CNC-Handbuch 2015/2016

Transkript

1 Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal Karsten Schwarz CNC-Handbuch 05/06

2 Genauer und gleichzeitig schneller fräsen ist eigentlich ein Widerspruch. Die TNC-Steuerung mit dem Funktionsumfang Dynamic Precision löst dieses Paradoxon auf elegante Weise und hilft Ihnen, das Genauigkeitspotential Ihrer Werkzeugmaschine noch besser zu nutzen. Die Werkstücke werden maßhaltiger selbst bei kleinsten Toleranzen und unterschiedlichsten Formen. Und das ohne Einschränkungen in der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Im Gegenteil: Werkzeugmaschinen mit der TNC und Dynamic Precision sind oft noch etwas schneller als ohne. DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH, 89 Traunreut, Germany, Telefon , Winkelmessgeräte Längenmessgeräte Bahnsteuerungen Positionsanzeigen Messtaster Drehgeber

3 Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal Karsten Schwarz CNC-Handbuch 05/6 CNC DNC CAD CAM FFS SPS RPD LAN CNC-Maschinen CNC-Roboter Antriebe Energieeffizienz Werkzeuge Industrie.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 V erwendung 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 00 Folien mit erläuternden Notizen und ist abgestimmt auf das CNC-Handbuch 5/6. Um die Dateien herunterladen zu können, loggen Sie sich ein oder melden Sie sich an unter: 05 Carl Hanser Verlag München Gesamtlektorat: Dipl.-Ing. Volker Herzberg Herstellung: Jörg Strohbach Titelillustration: intact Multimedia & Werbung, Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Umschlaggestaltung: Stephan Rönigk Gesamtherstellung: Kösel, Krugzell Ausstattung patentrechtlich geschützt. Kösel FD 5, Patent-Nr Printed in Germany ISBN: E-Book ISBN:

5 Vorwort In fast 0 Jahren ist das CNC-Handbuch unter dem Gründer und langjährigen Herausgeber Hans B. Kief zu einem Standardwerk für Ausbildung und Praxis mit einem deutlichen Allein stellungs merk mal geworden. Stets aktuell gehalten, fühlen wir uns als Verlag und Herausgeber diesem Anspruch weiterhin verpflichtet. Daher begrüßen wir mit großer Freude Herrn Karsten Schwarz, den wir als zusätzlichen Herausgeber und Autor für dieses Buch gewinnen konnten. Nach erfolgreich absolvierten Studium der Gerätetechnik an der TU Karl-Marx-Stadt, heute Chemnitz, begann er seinen Berufsweg beim renommierten Hersteller von Werkzeugmaschinen Heckert in Chemnitz. Seit 990 arbeitet er im Bereich der Automatisierungstechnik für Werkzeugmaschinen in verschiedenen Positionen und leitet seit 007 das Technologie- und ApplikationsCenter im Siemens-Stammhaus in Erlangen. Dr. Hermann Riedel Helmut A. Roschiwal Lieber Leser, das CNC-Handbuch hat seit 976 die schnelle Entwicklung der NC zur CNC-Steuerung und die Entstehung neuer Technologien begleitet und Neuentwicklungen zeitnah beschrieben. Wir sehen es auch weiterhin als eine interessante Aufgabe, den Lesern sowohl das notwendige Grundwissen verständlich zu vermitteln, als auch einen Gesamtüberblick über das große Gebiet und den aktuellen Stand der digitalen Fertigungstechnik zu geben. Gegenüber der letzten Auflage enthält die Ausgabe 05/06 eine große Anzahl von neuen und aktualisierten Beiträgen: Die Beiträge über Positionsmessung, Kompensationen und Kollisionsvermeidung wurden wesentlich erweitert. Elektrische Antriebe für CNC-Werkzeugmaschinen wurde in Teil zusammengefasst und durch Details zur prozess-spezifischen Auslegung ergänzt. Das Kapitel Arten von CNC-Maschinen wurde aktualisiert und durch Energieeffiziente wirtschaftliche Fertigung ergänzt. Die Kombination verschiedener Zerspanungstechnologien wird an sechs MultitaskingMaschinen gezeigt. Maschinenintegrierte, prozessnahe Werkstückmessungen und Prozessregelung wurde aktu ali siert. Mit dem Kapitel Von der betrieblichen Informationsverarbeitung zu Industrie.0 und einem Anwendungsbeispiel aus der Dentalindustrie wird ein Blick in die Zukunft gewagt. Unser besonderer Dank gilt allen Autoren für die engagierte Unterstützung bei der Ausarbeitung der neuen Kapitel, sowie für die Aktualisierungen von Text- und Bildmaterial. Auch den Rezensenten sei für ihre Anregungen gedankt, die zur ständigen Verbesserung der Neuauflagen beigetragen haben. Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal Karsten Schwarz

