CNC-Handbuch. 30., überarbeitete Auflage. Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal Karsten Schwarz

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1 Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal Karsten Schwarz CNC-Handbuch 30., überarbeitete Auflage

2 Global Industry Partner of WorldSkills International Automatisierungsund Antriebs-Ausbildung leicht gemacht Umfassende Unterstützung für Lehrende und Lernende in Bildungsstätten Siemens Automation Cooperates with Education (SCE) Lehrunterlagen Kurse Trainer Pakete Partnerschaft siemens.de/sce

3 Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal Karsten Schwarz CNC-Handbuch 30., überarbeitete Auflage CNC DNC CAD CAM FFS SPS RPD LAN CNC-Maschinen CNC-Roboter Antriebe Energieeffizienz Werkzeuge Industrie 4.0 Fertigungstechnik Richtlinien Normen Simulation Fachwortverzeichnis

4 Die Herausgeber: Hans B. Kief, Michelstadt Helmut A. Roschiwal, Augsburg Karsten Schwarz, Schwabach Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Zu diesem Buch wird für Dozenten eine Power-Point-Präsentation im Internet angeboten, vorgesehen zur Unterstützung der Vorlesungen über CNC-Technik. Der Foliensatz besteht aus über 400 Folien mit erläuternden Notizen und ist abgestimmt auf die 30., überarbeitete Auflage des CNC-Handbuchs. Um die Dateien herunterladen zu können, loggen Sie sich ein oder melden Sie sich an unter: Carl Hanser Verlag München Gesamtlektorat: Dipl.-Ing. Volker Herzberg Herstellung: Cornelia Rothenaicher Titelillustration: intact Multimedia & Werbung, Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Umschlaggestaltung: Stephan Rönigk Gesamtherstellung: Kösel, Krugzell Ausstattung patentrechtlich geschützt. Kösel FD 351, Patent-Nr Printed in Germany ISBN: E-Book ISBN:

5 3 Vorwort zur 30. Auflage Wenn innerhalb von 41 Jahren nach Erscheinen eines Fachbuchs bereits die 30. überarbeitete und aktualisierte Ausgabe erscheint, dann weiß man, dass sich die gesamte Thematik noch immer in der Entwicklung und ständigem Fortschritt befindet. Es ist aber auch ein Zeichen dafür, dass Bedarf besteht, in einem Buch das gesamte Umfeld dieser Technik aktuell und zusammenhängend verfügbar zu haben. Heute zählen CNC-Maschinen zum technischen Standard der Fertigungstechnik. Das notwendige Grundwissen wird in Berufs-, Fach- und Hochschulen unterrichtet und ist in der Praxis unverzichtbar. Der Funktionsumfang numerischer Steue rungen wird jedoch ständig erweitert und in vielen Details verbessert. Damit wird die Produktion präziser, wirtschaftlicher, aber auch für die Planung und Steuerung transparenter. In der vorliegenden Ausgabe wird der zu erwartende Einfluss von Industrie 4.0 auf die Fertigung thematisiert. Zwar werden seit Jahrzehnten Anlagen vernetzt und Prozesse digitalisiert, aber durch Nutzung des Internets entstehen völlig neue Möglichkeiten. In einem neuen Kapitel werden die Einflüsse von I 4.0 auf die Automatisierung der Fertigung anhand eines praktischen Beispiels anschaulich beschrieben. Somit enthält das CNC-Handbuch 2017/2018 wieder eine ausgewogene Mischung früherer, aktualisierter Kapitel und neuer, aktueller Themen. Bei dieser Aufgabe haben uns mehrere Hersteller und Autoren mit technischen Informationen und Bildern nach besten Kräften unterstützt, wofür ihnen unser hoher Dank gebührt! Herausgeber und Autoren fühlen sich verpflichtet, diese Weiterentwicklungen der CNC-Technik auch weiterhin regelmäßig alle zwei Jahre in diesem Buch zu aktualisieren In guter Zusammenarbeit mit dem Verlag und der Druckerei konnte auch die gesamte Qualität des Buches so fortgeführt werden, dass es gerne zur Hand genommen wird. Dafür möchten wir auch diesen Mitarbeitern unseren besonderen Dank aussprechen. Als Gründer, Autor und Herausgeber freut man sich, dass das CNC-Handbuch nach 40 Jahren noch immer seine Berechtigung hat und zur bevorzugten Fachliteratur der NC-Fertigungstechnik zählt. Dies möchten wir auch weiterhin erreichen. Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal Karsten Schwarz

