Wenn Sie jemals neben einer Hochgeschwindigkeits-CNC-Fräsmaschine oder einer Präzisionsdrehmaschine gestanden haben, die einen komplexen Schnitt durchführte, haben Sie sich wahrscheinlich gefragt, wie jeder Teil des Prozesses so nahtlos ineinander übergeht. Eine der häufigsten Fragen, die ich von Werkzeugmaschinenbauern, Wartungstechnikern und Produktionsleitern bekomme, lautet: Kann ein VFD für eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer SPS kommunizieren? Als Lieferant dieser Spezialantriebe arbeite ich jeden Tag mit diesen Komponenten, und die kurze Antwort lautet: Ja – aber es gibt eine Menge, die dazu beiträgt, diese Kommunikation zuverlässig zu machen, weshalb sie ein so entscheidender Bestandteil der Leistung moderner Werkzeugmaschinen ist.
Beginnen wir damit, was jeder dieser Teile tut, um die Bühne zu bereiten. Ein VFD (Frequenzumrichter) für eine Werkzeugmaschinenspindel ist nicht dasselbe wie der VFD, den Sie möglicherweise für ein einfaches Förderband oder einen Lüfter verwenden. Sie ist für die extremen Bearbeitungsanforderungen ausgelegt: hohe Drehzahlen von bis zu 20.000 U/min, präzise Drehmomentregelung für schwere Schnitte und strenge Drehzahlregelung zur Vermeidung von Werkzeugverschleiß oder Teiledefekten. Eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) hingegen ist das „Gehirn“ der Maschine – sie führt das Programm aus, das der Maschine sagt, wann sie Achsen bewegen, Werkzeuge wechseln, Vorschübe anpassen und, ja, die Spindel steuern soll. Damit diese beiden zusammenarbeiten können, müssen sie kontinuierlich miteinander „sprechen“, egal wie anspruchsvoll der Bearbeitungsprozess wird.
Als ich in dieser Branche anfing, arbeiteten viele Spindel-VFDs mit einfachen Ein-/Aus-Signalen oder analoger Spannung, die der Spindel sagten, sie solle schneller oder langsamer werden. Das funktionierte für einfache Anwendungen, aber wenn Sie die Geschwindigkeit während des Schnitts anpassen, die Spindelgeschwindigkeit mit der Vorschubgeschwindigkeit für ein Gewinde synchronisieren oder Echtzeitdaten zur Spindeltemperatur oder -last erhalten mussten, reichten analoge Signale einfach nicht aus. Analog kann anfällig für elektrisches Rauschen von anderen Maschinenkomponenten sein, was zu inkonsistenter Geschwindigkeit oder sogar zu Fehlermeldungen führt, die dazu führen, dass die Maschine während der Arbeit abschaltet. Hier kommen digitale Kommunikationsprotokolle ins Spiel, und hier entsteht die wahre Magie, wenn ein VFD und eine SPS verbunden werden.
Heutzutage werden in Werkzeugmaschinenanwendungen mehrere gängige Protokolle verwendet, die nicht von allen VFDs unterstützt werden. Als Lieferant stelle ich sicher, dass der von uns gelieferte VFD für Werkzeugmaschinenspindeln mit den am weitesten verbreiteten SPS-Kommunikationsstandards funktioniert, einschließlich PROFINET, Modbus RTU/TCP und Ethernet/IP. Mit diesen Protokollen kann die SPS mehr als nur einen Geschwindigkeitsbefehl senden – sie können die Spindel anweisen, die Geschwindigkeit in Millisekunden von 1.000 U/min auf 15.000 U/min zu ändern, das Drehmoment basierend auf dem zu schneidenden Material anzupassen und Echtzeitdaten wie Spindellast, Temperatur oder Alarmcodes abzurufen. Wenn sich beispielsweise ein Fräser während einer langen Bearbeitungsphase abzunutzen beginnt, kann die SPS dies an den VFD der Spindel weiterleiten, um die Geschwindigkeit zum Ausgleich leicht anzupassen und so eine gleichbleibende Teilequalität ohne Unterbrechung der Produktion aufrechtzuerhalten.
Lassen Sie uns darüber sprechen, wie dies in einer realen Werkzeugmaschinenkonfiguration funktioniert. Letztes Jahr wandte sich ein Kunde, der hochpräzise Bearbeitungszentren für Aluminium herstellt, an das Unternehmen, weil sein alter Spindel-VFD nicht zuverlässig mit seiner neuen SPS kommunizierte, was zu häufigem Ausschuss von Teilen und Ausfallzeiten führte. Ihr alter Antrieb nutzte nur analoge Signale, und in ihrer Anlage waren viele andere Maschinen in Betrieb, die elektrische Störungen verursachten, die die Geschwindigkeitssignale zittern ließen. Wir empfehlen einen VFD für Werkzeugmaschinenspindeln, der PROFINET unterstützt, ein für die industrielle Automatisierung entwickeltes Protokoll, da es immun gegen Rauschen ist und eine schnellere Datenübertragung bietet. Nachdem wir das alte Laufwerk ausgetauscht und die SPS für die Kommunikation damit programmiert hatten, verschwand das Problem. Jetzt kann die SPS die Spindelgeschwindigkeit synchron zur Achsbewegung anpassen, wodurch die Zykluszeit um 12 % reduziert und Ausschussteile um 8 % reduziert werden. Das ist der Unterschied, den gute Kommunikation ausmacht.
Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist die Kompatibilität. Nicht alle SPS funktionieren mit jedem VFD-Kommunikationsprotokoll, daher ist es wichtig, beide vor dem Kauf zu überprüfen. Wenn Ihre Fabrik beispielsweise Allen-Bradley-SPS verwendet, wird die Integration durch die Wahl eines Frequenzumrichters, der Ethernet/IP unterstützt, wesentlich einfacher, da sie so konzipiert sind, dass sie nahtlos zusammenarbeiten. Hier glänzen auch Spezialantriebe wie unser 380-V-CNC-Spindelfrequenzumrichter – sie sind für den Einsatz mit gängigen SPS vorkonfiguriert, sodass Sie bei der Installation nicht wochenlang mit der Behebung von Kommunikationsproblemen beschäftigt sein müssen. Ich habe gesehen, dass Kunden Tausende von Dollar verschwendet haben, weil sie einen VFD gekauft haben, der nur mit einem proprietären Protokoll funktioniert und ihre SPS nicht kompatibel ist. Wenn Sie sich die Zeit nehmen, die Protokolle im Voraus abzugleichen, ersparen Sie sich später viel Ärger.
Im Werkzeugmaschinenbau kommt es auf Präzision an, und hier sticht die digitale Kommunikation gegenüber alten analogen Methoden deutlich hervor. Bei analogen Geräten handelt es sich bei dem Geschwindigkeitssignal normalerweise um ein 0-10-V- oder 4-20-mA-Signal, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit aufgrund von Spannungsabfällen oder Rauschen leicht variieren kann. Bei einem digitalen Protokoll werden die Daten als Binärcode gesendet, sodass es nahezu unmöglich ist, dass elektrische Störungen den eigentlichen Befehl verändern. Das bedeutet, dass die Spindel genau dann mit 10.000 U/min läuft, wenn die SPS dies vorgibt, nicht mehr und nicht weniger. Bei Anwendungen wie Druckguss oder Formenbau, bei denen bereits eine Geschwindigkeitsschwankung von 1 % ein Teil ruinieren kann, ist dieses Maß an Präzision nicht verhandelbar.
Ich werde auch gefragt, ob diese Kommunikation bidirektional ist, und das ist ein wichtiger Punkt. Viele Leute denken, dass es nur die SPS ist, die Befehle an den VFD sendet, aber der VFD kann auch Daten zurück an die SPS senden. Das nennt man „Gerätestatusüberwachung“ und ist ein großer Vorteil für Wartung und Produktivität. Wenn die Spindel beispielsweise aufgrund eines verschlissenen Lagers zu heiß wird, kann der VFD ein Warnsignal an die SPS zurücksenden, die entweder die Spindel verlangsamen kann, um sie abzukühlen, oder den Bediener darauf aufmerksam macht, vor einem katastrophalen Ausfall eine Wartung einzuplanen. Diese Fähigkeit zur vorausschauenden Wartung reduziert ungeplante Ausfallzeiten, was für Produktionsleiter, die stets auf der Suche nach einer Erhöhung der Betriebszeit sind, von großer Bedeutung ist.
Natürlich gibt es einige Faktoren, die die Kommunikation zwischen einem VFD und einer SPS beeinflussen können, selbst wenn sie dasselbe Protokoll verwenden. Die Verkabelung spielt eine große Rolle – in Industrieumgebungen gibt es viele EMI (elektromagnetische Störungen) von Motoren, Schweißgeräten und anderen Geräten. Daher ist es wichtig, abgeschirmte Ethernet-Kabel zu verwenden und sie von Stromkabeln fernzuhalten. Wenn die Verkabelung zu nahe an Hochspannungsleitungen verläuft, kann es zu Signalverzerrungen und damit zu Kommunikationsfehlern kommen. Ein weiterer Faktor ist die SPS-Programmierung – wenn die Anweisungen zum Senden von Geschwindigkeitsbefehlen oder zum Lesen von Daten nicht richtig eingerichtet sind, funktionieren selbst das beste VFD und Protokoll nicht. Deshalb ist es wertvoll, mit einem Lieferanten zusammenzuarbeiten, der Unterstützung bei der Einrichtung und Programmierung bietet; Wir helfen unseren Kunden dabei, sicherzustellen, dass die Kommunikation von Anfang an richtig konfiguriert ist.
