9 Programmgesteuerte Maschinen

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1 176 Fertigen mit Maschinen 1 CNC-Bearbeitungszentrum im Einsatz 9 Programmgesteuerte Maschinen 9.1 Produktionsweisen verändern sich Sowohl in den Betrieben der holzverarbeitenden Industrie als auch in den Betrieben des holz- und kunststoffverarbeitenden Handwerks hat sich die Produktionsweise in den vergangenen Jahren stark verändert. War der Einsatz der Computertechnik in der Fertigung anfangs noch allein den Betrieben der Möbelindustrie vorbehalten. so wurden bald auch die Handwerksbetriebe zu einer Neuorientierung veranlasst. Computergesteuerte Werkzeugmaschinen werden als CNC-Maschinen bezeichnet. Die Kundenwünsche werden individueller und sind gleichzeitig mit einem hohen Anspruch an Verarbeitungsqualität und dem Wunsch nach möglichst kurzen Lieferzeiten verbunden. Auf der anderen Seite sind bei immer höheren Produktions- und Lohnkosten kurze Fertigungszeiten und ein Höchstmaß an Flexibilität notwendig, um wettbewerbsfähig zu bleiben. In der CNC-Technik stehen hohen Anschaffungskosten eine erhöhte und gleichbleibende Bearbeitungsqualität, hohe Fertigungsgeschwindigkeiten und flexible Einsatzmöglichkeiten gegenüber. Mit der Einbeziehung CNC-gesteuerter Holzbearbeitungsmaschinen mit ihren scheinbar unbegrenzten Möglichkeiten in einen bestehenden Betriebsablauf können aber auch Probleme entstehen. Herkömmliche Standardmaschinen werden über Fußund Handhebel, Handräder und Anschläge bedient. Jetzt werden vom Facharbeiter neue Qualifikationen erwartet. Moderne Technik erfordert auch qualifiziertes und motiviertes Bedienpersonal. Die Qualität des Endprodukts und die benötigte Fertigungszeit hängen, neben der Leistungsfähigkeit der CNC-gesteuerten Holzbearbeitungsmaschine weniger von der handwerklichen Geschicklichkeit des Bedieners, sondern von einer präzisen Planung des Arbeitsablaufs ab. Alle Vorüberlegungen werden als sog. Weg- und Steuerungsbefehle im CNC- Programm zusammengefasst. Über die computerähnliche Maschinentastatur werden Fertigungsabläufe eingegeben, die durch die elektronische Steuerung automatisch ausgeführt werden.

2 Programmgesteuerte Maschinen Vom Arbeitsauftrag zur CNC-Fertigung Arbeitsauftrag Eine Tischlerei hat sich auf Kinder-Spielmöbel spezialisiert. Dabei werden keine großen Stückzahlen produziert, sondern die Kundenwünsche werden individuell berücksichtigt. Um die aufwändigen Formteile dennoch konkurrenzfähig anbieten zu können, kommt dem rationellen Einsatz des neuen CNC-Bearbeitungszentrums eine besondere Bedeutung zu. Eine lückenlose Arbeitsvorbereitung ist Pflicht Da der Arbeitsvorgang der CNC-gesteuerten Holzbearbeitungsmaschine ohne weiteres Eingreifen des Bedieners durch das vorher erstellte CNC-Programm automatisch gesteuert wird, ist eine lückenlose fehlerfreie Arbeitsablaufplanung besonders wichtig. Rationelle Fertigung bedeutet für die Arbeitsvorbereitung, dass an jedem Einzelteil des Spielmöbels während einer Einspannung auf dem Arbeitstisch alle erforderlichen Arbeitsschritte durchgeführt werden. Schablonen sind dazu nicht erforderlich, die zu verfahrenden Wege werden durch das CNC-Programm definiert. Arbeitsablaufplan 1. Grobzuschnitt auf der Vertikal-Plattenkreissäge 2. Spannvorrichtungen setzen, d. h. im genannten Beispiel die Vakuumsauger zu positionieren 3. Rohteil auflegen 4. Dübellöcher bohren 5. Konstruktionsbohrungen setzen 6. Nuten für variable höhenverstellbare Tischplatteneinschübe fräsen 7. Aussparungen (Taschen) fräsen 8. Wangenkontur mit Schruppfräser formatieren 9. Kontur profilieren Fasst man die Bearbeitungsverfahren des Arbeitsablaufplanes zusammen, so handelt es sich um Bohren und Fräsen. Auf den Zuschnitt mit dem Bearbeitungszentrum wurde in diesem Fall bewusst verzichtet. Aufgaben 1. Welche positiven Aspekte lassen die Investition in eine CNC-Holzbearbeitungsmaschine sinnvoll erscheinen? Listen Sie die PRO-Argumente auf. 2. Eine selten gestellte Frage: Hat eine solche Maschine nicht auch Nachteile? 3. Erstellen Sie eine Arbeitsablaufplanung für die konventionelle Fertigung. 1 Variantenreiche Kindermöbel bringen Spielspaß 2 Die aufwändige Wange soll in einem Durchgang gefertigt werden

