Kapitel 3 Einführung in die CNC-Technik

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1 Standardisierung muss sein Kapitel 3 Einführung in die CNC-Technik 27

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3 3 Einführung in die CNC-Technik 3.1 Entwicklungsgeschichte Im 18. Jahrhundert begann die Entwicklung von numerisch gesteuerten Maschinen. Der Franzose B. Bouchon und der Engländer M. Falcon fertigten schon 1725 bzw halbautomatische Steuerungsvorrichtungen für die Herstellung von Webmustern. Die Kettfäden der Webstühle wurden automatisch gehoben und gesenkt. Gesteuert wurden diese Vorgänge durch Lochkarten aus Karton. Der französische Ingenieur Jacques de Vaucanson, der sich bis dahin mit dem Bauen von künstlichen Menschen und Tieren beschäftigt hatte, verbesserte dieses System und entwickelte es 1745 zur Vollautomatik. Die drei Erfinder waren der Zeit um ca. 70 Jahre voraus. Der große Durchbruch der programmierbaren Webmaschinen gelang erst Joseph-Marie Jacquard Ende des 18., Anfang des 19. Jahrhunderts. Im Gegensatz zu seinen Vorgängern benutzte er gelochte Blechkarten wurde von einem Tüftler namens M. Fourneaux eine ganz besondere Art von Klavier zum Patent angemeldet. Es wird scheinbar von Geisterhand gespielt und ist uns meist aus Wildwest-Filmen bekannt. Hinter der vermeintlichen Geisterhand verbirgt sich ein ca. 300 mm breites gelochtes Papierband. Durch die Löcher wird mittels Druckluft der Tastenmechanismus betätigt. Seit 1947 forschte die amerikanische Luftwaffe intensiv an dem Verfahren, komplexe Flugzeugteile präzise und wiederholgenau herzustellen. Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge erhielt 1949 den Auftrag, ein Steuerungssystem für Werkzeugmaschinen zu entwickeln. Die erste NC-Maschine wurde nach drei Jahren vom MIT und ihrem Mitarbeiter John Pason vorgestellt. Es war eine 3-Achs-Fräsmaschine, deren Steuerung auf Röhren und Relais basierte. Als Datenträger wurden Lochstreifen verwendet berichtete eine französische Fachzeitschrift von einer Aufteilsäge für Holzplatten der Firma Mayer und Schwabendissen, bei der die Programmwahl mittels Lochband bzw. Lochkarte erfolgte. Die Firma Reichenbacher stellte 1975 auf der Ligna in Hannover als erster europäischer Hersteller eine NC-Maschine zur Holzbearbeitung vor. Den Durchbruch erlebten die CNC-Maschinen zur Holzbearbeitung vor allem bei den Zulieferern der Möbelindustrie. Dies waren oft größere Handwerksbetriebe. Heute gibt es eine Vielzahl von Maschinenherstellern, die CNC-Maschinen für die Holzbearbeitungsmaschinen im Produktprogramm haben. 29

4 Abbildung 3-1: CNC-Bearbeitungszentrum zur Holzbearbeitung [Quelle: Maschinenfabrik Reichenbacher GmbH] 3.2 Vorteile von CNC-Bearbeitungszentren Der wesentliche Vorteil dieser Maschinen liegt in der Tatsache, dass mehrere Bearbeitungen, mit gleichbleibend hoher Genauigkeit, in einer Werkstückaufspannung ausgeführt werden können. Im Gegensatz zu konventionellen Maschinen zur Holzbearbeitung fallen praktisch keine Rüstzeiten an. Lediglich für die Programmierung muss zusätzliche Zeit aufgewendet werden. Mit geometrischen CNC-Befehlen können komplexe Konturen ohne Schablonen hergestellt werden. Die CNC-Programme werden auf Datenträgern abgelegt und sind bei Bedarf schnell aufrufbar. Ferner können die Programme parametrisch programmiert werden. Man spricht dann von einer Variantenfertigung. Mit parametrischen Programmen werden ähnliche Werkstücke schnell, flexibel und ohne großen Programmieraufwand hergestellt. Hier noch einmal die wesentlichen Vorteile auf einen Blick: Mehrere Bearbeitungen in einer Aufspannung Gleichbleibend hohe Genauigkeit Fertigung komplexer Konturen Fast keine Rüstzeiten Flexible Fertigung Variantenfertigung 3.3 Begriffserklärung NC (Numerical Control) Die Abkürzung NC kommt aus dem Englischen und bedeutet numerische Steuerung oder zahlenmäßige Steuerung. Denn mit den ersten NC-Maschinen konnte man mit einigen Zahlen und Buchstaben Werkzeugbahnen beschreiben. Da man zu dieser Zeit noch nicht über geeignete Magnetspeicher verfügte, wurden die Programme in einen Lochstreifen gestanzt. Auch die uns heute bekannte Software gab es noch nicht. Hardware, also festverdrahtete Schaltkreise, führte die programmierten Befehle und die Bahnplanungen aus. Änderungen an Programmen waren jedoch sehr zeitintensiv. So musste bei jeder Änderung ein neuer Lochstreifen gestanzt werden. 30

