CNC Handbuch 2013 2014

Hans B. KiefHelmut A. Roschiwal

CNC-Handbuch 2013/2014

Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal

CNC-Handbuch2013/14

CNC DNC CAD CAM FFS SPS RPD LAN CNC-Maschinen CNC-Roboter Antriebe Energieeffizienz

Werkzeuge Simulation Fachwortverzeichnis

Die Herausgeber:Hans B. Kief, MichelstadtHelmut A. Roschiwal, Augsburg

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet ber http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschtzt.Alle Rechte, auch die der bersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfltigung 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 fr Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfltigt oder verbreitet werden.

Zu diesem Buch wird fr Dozenten eine Power-Point-Prsentation im Internet angeboten, vorgesehen zur Untersttzung der Vorlesungen ber CNC-Technik. Der Foliensatz besteht aus ber 400 Folien mit erluternden Notizen und ist abgestimmt auf das CNC-Handbuch 13/14.Um die Dateien herunterladen zu knnen, loggen Sie sich ein oder melden Sie sich an unter: https://dozentenportal.hanser.de/

2013 Carl Hanser Verlag Mnchen Gesamtlektorat: Dipl.-Ing. Volker HerzbergHerstellung: Steffen JrgTitelillustration: Atelier Frank Wohlgemuth, BremenCoverconcept: Marc Mller-Bremer, www.rebranding.de, MnchenUmschlaggestaltung: Stephan RnigkGesamtherstellung: Ksel, KrugzellAusstattung patentrechtlich geschtzt. Ksel FD 351, Patent-Nr. 0748702Printed in Germany

ISBN: 978-3-446-43537-7E-Book ISBN: 978-3-446-43718-0

www.hanser-fachbuch.de

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Lieber Leser,

die erste Ausgabe dieses Handbuches erschien 1976 und hatte einen Umfang von ca. 200 Seiten. Ihr vorliegendes Buch hat das 3-fache Volumen und widerspiegelt damit die Entwick-lung der CNC-Technologie. NC und CNC haben innerhalb einer Ingenieurgeneration in Ver-bindung mit der Werkzeugmaschine sowohl die technische Qualitt der Produkte, als auch unsere Lebensqualitt wesentlich verbessert. Heute lassen sich Teile mit einer Przision und Wirtschaftlichkeit herstellen, die noch vor 20 Jahren nicht vorstellbar war.

Wer heute in der Fertigungstechnik ttig ist, muss sich nicht nur mit CNC-Maschinen, sondern mit einer Vielzahl von CNC-untersttzenden Computersystemen befassen. Diese haben im Ver-lauf von wenigen Jahren eine enorme Bedeutung erreicht. Um das Verstndnis des Zusammen-wirkens zu erleichtern, wird z.B. ber computergesttzte Programmiersysteme berichtet, wie DNC-Rechner Lochstreifen und Lesegerte ersetzt haben und wie Bus-Systeme die Datenber-tragung sicherer machen. CNC und SPS waren die wichtigsten Verbesserungen der Steuerungs-technik. Der grte Schritt war jedoch die Entstehung von CAD-Systemen mit der Mglichkeit, die erzeugten Daten in nachgeschalteten CAM-Systemen fr die NC-Programmierung und Simulation zu nutzen.

Aber auch die CNC-Maschinen haben durch elektronische Systeme markante Entwicklungs-schritte erlebt. Das erfolgreiche Zusammenwirken von Computern und Fertigungsideen hat zu vllig neuen Maschinen gefhrt: Maschinen die mit Wasserstrahl unterschiedliche Materialien schneiden oder mittels Laserlicht und Monomeren die generativen Fertigungssysteme er mg-lichen. Die Entwicklung von Mechanik, NC, Computer, Informatik und Sensorik waren von An-fang an sehr eng miteinander verbunden, was zielgenau zur digitalen Fertigung gefhrt hat.

Wir sehen es auch weiterhin als eine interessante Aufgabe, den Lesern sowohl einen Gesamt-berblick ber das groe Gebiet der digitalen Fertigungstechnik, als auch das notwendige, aktuelle Grundwissen verstndlich zu vermitteln. Dazu wurden in dieser Ausgabe folgende Beitrge aktualisiert:

Energieeffizienz eine Kennziffer fr Werkzeugmaschinen Werkzeuge und Werkzeugsystematik fr CNC-Maschinen Prozessadaptierte Auslegung von Werkzeugmaschinenantrieben

Heute ist es nicht mehr mglich, dass ein einzelner Autor alle CNC-relevanten Fachbereiche detailliert beherrscht und diese von den Grundlagen bis zu einem technisch anspruchsvollen Level beschreiben kann. Deshalb mchten wir uns bei allen Autoren und Rezensenten fr ihre engagierte Untersttzung bedanken!

Hans B. Kief Helmut Roschiwal

Inhaltsverzeichnis

Teil 1 Einfhrung in die CNC-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Historische Entwicklung der NC-Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.1 Erste Nachkriegsjahre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2 Wiederaufbau der Werkzeugmaschinen industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3 Weltweite Vernderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4 Neue, typische NC-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5 Der japanische Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.6 Die deutsche Krise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.7 Ursachen und Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.8 Flexible Fertigungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.9 Weltwirtschaftskrise 2009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.10 Situation und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.11 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2 Meilensteine der NC-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3 Was ist NC und CNC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1 Der Weg zu NC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.4 Steuerungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.5 NC-Achsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.6 SPS, PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.7 Anpassteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.8 Computer und NC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.9 NC-Programm und Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.10 Dateneingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.11 Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.12 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Teil 2 Funktionen der CNC-Werkzeug maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 Weginformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551.2 Achsbezeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551.3 Lageregelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581.4 Positionsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611.5 Vorschubantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Inhaltsverzeichnis 5

2 Schaltfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902.1 Erluterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902.2 Werkzeugwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912.3 Werkzeugwechsel bei Drehmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912.4 Werkzeugwechsel bei Frsmaschinen und Bearbeitungszentren . . . . . . . . . . . 932.5 Werkzeug-Identifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952.6 Werkstckwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982.7 Drehzahlwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022.8 Vorschubgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3 Funktionen der numerischen Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.2 CNC-Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.3 CNC-Sonderfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1123.4 Anzeigen in CNCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1283.5 Offene Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1283.6 Preisbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1313.7 Vorteile neuester CNC-Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1333.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

4 SPS Speicher programmierbare Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.2 Entstehungsgeschichte der SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.3 Aufbau und Wirkungsweise von SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404.4 Datenbus und Feldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1434.5 Vorteile von SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1504.6 Programmierung von SPS und Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1504.7 Programm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1524.8 Programmspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1534.9 SPS, CNC und PC im integrierten Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1554.10 SPS-Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1554.11 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1574.12 Tabellarischer Vergleich CNC/SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5 Einfluss der CNC auf Baugruppen der Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.1 Maschinenkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.2 Maschinengestelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1655.3 Fhrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.4 Hauptantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1685.5 Maschinenverkleidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1745.6 Khlmittelversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1755.7 Spneabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1755.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

6 Inhaltsverzeichnis

Teil 3 Die Arten von numerisch gesteuerten Maschinen . . . . . . . . . . . . . . 1791 CNC-Werkzeug maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1811.1 Bearbeitungszentren, Frsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1811.2 Drehmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1951.3 Schleifmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2021.4 Verzahnmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2121.5 Bohrmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2211.6 Parallelkinematische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2261.7 Sgemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2281.8 Laser-Bearbeitungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2321.9 Stanz- und Nibbelmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2391.10 Rohrbiegemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2431.11 Funkenerosionsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2451.12 Elektronenstrahl-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2481.13 Wasserstrahlschneid maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2491.14 Entwicklungstendenzen bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen . . . 2521.15 Messen und Prfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2561.16 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

2 Prozessadaptierte Auslegung von Werkzeug maschinenantrieben . . . . . . 2642.1 Grenzen der Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2642.2 Ausgangspunkt Bearbeitungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2652.3 Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2672.4 Aufbau von Werkzeug maschinenantrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2682.5 Anforderungen aus den Zerspanprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2692.6 Stationre und dynamische Auslegung von Vorschub antrieben . . . . . . . . . . . . 2702.7 Lineardirektantrieb in Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2732.8 Ableitung der Antriebs auslegung aus Prozess kenngren . . . . . . . . . . . . . . . 2742.9 Universelle/spezifische Auslegung von Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2772.10 Auslegung von Vorschub antrieben spanender Werkzeugmaschinen

aus Prozessparametern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2782.11 Messsysteme fr Werkzeugmaschinen antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2792.12 Systembetrachtung einer Werkzeugmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2802.13 Zusammenfassung Antriebsdimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

3 Energieeffizienz von CNC-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2843.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2843.2 Effizienzsteigerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2863.3 Definition des Prfzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2883.4 Ergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2893.5 Alternativen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

4 Generative Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2924.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2924.2 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293


4.3 Verfahrenskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2954.4 Einteilung der generativen Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2974.5 Vorstellung der wichtigsten Schichtbauverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2994.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