3 178 Fertigen mit Maschinen E C D A B E 1 Die Baugruppen eines CNC-Bearbeitungszentrums in der Übersicht 9.3 Der Aufbau eines CNC-Bearbeitungszentrums Zum besseren Verständnis der nach dem Auflegen des Rohteils und dem Betätigen des Start-Knopfes automatisch (sprich: programm-gesteuert) ablaufenden Fertigung ist der Aufbau der CNC-Maschine genauer zu betrachten: Die wesentlichen Baugruppen eines CNC-Bearbeitungszentrums sind der Schaltschrank (A), der Arbeitstisch (B), das Bearbeitungsaggregat (C), das Werkzeugwechselmagazin (D) und die Arbeitssicherheitsvorrichtungen (E). Der Schaltschrank enthält neben der Bedienungskonsole und dem Bildschirm die hauptsächlichen Steuerungen und elektronischen Ausrüstungen für die Verwaltung der Maschinenfunktionen. Die Abkürzung CNC steht für computerized numerical control, also für rechnergestützte Steuerung durch Zahlen. Der Bediener kann über die Tastatur die notwendigen Bearbeitungsschritte an den Rechner eingeben, kontrollieren und verändern (Bild 2). Die CNC- Steuerung führt die notwendigen Programmberechnungen durch. Für den Datenaustausch zwischen dem Computer, der CNC-Steuerung und der Bearbeitungsmaschine ist die SPS-Steuerung notwendig. SPS steht für speicherprogrammierbare Steuerung, d. h., der Steuerungsablauf ist durch ein eingegebenes und gespeichertes Programm vorgegeben. Die SPS hat die Aufgabe, die errechneten Daten aus der CNC-Steuerung so zu verstärken und anzupassen, dass sie z. B. zur Steuerung der Maschinenfunktionen, der Werkstückaufspannung und zur Abfrage der Sicherheitsbedingungen verwendet werden können. Monitor Start- und Kontrollelemente SPS-Elemente PC-Tastatur 2 Terminal: Schnittstelle zwischen Bediener und CNC- Bearbeitungsmaschine

4 Programmgesteuerte Maschinen 179 Weiterhin stehen am Terminal Anschlüsse für die Datenübertragung wie Diskettenlaufwerk oder Netzwerkanschluss zur Verfügung, so dass im Bedarfsfall über eine Datenleitung im sog. Online-Betrieb ein direkter Programmaustausch mit Rechnern der Arbeitsvorbereitung, dem Konstruktionsbüro oder anderen Bearbeitungsmaschinen möglich ist. Der Arbeitstisch ist mit Vorrichtungen für das Positionieren und Einspannen der zu bearbeitenden Werkstücke ausgestattet (Bild 1). Um das Rohteil beim Auflegen exakt zu positionieren, verfügt der Arbeitstisch über mehrere steuerbare Anschlagreihen, die während des Fertigungsablaufs abgesenkt werden. Arbeitssicherheit und hohe Bearbeitungsqualität sind nur durch eine zuverlässige Einspannung des Werkstücks gewährleistet. 1 Vielseitigkeit beim Spannen und Anlegen der Werkstücke Für das sichere Einspannen sorgen verschiebbare Vakuumsauger. Die Rillen der Oberfläche ermöglichen mittels einer speziellen Gummidichtung die Anpassung des Vakuumbereichs für die jeweilige Fertigung. Vakuumsauger gibt es in unterschiedlichen Größen und in drehbarer Ausfertigung. Zum Einspannen schmaler Rahmenteile oder bogenförmiger Fenster- und Türelemente können mit wenigen Handgriffen Schmalteilspanner angebracht werden. Das Bearbeitungsaggregat ist ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit und die Vielseitigkeit der Bearbeitungsmöglichkeiten Bohren, Fräsen und Sägen (Bild 2). Es besteht im Regelfall aus einer Bohr- und Fräsgruppe mit fest eingespannten Werkzeugen, die einzeln oder als Gruppe für vertikale und horizontale Bohrungen verwendet werden. 2 Für die vielseitigsten Bearbeitungsaufgaben gerüstet Für die Fräsbearbeitung und spezielle Anwendungen mit Winkelbohr-, Fräs- oder Sägeaggregaten wird die leistungsstarke Elektrospindel (auch Hauptspindel genannt) eingesetzt. Sie besitzt eine freie Werkzeugaufnahme, in die mit Hilfe des Werkzeugwechselmagazins automatisch das für den Arbeitsgang notwendige Werkzeug oder Aggregat eingewechselt wird (Bild 3). 3 Die abgelegten Werkzeuge werden vollautomatisch eingewechselt

5 180 Fertigen mit Maschinen Auch wenn der Maschinenbediener am CNC-Bearbeitungszentrum einen relativ großen Abstand von den rotierenden Werkzeugen hat, sind die Sicherheitsvorrichtungen besonders wichtig. Hohe Drehzahlen, hohe Verfahrgeschwindigkeiten, die große Anzahl von Werkzeugen, der automatisierte Fertigungsablauf und eine große Platzbeanspruchung in der Werkstatt stellen genügend Risiken für den Bediener und die Kollegen dar. Um dennoch unter sicheren Bedingungen arbeiten zu können, sind eine Reihe von Sicherheitsvorrichtungen vorgeschrieben. NOT-AUS-Schalter, Notseil und Sicherheits-Trittmatten lassen die Maschine bei Betätigung sofort anhalten. Ein Schutzgitter sichert den seitlichen und hinteren Arbeitsbereich. Es ist mit Schiebetüren ausgestattet, die den Zutritt für Wartungsarbeiten ermöglichen, beim Öffnen die Maschine allerdings umgehend anhalten. 9.4 Abhängigkeiten zwischen CNC-Maschine und Steuerung Für unseren Arbeitsauftrag Spielmöbel soll die Wange gefertigt werden. D. h. nach dem Aufspannen des Rohteils und dem Starten des CNC-Programms arbeitet das Bearbeitungsaggregat nach den Anweisungen der Steuerung die Fertigungsschritte in unterschiedlichen Richtungen ab (Bild 1). Wichtig ist dabei, dass die Position des spanenden Werkzeugs ständig unter Kontrolle gehalten wird. Die Voraussetzung für die Beschreibung von Bewegungen ist ein rechtwinkliges Achsensystem, dem ein karthesisches Koordinatensystem zugrunde liegt. Die Achsen im Koordinatensystem stehen rechtwinklig zueinander und sind auf die Hauptführungsbahnen der Maschine ausgerichtet Verfahrachsen Damit die Arbeitseinheit einer CNC-Maschine alle erforderlichen Fertigungsabläufe an einem Werkstück durchführen kann, benötigt sie mehrere Verfahrachsen. Bei einem CNC-Bearbeitungszentrum sind das mindestens die Hauptachsen X, Y und Z. Die positive Richtung der X-Achse verläuft, wenn man vor dem Arbeitstisch steht, immer nach rechts. Lage und Richtung der Y- und Z-Achse ergeben sich durch die Rechte-Hand-Regel. 1 Die Hauptachsen am Beispiel der Spielmöbelwange

