Laborskript Grundlagen der CAD / CAM-Technologie

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1 Laborskript Grundlagen der CAD / CAM-Technologie Prof. Dr.- Ing. I. Muhlis Kenter

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 0. Formelzeichen und Abkürzungen...II 1. Einleitung Historische Betrachtung der Konzepte zur vernetzten Fabrik Einführung in die CAD/CAM-Technologie CNC-Technologie NC-Programmierung DNC-Betrieb Allgemeiner Aufbau der CAD/CAM-Systeme Hardware Anwendungssoftware Netzwerk Literaturverzeichnis I

3 Formelzeichen und Abkürzungen 0. Formelzeichen und Abkürzungen APT: BDE: BTR: CAD: CAE: CAM: CAP: CAQ: CAx-Systeme: CIM: CNC: CRM: Automatically Programmed Tool Betriebsdatenerfassung Behind Tape Reader Computer Aided Design Computer Aided Engineering Computer Aided Manufacturing Computer Aided Planning Computer Aided Quality Zusammenfassende Bezeichnung für CAD, CAM, FEM, CAQ etc. Computer Integrated Manufacturing Computerized Numerical Control Customer Relationship Management DIN: Deutsches Institut für Normung e. V. DNC: DXF: EDM: ERP: FEM: IGES: IPC: IT: KMU: LAN: MDE: MIT: NC: Direct Numerical Control oder Distributed Numerical Control Drawing Interchange Format, auch Drawing Exchange Format Engineering Data Management Enterprise Resource Planning Finite Element Methode Initial Graphics Exchange Specification Industrietauglicher Personal Computer Informationstechnik Kleine und mittelständische Unternehmen Local Area Network Maschinendatenerfassung Massachusetts Institute of Technology Numerical Control II

4 Formelzeichen und Abkürzungen PC: PDM: PLM: PPS: Personal Computer Produktdatenmanagement Product Lifecycle Management Produktionsplanung und Steuerungssystem RS232: Radio Sector 232 SCM: SET: SPS: STEP: VDA: VDAFS: VDAIS: VDAPS: VR: WLAN: Supply Chain Management Standard d Echange et de Transfert Speicherprogrammierbare Steuerung Standard for the Exchange of Product Model Data Verband der deutschen Automobilindustrie Flächenschnittstelle des VDA IGES-Subset des VDA Programmschnittstelle des VDA Virtuelle Realität Wireless Local Area Network III

5 Einleitung 1. Einleitung Neue Organisationsformen, die Komplexität der Produkte und die Produktionsverlagerung in Billiglohnländer führten die Produktionsunternehmen zum vernetzten Fabrikbetrieb. Die Vernetzung der im Betrieb laufenden Prozesse hat viele Vorteile wie z.b. die Verkürzung der Durchlaufzeiten, die Erhöhung der Qualität, die Steigerung der Flexibilität, die Verringerung der Betriebsmittelbestände und die Transparenz der Produktion. Die großen Unternehmen haben diese Vernetzung schon realisiert. Auch für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) ist dieses vernetzte Fabrikkonzept, auch Product Lifecycle Management (PLM) genannt, wichtig, da sie auf Dauer nur so wettbewerbsfähig bleiben können. Die Vernetzung des Fabrikbetriebes geschieht durch eine Integrationsplattform, dem so genannten Produktdatenmanagement (PDM). Die PDM-Systeme gewährleisten unter anderem einen reibungslosen Datenaustausch zwischen den im Betrieb eingesetzten IT-Werkzeugen des Produktenstehungsprozesses. PDM-Systeme sind auch bei der Vernetzung der Fabriken, die sich in verschiedenen Standorten befinden, so einzusetzen, dass die Produkte in umfangreichen Netzwerken hergestellt werden können. Die verfügbaren Ressourcen der beteiligten Fabriken lassen sich durch PDM-Systeme, die miteinander verknüpft werden, gemeinsam benutzen. Die CAD/CAM-Systeme, die neben den PDM-Systemen ein weiteres Werkzeug im Rahmen des PLM-Konzeptes sind, sichern die Standardisierung und Automatisierung der betriebsrelevanten Prozesse, indem individuelle Bearbeitungsstrategien und Zyklen erstellt und die Fertigungsdaten (CAD-Zeichnungen, NC-Programme, Werkzeugeinrichteblätter etc.) gemeinsam genutzt werden. 1

