinere Teile bearbeitet und der Falschluftanteil steigt während des Fräsprozesses, muss die Pumpenleistung entsprechend hochgefahren werden.“ Um hier das Einsparpotenzial möglichst gut ausschöpfen zu können, ist zum einen der Aufspannbereich für die Anpassung an das jeweilige Blechteil in bis zu 32 Felder unterteilt. Zum anderen wird entsprechend der Materialparameter und Bauteilfläche der für das sichere Spannen erforderliche Unterdruck berechnet. Über eine Druckklemme EM3701 wird der aktuelle Unterdruck erfasst und als Regelgröße an die PLC weitergegeben. Nach dem Bearbeitungsvorgang sinkt der Unterdruck automatisch auf einen voreingestellten Standby-Wert, der lediglich ein unbeabsichtigtes Verrutschen des Bauteils verhindern muss. Den großen Nutzen beziffert Marc Bochinger: „Im Vergleich zum reinen On/Off-Betrieb der Vakuumsteuerung können durch diese Maßnahmen ca. 50 bis 60 % der jährlichen Energiekosten eingespart werden.“

Darüber hinaus sei man – so Marc Bochinger – noch einen Schritt weitergegangen und habe die Vakuumsteuerungen von je vier Anlagen auf einem zentralen Embedded-PC CX5120 zusammengefasst: „Die aktuellen Unterdruckdaten jeder einzelnen Maschine werden weiterhin über die EM3701 lokal ausgewertet und dann zusammen mit den berechneten Sollwerten per ADS an den CX5120 übertragen. Bei Störung eines Pumpensystems lässt sich so die Leistung einer anderen Vakuumpumpe unverzüglich hochregeln, um den Verlust auszugleichen. Durch diese Redundanz wird das Risiko von teuren Ausschussteilen durch einen Ausfall des Vakuumspannsystems praktisch ausgeschlossen. Eine weitere Anwendung der EM3701 ist die prozessabhängige Absaugleistungsregelung, über die sich Probleme im Bereich des Absaugkopfes oder im Saugrohrsystem detektieren lassen. Damit liefert dieses System wichtige Daten für die vorbeugende Wartung und damit für die Verfügbarkeit der Anlagen.“

Airbus A320
Airbus A320
A&T übernimmt die Umformung und mechanische Bearbeitung von Großblechen u. a. für die Airbus-A320-Serie.
A&T übernimmt die Umformung und mechanische Bearbeitung von Großblechen u. a. für die Airbus-A320-Serie.
In der A&T-Fertigung kommen insgesamt sieben verschiedene Großformat-Fräsanlagen von Harmuth CNC-Frästechnik zum Einsatz, die genau auf die jeweilige Aufgabe abgestimmt sind.
In der A&T-Fertigung kommen insgesamt sieben verschiedene Großformat-Fräsanlagen von Harmuth CNC-Frästechnik zum Einsatz, die genau auf die jeweilige Aufgabe abgestimmt sind.
Das Expertenteam
Das Expertenteam: Harmuth-Geschäftsführer Andreas Harmuth, A&T-Geschäftsführer Marc Bochinger, technischer Geschäftsführer Roman Felber und Geschäftsführer Dieter König, beide von Penta-Tec, sowie George Hampel, Vertriebsingenieur Beckhoff Österreich, und Klaus Bernzen, Produktmanager TwinCAT – Motion Control und Robo-tik, Beckhoff Automation (v.l.n.r.)
Gesteuert werden die Großformat-Fräsanlagen  durch einen Embedded-PC CX2040 mit TwinCAT NC I.
Gesteuert werden die Großformat-Fräsanlagen durch einen Embedded-PC CX2040 mit TwinCAT NC I.
Die Servoverstärker AX5000 sorgen für dynamische und – mit der  TwinSAFE-Optionskarte AX5805 – auch sichere Bewegungsabläufe.
Die Servoverstärker AX5000 sorgen für dynamische und – mit der TwinSAFE-Optionskarte AX5805 – auch sichere Bewegungsabläufe.
Die Servomotoren AM8000 reduzieren durch die One Cable Technology (OCT) den Installationsaufwand und Platzbedarf.
Die Servomotoren AM8000 reduzieren durch die One Cable Technology (OCT) den Installationsaufwand und Platzbedarf.