RTCP: In hochwertigen Fünf-Achsen-CNC-Steuerungen wird unter RTCP der „Rotated Tool Center Point“ verstanden, also die sogenannte Werkzeugschnittpunktnachführung.

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Die RTCP-Funktion verändert im Wesentlichen den Ablauf der Interpolationsberechnung.

Bei der Fünf-Achsen-Bearbeitung führt die Rotationsbewegung bei der Nachführung der Bahn des Werkzeugschaftspunkts sowie der Orientierung zwischen Werkzeug und Werkstück zu zusätzlichen Bewegungen des Werkzeugschaftspunkts. Da die Steuerungspunkte des CNC-Systems häufig nicht mit dem Werkzeugschaftspunkt übereinstimmen, muss das CNC-System diese Steuerpunkte automatisch korrigieren, um sicherzustellen, dass sich der Werkzeugschaftspunkt gemäß der vorgegebenen Sollbahn bewegt. In der Branche werden diese Technologien auch als TCPM, TCPC oder RPCP bezeichnet. Tatsächlich entsprechen die Funktionsdefinitionen dieser Bezeichnungen im Wesentlichen der RTCP-Funktion; streng genommen wird die RTCP-Funktion jedoch bei Maschinen mit doppelter Schwenkkopfkonfiguration eingesetzt, wobei die Kompensation über den Drehzentrumspunkt des Schwenkkopfs erfolgt. Die RPCP-ähnliche Funktion hingegen findet vor allem Anwendung bei Maschinen mit zwei Schwenktischen und kompensiert die durch die Werkstückrotation verursachten Änderungen der Koordinaten der Linearachsen. Letztlich dienen alle diese Funktionen demselben Ziel: den Werkzeugschaftspunkt und den tatsächlichen Berührungspunkt zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche konstant zu halten.

Werkzeugmaschinen mit RTCP-Technologie – in der Branche als „echte Fünf-Achsen-Maschinen“ bezeichnet – erfordern von den Bedienern nicht mehr, das Werkstück präzise an der Rotationsachsenachse des Rundtisches auszurichten; es kann beliebig gespannt werden, da die Maschine die Positionsabweichungen automatisch kompensiert. Dies verkürzt die Nebenzeiten erheblich und erhöht zugleich die Bearbeitungsgenauigkeit. Zudem ist die Nachbearbeitung einfach: Es genügt, die Koordinaten des Schneidpunkts sowie den zugehörigen Vektor auszugeben. Mechanisch gesehen weisen Fünf-Achsen-CNC-Maschinen vor allem Bauformen mit zwei Schwenkköpfen, zwei Rundtischen oder einem Schwenk- und einem Rundtisch auf.

Wir stellen die RTCP-Funktion anhand eines hochwertigen Fünf-Achsen-CNC-Systems mit zwei Schwenktischen ausführlich vor.

In Fünf-Achsen-Werkzeugmaschinen werden die Konzepte der vierten und fünften Achse wie folgt definiert: Bei einer Konstruktion mit doppelt schwenkbarem Werkstücktisch beeinflusst die Drehbewegung der vierten Achse die Lage der fünften Achse, während die Drehbewegung der fünften Achse die Lage der vierten Achse nicht beeinflusst. Die fünfte Achse ist eine Schwenkachse, die auf der vierten Achse aufsetzt.

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, ist die vierte Achse der Werkzeugmaschine die A-Achse und die fünfte Achse die C-Achse. Das Werkstück wird auf dem C-Achsen-Drehtisch positioniert. Wenn die A-Achse rotiert, beeinflusst dies aufgrund der Anordnung der C-Achse auf der A-Achse auch die Lage der C-Achse. Analog gilt: Wenn wir für das auf dem Drehtisch montierte Werkstück eine Schnittprogrammierung unter Verwendung des Werkzeugmittelpunkts vornehmen, führt jede Änderung der Drehkoordinaten zwangsläufig zu einer Änderung der Koordinaten der Linearachsen X, Y und Z, was eine relative Verschiebung zur Folge hat. Um diese Verschiebung zu beseitigen, muss die Werkzeugmaschine entsprechende Kompensationen vornehmen; genau hierfür wurde die RTCP-Funktion entwickelt – sie dient dazu, diese Kompensationen zu eliminieren.

Wie kompensiert die Werkzeugmaschine diese Abweichung? Im Folgenden werden wir analysieren, wie diese Abweichung entsteht.

Wie aus dem Vorangegangenen hervorgeht, ist die Verschiebung der Koordinaten der linearen Achsen auf die Änderung der rotierenden Koordinatensysteme zurückzuführen. Daher ist die Analyse des Rotationsmittelpunkts der Drehachse von besonderer Bedeutung. Bei Werkzeugmaschinen mit einer Doppel-Drehbankkonfiguration liegt der Steuerpunkt der C-Achse – also der 5. Achse – in der Regel im Rotationsmittelpunkt der Maschinentischfläche. Für die 4. Achse wird hingegen in der Regel der Mittelpunkt der Achsenlinie der 4. Achse als Steuerpunkt gewählt.

Um eine Fünf-Achsen-Steuerung zu realisieren, muss das CNC-System die Beziehung zwischen dem Steuerpunkt der fünften Achse und dem Steuerpunkt der vierten Achse kennen. Das heißt: In der Ausgangsposition (Nullstellung der A- und C-Achsen der Maschine) ist im Rotationskoordinatensystem der vierten Achse, dessen Ursprung am Steuerpunkt der vierten Achse liegt, der Positionsvektor [U, V, W] des Steuerpunkts der fünften Achse bekannt. Gleichzeitig muss auch der Abstand zwischen den Achsenlinien der A- und C-Achsen vorliegen. Für Maschinen mit zwei Drehbänken gilt dies gemäß der nachstehenden Abbildung.