5 Flexible Fertigungs systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3115.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3115.2 Flexible Fertigungsinseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3145.3 Flexible Fertigungszellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3145.4 Technische Kennzeichen flexibler Fertigungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3175.5 FFS-Einsatzkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3195.6 Fertigungsprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3205.7 Maschinenauswahl und -anordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3225.8 Werkstck-Transport systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3235.9 FFS-geeignete CNCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3335.10 FFS-Leitrechner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3345.11 Wirtschaftliche Vorteile von FFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3365.12 Probleme und Risiken bei der Auslegung von FFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3385.13 Flexibilitt und Komplexitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3395.14 Simulation von FFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3435.15 Produktionsplanungs systeme (PPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3455.16 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

6 Industrieroboter und Handhabung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3496.1 Definition: Was ist ein Industrieroboter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3506.2 Aufbau von Industrie robotern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3516.3 Mechanik/Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3526.4 Greifer oder Effektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3546.5 Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3546.6 SafeRobot Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3576.7 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3596.8 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3626.9 Anwendungsbeispiele von Industrierobotern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3636.10 Einsatzkriterien fr Industrieroboter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3656.11 Vergleich Industrie-Roboter und CNC-Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3676.12 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

Teil 4 Werkzeuge in der CNC-Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3711 Aufbau der Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3731.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3731.2 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3731.3 Gliederung der Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3761.4 Maschinenseitige Aufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3801.5 Modulare Werkzeug systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386


1.6 Einstellbare Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3871.7 Gewindefrsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3911.8 Sonderwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3931.9 Werkzeugwahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

2 Werkzeug verwaltung (Tool Management) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4002.1 Motive zur Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4002.2 Evaluation einer Werkzeugverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4022.3 Lastenheft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4022.4 Beurteilung von Lsungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4032.5 Einfhrung einer Werkzeugverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4032.6 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4032.7 Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4042.8 Werkzeug-Identifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4042.9 Werkzeuge suchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4062.10 Werkzeug-Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4072.11 Werkzeug-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4072.12 Komplett-Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4092.13 Werkzeuglisten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4112.14 Arbeitsgnge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4112.15 Werkzeug-Voreinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4122.16 Werkzeug-Logistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

3 Elektronische Werkzeug-Identifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4183.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4183.2 Funktionsweise/Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4193.3 Komponenten eines WZ-Ident- Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4213.4 Organisatorische Vorteile elektronischer Werkzeug-Ident-Systeme . . . . . . . . . 4213.5 Werkzeugerkennung und -datenverwaltung mit RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4223.6 Werkzeugberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4253.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

4 Prozessnahe Fertigungsmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4304.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4304.2 Parallele Messtechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4304.3 Prozessnahes Messen in Nebenzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4304.4 Mit Bohrungsmesskpfen nah am Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4314.5 Aktorische Werkzeugsysteme schlieen den Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4324.6 Mechatronische Werkzeug systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4354.7 Geschlossene Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4354.8 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4354.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438


Teil 5 NC-Programm und Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4411 NC-Programm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4431.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4431.2 Struktur der NC-Programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4441.3 Programmaufbau, Syntax und Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4461.4 Schaltbefehle (M-Funktionen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4471.5 Weginformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4491.6 Wegbedingungen (G-Funktionen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4511.7 Zyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4541.8 Nullpunkte und Bezugs punkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4581.9 Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4611.10 Werkzeugkorrekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4611.11 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

2 Programmierung von CNC-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4682.1 Definition der NC-Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4682.2 Programmiermethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4682.3 NC-Programmierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4772.4 Arbeitserleichternde Grafik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4782.5 Verteilte Intelligenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4802.6 Auswahl des geeigneten Programmiersystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4812.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483

3 NC-Programmier systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4863.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4863.2 Bearbeitungsverfahren im Wandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4873.3 Der Einsatzbereich setzt die Prioritten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4883.4 Eingabedaten aus unterschiedlichen Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4923.5 Leistungsumfang eines modernen NC-Programmiersystems (CAM) . . . . . . . . 4923.6 Datenmodelle auf hohem Niveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4933.7 CAM-orientierte Geometrie-Manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4933.8 Nur leistungsfhige Bearbeitungsstrategien zhlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4943.9 3D-Modelle bieten mehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4953.10 Innovativ mit Feature-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4963.11 Automatische Objekt erkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4993.12 Bearbeitungsdatenbank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4993.13 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5013.14 Aufspannplanung und Definition der Reihenfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5013.15 Die Simulation bringt es auf den Punkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5013.16 Postprozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5033.17 Erzeugte Daten und Schnittstellen zu den Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . 5033.18 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503


4 Fertigungs-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5064.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5064.2 Qualitative Abgrenzung der Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5074.3 Komponenten eines Simulationsszenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5104.4 Ablauf der NC-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5134.5 Einsatzfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5164.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520

Teil 6 Einbindung der CNC-Technik in die betriebliche Informationsverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523

1 DNC Direct Numerical Control oder Distributed Numerical Control . . . . 5251.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5251.2 Aufgaben von DNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5251.3 Einsatzkriterien fr DNC-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5261.4 Datenkommunikation mit CNC-Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5271.5 Technik des Programm anforderns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5281.6 Heute angebotene DNC-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5291.7 Netzwerktechnik fr DNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5311.8 Vorteile beim Einsatz von Netzwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5331.9 NC-Programmverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5331.10 Vorteile des DNC-Betriebes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5341.11 Kosten und Wirtschaft lichkeit von DNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5381.12 Stand und Tendenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5381.13 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

2 LAN Local Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5422.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5422.2 Local Area Network (LAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5422.3 Was sind Informationen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5432.4 Kennzeichen und Merkmale von LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5442.5 Gateway und Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5532.6 Auswahlkriterien eines geeigneten LANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5542.7 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5542.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559

3 Digitale Produkt entwicklung und Fertigung: Von CAD und CAM zu PLM . . 5623.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5623.2 Begriffe und Geschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5633.3 Digitale Produkt entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5683.4 Digitale Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5733.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

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Teil 7 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581Richtlinien, Normen, Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 VDI-Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 DIN-Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585 NCG-Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587

NC-Fachwort verzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589

Stichwort verzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633

Empfohlene NC-Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641

Inserentenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643

Tabellen und bersichtstafeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644

Bezugsquellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645

Einfhrung in die CNC-Technik

TEIL 1

1511.1 Erste Nachkriegsjahre194548: Alle Fertigungssttten in Deutschland waren zerstrt oder unbrauch-bar, teilweise demontiert und als Repara-tionsleistungen ins Ausland transportiert. Die Produktion lag am Boden.

Die Industriestdte waren zerstrt und grtenteils unbewohnbar, Millionen Ton-nen Trmmerschutt blockierten die Stra-en und Verkehrswege. Die Versorgung mit Strom, Gas und Wasser war notdrftig, eine industrielle Fertigung bis auf wenige, un-bedeutende Ausnahmen unmglich.

1948 (Whrungsreform) bis 1955: Wie-deraufbau der Werkzeugmaschinen- und Fertigungsindustrie, vorwiegend auf Basis noch vorhandener Konzepte. Die Entwick-lung neuer Maschinenkonzepte war wh-rend des Krieges und kurz danach nicht mglich.

Die meisten Maschinen waren fr die manuelle Bedienung ausgelegt, aber es fehlten die erfahrenen Facharbeiter. Die wenigen noch verfgbaren Maschinen fertigten dringend bentigte Massenpro-dukte.

Historische Entwicklung der NC-Fertigung

Ein Rckblick auf die Einfhrung und Entwicklung der NC-Technik soll zeigen, dass nicht nur technische Gesichtspunkte eine wichtige Rolle spielten. Richtige und falsche Management-Entscheidungen, der Beginn der Globalisierung und insbeson-dere die japanische Herausforderung waren wesentlich an der Gesamtvernderung des Marktes und der Fertigungslandschaften beteiligt.

Der Bedarf war fast unbegrenzt. Die vor-handenen Maschinen arbeiteten in zwei und drei Schichten.

Neue Arbeitspltze entstanden, aber es fehlten die Arbeitskrfte. ber zwei Millio-nen deutsche Mnner waren gefallen, ber sechs Millionen verwundet, krank oder noch in Gefangenschaft.

Die Lsung waren die Gastarbeiter. Sie kamen aus allen westeuropischen Ln-dern. Arbeit gab es gengend.

Das Ziel hie: Wiederaufbau der zerstr-ten Stdte, Fabriken, Brcken, Huser, Stra-en, der Infrastruktur und Bereitstellung der dringend bentigten Transportkapazi-tten.

Dazu bentigte man jede Art von Maschi-nen, insbesondere Baumaschinen, Krne, Bagger und Lkw.

Im Vordergrund der industriellen Pro-duktion stand die Massenfertigung auf manuellen Produktionsmaschinen, Trans-ferstraen und mechanischen Automaten. Die Lebensdauer der hergestellten Produkte lag bei mindestens 10 Jahren, schnelle Pro-duktionswechsel waren nicht gefragt.

Das Ergebnis dieses riesigen Bedarfs, ei-ner klugen Politik und tatkrftiger Brger war das deutsche Wirtschaftswunder.