6 Programmgesteuerte Maschinen 181 Für aufwändige Bearbeitungen, z. B. beim Fräsen eines Handlaufkrümmlings (Bild 1) oder bei der Bearbeitung von Sitzschalen benötigt man zusätzliche Drehachsen (A, B, C) (Bild 1, Seite 180). Mit allen Drehachsen ausgestattete CNC-Maschinen erlauben jede räumliche Bearbeitung. Häufig spricht man dann auch von der so genannten Robottechnik. Soll ein CNC-Bearbeitungszentrum in der Tischlerei universell einsetzbar sein, ist die C-Achse (Drehachse von Z) als zusätzliche Nebenachse äußerst sinnvoll. Mit der um 360 drehbaren Achse kann in jedem beliebigen Winkel horizontal gebohrt und gefräst werden. Mit einer um 360 schwenkbaren C-Achse wird auch der Einsatz eines Verleimaggregats für Kanten eine sinnvolle Aufrüstung. 1 Fräsen eines Handlaufs mit einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum Steuerungsarten Die Bewegungsmöglichkeiten der CNC-Maschine werden durch die Leistungsfähigkeit der CNC-Steuerung bestimmt. Es werden drei Steuerungsarten unterschieden. Punktsteuerung Überblick Das Werkzeug wird im Eilgang an den programmierten Punkten positioniert, um anschließend die spanende Verfahrbewegung punktuell auszuführen. Bohren der Konstruktionsbohrungen Streckensteuerung Die spanenden Verfahrbewegungen erfolgen achsparallel in X- oder Y-Richtung. Nutfräsung für Tischplatteneinschub Bahnsteuerung Sie ermöglicht die spanende Verfahrbewegung auf beliebigen Bahnen in einer Ebene oder im Raum punktuell auszuführen. Fräsen des Außenprofils oder einer Kreistasche Merke: Die Bahnsteuerung ist die vielseitigste Steuerungsart. Sie kann auch als Streckensteuerung eingesetzt werden, die Streckensteuerung auch als Punktsteuerung, aber nicht umgekehrt.

7 182 Fertigen mit Maschinen Bezugspunkte Wenn der Rohling auf dem Arbeitstisch platziert ist, benötigt die CNC-Steuerung exakte Angaben über die Position des Werkstücks im Achsensystem der Maschine. Sie benötigt Bezugspunkte, auf deren Grundlage die Koordinaten der Achsen, die für die Fertigung notwendigen Verfahrwege und die Werkzeugdaten verrechnet werden können. Der Maschinennullpunkt ist der Nullpunkt für das Maschinenkoordinatensystem und Ausgangspunkt für die weiteren Bezugspunkte Referenzpunkt und Werkstücknullpunkt (Bild 1). 1 Die Lage der Bezugspunkte 2 Rastertischvarianten bieten vielseitige Aufspannmöglichkeiten und Positionen des Werkstücknullpunkts 3 Vorrichtungen erleichtern das Aufspannen kleiner Werkstücke Der Maschinennullpunkt (M) ist der vom Hersteller vorgegebene Hauptbezugspunkt, auf dessen Grundlage alle anderen Bezugspunkte berechnet werden. Aus konstruktiven Gründen wird dieser absolute Nullpunkt des Maschinenkoordinatensystems in einen Eckpunkt auf der Oberkante des Maschinentischs bzw. des ersten Vakuumsaugers gelegt. Häufig ist dies die linke vordere Ecke, eine verbindliche Festlegung auf einen Eckpunkt gibt es nicht. Da beim Ausschalten der Maschine oder bei einem Stromausfall alle Achspositionsdaten verloren gehen, muss das Messsystem nach jedem Neustart wieder geeicht werden. Durch das Anfahren des Referenzpunkts (R) werden alle Achsen auf null gesetzt. Erst nach dem Anfahren des Referenzpunkts weiß die Steuerung wieder, wo die Maschinenachsen stehen. Da bei einigen CNC-Maschinen die Nullstellung mit bereits eingespanntem Werkzeug erfolgen kann, haben die Maschinenkonstrukteure aus diesem Grund einen zweiten Bezugspunkt im Arbeitsraum festgelegt. Für den Programmierer eines CNC-Programms ist der Werkstücknullpunkt (W) besonders wichtig. Er dient als Bezugspunkt für die Verfahrbewegungen an einem Werkstück, indem er als Ursprung des Werkstückkoordinatensystems festgelegt wird. Da im Arbeitsbereich einer CNC-Maschine immer mehrere Werkstücknullpunkte möglich sind, müssen die Korrekturwerte zum absoluten Nullpunkt M der Steuerung vor dem Programmstart eingegeben werden. Dieser speichert die Abweichungen und berücksichtigt sie durch eine Nullpunktverschiebung bei der Fertigung. Je nach Bauart der Arbeitstische ergibt sich die Positionierung des Werkstücks durch die ausfahrbaren Anschlagreihen in X- und Y-Richtung (Bild 1), durch Positionieranschläge auf einem Rastertisch (Bild 2) oder durch Vorrichtungen.