Wie Sie sehen können, sorgt bei Werkzeugmaschinen mit RTCP-Funktion die Steuerung dafür, dass der Werkzeugschaft stets genau an der programmierten Position verbleibt. In diesem Fall handelt es sich um eine unabhängige Programmierung, die nicht von den Bewegungen der Maschine abhängt. Wenn Sie an der Maschine programmieren, müssen Sie sich weder um die Maschinenbewegungen noch um die Werkzeuglänge kümmern – alles, was Sie berücksichtigen müssen, ist die relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Den Rest erledigt die Steuerung für Sie. Ein Beispiel:

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, wird bei deaktivierter RTCP-Funktion die Werkzeuglänge vom Steuerungssystem nicht berücksichtigt. Das Werkzeug dreht sich um die Achsenmitte. Die Werkzeugschneide verlagert sich von ihrer Ausgangsposition und ist nicht mehr fixiert.

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, wird bei aktivierter RTCP-Funktion durch das Steuerungssystem lediglich die Werkzeugrichtung geändert; die Position der Werkzeugschneide bleibt unverändert. Die erforderlichen Kompensationsbewegungen in den Achsen X, Y und Z werden automatisch berechnet.

Wie wird bei Fünfachsen-Werkzeugmaschinen und CNC-Steuerungen, die über kein RTCP verfügen, das Problem der Koordinatenabweichung der Linearachsen gelöst? Wie wir wissen, gehören heute viele inländische Fünfachsen-CNC-Werkzeugmaschinen und -Steuerungen zu den sogenannten „falschen Fünfachsen“ – gemeint sind damit Maschinen ohne RTCP-Funktion. Ob es sich um echte oder falsche Fünfachsen handelt, lässt sich weder an der äußeren Erscheinung noch daran erkennen, ob alle fünf Achsen simultan gesteuert werden; denn auch falsche Fünfachsen können durchaus eine fünffache Achsverbindung realisieren. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass sie über keinen echten RTCP-Algorithmus für Fünfachsen verfügen; mit anderen Worten: Bei der Programmierung auf falschen Fünfachsen müssen die Schwenkweite des Spindelkopfes sowie die Position des rotierenden Werkstücktisches berücksichtigt werden. Das bedeutet, dass bei der Programmierung mit einer solchen CNC-Steuerung und -Werkzeugmaschine unbedingt auf CAM-Programmierung und Nachbearbeitungstechnik zurückgegriffen werden muss, um die Werkzeugbahnen im Vorfeld sorgfältig zu planen.

Bei ein und demselben Bauteil müssen bei einem Wechsel der Werkzeugmaschine oder der Schneidwerkzeuge stets eine neue CAM-Programmierung sowie eine entsprechende Nachbearbeitung durchgeführt werden. Zudem ist es bei einer sogenannten „falschen“ Fünf-Achsen-Maschine erforderlich, das Werkstück so zu spannen, dass es genau im Rotationszentrum der Maschinentisch-Drehachse liegt; für den Bediener bedeutet dies erheblichen Aufwand für das Spannen und Ausrichten des Werkstücks – und die Genauigkeit lässt sich dabei nicht gewährleisten. Selbst beim Indexierfräsen ist die „falsche“ Fünf-Achsen-Technik äußerst umständlich. Im Gegensatz dazu genügt bei der „echten“ Fünf-Achsen-Technik die Festlegung eines einzigen Koordinatensystems sowie nur ein einziger Werkzeugnachlauf, um die gesamte Bearbeitung abzuschließen.

Bei der sogenannten „falschen Fünfachse“ wird mithilfe der Nachbearbeitungstechnologie die räumliche Beziehung zwischen den Mittelpunkten der vierten und fünften Achse der Werkzeugmaschine ermittelt, um die durch die Drehachsen verursachten Verschiebungen der Koordinaten der Linearachsen zu kompensieren. Das dabei erzeugte CNC-Programm enthält in den Achsen X, Y und Z nicht nur die programmierten Annäherungspunkte, sondern auch die erforderlichen Kompensationen für diese Achsen. Dieses Vorgehen führt jedoch nicht nur zu unzureichender Bearbeitungsgenauigkeit und geringer Effizienz; das erzeugte Programm ist zudem nicht universell einsetzbar, und der damit verbundene Personalaufwand ist sehr hoch. Zudem müssen für jede Werkzeugmaschine aufgrund ihrer jeweiligen Rotationsparameter individuelle Nachbearbeitungsdateien erstellt werden, was die Produktion erheblich erschwert. Darüber hinaus lässt sich das von der „falschen Fünfachse“ erzeugte Programm nicht mehr bearbeiten, sodass eine manuelle Programmierung mit einer echten Fünfachse praktisch unmöglich ist.

Gleichzeitig können aufgrund des Fehlens der RTCP-Funktion zahlreiche davon abgeleitete hochentwickelte Fünf-Achsen-Funktionen nicht genutzt werden, etwa die Fünf-Achsen-Werkzeugkorrektur. Tatsächlich ist eine Fünf-Achsen-Maschine für uns lediglich ein Werkzeug zur Erreichung des gewünschten Bearbeitungsergebnisses – es gibt hier keine Unterscheidung zwischen „echt“ und „unecht“. Entscheidend ist vielmehr, welche Bearbeitungsstrategie unsere Prozessplanung vorgibt; relativ betrachtet weisen echte Fünf-Achsen-Maschinen ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis auf.