Offen und flexibel – bis in den Kern
Große Teile präzise zu fertigen, ist schon nicht leicht. Aber wie kleinste Komponenten, etwa Zahnräder und Schrauben für die Uhrenindustrie oder Kontaktstifte für Steckverbinder, mikrometergenau und in hohen Stückzahlen produzieren? Die Schweizer Unternehmen Esco und Affolter realisieren das bei ihren CNC-Maschinen mit TwinCAT CNC und Servoantriebstechnik von Beckhoff.
Im sogenannten Watch Valley, einer Region zwischen Basel und Genf, hat sich über mehrere Jahrhunderte ein Ökosystem rund um die Uhrenindustrie und kleinste Präzisionsbauteile für mikromechanische Geräte entwickelt. Ein wichtiger Teil dieses Kosmos sind Maschinenbauer wie Esco SA in Les Geneveys-sur-Coffrane und die Affolter Group SA in Malleray. Auf deren CNC-Maschinen werden kleinste Zahnräder, Schrauben, Wellen und andere Komponenten mit höchster Präzision gefertigt – und praktisch der Grundstein für die berühmte Präzision Schweizer Uhrwerke gelegt.
Esco ist spezialisiert auf Drehmaschinen für die Herstellung von Teilen mit hoher Präzision und einwandfreier Qualität in mittleren und großen Stückzahlen. Neben dem Drehen als Hauptprozess haben die Maschinen zusätzliche Bearbeitungsfunktionen. Daher lassen sich auf den kompakten Maschinen auch komplexe Teile fertigen.
Stehendes Material und rotierende Werkzeuge
Gegenüber konventionellen Drehautomaten kennzeichnet die Esco-Maschinen ein individuelles Funktionsprinzip: stehendes Material – rotierende Werkzeuge. Daher können die Maschinen Ring- oder Stangenmaterial vollautomatisch und ohne Unterbrechungen bearbeiten. „Zudem bietet die Nähe der Werkzeuge zum Werkstück Vorteile bezüglich Produktionsrate und Oberflächenqualität“, stellt Vincent Fankhauser, Vertriebsleiter bei Esco heraus. Die Grundlage für die Präzision und kurzen Bearbeitungszeiten bildet die mit bis zu 12.000 Umdrehungen rotierende Spindel.
Esco setzt bei der Automatisierung seiner Maschinen seit Anfang 2020 auf PC-based Control und damit auch auf TwinCAT 3 von Beckhoff. „Steuerung und Antriebstechnik der bisherigen Lieferanten waren am Ende ihres Lebenszyklus und wir brauchten eine zukunftsfähige CNC, die sich für unsere verschiedenen Baureihen leicht konfigurieren lässt“, so Vincent Fankhauser.
Hier kommt der Beckhoff Solution Provider Affolter ins Spiel. Das Unternehmen fertigt selbst Verzahnungsmaschinen und produziert als Lohnfertiger auf rund 350 Maschinen filigrane Teile für die Uhrenindustrie und andere Branchen. Geschäftsführer Vincent Affolter: „Wir waren immer stolz auf unsere eigene Steuerungslösung, die wir für unsere Maschinen selbst entwickelt haben und die Elektronik dann fertigen ließen.“ Zentrale Komponente der Steuerung war ein FPGA, das sämtliche Sollwerte für alle Achsen parallel im Bereich von Mikrosekunden berechnete. Doch mit dem Auslaufen der Verfügbarkeit der Elektronikkomponenten konnte Affolter seine Steuerung nicht mehr pflegen, geschweige denn weiterentwickeln und zusätzliche Anforderungen wie eine IT-Anbindung integrieren. Zum Glück für Affolter nahm die Performance der PC-Technologien rasant zu.
Vom FPGA zur offenen Steuerungsplattform
„Bei der Analyse möglicher Steuerungslieferanten im Jahr 2016 sind wir schnell bei Beckhoff fündig geworden und haben mit PC-based Control erste Tests begonnen“, so Vincent Affolter. Eine seiner Prämissen war: Die Flexibilität für eigene Innovationen bewahren, ohne selbst nochmals Hardware zu entwickeln. „Dies ist mit der offenen Steuerungsplattform von Beckhoff gegeben“, ergänzt Philippe Abt, Vertrieb, Beckhoff Schweiz. Inzwischen bilden PC-based Control und TwinCAT CNC die Basis für eine Steuerungsplattform, die Vincent Affolter in den eigenen CNC-Maschinen einsetzt und Maschinenbauern wie Esco als Beckhoff Solution Provider zur Verfügung stellt.
Bei der Anpassung der CNC-Lösung an die Esco-Maschinen zeigte sich die Flexibilität von PC-based Control: Aufgrund des geforderten Maschinentakts durfte bei der Berechnung der CNC-Tasks keine Zeit vergeudet werden. „Die von Esco geforderten kurzen Zykluszeiten konnten dank der modularen Systemarchitektur von TwinCAT CNC durch entsprechende Konfiguration erreicht werden“, erinnert sich Philippe Abt. Um die Rechenzeiten der Tasks zu reduzieren, wurden nicht benötigte Funktionen entfernt. „Das für uns Entscheidende ist, dass wir dabei von Anfang an immer Unterstützung bekommen haben, zusammen mit Beckhoff Lösungen gefunden und umgesetzt haben. Das ist keine Selbstverständlichkeit“, stellt Vincent Affolter heraus.
PC-based Control passt für alle Baureihen
Das gemeinsam angepasste Steuerungskonzept auf Basis von TwinCAT 3 und einem Schaltschrank-Industrie-PC C6920 funktioniert in allen Maschinenbaureihen von Esco und bildet die Grundlage für die langfristige und sichere Migration aller CNC-Maschinen auf PC-based Control. Insgesamt hat Esco seit 2020 bereits rund 150 Maschinen mit der TwinCAT-CNC-basierten Steuerungstechnik in unterschiedlichen Konfigurationen ausgeliefert. Dazu Vincent Fankhauser: „Wir sind jetzt viel flexibler und können aus dem gesamten Portfolio genau die benötigte Rechenleistung und Antriebskonfiguration zusammenstellen, inklusive Safety.“ Bei einer Escomatic D6 Twin sind beispielsweise zwölf Servoachsen zu regeln und drei CNC-Kanäle zu berechnen.
Die One Cable Technology (OCT) der eingesetzten Antriebstechnik (Servoverstärker AX5000 und Servomotoren AM8000) spart dabei Platz im Schaltschrank und in der Maschine, weil nur noch eine, noch dazu dünnere Motorleitung verlegt werden muss. Auch das Thema Signalstörungen bei den Feedbacksystemen sei seit der Umstellung auf OCT vom Tisch.
Aktuell arbeiten Affolter und Esco daran, eine Werkzeugüberwachung und die Inline-Qualitätskontrolle zu integrieren. Auf der Roadmap stehen ebenso die Anbindung ihrer CNC-Maschinen an MES- und ERP-Systeme über umati (universal machine technology interface) und OPC UA. Mit PC-based Control als offenes und modulares Steuerungssystem wird auch das gelingen.