Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal. CNC-Handbuch 2013/2014

Transkript

1 Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal CNC-Handbuch 2013/2014

2 Inhaltsverzeichnis Teil 1 Einführung in die CNC-Technik Historische Entwicklung der NC-Fertigung Erste Nachkriegsjahre Wiederaufbau der Werkzeugmaschinen industrie Weltweite Veränderungen Neue, typische NC-Maschinen Der japanische Einfluss Die deutsche Krise Ursachen und Auswirkungen Flexible Fertigungssysteme Weltwirtschaftskrise Situation und Ausblick Fazit Meilensteine der NC-Entwicklung Was ist NC und CNC? Der Weg zu NC Hardware Software Steuerungsarten NC-Achsen SPS, PLC Anpassteil Computer und NC NC-Programm und Programmierung Dateneingabe Bedienung Zusammenfassung Teil 2 Funktionen der CNC-Werkzeug maschine Weginformationen Einführung Achsbezeichnung Lageregelkreis Positionsmessung Vorschubantriebe Zusammenfassung

3 Inhaltsverzeichnis 5 2 Schaltfunktionen Erläuterungen Werkzeugwechsel Werkzeugwechsel bei Drehmaschinen Werkzeugwechsel bei Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren Werkzeug-Identifikation Werkstückwechsel Drehzahlwechsel Vorschubgeschwindigkeit Zusammenfassung Funktionen der numerischen Steuerung Definition CNC-Grundfunktionen CNC-Sonderfunktionen Anzeigen in CNCs Offene Steuerungen Preisbetrachtung Vorteile neuester CNC-Entwicklungen Zusammenfassung SPS Speicher programmierbare Steuerungen Definition Entstehungsgeschichte der SPS Aufbau und Wirkungsweise von SPS Datenbus und Feldbus Vorteile von SPS Programmierung von SPS und Dokumentation Programm Programmspeicher SPS, CNC und PC im integrierten Betrieb SPS-Auswahlkriterien Zusammenfassung Tabellarischer Vergleich CNC/SPS Einfluss der CNC auf Baugruppen der Maschine Maschinenkonfiguration Maschinengestelle Führungen Hauptantriebe Maschinenverkleidung Kühlmittelversorgung Späneabfuhr Zusammenfassung

4 6 Inhaltsverzeichnis Teil 3 Die Arten von numerisch gesteuerten M aschinen CNC-Werkzeug maschinen Bearbeitungszentren, Fräsmaschinen Drehmaschinen Schleifmaschinen Verzahnmaschinen Bohrmaschinen Parallelkinematische Maschinen Sägemaschinen Laser-Bearbeitungsanlagen Stanz- und Nibbelmaschinen Rohrbiegemaschinen Funkenerosionsmaschinen Elektronenstrahl-Maschinen Wasserstrahlschneid maschinen Entwicklungstendenzen bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen Messen und Prüfen Zusammenfassung Prozessadaptierte Auslegung von Werkzeug maschinenantrieben Grenzen der Betrachtung Ausgangspunkt Bearbeitungsprozess Energiebilanz Aufbau von Werkzeug maschinenantrieben Anforderungen aus den Zerspanprozessen Stationäre und dynamische Auslegung von Vorschub antrieben Lineardirektantrieb in Werkzeugmaschinen Ableitung der Antriebs auslegung aus Prozess kenngrößen Universelle/spezifische Auslegung von Maschinen Auslegung von Vorschub antrieben spanender Werkzeugmaschinen aus Prozessparametern Messsysteme für Werkzeugmaschinen antriebe Systembetrachtung einer Werkzeugmaschine Zusammenfassung Antriebsdimensionierung Energieeffizienz von CNC-Maschinen Einführung Effizienzsteigerung Definition des Prüfzyklus Ergebnis Alternativen Generative Fertigungsverfahren Einführung Definition

