Systeme und Möglichkeiten

Von Dipl.-Ing. Hans-Peter Linde, Berufsakademie Sachsen

Wer ein technologisches Problem mit Hilfe einer CNC-Maschine lösen will, begegnet zunächst der Maschinensteuerung. Denn erst mit deren Hilfe kann die Maschine überhaupt laufen. Der Anwender muß also die gleiche „Sprache“ sprechen wie die Steuerung. Ihr muß in dieser speziellen Sprache mitgeteilt werden, was die Maschine wie und in welcher Reihenfolge zu tun hat.

Es ist Fachwissen erforderlich, um ein NC-Programm entweder selbst manuell zu schreiben (wird heute nur noch selten gemacht), oder ein Programmiersystem zu nutzen. In jedem Fall hängt die Qualität des Fertigteils von der technologischen Richtigkeit des CNC-Programms ab.

NC-Programme werden in einer bestimmten, nach DIN 66025 standardisierten Sprache abgefaßt. Die einzelnen Befehle zur Steuerung der Maschine gliedern sich in Verfahrbefehle mit Koordinatenangaben und Schaltbefehle. Jeder einzelne Bearbeitungsschritt ist dabei zu programmieren. So beispielsweise könnte ein Programmkopf aussehen:

%_N_SCHRANK5_LINKE_SEITE_MPF

;$PATH=/_N_WKS_DIR/_N_SCHRANK_WPD

N1 G90 G54 G64 G40 M51

N2 G53 G0 Z340 D0

N5 T3

N10 DRR=3 DRZ=180

N15 G0 X200 Y155

usw.

Da zur Beschreibung komplexer Bearbeitungen die DIN-Programmierung sehr schwerfällig ist, wurden in vielen Steuerungen Hochsprachenelemente (z. B. Sprünge, Schleifen) integriert. Für den Anwender ergeben sich damit mehr Möglichkeiten. Damit steigen aber auch die Anforderungen an die Programmierkenntnisse.

Um dem Anwender die Erzeugung von NC-Programmen zu erleichtern, wurden spezielle NC-Programmiersysteme entwickelt (vgl. Abb. 1). Mit grafischer Unterstützung lassen sich dabei relativ einfach Werkzeugwege beschreiben und in ein CNC-Programm umwandeln. Hinzu kommt, daß die heutigen CNC-Steuerungen auf der Basis von Industrie-PC’s arbeiten und dem Anwender den gewohnten Komfort bei der Nutzung bieten. Die Steuerungen verfügen über Festplatten, Diskettenlaufwerke, Farbmonitore und evtl. Netzwerkkarten. In den meisten CNC-Steuerungen sind Programmiersysteme integriert, die unter Windows nutzbar sind.

Analysiert man die Reihenfolge der derzeitigen CNC-Pro-grammerstellung, so lassen sich folgende Strukturen erkennen:

Bei der Auswahl einer geeigneten Software-Lösung muß in jedem Fall von den zu bearbeitenden Bauteilen (Form und Material) ausgegangen werden.

Wesentlich bei rechnergestützten NC-Programmiersystemen ist es, ob man ein spezielles Teilespektrum (z. B. Treppen) konstruiert und fertigt, oder ob man beliebige Teile (z. B. im Innenausbau) fertigen will.

Legt man sich auf ein spezielles Teilespektrum fest und setzt entsprechende Software ein, dann ist der Programmiererfolg in jedem Fall von der Leistungsfähigkeit der Software abhängig. Solch eine Softwarelösung sollte dann alle anfallenden Bereiche abdecken: Konstruktion, die Erzeugung der NC-Programme, deren Verwaltung und Datenübertragung.

Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Programmierverfahren herausgebildet. Bei der werkstattorientierten Programmierung (WOP) wird entweder die Steuerung der Maschine direkt zur Programmierung verwendet, oder es steht ein separater Programmierplatz in der Nähe der Maschine zur Verfügung. Die Programmierung erfolgt meist durch den Maschinenführer. Dem Programmierer ist der aktuelle Maschinenzustand (Verfügbarkeit der Werkzeuge und Spannvorrichtungen) bekannt und er kann dieses Wissen bei der Programmierung berücksichtigen. Oft ist es aber für ihn sehr schwierig, das gesamte Teile- und Fertigungsspektrum zu überblicken. Die Werkstattprogrammierung findet häufig bei nicht verketteten Einzelmaschinen und im Handwerk eine bevorzugte Anwendung (siehe auch Abb. 2).