6 Inhaltsübersicht aktualisiert, neuer Beitrag Teil Einführung in die CNC-Technik Historische Entwicklung der NC-Fertigung Meilensteine der NC-Entwicklung Was ist NC, CNC? Teil Funktionen der CNC-Werkzeugmaschinen Weginformationen Schaltfunktionen Funktionen der numerischen Steuerung SPS Speicherprogrammierbare Steuerungen Einfluss der CNC auf Baugruppen der Maschine Teil Elektrische Antriebe für CNC-Werkzeugmaschinen Vorschubantriebe für CNC-Werkzeugmaschinen Hauptspindelantriebe Prozessadaptierte Auslegung von Werkzeugmaschinenantrieben.... Mechanische Auslegung der Hauptspindel anhand der Prozessparameter Teil Die Arten von numerisch gesteuerten Maschinen CNC-Werkzeugmaschinen Generative Fertigungsverfahren Flexible Fertigungssysteme Industrieroboter und Handhabung Energieeffiziente wirtschaftliche Fertigung

7 Inhaltsübersicht 5 Teil 5 Werkzeuge in der CNC-Fertigung Aufbau der Werkzeuge Werkzeugverwaltung (Tool Management) Maschinenintegrierte Werkstückmessung und Prozessregelung..... Lasergestützte Werkzeugüberwachung Teil 6 NC-Programm und Programmierung NC-Programm Programmierung von NC-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 Produktentwicklung und Fertigung: Von CAD und CAM zu PLM Industrie Anwendung der durchgängigen Prozesskette in der Dentalindustrie Teil 8 Anhang Richtlinien, Normen, Empfehlungen NC-Fachwortverzeichnis Stichwortverzeichnis Empfohlene NC-Literatur Inserentenverzeichnis

8 6 Inhaltsverzeichnis Tabellenübersicht Teil Einführung in die CNC-Technik Historische Entwicklung der NC-Fertigung Erste Nachkriegsjahre Wiederaufbau der Werkzeugmaschinen industrie Die Werk zeug maschinen industrie in Ostdeutschland Weltweite Veränderungen Neue, typische NC-Maschinen 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 Teil Funktionen der CNC-Werkzeugmaschinen Weginformationen Einführung Achsbezeichnung Lageregelkreis Positionsmessung Kompensationen

9 Inhaltsverzeichnis Schaltfunktionen Erläuterungen Werkzeugwechsel Werkzeugwechsel bei Drehmaschinen Werkzeugwechsel bei Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren Werkzeugidentifikation Werkstückwechsel Drehzahlwechsel Vorschubgeschwindigkeit Funktionen der numerischen Steuerung Definition CNC-Grundfunktionen CNC-Sonderfunktionen Kollisionsvermeidung Integrierte Sicherheitskonzepte für CNC-Maschinen Anzeigen in CNCs CNC-Bedienoberflächen ergänzen Offene Steuerungen Preisbetrachtung Vorteile neuester CNC-Entwicklungen 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 Tabellarischer Vergleich CNC/SPS Einfluss der CNC auf Baugruppen der Maschine Maschinenkonfiguration Maschinengestelle Führungen Maschinenverkleidung Kühlmittelversorgung Späneabfuhr