5 3.3.2 CNC (Computerized Numerical Control) CNC bedeutet computerisierte numerische Steuerung, also ebenfalls eine zahlenmäßige Steuerung, aber auf Basis eines Computers. Diese Steuerungsgeneration verfügt nun über all die Vorteile des Computerzeitalters. Programme können direkt in die Steuerung eingegeben, geändert (in der CNC-Sprache modifiziert ) und gespeichert werden. Software erledigt die Aufgaben der zuvor festverdrahteten Steuerungen. Auch Werkzeugdaten werden nun in speziellen Speichern abgelegt und sind bei Bedarf schnell abrufbar CAM (Computer Aided Manufacturing) Unter CAM versteht man Computerunterstützte Fertigung. Als Basis dienen hier Konstruktionsdaten von CAD-Systemen. Diese werden aufbereitet und daraus lauffähige NC-Programme erzeugt DNC (Direct Numerical Control) Unter DNC versteht man ein Datenverteilersystem zur Rechner-Direktführung von mehreren numerisch gesteuerten Arbeitsmaschinen durch einen Computer. Dabei ist das wesentliche Merkmal die zeitgerechte Verteilung von Steuerinformationen an die jeweiligen CNC-Maschinen. Ein Rechner sendet also Programme oder Programmteile zur richtigen Zeit zur richtigen CNC-Maschine. 3.4 Textuelle Programmierung Bei der textuellen Programmierung wird das gesamte CNC-Programm mit speziellen Befehlen an einem Rechner oder direkt an der Maschinensteuerung als Buchstabenund Zahlenfolge eingegeben. Diese Maschinenbefehle sind größtenteils genormt. Deshalb spricht man auch von der Programmierung im DIN/ISO-Code oder von der Programmierung im G-Code, da viele dieser Befehle mit einem G beginnen. Bei der textuellen Programmierung sind keine speziellen Softwareprogramme nötig. Man programmiert quasi direkt in einer Sprache, die von der Maschinensteuerung verstanden wird. Hier ist der Programmierer gefordert. Er muss die unterschiedlichen Befehle sowie deren richtige Grammatik (in der Computersprache Syntax ) kennen. In Kapitel 8 Das CNC-Programm erfahren Sie mehr zu dieser Art der Programmierung. Die textuelle Programmierung wird neuerdings verdrängt durch einfach zu bedienende, grafisch orientierte WOP-Software und CAD/CAM-Anbindungen. 3.5 Werkstattorientierte Programmierung Um einerseits das Programmieren einfacher und schneller zu machen und andererseits die Programme sicherer zu machen (z. B. gegen Kollision), entwickelten Steuerungsund Maschinenhersteller rechnergestützte Programmiersoftware, sogenannte WOP- Systeme (Workshop Oriented Programing, engl. = Werkstattorientierte Programmierung). Die komfortable werkstattorientierte Programmierung löst nach und nach die Programmierung im G-Code ab. WOP-Systeme können sowohl an der Maschinensteuerung und/oder am PC im Büro installiert sein. Jeder Maschinen- bzw. Steuerungshersteller verfolgt seine eigene Philosophie und viele Hersteller von Holzbearbeitungsmaschinen haben sogar ihre eigene WOP-Software im Verkaufsprogramm. Nicht selten ist eine entsprechende WOP-Software auch ausschlaggebend für den Kauf eines CNC-Bearbeitungszentrums. 31