6 Historische Betrachtung der Konzepte zur vernetzten Fabrik 2. Historische Betrachtung der Konzepte zur vernetzten Fabrik Der Ursprung der CAD/CAM Entwicklung liegt in der Fertigungstechnik. Die ersten Forschungsarbeiten wurden Anfang der 50er Jahre am Massachusetts Institute of Technology (MIT) durchgeführt und waren für das Gebiet numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen bestimmt. Ziel war es damals, geometrisch komplexe Bauteile (Schaufeln für militärische Flugtriebwerke) ökonomischer, in kürzerer Zeit und mit höherer Qualität herzustellen als mit manuell bedienten Werkzeugmaschinen. Die Bearbeitung dieses Projektes führte im Jahr 1952 zur Demonstration der ersten NC-Werkzeugmaschine am MIT und ab 1955 zur regelmäßigen Nutzung der neuen Technik (NC-Fräsen) in den USA. In den folgenden Jahren wurde die neue Technik in breitere Kreise der Wirtschaft eingeführt. Dabei wurden die NC-Steuerungen durch die zeitlich parallel laufenden Fortschritte auf den Gebieten Elektrotechnik und Computertechnik verbessert. Die ersten Teileprogramme APT (Automatically Programmed Tool, automatisch programmierte Werkzeuge) und die DNCund CNC- Konzepte wurden entwickelt. Ende der 60er Jahre wurden in den USA die ersten Unternehmen speziell für die Entwicklung und Vermarktung von CAD/CAM-Systemen gegründet. In Deutschland begannen die ersten Arbeiten auf dem Gebiet CAD/CAM Ende der 60er bis Anfang der 70er Jahre überwiegend an Universitäten. Ende der 70er Jahre hatten Hard- und Software einen technischen Stand und eine Preisregion erreicht, die den CAD/CAM-Einsatz für eine große Zahl auch mittlerer und kleiner Unternehmen denkbar erscheinen ließen. Die CAD/CAM-Entwicklung bis Ende der 90er Jahre lässt sich in Kürze wie folgt zusammenfassen: Die Leistungsfähigkeit der CAD/CAM-Systeme wurde bei gleichzeitig sinkenden Preisen kontinuierlich gesteigert. Die Benutzerschnittstellen und damit die Handhabbarkeit von CAD/CAM-Systemen wurden durch Einführung und Perfektionierung graphisch-interaktiver Dialogtechniken erheblich verbessert. Die Rechnerleistung wurde dezentralisiert. Vernetzbare Workstations und wenig später auch Personal Computer (PC) lösten die zuvor dominierenden Mehrplatzsysteme ab, bei denen mehrere CAD/CAM- und vielleicht auch andere Arbeitsplätze an einen Zentralrechner angeschlossen waren. Dadurch verbreiteten sich CAD/CAM-Systeme auch in KMU sehr stark [1]. Mit dieser Entwicklung verbunden war eine zunehmende Vereinheitlichung der Betriebssysteme (UNIX für Workstations, DOS für PCs), die wiederum zu einer sinkenden Hardwareabhängigkeit der CAD/CAM-Systeme geführt hat. Die Definition von Schnittstellenstandards, deren Ursprung ausnahmslos in den 80er Jahren liegt, erlangte eine besondere Bedeutung, um den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen CAD/CAM-Systemen zu ermöglichen. IGES war hier der erste pragmatische Ansatz zur 2

7 Historische Betrachtung der Konzepte zur vernetzten Fabrik Übertragung von Geometriedaten und ist heute in unterschiedlicher Leistungsfähigkeit für fast alle Systeme verfügbar. Später traten länderbezogene Lösungen wie VDAFS, VDAIS und VDAPS (Deutschland) und SET (Frankreich) hinzu, die in den weltweit genormten Standard STEP eingegangen sind. Die 80er Jahre brachten die Entwicklung von Konzepten für die vollständig rechnerintegrierte Produktion (Computer Integrated Manufacturing - CIM). Im Rahmen von CIM spielen Konstruktion und Arbeitsplanung mit ihren Hilfsmitteln (CAD und CAP) eine besondere Rolle. Die durch CAD und CAP entstandenen produktbezogenen Daten werden an nachfolgende technische Bereiche (z.b. NC-Programmierung, Maschinensteuerung) und an parallel arbeitende betriebswirtschaftlich-planerische Bereiche (Produktionsplanung und - steuerung) übergeben. In den 90er Jahren nahm der Umstieg der produzierenden Unternehmen von der zweidimensionalen auf eine durchgängig dreidimensionale Modellierung zu. Hintergrund sind die Verfügbarkeit entsprechend leistungsfähiger Systeme, der Druck von Vorreiterbranchen (z. B. der Automobilindustrie) auf ihre Zulieferer sowie die verbesserte Integrationsfähigkeit dreidimensionaler Modelle (z. B. Übergang CAD/CAE). In der Folge verlieren 2D-Systeme an Bedeutung, ihre Preise fallen erheblich. Weil die Bestände an CAx-Daten immer vielfältiger und umfangreicher werden, rückt, analog zu Aktivitäten im Bereich von Produktion (PPS-Systeme), das Management dieser Daten durch EDM/PDM-Systeme immer mehr in den Vordergrund [1]. Bald wurde jedoch erkannt, dass aufgrund der vielen Schnittstellenprobleme zwischen unterschiedlichen Rechner- und Anwendungswelten diese Erwartungen überzogen waren. Eine Ursache für das erste Scheitern der CIM-Welle war die reine Konzentration auf die technische Umsetzung und deren Möglichkeiten. Die Verbesserung und Anpassung der Organisation wurde außer Acht gelassen. Die Schwachstellen der betrieblichen Organisation wurden also nicht beseitigt, sondern in vielen Fällen lediglich deren Auswirkungen offen gelegt. Allein die sorgfältige Strukturierung aller notwendigen Informationen und eine sorgfältige Pflege der in den Rechnern abgelegten Daten und Informationen sowie eine konsequente Standardisierung der Schnittstellen war für viele Unternehmen eine große Herausforderung [3]. Der wichtigste Grund, warum das CIM-Konzept gescheitert ist, waren die Schnittstellenprobleme. Man hat versucht, die einzelne CAx-Werkzeuge (z.b. CAD, CAM, CAQ, etc.) direkt miteinander zu verknüpfen. Zu dem Scheitern der CIM-Realisierung haben auch noch die verschiedene betriebssystemspezifische Hardware, die nicht standardisierten Schnittstellen und die im Betrieb vorhandenen unterschiedlichen Betriebssysteme beigetragen. Aus diesem Grund sind aus den einzelnen CAx-Werkzeugen Insellösungen entstanden, die unabhängig voneinander sehr gut funktioniert hatten. Aber die CIM-Vision 3