16

16 Teil 1Einfhrung in die CNC-Technik

1.2 Wiederaufbau der Werkzeugmaschinen-industrie

Deutschland verfgte aufgrund der ge-schilderten Ausgangslage innerhalb weni-ger Jahre (ca. 196070) ber den jngsten Werkzeugmaschinenbestand aller Indust-rienationen: das Durchschnittsalter betrug 56 Jahre. Aber es waren zu wenige, die Statistik hinkte. Einige neue Maschinen waren zudem technisch noch auf dem Vor-kriegsstand!

Amerika lag zu dieser Zeit (ca. 196075) bei ca. 15 bis 17 Jahre alten Maschinen. Eine Verjngung entstand durch den Ein-satz von NC-Maschinen (Drehen, Frsen, Bearbeitungszentren) in der Fahrzeug- und Luftfahrt-Industrie. Die in den USA ent-wickelte NC-Technik setzte sich in der dor-tigen Industrie viel schneller durch als in Europa. Viele Projekte wurden staatlich untersttzt, wie z.B. zur Herstellung mili-trischer Produkte.

Die amerikanischen Hersteller von NC-Maschinen verkauften sehr gut und weltweit, vernachlssigten jedoch die kon-sequente Weiterentwicklung der Maschi-nen. Dies fhrte zu stndig steigenden Impor ten preiswerter japanischer Maschi-nen.

Die rasch aufeinanderfolgenden Verbes-serungen der Numerischen Steuerungen hatten einen gravierenden Einfluss auf alle Maschinen-Typen und verlangten nach neuen, angepassten Konstruktionen. Dies wurde nicht rechtzeitig realisiert und fhrte sehr schnell zum Konkurs mehrerer amerikanischer Hersteller.

Japan frderte mit Beginn der 70er Jahre mit groen Investitionen die Werkzeug-maschinen-Produktion. Es waren einfache, preiswerte, aber nach neuesten Gesichts-

punkten konstruierte NC-Maschinen. Bald konnte man ab Lager und zu bis dahin unglaublich niedrigen Preisen liefern. Die Maschinen waren nach anderen Vorgaben konstruiert: Serienmige Standard-Ma-schinen ohne grere Modifikationen, zu-verlssig, mit Serien-NC ohne Mglichkeit der Steuerungswahl, preiswert.

Whrend die deutschen Hersteller tradi-tionell den europischen Raum belieferten, hatten sich die Japaner von Anfang an stra-tegisch auf den Weltmarkt ausgerichtet, mit dem Schwerpunkt USA, spter auch Europa. Kundenspezifische Modifikationen wurden konsequent abgelehnt.

Mitte der 80er Jahre hatte Japan hinsicht-lich der Weltmarktanteile zu Deutschland aufgeschlossen!

Ein Zeichen der nachlassenden Wett-bewerbsfhigkeit deutscher Hersteller war die stetig steigende Importquote: Von 1973 bis 81 stieg sie um 11,9% auf 33,3%, und bis 1991 auf 41,2%.

1.3 Weltweite VernderungenIn vielen Industrienationen wurde noch 10 bis 15 Jahre nach dem 2.Weltkrieg vor-wiegend auf veralteten Maschinen pro-duziert. Zuerst waren diese vllig ausrei-chend, aber mit zunehmendem Wettbewerb, dem Kostendruck und verndertem Ku-ferverhalten war eine Modernisierung des Maschinenparks in vielen Fertigungsbe-trieben dringend erforderlich.

Zudem begann in den 70er Jahren welt-weit die Entwicklung zum Kufermarkt, d.h. schnellere Produktnderungen und krzere Lebensdauer setzten sich bei fast allen Produkten durch.

Folge: Verlagerung von der Massenproduk-tion hin zu kleineren Losgren. Anstelle der starren Massenfertigung auf Automa-

17

1Historische Entwicklung der NC-Fertigung 17

ten und Transferlinien kamen zunehmend flexiblere NC-Maschinen zum Einsatz. Aber auch die hhere Komplexitt der Pro-dukte infolge verstrkter Nutzung von CAD-Systemen erforderte den Einsatz mo-derner Werkzeugmaschinen mit durch-gngiger Datennutzung zur schnelleren NC-Programmierung.

Neue, potenzielle NC-Maschinen-Anwen-der kamen hinzu, wie z.B.:

Rstungsindustrie fr Panzer, gepan-zerte Fahrzeuge, Transporter etc.

Flugzeugindustrie mit den Lizenzferti-gungen von Starfighter, Phantom, Helikop-ter und Waffen, spter mit den Program-men Airbus, MRCA-Tornado, Alpha-Jet, Dornier DO 27.

Aber auch die Flugzeugindustrie in Frankreich (Dassault, Aerospatiale, Snec- ma), England (Hawker, British Aerospace) und in den USA (Boeing, McDonnell, Fairchild, Lockheed, Sikorsky u.a.) suchte neue Maschinenkonzepte. Gefragt waren schnell umrstbare Maschinen mit hoher Przision, neue Maschinengren (Fl-chenfrsmaschinen, Grobohrwerke) und Bearbeitungszentren.

Ein groes unerschlossenes Potenzial waren alle kleinen und mittleren Zuliefer-betriebe.

1.4 Neue, typische NC-Maschinen

Die wiederentstehende deutsche Luftfahrt-industrie und die Automobilindustrie brachten ab 1968 wesentliche Impulse fr die einheimische Werkzeugmaschinen- Industrie:

Groflchenfrsmaschinen und Bearbei-tungszentren mit hohem Automatisie-rungsgrad,

Drei- und Fnfachs-Frsmaschinen mit Simultaninterpolation in allen Achsen,

Gantry-Type-Frsmaschinen fr groe

Frsbreiten mit bis zu acht parallelen Hauptspindeln,

Elektronenstrahl-Schweimaschinen, fle-xible Fertigungszellen und ein sehr ho-her Automatisierungsgrad beim Werk-stck- und Werkzeughandling sowie bei der Bearbeitung,

High-Speed-Cutting-Maschinen fr den Formen- und Werkzeugbau,

sowie neue Programmier- und Bearbei-tungsstrategien (APT, CAD, CAD/CAM) brachten groe Auftrge fr viele euro-pische Hersteller.

Innerhalb weniger Jahre (197080) wurde Deutschland zum grten Werkzeugma-schinen-Exporteur.

Zunchst wurden den alten, bewhrten Maschinenkonzepten viele Ausbaustufen einfach hinzugefgt, ohne das Grundkon-zept zu modernisieren.

Folge: Zu viele Bauteile, zu schwere Maschinen, zu lange Bauzeit, zu aufwndige Konzeptionen, zu teuer.

Sowie: zu lange Inbetriebnahmezeiten, zu hufige Ausflle, zu lange Ausfallzeiten.

Ergebnis: Diese Maschinen waren fr die normale Industrie zu unwirtschaftlich! Erst die berarbeiteten, preiswerteren Kon-zepte brachten den dringend notwendigen Durchbruch im allgemeinen Maschinen-bau.

1.5Der japanische EinflussDie inzwischen fortlaufend verbesser ten ja-panischen Standard-NC-Maschinen drng-ten immer strker auf den deutschen Markt. Anfngliche innere Widerstnde der Kufer gegen japanische Produkte wur-

18


den durch die niedrigen Preise, die stndig verbesserte Qualitt und allgemein positive Erfahrungsberichte immer geringer.

Die Maschinen wurden in Groserien gebaut, hatten ungewohnt kurze Lieferzei-ten und verfgten ber sehr zuverlssige Numerische Steuerungen (FANUC, Mitsu-bishi, Okuma, Mazak etc.). Zudem boten die japanischen Firmen einen grozgigen Service. Bald bauten auch immer mehr deutsche Maschinenhersteller japanische Steuerungen an ihre Maschinen an und nutzten den international vorhande nen Service, z.B. von FANUC, um Maschinen weltweit zu verkaufen.

1.6Die deutsche KriseNach der Boomphase von 1985 bis 90 kmpfte der deutsche Werkzeugmaschi-nenbau ab 1992 gegen die schwerste Krise der Nachkriegszeit. Bis 1994 sackte die Produktion real um fast 50% ab, die Be-schftigten um 30%. Nun traten die struk-turellen und finanziellen Schwierigkeiten der Maschinenhersteller besonders hervor.

Verursacht wurde dieser Einbruch durch das Zusammentreffen mehrerer Probleme.

Die deutsche Werkzeugmaschinen-In-dustrie kam wegen vergleichbarer Ursa-chen in die Krise wie in den 80er Jahren die amerikanische. Anstatt die Krfte zu bn-deln und sich gegen den japanischen Wett-bewerb zu formieren, versuchte man mit Preisnachlssen den Wettbewerb fernzu-halten, was auf Dauer nicht gutgehen konnte. Zudem arbeiteten die deutschen Hersteller gegeneinander, anstatt sich mit-einander und mit neuen Ideen gegen die schnell strker werdende japanische Kon-kurrenz zu wehren. Gute Anstze wren z.B. gewesen: einheitliche Werkzeugauf-nahmen und -wechselsysteme, einheitliche Palettenwechsler und aufeinander abge-stimmte Tischhhen. Dies htte z.B. die

Einfhrung von Flexiblen Fertigungssys-temen durch Kombination von Maschinen unterschiedlicher Hersteller wesentlich vereinfacht, verbilligt und damit gefrdert. Es fehlte aber auch das Geld, um neue, preiswertere Maschinen zu entwickeln.