Die manuelle Eingabe von NC-Programmen, die eigentlich unwirtschaftlichste Form der Programmierung, ist nur noch selten anzutreffen. Sie hat lediglich als Programmkorrektur noch eine gewisse Bedeutung.

Bei der WOP-Programmierung werden zunehmend Systeme eingesetzt, mit denen man variable Bauteile erzeugen kann. Dabei werden sowohl Abmessungen, als auch Bearbeitungen variabel programmiert. Über eine Ikone wird ein Werkzeug angewählt und diesem dann eine Bearbeitung zugeordnet. Im Verlauf der Programmierung eines Bauteils wird eine Bearbeitungsliste (auch Macroliste) erzeugt, die alle Arbeitsoperationen enthält. Diese Liste ist jederzeit veränderbar. Mit den vereinbarten Variablen (z. B. für Länge, Breite und Höhe) werden das Bauteil und seine Bearbeitung beschrieben. Mittels Postprozessor wird dann aus der Macroliste das eigentliche NC-Programm erzeugt. Diese Systeme werden bevorzugt für die Bearbeitung von plattenförmigen Bauteilen eingesetzt. Sie liefern sofort nutzbare CNC-Programme und der Programmierer braucht keine Kenntnisse über den DIN-Code. Ein Beispiel für eine derartige variable Programmierung ist in Abb. 3 dargestellt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man sich anstelle von Variablen Bezugspunkte für eine Bearbeitung definiert, die einen bestimmten Abstand von den Ecken bzw. Seitenmitten der Teile haben (vgl. Abb. 4). Mit der Änderung der Bauteilabmessungen ändern sich dann auch die einzelnen Bearbeitungen: eine Bohrung in der Plattenmitte bleibt immer mittig, egal wie groß die Platte ist. E

Die Teach-In-Programmierung wird bei der Nachbearbeitung von komplexen Bauteilen und Freiformflächen angewandt. Dabei werden mit dem Werkzeug nacheinander alle Bearbeitungspositionen im Handbetrieb angefahren und mittels CNC-Steuerung in ein Programm gespeichert. Anschließend werden im Automatik-Betrieb die Punkte in der gespeicherten Reihenfolge abgearbeitet. Das Teach-In wird bevorzugt dort angewendet, wo relativ einfache Bearbeitungskonturen in komplizierten Lagen bzw. Raumpositionen (meist Freiformflächen) zu bearbeiten sind und der Konstruktionsaufwand für diese Flächen unverhältnismäßig hoch wäre.

In den Anfängen der rechnergestützen NC-Programmierung (vgl. Abb. 5) wurden oft CAM-Systeme eingesetzt, die meistens von einem Fremd-CAD-System die Geometriedaten importierten. Dabei wurden die Geometrien mit dem CAD erzeugt und dann im CAM als Werkzeugbahn aufbereitet und in ein NC-Programm übersetzt. Der Datenaustausch erfolgte meist über DXF-Schnittstelle.

Mit fortschreitender Entwicklung wurden die CAM-Systeme zunehmend mit CAD-Funktionalitäten ausgestattet und entwickelten sich zu selbständigen CAD/CAM-Systemen, mit denen sich Teile vollständig konstruieren lassen. Fremdgeometrien werden mittels Schnittstelle importiert. Diese CAD/ CAM-Systeme dominieren heute auf dem Markt.

Bei der CAD-Funktionalität unterscheidet man zwischen 2D- (bzw. 2½D) und 3D-Systemen. Bei 2D-Systemen werden grundsätzlich nur ebene Gebilde (sog. Flachteile) konstruiert, wobei jedem Element eine bestimmte Z-Höhe zugeordnet werden kann. Im 3D-System werden räumliche Körper konstruiert, die bei Bedarf in 2D-Geometrien überführt werden können. Bei der Ausstattung von CAD/CAM-Systemen sind neben den Grundfunktionalitäten Funktionen, wie Parallel-bahn (Gleichabstandsbahn) und frei definierbare Taschen mit beliebig vielen Inseln wichtig.