8 Historische Betrachtung der Konzepte zur vernetzten Fabrik war die Vernetzung der betriebsrelevanten Prozesse auf eine gemeinsame Plattform. Man hat diese Vision nicht aufgegeben und parallel zu CIM das Produktdatenmanagement (PDM) weiterentwickelt. Historisch gesehen waren PDM Projekte in den 80er Jahren durch die Verwaltung von technischen Dokumenten in Verbindung mit CAD geprägt. In den 90er Jahren wurden, basierend auf den Anforderungen der ISO 9001 und der Produkthaftungsanforderungen, die Dokumente mit den Stamm- und Strukturdaten verknüpft, um einfache Änderungsabläufe abzubilden. Ab dem Jahr 2000 stellen erfolgreiche PDM Projekte viele Informationen, die aus verschiedenen inner- und außerbetrieblichen Datenquellen gefiltert wurden, zur Verfügung [6]. Die PDM-Systeme dienen dem Management von Produktdaten in Verbindung mit der Abbildung und dem Management von technisch-organisatorischen Geschäftsprozessen (Prozessdaten). Diese Systeme dienen dabei als Integrationsplattform für die verschiedenen CAx-Erzeugersysteme. PDM-Systeme bilden einen wichtigen Baustein innerhalb der informationstechnischen Gesamtinfrastruktur eines Unternehmens und müssen mit anderen IT-Systemen z.b. ERP-Systemen kommunizieren bzw. mit diesen abgeglichen werden können [4]. In Bild 1 ist die Entwicklungsstufen des PLM-Konzeptes dargestellt. Demonstration der ersten NC-Werkzeugmaschine für militärische Flugtriebwerke in den USA Entwicklung DNC- und CNC-Konzepte Vermarktung von CAD/CAM- Systemen in den USA Erste Arbeiten auf dem Gebiet CAD/CAM an Universitäten in Deutschland Einsatz der CAD/CAM- Systemen in KMU Definition von Schnittstellenstandards Entwicklung von Konzepten für CIM Entstehung des PDM-Konzeptes Umstieg von 2D- auf 3D- Modellierung Erkennung der Schnittstellenprobleme Erweiterung des PDM-Konzeptes Scheitern des CIM-Konzeptes Standardisierung der Schnittstellen Entwicklung der PDM-Systemen als Integrationsplattform Erweiterung des CIM-Konzeptes als PLM und Digitale Fabrik Bild 1: Historie des vernetzten Fabrikbetriebs Die Entwicklung der PDM-Systeme, die eine Integrationsplattform für die CAx-Werkzeuge anbieten, und die standardisierten Schnittstellen (z.b. STEP) waren ein guter Fortschritt, um das CIM-Konzept zu implementieren. Dazu sollte das Konzept noch die Veränderung der 4

9 Historische Betrachtung der Konzepte zur vernetzten Fabrik Ablauf- und Aufbauorganisation berücksichtigen und die Mitarbeiter in die Vernetzungskette einbeziehen. Diese Erweiterungen des Konzeptes hätte die CIM-Vision zur Realisierung führen können. Mittlerweile wird die Vernetzung der Fabriken so umgesetzt, aber unter anderem Namen. Ein neuer Begriff bzw. ein neues Konzept sollte für den gesamten Produktlebenszyklus gefunden werden. Auf diese Weise ist der PLM-Ansatz entstanden. Als neuer Begriff war PLM in der Diskussion. Softwareanbieter nutzten PLM als Erweiterung von PDM. IT-Manager verstanden darunter einen Oberbegriff für die gesamte fertigungsbezogene IT eines Unternehmens. PLM ist also ein Begriff, der von den Anwendern und den Anbietern von Software unterschiedlich verwendet wurde. Die Softwareanbieter und die Anwender haben sich in Deutschland im Sendler/circle IT-Forum auf eine gemeinsame Definition geeignet. Am 4. Mai 2004 wurden folgende Thesen in diesem Forum in Liebenstein aufgestellt: PLM ist ein Konzept, kein System und keine in sich abgeschlossene Lösung. Zur Umsetzung/Realisierung eines PLM-Konzeptes werden Lösungskomponenten benötigt. Dazu zählen CAD, CAE, CAM, VR, PDM und andere Applikationen für den Produktentstehungsprozess. Auch Schnittstellen zu anderen Anwendungsbereichen wie Enterprise Resource Planning (ERP), Supply Chain Management (SCM) oder Customer Relationship Management (CRM) sind Komponenten eines PLM-Konzeptes. PLM-Anbieter offerieren Komponenten und/oder Dienstleistungen zur Umsetzung von PLM Konzepten. Die Liebensteiner Thesen sollen dazu dienen, die PLM-Anbieter klarer gegenüber den Anbietern anderer IT-Anwendungsbereiche abzugrenzen. Gleichzeitig machen sie deutlich, dass sich der Begriff PLM nicht für die Kategorisierung von Softwaresystemen eignet. Zusammengefasst kann hier gesagt werden, dass PLM weder ein Softwaresystem noch eine Erweiterung von PDM ist. Vielmehr ist PLM ein integrierendes Konzept zur IT-gestützten Organisation aller Informationen über Produkte und deren Entstehungsprozesse über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg, so dass die Information immer aktuell an den relevanten Stellen im Unternehmen zur Verfügung steht. Die Umsetzung von PLM sollte als ein Gesamtkonzept für die Wertschöpfung in die Unternehmensabläufe integriert werden [5]. PLM basiert auf einer engen Zusammenarbeit zwischen Produktentwicklung und Fertigungsplanung, welche durch die Digitale Fabrik unterstützt wird. Deshalb hat die Digitale Fabrik als wesentlicher Bereich innerhalb von PLM so stark an Bedeutung gewonnen [6]. 5

