Leseprobe „CNC-Handbuch“

Leseprobe zu

„CNC-Handbuch“

von Hans B. Kief et al.

Print-ISBN: 978-3-446-45877-2 E-Book-ISBN: 978-3-446-46524-4

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Vorwort zur 31. Auflage

Die CNC-unterstützte Fertigung ist heute das Rückgrat der weltweiten Produktion. Mit Hilfe der internetbasierten Technolo-gien wird die bereits hoch automatisierte Fertigung noch effektiver. Wer heute im Umfeld der zerspanenden oder additiven Fertigungstechnik tätig ist oder sein will, muss deshalb über ein solides technisches Grundwissen der CNC-Technik verfügen. Man muss verstehen, wie die einzelnen Komponenten einer CNC-Maschine funk-tionieren und wie sich diese auf das Ge-samtsystem und die Qualität der gefertig-ten Werkstücke sowie auf die spätere Rentabilität der Produktion auswirken.

Die Digitalisierung verändert alle Le-bensbereiche – auch die Fertigung. Der Be-griff Industrie 4.0 steht dabei als Synonym für den Einsatz der Internettechnologien im Umfeld der industriellen Fertigung weltweit. Bereits die Planung CNC-gestütz-ter Fertigungssysteme beginnt mit einer anspruchsvollen Kommunikation zwischen Maschinenhersteller und Anwender. Dabei steht oft nicht die Vollautomatisierung im Vordergrund, sondern die Suche nach der technisch passenden und rentabel produ-zierenden, wirtschaftlichen Lösung. Dafür sind gute Kenntnisse der Terminologie un-verzichtbar. Zudem besteht der Anspruch, die mit dieser Technik gebotenen umfang-reichen Möglichkeiten auch tatsächlich nut-

Hans B. Kief Helmut A. Roschiwal Karsten Schwarz

zen zu können. Der Prozess der Planung, Konstruktion und Inbetriebnahme wird durch digitale Tools unterstützt. Als Ergeb-nis der Projektierung entwickeln Maschi-nenhersteller digitale Zwillinge ihrer Ma-schinenreihen und können so flexibler auf Kundenanforderungen reagieren. Mit Hilfe des digitalen Zwillings kann der Anwender seine Fertigung fast vollständig vorberei-ten, ohne die reale Maschine dafür mit un-produktiven Aufgaben belegen zu müssen.

Auch wenn durch die zunehmende Digita-lisierung und den Einsatz von künstlicher Intelligenz Standardaufgaben in der Her-stellung und Nutzung von CNC-Maschinen immer mehr verschwinden, so sind noch immer gut qualifizierte Menschen gefragt, die passende Lösungen entwickeln, planen, perfektionieren und dabei die spätere Ren-tabilität nicht aus dem Blick verlieren. Auf der Seite des Anwenders zählen dazu so-wohl die Bediener und Programmierer als auch die für Betrieb, Wartung und Instand-haltung zuständigen Fachkräfte. Ihr solides Fachwissen und das Verständnis für das Zusammenwirken sind Voraussetzung, um den Betrieb solcher Fertigungssysteme stets funktionsfähig und rentabel zu gestal-ten.

Diesem anspruchsvollen Personenkreis haben wir unser Buch gewidmet.

Die drei Herausgeber sind Ingenieure und Fachautoren mit vielen Jahren bereichsübergreifen-der Erfahrungen auf den Gebieten Entwicklung von CNC-Maschinen und -Steuerungen, Pla-nung von FMS, dem Einsatz der CNC/CAD/CAM-Technik, Vernetzung und Automatisierung, sowie Schulung und Fortbildung für Manager, Industriepersonal und Studenten.

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Inhaltsübersicht

* aktualisiert, ** neuer Beitrag

Teil 1 Einführung in die CNC-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1 Historische Entwicklung der NC-Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 * 2 Meilensteine der NC-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Was ist NC und CNC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Teil 2 Funktionen der CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 * 1 Weginformationen, Wegmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2 Schaltfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 * 3 Betriebsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4 SPS – Speicher programmierbare Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 ** 5 Einfluss der CNC auf Baugruppen der Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

Teil 3 Elektrische Antriebe für CNC-Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . 215 1 Antriebsregelung für CNC-Werkzeug maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 2 Vorschubantriebe für CNC-Werkzeug maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 3 Hauptspindelantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 * 4 Dimensionierung von Antrieben für Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . 261 * 5 Mechanische Auslegung der Hauptspindel anhand der

Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Teil 4 Numerisch gesteuerte Maschinen und Fertigungssysteme . . . . 283 * 1 CNC-Werkzeug maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 * 2 Additive Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 3 Flexible Fertigungs systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 * 4 Industrieroboter und Handhabung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 5 Energieeffiziente wirtschaftliche Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

Inhaltsübersicht 7

Teil 5 Werkzeuge in der CNC-Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 1 Aufbau der Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 2 Werkzeug verwaltung (Tool Management) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 3 Maschinenintegrierte Werkstückmessung und Prozessregelung . . . . . 529 ** 4 Maschinenintegrierte Werkstückmessung in der Serienfertigung . . . . . 545 5 Lasergestützte Werkzeugüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553

Teil 6 NC-Programm und Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 * 1 NC-Programm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 ** 2 Programmierung von CNC-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607 3 NC-Programmier systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629 4 Fertigungs simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647

Teil 7 Von der betrieblichen Informationsverarbeitung zu Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665

1 DNC – Direct Numerical Control oder Distributed Numerical Control . . 667 2 LAN – Local Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683 * 3 Digitale Produkt entwicklung und Fertigung: Von CAD und CAM

zu PLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701 * 4 Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719 ** 5 Der Weg zur Digitali sierung in der CNC-Werkzeug maschinen-

Branche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737 6 Industrie 4.0 im mittelständischen Fertigungsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . 759

Teil 8 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771 Richtlinien, Normen, Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773 * NC-Fachwort verzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781 Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827 * Stichwort verzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829 * Empfohlene NC-Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 839 Inserentenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 842

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InhaltsverzeichnisTabellenübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Videoübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Teil 1 Einführung in die CNC-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1 Historische Entwicklung der NC-Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.1 Erste Nachkriegsjahre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2 Wiederaufbau der Werkzeugmaschinen industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.3 Die Werk zeug maschinenindustrie in Ostdeutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.4 Weltweite Veränderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.5 Weiterentwicklung der deutschen Werkzeug maschinenindustrie . . . . . . . . . . 241.6 Der japanische Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.7 Die deutsche Krise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.8 Ursachen und Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.9 Flexible Fertigungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.10 Weltwirtschaftskrise 2009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.11 Situation und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.12 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2 Meilensteine der NC-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3 Was ist NC und CNC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1 Der Weg zu NC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.3 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4 Steuerungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.5 NC-Achsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.6 SPS, PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.7 Anpassteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.8 Computer und NC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.9 NC-Programm und Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.10 Dateneingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.11 Bedienung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.12 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.13 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Teil 2 Funktionen der CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

1 Weginformationen, Wegmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671.2 Achsbezeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671.3 Lageregelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701.4 Positionsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Inhaltsverzeichnis 9

1.5 Einfache Diagnose von Messgeräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861.6 Kompensationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2 Schaltfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032.1 Erläuterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032.2 Werkzeugwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042.3 Werkzeugwechsel bei Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren . . . . . . . . . . . 1042.4 Werkzeugwechsel bei Drehmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082.5 Werkzeugplatzcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082.6 Werkstückwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1092.7 Drehzahlwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1132.8 Vorschubgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1132.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3 Betriebsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173.2 CNC-Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173.3 CNC-Sonderfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.4 Kollisionsvermeidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1273.5 Integrierte Sicherheitskonzepte für CNC-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1363.6 Zustandsüberwachung und Maschinendatenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1583.7 Anzeigen in CNCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1633.8 Touch-Bedienung der CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1663.9 CNC-Bedienoberflächen ergänzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1673.10 Elektronische Schüssel systeme für die sichere Betriebsartenwahl . . . . . . . . . . 1713.11 Offene Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1733.12 Einsatz von OPC UA in der CNC-Werkzeugmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1763.13 Preisbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1783.14 Vorteile neuester CNC-Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1803.15 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

4 SPS – Speicher programmierbare Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1854.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1854.2 Entstehungsgeschichte der SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1854.3 Aufbau und Wirkungsweise der SPS und SPS-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1864.4 Datenbus und Feldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1894.5 Vorteile von SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1944.6 Programmierung von SPS und Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1944.7 Programm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1974.8 Programmspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1984.9 SPS, CNC und PC im integrierten Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1994.10 SPS-Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2004.11 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2024.12 Tabellarischer Vergleich CNC/SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

5 Einfluss der CNC auf Baugruppen der Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2075.1 Maschinenkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2075.2 Maschinengestelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2095.3 Führungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

10 Inhaltsverzeichnis

5.4 Maschinenverkleidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2125.5 Kühlmittelversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2135.6 Späneabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2135.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

Teil 3 Elektrische Antriebe für CNC-Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . 215

1 Antriebsregelung für CNC-Werkzeug maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2171.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2171.2 Achsmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2181.3 Analoge Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2191.4 Analoge vs. Digitale Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2201.5 Digitale intelligente Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2211.6 Reglertypen und Regelverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2231.7 Kreisverstärkung und Kv-Faktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2251.8 Vorsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2261.9 Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2261.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

2 Vorschubantriebe für CNC-Werkzeug maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2352.1 Anforderungen an Vorschubantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2362.2 Arten von Vorschub antrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2372.3 Die Arten von Linearmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2432.4 Vor-/Nachteile von Linearantrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2452.5 Anbindung der Antriebe an die CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2462.6 Messgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2482.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

3 Hauptspindelantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2533.1 Anforderungen an Hauptspindelantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2533.2 Arten von Hauptspindel antrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2543.3 Bauformen von Haupt spindelantrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2553.4 Ausführungen von Drehstrom-Synchron motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2583.5 Vor- und Nachteile von Synchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

4 Dimensionierung von Antrieben für Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 2614.1 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2614.2 Dimensionierung von Hauptspindelantrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2664.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

5 Mechanische Auslegung der Hauptspindel anhand der Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

5.1 Motorenauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2715.2 Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2725.3 Schmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2735.4 Bearbeitungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2735.5 Anforderungen an die Hauptspindel bezüglich Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . 278


Teil 4 Numerisch gesteuerte Maschinen und Fertigungssysteme . . . . 283

1 CNC-Werkzeug maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2851.1 Bearbeitungszentren, Fräsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2851.2 Drehmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2981.3 Schleifmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3051.4 Verzahnmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3141.5 Bohrmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3221.6 Sägemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3241.7 Laserbearbeitungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3261.8 Stanz- und Nibbelmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3331.9 Rohrbiegemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3381.10 Funkenerosions-maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3391.11 Elektronenstrahl-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3421.12 Wasserstrahlschneid maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3441.13 Multitasking-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3461.14 Messen und Prüfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3581.15 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

2 Additive Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3672.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3672.2 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3682.3 Verfahrenskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3702.4 Einteilung der generativen Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3742.5 Die wichtigsten Schichtbauverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3752.6 Vorteile der Additiven Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3852.7 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3882.8 Neuere Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3882.9 Arbeits-Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3912.10 Einbindung in die Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3922.11 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