Das Wettbewerbsdenken verhinderte ge-meinsame, aufeinander abgestimmte, sich ergnzende, strategische Lsungen, wie sie von mehreren Groanwendern gewnscht wurden.

Folge: Die unter 5% geschrumpften De-ckungsbeitrge lieen keine greren zukunftsorientierten Entwicklungen zu. Viele deutsche Maschinenhersteller hatten entweder kein strategisches Konzept oder kein Geld, es zu realisieren. Stattdessen versuchten fast alle, nach oben in den Sonder- und Spezialmaschinenbereich aus-zuweichen. Doch diese Nischenpolitik konnte nicht funktionieren, die (Sonder-)Maschinen wurden zu teuer, weil die Grundauslastung mit Standard-Maschinen fehlte. Zudem verlangten die potenziellen Kufer umfangreiche Detailplanungen von mehreren Herstellern, ohne die dafr ent-standenen Kosten zu tragen.

Viele renommierte Hersteller steuerten in den Konkurs oder wurden in den Folge-jahren von Wettbewerbern bernommen.

1.7 Ursachen und Auswirkungen

Deutsche Manager fragten ganz offen: Was machen die Japaner besser als die einst so erfolgsgewohnten deutschen Maschinen-hersteller?

Waren es die niedrigeren Preise durch geringere Produktionskosten? Oder die besseren technischen Konzepte? Oder die Lieferzeiten?

Nur zum Teil! Viel gravierender waren die besseren Geschftsideen, die hheren

19


Stckzahlen und die Weltmarkt-Strategie! Die deutschen Hersteller suchten Kufer fr Sondermaschinen, die japanischen Hersteller suchten Mrkte fr Standard-maschinen!

Japanische Maschinen waren gut und kamen mit ca. 30% weniger mechanischen Teilen aus.

Den Kufern imponierten die Vorteile, die immer strker zum Vorschein kamen.

Selbst ur-deutsche Kufer griffen immer mehr zu den asiatischen Produkten. Fr den Preis einer deutschen Super-Spezial-Sondermaschine mit langer Lieferzeit konnte man zwei bis drei japanische Stan-dardmaschinen ab Lager kaufen. Das war berzeugend!

Erst gegen Ende der 80er/Anfang der 90er Jahre hatten die berlebenden deut-schen Maschinen-Hersteller begriffen, dass sie andere Maschinen bauen mussten, um wieder gefragt und erfolgreich zu wer-den. Die Nischen fr die deutschen Spezial-maschinen-Hersteller waren zu klein ge-worden.

Die Lsung lag fr viele Hersteller in der Fusion oft durch die Banken erzwungen. Heute sind wieder mehrere Hersteller wett-bewerbsfhig geworden und werben damit, dass sie die Anzahl der Bauteile ihrer mo-dernisierten Maschinen um 3035% redu-ziert haben. Diese Firmen hatten endlich begriffen, dass man sowohl mit veralteten Konzepten, als auch mit technischem Overkill und mit der Nischenpolitik auf dem falschen Weg war. Aber auch die Ku-fer akzeptierten inzwischen, dass deutsche Maschinen mit vergleichbaren Spezifika-tionen wie japanische Maschinen angebo-ten wurden, ohne die vielen kundenspezifi-schen Sonderspezialfunktionen.

Eine nicht zu unterschtzende Rolle ent-fiel auf die neuen, leistungsfhigen und

dialogorientierten NC-Programmiersys-teme, die sowohl als Programmierplatz, als auch direkt an den Maschinen zur Ver-fgung standen.

Zur Genesung des Werkzeugmaschinen-baus haben auch die neuen Technologie-Verfahren und vllig neue Maschinen beigetragen, wie High Speed Cutting, Hoch-leistungs-Laser zum Schweien und Tren-nen, Generative Fertigungsverfahren wie z.B. Rapid Prototyping Systeme, sowie Ma-schinen zur Hartbearbeitung von Metallen und Keramiken. Dagegen werden Univer-sal-Maschinen zur Komplettbearbeitung in einer Aufspannung zunehmend interes-santer.

Der Einsatz neuer, hochdynamischer An-triebe machte die Maschinen zudem immer schneller.

1.8 Flexible FertigungssystemeAmerikanische Grofirmen wie Caterpil-lar, Cummings Diesel, General Electric und mehrere Maschinenhersteller (Cincinnatti Milacron, Kearney & Trecker, Sundstrand u.a.) konzipierten und installierten seit den 70er Jahren die ersten Flexiblen Ferti-gungssysteme. Diese bestehen aus meh-reren sich ersetzenden (identischen) oder sich ergnzenden (unterschiedlichen) NC-Maschinen sowie einem gemeinsamen Werkstcktransport- und Steuerungssys-tem. Auf derartigen Anlagen lassen sich auftragsbezogen Einzelstcke, aber auch kleinere und mittlere Losgren wirt-schaftlich fertigen. In besonderen Fllen werden FFS auch fr die Groserienferti-gung eingesetzt.

In Japan wurden zu dieser Zeit erste FFS-Installationen erfolgreich getestet und in-ternational propagiert. Die Besucher ka-men aus der ganzen Welt und bestaunten die mannlose Fertigung in dunklen Hallen.

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In Deutschland wurden FFS zuerst sehr zurckhaltend nachgefragt. Ausschlagge-bend fr das zgernde Kaufverhalten ist das umfangreiche Engineering, d.h. die kundenspezifische Planung und Ausle-gung solcher Systeme vor Ort beim Kun-den, sowie die normalerweise von den Ku-fern geforderten und sehr aufwndigen Zeit-, Stckkosten- und Investitionsberech-nungen. Dies alles fhrte zu hohen Kosten und Preisen. Erst als die Fantasien von menschenleeren Fabriken mehr zu per-sonalreduzierten Fertigungen auf bezahl-baren Fertigungskonzepten tendierten, zeigten auch deutsche Anwender zuneh-mendes Interesse an solchen Systemen.

1974 installierte die Fa. Getriebe Bauer, Esslingen, eines der ersten FFS in Deutsch-land. Es bestand aus neun identischen Bearbeitungszentren (Fabrikat BURR) mit Bosch/Bendix-Steuerungen, einem Palet-ten-Umlaufsystem fr den automatischen Werkstcktransport und Paletten-ber-gabestationen an jeder Maschine. Aus-schlaggebend war, dass zu diesem Zeit-punkt die ersten NCs mit Programm-speicher anstelle der Lochstreifenleser verfgbar waren. Fa. Bauer hat diese An-lage in den folgenden Jahren auf 12 Ma-schinen erweitert und 1988 auf leistungs-fhigere CNCs umge rstet. In mehr als 20 Jahren zwei- und dreischichtigem Be-trieb hat es die technischen und wirtschaft-lichen Erwartungen des Anwenders mehr als erfllt! Man konnte endlich auftrags-bezogen fertigen, Lager abbauen und trotz-dem kurz fristig liefern.

Nach den ersten positiven Meldungen folgten bald weitere FFS in vielen Ferti-gungsbetrieben.

In Japan, Amerika und Europa werden stndig nach dem neuesten Stand der Tech-nik konzipierte FFS installiert. Die positi-ven Erfahrungen mit diesen Systemen und

deren Wirtschaftlichkeit hat zu bes seren, FFS-geeigneten Maschinen gefhrt, die sich problemlos kombinieren und betrei-ben lassen. Auch die Integration von Robo-tern zur Werkzeug- und Werkstck-Hand-habung hat zu besseren System konzepten gefhrt. Zur frhzeitigen Er kennung von Planungsfehlern wurden leistungsfhige Simulations- und Produk tionsplanungs-Systeme (PPS) entwickelt.

Inzwischen werden in Deutschland seit vielen Jahren FFS eingesetzt, mit zuneh-mender Tendenz. Durch die in kurzen Zeit-abstnden unvermeidlichen Aktualisierun-gen und Modifikationen der Werkstcke sind auch in der Massenproduktion flexi-ble Fertigungssysteme oft wirtschaftlicher als starre, unflexible Transferlinien.

1.9 Weltwirtschaftskrise 2009Der Auftragseinbruch im deutschen Werk-zeugmaschinenbau begann sich bereits Ende 2008 abzuzeichnen und endete erst Mitte 2010. Die Ursachen dafr begannen schon sehr viel frher. Aus einer Reihe unscheinbarer Einzelereignisse und Fehl-entwicklungen entstand die grte Finanz- und Wirtschaftskrise seit zwei Gene ra tio-nen. Inzwischen ist jedem gelufig, dass faule Kredite das Weltfinanzsystem an den Rand des Abgrunds gebracht hatten.