10 Historische Betrachtung der Konzepte zur vernetzten Fabrik Die Definition der Digitalen Fabrik lautet wie folgt: Die Digitale Fabrik liefert ein digitales Abbild der zukünftigen oder bestehenden Fabrikstruktur. Sie unterstützt damit die Kommunikation. Sie visualisiert unterschiedliche Planungsvarianten und eliminiert somit Planungsfehler bereits in der Frühphase. Alle Prozesse und Abläufe in einer Fabrik werden vor ihrem realen Ablauf digital abgebildet, virtuell getestet und simuliert (Bild 2). Kundenwunsch Kundenauftrag Digitale Fabrik Verändern Virtuelle Fabrik Analysieren Planungsinstrumente Fabrikplanung Fabrikbetrieb Gestalten Reale Fabrik (bestehend) Abgleichen Reale Fabrik (neu) Bild 2: Konzept der Digitalen Fabrik [8] Gelingt es, Komponenten und Prozesse zu standardisieren und zu modularisieren, so lassen sich die Aufwendungen der Modellbildung drastisch reduzieren. Ebenso bietet sich die Möglichkeit, die in der Konstruktion der technischen Systeme gewonnenen CAD-Daten für die Modellierung zu verwenden. Die digitale Fabrik ist somit eine rechnerinterne Abbildung der Objekte einer Fabrik. Objekte sind sowohl die Immobilien (Grundstücke, Gebäude) als auch die mobilen Maschinen, Anlagen und Einrichtungen einschließlich der Medienver- und - entsorgung. Darüber hinaus gehören die beweglichen Betriebsmittel (Werkzeuge, u.a.) und möglicherweise auch die für die ergonomische Gestaltung notwendigen digitalen Bilder von Menschen zu den grundlegenden Daten. Prozessdaten und Informationen zu Zuständen oder Eigenschaften der Objekte können in das Datenmanagement integriert werden [3]. Hier ist festzustellen, dass das PLM und die Digitale Fabrik nicht zwei unterschiedliche Konzepte sind, sondern dass die Digitale Fabrik ein unverzichtbares Werkzeug im Rahmen einer weiter greifenden Strategie des PLMs ist. Die Digitale Fabrik, deren Ziel darin besteht, Produktideen möglichst schnell in profitable Produkte umzusetzen, ist wesentlicher Bestandteil einer PLM-Strategie. Der Wert der innovativsten Produktgestaltung wird 6

11 Historische Betrachtung der Konzepte zur vernetzten Fabrik gemindert oder ganz in Frage gestellt, wenn das Produkt nicht wirtschaftlich gefertigt werden kann und/oder zu spät auf den Markt kommt. Hinter der Digitalen Fabrik steckt kein anderes Ziel, als systematisch unnötige Aufwände zu vermeiden und Verschwendung zu eliminieren. Bei der Digitalen Fabrik wird dieses Ziel viel früher angesetzt. Damit werden nicht nur die Fertigungsanlagen selbst, sondern der gesamte Planungs- und Produktionsvorbereitungsprozess abgedeckt. Die Digitale Fabrik stellt dem Fertigungsplaner also die richtige Arbeitsumgebung mit den nötigen Informationen bereit, um zielsicher zu schlanken Produktionssystemen zu gelangen [7]. 7