8 Programmgesteuerte Maschinen Bemaßungsarten für die CNC- Programmierung Auf dem CNC-Bearbeitungszentrum soll die höhenverstellbare Tischplatte (Bild 1) für das Spielmöbel gefertigt werden. Arbeitsablaufplan 1. CNC-Programm erstellen. Hierzu müssen die Fertigungsmaße in Koordinatenmaße umgerechnet werden. 2. Zuschnitt der Platten 3. Spannvorrichtungen setzen 4. Rohteil auflegen und spannen 5. Horizontalbohrungen für Plattenarretierung setzen 6. Ausfräsungen in der Tischplatte durchführen 7. Platte formatieren 8. Kontur (teilweise) profilieren 1 Eine Tischplatte, die zum Spielen einlädt Für die CNC-Programmierung werden fertigungsbezogene Maßeintragungen benötigt. Erst dadurch können die Lage des Werkstücks im Koordinatensystem und die Fertigungsschritte eindeutig beschrieben werden. Als Grundlage für die CNC-Programmierung werden zwei Bemaßungsarten unterschieden: Absolutbemaßung (auch Bezugsbemaßung) und Inkrementalbemaßung (auch Ketten- oder Relativbemaßung). Bei der Absolutbemaßung beziehen sich alle Koordinatenangaben immer auf den gewählten Werkstücknullpunkt. Da dieser vom Programmierer festgelegt wird, hat er die Möglichkeit, durch eine sinnvolle Lage den Programmieraufwand und die Übersichtlichkeit zu beeinflussen (Bild 2). 2 Die Wahl des richtigen Werkstücknullpunkts erspart Arbeit und hilft Fehler vermeiden Bei der Inkrementalbemaßung bezieht sich die Maßposition jeweils auf den zuletzt bemaßten Koordinatenpunkt. Es wird also nur der tatsächliche Weg bemaßt (Inkrement = Zuwachs). Bei dieser Bemaßungsart muss allerdings besonders auf die jeweilige Koordinatenbewegung und die damit verbundene Vorzeichensetzung Acht gegeben werden (Bild 3). 3 Fahrrichtungen des Arbeitsaggregats müssen in Vorzeichen übersetzt werden

9 184 Fertigen mit Maschinen Überblick Bemaßungsarten Absolutbemaßung Inkrementalbemaßung Koordinate X Y P1 0 0 P P P P P P P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 Koordinate X Y P1 0 0 P P P P P P P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 Aufgaben 1. Nennen Sie die wesentlichen Bauteile eines 6. Erläutern Sie den Unterschied zwischen Maschinennullpunkt und Werkstücknullpunkt. CNC-Bearbeitungszentrums. 2. Erläutern Sie den Unterschied zwischen der 7. Beschreiben Sie, wozu die CNC-Steuerung einen Referenzpunkt benötigt. CNC- und der SPS-Steuerung. 3. Durch welche Sicherheitsmaßnahmen werden 8. Erläutern Sie den Unterschied zwischen Absolutund Inkrementalbemaßung. die Bediener an der CNC-Maschine vor Unfällen geschützt? 9. Bei welcher Bemaßungsart ist eine Fehlerkorrektur einfacher durchzuführen? 4. Beschreiben Sie die Lage der Koordinatenachsen an einem CNC-Bearbeitungszentrum. 10. Ergänzen Sie die fehlenden Koordinatenwerte in 5. Welche Steuerungsart ist für die Kantenprofilierung einer kreisrunden Tischplatte notwendig? den Tabellen x und y. Begründen Sie Ihre Antwort.

10 Programmgesteuerte Maschinen NC Weginformationen Programmsteuernde Informationen CNC = M0050 G01 G F300 N0072 M42 N0119 S F10.00 N0122 G03 X Y350 CNC-Programm 1 Struktur der CNC-Programmierung CNC-Prgramm % 001 N10 G90 M11 N20 G00 N30 G01 M Technologische Informationen und Maschineninformationen Programm-Anfang NC-Sätze 9.5 Der Aufbau eines CNC-Programms Zur Fertigung einer Spielmöbelwange (Bild 2, Seite 177) soll das CNC-Programm erstellt werden. Dazu müssen alle zur Fertigung benötigten Informationen in der Abfolge der Arbeitsschritte in einem Programm aufgelistet und der CNC- Steuerung übergeben werden. Programmelemente für den Fertigungsauftrag Spielmöbelwange geometrische Konturelemente: Geraden Informationen (auch Wegbedingungen) technologische Informationen maschinensteuernde Informationen programmsteuernde Informationen Kreisbögen, Kreistaschen, Rechtecktaschen; Koordinaten, Bemaßungsart Werkzeugauswahl: Schruppfräser, Profilfräser, Bohrer; Drehfrequenz, Vorschub Spannen des Rohteils, Werkzeugdatenaufruf, Werkzeugwechsel Programmnummer, Satznummer, Unterprogrammaufruf, Programmende, Sprungbefehle Jedes Programm besteht aus einer beliebigen Anzahl von Sätzen. Jeder Satz besteht aus mehreren unterschiedlich vielen Programmwörtern. Bild 3 zeigt ein Programmwort mit einem Adressbuchstaben und einer Ziffernfolge. Die Adressbuchstaben haben eine feste Bedeutung (z. B.: G = Wegbedingung) und geben an, um welche Information es sich bei der folgenden Ziffer (z. B.: 01 = Geradeninterpolation) handelt. N120 M30 Programm-Ende 2 Aufbau eines Programms Adressbuchstabe G 01 Programmwort Zahl 3 Aufbau eines Programmwortes