3 Flexible Fertigungs systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3953.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3953.2 Flexible Fertigungszellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3983.3 Flexible Fertigungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3983.4 Technische Kennzeichen von FFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4053.5 FFS-Einsatzkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4063.6 Fertigungsprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4083.7 Maschinenauswahl und -anordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4103.8 Werkstücktransport systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4113.9 FFS-Anforderungen an CNCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4193.10 FFS-Leitrechner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4203.11 Wirtschaftliche Vorteile von FFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4223.12 Probleme und Risiken bei der Auslegung von FFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4233.13 Flexibilität und Komplexität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4253.14 Simulation von FFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4283.15 Produktions planungs systeme (PPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432


3.16 Planung flexibler Fertigungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4333.17 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

4 Industrieroboter und Handhabung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4394.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4394.2 Definition: Was ist ein Industrieroboter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4404.3 Aufbau von Industrie robotern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4404.4 Mechanik/Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4424.5 Greifer oder Effektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4424.6 Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4444.7 Safe Robot Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4474.8 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4494.9 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4514.10 Anwendungsbeispiele von Industrierobotern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4524.11 Anbindung von Robotern an Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4544.12 Roboter mit CNC-Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4564.13 Einsatzkriterien für Industrieroboter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4564.14 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

5 Energieeffiziente wirtschaftliche Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4615.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4615.2 Was ist Energieeffizienz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4615.3 Werkhallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4615.4 Maschinenpark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4625.5 Sonderfall Bearbeitungszentren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4625.6 Energieeffiziente NC-Programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4635.7 Möglichkeiten der Maschinenhersteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4645.8 Möglichkeiten der Anwender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4655.9 Blindstrom-Kompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4675.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4695.11 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

Teil 5 Werkzeuge in der CNC-Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

1 Aufbau der Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4731.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4731.2 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4731.3 Gliederung der Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4761.4 Maschinenseitige Aufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4811.5 Modulare Werkzeug systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4851.6 Einstellbare Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4861.7 Gewindefräsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4901.8 Sonderwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4921.9 Werkzeugwahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499

2 Werkzeug verwaltung (Tool Management) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5012.1 Motive zur Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5012.2 Evaluation einer Werkzeugverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502


2.3 Lastenheft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5032.4 Beurteilung von Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5042.5 Einführung einer Werkzeugverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5042.6 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5042.7 Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5052.8 Werkzeugidentifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5052.9 Werkzeuge suchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5062.10 Werkzeugklassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5072.11 Werkzeugkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5082.12 Komplettwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5102.13 Werkzeuglisten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5112.14 Arbeitsgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5122.15 Werkzeugvoreinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5122.16 Werkzeuglogistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5142.17 Elektronische Werkzeug identifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5182.18 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526

3 Maschinenintegrierte Werkstückmessung und Prozessregelung . . . . . . . . 5293.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5293.2 Ansatzpunkte für die Prozess regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5293.3 Einsatzbereiche von Werkstück- und Werkzeugmesssystemen . . . . . . . . . . . . . 5303.4 Werkstückmesssysteme für Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536

4 Maschinenintegrierte Werkstückmessung in der Serienfertigung . . . . . . . 5454.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5454.2 Bohrungsmessköpfe für kürzeste Messzeiten bei der Bohrungsherstellung . . 5464.3 Rauheitsmessgeräte für die automatisierte Prüfung von Oberflächen . . . . . . . 5474.4 DIGILOG-Messtaster für digitale und analoge Messwerterfassung . . . . . . . . . . 5484.5 Höchste Produktivität durch simultanes Messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5504.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550

5 Lasergestützte Werkzeugüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5535.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5535.2 Bruchüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5545.3 Einzelschneidenkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5545.4 Werkzeugmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5555.5 Messung von HSC-Werkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5555.6 Kombinierte Laser messsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5565.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557

Teil 6 NC-Programm und Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559

1 NC-Programm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5611.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5611.2 Struktur der NC-Programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5621.3 Programmaufbau, Syntax und Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5631.4 Schaltbefehle (M-Funktionen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5641.5 Weginformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566


1.6 Wegbedingungen (G-Funktionen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5671.7 Zyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5701.8 Nullpunkte und Bezugs punkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5711.9 Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5881.10 Werkzeugkorrekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5921.11 DXF-Konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5941.12 CNC-Hochsprachen programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6001.13 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603

2 Programmierung von CNC-Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6072.1 Definition der NC-Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6072.2 Programmiermethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6072.3 CAM-basierte CNC-Zerspanungsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6142.4 Arbeitserleichternde Grafiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6232.6 Auswahl des geeigneten Programmiersystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6252.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626

3 NC-Programmier systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6293.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6293.2 Bearbeitungsverfahren im Wandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6303.3 Der Einsatzbereich setzt die Prioritäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6313.4 Eingabedaten aus unterschiedlichen Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6333.5 Leistungsumfang eines modernen NC-Programmiersystems (CAM) . . . . . . . . 6333.6 Datenmodelle auf hohem Niveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6333.7 CAM-orientierte Geometrie-Manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6343.8 Nur leistungsfähige Bearbeitungsstrategien zählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6353.9 Adaptives Bearbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6363.10 3D-Modelle bieten mehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6363.11 3D-Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6373.12 Innovativ mit Feature-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6373.13 Automatisierung in der NC-Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6383.14 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6413.15 Aufspannplanung und Definition der Reihenfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6423.16 Die Simulation bringt es auf den Punkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6423.17 Postprozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6433.18 Erzeugte Daten und Schnittstellen zu den Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . 6443.19 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644

4 Fertigungs simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6474.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6474.2 Qualitative Abgrenzung der Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6484.3 Komponenten eines Simulationsszenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6514.4 Ablauf der NC-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6544.5 Integrierte Simulations systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6564.6 Einsatzfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6564.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661


Teil 7 Von der betrieblichen Informationsverarbeitung zu Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665

1 DNC – Direct Numerical Control oder Distributed Numerical Control . . . . 6671.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6671.2 Aufgaben von DNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6671.3 Einsatzkriterien für DNC-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6681.4 Datenkommunikation mit CNC-Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6691.5 Technik des Programm anforderns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6701.6 Heute angebotene DNC-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6711.7 Netzwerktechnik für DNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6721.8 Vorteile beim Einsatz von Netzwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6751.9 NC-Programmverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6751.10 Vorteile des DNC-Betriebes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6791.11 Kosten und Wirtschaft lichkeit von DNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6791.12 Stand und Tendenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6801.13 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680

2 LAN – Local Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6832.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6832.2 Local Area Network (LAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6832.3 Was sind Informationen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6832.4 Kennzeichen und Merkmale von LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6862.5 Gateway und Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6932.6 Auswahlkriterien eines geeigneten LANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6942.7 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6942.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697

3 Digitale Produkt entwicklung und Fertigung: Von CAD und CAM zu PLM . . 7013.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7013.2 Begriffe und Geschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7023.3 Digitale Produkt entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7073.4 Digitale Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7113.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716

4 Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7194.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7194.2 Kernelemente der Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7234.3 Industrie 4.0 in der Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7304.4 Ein MES als Baustein der Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7324.5 Herausforderungen und Risiken von Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734

5 Der Weg zur Digitali sierung in der CNC-Werkzeug maschinen-Branche . . . 7375.1 Auswirkungen der gesell schaftlichen Veränderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7375.2 Digitalisierung der Prozesse in der CNC-Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7395.3 Der Digitale Zwilling einer Werkzeugmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7485.4 Sensorik für CNC-Maschinen als Voraussetzung für I4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752


6 Industrie 4.0 im mittelständischen Fertigungsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . 7596.1 Voraussetzung für Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7596.2 Nutzen von Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7616.3 Cyber-Physical-Systems (CPS), das „Internet der Dinge“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7616.4 Sechzehn Fallbeispiele zu Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7616.5 Ein Arbeitstag mit Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7676.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768

Teil 8 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771

Richtlinien, Normen, Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7731. VDI-Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7732. VDI/NCG-Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7753. DIN – Deutsche Industrie Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777

NC-Fachwort verzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781

Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827

Stichwort verzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829

Empfohlene NC-Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 839

Inserentenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 842

88 Teil 2 Funktionen der CNC

1.6 Kompensationen

Die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen wird durch mechanisch bedingte Abwei-chungen von der idealen Geometrie oder Fehler in der Kraftübertragung und in den Messsystemen beeinträchtigt. Bei der Werkstückbearbeitung können Tempera-turunterschiede und mechanische Kräfte zu Präzisionsverlusten führen.

Ein Teil dieser systematischen Abwei-chungen lässt sich in der Regel bei der In-betriebnahme der Maschine messen und während des Betriebs kompensieren, ge-stützt auf die Lage-Istwert-Geber und zu-sätzliche Sensorik. Dazu besitzen moderne CNCs achsspezifische wirksame Kompen-sationsfunktionen. Allerdings sollte beach-tet werden, dass Kompensationen durch die CNC lediglich ein Hilfsmittel für Kor-rekturen in begrenzten Umfängen ist. Für die Präzision einer Maschine ist in erster Linie die mechanische Konstruktion und deren Genauigkeit verantwortlich.

Es stehen folgende Kompensationsfunk-tionen zur Verfügung:

■ Losekompensation ■ Spindelsteigungsfehlerkompensation ■ Reibkompensation (Quadrantenfehler-

Kompensation)

■ Kompensation von Durchhang- und Winkligkeitsfehlern

■ Temperaturkompensation ■ Volumenkompensation ■ Nick und Gear-Kompensation ■ Dynamische Vorsteuerung (Schleppfeh-

ler-Kompensation) ■ Elektronischer Gewichtsausgleich ■ Kompensation dynamischer Abweichun-

gen

Die Kompensationsfunktionen lassen sich für jede Maschine mit Hilfe von Maschinen-parametern individuell einstellen. Die nor-male Ist- und Sollpositionsanzeige berück-sichtigt die Kompensationswerte nicht und zeigt die Positionswerte einer „idealen Ma-schine“ an.

Losekompensationen (Bild 1.35 und 1.36)

Bei der Kraftübertragung zwischen einem bewegten Maschinenteil und seinem An-trieb (z. B. Kugelrollspindel) tritt Umkehr-spiel (Lose) auf. Eine völlig spielfreie Ein-stellung der Mechanik ist unmöglich und hätte einen zu hohen Verschleiß zur Folge. Auch in der Verbindung zwischen dem Ma-schinenteil und dem Messsystem treten

Bild 1.34: Sensorbox zur Messung von Temperatur an einem Rundtisch mit Torque-motor. (Quelle: Heidenhain)

1 Weginformationen, Wegmessung 89

Positive Lose

Tisch

Geber

Lose

Servomotor

Bild 1.35: Das mechanische Umkehrspiel beeinflusst die Qualität der Werkzeugmaschine: Der Geber eilt dem Maschinenteil (Tisch) z. B. im Falle der positiven Lose voraus. Da damit auch die vom Geber erfasste Istposition der tatsächlichen Istposition des Tisches vorauseilt, fährt der Tisch in diesem Fall zu kurz.

