Die Modelle des Zwillings und ihre Grenzen

Der Zwilling ist die MC-1 als Programm: Twinwrights eigener Kernel läuft darin, und physikalische Modelle stehen für die Teile der Maschine rund um die Steuerung. Jede Zahl, die der Zwilling über die physische Welt angibt, ist eine Schätzung aus einem physikalischen Modell. Seine Parameter stammen aus der Konstruktion der Maschine, aus den Datenblättern der Teile und aus veröffentlichten Werten; jede MC-1 soll bei der Inbetriebnahme vermessen und ihr Zwilling auf die Messwerte eingestellt werden (geplant). Jeder Abschnitt unten endet mit dem, worauf seine Parameter beruhen.

_Entwurf (Runde 14): Der Text wird noch geschrieben; die Abschnitte können noch wachsen._

Die Steuerung

Die Steuerung im Zwilling ist Twinwrights eigener Kernel, aus demselben Quelltext gebaut wie die Firmware der Maschine. Modelliert wird die Platine um ihn herum: ihre Timer und Schrittimpulse, ihre Eingänge mit deren Entprellung, ihre Verbindung zum Computer (der serielle USB-Port und sein Handshake) und die Zeit, die der Vordergrund der Steuerung braucht.

Grundlage: der eigene Code des Kernels; die Zeit des Vordergrunds ist eine Schätzung, bis sie auf der Platine gemessen wird.

Bewegung und Antriebe

Jede Achse wird von einem Schrittantrieb mit geschlossenem Regelkreis und einem Kugelgewindetrieb angetrieben. Der Zwilling modelliert sie in vier Detailstufen; Standard ist ein Dreimassenmodell:

die Lageregelung des Antriebs: die magnetische Feder des Motors um die Sollposition, sein mit der Drehzahl abfallendes Drehmoment, das Außertrittfallen bei zu hoher Last, der Alarm des Antriebs, wenn der Schleppfehler zu groß wird;
die Reibung in den Führungen, in der Mutter und in den Lagern sowie die Schwerkraft in Z;
die Nachgiebigkeit der Übertragung zwischen Motor, Gewindespindel und Tisch, das Umkehrspiel der Mutter, der Rahmen unter der X-Achse;
die Leistungsversorgung der Antriebe: die Not-Halt-Kette, das Schütz, die Zeit, die die Antriebe zum Hochfahren brauchen.

Grundlage: die Konstruktion (Massen, Trägheiten, Steifigkeit aus Handrechnung und Finite-Elemente-Analyse), die Datenblätter der Antriebe und Motoren; Reibung und die internen Parameter des Antriebs sind Annahmen, bis sie gemessen werden.

Geometrie- und Genauigkeitsmodell

Wenn es eingeschaltet ist, verschiebt der Zwilling die Werkzeugspitze um die geometrischen Fehler der Maschine: den Steigungsfehler jeder Achse und seinen periodischen Anteil, zwei Geradheitsfehler und drei Winkelfehler, die über ihre Abbe-Arme wirken, die Rechtwinkligkeit zwischen den Achsen, das Umkehrspiel der Mutter sowie die Wärmedehnung der Gewindespindeln und der Spindel. Die Endschalter sehen die Schlitten, der Werkzeuglängensensor und der Messtaster sehen die Werkzeugspitze, wie an der Maschine. Das Modell ist standardmäßig aus: Der nominelle Zwilling ist ideal.

Grundlage: Tabellen einer typischen aufgebauten Maschine, aus den Genauigkeitsklassen der Teile abgeleitet. Sie sind nicht die Spezifikation der Maschine; sie werden bei der Inbetriebnahme durch die Messung der Maschine nach ISO 230-2 ersetzt (geplant).

Wärme

Die Spindel und die Kugelgewindetriebe erwärmen sich im Betrieb und kühlen in Ruhe ab; der Zwilling behält ihre Temperaturen zwischen den Sitzungen bei und verschiebt je nach Temperatur die Werkzeugspitze und die Steigung der Gewindespindeln.