5 Inhaltsverzeichnis 4.3 Verfahrenskette Einteilung der generativen Fertigungsverfahren Vorstellung der wichtigsten Schichtbauverfahren Zusammenfassung Flexible Fertigungs systeme Definition Flexible Fertigungsinseln Flexible Fertigungszellen Technische Kennzeichen flexibler Fertigungssysteme FFS-Einsatzkriterien Fertigungsprinzipien Maschinenauswahl und -anordnung Werkstück-Transport systeme FFS-geeignete CNCs FFS-Leitrechner Wirtschaftliche Vorteile von FFS Probleme und Risiken bei der Auslegung von FFS Flexibilität und Komplexität Simulation von FFS Produktionsplanungs systeme (PPS) Zusammenfassung Industrieroboter und Handhabung Einführung Definition: Was ist ein Industrieroboter? Aufbau von Industrie robotern Mechanik/Kinematik Greifer oder Effektor Steuerung SafeRobot Technologie Programmierung Sensoren Anwendungsbeispiele von Industrierobotern Einsatzkriterien für Industrieroboter Vergleich Industrie-Roboter und CNC-Maschine Zusammenfassung und Ausblick Teil 4 Werkzeuge in der CNC-Fertigung Aufbau der Werkzeuge Einführung Anforderungen Gliederung der Werkzeuge Maschinenseitige Aufnahmen Modulare Werkzeug systeme

6 8 Inhaltsverzeichnis 1.6 Einstellbare Werkzeuge Gewindefräsen Sonderwerkzeuge Werkzeugwahl Werkzeug verwaltung (Tool Management) Motive zur Einführung Evaluation einer Werkzeugverwaltung Lastenheft Beurteilung von Lösungen Einführung einer Werkzeugverwaltung Gliederung Integration Werkzeug-Identifikation Werkzeuge suchen Werkzeug-Klassifikation Werkzeug-Komponenten Komplett-Werkzeuge Werkzeuglisten Arbeitsgänge Werkzeug-Voreinstellung Werkzeug-Logistik Elektronische Werkzeug-Identifikation Einführung Funktionsweise/Prinzip Komponenten eines WZ-Ident- Systems Organisatorische Vorteile elektronischer Werkzeug-Ident-Systeme Werkzeugerkennung und -datenverwaltung mit RFID Werkzeugüberwachung Zusammenfassung Prozessnahe Fertigungsmesstechnik Einführung Parallele Messtechniken Prozessnahes Messen in Nebenzeiten Mit Bohrungsmessköpfen nah am Prozess Aktorische Werkzeugsysteme schließen den Regelkreis Mechatronische Werkzeug systeme Geschlossene Prozesskette Ausblick Zusammenfassung

7 Inhaltsverzeichnis 9 Teil 5 NC-Programm und Programmierung NC-Programm Definition Struktur der NC-Programme Programmaufbau, Syntax und Semantik Schaltbefehle (M-Funktionen) Weginformationen Wegbedingungen (G-Funktionen) Zyklen Nullpunkte und Bezugs punkte Transformation Werkzeugkorrekturen Zusammenfassung Programmierung von CNC-Maschinen Definition der NC-Programmierung Programmiermethoden NC-Programmierer Arbeitserleichternde Grafik Verteilte Intelligenz Auswahl des geeigneten Programmiersystems Zusammenfassung NC-Programmier systeme Einleitung Bearbeitungsverfahren im Wandel Der Einsatzbereich setzt die Prioritäten Eingabedaten aus unterschiedlichen Quellen Leistungsumfang eines modernen NC-Programmiersystems (CAM) Datenmodelle auf hohem Niveau CAM-orientierte Geometrie-Manipulation Nur leistungsfähige Bearbeitungsstrategien zählen D-Modelle bieten mehr Innovativ mit Feature-Technik Automatische Objekt erkennung Bearbeitungsdatenbank Werkzeuge Aufspannplanung und Definition der Reihenfolge Die Simulation bringt es auf den Punkt Postprozessor Erzeugte Daten und Schnittstellen zu den Werkzeugmaschinen Zusammenfassung