Bild 1.36: Mit Hilfe eines Kreisformtests kann das Umkehrspiel in der X-Achse gemes-sen werden und über die Losekompensation wird dieser Fehler in der CNC kompensiert.

Lose auf. Diese mechanischen Lose kön-nen das Bearbeitungsergebnis der Werk-zeugmaschine negativ beeinflussen. Eilt zum Beispiel der Geber aufgrund der Lose dem Maschinentisch voraus, wird auch die gemessene Istposition früher erreicht, aber der tatsächliche Verfahrweg des Maschi-nentisches ist zu kurz, d. h. es entstehen Bearbeitungstoleranzen.

Während der Inbetriebnahme muss der Maschinenhersteller diese mechanischen Umkehrlose messen, indem er pro NC-Achse einen Punkt jeweils aus zwei Richtungen anfährt. Der so ermittelte Positionsunter-schied muss in die Maschinenparameter der verwendeten CNC eingetragen werden. Während des Betriebs der Werkzeugma-

schine werden diese Kompensationswerte automatisch aktiviert und der Losekom-pensationswert als Lageistwert bei jeder Richtungsänderung der Achse auf die be-treffende Achse aufgeschaltet.

Spindelsteigungskompensation (Bild 1.37)

Das Messprinzip der „indirekten Messung“ (der Positionsgeber befindet sich im Servo-motor der Antriebsachse oder am freien Ende der Kugelumlaufspindel) bei CNC-Maschinen geht davon aus, dass an jeder beliebigen Stelle innerhalb des Verfahrbe-reichs die Steigung der Kugelrollspindel konstant ist, sodass die Istposition der Achse


von der Position der Antriebsspindel abge-leitet werden kann. Durch die Fertigungs-toleranzen bei Kugelrollspindeln kommt es jedoch je nach Genauigkeitsklasse zu mehr oder weniger großen Maßabweichungen, den sog. Spindelsteigungsfehlern.

Hierzu addieren sich u. U. noch die vom verwendeten Messsystem sowie dessen An -bringung an die Maschine bedingten Maß-abweichungen, die sog. Messsystemfehler.

Um diese zu korrigieren, wird die „na-türliche Fehlerkurve“ der CNC-Maschine mittels einem separatem Messsystem ge-messen (Laservermessung), die erforder-lichen Korrekturwerte in der CNC gespei-chert und während des Betriebes ein positionsabhängiger Korrekturwert auf den Lage-Istwert aufgeschaltet.

Reibkompensation oder Quadranten-fehler-Kompensation (Bild 1.38)

Neben der Massenträgheit und den Bear-beitungskräften haben die Reibungskräfte in den Getrieben und Führungsbahnen der Maschine Auswirkungen auf das Verhalten der Maschinenachsen. Die Konturgenauig-keit einer Achse wird insbesondere beim Beschleunigen aus dem Stillstand durch den Übergang von der Haft- zur Gleitrei-bung negativ beeinflusst.

Durch die dabei auftretende sprungför-mige Änderung der Reibkraft, ergibt sich kurzzeitig ein erhöhter Schleppfehler. Bei interpolierenden Achsen (Bahnachsen) führt dies zu signifikanten Konturfehlern. Bei Kreisen ergeben sich die Konturfehler aufgrund des Stillstands einer der beteilig-ten Achse im Moment der Richtungsum-kehr, insbesondere an den Quadranten-übergängen.

Bild 1.37: Der Maß-versatz in der X- und Y-Achse durch die fer-tigungsbedingten Tole-ranzen der Kugelroll-spindeln führt zu Inter polations fehlern der Achsen. Er kann durch den Renishaw-Kreisformtest gemes-sen und mit Hilfe der Spindelsteigungskom-pensation in der CNC korrigiert werden.

Tisch

Linearmaßstab(Teilung fehlerbehaftet)

Kugelrollspindel(Steigung fehlerbehaftet)

Mutter

1 Weginformationen, Wegmessung 91

Bild 1.38: Quadranten-fehler durch Beschleu-nigen in der Richtungs-umkehr der X-Achse, gemessen mit einem Renishaw-Kreisform-test, kann durch die Reibkompensation korrigiert werden.

Die Reib- bzw. Quadrantenfehlerkom-pensation wird daher beim Beschleunigen der Achse aus dem Stillstand, d. h. im Übergang von Haft- zu Gleitreibung, ein zusätz licher Drehzahl-Sollwertimpuls als Kompensationswert aufgeschaltet. Dadurch lassen sich Konturfehler an den Quadran-tenübergängen von Kreiskonturen fast voll-ständig vermeiden.

Während der Inbetriebnahme der Werk-zeugmaschine muss der Maschinenher stel-ler die Ausgangsgüte der Kreiskontur an den Quadrantenübergängen mit Hilfe des Kreisformtests ermitteln. Dazu kann ent-weder ein CNC-internes Tool oder ein ex-ternes Messgerät (z. B. Renishaw-Kreis-formtest QC10) verwendet werden. Die ermittelten Abweichungen müssen als Kompensationswerte in die Korrekturwert-tabelle (Maschinendaten) der CNC einge-tragen werden (Bild 1.36 bis 1.40).

Durchhang- und Winkligkeitsfehler-kompensation

Durch den Gewichtseinfluss der mechani-schen Komponenten einer Werkzeugma-schine kann es zu einer stellungsabhängi-gen Verlagerung und Neigung der bewegten Teile kommen, da sich Maschinenteile ein-schließlich der Führungen durchbiegen. Dadurch kann es zum sogenannten Durch-hangfehler kommen.

Falls Bewegungsachsen nicht genau im gewünschten Winkel (z. B. senkrecht) zu-einander stehen, führt dies mit zuneh-mender Auslenkung aus der Null-Lage zu wachsenden Positionierfehlern. Dieser Winkligkeitsfehler kann durch das Eigen-gewicht der Maschinenkomponenten, aber auch durch Werkzeuge oder Werkstücke entstehen.

Die Korrekturwerte werden bei der Inbe-triebnahme messtechnisch ermittelt und positionsbezogen in der CNC, z. B. als Kom-pensationstabelle, hinterlegt. Im Betrieb der Werkzeugmaschine wird die entspre-chende Achse zwischen den Stützpunkten der Tabellenwerte linear interpolierend durch Aufschalten von Lagesollwerten kor-

Bild 1.39: Durchhang in negative Y-Richtung durch das Eigen gewicht der Auslegerachse.

4 SPS – Speicher-programmierbare Steuerungen

4.1 DefinitionUnter Speicherprogrammierbaren Steue-rungen (SPS) versteht man Steuerungen mit rechnerähnlicher Struktur für den Ein-satz in industrieller Umgebung. Mit der SPS werden Aufgaben und Funktionen, wie Ablaufsteuerungen, logische Verknüpfun-gen, Zeit- und Zählfunktionen, arithme-tische Operationen, Tabellenverwaltung und Datenmanipulationen, Datenaus-tausch zwischen weiteren Steuerungen (SPS) oder z. B. IT-Systemen per standardi-sierte oder proprietären Kommunikations-protokollen realisiert. Sie sind, je nach Leis-tungsgröße, unterschiedlich, aber stets mit einer vom Aufbau her „neutralen“ Verdrah-tung. Wie Computer bestehen sie aus einer Zentraleinheit (Mikroprozessor), Programm-speicher (RAM, EPROM oder FEPROM), Ein-/Ausgangsmodulen und Schnittstellen für den Signal- und Datenaustausch mit an-deren Systemen.

Die Programmierung der Steuerungs-logik erfolgt mittels Rechner (PC) und einer systemspezifischen Programmiersoftware.

Die Eingabe erfolgt wahlweise als Kon-taktplan, Anweisungsliste, Funktions-plan, mittels grafisch unterstützter Spra-chen oder mittels höherer Programmier-

sprachen, z. B. als „Strukturierter Text“. Alle verwenden die grafische Unterstüt-zung bei Programmierung und Simulation der erzeugten Schaltfunktionen.

Für kostengünstige CNCs werden die Be-wegungssteuerung der NC-Achsen und die SPS-Funktionen zusammengefasst (integrierte Software-SPS) und von einem gemeinsamen Prozessor gesteuert. Die frü-her bevorzugte Methode, bei höheren An-forderungen an Schnelligkeit oder Funk-tions umfang die Aufgaben auf Prozessor und Coprozessor zu verteilen, ist bei heu-tigen Steuerungen nicht mehr sinnvoll. Die Bestrebungen zur Vereinheitlichung und internationalen Normung der SPS-Pro-grammiersprachen sind in der IEC 1131 dokumentiert (in Europa IEC 61131).

4.2 Entstehungsgeschichte der SPS

1970 wurde auf der Werkzeugmaschinen-messe in Chicago erstmals eine neuartige elektronische Steuerung vorgestellt, die so-fort großes Interesse fand. Während die Maschinen bis dahin durch aufwändig ver-drahtete Relais, Schaltschütze oder elektro-nische Funktionsbausteine gesteuert wur-

Die Bedeutung Speicherprogrammierbarer Steuerungen hat stetig zugenommen. Sie ersetzen nicht nur die früher verwendeten Relaissteuerungen, sondern übernehmen auch viele zusätzliche Steuerungsfunktionen, Überwachungs- und Diagnoseaufga-ben. Von besonderer Bedeutung ist die heutige CNC-integrierte SPS mit Datenschnitt-stellen. Durch die flexiblen Möglichkeiten die abgespeicherten Steuerungsaufgaben in der Software zu ändern und zu erweitern, ist die SPS für die elektrische Ausrüstung und Automatisierung von Maschinen vom bedeutenden Vorteil.


den, war die neue Steuerung aus der Computertechnik entwickelt worden und hatte völlig neue Eigenschaften. Die we-sentliche war, dass die Festlegung der Steu-erungslogik nicht mehr „fest verdrahtet“, sondern computermäßig „frei program-miert“ wurde. Dazu verwendete man ein computerähnliches Programmiergerät und eine speziell dafür entwickelte Program-miersprache. Das Steuerungsprogramm verblieb während der Inbetriebnahmezeit in schnell änderbaren RAM Speicherbau-steinen und nach abgeschlossener Test-phase wurde es unverlierbar auf EPROM-Speicher übertragen. Notwendige spätere Korrekturen konnten ohne aufwändige Ver-drahtungsänderungen auf die gleiche Art und Weise vorgenommen werden. Die dar-aus resultierenden Vorteile bezüglich Steue-rungsvolumen, Inbetriebnahmezeit und Änderungsfreundlichkeit waren so interes-sant, dass dem raschen Erfolg lediglich die hohen Preise entgegenstanden. Die Ähn-lichkeit zu den damals ebenfalls noch recht neuen Numerischen Steuerungen war un-verkennbar. Die ständig gestiegenen Anfor-derungen bezüglich Automatisierung wa-ren steuerungstechnisch derart aufwändig und kompliziert, dass man diese „Program-mierbaren Logic-Steuerungen“ (PLC) ins-besondere in Verbindung mit komplexen NC-Maschinen sehr schnell zum Einsatz brachte. So kamen innerhalb weniger Jahre viele neue SPS-Produkte auf den Markt, die zum Teil für spezielle Anwendungen ausge-legt waren. Leider hat man die von der NC-Technik vorliegenden positiven Erfahrun-gen einer rechtzeitigen Normung nicht genutzt, was dazu führte, dass die Pro-grammierung der einzelnen SPS-Fabrikate bis heute uneinheitlich ist. Dadurch sind die erstellten Programme SPS-spezifisch und nicht auf anderen SPS-Fabrikaten lauf-fähig. Das bereits bewährte Prinzip der objekt bezogenen, „neutralen“ NC-Pro gram-mie rung und nachfolgenden steuerungs-spezifischen Anpassung über Postprozes-sor wurde bei SPS nie realisiert. Die

Hersteller haben sich mehr darum bemüht, die neuartige Programmierung auf die Kenntnisse und Wünsche der Mitarbeiter in den Elektroabteilungen auszulegen, einer universellen SPS-Programmierung wurde keine Priorität zugeordnet. Rückbli-ckend haben diese „Sprachverwirrung“ und die hohen Preise der Programmierge-räte die schnellere Markteinführung ver-hindert. Die Norm IEC 1131 ist ein erster Schritt in Richtung einer universellen SPS-Programmierung.