11 186 Fertigen mit Maschinen Programmblatt für CNC-Programme LORENZ Name: SPIELTISCHWANGE Datum: Programm-Nr.: Werkstück: Bedeutung Positionieren im Eilgang Geradeninterpolation in Vorschubgeschwindigkeit Kreisinterpolation im Uhrzeigersinn Kreisinterpolation gegen Uhrzeigersinn Aufheben der Fräserradiuskorrektur Fräserradiuskorrektur, links Fräserradiuskorrektur, rechts Nullpunktadressen Absolutmaßeingabe Inkrementalmaßeingabe Satz- Nr. Wegbedingungen Weginformation Maschinen- und programmtechnische Zusatzinformation N G X Koordinate Y Koordinate Z Koordinate I Mittelpunkt-X J Mittelpunkt-Y R Radius F Vorschub (mm/min) S Drehzahl (1/min) T Werkzeug M aschinenfunktion 10 40, ,99 1 Programmschema nach DIN Adressbuchstabe F G I J M N S T X Y Z Bedeutung Vorschubgeschwindigkeit (engl. feed) Wegbedingungen (engl. go) Interpolationsparameter, parallel zur X-Achse Interpolationsparameter, parallel zur Y-Achse Zusatzfunktion Satznummer (engl. number) Spindeldrehzahl (engl. spindel speed) Werkzeug (engl. tool) Bewegung in X-Achse Bewegung in Y-Achse Bewegung in Z-Achse 2 Die gebräuchlichsten Adressbuchstaben nach DIN Wegbedingungen G 00 G 01 G 02 G 03 G 40 G 41 G 42 G 54 bis G 59 G 90 G 91 3 Die wichtigsten Wegbedingungen nach DIN Gliederung des Programminhalts Das CNC-Programm beginnt mit einem %-Zeichen und der Programmnummer. Danach folgen die Programmsätze, die in der Summe der enthaltenen Satzwörter der CNC-Steuerung die Arbeitsanweisung für einen Arbeitsschritt übermitteln. Die Programmsätze werden in der Folge der Satznummern abgearbeitet. Wie bereits angedeutet, halten sich nicht alle Hersteller an die DIN Während die Adressbuchstaben (Tabelle 2) verbindlich sind, können Schlüsselzahlen abweichen. Bei einem Vergleich unterschiedlicher CNC-Steuerungen kann man allerdings feststellen, dass bei der genormten Gliederung des Programmaufbaus ein Übertragen in andere Steuerungsfabrikate keine Schwierigkeiten bereitet Wegbedingungen beschreiben die Form Im Satz N10 des Programmbeispiels (Bild 1) steht das Programmwort G00, im Satz N20 steht G01. G-Wörter sind Wegbedingungen. Wegbedingungen bestimmen zusammen mit den Koordinatenwerten die Geometrie des Werkstücks. Bei der Programmierung wird die Werkstückkontur in geradlinige und kreisförmige Grundelemente zerlegt. Zum Bearbeiten des Teilschritts wird dann die Wegbedingung mit den Koordinatenwerten des Zielpunkts der Verfahrstrecke kombiniert. Werden Kreisbahnen programmiert, sind zusätzlich die Drehrichtung und der Kreisradius bzw. die Koordinaten des Kreismittelpunkts notwendig. Die Bedeutung der wichtigsten Wegbedingungen kann Tabelle 3 entnommen werden.