Lassen Sie uns auch ein weit verbreitetes Missverständnis ansprechen: Manche Leute denken, dass VFDs und SPS nicht kommunizieren können, weil sie von unterschiedlichen Herstellern hergestellt werden. Es stimmt zwar, dass einige proprietäre Protokolle die Kompatibilität einschränken, aber die gängigsten Industrieprotokolle sind offene Standards, was bedeutet, dass jeder Hersteller ein Gerät bauen kann, das sie unterstützt. Deshalb ist es so wichtig, einen VFD zu wählen, der offene Protokolle verwendet, wie wir sie anbieten. Unser Team arbeitet mit Kunden zusammen, um die Kompatibilität mit ihren spezifischen SPS-Modellen zu bestätigen, sodass sie sich keine Sorgen über Probleme machen müssen.
Für kleinere Maschinenwerkstätten könnte man denken, dass dieses Maß an Kommunikation übertrieben ist, aber selbst für kleinere CNC-Fräsen oder Drehmaschinen summieren sich die Vorteile. Eine kleine Werkstatt, mit der ich letztes Jahr zusammengearbeitet habe, fertigte kundenspezifische Teile für örtliche Hersteller an, und ihre alte Anlage nutzte einen einfachen Ein-/Ausschalter für die Spindel, sodass sie die Geschwindigkeit manuell anpassen mussten, indem sie ein Potentiometer am Antrieb drehten. Durch den Wechsel zu einem VFD für Werkzeugmaschinenspindeln, der mit einer kleinen SPS kommuniziert, können sie jetzt mehrere Geschwindigkeitsprofile für verschiedene Materialien – wie Aluminium vs. Stahl – speichern, sodass sie den Antrieb nicht jedes Mal anpassen müssen, wenn sie den Auftrag wechseln. Dadurch verkürzte sich die Zeit für den Auftragswechsel um 20 Minuten pro Teildurchlauf, was zu einer Ersparnis von Hunderten von Dollar pro Monat führte.
Wenn Sie nun auf der Suche nach einem neuen VFD für die Spindel Ihrer Werkzeugmaschine sind oder Ihre aktuelle Konfiguration aufrüsten möchten, um die Kommunikation mit Ihrer SPS zu verbessern, ist es wichtig, nach einem Antrieb zu suchen, der speziell für Werkzeugmaschinen entwickelt wurde, und nicht nur nach einem Allzweck-VFD. Allzweck-VFDs funktionieren möglicherweise für Lüfter oder Pumpen, verfügen jedoch nicht über die Geschwindigkeitsregelung oder Kommunikationsfunktionen, die für Präzisionsbearbeitung erforderlich sind. Die speziellen VFDs für Spindeln, wie unser 380-V-CNC-Spindelfrequenzumrichter, sind für die Bewältigung der hohen dynamischen Belastungen bei der Bearbeitung ausgelegt, unterstützen die erforderlichen Kommunikationsprotokolle und lassen sich nahtlos in SPS integrieren.
Wenn Sie genug von Kommunikationsfehlern, inkonsistenten Spindelgeschwindigkeiten oder ungeplanten Ausfallzeiten aufgrund einer schlechten Integration zwischen Ihrem VFD und Ihrer SPS haben, ist es an der Zeit, etwas zu ändern. Wir haben Hunderten von Werkzeugmaschinenbauern und -betreibern geholfen, ihre Systeme zuverlässig zum Laufen zu bringen, und wir können auch Ihnen helfen. Ganz gleich, ob Sie an einem neuen Maschinenbau arbeiten oder eine bestehende Anlage aufrüsten, unser Team kann Sie bei der Auswahl des richtigen VFD für die Werkzeugmaschinenspindel unterstützen, der zu Ihrer SPS passt, das Kommunikationsprotokoll einrichten und Sie bei jedem Schritt unterstützen. Kontaktieren Sie uns noch heute, um mehr über unsere Lösungen zu erfahren und wie wir die Leistung Ihrer Werkzeugmaschine verbessern können.
Referenzen
- „Industrielle Kommunikationsprotokolle für Werkzeugmaschinenanwendungen“, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Bd. 17, Nr. 3, 2021
- „Antriebe mit variabler Frequenz für die Präzisionsbearbeitung: Kompatibilität und Leistung“, Machining Science and Technology, Bd. 25, Nr. 4, 2022
- „SPS- und Spindelantriebsintegration: Best Practices für die industrielle Automatisierung“, Industrial Automation Magazine, Q2 2023
- „Electromagnetic Compatibility in Industrial Drive Communication“, Journal of Electromagnetic Engineering and Science, Bd. 22, Nr. 2, 2022