4.3 Aufbau und Wirkungsweise der SPS und SPS-Module

Den prinzipiellen SPS-Aufbau zeigen die Bilder 4.1 und 4.2. Danach bestehen SPS aus den Funktionsbaugruppen Netzgerät, Zentraleinheit, Programmspeicher, meis-tens mehreren Modulen für Ein-/Ausgänge und verschiedenen Zusatzfunktionen, wie z. B. Merker, Zeitgeber, Zähler oder Achs-module, sowie einem Baugruppenträger zur Aufnahme dieser Module. Für den An-schluss des Programmiergerätes und als Datenschnittstelle zur Peripherie dient ein entsprechendes Schnittstellen- oder Kop-pelmodul, heute vorwiegend als Ethernet-Schnittstelle ausgelegt. Zur Ansteuerung der Aktoren und Sensoren sind entweder direkte E/A-Module oder eine geeignete Feldbus- oder Netzwerk-Schnittstelle vorge-sehen. Alle SPS-Hardware-Module werden beim Einstecken in den Baugruppenträger mit der Stromversorgung und dem inter-nen Systembus verbunden. Die Datenüber-tragung zwischen den einzelnen Baugrup-pen wird von der Zentraleinheit (CPU) organisiert und überwacht.

Bei CNC-gekoppelten SPS hat sich in-folge der Weiterentwicklung der elektroni-schen Bausteine der hardwaremäßige Auf-bau stark verändert. Die einzeln steckbaren Baugruppen zur Daten-E/A und -Verarbei-tung, sowie Zeit- und Zählfunktionen wer-den von der Zentraleinheit übernommen. Dadurch entstanden hochintegrierte „Ein-

4 SPS – Speicher programmierbare Steuerungen 187

Strom-versorgung Zentraleinheit Eingangskarte Ausgangskarte Koppelbaustein Zusatzfunktionen

Module flexibel erweiterbar und über Rückwandbus verbunden

PC mit Programmiersoftware

Output DC 24 V

Input AC 120/230 V

Bild 4.1: Prinzip der einzelnen Funktionsmodule einer SPS. Heute befindet sich die gesamte Elektronik oft auf einer Platine.

Bild 4.2: Typischer Schaltschrankaufbau mit einer fehlersicheren SIMATIC S7-1512SP SPS (im Bild rechts oben). Neben der mehreren integrierten PROFINET Schnittstellen für die Anbin-dung von dezentraler Peripherie oder überlagerter IT-Systeme, lassen sich auch direkt an die SPS unterschiedliche Baugruppentypen für Ein- und Ausgänge, oder weitere Funktionalitäten entsprechend dem Bedarf der Maschine flexibel anreihen. (Quelle: Siemens AG)

5 Mechanische Auslegung der Hauptspindel anhand der ProzessparameterDipl.-Ing. (FH) Michael Häußinger, Dipl.-Ing. (FH) Hans-Christian Steinbach, WEISS Spindeltechnologie GmbH, Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Müller

5.1 Motorenauswahl

Die Motorauswahl hat tragenden Einfluss auf die korrekte Funktionalität der Haupt-spindel. Bei modernen Hauptspindeln ist der Antriebsmotor integriert. Der Läufer ist Bestandteil der Spindelwelle und wird von deren Lagerung getragen. Die mecha-nische Kopplung zwischen Motorwelle und Spindelwelle kann entfallen. Durch den Wegfall zusätzlicher Übertragungsele-mente ergeben sich für den Anwender diverse Vorteile wie ruhiger Lauf, gerin-gerer Platzbedarf innerhalb der Werk-zeugmaschine, höhere Genauigkeiten oder verbesserte Regeldynamik durch weniger Massenträgheit. Die Übertra-gung des Drehmoments erfolgt berüh-rungslos. Mechanischer Verschleiß ist aus-geschlossen. Die elektrische Leistung wird nur dem feststehenden Außenmantel des Motors zugeführt. Der Rotor benötigt keine eigenständige Leistungsversorgung.

Abhängig von der Anwendung bzw. vom Einsatz der Spindel ist deren Auslegung vor-zunehmen. Die jeweiligen veränderlichen Spindelparameter werden durch die Pro-zessgrößen Schnittgeschwindigkeit und Zerspankraft definiert. Liegt der Fokus der Bearbeitung beispielsweise auf Scherzerspanung mit hohen Schnittkräften und damit einhergehend geringen Schnittgeschwindigkeiten, dann muss die Auslegung der Hauptspindel anders erfolgen als bei einem Spindeldesign für Hochgeschwindigkeits-bearbeitungen.

Generell sind für den Einsatz in einer Motorspindel synchrone oder asynchrone Einbaumotoren vorgesehen und stehen in verschiedenen Drehzahlklassen zur Ver-fügung. Beide Varianten stellen bestimmte Anforderungen an die Leistungsumrichter, die bei der Auslegung der Werkzeugma-schine berücksichtigt werden müssen. Zu-sätzlich müssen unterschiedliche Vor- und Nachteile, abhängig vom gewünschten Ein-satz, gegeneinander abgewogen werden.

Asynchronmaschinen sind weniger komplex in der Ansteuerung und bieten einen großen Feldschwächbereich zur Realisierung höchster Drehzahlen bei gleichzeitig geringerem Strombedarf als vergleichbare Synchronmaschinen. Kurze Hochlaufzeiten können ebenfalls realisiert werden.

Synchrone Einbaumotoren bieten hohe Leistungsdichten durch die Permanent-erregung und ermöglichen kompakte Bau-weisen bzw. lassen vergleichsweise große

272 Teil 3 Elektrische Antriebe für CNC-Werkzeugmaschinen

Wellendurchmesser zu. Die Verlustleistung im unteren Drehzahlbereich ist gering. Bei schnelldrehenden Motoren besteht unter Umständen die Notwendigkeit des Einsat-zes einer zusätzlichen Induktivität (Dros-sel). Dies ist im Aufbau des Motors begrün-det. Zusätzlich besteht mit Drosseln die Möglichkeit, durch Filterung hochfrequen-ter Signalanteile die Spannungsspitzen zu reduzieren und die Motorwicklungen zu entlasten.

Motorspindeln sind allgemein mit inte-grierten Kanälen zur Flüssigkeitskühlung des Stators ausgestattet. Der Stator, der die elektrische Antriebsleistung aufnimmt, ist die hauptsächliche Verlustwärmequelle der Spindeleinheit. Das Kühl kanal system ist deshalb thermisch eng an diesen gekop-pelt. Allerdings werden auch die thermisch weiter entfernt liegenden Verlustwärme-quellen durch das integrierte Kühlsystem versorgt und finden noch eine angemessen effiziente Wärmeabsenkung. Die Spindel-einheit selbst ist über eine Vor- und Rück-laufleitung mit dem Kühlmedium zu ver-sorgen. Die Abkühlung des Kühlmediums auf die ursprüngliche Vorlauftemperatur erfolgt außerhalb der Spindel durch ein exter nes Kühl- oder Wärmetauschsystem. Den notwendigen Druck des Kühlmediums in der Vorlaufleitung liefert eine externe Pumpe. Beide Systeme liegen in der Zu-ständigkeit des Maschinenherstellers.

Zur Überwachung der Motortempera-tur werden Temperatursensoren verwen-det. Diese dienen dem Schutz vor Überlas-tung im drehenden Betrieb. Bei speziellen Einsatzbedingungen der Synchronmotoren (z. B. Belastung im Motorstillstand) ist eine zusätzliche Überwachung der Motorpha-sen zum Schutz vor Überlastung erforder-lich. Diese wird über einen PTC-(Positive Temperature Coefficient)Kaltleiterdrilling realisiert. Optional stehen auch NTC-(Nega-tive Temperature Coefficient)Heißleiter zur Verfügung. Diese kommen zum Einsatz, wenn der verwendete Umrichter die Aus-wertung der KTY-Sensoren nicht erlaubt.

5.2 Lagerung

Die Lagerung einer Hauptspindel hat die Aufgabe, diese hochgenau zu führen und die Bearbeitungskräfte aufzunehmen. Ab-hängig von den geforderten Prozesspara-metern variieren die Lagerauswahl und deren Anordnung. Den Großteil der einge-setzten Lager stellen Wälzlager dar.

Für Spindeln in Werkzeugmaschinen werden bei Wälzlagern fast ausschließlich erhöhte Genauigkeitsklassen verwendet. Hauptsächlich die Bauarten Schrägkugel-lager, Radial-Schrägkugellager, Spindel-lager (mit Druckwinkel 15 und 25°), zwei-seitig wirkende Axial-Schrägkugellager, Radial- und Axial-Zylinderrollenlager so-wie gelegentlich Kegelrollenlager. Je nach den geforderten Leistungsdaten einer Werkzeugmaschine wird die Lagerung mit Kugel- oder Rollenlagern nach den Krite-rien Steifigkeit, Reibungsverhalten, Genau-igkeit, Drehzahleignung, Schmierung und Abdichtung konstruiert und ausgelegt. Ab-hängig vom Drehzahlbereich kommen bei Wälzlagern unterschiedliche Materialien wie Stahl und Keramik zum Einsatz. Bei extremen Anforderungen an Laufgenauig-keit und Dämpfung werden darüber hin-aus hydrodynamisch oder hydrostatisch gelagerte Spindeleinheiten eingesetzt. Aus einer Vielzahl möglicher Werkzeugmaschi-nenlagerungen haben sich einige cha rak te-ris tische Lageranordnungen herausgebil-det, die sich im Werkzeugmaschinenbau bewährt haben.