8 10 Inhaltsverzeichnis 4 Fertigungs-Simulation Einleitung Qualitative Abgrenzung der Systeme Komponenten eines S imulationsszenarios Ablauf der NC-Simulation Einsatzfelder Zusammenfassung Teil 6 Einbindung der CNC-Technik in die betriebliche Informationsverarbeitung DNC Direct Numerical Control oder Distributed Numerical Control Definition Aufgaben von DNC Einsatzkriterien für DNC-Systeme Datenkommunikation mit CNC-Steuerungen Technik des Programm anforderns Heute angebotene DNC-Systeme Netzwerktechnik für DNC Vorteile beim Einsatz von Netzwerken NC-Programmverwaltung Vorteile des DNC-Betriebes Kosten und Wirtschaft lichkeit von DNC Stand und Tendenzen Zusammenfassung LAN Local Area Networks Einleitung Local Area Network (LAN) Was sind Informationen? Kennzeichen und Merkmale von LAN Gateway und Bridge Auswahlkriterien eines geeigneten LANs Schnittstellen Zusammenfassung Digitale Produkt entwicklung und Fertigung: Von CAD und CAM zu PLM Einleitung Begriffe und Geschichte Digitale Produkt entwicklung Digitale Fertigung Zusammenfassung

9 12 Inhaltsverzeichnis Teil 7 Anhang Richtlinien, Normen, Empfehlungen VDI-Richtlinien DIN-Normen NCG-Empfehlungen NC-Fachwort verzeichnis Stichwort verzeichnis Empfohlene NC-Literatur Inserentenverzeichnis Tabellen und Übersichtstafeln Bezugsquellenverzeichnis

10 418 3 Elektronische Werkzeug-Identifikation Voraussetzung für eine durchgängige, lückenlose Werkzeugdatenverwaltung ist ein geschlossener Datenkreislauf. Dazu werden alle Werkzeugdaten automatisch erfasst, fortlaufend aktualisiert, im Werkzeugrechner gespeichert und bei Bedarf an die CNCMaschine übertragen. Hierzu werden heute vorzugsweise RFID-Systeme eingesetzt. Die Überwachung der Werkzeuge im Arbeitsraum der Maschine übernehmen spe zielle Laser-Systeme. 3.1 Einführung Eine wichtige Aufgabe der Werkzeugverwaltung ist es, nicht nur die Werkzeuge selbst zuverlässig zu identifizieren, sondern auch die zu jedem Werkzeug gehörenden Daten unverwechselbar verfügbar zu haben. Je nach Leistungsfähigkeit der CNC müssen beispielsweise folgende WerkzeugDaten eingegeben werden: WZ-Typ WZ-Nummer Ersatz-WZ Magazinplatz Standard-/Serien-/Sonder-WZ Bohrkopf/Plandrehkopf WZ-Gewicht Max. Vorschub und Drehmoment Standzeit/Reststandzeit Vorwarngrenze bei Standz.-Ende WZ gebrochen/defekt Festplatz/variabler Platz WZ-Radius 1/2 Schneidenradius Kollisionsradius 1/2 WZ-Länge 1/2 Kollisionslänge 1/2 Spez. WZ-Code (kundenabh.) Verschleißkorrektur 1/2 WZ gesperrt Fehler-Code (Ursache für WZ-Sperre) Maschinen-Zuordnung Letzter Einsatz in Maschine... Die Wünsche nach weiteren Kennzeichnungsdaten können mit der Leistungs fähigkeit der CNCs noch zunehmen. Es lässt sich aber schon aus dieser Aufzählung erkennen, dass die Daten automatisch ein- und auslesbar sein müssen, da die manuelle Eingabe wegen des erforderlichen Zeitaufwandes und der Fehlermöglichkeiten unzumutbar ist, einfache, mechanische Werkzeug-Codierungen die Anforderungen nicht erfüllen (z. B. Codierringe), die Daten unverwechselbar und unverlierbar gespeichert sein müssen, Dateneingabe, -handhabung und -ausgabe an mehreren Stellen des Betriebes möglich sein muss, die Datenverwaltung nach der einmaligen Eingabe in der CNC erfolgen muss, um Zeit zu sparen,