6 4 Inhaltsübersicht * aktualisiert, ** neuer Beitrag Teil 1 Einführung in die CNC-Technik Historische Entwicklung der NC-Fertigung Meilensteine der NC-Entwicklung Was ist NC, CNC? Teil 2 Funktionen der CNC-Werkzeugmaschinen Weginformationen Schaltfunktionen * 3 Funktionen der numerischen Steuerung SPS Speicherprogrammierbare Steuerungen Einfluss der CNC auf Baugruppen der Maschine Teil 3 Elektrische Antriebe für CNC-Werkzeugmaschinen ** 1 Antriebsregelung für CNC-Werkzeug maschinen Vorschubantriebe für CNC-Werkzeug maschinen Hauptspindelantriebe ** 4 Dimensionierung von Antrieben für Werkzeugmaschinen Mechanische Auslegung der Hauptspindel anhand der Prozessparameter Teil 4 Die Arten von numerisch gesteuerten Maschinen * 1 CNC-Werkzeugmaschinen * 2 Additive Fertigungsverfahren * 3 Flexible Fertigungssysteme * 4 Industrieroboter und Handhabung Energieeffiziente wirtschaftliche Fertigung

7 Inhaltsübersicht 5 Teil 5 Werkzeuge in der CNC-Fertigung Aufbau der Werkzeuge Werkzeug verwaltung (Tool Management) Maschinenintegrierte Werkstückmessung und Prozessregelung ** 4 Maschinenintegrierte Werkstückmessung in der Serienfertigung Lasergestützte Werkzeugüberwachung Teil 6 NC-Programm und Programmierung * 1 NC-Programm * 2 Programmierung von CNC-Maschinen NC-Programmiersysteme Fertigungssimulation Teil 7 Von der betrieblichen Informationsverarbeitung zu Industrie DNC Direct Numerical Control oder Distributed Numerical Control LAN Local Area Networks Digitale Produkt entwicklung und Fertigung: Von CAD und CAM zu PLM * 4 Industrie ** 5 Industrie 4.0 im mittelständischen Fertigungsbetrieb Teil 8 Anhang Richtlinien, Normen, Empfehlungen * NC-Fachwortverzeichnis Stichwortverzeichnis Empfohlene NC-Literatur Inserentenverzeichnis

8 6 Inhaltsverzeichnis Tabellenübersicht Teil 1 Einführung in die CNC-Technik Historische Entwicklung der NC-Fertigung Erste Nachkriegsjahre Wiederaufbau der Werkzeugmaschinen industrie Die Werk zeug maschinenindustrie in Ostdeutschland Weltweite Veränderungen Weiterentwicklung der deutschen Werkzeug maschinenindustrie 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-Werkzeugmaschinen Weginformationen Einführung Achsbezeichnung Lageregelkreis Positionsmessung... 69

9 Inhaltsverzeichnis Einfache Diagnose von Messgeräten Kompensationen Schaltfunktionen Erläuterungen Werkzeugwechsel Werkzeugwechsel bei Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren Werkzeugwechsel bei Drehmaschinen Werkzeugplatzcodierung Werkstückwechsel Drehzahlwechsel Vorschubgeschwindigkeit Zusammenfassung Funktionen der numerischen Steuerung Definition CNC-Grundfunktionen CNC-Sonderfunktionen Kollisionsvermeidung Integrierte Sicherheitskonzepte für CNC-Maschinen Zustandsüberwachung und Maschinendatenerfassung Anzeigen in CNCs Touch-Bedienung der CNC 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

10 8 Inhaltsverzeichnis 5.4 Maschinenverkleidung Kühlmittelversorgung Späneabfuhr Zusammenfassung Teil 3 Elektrische Antriebe für CNC-Werkzeugmaschinen Antriebsregelung für CNC-Werkzeug maschinen Definition Achsmechanik Analoge Regelung Analoge vs. Digitale Regelung Digitale intelligente Antriebstechnik Reglertypen und Regelverhalten Kreisverstärkung und K v -Faktor Vorsteuerung Frequenzumrichter Zusammenfassung Vorschubantriebe für CNC-Werkzeug maschinen Anforderungen an Vorschubantriebe Arten von Vorschub antrieben Die Arten von Linearmotoren Vor-/Nachteile von Linearantrieben Anbindung der Antriebe an die CNC Messgeber Zusammenfassung Hauptspindelantriebe Anforderungen an Hauptspindelantriebe Arten von Hauptspindel antrieben Bauformen von Haupt spindelantrieben Ausführungen von Drehstrom-Synchron motoren Vor- und Nachteile von Synchronmotoren Dimensionierung von Antrieben für Werkzeugmaschinen Vorgehensweise Dimensionierung von Hauptspindelantrieben Zusammenfassung Mechanische Auslegung der Hauptspindel anhand der Prozessparameter Motorenauswahl Lagerung Schmierung Bearbeitungsprozesse Anforderungen an die Hauptspindel bezüglich Industrie