Stehen hohe Zerspankräfte und ge-ringe Drehzahlen im Vordergrund, müs-sen die Lager eine hohe Steifigkeit vorwei-sen und die Spindel radial und axial genau führen. Durch große Wellen- und Lager-durchmesser wird dies erreicht. Eine starre Lageranstellung mit entsprechend einge-stellter Vorspannung erzeugt die ge-wünschte Genauigkeit. Bei Anforderungen an sehr hohe Drehzahlen hingegen muss die Lagerung besonders den thermischen und dynamischen Betriebsbedingungen

5 Mechanische Auslegung der Hauptspindel anhand der Prozessparameter 273

gerecht werden. Besonders geeignet sind Hybrid-Spindellager mit Keramikku-geln. Die Lagerpaare sind antriebs- und abtriebsseitig über Federn mit definierter Vorspannung gegeneinander angestellt. Dies ermöglicht eine zwanglose Kompensa-tion der axialen Längsdehnung durch ther-mische und dynamische Einflüsse. Optio-nale Kugelbüchsen unterstützen die radiale Steifigkeit zusätzlich. Bei vorschriftsmäßi-gem Betrieb der Spindelkühlung, Einhal-tung der zulässigen Lagerbelastung und Berücksichtigung der maximal erlaubten Umgebungstemperatur im Betriebszustand ist gewährleistet, dass die zulässige Lager-temperatur nicht überschritten wird.

5.3 SchmierungUm während des Einsatzes der Spindel im Bearbeitungsvorgang eine ausreichende Gebrauchsdauer sowie einen verschleiß-freien Lauf sicherzustellen, ist ein Schmier-film im Reibkontakt unabdingbar. Damit dies gewährleistet werden kann, ist ein Schmierstoff mit den notwendigen Eigen-schaften auszuwählen, sowie dessen An-wesenheit zu jeder Zeit des Betriebs si-cherzu stel len. Generell kann zwischen Fettschmierung und Öl-Luft-Schmierung unterschieden werden. Die Fettschmie-rung wird vorzugsweise bei geringeren Drehzahlanforderungen eingesetzt. Ihre Vorteile liegen in der geringen Reibung, der vereinfachten Spindelkonstruktion und den vergleichsweise niedrigen Systemkos-ten. Bei Einhaltung der jeweiligen Belast-barkeitsgrenzen einer Spindel bestimmt die Fettgebrauchsdauer die Lebensdauer der Lager. Die Fettgebrauchsdauer ist als die Zeit definiert, in der die Lagerfunktion durch den eingebrachten Schmierstoff auf-rechterhalten wird. Die Fettgebrauchs-dauer ist nicht von der Lagerbelastung ab-hängig, sinkt allerdings mit zunehmender Drehzahl. Maßgeblicher Einfluss auf die Fettgebrauchsdauer geht von der Fett-menge, der Fettart, des Lagerdesigns, so-

wie Drehzahl, Temperatur und den Einbau-bedingungen aus.

Die zweite Schmierungsart ist die Öl-Luft-Schmierung. Zur Schmierung von Spindellagern reicht sehr wenig Öl aus. Es genügen bereits Mengen in der Größenord-nung von ca. 100 mm3/h (ein Tropfen hat ca. 30 mm3), wenn sichergestellt ist, dass alle Roll- und Gleitflächen vom Öl benetzt werden. Eine solche Minimalmengen-schmierung ergibt geringe Reibungsver-luste. Ölminimalmengen-Schmierung wird angewandt, wenn die Spindeldrehzahl für Fettschmierung zu hoch ist. Das Standard-verfahren ist heute die Öl-Luft-Schmierung. Bewährt haben sich Öle nach der Bezeich-nung ISO VG 68 + EP, das heißt: Nennvisko-sität 68 mm2/s bei 40 °C und Extrem-Pres-sure-Zusätze. Hierbei sind vorzugsweise durchsichtige Schläuche mit Innendurch-messer 2 – 4 mm zu verwenden, um den Schmierstofftransport überwachen zu kön-nen. Die feine Tröpfchenbildung entsteht durch die überströmende Luft bei 1 – 5 bar und ist ab Schlauchlängen ab 400 mm ge-währleistet. Spezifische Strömungsverhält-nisse in der Lagerung können die Ölmenge deutlich beeinflussen.

5.4 Bearbeitungsprozesse Fräsen

Charakteristisch für Frässpindeln (Bild 5.1) ist der Einsatz standardisierter Werk-zeugaufnahmen. Standardisierung setzt Anpassung an die Bedürfnisse vor aus. Sie bietet den Herstellern von Werkzeug-maschinen bzw. Spindeleinheiten die Mög-lich keit, durch den einfachen Austausch der Zange mit Halter unterschied liche Steil kegel werkzeuge (Kegel-/Anzugsbolzen-Norm) oder Hohlschaftkegelwerkzeuge zu spannen. Verschiedene Ausführungen von Werkzeugspannern mit oder ohne Kühl-schmiermittelzuführung, mit hydraulischen oder pneumatischen Löseeinheiten können in die gleichen Werkzeugspindeln einge-

274 Teil 3 Elektrische Antriebe für CNC-Werkzeugmaschinen

baut werden. Drehdurchführungen und Löse einheiten sind untereinander kompa-tibel und austauschbar.

Grundsätzlich wird zwischen Steil-kegel aufnahmen (SK, BT) und Hohl-schaft kegel-(HSK-)Werkzeugaufnahmen unterschieden. Beide haben typenspezifi-sche Eigenschaften mit Vor- und Nachtei-len. Bei Werkzeugsystemen für Spindeln bis 10 000 rpm werden oft Steilkegelwerk-

zeuge nach DIN 69871 Teil 1 eingesetzt (auf Anfrage bei den entsprechenden Zulie-ferern sind auch höhere Drehzahlen mög-lich).

5-Achs-Spindeleinheiten werden ebenso unterstützt wie Überkopfbearbeitungen. Sicheres Zerspanen ist in jedem Winkel möglich. Nachteilig ist die begrenzte Dreh-zahleignung. Bei hohen Drehzahlen weitet sich die Spindel durch die Zentrifugalkraft

Bild 5.1a: Aufbau einer Frässpin-del. (Quelle: Weiss, Schweinfurt)Bild 5.1b: Werkzeugspindel für den automatischen Werkzeug-wechsel. (Quelle: GMN Nürn-berg)Im Lehrfilm werden gezeigt:

■ Flüssigkeitskühlung von Lage-rung und Motor

■ Kühlmittelzufuhr an den Fräser durch Welle und Gehäuse

■ Automatischer WZ-Wechsel und Zugstangen-Überwachung

■ Kegelreinigung der WZ-Aufnahme mittels Luft ■ Öl-/Luft-Schmierung der vorderen und hinteren Lager ■ Sensor zur Messung der Axialen Wellenverlagerung ■ Sperrluft gegen Eindringen von Schmutzpartikeln von außen ■ Drehwinkelgeber zur Positionierung der Spindel ■ Temperaturmessung am vorderen Lager zum Ausgleich der Axialen Wellenbewegung

bit.ly/3bTsFQxVideo 13

bit.ly/2xSaI6tVideo 14

Labyrinth-Dichtung mit Sperrluft

Spannsystem mit Federpaket

Geber Werkzeug-Löseeinheit

Drehdurchführung

Wassergekühlter Asynchron- oder Synchron-MotorSpindellagerungWerkzeug-Schnittstelle

380 Teil 4 Numerisch gesteuerte Maschinen und Fertigungssysteme

Bild 2.15: Maschine für digital additive Fertigung für die industrielle Produktion von hoch-wertigen Metallteilen. Der nebenstehende QR-Code verlinkt auf ein Video, das den Druck-prozess zeigt.

bit.ly/3e2OG1wVideo 20

Nachteile des Lasersinterns ■ Schwund und Verzug bei großen Bau tei-

len durch den thermischen Bauprozess ■ Poröse Oberfläche ■ Alterung durch UV-Einwirkung

2.5.3 3D-Drucken (Binder Jetting) (Bild 2.16 bis 2.17)

Verfahrensbeschreibung Das 3D-Drucken (3DP, 3D Printing) ist ein generatives Verfahren, bei welchem gezielt flüssiger Binder mit Hilfe eines Druck-kopfes oder einer Düse in ein Pulverbett eingebracht wird. Durch wiederholtes Ab-senken der Bauplattform und anschließen-des Auftragen einer dünnen Pulverschicht entsteht dabei schichtweise ein Bauteil. Durch die entsprechende Wahl der Pulver-Binder-Kombination ist eine breite Werk-stoffvielfalt, von Kunststoffen über Kera-miken und Sand (für Gussformen) bis hin zu Metallen verarbeitbar. Durch die Ver-wendung eines im Vergleich zum Laser-system kostengünstigen Druckkopfes ent-stehen erhebliche Kostenvorteile gegenüber dem Lasersintern. Für Kunststoffbauteile werden die Modelle nach dem Bau durch Infiltration (beispielsweise mit Epoxydharz oder Wachs) nachbehandelt, um die mecha-nischen Eigenschaften zu erhöhen. Bei der

Verarbeitung von Metallpulver wird das Material durch eine Bindersubstanz ver bun-den und zu einem Grünling verfestigt, wel-cher anschließend analog zum IMLS wärme-behandelt und mit Bronze infiltriert wird. Durch die Wärmebehandlung kommt es zu einer Schrumpfung was zu beachten ist, da mit Aufmaß gedruckt werden muss. Das Aufmaß kann aber rechnerisch genau be-stimmt werden.

Vorteile des 3D-Druckens ■ Hohe Baugeschwindigkeit ■ Viele Werkstoffe verarbeitbar ■ Große Bauräume möglich ■ Beträchtliche Anzahl an Anlagenherstel-

lern ■ Farbige Bauteile herstellbar ■ Preisgünstiges Verfahren

Nachteile des 3D-Druckens ■ Mittelmäßige mechanische Eigenschaf-

ten wegen geringer Dichte ■ Volumenverlust

2.5.4 Fused Deposition Modeling (FDM) (Bilder 2.18, 2.19)

VerfahrensbeschreibungDie Extrusionsverfahren sind dadurch ge-kennzeichnet, dass eine oder mehrere Dü-

2 Additive Fertigungsverfahren 381

Bild 2.16: Voll funktionsfähiges Getriebe-modell, im Schnitt dargestellt mit QR-Code zum Getriebe in Bewegung. (Quelle: Roschiwal+Partner)

bit.ly/3bYCbSOVideo 21

Bild 2.17: Maschinenmodell mit beweglichen Baugruppen M.: 1 : 50. (Quelle: Hüller)

teile erstellt. Der Stoffschluss zwischen den Extrusionsraupen ergibt sich beim Er-kaltungsprozess (Bild 2.18).

Vorteile des Fused Deposition Modeling Gute mechanische Eigenschaften

■ Geringe Anlagengröße ■ Möglichkeit zu Bürosystemen ■ ABS ist zu verarbeiten ■ Durch Mehr-Düsen-Systeme ist eine

leichte Umsetzbarkeit von Multimate-rial-Bauteilen möglich

■ Hohe Anzahl an Anlagenhersteller ■ Selbstbau-Systeme verfügbar

Bild 2.18: Bauteilqualität mittels FDM.