11 3 Elektronische Werkzeug-Identifikation das Identifikationssystem für unterschiedliche Werkzeuge verwendbar sein muss. Dafür bieten heute die elektronisch ar beitenden Werkzeug-Identifikationssysteme die besten Voraussetzungen. Deren wichtigste Komponente ist ein elektronischer Datenspeicher-Chip, der fest mit dem Werkzeug verbunden wird und mit einem speziellen Lesekopf gelesen werden kann (Bild 3.1). 3.2 Funktionsweise/Prinzip Der Datenaustausch zwischen dem Datenträger-Chip und der Elektronik erfolgte bei den frü heren Systemen über Kontakte. Kontaktverschleiß und Verschmutzung führten gelegentlich zu Lesefehlern. Heute stehen induktive, kontaktlos arbeitende Geräte zur Verfügung, die eine wesentlich höhere Lesesicherheit haben. Es werden zwei unterschiedliche Prinzipien eingesetzt, und zwar das Nur-Lese-System (Bild 3.2) und das Schreib-Lese-System (Bild 3.3). Das Nur-Lese-System verwendet Daten träger mit einer vorgegebenen, achtstelligen Ident nummer. Die Leseköpfe im Werkzeugraum, am Einstellgerät und an der Maschine arbeiten in Verbindung mit einem zentralen Werkzeug-Rechner, der alle Werkzeugdaten in einer Datenbank speichert und verwaltet. Der Codeträger liefert dem Werkzeugrechner nur die Ident nummer und dieser ordnet die vorher ein gegebenen, Werkzeug-bezogenen Daten den festen Identnummern zu. Alle Daten werden auf dem Bildschirm des Rechners in einer übersichtlichen Maske geordnet und angezeigt. Die CNC erhält die Daten automatisch, wenn die Identnummer beim Einbringen des Werkzeuges in das Werk- Bild 3.1: Zwei feststehende und ein drehen des Werkzeug mit integriertem Datenträger zeug-magazin durch den Lesekopf erkannt wird. Das Schreib-Lese-System verwendet Datenträger mit höherer Speicherkapazität und kann bis zu 511 Byte Werkzeugdaten speichern. Diese Kapazität reicht aus, um die wichtigsten Daten wie Werkzeug-Nummer, -Typ, Länge, Durchmesser, Standzeit, Gewichtsklasse u. a. zu speichern. Diese Daten können jederzeit durch den SchreibLesekopf aktualisiert, geändert und gelesen werden. Anders dargestellt: Das Werkzeug trägt alle Daten ständig mit sich und benötigt deshalb beim Einbringen in eine CNCMaschine keine Verbindung zum Werkzeug-Rechner. Verlässt ein Werkzeug die Maschine, werden die Daten auf dem Datenträger automatisch aktualisiert, wie z. B. Reststandzeit, Verschleißkorrektur u. a. Ist die CNC an einen DNC-Rechner angeschlossen, dann können die Daten bei Bedarf auch über diese Verbindung an den Werkzeugrechner zwecks externer Verwaltung weiter gegeben werden.

12 420 Teil 4 Werkzeuge in der CNC-Fertigung 420 Bild 3.2: Beim Nur-Lese-System ist der Datenträger mit einer festen Nummer versehen, alle zugeordneten Daten jedes Werkzeuges sind im zentralen Rechner unter dieser Nummer gespeichert und werden dort abgerufen. Bild 3.3: Beim Schreib-Lese-System sind in dem Datenträger die Werkzeugnummer und alle zugehörigen Werkzeugdaten programmiert und können direkt gelesen werden.

13 3 Elektronische Werkzeug-Identifikation Komponenten eines WZ-Ident- Systems Nach der bisherigen Darstellung besteht ein elektronisches Werkzeug-Identifika tionssystem aus folgenden Komponenten: den Codeträgern, auch als Chip bezeichnet, mit fester oder veränderbarer Codierung, den Lese- bzw. Schreib-Lese-Köpfen mit Vorverstärkern, der Lesestation, die mit den Leseköpfen zusammenarbeitet und die Ident-Nummer an einen Rechner oder eine CNC weitergibt, bzw. eine Auswerteinheit für Schreib-LeseSysteme, deren Ausgänge (RS232, V24) zum Anschluss eines PCs oder einer CNC geeignet sind, einem Werkzeug-Rechner zur Speicherung und Verwaltung der Werkzeug daten und einer entsprechenden Software für Datenspeicherung, Datenverwaltung, Da- tenaustausch und zur übersichtlichen Anzeige über spezielle Bildschirmmasken. Die technischen Daten bezüglich Leseabstand, Lesezeit, Programmierzeit, Schreibzyklen, Strom versorgung u. a. sind bei den Herstellern zu erfragen. 3.4 Organisatorische Vorteile elektronischer WerkzeugIdent-Systeme (Bild 3.4) Im Hinblick auf die bei hoch automati sierten CNC-Maschinen benötigten Datenmengen, die für eine umfassende Werkzeugverwaltung er forderlich sind, bietet ein solches System gra vierende Vorteile, wie z. B.: einen automatischen Datenfluss zwischen Einstellgerät, Werkzeug, Werkzeugrechner, CNC und Bediener, mehr Sicherheit beim Datenaustausch durch Vermeidung von Eingabefehlern Bild 3.4: Funktionsprinzipien des Nur-Lese-Systems und des Schreib-Lese-Systems