12 Einführung in die CAD/CAM-Technologie 3. Einführung in die CAD/CAM-Technologie Der Begriff CAD ist für jeden, der in einem technischen Bereich tätig ist, klar. Im Gegensatz dazu wird CAM oft falsch bzw. mangelnd interpretiert. Diese Falschinterpretation sieht oft wie folgt aus: Ein CAM-System liest die mit einem CAD-System erstellten Zeichnungen ein. Aus den eingelesenen Daten erstellt das CAM-System automatisch ein NC-Programm und sendet es an die CNC-Maschine. Diesen Verlauf sollte man eher als CAD-NC-Kopplung bezeichnen. Im Folgenden ist die korrekte CAM-Definition erläutert. CAM ist Oberbegriff für alle technischen und verwaltungsmäßigen Aufgaben auf der Werkstattebene. Dazu zählen neben dem Fertigungssystem auch Lager-, Transport-, Handhabungs- und Montagesysteme. Teilaufgaben von CAM sind die Verwaltung von NCund anderen Programmen, die Verwaltung von Maschinen, Werkzeugen und Prüfmitteln, die Lagersteuerung, die Materialflusssteuerung und die Instandhaltung. Im CAM-System sind mehrere Einrichtungen zusammengefasst, wie z.b. CNC-Maschinen, DNC- und Datenübertragungssysteme, flexible Fertigungszellen und systeme, sowie flexible Transportsysteme für Werkstücke und Werkzeuge. Es geht bei CAM im Wesentlichen um die Umsetzung der in der Arbeitsplanung erstellten Organisations- und Steuerungsdaten in den konkreten Fertigungs-, Montage- und Prüfprozess. Hierbei spielen Technik und Steuerung der Werkzeugmaschinen, Handhabungsgeräte und Prüfeinrichtungen eine wichtige Rolle (Bild 3)[2]. Werkzeugmaschinen Handhabungsgeräte Instandhaltung Prüfeinrichtungen Prüfeinrichtungen Steuerung CAM Verwaltung Werkzeugen Transportsysteme CAP Maschinen Lagersysteme Bild 3: CAM-Umgebung Montage NC und andere Programmen 8

13 Einführung in die CAD/CAM-Technologie 3.1. CNC-Technologie An die Unternehmen der Fertigungsindustrie werden aufgrund zunehmender Typenvielfalt und kürzerer Produktlebenszeiten neue Anforderungen gestellt. Diese Situation bedingt heute Fertigungseinrichtungen, mit denen kleinere Losgrößen mit hoher Produktivität und Qualität wirtschaftlich gefertigt werden. Das Ziel besteht darin, ein variables Produktionsprogramm durch direkte Rechnersteuerung automatisch durchzuführen [5]. Numerische Steuerungen wurden in wenigen Jahren kleiner, schneller, leistungsfähiger und bedienungsfreundlicher. Zudem kamen viele Funktionen und Aufgaben hinzu, um einen höheren Automatisierungsgrad zu erreichen. Unter CNC versteht man eine numerische Steuerung, die einen oder mehrere Mikroprozessoren für die Ausführung der Steuerungsfunktionen enthält. Die CNC-Software umfasst alle erforderlichen Funktionen, wie Interpolation, Lage- und Geschwindigkeitsregelung, Anzeigen und Editor, Datenspeicherung und verarbeitung. Zusätzlich braucht die zu steuernde Maschine ein Anpassprogramm. Dieses Programm wird vom Maschinenhersteller erstellt und in der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) integriert. Darin sind alle maschinenbezogenen Verknüpfungen und Verriegelungen für spezielle Funktionsabläufe festgelegt, wie z.b. für den Werkzeugwechsel, Werkstückwechsel und die Achsbegrenzungen. Die SPS ist häufig das Bindeglied zwischen CNC-Steuerung und den Funktionen einer Werkzeugmaschine. Sie bewirkt auf diese Weise, dass die unterschiedlichen CNC-Steuerungen an eine Maschine anpassbar sind. Sie ist damit Anpasssteuerung [3] NC-Programmierung Unter NC-Programmierung versteht man die Herstellung der Steuerinformationen auf einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, welche zur Bearbeitung eines Werkstückes dienen. Diese Tätigkeit erfolgt heute fast immer mittels Computerunterstützung. Dazu wird eine spezielle Programmiersoftware benötigt. Diese Software bietet eine schrittweise Bedienerführung über Dialog und grafische Anzeige der eingegebenen Werte. Die Programmierungstätigkeit kann sowohl im Büro als auch in der Werkstatt ausgeübt werden. Beiden Bereichen stehen unterschiedliche Programmierhilfsmittel und verfahren zur Verfügung. Der Bearbeitungsablauf, d.h. die Reihenfolge der Zerspanung, der Einsatz von Werkzeugen und die Auswahl der Bearbeitungsparameter übernimmt das NC- Programmiersystem. In Abhängigkeit von den gestellten Anforderungen lässt sich für jeden Anwender das passende Programmierverfahren ermitteln. Die prinzipiellen Möglichkeiten der NC-Programmierung sind im Folgenden zusammengestellt [3, 4]. 9