FDM-Düse

realer, ungünstiger Verlauf

erwünschter, optimalerVerlauf

3. Schicht

2. Schicht

1. Schicht

Bild 2.19: Verschiedene Bauteile – erstellt mit FDM.

sen flüssiges oder aufgeweichtes Material auf eine Bauplattform aufbringen. Durch das anschließende Erkalten erhält das Bau-teil seine Festigkeit. Das Fused Deposition Modeling (FDM), auch als Fused Layer Mo-deling (FLM) bekannt, ist dabei das rele-vanteste, mit nur einem Werkstoff arbei-tende Verfahren. Eine Untergruppe stellt dabei das Multi-, beziehungsweise Poly-Jet-Modeling dar, bei dem Bauteile mit gra-dierten Eigenschaften hergestellt werden können. Die Düse besitzt dabei im Normal-fall zwei Freiheitsgrade (in x- und y-Rich-tung), während die gesamte Bauplattform in z-Richtung verfahren werden kann. Auf diese Weise werden dreidimensional Bau-

Maschinenintegrierte Werkstückmessung und ProzessregelungDr.-Ing. Jan Linnenbürger, Renishaw GmbH

3

3.1 EinführungBei vielen Ansätzen zur Fertigungsoptimie-rung wird hauptsächlich versucht, Haupt- und Nebenzeiten durch die Bearbeitungs-prozessauslegung so kurz wie irgend möglich zu gestalten. Besser ist es jedoch, möglichst viele Gutteile mit dem gerings-ten Aufwand zu fertigen. Hierfür muss der negative Einfluss von umgebungs- und pro-zessbedingten Schwankungen eliminiert werden. Dazu gehören beispielsweise tem-peraturbedingte Geometrieänderungen von Werkstück oder Maschine, Werkstückposi-tion im Arbeitsraum, Abweichung des Werkzeugs von der Sollgeometrie, Mate-rial inhomo geni tät usw. Bei dem aktuellen Entwicklungsstand der Werkzeugmaschi-nen und Steuerungen kann eine weitere Verbesserung des Bearbeitungsergebnis-ses durch Verringerung der einzelnen Fehler quellen allerdings nur noch mit erheb lichem konstruktivem oder organisa-torischem Zusatzaufwand erreicht werden.Die messtechnische Erfassung und steue-rungsseitige Kompensation der geometri-schen Schwankungen von Maschine, Werk-zeug und Werkstück ermöglichen weitere Genauigkeitsverbesserungen bei gleichzei-

Zur sicheren Produktion von Gutteilen müssen die systematischen Anteile der pro-zessbedingten Schwankungen von Maschinengeometrie, Rohteilposition und Bearbei-tungsergebnis durch geeignete Korrekturmaßnahmen steuerungsseitig kompensiert werden. Hierzu sind charakteristische geometrische Größen hauptzeitnah messtech-nisch zu erfassen. Der Einsatz von schaltenden und messenden Sensoren in der CNC-Werkzeugmaschine kann diese Aufgabe, bei gleichzeitig größtmöglicher Flexibilität, zuverlässig erfüllen.

tiger Erhöhung der Fertigungszuverlässig-keit. Wegen dieser Rückführung des Bear-beitungsergebnisses spricht man von einer Prozessregelung. So können z. B mit dem Einsatz eines Messtasters in der Maschi-nenspindel die geometrischen Abweichun-gen zwischen Spindel und Werkstück (oder Werkstückaufspannung) im Koordinaten-system der Maschine erfasst und für sofor-tige Korrekturen durch die CNC zur Verfü-gung gestellt werden.

3.2 Ansatzpunkte für die Prozess regelung

Jede zusätzliche Operation, wie z. B. die Nacharbeit des Werkstücks erhöht die Pro-duktionskosten. Deshalb sollte immer ver-sucht werden Geometrieabweichungen zu erfassen und deren systematischen Anteil im Rahmen der geforderten Fertigungstole-ranzen zu korrigieren. Beispiele dafür sind:

■ Nachregeln der Maschinengeometrie (Tracking) durch Erfassung temperatur-bedingter Geometrieabweichungen oder der positionsabhängigen Restfehler kom-plexer Maschinenkinematiken.

■ Erfassung von Werkstückposition und

530 Teil 5 Werkzeuge in der CNC-Fertigung

-orientierung, Setzen der Nullpunkte für das NC-Programm.

■ Aufmaßerfassung und automatische An-passung des NC-Programms über Para-meter.

■ Erfassung der Werkzeugabdrängung, nach Vorbearbeitung mit Schlichtpara-metern, und Kompensation durch Anpas-sung von Werkzeugparametern.

Im Sinne des erfolgreichen Produktionser-gebnisses ist es also das Ziel, dass, mög-lichst ohne Entnahme des Werkstücks, die tatsächliche Geometrie von Maschine oder Werkstück messtechnisch erfasst wird. In diesem Zusammenhang ist zu klären, wie genau diese Messungen sein müssen und ob dies auch zuverlässig erreichbar ist. Da es vorranging um die direkte Verwendung der Ergebnisse zur Anpassung von Pro-gramm- oder Maschinenparametern geht, braucht die Messgenauigkeit nur so groß zu sein, wie das kleinstmögliche Korrekturinkrement, das noch am Werk-stück als Geometrieänderung erzielt werden kann.

Eine typische Vorgehensweise in Über-einstimmung mit diesem Grundsatz ist zum Beispiel: Wenn bei der Bearbeitung von 5 Werkstücken in einer Aufspannung nach der Prüfung des ersten Teils eine Pa-rameterkorrektur erforderlich war, so wird auch das zweite Teil gemessen, um die Wirksamkeit der Korrektur zu prüfen. Ist diese dann innerhalb der erwarteten Pro-zessschwankung um den Zielwert, können die restlichen Werkstücke fertig bearbeitet werden. Nur das letzte Teil wird dann noch geprüft und damit bestätigt, dass die ge-samte Serie mit sehr hoher Wahrschein-lichkeit den geforderten Qualitätskriterien entspricht.

Zur Absicherung der Prozessregelung sollte, entsprechend den Qualitätsanforde-rungen der Serienfertigung, die tatsäch-liche Geometrie einer Auswahl an Werk-stücken durch Referenzmessung, beispiels-weise mit einem Koordinatenmessgerät

(KMG) außerhalb der Maschine überprüft werden. Dabei geht es dann um die Verifi-kation des geregelten Fertigungsprozesses selbst und nicht des einzelnen Teils. Nur so können unzulässig große nicht kompen-sierte geometrische Schwankungen der Werkstückgeometrie erkannt werden. Die-ser Schritt hat nicht das Ziel, eine Qua-litäts siche rung im Sinne einer Werkstück-abnahme durchzuführen, sondern zu kont-rollieren, ob die Fertigungsgenauigkeit erfolgreich an die Wiederholgenauigkeit von Maschine und Bearbeitungsprozess angenähert worden ist. Hierdurch wird eine gleichbleibend hohe Qualität des ge-fertigten Werkstücks nahe am Maximum der Fertigungseinrichtung gesichert.

3.3 Einsatzbereiche von Werkstück- und Werkzeug-messsystemen

Ein wichtiges Kriterium für die Auswahl des Messsystems und die Integration in Maschine und Steuerung ist der Zeitpunkt innerhalb des Bearbeitungsablaufs, an dem das System eingesetzt werden soll. In der Praxis haben sich vier Phasen etabliert:

■ Pre-Prozess Messung, ■ in-Prozess Messung, ■ prozessnahe Messung und ■ post-Prozess Messung.

Am häufigsten wird in der Praxis eine Pre-Prozess Messung zur Prüfung und Kor-rektur der Maschinengeometrie oder Er-fassung der tatsächlichen Position des Werkstücks angewendet. So ist z. B. die ge-naue geometrische Parametrierung der Rundachsen in der kinematischen Kette einer mehrachsigen Maschine eine wesent-liche Voraussetzung für eine hohe Qualität der Bearbeitung. In Abhängigkeit von der geforderten Fertigungsgenauigkeit ist zu empfehlen die tatsächliche Position der betei ligten Maschinenachsen vor der Werk-stückbearbeitung mit Hilfe von Werkstück-

3 Maschinenintegrierte Werkstückmessung und Prozessregelung 531

messtastern und entsprechenden CNC-Messprogrammen zu prüfen und vorhan-dene Abweichungen von der Sollposition gegebenenfalls zu kompensieren (Bild 3.1). Hierzu werden steuerungsseitige Mess- und Einstellzyklen oder Korrekturparame-ter im NC-Programm verwendet (Bild 3.2).

Vor Ausführung eines NC-Programms muss sich das Werkstück genau an der pro-grammierten Position befinden. Hierfür muss durch entsprechend wiederholge-naue Werkstückaufnahmen oder, flexibler und zuverlässiger, der tatsächliche Werk-

stücknullpunkt relativ zum programmier-ten Nullpunkt messtechnisch erfasst und in der Steuerung abgespeichert werden (z. B. als Nullpunktverschiebung, siehe Ka-pitel „Nullpunkte“). Mit Hilfe von Spindel-messtastern kann dies sowohl im Einricht- als auch Automatikbetrieb mit hoher Ge-nauigkeit erfolgen (Bild 3.3 und Bild 3.4).

Die tatsächlichen Werkzeugdaten wie Länge, Durchmesser und Schneidengeo-metrie, müssen der Steuerung vor Beginn der Bearbeitung bekannt sein. Neben einer externen Erfassung mit Werkzeugvorein-

Bild 3.1: Messaufbau zur Bestimmung der Drehachsgeometrie mittels Referenzkugel und Messtaster.

Bild 3.2: Steuerungs-spezifischer Mess-zyklus zur Erfassung der Rundachsgeometrie (Beispiel CYCLE996), CNC Sinu merik 840D sl.

532 Teil 5 Werkzeuge in der CNC-Fertigung

der Maschine (Bild 3.5). Steuerungsspezifi-sche Zyklen unterstützen den Messvorgang sowohl im Einrichte- als auch Automatikbe-trieb (Bild 3.6).

Eine echte In-Prozess Messung, durch hauptzeitparallele Erfassung der Werk-stückgeometrie mittels fest eingebauter werkstückspezifischen Sensoren, ist be-sonders von Schleifmaschinen bekannt. Hier wird die Zustellung der Schleifscheibe direkt in Abhängigkeit vom Messwert am Werkstück geregelt. Bei anderen Bearbei-tungsverfahren behindern oftmals Vibra-tionen, z. B. durch den unterbrochenen Schnitt beim Fräsen, und ungünstige Um-gebungsbedingungen den Einsatz hochge-nauer Messtechnik.