Grundlage: thermische Modelle erster Ordnung mit angenommenen Parametern, bis das Warmlaufen der Maschine gemessen ist.

Spindel und Antrieb (Frequenzumrichter)

Der Spindelantrieb ist so modelliert wie der der Maschine: Die Steuerung spricht über RS-485 mit ihm, im eigenen Protokoll des Antriebs, Byte für Byte mit der eingestellten Geschwindigkeit, und der Antrieb antwortet so, wie sein Handbuch es beschreibt, einschließlich seiner Parameter, die bestimmen, ob er zuhört. Dahinter: das Drehmoment des Motors aus seinem Schlupf, sein Strom und die Überstrom-, Überlast- und Unterspannungsabschaltungen des Antriebs, der Zwischenkreis, der den Antrieb über einen kurzen Spannungseinbruch hinweg am Leben hält, die Wasserpumpe.

Grundlage: die Daten des Antriebs und des Motors; die Kapazität des Zwischenkreises, der magnetisierende Anteil des Stroms und die Reibung sind Annahmen, bis sie gemessen werden.

Der Schnitt

Das Rohteil ist ein Höhenfeld mit feineren Bereichen dort, wo Sie sie anfordern. Jede Bewegung des Werkzeugs trägt ab, was die Form des Werkzeugs überstreicht, sodass die Form des Werkstücks aus dem Programm selbst entsteht.

Die Schnittkraft ergibt sich aus den Schnittkoeffizienten des Materials, die sich mit der Spanungsdicke und der Schnittgeschwindigkeit ändern und Zahn für Zahn an der tatsächlichen Form des Werkzeugs berechnet werden (Flachfräser, Kugelfräser, Torusfräser, V-Fräser). Aus der Kraft schätzt der Zwilling die Last und die Leistung der Spindel, die Durchbiegung des Werkzeugs und das Risiko eines Werkzeugbruchs: die Biegespannung am Spannutgrund gegenüber der Festigkeit des Hartmetalls.

Grundlage: veröffentlichte Schnittdaten für die Materialien (die Quelle jedes Materials steht im Maschinenprofil), ein scharfes Werkzeug, typische Werkzeuggeometrie.

Rattern

Für jeden Schnitt berechnet der Zwilling aus den Schwingungsmoden des Werkzeugs und der Maschine und der Geometrie des Schnitts die Tiefe, bei der der Schnitt bei der verwendeten Spindeldrehzahl zu rattern beginnen würde, und wählt eine Spindeldrehzahl, bei der der Schnitt stabil ist. Außerdem schätzt er aus der erzwungenen Schwingung des Schnitts, wo die Wände am Ende liegen.

Die Werkzeugspitze hat in jeder Richtung drei Moden: die Struktur der Maschine, den Werkzeughalter in Spannzange und Spindel und die Biegung des Werkzeugs selbst. Die Frequenz der Biegemode ergibt sich aus der Form des Werkzeugs – seinen Schneiden, seinem Hals und Schaft und seiner Auskraglänge: etwa 14 kHz für einen Schaftfräser von 6 mm mit 20 mm Auskraglänge, über 100 kHz für einen von 0,2 mm. Werkzeuge unter etwa 1 mm rattern, wenn überhaupt, mit ihrer eigenen Biegung, bei einer Tiefe, die kaum von der Spindeldrehzahl abhängt; der Zwilling berechnet diese Tiefe für jeden Schnitt im Zeitbereich.

Grundlage: die Moden des Rahmens aus der Finite-Elemente-Analyse, eine angenommene Mode des Halters und die Biegung des Werkzeugs, aus seiner Geometrie mit der Balkentheorie geschätzt; die Dämpfung aller drei ist angenommen (3 %). Noch keine davon ist gemessen: Sie sollen durch einen Klopftest an der aufgebauten Maschine gemessen werden, und bis dahin sind die stabilen Tiefen Schätzungen. Die Dämpfung des Schnitts selbst ist nicht modelliert: Für kleine Werkzeuge liegt der Ratterkennwert auf der sicheren Seite.