Auslser waren Hypothekenbanken der USA, die unterstellt hatten, dass Huser-preise immer weiter steigen wrden und deshalb ihren Kunden aberwitzige Kredit-vertrge vermittelten, die sie nach Ab-schluss an Wall-Street-Banken weiter-verkauften. Hinzu kam das wachsende Handelsdefizit der USA, die sinkende Spar-quote, exzessive Schuldenquoten bei der Finanzierung von Firmenbernahmen. An-fang 2009 stand den meisten Menschen, das Schlimmste in Gestalt von Arbeitslosig-

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keit aber noch bevor. Die Banken saen auf Schulden von ca. 1 Billion Dollar, die sie noch nicht abgeschrieben hatten. Aufgrund der engen Verknpfung der einzelnen Volkswirtschaften erfasste diese Krise syn-chron fast den ganzen Globus und lste eine beispiellose politische Gegenreaktion aus. Die mageblichen Regierungen der Welt pumpten Billionen Dollar und Euro in die Wirtschaft. Die berschuldungs-quote aufgrund der Rettung von systemi-schen Banken stieg auch in Deutschland enorm.

In dieser beraus kritischen Situation gelang der deutschen Politik ein Coup, um den Deutschland viele Staaten beneidet haben: Die Ausweitung der Kurzarbeiter-regelung auf 24 Monate. Massenentlassun-gen wurden dadurch vermieden und als 2010 der Markt fr Werkzeugmaschinen zunchst zgerlich und dann mit einem wachsenden Tempo sich zu erholen be-gann, konnten die Hersteller mit ihren In-genieuren und Facharbeitern in kurzer Zeit wieder mit Volldampf arbeiten.

Als dieses Buch im Dezember 2012 ab-geschlossen wurde, brummte die Deut-sche Wirtschaft wieder und auch die Werk-zeugmaschinenindustrie hatte blendende Auftragszahlen. Allerdings brachten diese zwei Jahre Verwerfungen mit sich, die alles vorherige in den Schatten stellten: Erst eine global synchronisierte Liquiditts-krise in nie dagewesener Brutalitt und dann ebenso berraschend fr Deutsch-land die ganz schnelle Erholung der Auf-tragseingnge auf Vorkrisenniveau.

Zeitweilig sprach man sogar von einem zweiten deutschen Wirtschaftswunder. Ge-gen Ende 2012 waren die Auftragszahlen in der deutschen Werkzeugmaschinen-industrie immer noch zufriedenstellend. Auch die Zuwachszahlen in einigen asiati-schen Lndern, insbesondere China, haben wieder Werte wie vor der Krise erreicht. In

der Europischen Union sind aber die An-zeichen einer Rezession fr 2013 unver-kennbar.

Die US-Wirtschaft allerdings hat be-sorgniserregende Arbeitslosenzahlen von knapp 10% und einen historischen Schul-denstand. Und auch die berschuldung einiger Eurostaaten wie Griechenland, Ir-land, Portugal und Spanien lieen eine zuverlssige Prognose fr die Zukunft bei Redaktionsschluss nicht zu.

1.10 Situation und AusblickDie Fertigungstechnik und -automation wird weltweit mit immer neuen Ideen und Konzepten weiterentwickelt. An erster Stelle stehen heute CNC-Maschinen und integrierte Roboter, die in vielfltigen Ausfhrungen und fr alle Anwendungen ausgelegt bzw. kombinierbar sind. Hoch-dynamische Linearantriebe, Positions-messsysteme mit hchster Auflsung und Genauigkeit sowie grundlegend neue Ma-schinenkonzepte machten die NC-Maschi-nen zum dominierenden Fertigungssys-tem, nicht nur in der Zerspanung.

Heute besteht fr Roboter weltweit eine groe Nachfrage. Alle Industrienationen haben eigene Produktionen aufgebaut und bieten spezielle Roboter fr Fertigung, Handhabung und Montage an.

So prgte man den Begriff der Digitalen Fertigung, meint damit fast das gleiche Konzept und ist wieder interessant durch die These: Automatisieren JA, aber nicht zu jedem Preis! Sonst bleibt die Rentabili-tt eine Utopie.

Flexible Fertigungssysteme sind dage-gen heute mehr denn je gefragt. Die viel beschworene Flexibilitt solcher Systeme wird jedoch nicht mehr durch zentral ge-steuerte Maschinen mit hchstem Automa-

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tisierungsgrad und einem Leitrechner dar-gestellt, sondern durch dezentralen Auf- bau und bersichtlichkeit der Anlageteile. Speziell angepasste Werkstck-Transport-systeme und insbesondere die durch-gngige Datenvernetzung sind jedoch un-verzichtbar. Zuverlssig arbeitende ber-wachungssysteme zur Werkzeugbruch-kontrolle, Messtaster mit automatischen Messpro tokollen und Korrektureingriffen bzw. Fehlermeldungen, Drehmoment- bzw. Vorschubkraftberwachungen, sowie eine absolut fehlerfrei arbeitende Datenber-tragung ermglichen den vorbergehend unbemannten Betrieb dieser Systeme. Dies wurde bald als groes Rationalisie-rungspotenzial erkannt und genutzt.

Nicht zu vergessen sind die sehr leis-tungsfhigen, industrietauglichen Rechner und inzwischen erprobte Software fr (fast) alle Anforderungen.

Viele neuere Software-Entwicklungen haben die weitere Reduzierung der Zeiten zum Hauptziel.

Aus der aktuellen Fachliteratur knnen wir entnehmen, dass die Schnelligkeit der Fertigung eine immer grere Bedeutung erlangt. Die Zeitverschwendung rckt im-mer mehr ins Visier der Rationalisierung, insbesondere bei groen Stckzahlen. Nicht nur immer krzere Werkzeugwech-selzeiten oder schnellere Eilgnge sind ge-fragt, sondern die intelligentere Bearbei-tung selbst. Dazu ist die berarbeitung und Feinkorrektur bestehender NC-Programme erforderlich. Die heutigen Simulations-systeme sind dafr technisch und wirt-schaftlich perfekt geeignet und ermg-lichen Einsparungen im Bereich bis zu mehreren Mio pro Jahr.

Hier haben insbesondere die greren Anwender von NC-Maschinen ihren Ein-fluss auf die Hersteller dieser Software ge-nutzt, damit praxisgerechte Lsungen ent-standen.

Mit der Simulation lsst sich auch die Forderung erfllen, die Zeit zur Markt-einfhrung neuer Produkte z.T. um mehr als 50% zu verkrzen. Fertigungslinien fr neue Produkte mssen oft geplant und be-stellt werden zu einem Zeitpunkt, wo die endgltige Form, Gre und die Bearbei-tungen der Teile noch nicht feststeht. Mit Untersttzung von Produktionsplanungs- (PPS) und Simulationssystemen lsst sich heute der Gesamtumfang aller erforder-lichen Investitionen in der Fertigung sehr przise feststellen und vorausplanen. Auf solchen Anlagen knnen auch sptere Produkt-Modifikationen problemlos ein-flieen.

Die Methoden des Simultaneous Engi-neerings untersttzen diesen Zeitraffer-Effekt in perfekter Art und Weise.

Abschlieend sei auch noch auf die in-zwischen etablierten generativen Ferti-gungsverfahren verwiesen. Je nach Auf-gabenstellung stehen unterschiedliche Me-thoden und Verfahren zur Auswahl, um aus CAD-Modellen mit Hilfe spezieller numerisch gesteuerter Maschinen krper-liche (Test-) Werkstcke herzustellen. Ins-besondere der Werkzeug- und Formenbau nutzt diese Mglichkeiten bereits sehr stark. Die meisten Maschinen fr Rapid Prototyping Manufacturing nutzen La-serstrahlen als universelles Werkzeug mit vllig neuen Fertigungsverfahren. Auf diesem Teilgebiet sind viele deutsche und europische Hersteller aktiv und sehr er-folgreich.

1.11FazitDie NC-Technik hat innerhalb von ca. 40 Jahren nicht nur die Maschinen, sondern auch die Betriebe und die Menschen im weiten Umfeld verndert. Hersteller und Anwender haben gelernt, nicht am grnen Tisch die hundertprozentige Automation

23


der Fertigung anzustreben, sondern alle am Prozess beteiligten Abteilungen in die Fertigungs- und Automatisierungsber-legungen mit einzubeziehen, damit tech-nisch und wirtschaftlich tragfhige Lsungen entstehen. Maschinen- und Steuerungshersteller haben gemeinsam technisch perfekte Fertigungskonzepte zu marktgerechten Preisen entwickelt und den japanischen Anfangserfolg in Grenzen gehalten.

In der heutigen Fertigung sind leistungs-fhige Komponenten wie Rechner, neue Maschinenkonzepte, automatische Trans-port- und Handlingsysteme sowie zuver-lssige Steuerungen und intelligente ber-wachungssysteme unverzichtbar. Und man ist bestimmt noch nicht am Ende angekom-men!

Um die Vorteile dieser Technik wirt-schaftlich zu nutzen, ist gut ausgebildetes und geschultes Personal vom Management bis in die Werksttten dringend erforder-lich, um diese komplexen Systeme qualifi-ziert planen, einsetzen, bedienen und war-ten zu knnen.

Seit 2008 sind die Themen kologie und Energieeffizienz verstrkt in den Fokus der ffentlichkeit gerckt. Deren Realisie-rung wird auch am Maschinenbau und der Fertigungstechnik nicht spurlos vorber-gehen. Werkzeugmaschinen- und Steue-rungshersteller berlegen bereits, wie Hilfsantriebe, Arbeitsablufe und NC-Teile-programme energieeffizient optimiert wer-den knnen.