Durch eine prozessnahe Messung zwi-schen den einzelnen Bearbei tungs opera tio-nen können die qualitätsrelevanten Schwan-kun gen erfasst und bereits im nächsten Bearbeitungsschritt korrigierend berück-sichtigt werden. Automatisch in die Werk-zeugspindel einwechselbare schaltende oder messende Messtaster erreichen die erforderlichen Genauigkeiten bei gleich-zeitig hoher Flexibilität für den Einsatz in variantenreichen Fertigungen. Die Anpas-sung an das Werkstück und die Bear bei-

Bild 3.3: Durch Vierpunktmessung einer Boh-rung wird der Werkstücknullpunkt in die Mitte des Rohteils gelegt.

bit.ly/2RfbwZHVideo 28

Bild 3.4: Beispiel eines steue rungs spezifi-schen Zyklus für das Messen einer Bohrung im Automatikbetrieb, Abweichungen können als Korrektur automa-tisch entweder in der Werkzeugtabelle (Frä-serradius) oder in der Nullpunktverschiebung eingetragen werden, CNC Sinumerik 840D sl.

stellgeräten können diese Daten auch di-rekt in der Maschine bestimmt werden. Dafür gibt es taktile oder berührungslose Werkzeugmesssysteme im Arbeitsraum

584 Teil 6 NC-Programm und Programmierung

Sind die Achsen der Maschine mit einem Absolutwertmesssystem ausgestattet, ist kein Referenzieren der Achsen erforder-lich, die CNC erkennt sofort nach dem Ein-schalten die korrekte Achsposition.

Werkstücknullpunkt, Programmnullpunkt (Bild 1.8)

Beim Erstellen eines NC-Programms ist die Programmierung, also die Umsetzung der einzelnen Arbeitsschritte in die NC-Spra-che, meist nur ein kleiner Teil der Arbeits-vorbereitung.

Vor der eigentlichen Programmierung sollte die Planung und Vorbereitung der Arbeits schritte im Vordergrund stehen. In Bezug auf die Werkstückzeichnung und der zur Verfügung stehenden Werkzeug-maschine muss immer zuerst der Werk-stücknullpunkt passend festgelegt werden.

Der Werkstücknullpunkt W ist der Ur-sprung des Werkstückkoordinaten-Sys-tems. Er kann vom Bediener/Programmie-rer frei gewählt werden und wird bestenfalls so gewählt, dass sich alle Maße der Zeich-nung auf diesen Punkt beziehen bzw. leicht

errechnen lassen. Wichtig ist weiterhin, dass sich dieser Werkstücknullpunkt nach dem Aufspannen des Werkstückes auf der Maschine rasch anfahren und aufnehmen lässt. Bei Drehmaschinen legt man z. B. den Werkstücknullpunkt oft auf dem Schnitt-punkt der Rotationsachse mit der Bezugs-kante der Längenvermaßung. Bei Fräs-werkstücken wird der Werkstücknullpunkt oft auf eine Ecke oder auch genau in die Mitte des Werkstückes gelegt. Die Achsbe-zeichnung und Achsrichtung wird mit der des Maschinen-Koordinatensystems über-ein stim mend gewählt und richtet sich nach der verwendeten Maschine.

Auf den Maschinennullpunkt bezo-gene Koordinaten-Werte sind jedoch zur Programmierung ungeeignet, da sie bei mehrachsigen Maschinen die Lage des Werk-stückes zum Maschinennullpunkt nicht be-rück sichtigen und sich das programmierte Werkstück nicht auf eine andere Maschine oder Aufspannung übertragen lässt.

Anschließend werden die Achsen auf das Werkstückkoordinatensystem genullt, d. h. der Nullpunkt wurde vom Maschinen-nullpunkt zum Werkstücknullpunkt ver-schoben. Der Werkstücknullpunkt muss

Maschinennullpunkt

Werkstücknullpunkt

Werkstück

MKS Maschinenkoordinatensystem

WKS Werkstückkoordinatensystem

Z

X

Z

X

Y

Y

Bild 1.9: Mit einer Nullpunktverschie-bung wird der Bezugs-punkt vom Maschinen-koordinatensystem zum Werkstückkoordi-natensystem im Ma-schinenraum definiert.

1 NC-Programm 585

vom Bediener mittels Ankratzen oder An-tasten ermittelt werden.

Beim Ankratzen wird mit Hilfe eines be-reits vermessenen und datentechnisch in die CNC eingepflegten Werkzeuges der Nullpunkt am definierten Werkstücknull-punkt durch das Abheben eines möglichst minimalen Spans ermittelt. Ebenfalls ma-nuell kann durch den Einsatz eines Kan-tentaster (Fräsen) oder der Messuhr diese Position bestimmt werden. Dazu muss mit möglichst geringer Geschwindigkeit im Tipp-Betrieb oder mit dem Handrad an die gewünschte Position gefahren werden. Die so ermittelten Werte müssen dann in die CNC übernommen werden.

Genauer ist die Ermittlung des Nullpunk-tes mit Hilfe von automatischen Mess tas-tern. Allerdings muss dazu die Hard-ware und Software auf der CNC-Maschine installiert sein und es sind die zusätz-lichen Kosten dafür zu beachten. Viele CNC-Steuerungen unterstützen den Einsatz von schaltenden Messtastern durch entspre-chende Messzyklen bzw. die Hersteller der Messtaster bieten Softwarepakete für den Einsatz ihrer Messtaster in Verbindung mit den diversen Steuerungstypen an. Der Werkstücknullpunkt kann entweder in der

Basis-Verschiebung oder mit einer flexib-len Nullpunktverschiebung eingetragen werden. Ob die Basis-Verschiebung oder die Nullpunktverschiebung verwendet wird. hängt neben der verwendeten CNC-Aus-rüstung auch von der Pro gram mier philo-sophie der jeweiligen Firma ab. Werden z. B. Nullpunktspannsysteme auf der Ma-schine verwendet, ist es sinnvoll, die Ver-schiebung vom Maschinennullpunkt zum Werkstücknullpunkt fest in die Basisver-schiebung einzugeben. Vom Bezugspunkt des Spannsystems kann dann über flexible Nullpunktverschiebungen leicht der jewei-lige Werkstücknullpunkt definiert werden.

Nullpunktverschiebung (Bild 1.10 bis 1.12)

Die Differenz zwischen Maschinennull-punkt und Werkstücknullpunkt kann flexi-bel in eine Nullpunktverschiebung einge-tragen werden. Mit der Parametrierung und Aktivierung der Nullpunktverschie-bung geschieht automatisch die Anpassung des Koordinatensystems an die Werk-stückkoordinaten. Die Verwendung von Nullpunktverschiebungen macht die Nut-zung einer CNC-Werkzeugmaschine kom-

bit.ly/2W37hmZVideo 33

Bild 1.10: Eintrag einer Nullpunkverschiebung G54 in die CNC. (Beispiel Sinumerik 840D sl, Quelle: Siemens AG)

586 Teil 6 NC-Programm und Programmierung

Bild 1.11: Eintrag einer Nullpunktverschiebung in die CNC am Beispiel einer Dreh- und einer Fräsmaschine (Beispiel Sinumerik 840D sl, Quelle: Siemens AG).

320

X

ZZ

XY

-1024.987

909.840286.907

fortabel. Die eigentliche Programmerstel-lung des NC-Programmes kann ohne Rücksicht auf die Maschinenkoordinaten der Maschine erfolgen. Mit der Nullpunkt-verschiebung wird der Werkstücknullpunkt passend zur Maschine transformiert.

Um eine Nullpunktverschiebung durch-führen zu können, bietet die CNC-Steue-rung Speicherplätze an. Hier können die Verschiebungswerte für jede Achse gespei-chert werden. Wird die Bearbeitung ge-startet und wurde die Verschiebung ent-spre chend am Anfang des Programms eingetragen, werden diese von der CNC-Steuerung verwendet und bei der Berech-nung der Koor dinatenwerte berücksichtigt. Das bedeutet in der Abarbeitung, dass sich alle nachfolgenden Koordinatenwerte um die Verschiebungswerte der Nullpunktver-schiebung vergrößern.

Dafür stellen CNC-Steuerungen heute bis zu 99 Nullpunktverschiebungen zur Verfügung.

Die Nullpunktverschiebungen können z. B. über die G-Funktionen G54 . . . G57 aufgerufen werden (Tab. 1.4).

Welche G-Funktion für die Nullpunkt-verschiebung genommen wird, bleibt dem Programmierer überlassen.

Die Möglichkeit der Nullpunktverschie-bung erleichtert dem Programmierer die Arbeit, besonders dann, wenn der Pro-grammnullpunkt auch programmierbar um beliebige Werte in jede Achse verscho-ben werden kann. So lassen sich z. B. gleichbleibende Bohrbilder an beliebige Stellen transferieren und die einmal be-rechneten Koordinatenwerte bleiben erhal-ten. Bei Werkzeugmaschinen mit Paletten-wechsel, Spannwürfeln oder Spanntürmen verwendet man die Null punkt verschie-bungen in Verbindung mit einem manuell änderbaren Korrekturwert, um Aufspan-nungskoordinaten festzulegen. Besonders in der Einzel– oder Kleinserienfertigung lassen sich mit dem Einsatz mehrerer Null-punktverschiebungen Rüstzeiten verrin-gern. So kann man beispielsweise für jedes vorhandene Spannmittel einmalig einen separaten Anschlagpunkt festlegen und in die Nullpunktverschiebungstabelle der CNC eintragen, oder auch für verschiedene

320

X

Z

Z

XY

-1024.987

909.840286.907

748 Teil 7 Von der betrieblichen Informationsverarbeitung zu Industrie 4 .0

vorbereitung zusammen. Der Startpunkt zur Integration der Digitalisierung ist also immer in der Arbeitsvorbereitung zu su-chen.

5.3 Der Digitale Zwilling einer Werkzeugmaschine

Im Lebenszyklus von Werkzeugmaschi-nen gibt es zwei ganz verschiedene An-wendungen für Digitale Zwillinge: eines ist von den Anforderungen des Maschi-nenherstellers geprägt und betrifft die Anwendung bei Konstruktion, Bau und Inbetriebsetzung sowie Wartung und Service von Maschinen.

Die zweite Anwendung betrifft den Betrieb der Werkzeugmaschine, vor al-lem das Erstellen und Verifizieren pro-zesssicherer CNC-Programme für die zerspanende Fertigung.

Generell ist ein Digitaler Zwilling ein vir-tuelles Modell eines Prozesses, eines Produkts oder einer Dienstleistung, wel-ches die reale und virtuelle Welt mitein-ander verbindet. Durch die Verknüpfung

bit.ly/2UMZdGiVideo 39

beider Welten lassen sich Konfigurationen weit vor der realen Umsetzung testen, opti-mieren und auftretende Probleme analysie-ren und beseitigen (Bild 5.14).

Eine Werkzeugmaschine ist ein komple-xes mechatronisches Gebilde. Deshalb ist auch ihr Digitaler Zwilling komplex. Genau wie das reale Objekt „Werkzeugmaschine“ umfasst der digitale Zwilling (Bild 5.15):

■ das virtuelle Abbild der CNC-Ausrüstung ■ das virtuelle Abbild des Maschinenver-

haltens ■ das virtuelle Abbild der Mechanik

Digitaler Zwillinge unterstützen alle Pha-sen des Lebenszyklus einer Maschine. Das reicht von Entwicklung, Bau und Inbetrieb-nahme der Maschine über ihre Nutzung zur Fertigung ganz unterschiedlicher Werkstücke bis hin zu Service und War-tung: All dies kann mit einem Digitalen Zwilling auf der virtuellen Ebene begleitet, geplant, geprüft und optimiert werden. Je nach Lebensphase der Maschine (Ent-wicklung, Nutzung, Service) sind die An-forderungen an den Digitalen Zwilling sehr verschieden.