6 Die Vorteile liegen auf der Hand: Anstatt einen Maschinenbefehl einzugeben, wählt man in einer Windows-Umgebung die verschiedenen Bearbeitungen an und ergänzt diese mit den erforderlichen Zahlenwerten. Das Programmierte wird ständig grafisch dargestellt, sodass Programmierfehler sofort erkannt und korrigiert werden können. Abschließend wird aus den programmierten Bearbeitungen durch eine spezielle Software, den Postprozessor, ein lauffähiges CNC-Programm in der Sprache der Maschinensteuerung erzeugt. Abbildung 3-2: Oberfläche eines WOP-Programmiersystems Zeitgemäße WOP-Softwares unterstützen ferner die einfache Erstellung von Varianten-Programmen und von gespiegelten Programmen, z.b. für die Erstellung von rechten und linken Möbelseiten. In den Kapiteln 10 Programmiersysteme 12 Programmierung in der Praxis wird die Programmierung mit zwei gängigen WOP-Programmiersystemen ausführlich erläutert. 3.6 CAD/CAM-Programmiersysteme Je nach Organisationsgrad der jeweiligen Firma werden CAD-Systeme zur Erstellung von Konstruktions- und Teilezeichnungen verwendet. Die unterschiedlichen Geometrien aus einer CAD-Zeichnung können so für CNC-Programme verwendet werden. Man erspart sich mühsame Positionsberechnungen bei komplexen Formen und wertvolle Zeit, die für eine Mehrfacheingabe der Daten nötig ist. Außerdem wird der häufigste Fehler, die falsche Dateneingabe, vermieden. Eine Postprozessor-Software erzeugt dann das CNC-Programm für die Maschinensteuerung. Hierzu erfahren Sie in den folgenden Kapiteln mehr: 32

7 11 CAD/CAM 13 CAM-Expertentipps 3.7 Fertigungsbetrieb Einzelbetrieb Maschinen, die im Einzelbetrieb fertigen, haben lediglich einen Maschinentisch, der nur ein Werkstück aufnehmen kann. Während das Fertigteil entnommen und ein Rohteil neu aufgespannt wird, können keine Bearbeitungen durchgeführt werden. CNC- Bearbeitung im Einzelbetrieb ist nur interessant, wenn die Beschickzeit im Verhältnis zur Fertigungszeit sehr gering ist Pendelbetrieb Ideal für die Bedürfnisse eines Tischlereibetriebs ist die Pendelbearbeitung. Der Maschinentisch verfügt hierbei über mindestens zwei Bearbeitungsbereiche, die unabhängig voneinander gerüstet und mit Werkstücken beschickt werden können. Während ein Maschinentisch beschickt wird, kann auf dem anderen Tisch ein Werkstück automatisch bearbeitet werden. So können Teile, bei denen die Beschickzeit in etwa der Bearbeitungszeit entspricht, rationell bearbeitet werden. Die Anschläge an den Bearbeitungsplätzen liegen oft spiegelbildlich zueinander. Sofern die CNC-Steuerung eine Programmspiegelung unterstützt, können rechte und linke Werkstücke (z. B. Schrankseiten) hergestellt werden Synchronbetrieb Beim Synchronbetrieb sind zwei oder mehr Spindeln gleichzeitig im Einsatz. So können mehrere identische Werkstücke gleichzeitig bearbeitet werden. Die Spindeln sind hierbei in einem fixen Abstand nebeneinander angeordnet. Vor allem für den Serienbetrieb kann so in Verbindung mit dem Pendelbetrieb die Fertigungszeit um mindestens die Hälfte reduziert werden. Werden große Werkstücke bearbeitet, ist ein dementsprechend großer Maschinentisch nötig Unabhängiger Betrieb Neueste Entwicklungen gehen hin zur gleichzeitigen und unabhängigen Bearbeitung zweier Werkstücke. Portalmaschinen mit zwei unabhängig voneinander verfahrbaren Maschinentischen sowie sogenannte mehrkanalige CNC-Steuerungen haben diese Neuerung möglich gemacht. Die Werkstücke können hierbei auch unterschiedlich sein. Die CNC-Steuerung berechnet für beide Werkstücke gleichzeitig die aktuellen Positionen für die Bearbeitungsaggregate. Wenn man von den Nebenzeiten (Werkstück- und Werkzeugwechselzeiten) einmal absieht, hat man im unabhängigen Betrieb gegenüber einer Bearbeitung im Pendelbetrieb den doppelten Werkstückdurchsatz. Abbildung 3-3: Unabhängiger Betrieb Einzelbetrieb Pendelbearbeitung [Quelle: Homag Holzbearbeitungssysteme AG] 33