In der Konstruktion werden, ausgehend von einem definierten Material (Lage, Abmessungen und Materialart), die einzelnen Elemente des Bauteils konstruiert. Anschließend wird aus der Werkzeugbibliothek ein geeignetes Werkzeug ausgewählt und einer Kontur (Werkzeugweg) zugeordnet. Dabei können die Anschnittbedingungen (Eintauchphase des Werkzeuges) und der Arbeitsvorschub definiert werden. In dieser Art werden alle Bearbeitungen am Bauteil programmiert. Gleichzeitig werden alle so programmierten Bearbeitungsoperationen protokolliert (vgl. Abb. 6). Jeder Bearbeitungsschritt kann nachträglich verändert oder die Reihenfolge der einzelnen Bearbeitungen vertauscht werden. In der grafischen Simulation ist dann das (virtuell) fertigbearbeitete Teil zu sehen. Bei leistungsfähigen CAD/CAM-Systemen wird der Programmierer hier auf eventuelle Kollisionen oder Unmöglichkeiten aufmerksam gemacht. Inzwischen ist es zum Standard geworden, daß man Spannvorrichtungen grafisch anzeigen kann und die Positionen der Spanner in der Zeichnung mit ausgibt. Schließlich wird dann das NC-Programm generiert. Dazu muß ein spezieller Postprozessor für die konkrete CNC-Maschine vorhanden sein. Das CNC-Programm kann dann zur Maschine übertragen werden.

Seit wenigen Jahren besteht auch die Möglichkeit der optischen Erfassung von Bildvorlagen bzw. Bilddateien. Mußte man früher mit großen Digitalisiergeräten im A0-Format vorhandene Skizzen oder Zeichnungen mühselig mit der Lupe abtasten, genügt heute eine konturscharfe Bildvorlage. Über einen Scanner, digitalen Fotoapparat oder Video-Kamera lassen sich Bilddateien erzeugen. Diese Vorlagen werden dann im Rechner ausgewertet (Helligkeits- oder Farbunterschiede) und in einzelne Elemente (Geraden und Bögen) umgesetzt. Bei Bedarf kann man diese Elemente editieren. Entweder werden diese Daten dann in ein Austauschformat (z. B. DXF) übersetzt, oder mittels Postprozessor in ein CNC-Format übertragen.

Wichtig ist bei solchen Bildverarbeitungssystemen, daß eine konturscharfe Vorlage vorhanden ist. Soll die abgetastete Kontur nicht direkt als Werkzeugweg dienen, sondern als begrenzende Kontur einer Teilfläche, kann man über eine frei definierbare Tasche im CAD/CAM-System mit dieser begrenzenden Kontur dann die Fläche ausräumen.

Zusammengefaßt sollte man bei der Auswahl eines CNC-Programmiersystems unbedingt nachfolgende Dinge beachten: Das System muß alle für den Anwender wesentlichen Bauteilformen abdecken. Nicht abgedeckte Bereiche können dazu führen, Aufträge zu verlieren bzw. gar nicht erst zu erhalten. Eine gründliche Überprüfung des (auch künftigen) Teilespektrums ist die unbedingte Voraussetzung vor der Auswahl eines Systems. Das NC-Programmiersystem muß die konkreten Möglichkeiten der jeweiligen CNC-Maschine widerspiegeln:

• Alle Werkzeuge der Maschine müssen im System hinterlegt sein.

• Einsetzbarkeit sämtlicher Spezialvorrichtungen (Spanner) und Aggregate über das Programmiersystem.

• Material und Bearbeitungsart für jedes Teil separat wählbar (z. B. Schruppen, Schlichten, Gleich- und Gegenlauf).

• Leistungsfähigkeit des NC-Programmiersystems muß der Leistungsfähigkeit der CNC-Maschine entsprechen.