11 Inhaltsverzeichnis 9 Teil 4 Die Arten von numerisch gesteuerten Maschinen CNC-Werkzeugmaschinen Bearbeitungszentren, Fräsmaschinen Drehmaschinen Schleifmaschinen Verzahnmaschinen Bohrmaschinen Sägemaschinen Laserbearbeitungsanlagen Stanz- und Nibbelmaschinen Rohrbiegemaschinen Funkenerosionsmaschinen Elektronenstrahl-Maschinen Wasserstrahlschneidmaschinen Multitasking-Maschinen Messen und Prüfen Zusammenfassung Additive Fertigungsverfahren Einführung Definition Verfahrenskette Einteilung der generativen Fertigungsverfahren Die wichtigsten Schichtbauverfahren Vorteile der Additiven Fertigungsverfahren Zusammenfassung Flexible Fertigungssysteme Definition Flexible Fertigungszellen Flexible Fertigungssysteme Technische Kennzeichen von FFS FFS-Einsatzkriterien Fertigungsprinzipien Maschinenauswahl und -anordnung Werkstücktransportsysteme FFS-Anforderungen an CNCs FFS-Leitrechner Wirtschaftliche Vorteile von FFS Probleme und Risiken bei der Auslegung von FFS Flexibilität und Komplexität Simulation von FFS Produktionsplanungssysteme (PPS) Zusammenfassung

12 10 Inhaltsverzeichnis 4 Industrieroboter und Handhabung Einführung Definition: Was ist ein Industrieroboter? Aufbau von Industrie robotern Mechanik/Kinematik Greifer oder Effektor Steuerung Safe Robot Technologie Programmierung Sensoren Anwendungsbeispiele von Industrierobotern Anbindung von Robotern an Werkzeugmaschinen Roboter mit CNC-Anforderungen Einsatzkriterien für Industrieroboter Zusammenfassung und Ausblick Energieeffiziente wirtschaftliche Fertigung Einführung Was ist Energieeffizienz? Werkhallen Maschinenpark Sonderfall Bearbeitungszentren Energieeffiziente NC-Programme Möglichkeiten der Maschinenhersteller Möglichkeiten der Anwender Blindstrom-Kompensation Zusammenfassung Ausblick Teil 5 Werkzeuge in der CNC-Fertigung Aufbau der Werkzeuge Einführung Anforderungen Gliederung der Werkzeuge Maschinenseitige Aufnahmen Modulare Werkzeug systeme Einstellbare Werkzeuge Gewindefräsen Sonderwerkzeuge Werkzeugwahl Werkzeug verwaltung (Tool Management) Motive zur Einführung Evaluation einer Werkzeugverwaltung

13 Inhaltsverzeichnis Lastenheft Beurteilung von Lösungen Einführung einer Werkzeugverwaltung Gliederung Integration Werkzeugidentifikation Werkzeuge suchen Werkzeugklassifikation Werkzeugkomponenten Komplettwerkzeuge Werkzeuglisten Arbeitsgänge Werkzeugvoreinstellung Werkzeuglogistik Elektronische Werkzeugidentifikation Zusammenfassung Maschinenintegrierte Werkstückmessung und Prozessregelung Einführung Ansatzpunkte für die Prozess regelung Einsatzbereiche von Werkstück- und Werkzeugmesssystemen Werkstückmesssysteme für Werkzeugmaschinen Maschinenintegrierte Werkstückmessung in der Serienfertigung Einführung Bohrungsmessköpfe für kürzeste Messzeiten bei der Bohrungsherstellung Rauheitsmessgeräte für die automatisierte Prüfung von Oberflächen DIGILOG-Messtaster für digitale und analoge Messwerterfassung Höchste Produktivität durch simultanes Messen Zusammenfassung Lasergestützte Werkzeugüberwachung Einführung Bruchüberwachung Einzelschneidenkontrolle Messung von HSC-Werkzeugen Kombinierte Lasermesssysteme Zusammenfassung Teil 6 NC-Programm und Programmierung NC-Programm Definition Struktur der NC-Programme Programmaufbau, Syntax und Semantik Schaltbefehle (M-Funktionen)

