Wissenswertes zur CNC-Simulation

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1 Wissenswertes zur CNC-Simulation Für eine Menge von Anwendungsfällen gibt es Simulationen, z. B. zu den Auswirkungen bei einem Autounfall, zum Materialflusses im Unternehmen, zur Bewegungen von Robotern oder Maschinen, in der Medizintechnik, Flugsimulatoren für Piloten, usw. Simulationen können auf dem Computer ausgeführt werden, um vor dem Ernstfall die Auswirkungen zu sehen, Fehler zu erkennen und zu beheben. Der Vorteil liegt klar auf der Hand: folgenschwere Fehler für Leib und Leben oder für teure Maschinen und Anlagen können so zum großen Teil schon im vorab ausgeschlossen werden. Mit der stetigen Zunahme der Rechnerleistung werden auch die Simulationsprogramme immer leistungsfähiger, bieten oft erstaunliche Übereinstimmung mit der Realität und lassen immer zuverlässigere Vorhersagen zu. Hier beschäftigen wir uns nur mit grafischen (bildanzeigenden) Simulationen für CNC- Werkzeugmaschinen, die uns das Ergebnis eines selbst erstellten CNC-Programms anzeigen. Also auch nicht mit CAM-Modulen, welche aus einem 3D- Modell oder einer fotografischen Vorlage mehr oder weniger automatisch ein CNC-Programm generieren und simulieren können, das wäre ein extra Thema. Es gibt statische (unbewegte) und dynamische (bewegte) Simulationen, wobei die statische Simulation das Ergebnisbild, wie etwa das fertige Werkstück, anzeigt. Bei der statischen Simulation kann die Geschwindigkeit, die Verfahrrichtung des Werkzeuges und viele andere Informationen nicht mehr nachvollzogen werden, deshalb ist hierbei eigentlich die Bezeichnung Simulation nicht ganz angebracht. Heutiger Standard bei der CNC-Bearbeitung ist die dynamische Simulation, wobei beobachtet werden kann, wie sich ein Werkzeug am Werkstück entlang bewegt, ob es zwischendurch einen unnötigen Weg macht, richtig zum/vom Werkstück an- und abfährt und vieles mehr. Hierbei gibt es natürlich auch große Unterschiede in der Ausführung: von der einfachen zweidimensionalen Darstellung des Werkstückes als Drahtmodell bis zur kompletten, fotorealistischen Ansicht als Volumenmodell mitsamt Spannmitteln und der zugehörigen Maschine mit 5 Achsen und mehr. Dementsprechend sind auch die Preisunterschiede: Einfache Simulationen (teilweise auf DOS-Basis) sind manchmal kostenlos im Internet zu haben, eine vernünftige 3-dimensionale Volumensimulation beginnt ab ein paar hundert Euro und die Königsklasse mit der Abbildung des kompletten Bearbeitungsraumes fängt bei einigen tausend Euro an und je nach Ausbaustufe für maschinenspezifische Extras hat der Preis nach oben fast keine Grenze. Nicht zu vergessen, die bereits in mancher Maschinensteuerung integrierte Simulation, die es je nach Hersteller und Baujahr in verschiedenen Ausführungen gibt. Eine nachträgliche Aufrüstung der Maschinensteuerung mit grafischer Simulation ist oft nicht möglich und wenn doch, dann meistens sehr kostspielig. Zur richtigen Darstellung des Verhaltens der jeweiligen Steuerung ist ein Postprozessor notwendig. Ein Postprozessor ist ein Programm, welches Grafikdaten und technologische Daten in ein CNC-Programm umwandelt oder umgekehrt. Bei den CNC-Simulationen ist üblicherweise mindestens je ein standardisierter Postprozessor für Drehen und Fräsen enthalten, der die meisten Programmbefehle nach DIN ausführen kann, jedoch fehlen die speziellen Befehle für die unterschiedlichen Steuerungen und Maschinentypen. Deshalb werden viele Simulationen bereits mit einer Reihe von vorgefertigten Postprozessoren für gängige Steuerungen ausgeliefert. Gute Simulationsprogramme enthalten die Möglichkeit, dass man selbst zusätzliche Postprozessoren erstellen kann. Oft bieten sich auch die Hersteller zur kostenpflichtigen Erstellung individueller Postprozessoren an. Nachfolgend einige beispielhafte Darstellungen verschiedener Simulationen.

2 2-D und Drahtmodelle 2-D Abbildung Werkzeug- 2-D Abbildung mit Werkstückumriss Mittelpunktsbahnen 3-D Drahtmodell ohne Werkstück 3-D Drahtmodell mit Werkstück 2-D Drehteil Dame 2-D Drehteil Läufer 2-D Simulationen sind allenfalls für 2D-Anwendungen, wie Brenn-, Laser- und Wasserstrahlschneiden interessant. Für Fräsen nicht mehr auf dem aktuellen Stand, für Drehen bedingt brauchbar. Lassen keine detaillierte Fehlererkennung zu und stellen hohe Anforderungen an die Vorstellungskraft des Personals. Aufgrund des niedrigen Preises vielleicht noch für Hobbyanwender interessant.