14 Einführung in die CAD/CAM-Technologie - Manuelle Programmierung Dieses Verfahren verwendet keine Computerunterstützung. Der Programmierer beschreibt die Bearbeitungsaufgabe im steuerungsspezifischen NC-Code, vorwiegend nach DIN Vor Beginn der Programmierung ist zuerst ein Werkzeug-, Arbeits- und Aufspannplan zu erstellen. - Teach-In / Playback-Verfahren Bei diesem Verfahren wird die Maschine an die Positionen manuell angefahren. Die angezeigten Positionsendwerte oder der gesamte Bewegungsablauf werden auf Tastendruck abgespeichert. Dieses Verfahren wird vorwiegend bei Lackierrobotern eingesetzt. Bei Werkzeugmaschinen wird es nur dort angewandt, wo eine exakte Maßbestimmung am Werkstück möglich ist. Hierbei spielt die zur Programmeingabe verwendete Zeit im Verhältnis zur Bearbeitungszeit eine untergeordnete Rolle. - Handeingabesteuerungen Die Rechnerleistung moderner CNCs erlaubt es, ein maschinenspezifisches NC- Programmiersystem mit Grafik und interaktivem Bedienerdialog zu integrieren. Damit wird die CNC zur leistungsfähigen Handeingabesteuerung und kann in der Werkstatt vom Bediener programmiert werden. Handeingabesteuerungen sind speziell für eine bestimmte Maschine bezüglich Funktionalität und Leistungsfähigkeit ausgelegt. Deshalb können sie optimal an deren konstruktive Gegebenheiten und Möglichkeiten angepasst werden. Kollisionsbetrachtungen, Wartebedingungen und die Verteilung der Aufgaben ermittelt die Steuerung maschinenspezifisch viel schneller als ein universelles Programmiersystem und berücksichtigt sie im Programmaufbau wesentlich systematischer. Die Werkstattprogrammierung hat sich insbesondere für das Drehen, Fräsen und Stanzen durchgesetzt. - Computerunterstützte Programmierung Ein Programmiersystem ermittelt aus wenigen geometrischen Eingabedaten die komplette Fertigteilgeometrie und alle Schnittpunkte, Übergänge, Aufmaße, Fasen und Rundungen. Anschließend erstellt das System den gesamten Bearbeitungsablauf incl. Schnittaufteilung, Werkzeugauswahl, Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit und Korrekturwertaufrufe [3, 4]. Mit den universellen Programmiersystemen auf PC-Basis ist eine schnelle, einfache und zuverlässige Programmierung aller NC-Maschinen möglich. Zudem lässt sich der notwendige Geräteaufwand sowohl in der Arbeitsvorbereitung, als auch in der Werkstatt installieren. Dies erleichtert die Kommunikation zwischen Maschinenbediener und Programmierer und bietet viele Vorteile. Im Rechner des Programmiersystems sind außer der eigentlichen Programmiersoftware auch alle erforderlichen Karteien verfügbar, wie Maschinen-, 10

15 Einführung in die CAD/CAM-Technologie Werkzeug- und Vorrichtungskartei, sowie die erforderlichen Postprozessoren. Nachdem die Bearbeitung programmiert und simuliert wurde, lassen sich alle Fertigungsunterlagen für die Werkstatt ausgeben. Zu diesen Unterlagen gehören die Programmliste, die Programmträger, der Aufspannplan und der Werkzeugplan. Bei den rechnerunterstützten Programmiersystemen werden nicht die Werkzeugbewegungen programmiert, sondern die exakten Konturen und Formen des Werkstückes nach Zeichnung. Trotz der zusätzlichen Kosten für das Programmiersystem ist dieses Verfahren im Endeffekt wirtschaftlicher als die manuelle Programmierung [3, 4] DNC-Betrieb Störanfällige Lochstreifenleser, fehlende Programmspeicher, keine Rechnerleistung in der NC-Steuerung, Verwechslung von Datenträgern, umfangreiche Lochstreifenablagen usw. führten zum Konzept des Direct Numerical Control (DNC). Die VDI-Richtlinie 3424 definiert als Aufgabe von DNC die zeitgerechte Verteilung von Steuerinformationen an mehrere NC- Maschinen. DNC heißt zentrale NC-Programmverwaltung, NC-Datenverteilung, NC- Programmerstellung, Materialflusssteuerung, Fertigungsführung und Betriebsdatenerfassung (BDE), wobei die Schwerpunkte unterschiedlich gesetzt sein können [3]. Ein DNC-System ist ein dezentrales Prozessrechnersystem. Es besteht aus den Elementen der Zentrale (Prozesselement, Massenspeicher und Bediengeräte) und den prozessseitigen Anschlussgeräten (DNC-Zusätze und numerische Steuerungen). Zentrale und Anschlussgeräte sind durch Datenübertragungseinrichtungen gekoppelt. Bevor die Netzwerke zur Verfügung standen, wurden die NC-Maschinen sternförmig über direkte Kabelverbindungen und einen Multiplexer an den DNC-Rechner angeschlossen (Bild 4a). Je nach Steuerung und deren Schnittstelle erfolgt der Anschluss über den BTR-Eingang (Behind Tape Reader) oder direkt, z.b. über serielle RS232/V.24-Schnittstelle. Die Bedienung erfolgte ausschließlich vom DNC-Rechner aus. Bei heutigen DNC-Systemen werden fast ausschließlich Datennetze (LAN) installiert, an die alle Steuerungstypen entweder über ein zusätzliches PC-Terminal, oder bei CNC s mit LAN- Schnittstelle direkt anschließbar sind (Bild 4b). Die Bedienung erfolgt entweder über das PC- Terminal oder bei CNC s mit LAN-Schnittstelle über das CNC-Panel. Die PC/IPC-Terminals (IPC = Industrietauglicher PC) lassen sich auch durch einfachere LAN-Adapter ersetzen (Bild 4c). Diese setzen die Daten des LAN-Protokolls in serielle NC-Daten um und umgekehrt. Die Kommunikation mit dem DNC-System erfolgt direkt über das CNC-Bedienfeld. Durch Nutzung der vorhandenen Datenleitung zwischen Rechner, Datenbank und NC-Maschinen können erweiterte DNC-Systeme auch zusätzliche Aufgaben übernehmen, wie beispielsweise die Erfassung von Maschinen- und Betriebsdaten (MDE/BDE) und einfache Leitfunktionen [3, 5]. 11