12 Programmgesteuerte Maschinen 187 Maschinen steuernde Funktionen M 03 M 04 M 05 M 06 M 16 M 10 M 11 M 81 bis 84 M 91 bis 94 M 99 Programmsteuernde Funktionen M 02 M 28 M 30 Bedeutung Arbeitsspindel ein, Rechtslauf Arbeitsspindel ein, Linkslauf Arbeitsspindel aus Werkzeugwechsel Werkzeugdatenaufruf Spannen der Vorrichtung Lösen der Vorrichtung Index für Arbeitsspindeln in Verbindung mit M03, M04, M05 Aggregat in Ruhestellung Bedeutung Unterprogramm-Rücksprung Unterprogrammaufruf Programmende mit Rücksetzen 1 Wichtige Zusatzfunktionen nach DIN Aufgaben Erläutern Sie das folgende CNC-Programm. Beachten Sie dabei die Zeichnung auf der Seite 184 und die Erklärungen zur Fräserradiuskorrektur auf der Seite Was bedeuten im Satz N10 die Wegbedingungen G40 und G90? 2. Was bedeutet die Zusatzinformation M10 in N10? Maschinen- und programmtechnische Zusatzinformationen Zusatzinformationen sind codierte Anweisungen für mechanische und pneumatische Funktionen an der Maschine und für die Steuerung des Programmablaufs (Tabelle 1). Zusatzfunktionen sind durch den Buchstaben M gekennzeichnet. Programmtechnische Zusatzfunktionen, z. B. Unterprogrammaufruf oder Programmende, sind alle satzweise wirksam. Maschinensteuernde Funktionen geben Schaltanweisungen an das Aggregat (z. B. Drehrichtung des Motors), die Werkzeugverwaltung (z. B. Werkzeugwechsel) und die Werkstückaufspannung (z. B. Vakuum-Abfrage). Maschinensteuernde Funktionen bleiben so lange wirksam, bis sie mit einem neuen Schaltbefehl überschrieben werden Wofür steht G42 im Satz N30? Beschreiben Sie die Fräserbahn in den Sätzen N40 bis N90. Im Satz N100 wurde der G-Befehl vergessen, welche Wegbedingung gehört dort hin? Schreibe das CNC-Programm in G91. CNC-Programm für Konturfräsung der Spieltischplatte Prg.: % 001 Blatt-Nr.: 1 Datum:... N G X Y Z R F(mm/min) S(1/min) T M Erläuterungen 10 G40, G90, M10, M99 Anfahren des Programm- G00 1 Startpunkts im Eilgang 20 G Verfahren auf Frästiefe (Zustellung) 30 G01, G M81, M03, Geradeninterpolation, M91 Aufbau der Fräserradiuskorrektur, Einschalten des Aggregats, Rechtslauf, Ausfahren des Aggregats 40 G lineares Anfahren der Kontur 50 G G G G G G radiales Abfahren von der Kontur 110 G00 20 M81, M05, im Eilgang in Sicherheits- M99 abstand Z 120 G00, G M11, M30 Abbau der Korrektur, Programmende

13 188 Fertigen mit Maschinen 9.6 Von der DIN-Programmierung zu Programmiersystemen Mit der stetigen Entwicklung der CNC-Technik war neben Qualitäts- und Wirtschaftlichkeitsoptimierung immer auch das Ziel verbunden, die Bedienung zu erleichtern. Durch die Entwicklung sogenannter werkstattorientierter Programmiersysteme (WOP) entfällt bei den CNC-Maschinen der neuen Generation die Codierung mit DIN-Befehlswörtern immer öfter. WOP-Systeme sind speziell auf die Bedürfnisse von Fertigungsaufträgen im Tischlerhandwerk und in der Möbelindustrie abgestimmt. 1 Die Bedieneroberfläche eines modernen WOP-Systems 2 Mit dem Werkzeugaufruf werden wesentliche Technologiedaten aktiviert Der wesentliche Unterschied zur konventionellen DIN-Programmierung besteht darin, dass das Übersetzen der Zeichnung in eine CNC-Sprache durch den Bediener entfällt. Stattdessen erstellt dieser am Eingabeterminal zuerst eine grafische Kontur, die dem fertigen Werkstück entspricht (Bild 1). Den Konturelementen werden die notwendigen Bearbeitungen (z. B. lineare Fräsbewegung, Bohren) und die entsprechenden Werkzeuge zugewiesen. Arbeitsablaufplan für WOP-Programmierung 1. Rohteil definieren (Dabei wird mit der Anschlagsituation der Werkstücknullpunkt festgelegt) 2. Bearbeitung (z. B. Fräsen) aufrufen 3. Werkzeug zuweisen (Bild 2) 4. Startpunkt des Programms festlegen (Bild 3) (Technologiedaten ergänzen, z. B. Fräserradiuskorrektur, Anfahrbewegung) 5. Konturbahn definieren 6. Testen des Programms durch grafische Simulation 7. CNC-Programm für Bearbeitungszentrum herstellen ( generieren ) 8. Programm speichern 9. Fertigung Auch wenn die Anbieter von CNC-Holzbearbeitungsmaschinen versuchen, ihrem Programmiersystem ein firmentypisches Aussehen zu geben, haben alle WOP grundsätzliche Gemeinsamkeiten. Die Programmieroberfläche baut auf dem Windows- Bildschirm auf und arbeitet mit Symbolleisten, Fenstertechnik und Eingabemasken. Das Programmieren mit DIN-Befehlen im Editor entfällt. Die CNC- Programmiersysteme (WOP) ähneln stark einem CAD-Programm. 3 Mit dem Startpunkt wird die Fräsermittelpunktsbahn festgelegt