Rundlauffehler

Ein Fräser, dessen Achse gegenüber der Spindelachse versetzt ist, schneidet mit seinem äußersten Zahn: Bohrungen werden größer und Zapfen kleiner (Befund 187). Der Zwilling schneidet mit dieser Hüllkontur; CAM berücksichtigt sie bei Passungen. Ein Werkzeug kann seinen eigenen Rundlauffehler in seiner Angabe mitbringen – die Klasse einer Präzisionsspannzange oder einen gemessenen Wert (tir3: sein Rundlauffehler in Mikrometern); sonst gilt der der Maschine.

Grundlage: ein angenommener Rundlauffehler, bis er an der Maschine gemessen wird.

Werkzeugverschleiß

In 1.0 ist jedes Werkzeug ein neues: Die Form, die es schneidet, und seine Kräfte sind die eines scharfen Werkzeugs, wie lange es auch schon geschnitten hat. Für eine spätere Version ist geplant, für jedes Werkzeug mitzuzählen, wie viel Standzeit ein Programm verbraucht. Werkzeuge, die Aluminium zerspanen, werden meist zuerst gewechselt, weil Aluminium an der Schneide haftet und das Werkstück Grate oder eine schlechtere Oberfläche zeigt, nicht weil die Freifläche verschlissen ist.

Der Messtaster

Der Messtaster ist ein Werkzeug, dessen Kugel den Messtastereingang schaltet, wenn sie das Werkstück berührt. Der Zwilling berechnet die Berührung exakt aus der Form des Rohteils und aus den geschnittenen Flächen, Schrägen eingeschlossen. Zwei Modelle: ein idealer Messtaster, der schaltet, sobald die Kugel berührt, und ein typischer Messtaster mit richtungsabhängigem Vorlauf, drei Keulen, Streuung und einem Taststift, der bricht, wenn er zu weit gedrückt wird.

Grundlage: typische Werte für einen schaltenden Messtaster; kalibrieren Sie den Messtaster an einer Ringlehre, bevor Sie damit messen.

Der Z-Freiraum

Für die Aufspannung auf dem Tisch berechnet der Zwilling den höchsten Punkt, der überfahren werden muss, und für das Werkzeug in der Spindel und jedes Werkzeug in der Werkzeugtabelle die Höhe der Werkzeugspitze am oberen Ende von Z. Ein Werkzeug, das die Aufspannung nicht überfahren kann, wird gemeldet, wenn sich die Aufspannung oder das Werkzeug ändert (Befund 188).

Grundlage: die Konstruktion der Maschine und die Werkzeuglängen wie angegeben.

Kollisionen und Spannmittel

Der Zwilling prüft das Werkzeug, seinen Halter und die Spindel gegen das Werkstück, das Spannmittel und die Maschine und warnt vor einer Beinahe-Kollision. Die Spannmittel (Spannpratzen, Schraubstock, Prisma, Klebeband, ein fixiertes Werkstück) halten das Werkstück mit einer Kraft fest; ein Schnitt, der stärker drückt, kann es verrutschen lassen.

Grundlage: die Geometrie der Maschine und der Spannmittel aus der Konstruktion; die Haltekräfte sind Schätzungen.

Was nicht modelliert wird

die Oberflächenstruktur und die Rauheit über die Lage der Wände hinaus;
Aufbauschneiden, Späne und ihre Abfuhr;
dünne Wände, die sich unter dem Schnitt biegen;
die Eigenwärme des Werkstücks;
was nach einem Werkzeugbruch geschieht.

Die Abnahmetests, die eine gebaute Maschine brauchen (die Messungen der Antriebe und der Geräusche, die Schnittkräfte, die Oberfläche, die Wärme, die Moden des Rahmens, der Schattenmodus mit einer echten Maschine), stehen in den Entwurfsnotizen des Zwillings (docs/06, Abschnitt 7).