Bei der Beurteilung eines CNC-Programmiersystems sollte man unbedingt die Erfahrungen anderer Anwender berücksichtigen. Speziell die Erfahrungen bei der Einarbeitung in das System und die vorhandenen Hilfe-Möglichkeiten sind hier wertvoll. Ein nicht zu unterschätzender Faktor ist auch der „support after sales“, d. h. Service und Unterstützung nach dem Kauf. Es sollte sichergestellt sein, daß dem Anwender bei Fragen oder Problemen stets kompetent und schnell geholfen werden kann. n

Handeingabe: Mittels Tastatur (evtl. mit Dialogführung) wird das CNC-Programm als NC-Code in die Steuerung eingegeben.

Editoren: In der Steuerung befindet sich eine spezielle Software zur Programmeingabe bzw. Änderung und grafischen Darstellung des Programms. Mittels dieser Software wird die Programmeingabe wesentlich erleichtert. Das erzeugte Programm ist lesbarer NC-Code.

Macroprogrammierung: In der Steuerung befindet sich eine spezielle Software. Mit der Auswahl einer bestimmten Technologie, wird ein Macro geöffnet und die benötigten Werte (Maße, Lage, Abmessungen; Werkzeuge, Vorschübe usw.) werden eingegeben.Die eingegebenen Werte werden Parametern eines intern verfügbaren NC-Programms (mit Parametern) zugeordnet und aktualisieren dieses dadurch.Die eingegebenen Werte werden zusammen mit den Bearbeitungsmacros vom Postprozessor in das NC-Programm übersetzt. Die Macros sind in einer speziellen Sprache (nicht CNC-Code) verfaßt.

Teach-In: Mit der Maschine (stillstehendes Werkzeug bzw. Meßtaster) werden im Handbetrieb alle wesentlichen Punkte des Bearbeitungsprogramms in Bearbeitungsreihenfolge angefahren und die jeweilige Position (Soll = Ist) in das Programm gespeichert. Im Automatikbetrieb wiederholt dann die Maschine die gespeicherten Punkte in der gespeicherten Reihenfolge. Die Verbindung der Punkte ist entweder eine Gerade oder ein Spline.

CAM-Systeme: Von einem beliebigen CAM-System werden die Geometrie-Daten über eine Schnittstelle (z. B. DXF, IGES, VDA-FS, STEP, FMX) in ein separates CAM-System übernommen. Dort erfolgt dann die technologische Überarbeitung der Daten (Material- und Werkzeugauswahl). Die fertige, technologisch überarbeitete Geometrie wird dann von einem Postprozessor in ein NC-Programm übersetzt.

CAD/CAM-Systeme: Diese Systeme bestehen aus dem CAD-Teil (Zeichnen) und dem CAM-Teil (Bearbeiten). Nach dem Erzeugen von CAD-Konturen werden diesen dann Konturen Werkzeuge bzw. Technologien zugeordnet. Mittels Postprozessor werden dann die NC-Programme erzeugt. Zeichnung und NC-Programm werden als separate Dateien abgespeichert. Es erfolgt normalerweise kein Datenaustausch über externe Schnittstellen.

Datenbankgestützte CAD/CAM-Systeme: Analog zu CAD/ CAM-Systemen, aber sämtliche Informationen, die das Bauteil (Erzeugnis) oder dessen Herstellung beschreiben, werden in einer Datenbank in einem internen Format abgelegt. Bei Bedarf wird ein NC-Programm mittels Postprozessor generiert. Für die Bearbeitung an der CNC-Maschine muß das NC-Programm aus der Datenbank in ein lesbares CNC-Format konvertiert werden.

Digitalisiersysteme: Eine maßlich nicht bestimmte Kontur (Fläche) wird in eine Punktwolke zerlegt, wobei jeder Punkt durch seine Raumkoordinaten bestimmt ist. 3D-Konturen: berührendes Abtasten eines Körpers mit Meßtaster in einer Maschine (auch CNC-Maschine), oder optisches Abtasten mittels Laser bzw. CCD-Kamera.2D-Konturen: berührendes Abtasten mit Digitalisierbrett/Tablett einer Vorlage, oder optisches Abtasten mit Scanner, Video-Kamera, Digitaler Fotoapparat.