14 Programmgesteuerte Maschinen Fräserradiuskorrektur per Mausklick Die Eingabemaske für den Startpunkt einer Bearbeitung zeigt deutlich die Vereinfachung der Programmierung mit einem WOP-System. Zur Programmierung einer Kontur muss der Fräserradius berücksichtigt werden. Bild 1 verdeutlicht, dass die Fräsermittelpunktsbahn um den Fräserradius nach außen versetzt werden muss. Andernfalls entsteht ein um den Fräserdurchmesser schmaleres und kürzeres Werkstück. Bei einer herkömmlichen Programmierung nach DIN muss der Versatz des Fräswerkzeugs in Abhängigkeit von der Bearbeitungsbahn links oder rechts vom Werkstück mit G41 oder G42 eingegeben werden. Die Größe der Korrektur wird aus dem Werkzeugdatenspeicher automatisch aufgerufen. Die Wegbedingung G40 hebt die Korrektur wieder auf. Wie im Bild 3 gezeigt, erfolgen die oben beschriebenen Programmierschritte im WOP-Programm per Mausklick auf die gewünschte Fräserradiuskorrektur. Im gleichen Eingabefenster wird die Anfahrbewegung ausgewählt. Da zu Beginn des Fräsvorgangs ein stoßartiger Anstieg des Schneiddruck nachteilig ist, empfiehlt sich eine lineare oder radiale Anfahrbewegung. Notwendige Abstände zum Aufbauen der Korrektur sind in der Werkzeugverwaltung hinterlegt und werden vom WOP-Programm eingerechnet. 1 Die Fräserradiuskorrektur gewährleistet die richtige Fertigteilgröße 2 Icons ersetzen Wegbedingungen Konturelemente ersetzen Programmsätze Folgt man dem Arbeitsablaufplan, so werden in der weiteren Eingabefolge die Kontur und die Arbeitsschritte in der Fläche in grafische Elemente zerlegt. In der Werkzeugleiste der WOP-Oberfläche sind die Bearbeitungsvarianten (z. B. Gerade, Kreisbogen, Frästasche, Lochreihe) in unterschiedlichen Registern als Icon (Bild 2) dargestellt. Der Benutzer wird über grafische Symbole geführt, DIN-Befehle braucht er nicht zu kennen. Nach dem Mausklick werden in deren Eingabemasken dann die entsprechenden Werte aus der Zeichnung eingesetzt. Parallel zur Eingabe der Bearbeitungsschritte wird im Editor-Fenster ein Protokoll mitgeschrieben. Es handelt sich dabei noch nicht um das CNC-Programm. 3 Eingabemasken machen CNC-Sätze für den Bediener überflüssig 4 Auch aufwändigere Bearbeitungszyklen werden in einem Eingabefenster abgearbeitet

15 190 Fertigen mit Maschinen Das erstellte Konturprogramm kann mit dem integrierten Grafiksimulator auf Funktion und Maßhaltigkeit überprüft werden. Ist die Ablaufqualität am Monitor kontrolliert, wird es mit Hilfe eines Postprozessors bzw. eines Konvertierungsprogramms in ein zeitoptimiertes CNC-Programm nach DIN übersetzt. Nachdem das CNC- Programm aus dem WOP-System der Maschinensteuerung übergeben wurde, kann es abgearbeitet werden. 1 Das Grafikfenster erlaubt eine vorausschauende Kontrolle des Bearbeitungsablaufs 9.7 Rüsten des CNC-Bearbeitungszentrums vor der Fertigung Vor dem Starten des CNC-Programms spielt das Einrichten der Maschine eine wichtige Rolle. Da die Werkstücke über Vakuum gehalten werden, müssen Anschlagsituation des Rohteils, Verfahrwege der eingesetzten Werkzeuge und Saugerposition vor der Fertigung genau bedacht werden. Für die Arbeitssicherheit sind sichere Werkstückaufspannung und freie Verfahrwege von größter Bedeutung. 2 Der Postprozessor generiert das CNC-Programm Da unser Programmbeispiel nicht nur die Kontur umfräst, sondern auch Durchfräsungen in der Platte erhält, wird die Saugerpositionierung erschwert. Für die Horizontalbohrungen benötigt das Bohraggregat zum Absenken ausreichend Platz um die Aufspannung herum. Um die Risiken zu minimieren, besitzt das BAZ Positionierhilfen für Auflagen und Saugernäpfe. Alternativ im WOP-Programm oder im Maschinen-Editor lassen sich die Sauger am eingespiegelten Werkstück grafisch positionieren, um dann zum Rüsten der Aufspannbalken am Display exakt angezeigt zu werden. Ein weiteres Verfahren zum genauen Einrichten der Vakuumsauger ist die Laserprojektion des Werkstücks auf den Arbeitstisch oder über ein so genanntes Videosystem. 3 Wertvolle Zusatzfunktionen ermöglichen eine exakte Saugerpositionierung bereits am Terminal 4 Die von der Steuerung übermittelten Positionierdaten garantieren hohe Arbeitssicherheit

16 Programmgesteuerte Maschinen 191 Werkzeuge müssen verwaltet werden Für die Komplettbearbeitung von Werkstücken werden programmgesteuert nacheinander die notwendigen Werkzeuge aus dem Werkzeugmagazin (siehe Bild 3, Seite 179) eingewechselt. An CNC-Werkzeuge und Spannsysteme werden hohe Anforderungen gestellt. Werkzeuge mit zylindrischem Schaft, ob einteilige, Verbundwerkzeuge oder Messerköpfe, können die geforderte Höchstleistung in punkto Oberflächenqualität, Vorschubgeschwindigkeit und Standweg nur erzielen, wenn sie mit hoher Präzision und schwingungsfrei gespannt werden. Darüber hinaus soll das Spannsystem einen möglichst schnellen Werkzeugwechsel zulassen. Beim automatischen Werkzeugwechsel wird ein Werkzeugsystem bestehend aus Spannzangenfutter, Spannzange und Schaftwerkzeug eingesetzt. 1 Der Profilmesserkopf für das Kantenprofil der Spieltischplatte Bei der Bearbeitung müssen verschiedene Werkzeugabmessungen der Steuerung bekannt sein. Die Werkzeugdaten werden in eine Werkzeugdatenbank eingetragen, damit die Steuerung vor dem Einsatz der Werkzeuge darauf zurückgreifen kann. Die Werkzeugdaten werden auf einen Werkzeugeinstellpunkt (Bild 2) bezogen. In der Werkzeugverwaltung (Bild 3) sind alle Werkzeugdaten hinterlegt. Die Pflege der Werkzeuge und die ständige Aktualisierung der Werkzeugdaten sind für reibungsloses Arbeiten an einem CNC- Bearbeitungszentrum äußerst wichtig, da mit dem Werkzeugaufruf im WOP-Programm automatisch die Technologiedaten wie Vorschubgeschwindigkeit, Drehzahl, Werkzeugradius u.a. zugeordnet werden. Bei neuen Werkzeugen sind die Angaben des Werkzeugherstellers verbindlich. Um eine gleich bleibende Bearbeitungsqualität nach jedem Schärfdienst zu gewährleisten, ist es notwendig, die Daten über Werkzeuglänge und Flugkreisdurchmesser neu zu ermitteln und in der Werkzeugverwaltung anzupassen. Rüstzeiten 2 Das Einmessen der Werkzeugdaten ist Präzisionsarbeit werden durch eine sorgfältige Werkzeugverwaltung reduziert, Probe- und Versuchsfräsungen können weitgehend wegfallen. 3 Auszug aus der Werkzeugverwaltung eines CNC-Bearbeitungszentrums mit insgesamt 37 Werkzeugen