16 Einführung in die CAD/CAM-Technologie Durch die Entwicklung der Netzwerktechnik wird mittlerweile auch Wireless-LAN- Technologie bei den DNC-Systemen eingesetzt. Der Einsatz der WLAN-Technologie bei den Werkzeugmaschinen erfolgt durch WLAN-Adapter, die an die RS232/V.24-Schnittstelle angeschlossen werden. PC / IPC DNC Multiplexer BTR CNC a: Sternverbindung Bearbeitungszentrum Drehmaschine Werkzeugmessgerät DNC Datenserver CAD LAN (z.b. Ethernet) PPS b: PC / IPC Terminal PC / IPC Terminal NC-Progr. Verbindung über LAN und PC- Terminals bzw. direktem LAN- BTR MDE / BDE CNC mit LAN-Interface Anschluss Bearbeitungszentrum Drehmaschine Drehmaschine c: Verbindung über LAN und LAN-Adapter LAN (z.b. Ethernet) DNC Datenserver CAD PPS NC-Progr. LAN-Adapter LAN-Adapter CNC mit LAN-Interface BTR MDE BDE Bearbeitungszentrum Drehmaschine Drehmaschine Bild 4: Heute verfügbare DNC-Konzepte [2] 12

17 Aufbau der CAD/CAM-Systeme 4. Allgemeiner Aufbau der CAD/CAM-Systeme Das Zusammenspiel von Geräten und Programmen, die ein in sich geschlossenes, geordnetes und gegliedertes Ganzes bilden, wobei die einzelnen Bestandteile abhängig sind bzw. ineinandergreifen, wird als System bezeichnet [1]. Jedes Systemelement kann aus mehreren Teilsystemen bestehen, die verschiedene Aufgaben haben und für den gleichen übergeordneten Zweck arbeiten. Dieser verschachtelte, komplizierte Aufbau kann auch bei heutigen CAD/CAM-Systemen beobachtet werden. Die CAD/CAM-Systeme haben den Zweck, die Fertigungsprozesse unteranderem technisch und planerisch zu unterstützen sodass, die Fertigungsvorgänge reibungslos abgewickelt werden können. Wenn man die CAD/CAM-Systeme als Ganzes betrachtet, bestehen diese Systeme im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: - Hardware für die CAD/CAM-Arbeitsplätze - Software für die rechnerunterstützte Fertigung - Netzwerk zum Datenaustausch und zur Kopplung der Maschinen und Software In Bild 5 ist der typische Aufbau eines CAD/CAM-Systems dargestellt. Server Bearbeitungszentrum VC810 Drehmaschine TC52 Client Client Client Hardware PDM-System Ext. CAD Anwendung Module Fertigungssimulation Fertigungstechnologie CAD NC- Generator Weitere Schnittstellen Module CAx ERP-System WZ Voreinstellung Maschinenpark CAD/CAM-System CAD/CAM- Anwendungssoftware Bild 5: Typischer Aufbau eines CAD/CAM-Systems 13

18 Aufbau der CAD/CAM-Systeme 4.1. Hardware Für CAD/CAM-Systeme können verschiedene Rechnertypen verwendet werden, die sich in der Leistungsfähigkeit ihrer einzelnen Komponenten unterscheiden. Dazu zählen Laptops, einfache Personal Computer (PC), Arbeitsplatzrechner (Workstations), wobei die Grenzen dazwischen fließend sind. In der Werkstattebene kommen die sogenannten Industrie-PCs zum Einsatz, deren Gehäuse sehr robust sind, damit die Hardware vor äußeren Einflüssen geschützt werden kann. Der Arbeitsplatz des Ingenieurs am CAD/CAM-System ist der interaktive Bildschirmarbeitsplatz. Interaktiv bedeutet, dass ein rechnerinternes Modell schrittweise im direkten Dialog zwischen dem Anwender und dem CAD/CAM-System entsteht, indem letzteres jedes Kommando des Anwenders sofort ausführt und das daraus resultierende Ergebnis unmittelbar grafisch anzeigt. Da bei CAD/CAM-Anwendungen fast immer mehr oder weniger komplexe geometrische Objekte dargestellt und manipuliert werden müssen, stellen CAD/CAM-Systeme hohe Anforderungen an die Qualität und Geschwindigkeit der grafischen Informationsausgabe. Die Anforderungen ändern sich nach der Aufgabe des Anwenders. Beispielsweise wird eine leistungsfähigere Grafikkarte für die Simulation des Maschinenraums als für die Simulation der Werkzeugwege benötigt [1] Anwendungssoftware Die CAD/CAM-Anwendungssoftware ist modular aufgebaut. Der modulare Aufbau bedeutet, dass die Anwendungssoftware aus den verschiedenen Programmen besteht, die verschiedene Aufgaben besitzen, aber in einem Verbund arbeiten. Die CAD/CAM-Anwendungssoftware bietet die Möglichkeit zur Kopplung der im Betrieb vorhandenen Systeme, um das PLM- Konzept zu realisieren. Zu diesen Systemen gehören unter anderem ERP-, PDM-, und SCM- Systeme. Die CAD/CAM-Anwendungssoftware kann im Wesentlichen in die folgenden Module eingeteilt werden: - CAD-Kern - NC-Programmierung - Simulationswerkzeuge - Verwaltungsmodul Die CAD/CAM-Systeme besitzen einen CAD-Kern, damit die 3D-Modelle manipuliert werden können. Der CAD-Kern übernimmt auch die Aufgabe zum Datenaustausch mit dem vorhandenen CAD-System. Im CAD-Kern sind die standardisierten Schnittstellen wie STEP, dxf, IGES, etc. integriert. Die herstellerspezifischen CAD-Schnittstellen müssen jedoch von dem jeweiligen CAD/CAM-Systemanbieter implementiert werden. An den CAD-Kern werden die weiteren Module, wie die NC-Programmierung und die Simulationswerkzeuge, angeschlossen. 14