14 422 Teil 4 Werkzeuge in der CNC-Fertigung 422 und zusätzliche Überwachung gegen zufällige Schreib- und Lesefehler, kürzere Rüstzeiten an den Maschinen, bessere Nutzung der Werkzeug-Standzeiten, Rationalisierung des Werkzeug-Lagers und der Werkzeug-Einstellung, Wegfall der Werkzeug-Datenblätter in der Werkstatt, bessere, automatische Werkzeug-Statistik, Unterstützung der Mitarbeiter bei Zu sammenbau, Vermessung und Kontrolle der Werkzeuge, Möglichkeit der besseren WerkzeugVerwaltung. 3.5 Werkzeugerkennung und -datenverwaltung mit RFID In der rechnergesteuerten Fertigung sind Ma terial- und Informationsfluss untrennbar miteinander verbunden. Dies gilt für Paletten, Spannvorrichtungen und Werkstücke, insbesondere jedoch für die Werkzeuge, die häufig ihren Einsatzort wechseln und ihre Daten verändern. Mechanische Codierungen und Barcode- Etiketten haben sich deshalb für eine automatische Werkzeugdatenverwaltung als unbrauchbar erwiesen. Durchgesetzt haben sich die induktiv arbeitenden Systeme, bekannt unter der Kurzbezeichnung RFID. Dieses Prinzip und die Komponenten garantieren eine ausreichende Robustheit, Unempfindlichkeit gegenüber rauen Umgebungseinflüssen und eine zuverlässige Datensicherheit. Durch Einsatz von RFID-Systemen ist die Standortbestimmung der Werkzeuge, die Vermeidung von Maschinenschäden durch falsche Werkzeugdaten, sowie die Verwendung ohne nochmaliges Vermessen während der Gesamt-Standzeit gewährleistet. Dies gilt sowohl für die Nutzung in der Maschine, als auch während des Trans- ports und im Werkzeuglager (Geschlosse ner Kreislauf). Beim Einsortieren in das Magazin werden die Werkzeugdaten automatisch gelesen, in den Speicher der CNC übertragen und während des Betriebes fortlaufend dem aktuellen Magazinplatz zugeordnet. Bei den folgenden automatischen Werkzeugwechseln vom Magazin in die Spindel und zurück sind keine weiteren Lesevorgänge erforderlich, was die Wechselzeiten verkürzt. Was bedeutet RFID : Das Kürzel RFID steht für Radio Frequency Identification Device. Dies ist eine automatische, elektronische Identifika tionstechnik, wel che zur berührungslosen Identifikation von Gegenständen, Waren, Personen, Tieren, in der Prozesssteuerung, der Verfolgung von Waren oder Güter strömen, bei der Zutrittskontrolle, und vielen weiteren Aufgabengebieten zunehmend eingesetzt wird. Dafür stehen mehrere unterschiedliche Datenträger und Leseköpfe zur Verfügung. Ein RFID-System umfasst folgende Komponenten: den Transponder (auch RFID-Etikett, -Chip, -Tag, -Label oder Funketikett genannt) als Datenträger, die Sende-Empfangs-Einheit (auch Reader oder Schreib-Lesekopf genannt) für die Korrespondenz mit dem Transponder, die Auswerteinheit, die den bidirektionalen Datentransfer zwischen SchreibLesekopf und dem Transponder steuert und Daten zwischenspeichert. Sie ist angeschlossen an ein Rechnersystem zur Bearbeitung und Verwaltung der Daten.