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nern incl. der numerischen Steue-rungen waren erarbeitet.

1946 Dr. John W. Mauchly und Dr. J. Pres-per Eckert lieferten den ersten elekt-ronischen Digitalrechner ENIAC an die amerikanische Armee ab.

Die Basis der elektronischen Daten-verarbeitung war geschaffen.

1949 John Parsons und das M.I.T. (Massa-bis chusetts Institute of Technology) ent-1952 wickelten im Auftrag der U.S. Air

Force ein System fr Werkzeug-maschinen, um die Position von Spindeln durch den Ausgang einer Rechenmaschine direkt zu steuern und als Beweis fr die Funktion ein Werkstck zu fertigen.

Parsons lieferte die 4 wesentlichen Anstze zu dieser Idee:

1. Die errechneten Positionen einer Bahn in Lochkarten zu speichern.

2. Die Lochkarten an der Maschine automatisch zu lesen.

3. Die gelesenen Positionen fortlau-fend auszugeben und zustzliche Zwischenwerte intern zu errechnen, sodass

4. Servomotoren die Bewegung der Achsen steuern knnen.

Mit dieser Maschine sollten die im-

Meilensteine der NC-Entwicklung

1808 Joseph M. Jacquard benutzte geloch te Blechkarten zur automatischen Steu-erung von Webmaschinen.

Der austauschbare Datentrger zur Steuerung von Maschinen war erfun-den.

1863 M. Fourneaux patentierte das auto-matische Klavier, unter den Namen Pianola weltbekannt, bei dem ein ca. 30 cm breites Papierband durch ent-sprechende Lochungen die Pressluft zur Bettigung der Tastenmechanik steuerte. Diese Methode wurde wei-terentwickelt, sodass spter auch der Klang, die Anschlagstrke und die Ablaufgeschwindigkeit der Pa-pierrolle gesteuert werden konnte.

Das Papier als Datentrger und die Steuerung von Hilfsfunktionen waren erfunden.

1938 Claude E. Shannon kam whrend seiner Doktorarbeit am M.I.T. zu dem Ergebnis, dass die schnelle Berechnung und bertragung von Daten nur in binrer Form unter An-wendung der Booleschen Algebra erfolgen knne und elektronische Schalter dafr die einzig realisti-schen Komponenten wren. Die Grundlagen zu den heutigen Rech-

2Die Idee zur Steuerung eines Gertes durch gespeicherte Befehle, wie heute bei NC-Maschinen eingesetzt, lsst sich bis ins 14. Jahrhundert zurckverfolgen. Es be-gann mit Glockenspielen, die man durch Stachelwalzen ansteuerte.

25

2Meilensteine der NC-Entwicklung 25

mer komplizierter werdenden Integ-ralteile fr die Flugzeugindustrie hergestellt werden. Diese Werk-stcke waren z.T. mit wenigen ma-thematischen Daten exakt zu be-schreiben, jedoch sehr schwierig manuell zu fertigen. Die Verbindung Computer und NC war von Anfang der Entwicklung an vorgegeben.

1952 Im M.I.T. lief die erste numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, eine Cincinnati Hydrotel mit vertikaler Spindel. Die Steuerung war mit Elek-tronenrhren aufgebaut, ermglichte eine simultane Bewegung in 3 Ach-sen (3D-Linearinterpolation) und er-hielt ihre Daten ber binr codierte Lochstreifen.

1954 Bendix hatte die Parsons-Patent-rechte gekauft und baute die erste industriell gefertigte NC, ebenfalls unter Verwendung von Elektronen-rhren.

1957 Die U.S. Air Force installierte die ersten NC-Frsmaschinen in ihren Werksttten.

1958 Die erste symbolische Programmier-sprache APT wurde in Verbin-dung mit dem IBM 704-Rechner vor-gestellt.

1960 NCs in Transistortechnik ersetzen Relais- und Rhren-Steuerungen.

1965 Automatische Werkzeugwechsel er-hhen den Automatisierungsgrad.

1968 Die IC-Technik (integrated circuits) macht die Steuerungen kleiner und zuverlssiger.

1969 Erste DNC-Installationen in den USA durch Sundstrand Omnicontrol und IBM-Rechner.

1970 Automatischer Palettenwechsel.

1972 Die ersten NCs mit einem einge-bauten, serienmigen Minicompu-ter erffnen die neue Generation leistungsfhiger Computerized NCs (CNC), die sehr schnell durch Micro-processor-CNCs abgelst wurden.

1976 Microprozessoren revolutionieren die CNC-Technik.

1978 Flexible Fertigungssysteme werden realisiert.

1979 Erste CAD/CAM-Kopplungen entste-hen.

1980 In die CNC integrierte Programmier-hilfen entfachen einen Glaubens-krieg fr und wider Handeingabe-steuerungen.

1984 Leistungsfhige CNCs mit grafisch untersttzter Programmierhilfe set-zen neue Mastbe bezglich Pro-grammieren in der Werkstatt.

1986/Standardisierte Schnittstellen er-1987 ffnen den Weg zur automatischen

Fabrik aufgrund eines durchgngi-gen Informationsaustausches: CIM.

1990 Digitale Schnittstellen zwischen NC und Antrieben verbessern Genauig-keit und Regelverhalten der NC-Ach-sen und der Hauptspindel.

1992 Offene CNC-Systeme ermglichen kundenspezifische Modifikationen, Bedienungen und Funktionen.

1993 Erster standardmiger Einsatz line-arer Antriebe bei Bearbeitungszent-ren.

1994 Schlieen der CAD/CAM/CNC-Pro-zesskette durch Verwendung von NURBS als Interpolationsverfahren in CNCs.

1996 Digitale Antriebsregelung und Fein-interpolation mit Auflsungen im

26


Submikronbereich (< 0,001 m) und Vorschben bis 100 m/min.

1998 Hexapoden und Multifunktionsma-schinen erreichen Industriereife.

2000 CNCs und SPS mit Internet-Schnitt-stellen erlauben den weltweiten Da-tenaustausch und intelligente Fehler-diagnose/-behebung.

2002 Erste hochintegrierte, universell konfigurierbare IPC-CNCs incl. Da-tenspeicher, SPS, digitalen SERCOS-Antriebsschnittstellen und PROFI-BUS-Schnittstellen auf einer PC-Steckkarte.

2003 Elektronische Kompensationen me-chanischer, thermischer und mess-technischer Fehlerquellen.

2004 Die externe dynamische Prozess-Si-mulation der NC-Programme am PC zwecks Fehlererkennung und Pro-grammoptimierung wird zunehmend wichtiger. Dazu werden Maschine, Spannvorrichtung und Werkstck virtuell und realittsnah grafisch-dynamisch dargestellt.

2005 CNCs mit Nano- und Pico-Interpola-tion verbessern die Werkstck-Ober-flchen und die Genauigkeit.

2007 Teleservice: Untersttzung des Per-sonals per Telefon oder Datenleitung bei der Inbetriebnahme, zur Fehler-diagnose, Wartung und Reparatur von Maschinen und Anlagen.

2008 Um die gestiegenen Ansprche be-zglich Sicherheit fr Mensch, Ma-schine und Werkzeug zu erfllen,

werden spezielle Sicherheitssysteme entwickelt. Anforderungen wie Si-chere Bewegung, Sichere Periphe-rie-Signalverarbeitung und Sichere Kommunikation werden von der CNC und den Antriebsystemen reali-siert. Zustzliche, aufwndige Soft-wareentwicklungen und Verdrahtun-gen sind nicht erforderlich.

2009 Die Komplettbearbeitung auf einer Werkzeugmaschine, insbesondere Drehen/Frsen/Schleifen setzt sich immer mehr durch.

Die Bezeichnung Green Production fr umweltfreundliche und energie-effiziente Werkzeugmaschinen hat sich etabliert.

2010 Die Einfhrung von Mehrkernpro-zessoren in CNCs bringt einen wei-teren Leistungsschub. Funktionen, die bisher vorberechnet werden mussten, knnen nun in die Steue-rung integriert werden (z.B. bei der Spline-Interpolation).

2011 Die CNC erfasst mit der Funktion Energy Analysis den Energiever-brauch der gesamten Maschine. Durch eine Zeitanalyse der einzel-nen Verbraucher und deren bedarfs-gerechte Steuerung lsst sich die Enegieeffizienz der Maschine ver-bessern.

2012 Hybridmaschinen entstehen, die in einer Aufspannung zwei bis fnf unterschiedliche Bearbeitungen an Werkstcken ausfhren knnen (z.B. drehen, frsen, schleifen, verzahnen, hrten).

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dieser Begrenzungsnocken war sehr zeit-aufwndig. Hinzu kamen noch die Zeiten fr den manuellen Wechsel der Werkzeuge, fr die Vorgabe der Spindeldrehzahlen und Vorschbe, fr die Werkstckspannung, fr das genaue Einrichten der Maschine und fr den Programmaustausch. Insge-samt hatten diese Programm-Steuerungen einen sehr begrenzten Steuerungsumfang, bedingt auch durch die geringe Anzahl der mglichen Schaltschritte.