14 12 Inhaltsverzeichnis 1.5 Weginformationen Wegbedingungen (G-Funktionen) Zyklen Nullpunkte und Bezugs punkte Transformationen Werkzeugkorrekturen DXF-Konverter CNC-Hochsprachenprogrammierung Zusammenfassung Programmierung von CNC-Maschinen Definition der NC-Programmierung Programmiermethoden CAM-basierte CNC-Zerspanungsstrategien Arbeitserleichternde Grafik CNC-Programmierplätze Auswahl des geeigneten Programmiersystems Zusammenfassung NC-Programmiersysteme 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 Adaptives Bearbeiten D-Modelle bieten mehr D-Schnittstellen Innovativ mit Feature-Technik Automatisierung in der NC-Programmierung Werkzeuge Aufspannplanung und Definition der Reihenfolge Die Simulation bringt es auf den Punkt Postprozessor Erzeugte Daten und Schnittstellen zu den Werkzeugmaschinen Zusammenfassung Fertigungssimulation Einleitung Qualitative Abgrenzung der Systeme Komponenten eines Simulationsszenarios Ablauf der NC-Simulation Integrierte Simulations systeme

15 Inhaltsverzeichnis Einsatzfelder Zusammenfassung Teil 7 Von der betrieblichen Informationsverarbeitung zu Industrie 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 Industrie Grundlagen Kernelemente der Industrie Industrie 4.0 in der Fertigung Ein MES als Baustein der Industrie Herausforderungen und Risiken von Industrie

16 14 Inhaltsverzeichnis 5 Industrie 4.0 im mittelständischen Fertigungsbetrieb Voraussetzung für Industrie Nutzen von Industrie Cyber-Physical-Systems (CPS), das Internet der Dinge Sechzehn Fallbeispiele zu Industrie Ein Arbeitstag mit Industrie Zusammenfassung Teil 8 Anhang Richtlinien, Normen, Empfehlungen VDI-Richtlinien VDI/NCG-Richtlinien DIN Deutsche Industrie Normen NC-Fachwortverzeichnis Stichwortverzeichnis Empfohlene NC-Literatur Inserentenverzeichnis Zu diesem Buch wird für Dozenten eine Power-Point-Präsentation im Internet angeboten, vorgesehen zur Unterstützung der Vorlesungen über CNC-Technik. Der Foliensatz besteht aus über 400 Folien mit erläuternden Notizen und ist abgestimmt auf die 30., überarbeitete Auflage des CNC-Handbuchs. Um die Dateien herunterladen zu können, loggen Sie sich ein oder melden Sie sich an unter:

17 15 Tabellenübersicht Inhalt Seite Adressen-Zuordnung nach DIN Beispiel für Achsadressen mit mehreren Zeichen und zusätzlichen Erläuterungen 572 Bezeichnung der Abweichungen im Volumenkompensationsmodell 93 Blechdicke max. bei Nibbeln/Laserschneiden 341 Bohrzyklen G80 G Funktionsumfang 139 G-Funktionen nach DIN 66025, Bl Grundbestandteile von Handhabungsprogrammen [HES 96] 449 Komponenten eines Robotersystems [WAR 90] 440 Rechnerische Ermittlung der Drehmomente in den 6 Betriebsarten 258 RFID, Lesezeiten im dynamischen Betrieb 529 Schaltfunktionen nach DIN 66025, Bl Schritte in den Sequenzfunktionen für Kontinuierliches Wälzschleifen und Zyklo- Palloid-Fräsen mit Angabe der Ablaufzuordnungen 323 Technische Sensoren (nach Hesse) 452 Übertragungsgeschwindigkeiten im Vergleich 695 Unterschiedliche Anforderungen verschiedener Werkzeugmaschinen an den Umfang ihrer Automatisierung 64 Vergleich CNC und SPS 196 Vergleich der unterschiedlichen Simulationsansätze 650 Wegmaßtabelle für ein Bohrbild bei Absolut- und Relativ maß-programmierung 574 Zahlenwerte für cos ϕ und sin ϕ 470

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19 Messtaster TC50 Multidirektional Infrarotübertragung Verschleißfreies Messwerk Freiformflächen Serienfertigung Schnell. Genau. Wirtschaftlich. High Performance. BLUM. Fertigungsmesstechnik Made in Germany