17 192 Fertigen mit Maschinen 1 Für ein Schrankprogramm wird ein flexibel einsetzbares CNC-Programm gebraucht 9.8 Programmieren einer Schrankseite mit Variablen Auch wenn durch die Entwicklung von WOP-Systemen die Eingabe von CNC-Programmen bereits wesentlich bedienerfreundlicher geworden ist, unterliegen die Programmiersysteme einer ständigen Weiterentwicklung. Um Bearbeitungsprogramme für ähnliche, sich nur in der Größe unterscheidende Teile mehrfach nutzen zu können, wurde die Variablenprogrammierung entwickelt. 2 Die Schrankseite eines Standardschranks soll mit Variablen programmiert werden Variablen sind Platzhalter, die im Programm stehen und wie eine Art Zwischenspeicher Zahlenwerte aufnehmen. Dabei kann sich der Wert beliebig ändern. Für ein Schrankprogramm soll ein flexibel einsetzbares CNC-Programm entwickelt werden. Dazu müssen die Rohteilmaße als Variablen definiert werden, d. h. statt der Fertigmaße werden bei der Konturerstellung nicht die X- und Y-Werte eingesetzt, sondern die Variablennamen. Das Programm nutzt nur den Wert, den der Platzhalter in der Variablenliste enthält (Bild 3). Arbeitsablaufplan für Variablenprogrammierung 1. Variablenliste erstellen 2. Rohteil mit Variablennamen definieren 3. Bearbeitung (z. B. Fräsen) aufrufen 4. Werkzeug zuweisen 5. Startpunkt des Programms festlegen 6. Bearbeitungsbahn mit Variablennamen definieren 7. weiter wie auf Seite Die Variablennamen stehen als Platzhalter für Zahlenwerte 4 Die Variablenliste in der Bedieneroberfläche

18 Programmgesteuerte Maschinen 193 Das im Bild 1 abgedruckte Protokoll der Schrankseitenprogrammierung soll die Besonderheiten der Variablenprogrammierung verdeutlichen. Die Fertigmaße des Werkstücks (600 mm x 420 mm x 19 mm) tauchen im Protokoll nicht auf. An ihrer Stelle stehen die Platzhalter. Ändern sich je nach Arbeitsauftrag die Fertigmaße müssen nur die Werte in der Variablenliste ersetzt werden. Das WOP-Programm ist weiterhin identisch. (Erläuterung: Die mit // beginnenden Zeilen sind lediglich Kommentare zum besseren Verständnis des Programmablaufs. Sie werden vom Postprozessor bei der Generierung des CNC-Programms überlesen.) 9.9 CAD/CAM-Systeme Um die rechnergestützte Fertigung noch flexibler an Kundenaufträge anpassen zu können, werden heute zunehmend CAD-Systeme (computer aided design) mit der CNC-Bearbeitung verknüpft. Auch modernste WOP-Programmiersysteme besitzen nicht den Leistungsumfang von marktüblichen Konstruktionsprogrammen. Zum Erstellen von Fertigungszeichnungen für die Werkstatt, für aufwändige Teilschnitte oder dreidimensionale Darstellungen von Einrichtungsobjekten benötigt man ein CAD-System. Sollen die Konstruktionsdaten gleichzeitig für die CNC- Programmierung übernommen werden, braucht man dazu als Schnittstelle ein so genanntes DXF-Dateiformat. DXF-Dateien können von WOP-Systemen gelesen werden, so dass die grafischen Informationen (Geometrie-Daten) aus der Fertigungszeichnung direkt mit den Technologiedaten der Bearbeitungsmaschine kombiniert werden können. Dieses Verfahren der Datenverbindung von der Konstruktion in der Arbeitsvorbereitung an die CNC-Maschine nennt man CAD/CAM-System (computer aided manufacturing). 1 Das Protokoll der Schrankseite mit Kommentaren 2 Die Fertigungszeichnung der Schrankseite im CAD- Programm Aufgaben 1. Beschreiben Sie den Unterschied zwischen der DIN- und der WOP-Programmierung. 2. Warum muss der Fräserradius bei der Programmierung berücksichtigt werden? 3. Erläutern Sie an einem Beispiel den Unterschied zwischen G41 und G Welchen Vorteil bietet eine radiale Anfahrbewegung an die Kontur? 5. Welche Aufgabe hat ein Postprozessor? 6. Wie werden die Positionen der Vakuumsauger ermittelt? 7. Welches Maß ist in der Werkzeugverwaltung mit Werkzeuglänge angegeben? 8. Welchen Vorteil bietet die Variablenprogrammierung? 9. Was versteht man unter einem CAD/CAM- System?