Eine flexible, d.h. hufige Umstellung und die Bearbeitung komplexer Formen war mit diesen Maschinen nicht wirtschaft-lich mglich.

Ein neues Steuerungskonzept wurde ge-sucht, das folgende Forderungen erfllt:

Einen mglichst unbegrenzten Steue-rungsumfang bezglich Programmlnge und Bewegungen,

Keine manuellen Hilfen durch Eingriffe in den Bearbeitungsablauf,

Gespeicherte, schnell austauschbare und korrigierbare Ablaufprogramme,

Keine Nocken und Endschalter fr unter-schiedlich lange Verstellwege,

Exakt definierbare und simultane, drei-dimensionale Bewegungen mehrerer

33.1Der Weg zu NCBei Produktionsmaschinen ist die vorwie-gende Aufgabe einer Steuerung, gleich-bleibende Bewegungsablufe schnell und przise zu wiederholen, sodass Massen-produkte mit einheitlicher Qualitt ohne menschliche Eingriffe entstehen. Je nach den verwendeten Steuerungskomponen-ten spricht man von mechanischen, elek-trischen, elektronischen, pneumati-schen oder hydraulischen Steuerungen.

Zur Bearbeitung eines Werkstckes braucht eine Werkzeugmaschine Informa-tionen.

Vor Einfhrung der NC-Technik wurden die Weginformationen entweder manuell durch den Maschinenbediener oder durch mechanische Hilfsmittel wie Schablonen oder Kurvenscheiben vorgegeben. Ablauf-nderungen oder Umstellungen auf ein an-deres Produkt waren deshalb mit lngeren Stillstandszeiten zur Umrstung der Ma-schinen und Steuerungen verbunden. Dazu wurden justierbare Nocken und No-ckenleisten verwendet, um Bewegungen an genau definierten Positionen ber End-schalter abzuschalten. Das exakte Justieren

Der Begriff NC wurde aus der amerikanischen Fachsprache bernommen und steht als Abkrzung fr Numerical Control, auf deutsch Numerische Steuerung, d.h. Steuerung durch Eingabe von Zahlen. CNCs sind Numerische Steuerungen auf Com-puterbasis zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen. Hier werden die wesentlichen Grundbegriffe erklrt.

Was ist NC und CNC?

30


Achsen zur Bearbeitung komplexer For-men und Oberflchen,

Ein schneller Wechsel der Werkzeuge incl. Vorschubgeschwindigkeiten und Drehzahlen,

Bei Bedarf ein automatischer Wechsel der zu bearbeitenden Werkstcke.

Es sollten Steuerungen sein, die schnell und fehlerfrei auf wechselnde Bearbei-tungsaufgaben umstellbar sind. Zur Steue-rung der Relativbewegung zwischen Werk-zeug und Werkstck sollte man die Ma-angaben aus der Werkstckzeichnung nutzen knnen. Hoch auflsende Positions-messsysteme mit elektronisch auswertba-ren Messdaten sollten die przise Relativ-bewegung zwischen Maschine und Werk-zeug gewhrleisten.

Solche Steuerungen funktionieren dem-nach durch Eingabe von Zahlen, also nume-risch. Damit war die Grundidee der Nume-rischen Steuerungen definiert.

Mit weiteren Zahlen sollte man die Vor-schubgeschwindigkeit, die Spindeldreh-zahl und die Werkzeugnummer program-mieren knnen. Zustzliche Schaltbefehle (M-Funktionen) sollten den automatischen Werkzeugwechsel aktivieren und das Khl-mittel Ein/Aus-schalten

Alle Zahlenwerte entsprechend der Bear-beitungsfolge Schritt fr Schritt aneinan-dergereiht, ergeben das NC-Programm zur Steuerung der Maschine.

Von der NC zur CNCDie ersten Numerischen Steuerungen wa-ren mit Relais aufgebaut und verbindungs-programmiert oder auch fest verdrahtet. Kurz nacheinander folgten erste elektro-nische Funktionsbausteine, wie Elektro-nenrhren, Transistoren und Integrierte Schaltkreise. Aber erst mit dem Einsatz der

Mikroelektronik und der Mikroprozesso-ren wurden die Steuerungen preiswerter, zuverlssiger und leistungsfhiger.

CNCs mssen zur Bearbeitung der Werk-stcke auer den Weg- und Schaltinforma-tionen stndig weitere Zahlenwerte verar-beiten, beispielsweise zur Kompensation unterschiedlicher Frserdurchmesser und Werkzeuglngen oder von Aufspanntole-ranzen. Aufgrund ihrer hohen Verarbei-tungsgeschwindigkeit sind sie in der Lage, smtliche Verwaltungs-, Anzeige- und Steu-erungsfunktionen zeitgerecht auszufh-ren. Unabhngig davon kann whrend der Bearbeitung auch noch an der Maschine mit grafisch-dynamischer Untersttzung das nchste Teileprogramm eingegeben werden.

3.2Hardware (Bild 3.1 und 3.2)Die Elektronik heutiger CNCs ist unter Ver-wendung von Mikroprozessoren, integ-rierten Schaltkreisen (ICs) und evtl. spe-ziellen Bausteinen fr die Servo-Regelkreise aufgebaut. Hinzu kommen elektronische Datenspeicher fr mehrere Programme, Unterprogramme und fr viele Korrektur-werte:

in ROMs und EPROMs sind vorwiegend die unvernderlichen Teile des CNC- Betriebssystems gespeichert, sowie fes- te, oft benutzte Bearbeitungszyklen und Routinen,

in FEPROMs speichert man Daten, die man erst bei der Inbetriebnahme ermit-teln kann und die unverlierbar und gele-gentlich modifizierbar sein mssen, wie z.B. Maschinenparameter, Sonderzyklen oder Unterprogramme,

in RAM-Speichern mit ausbaufhigen Kapazitten sind vorwiegend Teilepro-gramme und Korrekturwerte gespei-chert.

31

3Was ist NC und CNC? 31

Die grafischen Anzeigen und dynamischen Simulationen erfordern ebenfalls viel Re-chen- und Speicherkapazitt. In den meis-ten Steuerungen kommen deshalb zustz-liche, spezielle Customer-Designed VLSIs zum Einsatz. Dies sind hoch integrierte Bausteine der Mikroelektronik, die speziell nach Kundenforderungen ausgelegt und in groen Mengen hergestellt werden. Da-durch erreicht man wiederum ein geringes Bauvolumen, hohe Zuverlssigkeit und Schnelligkeit der Steuerung, sowie spter einen minimalen Wartungsaufwand.

Alle Baugruppen der elektronischen Aus-rstung befinden sich auf einer oder meh-reren gedruckten Leiterplatten, die in ei-nem Baugruppentrger stecken und durch eine interne Busverbindung untereinander verbunden sind (Bild 3.2). Zur Vermeidung von Fehlreaktionen der CNC ist die Elek-tronik in ein elektrostatisch und elek-tromagnetisch abschirmendes Blechge-huse eingebaut. Dieses sollte auch l- und staubdicht sein, weil Ablagerungen feins-ter Metallpartikel auf den Leiterplatten die Betriebssicherheit der Anlage gefhrden.

Deshalb kann auch keine Umluft zur Khlung des Schrankinneren verwendet

werden, auch nicht mit Filtern, die sich zusetzen und damit den Ausfall der Kh-lung zur Folge haben. Wenn die Wrme-abfuhr ber die Schrankoberflche nicht ausreicht, ist ein aktives Khlaggregat die einzig akzeptable Lsung. Damit erweitert sich der Bereich zulssiger Umgebungs-temperaturen auf +10 bis +45 Grad Celsius. Die Luftfeuchtigkeit sollte 95% nicht ber-schreiten. Oft muss der Anwender auch schon bei niedrigeren Werten auf Kon-denswasserbildung achten, was ebenfalls zu Strungen und Beschdigungen fhrt.

Bild 3.1:Beispiele hoch integrierter Bausteine der Mikroelektronik

= DRAM-Baustein

= PCI-Bus Controller

= EPLD-Baustein Erasable Programmable Logic Device

= Gigabit re cei ver/trans-mitter Einsatz bei der Ansteuerung von LCD-Displays

= DRAM Bank, max. 1 GB

Bild 3.2:Steckbare Elektronik-Baugruppe fr einen Industrie-PC (IPC). Auf einer Karte sind Antriebs-, CNC- und SPS-Funktionen zusammen- gefasst. An der Frontseite befinden sich TCP/IP-, Profibus DP- und Sercos-Schnittstellen.

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3.3SoftwareCNCs bentigen ein Betriebssystem, das auch als Steuerungs- oder Systemsoft-ware bezeichnet wird. Es besteht prinzi-piell aus zwei Teilen:

der Standard-Software und der maschinenspezifischen Software.

Die Standard-Software, beispielsweise fr die Dateneingabe, Anzeigen, Schnittstellen oder zur Tabellenverwaltung, kann zum Teil von handelsblichen Rechnern ber-nommen werden. Die maschinenspezifi-sche Software muss speziell fr den zu steuernden Maschinentyp ausgelegt sein, da z.T. gravierende Unterschiede in der Kinematik und dem Betriebsverhalten der Maschinen bestehen. Ein Vorteil von CNCs ist, dass Modifikationen oder Anpassungen ohne Eingriffe in die CNC-Hardware reali-sierbar sind.