19 Aufbau der CAD/CAM-Systeme Das NC-Programmmodul dient zur Erstellung der nach DIN normierten NC-Programme, die nach der Erstellung in das steuerungsspezifische Format der verwendeten Werkzeugmaschinen konvertiert werden. Das NC-Programmierungsmodul besitzt im Wesentlichen die fertigungstechnologische Unterprogramme, die Werkzeuge zur Simulation der Werkzeugwege und den Konverter für die entsprechenden Werkzeugmaschinen. Neben den Werkzeugwegen kann auch der Maschinenraum mit den entsprechenden Betriebsmitteln zur Kollisionsbetrachtung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug simuliert werden. Durch die Simulation des Maschinenraums können Arbeitsplanfehler im Vorfeld entdeckt werden, wodurch Geld und Zeit in der Werkstattebene eingespart werden können. Die Verwaltungsmodule überwachen die NC-Programme sodass, nachvollzogen werden kann, welches NC-Programm aktuell freigegeben, neuangelegt oder gesperrt ist. Die Verwaltung, die Organisation und die Überwachung jeglicher Betriebsmittel und deren Ersatzteile fallen auch in den Aufgabenbereich dieser Module. Außerdem stellen diese Module einige Kennzahlen zur Verfügung, womit ein Überblick über die NC-Programme und die Betriebsmittel verschafft werden kann. Die Verwaltungsmodule ermöglichen auch, dass die benötigten Dokumente als PDF- oder Word-Format an den entsprechenden Auftrag angebunden werden. In Bild 6 ist der typische Aufbau einer CAD/CAM-Anwendungssoftware dargestellt. PDM-System Weitere Module: - Betriebsmittel-Verwaltung - Betriebsdatenerfassung Module - Dokumentation Ext. CAD - Simulationsumgebung Anwendung - Berechnung (FEM) Fertigungssimulation - CAD Fertigungstechnologie Weitere Module NC- Generator Schnittstellen CAx ERP-System CAD/CAM-System Bild 6: Der Aufbau einer CAD/CAM-Anwendungssoftware 15

20 Aufbau der CAD/CAM-Systeme 4.3. Netzwerk Die erzeugten fertigungsrelevanten Daten müssen in einer Netzwerkumgebung ausgetauscht werden, damit Medienbruch vermieden und die Fertigung flexible gestaltet werden kann. Zu diesen Daten gehören beispielsweise die NC-Programme, die Werkzeugkorrekturdaten und die Daten der einzusetzenden Betriebsmittel. Die heutigen Fertigungseinrichtungen besitzen eine CNC-Steuerung und sind netzwerkfähig. Die Netzwerkfähigkeit kann in verschiedenen Ausführungen vorhanden sein. Die weitverbreiteten Ausführungen sind LAN- und V24- Schnittstelle. Durch die Netzwerkschnittstellen werden die Fertigungseinrichtungen miteinander und mit dem CAD/CAM-System über einen Server verbunden. Häufig werden die sogenannten Industrie-PCs als Client zum Datenaustausch in der Werkstattebene eingesetzt. Die maschinen- und auftragsbezogenen Daten werden durch die MDE/BDE-Terminals erfasst. Die maschinenbezogene Daten sind im Allgemein die bei der Störung von der jeweiligen Fertigungseinrichtung ausgegebenen Meldungen, die von den Sensoren erfassten Daten bezüglich der Maschinenkomponenten und die instandhaltungsrelevanten Daten, wie Öl- und Kühlschmierstoffzustand. Die auftragsbezogenen Daten umfassen im Wesentlichen die Ausschussquote, die Anfang- und Endzeit eines Auftrages, die zur Bearbeitung eingesetzten Werkzeugmaschinen und die Angaben über die relevanten Mitarbeiter. 16

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