10 8 Inhaltsverzeichnis Teil Elektrische Antriebe für CNC-Werkzeugmaschinen 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 Hauptspindelantriebe Anforderungen an Hauptspindelantriebe Arten von Hauptspindel antrieben Bauformen von Haupt spindelantrieben Ausführungen von Drehstrom-Synchron motoren Vor- und Nachteile von Synchronmotoren Prozessadaptierte Aus legung von Werkzeug maschinen antrieben Grenzen der Betrachtung Ausgangspunkt Bearbeitungsprozess Energiebilanz Aufbau von Werkzeug maschinen-antrieben Stationäre und dynamische Auslegung von Vorschubantrieben Linearantriebe Ableitung der Antriebs auslegung aus Prozess kenngrößen Universelle/spezifische Auslegung von Maschinen Auslegung von Vorschubantrieben spanender Werkzeugmaschinen aus Prozess parametern Systembetrachtung einer Werkzeugmaschine Mechanische Auslegung der Hauptspindel anhand der Prozessparameter.... Motorenauswahl Lagerung Schmierung Bearbeitungsprozesse Teil Die Arten von nummerisch gesteuerten Maschinen CNC-Werkzeug maschinen Bearbeitungszentren, Fräsmaschinen Drehmaschinen Schleifmaschinen Verzahnmaschinen Bohrmaschinen

11 Inhaltsverzeichnis Sägemaschinen Laserbearbeitungsanlagen Stanz- und Nibbelmaschinen Rohrbiegemaschinen Funkenerosionsmaschinen Elektronenstrahl-Maschinen Wasserstrahlschneid maschinen Multitasking-Maschinen Messen und Prüfen Generative Fertigungsverfahren Einführung Definition Verfahrenskette Einteilung der generativen Fertigungsverfahren Vorstellung der wichtigsten Schichtbauverfahren Flexible Fertigungs systeme Definition Flexible Fertigungsinseln Flexible Fertigungszellen Technische Kennzeichen Flexibler Fertigungssysteme FFS-Einsatzkriterien Fertigungsprinzipien Maschinenauswahl und -anordnung Werkstück-Transport systeme FFS-geeignete CNCs FFS-Leitrechner Wirtschaftliche Vorteile von FFS Probleme und Risiken bei der Auslegung von FFS Flexibilität und Komplexität Simulation von FFS Produktionsplanungs systeme (PPS) Industrieroboter und Handhabung Einführung Definition: Was ist ein Industrieroboter? Aufbau von Industrie robotern Mechanik/Kinematik Greifer oder Effektor Steuerung Safe Robot Technologie Programmierung

12 0 Inhaltsverzeichnis Sensoren Anwendungsbeispiele von Industrierobotern Einsatzkriterien für Industrieroboter Vergleich Industrie roboter und CNC-Maschine 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 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 Lastenheft Beurteilung von Lösungen Einführung einer Werkzeugverwaltung Gliederung Integration Werkzeugidentifikation Werkzeuge suchen Werkzeugklassifikation Werkzeugkomponenten Komplettwerkzeuge Werkzeuglisten