Das Betriebssystem bestimmt insgesamt die Leistungsfhigkeit der Maschine. Die im Hintergrund stndig mitlaufende ber-wachungs- und Fehlerdiagnose, die Erfas-sung der Maschinendaten und die Daten-schnittstellen werden ebenfalls von der Software verwaltet. Ebenso das CNC-integ-rierte Programmiersystem mit grafischer Simulation des Bearbeitungsvorganges und die Verarbeitung der Korrekturwerte. Ma-schinenspezifische Varianten knnen per Software bercksichtigt werden, wie bspw. die Anzahl der Achsen, Parameterwerte fr die Servoantriebe, unterschiedliche Werkzeugmagazine und -wechsler, Soft-ware-Endschalter oder der Anschluss von Werkzeugberwachungseinrichtungen. Diese Maschinen-Parameterwerte wer-den einmalig bei der Inbetriebnahme ein-gegeben und fest gespeichert.

(Siehe Kapitel CNC Computerized Nume-rical Control)

CNCs verfgen darber hinaus noch ber eine BASIC-, PASCAL- oder C++-hnliche integrierte Programmiersprache. Mit de-ren Hilfe sind Sonderlsungen und spe-zielle Funktionen realisierbar, ohne das CNC-Basisprogramm zu verndern. Hier hat der Maschinenhersteller die Mglich-keit, eigenes Know-how in die Steuerung einzubringen und Lsungen fr spezielle Fertigungsprobleme anzubieten. Selbst auf die Bildschirm-Grafik kann er dabei zugreifen und Bedienerhilfen selbst erstel- len.

3.4SteuerungsartenVon der anfnglichen Entwicklung her un-terscheidet man zwischen vier unterschied-lich leistungsfhigen Steuerungsarten:

Punktsteuerungen (Bild 3.3) arbeiten nur im Positionierbetrieb. Alle programmier-ten Achsen starten immer gleichzeitig mit Eilganggeschwindigkeit, bis jede Achse ihre Zielposition erreicht hat. Whrend der Positionierung ist kein Werkzeug im Ein-griff. Die Bearbeitung beginnt erst, wenn alle NC-Achsen ihre programmierte Posi-tion erreicht haben.

Beispiele: Bohrmaschinen, Stanzma-schinen, Zustellbewegungen bei Ablng-maschinen.

Streckensteuerungen knnen in den ein-zelnen Achsen nacheinander im pro-grammierbaren Vorschub verfahren, wobei das Werkzeug im Eingriff sein kann. Die Fahrbewegung ist immer achsparallel und die Vorschubgeschwindigkeiten mssen programmierbar sein. Aufgrund der da-durch gegebenen starken technischen Ein-schrnkungen und des geringen Preis-unterschiedes zu Bahnsteuerungen sind Streckensteuerungen nur in Ausnahme-fllen interessant.

33


Beispiele: Vorschubsteuerung fr Bohr-maschinen, Werkstckhandhabung.

Bahnsteuerungen knnen zwei oder mehr NC-Achsen interpolierend d.h. in exak-tem Verhltnis zueinander verfahren. Die Koordination bernimmt der Interpolator, der satzweise die zwischen Start- und End-punkt liegenden Bahnpunkte berechnet. Am programmierten Endpunkt stoppen die NC-Achsen jedoch nicht, sondern fahren ohne Unterbrechung den anschlieenden Bahnabschnitt weiter bis zu dessen End-punkt. Die Vorschubgeschwindigkeiten der Achsen werden fortlaufend so geregelt, dass die vorgegebene Schnittgeschwindig-keit eingehalten wird.

Dies bezeichnet man als Dreidimensio-nale Bahnsteuerung, oder kurz 3D-Steue-rung. Mit ihr knnen Werkzeugbewegun-gen in der Ebene und im Raum ausgefhrt werden.

Beispiele: Frsmaschinen, Drehmaschi-nen, Erodiermaschinen, Bearbeitungszent-ren, eigentlich alle Maschinentypen.

Linear- oder Geradeninterpolation (Bild 3.4 und 3.5)Dabei bewegt sich das Werkzeug gerad-linig, d.h. linear vom Start- zum Zielpunkt. Die Linearinterpolation lsst sich theore-tisch fr beliebig viele Achsen programmie-ren. Fr Werkzeugmaschinen sind bis zu fnf simultane Achsen sinnvoll, und zwar fr XYZ zur Bestimmung des anzufahren-den rumlichen Zielpunktes und zwei zu-stzliche Schwenkbewegungen, z.B. A und B, zur Lagebestimmung der Frserachse im Raum oder fr Bearbeitungen auf schrgen Flchen. Damit sind alle Profil- und Raum-kurven erzeugbar, indem man diese durch lineare Polygonzge annhert. Je dichter die einzelnen Sttzpunkte beieinanderlie-gen, d.h. je enger die Toleranzbreite, desto

Bild 3.3:Entwicklung der NC-Technik von der Punkt- zur 3D-Bahnsteuerung.

34


genauer ist die Annherung an das ge-gebene Profil. Mit der Anzahl der Punkte erhht sich aber auch die zu verarbeitende Datenmenge pro Zeiteinheit, d.h. die Steu-erung muss eine dementsprechend hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit haben.

Zirkular- oder Kreisinterpolation (Bild 3.6)Theoretisch lassen sich alle Bahnen durch die Geradeninterpolation als Polygonzge annhern. Die Kreis- und Parabelinterpo-lation reduzieren die Menge der Eingabe-daten, erleichtern damit die Programmie-rung fr diese Bahnen und erhhen deren Genauigkeit.

Die Kreisinterpolation ist auf die Haupt-ebenen XY, XZ und YZ begrenzt.

Je nach Steuerung wird die Kreisinter-polation unterschiedlich programmiert: in Viertelkreisen, als Vollkreis, mit Hilfe der

Kreismittelpunktsangabe oder Kreisend-punkt- und Radiusprogrammierung (siehe Kapitel Programmierung).

Parabel-, Spline- und Nano/Pico-Inter-polation Teil 2: Funktionen der numeri-schen Steuerung.

3.5NC-Achsen (Bild 3.7)Die Koordinatenachsen knnen, je nach Maschine, als translatorische oder rotatori-sche Achsen ausgefhrt sein. Die translato-rischen Achsen stehen meist rechtwinklig zueinander, sodass mit drei Achsen jeder Punkt im Arbeitsraum erreicht werden kann. Zwei zustzliche Dreh- und Schwenk-achsen ermglichen die Bearbeitung schr-ger Flchen des Werkstcks oder die Nach-fhrung der Frserachse.

Um NC-Achsen numerisch steuern zu kn-nen, bentigt jede NC-Achse

ein elektronisch auswertbares Weg-messsystem und

einen regelbaren Servoantrieb.

Aufgabe der CNC ist es, die vom NC- Programm ber die CNC vorgegebenen Positions-Sollwerte mit den vom Weg-messsystem zurckgemeldeten Positions-Istwerten zu vergleichen und bei Abwei-chung ein Stellsignal an die Achsantriebe

Bild 3.4:Linear- oder Geradeninterpolation. Bild 3.5:Annherung einer Kurve durch einen Polygonzug.

Bild 3.6:Zirkular- oder Kreisinterpolation.

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auszugeben, welches diese Abweichung ausgleicht (Bild 3.7). Man bezeichnet dies als geschlossene Regelkreise. Bahnsteue-rungen geben fortlaufend neue Positions-werte aus, denen die zu steuernden Achsen nachlaufen mssen. So werden kontinuier-liche Bahnbewegungen erreicht.

Bei Drehmaschinen ist auch die Haupt-spindel als NC-Achse ausgelegt, wenn an-getriebene Werkzeuge zum Bohren und Frsen zum Einsatz kommen sollen. Auch bei Bohr- und Frsmaschinen knnen die Spindeln als NC-Achse ausgelegt werden, wenn die Funktionen Spindelorientie-rung und Schraubenlinien-Interpolation programmierbar sein sollen.

Bearbeitungszentren sind meistens mit numerisch gesteuerten Drehtischen aus-gerstet.

Zunehmend werden auch die einzelnen Positionen im Werkzeugmagazin wie NC-Achsen angefahren. Der Einsatz von Posi-tionsmesssystemen erspart andere, auf-wndige Codiereinrichtungen zur Erken-nung der Magazinplatz-Nummern oder der Werkzeuge. Der gesamte Vorgang zum Su-chen und Wechseln der Werkzeuge wird wesentlich schneller.

Die Achsbezeichnung der Maschine er-folgt nach den Regeln des Kartesischen Ko-ordinatensystems:

Bild 3.7:Prinzip der Eingabe und Verarbeitung geometrischer Informationen im geschlossenen Regelkreis.

O +-

1 3 7 8

2 4 6 0

X-Achse

Maschinentisch

+-Servomotor

mobileDatenspei

CNC Handbuch 2013 2014

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