3 3D Volumenmodelle 3-D Volumenmodell eines Flaschenöffners 3-D Volumenmodell mit Nullpunkt, eingefärbtem Werkstoffabtrag und Werkzeugwegen Drehteile als 3-D Volumenmodelle 3-D Simulationen als preiswerte Ergänzung zu einer fehlenden Simulation in der Werkstatt oder Entlastung der Maschine bei schon vorhandener Simulation. Gut zur Ausbildung geeignet, weil es einer maschineneigenen Simulation am nächsten kommt. Wünschenswerte Features: Bild zoomen, drehen, verschieben, Messfunktion, Schnittdarstellung, Exportfunktion als 3D-Modell.

4 Simulation mit Darstellung der Maschine 3-D Simulation einer Drehmaschine bei der Fräsbearbeitung mit angetriebenen Werkzeugen 3-D Simulation einer Fräsmaschine Die Simulation mit Darstellung der Maschine ist die komfortabelste und teuerste Lösung, jedoch ab 5-Achsenbearbeitung unerlässlich. Diese Simulationen sind entweder fertig auf eine spezielle Maschine zugeschnitten zu bekommen oder zur individuellen Erstellung einer virtuellen Maschine mit vorgegebenen Modulen wie Spindelstock, Maschinenbett, Werkzeugwechsler, Spannmittel, welche über Parameter an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden können. Im normalen Werkstattbetrieb mit häufig wiederkehrenden einfacheren Werkstücken eher zu aufwendig. Für die Ausbildung ideal, da sämtliche Faktoren an der Maschine berücksichtigt werden, zumal bei einigen Anbietern auch Nachbildungen der Original-Bedienfelder für bekannte Steuerungen zugekauft werden können, um sie neben dem PC-Arbeitsplatz zu benutzen.

5 Wie entstehen eigentlich die Verkaufspreise? Egal, ob es sich um ein aufwendiges Computerspiel für rund 30 Euro, ein Standard- Betriebssystem oder um eine hochprofessionelle CAD-Anwendung für Euro oder mehr handelt, es steckt jahrelange Arbeit und viel Herzblut der Programmierer dahinter. Man spricht bei der Entwicklungszeit auch von Mannjahren, wobei bei manchen Programmen 100 Mannjahre und mehr keine Seltenheit sind. 100 Mannjahre bedeuten, dass ein Programmierer dafür 100 Jahre benötigt, oder 100 Programmierer ein Jahr, oder 50 Programmierer 2 Jahre, usw. Wenn man nachrechnet, kommt man dabei auf enorme Entwicklungskosten eines Computerprogramms. Kein Wunder, dass heute die Programmierung oft gerne in Billiglohnländer ausgelagert wird. Auch muss volles Verständnis für die Softwarehersteller gezeigt werden, dass sie jede Form von Produktpiraterie mit allen rechtlichen Mitteln verfolgen. Ein Computerspiel, welches Entwicklungskosten in Millionenhöhe verursacht, lohnt sich nur, wenn es danach auch millionenfach verkauft wird. Dadurch kann dann auch der Preis so gestaltet werden, dass sich jeder Haushalt dieses Spiel kaufen kann. Sicherlich kann man sich leicht vorstellen, dass Software für betriebliche Anwendungen nicht zu einem familienfreundlichen Preis verkauft werden kann, weil professionelle Standard- Anwendungen allenfalls in Tausender-Stückzahlen abzusetzen sind. Oft werden speziell zugeschnittene Programme für Unternehmen erstellt, welche dann die vollen Programmierkosten tragen müssen. Allerdings relativiert sich der Preis für Unternehmens- Software, weil damit ja Geld verdient werden soll, so dass sich die Software früher oder später bezahlt macht, zudem kann die Anschaffung als Betriebsausgabe beim Finanzamt abgesetzt werden. Nehmen wir als Beispiel eine preiswerte 3D-Simulation Fräsen und Drehen für ein paar hundert Euro. Das Programm erleichtert die CNC-Programmierung, eliminiert Fehler, erübrigt langwierige Versuche an der Maschine, erspart einen aufwendigen Probelauf. Für die Einarbeitung in das Programm muss einmalig circa ein Tag veranschlagt werden, falls noch Postprozessoren angepasst werden müssen, dauert es dementsprechend länger. Danach setzt der Spareffekt ein. Für eine Maschinenstunde einer Standard CNC-Maschine kann man durchschnittlich mit ca. 100 Euro rechnen. Daraus folgt, dass einige wenige eingesparte Stunden das Programm schon bezahlt machen, weil die früher notwendigen Versuche und Testläufe an der Maschine entfallen und während dieser Zeit weiter produziert werden kann. Ein zusätzlicher Effekt ist, dass der CNC-Programmierer leichter und schneller programmiert, weil er Fehler sofort entdecken und verbessern kann. Was in manchem Privathaushalt oft wochenlange Kämpfe zwischen Eltern und Kindern für ein billiges (nach Ansicht der Eltern unnötiges) Computerspiel verursacht, erübrigt sich für den Unternehmer bei professioneller Software. Die ursprüngliche Investition verwandelt sich nach kurzer Zeit in ein Geschenk, welches auch noch Geld einbringt. Copyright 2007 Stephan Pausch