13 Inhaltsverzeichnis Arbeitsgänge Werkzeugvoreinstellung Werkzeuglogistik Elektronische Werkzeug identifikation Maschinenintegrierte Werkstückmessung und Prozessregelung Einführung Ansatzpunkte für die Prozess regelung Einsatzbereiche von Werkstück- und Werkzeugmesssystemen Werkstückmesssysteme für Werkzeugmaschinen Lasergestützte Werkzeug überwachung Einführung Bruchüberwachung Einzelschneidenkontrolle Messung von HSC-Werkzeugen Kombinierte Laser- Messsysteme Mit Bohrungsmessköpfen nah am Prozess Aktorische Werkzeug systeme Mechatronische Werkzeugsysteme Geschlossene Prozesskette Teil 6 NC-Programm und Programmierung NC-Programm Definition Struktur der NC-Programme Programmaufbau, Syntax und Semantik Schaltbefehle (M-Funktionen) Weginformationen Wegbedingungen (G-Funktionen) Zyklen Nullpunkte und Bezugs punkte Transformation Werkzeugkorrekturen DXF-Konverter Programmierung von CNC-Maschinen Definition der NC-Programmierung Programmiermethoden CAM-basierte CNC-Zerspanungsstrategien Arbeitserleichternde Grafik Auswahl des geeigneten Programmiersystems

14 Inhaltsverzeichnis NC-Programmier systeme 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 Fertigungs simulation Einleitung Qualitative Abgrenzung der Systeme Komponenten eines Simulationsszenarios Ablauf der NC-Simulation Integrierte Simulations systeme Einsatzfelder 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

15 Inhaltsverzeichnis.. Stand und Tendenzen 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 Digitale Produkt entwicklung und Fertigung: Von CAD und CAM zu PLM Einleitung Begriffe und Geschichte Digitale Produkt entwicklung Digitale Fertigung Industrie Grundlagen Kernelemente der Industrie Industrie.0 in der Fertigung Ein MES als Baustein der Industrie Herausforderungen und Risiken von Industrie Anwendung der durchgängigen Prozesskette in der Dentalindustrie Einleitung Einfluss des Medizin produktgesetzes Dentale Fertigung im Wandel Anforderungen an den Informations f luss in der dentalen Fertigung Das durchgängige Informationssystem für die Dentalindustrie Teil 8 Anhang Richtlinien, Normen, Empfehlungen VDI-Richtlinien VDI/NCG-Richtlinien D IN Deutsche Industrie Normen NC-Fachwort verzeichnis Stichwort verzeichnis Empfohlene NC-Literatur Inserentenverzeichnis

16 Tabellenübersicht Inhalt Seite Adressen-Zuordnung nach DIN Beispiel für Achsadressen mit mehreren Zeichen und zusätzlichen Erläuterungen Maximale Blechdicke bei Nibbeln/Laserschneiden Bohrzyklen G80 G89 Neue Möglichleiten der integrierten Sicherheitstechnik G-Funktionen nach DIN 66 05, Bl. Grundbestandteile von Handhabungsprogrammen Komponenten eines Robotersystems Nutzungsminderung ohne Automatisierung und Nutzungszeitgewinn durch flexible Automatisierung (theoret. Zahlenwerte) RFID, Lesezeiten im dynamischen Betrieb Schaltfunktionen nach DIN 6605, Bl. Technische Sensoren (nach Hesse) Übertragungsgeschwindigkeiten im Vergleich Unterschiedliche Anforderungen verschiedener Werkzeugmaschinen an den U mfang ihrer Automatisierung Vergleich CNC und SPS Vergleich der unterschiedlichen Simulationsansätze Wegmaßtabelle für ein Bohrbild bei Absolut- und Relativmaß-Programmierung Zahlenwerte für cos ϕ und sin ϕ

17 Die Revolution in der CNC-Fertigung Die zertifizierte, integrierte CAM-Lösung für SOLIDWORKS und Autodesk Inventor imachining D imachining D.5D Fräsen HSS High-Speed Flächenbearbeitung D HSM High-Speed Fräsen + Mehrseitenbearbeitung 5-Achsen Simultanfräsen Drehen und Drehfräsen mit Mehrfachspindeln und -revolvern Solid Probe Antasten und Messen Die CAD/CAM-Experten in Ihrer Nähe: Schramberg Rosenheim Worms Hörstel Suhl-Friedberg Amberg