NC/CNC Handbuch 2005/2006 Sonderausgabe zur 25. Auflage

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1 NC/CNC Handbuch 2005/2006 Sonderausgabe zur 25. Auflage Hans B. Kief NC, CNC, DNC, CAD, CAM, FFS, SPS, NC-Maschinen, NC- Roboter, LAN, Fachwortverzeichnis ISBN Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 380 Simulation Simulation Die Simulation technischer Systeme und Prozesse gilt als eine der Schlüsseltechnologien für die computerunterstützte Produktentwicklung und Produktionstechnik. Ziel der Fertigungs-Simulation sind fehlerfreie Fertigungsabläufe, Optimierung der Bearbeitungszeiten und insgesamt eine verbesserte Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der gesamten Fertigung. 1. Einleitung Die NC-Simulation hat sich im Lauf der vergangenen Jahre mehr und mehr als Standardverfahren zur Verifikation komplexer spanender Bearbeitungsprozesse etabliert. Bei modernen NC-Simulationssystemen wird eine reale Fertigungsanlage in einer dreidimensionalen Grafikumgebung realitätsgetreu nachgebildet. Bearbeitungsprozesse können aus beliebigen Blickwinkeln betrachtet und nachvollzogen werden. Im Gegensatz dazu ist die visuelle Erfassung der Bewegungen und Abläufe in NC-gesteuerten Fertigungsanlagen nur in sehr eingeschränktem Umfang möglich. Wenn die Verkleidung einer NC-Maschine überhaupt einen Einblick gewährt, dann meist aus nur einem ungünstigen Blickwinkel. Aufspannsituation und Kühlmittel behindern den Blick auf die Bearbeitung zusätzlich und erschweren so das Einfahren neuer oder geänderter Programme. (Bild 1) 2. Qualitative Abgrenzung der Systeme In NC-Programmiersystemen werden häufig Simulationskomponenten angeboten, die auf Basis der NC-Quelle (vor Postprozessor) die Bewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück zeigen. Diese Methode ist gut geeignet, um eine erste Kontrolle des Programmierergebnisses durchzuführen. Für exakte geometrische Untersuchungen und Analysen der Laufzeit sind Systeme auf Basis des endgültigen NC-Codes vorzuziehen, da Fehler im Postprozessor vom Simulationssystem nicht erkannt werden, sondern erst beim Einfahren an der Maschine auftauchen erst mit dem Postprozessorlauf festgelegt wird, auf welcher Maschine ein Programm verarbeitet wird, womit Arbeitsraum und Maschinenparametersatz definiert werden. Bei Programmen, die mit manueller Programmierung im Editor, also ohne NC-Programmiersystem, erstellt wurden, scheidet die Simulation vor Postprozessor von vornherein aus. Dabei ist in diesem Fall eine Überprüfung des Programmierergebnisses besonders wichtig, da gerade bei dieser Programmiermethode häufig Fehler entstehen. Wirklich aussagekräftige Simulationsuntersuchungen sind nur auf Basis des realen NC- Programms möglich, d. h. exakt der Programmtext wird simuliert, der auch auf der realen Maschine verarbeitet wird. Dazu gehören nicht nur das Programm selbst, sondern alle vom Programm aufgerufenen Unterprogramme, Zyklen und Parametertabellen wie z. B. Nullpunktverschiebungen, Werkzeugkorrekturen etc. Im Folgenden wird der Stand der Technik moderner NC-Simulationssysteme dargestellt. Die beschriebenen Funktionalitäten und Einsatzmöglichkeiten beziehen sich auf die leistungsfähigsten der verfügbaren Systeme. Je nach Anbieter können funktionale Einschränkungen bestehen. Viele Jahre lang war die erforderliche Rechnerleistung für 3D Darstellungen, Kollisions-

3 Simulation 381 Bild 1: Vergleich des Arbeitsraums einer Drehmaschine in Realität und in der Simulation. kontrollen oder Zerspanungssimulation ein beschränkender Faktor. Mittlerweile laufen auch die hochwertigsten Systeme auf handelsüblichen PCs bzw. Laptops. Moderne Systeme stellen alle Bewegungen an einem dreidimensionalen Maschinenmodell dar. Störende Elemente des Arbeitsraums können transparent dargestellt oder ganz ausgeblendet werden. Sie werden dennoch bei der im Hintergrund arbeitenden automatischen Kollisionserkennung berücksichtigt, so dass keine Kollisionen übersehen werden können. Die Blickwinkelnavigation im Simulationssystem erlaubt eine sehr detaillierte Betrachtung aller Bearbeitungssituationen. Die früher übliche reine 2D-Darstellung von Arbeitsraumkomponenten (Strichgrafik) wird mittlerweile kaum noch verwendet. Neben der rein visuellen Darstellung bieten leistungsfähige NC-Simulationssysteme Funktionen wie: Weitgehend vollständige Nachbildung unterschiedlichster Steuerungen Darstellung des Materialabtrags Automatische Kollisionserkennung Syntaxüberprüfung des NC-Programms Exakte Zeitanalysen Darstellung von Systemvariablen, Achswerten und sonstiger Prozessparameter Protokollfunktionen zur Dokumentation aufgetretener Fehler und Kollisionen Zur Abgrenzung der am Markt verfügbaren Systeme ist eine Betrachtung hinsichtlich der zu simulierenden Bearbeitungsverfahren notwendig. Grundsätzlich können spanende Fertigungsverfahren in 3D-Bearbeitung und 2 1/ 2D-Bearbeitung unterschieden werden. In einem 3D-Bearbeitungsprogramm kommen im allgemeinen nur wenige Werkzeuge zum Einsatz. Das Werkzeug bewegt sich im Vorschub in mindestens 3 Achsen gleichzeitig. Die Form des Werkstücks entsteht direkt durch die Werkzeugbahn. In 2 1/ 2D-Programmen kommen viele verschiedene Werkzeuge zum Einsatz, häufig auch formgebende Werkzeuge wie Stufenbohrer oder Formfräser. Dabei verfahren nur 2 Achsen interpoliert im Vorschub, weitere Achsen sind Positionier- oder Zustellachsen. In modernen Dreh-/Fräszentren können sowohl Dreh- als auch 2 1/ 2D-Bohr-/Fräsbearbeitungen erfolgen. Das vorliegende Kapitel beschäftigt sich in erstere Linie mit der Simulation von NC-Maschinen für die 2 1/ 2D- Bohr-/Fräs- und Drehbearbeitung.

4 382 Simulation 3. Komponenten eines Simulationsszenarios 3.1 Maschinenmodell Unter Maschinenmodell versteht man die originalgetreue Nachbildung der physikalischen Maschine am Rechner. Ein Maschinenmodell besteht mindestens aus den folgenden Komponenten: Geometriemodelle von Maschinenelementen wie Gestell, Führungen, Abdeckbleche Kinematische Struktur Steuerungsmodell Die geometrischen Elemente des Maschinenmodells müssen zumindest den Arbeitsraum genau beschreiben. Weitere Maschinenelemente wie Teile der Verkleidung können kollisionsrelevant sein, dienen aber auch dem Wiedererkennungswert. Sie können für die Simulation transparent geschaltet oder ganz ausgeblendet werden. (Bild 2) In der kinematischen Struktur sind alle realen Maschinenachsen als virtuelle Achsen hinterlegt. Reihenfolge der Achsen und Achsabstände entsprechen den realen Verhältnissen. Als Achsen sind nicht ausschließlich NC-Achsen definiert, auch SPS-gesteuerte Achsen wie Revolverachsen und hydraulisch bewegte Spannelemente können Teil der kinematischen Struktur sein. Im Steuerungsmodell sind die wichtigsten Eigenschaften der realen Steuerung nachgebildet. Dabei können leistungsfähige Steuerungsmodelle nahezu den kompletten Be- Bild 2: Maschinenmodell einer INDEX G160, Simulation am Bildschirm.

5 Simulation 383 fehlssatz der Originalsteuerung verarbeiten. Unumgänglich ist dies für Funktionen wie Bewegungsplanung, Interpolation, Fräserradiuskorrektur usw. Ebenso sollten Hochsprachenelemente wie Sprunganweisungen, bedingte Sprünge, Schleifen und Variablenbzw. Parameterprogrammierung unterstützt werden. 3.2 Werkstückgeometrie und Spannmittel Werkstücke werden heute meist in 3D-CAD- Systemen als Roh- und Fertigteil konstruiert. Die für den Simulationslauf benötigte Rohteilgeometrie gelangt über CAD-Schnittstellen des CAD- oder des Simulationssystems in das Simulationssystem. Gleiches gilt für die benötigten Spannmittel. Für den Fall, dass keine CAD-Daten vorliegen, bieten einige Simulationssystemen einfach handhabbare CAD- Funktionen, mit denen aus Regelgeometrien wie Quadern und Zylindern sogar komplexe Spannkinematiken erstellbar sind. (Bild 3) Leistungsfähige Systeme unterstützen typische Methoden der Serienfertigung wie Mehrfachaufspannung bei Bearbeitungszentren und Mehrspindelbearbeitung an Drehmaschinen. 3.3 Werkzeuge Werkzeuge werden in folgende Klassen eingeteilt: Rotationssymmetrische Werkzeuge (Bohrer, Fräser) Nicht-rotationssymmetrische Werkzeuge (Drehwerkzeuge, einschneidige Werkzeuge) Bild 3: Arbeitsraum einer ELHA-Vertikalmaschine mit Spannvorrichtung und Werkstück.

6 384 Simulation Komplexe, zusammengesetzte Werkzeuge (Winkelbohrköpfe, Bohrköpfe mit mehr als einem Werkzeug) Rotationssymmetrische Werkzeuge werden auf Basis ihrer 2D-Außenkonturen an das Simulationssystem übertragen. Ein Werkzeug kann aus mehreren Einzelkomponenten aufgebaut sein (z. B. Aufnahme, Verlängerung, Bohrer), muss aber zumindest einen schneidenden und einen nicht-schneidenden Teil aufweisen. Nach einer festgelegten Zusammenbauvorschrift werden die Einzelkomponenten im Simulationssystem angeordnet und zur Laufzeit zu dreidimensionalen Körpern rotiert. (Bild 4) Die Einzelkomponenten von Drehwerkzeugen bestehen aus dreidimensionalen Geometrien. Sie werden nach derselben Vorschrift wie rotationssymmetrische Werkzeuge aufgebaut. In manchen Simulationssystemen können auch sehr komplexe Werkzeugstrukturen wie Winkelbohrköpfe und Vorsatzköpfe aufgebaut werden. (Bild 5) 3.4 Peripherie der Maschine Periphere Komponenten wie Einrichtungen zum Palettenwechsel, Handhabungsgeräte und Magazine können bei Bedarf mit den oben beschriebenen Methoden abgebildet und in die Simulation einbezogen werden. Bild 4: 2D-Außenkontur und 3D-Werkzeug in Simulation