Bild 5.13: Cloud-basiertes System MindSphere bietet eine Übersicht der Maschinen weltweit. (Quelle: Siemens AG)

5 Der Weg zur Digitali sierung in der CNC-Werkzeug maschinen-Branche 749

Der Betreiber einer Maschine will mit Hilfe des Digitalen Zwillings seiner Werkzeugmaschine(n) schon auf virtueller Ebene sicherstellen, dass CNC-Programme fehlerfrei sind und auf Anhieb das ge-wünschte Bearbeitungsergebnis liefern. Die Zeit für das Einrichten des CNC-Programms kann deutlich reduziert werden. Das Pro-gramm kann fast vollständig, ohne unpro-duktive Zeit auf der realen Maschine virtu-ell getestet werden. Es kann sichergestellt werden, ob Werkzeuge, Spannmittel und die Technologiewerte den Anforderungen des jeweiligen Werkstücks und den Mög-lichkeiten der Zielmaschine tatsächlich entsprechen. In der Fertigung soll der Digi-tale Zwilling dafür sorgen, dass die Ma-schine prozesssicher läuft und von Pro-zessschritten entlastet wird, die keine Späne produzieren. Dass die Maschine ge-nerell so funktioniert wie diese spezifiziert

ist, das wird dabei vorausgesetzt und nicht mehr per Digitalem Zwilling überprüft.

Elektrokonstruktion, Softwareabtei-lung und Service des Maschinenherstel-lers dagegen nutzen den Digitalen Zwilling zur Unterstützung des Inbetriebnahme-prozesses der Maschine. Hier geht es da-rum, das Zusammenspiel von CNC-Appli-kation mit Aktoren, Sensoren und Mecha-nik in Betrieb zu nehmen, zu testen und zu optimieren. Dabei werden alle denkbaren Betriebssituationen im Voraus durchge-spielt und die auftretenden Sonderfälle in der CNC-Applikation berücksichtigt. Nach Abnahme und Lieferung der realen Ma-schine nutzt der Service diesen Digitalen Zwilling, um Störungen nachzuvollziehen und Lösungen anzubieten, ohne zum Kun-den reisen zu müssen.

Beim Maschinenhersteller stehen also die Verkürzung von Entwicklungs- und

Bild 5.14: Digitale Zwillinge der Werkzeugmaschine unterstützen sowohl den Prozess der Kon-struktion und Inbetriebnahme als auch der Anwendung.

Konstruk�on und Inbetriebnahme der Maschine Anwendung der Maschine

CNC-ArbeitsvorbereitungKonstruk�onsabteilung

Bild 5.15: Der Digitale Zwilling verbindet die virtuellen Abbildungen der Elektronik, Sensorik und Mechanik einer Werkzeugmaschine.

Aktoren / Sensoren

Mechatronik

Mechanik

Virtuelles Abbild der Maschine(Virtual Machine)

Virtuelles Abbild desMaschinenverhaltens

Elektronik (CNC-Ausrüstung)

Virtuelles Abbild derCNC (Ausrüstung) Bsp.: SIMIT

Bsp.: NX Virtual Machine

Digitaler Zwilling der Werkzeugmaschine

Virtuelles Abbild der Maschine(Virtual Machine)

Stichwort verzeichnis

AAbrasiv-Schneiden 345Abrichten von Schleifscheiben 310Abrichtgerät 310Abrichtwerkzeuge 310, 320Abrichtzyklen 312ABS-Kupplung 483, 486absolute Messung 80Absolutmaße 566Absolutmaßprogrammierung 567abstandscodierte Referenzmarken 80Achsantriebe 464Achsbezeichnung 67Achsen, asynchrone 119Achsen sperren 119Achsen, synchrone 122Achsen tauschen 123Achsmechanik 218Achsregelung 446Achsrichtung, positive 69Adaptive Control (AC) 142Adaptive Controls 754Adaptive Feed Control 144Adaptives Bearbeiten 636Adaptive Vorschubregelung 142Additive Fertigungsverfahren 367Additive Manufacturing 709AGV (Automated Guided Vehicles) 413Analoge Regelung 219angetriebene Werkzeuge 483angetriebene Werkzeugspindeln 347Ankratzen 585Anpassprogramm 117Anpassteil 49Antriebe, analog/digital 246Antriebsleistung 265Antriebsregelung 217Antriebsregler 235Antriebstechnik 221

Anzeigen in CNC 163Apps 170Äquidistantenkorrektur 593Arbeiten von der Stange 110Arbeitserleichternde Grafiken 623Arbeitsfeldbegrenzung 123Asynchrone Unterprogramme 124Asynchronmotor 240, 254, 256Aufspannplanung 642Ausbildung und Schulung 659Auslegerbohrmaschinen 322Ausspindelwerkzeuge 486Auswahl des geeigneten Programmier-

systems 625Automated Guided Vehicles (AGV) 415Automatische Systemdiagnosen 124Automatisierung 51, 68

– flexible 456 – gleitende 449

AWL – Anweisungsliste 195

BBahnsteuerung 44, 290Balance Cutting 125Bandsägen 325BDE/MDE 118Bearbeitungsstrategien 635Bearbeitungszentrum 104, 209, 285

– mehrspindliges 294Bedienung 55, 324Bedienungspersonal 340Betriebssystem 43, 117Bezugspunkte 571Big Data 162, 726Binder jetting 390Blindleistung 467Blindstrom 467Blindstromanteil 465

830 Teil 8 Anhang

Blockzykluszeit 125, 152, 297Bohr-Gewindefräsverfahren 492Bohrmaschinen 208, 322Bohrstangen mit Feindreheinsätzen 488Bohrwerk 323Bohrzentren 323Bohrzyklen 290, 571Bohrzyklen G80 – G89 571Brennschneiden 330Bridge 693Build-Prozessor 392Bussysteme 458

CC-Achsbetrieb 257, 277C-Achse 304CAD 701CAD-CAM Kopplung 370CAD/CAM Programmierung und Fertigung

612CAD/CAM-Systeme 713CAE-Software 704CAI (Computer Assisted Inspection) 362CAM-basierte CNC-Zerspanungsstrategien

614CAM (Computer Aided Manufacturing) 701,

704, 714CAM-orientierte Geometrie-Manipulation

634CAPP (Computer Aided Process Planning)

705CAPTO-Aufnahmen 482CA-Systeme 703CBN 480CFK-Werkstoffe 297CIM 701Closed Loop-Technologie 73Cloud 758CNC 117

– Definition 117 – für Drehmaschinen 304 – für Messmaschinen 361 – für Sägemaschinen 325 – für Schleifmaschinen 309 – Grundfunktionen 117 – offene 173 – Preisentwicklung 178 – Software 117 – Sonderfunktionen 123 – Werkzeugmaschinen 285

CNC-Bedienoberfläche 164CNC-Hochsprachenprogrammierung 600CNC-Programmierplätze 610CO2-Laser 326Computer Aided Engineering 704Computer und NC 50Containermanagement 763Cutter Location Data (CLDATA) 613Cyber-Physical Systems (CPS) 728, 761

DD-Regler 225Datenanreicherung 733Datenbus 189Dateneingabe 55Datenkommunikation mit CNC-Steuerungen

669Datenmodelle 633Datenschnittstellen 119Datenumwandlung 150Daten und Schnittstellen 644Diagnosefunktion 248Diagnose-Software 119Dialogführung 305Diamant 480Diamantrollenabrichtgerät 311Differentialregler 223DIGILOG-Messtaster 548Digitale Fertigung 711Digitale intelligente Antriebstechnik 221Digitale Produktentwicklung 707Digitale Regelung 220Digitaler Zwilling 391, 741, 748 f.Digitalisierte Fertigung 52Digitalisierung 737, 739Digital Light Processing Chip (DLP-Chip)

383Digital Light Processing (DLP) 384Dimensionierung von Antrieben 261DIN 66025 564DIN 66217 68Diodenlaser 329Direct energy deposition powder by laser

389Direct energy deposition wire by lase 390Direktantriebe 242direktes Messsystem 248Direktes Metall-Lasersintern 376DNC – Direct Numerical Control 667DNC – Distributed Numerical Control 55

Stichwort verzeichnis 831

DNC-Schnittstelle 126DNC-System 52Doppelgreifer 106Doppelspindel-Bearbeitungszentren 289Drahtelektrode 340Dreh-Fräsen 621Dreh-Fräszentren 347, 481Drehgeber 73, 75Drehmaschinen 298Drehmoment 253, 264Dreh-Schleifzentren 353Drehspindel 277Drehstrom Synchronmotoren 257Dreh-Wälzfräszentren 353Drehzahlen 253Drehzahlregelung 228Drehzahlvorsteuerung 97Drehzahlwechsel 113Drehzentrum 350Drehzyklen 5713D-Bearbeitung 6303D-Drucken (Binder Jetting) 3803D-Messmaschine 3603D-Modelle 6363D-Printing 3743D-Scannen 3743D-Simulation 5963D-Werkzeug-Radiuskorrektur 1563-Finger-Regel 68Dry Run 129Durchhangfehlerkompensation 91DXF 509, 594, 633DXF-Dateien 613DXF-Konverter 594Dynamische Vorsteuerung 88

EEbenen- Auftrag (PBF, MJ, BJ) 391EBM (Electron Beam Melting) 377EB-Schweißen 344Eckenverzögerung 141EDGE-Computing 743Effektivmoment 265Effektor 442Einbaumotoren 271Einfahren neuer Programme 656Einfluss der CNC 207Eingabegrafik 623Einrichtfunktionen 129Einsatz der CNC-Werkzeugmaschinen 56

Einstechschleifprozess 313einstellbare Werkzeuge 486Einzelsatzbetrieb 129Electron Beam Melting (EBM) 377Electronic-Key-System 172Elektronenstrahl-Maschinen 342elektronischer Gewichtsausgleich 88, 98elektronische Schüsselsysteme 171elektronische Werkzeug-Identifikation 518Energiebilanz 464Energieeffizienz 119, 461Energiemanagement 766Energieverbrauch 463Erodiermaschine 340ERP 676, 732ERP-Lösung 517Erzeugungsrad 321Ethernet 246, 674ETHERNET 192Evolvente 314

FF-Adresse 113Fabriknetz 404Fahranweisungen 562Fahrständerbauweise 287, 289Fahrständermaschine 324Faserlaser 329Feature-Technik 637Feinbearbeitung von Bohrungen 486Feinverstellköpfe 488Feldbus 189Feldschwächbereich 256FEM-Berechnung 371Ferndiagnose 158Fernzugriff 162Fertigungsflexibilität 427Fertigungsplanung 433Fertigungsprinzipien 408Fertigungssimulation 647Fertigungssystem (FFS) 111FFS-Leitrechner 420Flachbettdrehmaschinen 298Flachschleifmaschine 306flexible Bearbeitungszelle 335flexible Fertigungslinien 402flexible Fertigungssysteme 395flexible Fertigungszellen 111, 398Flurförderzeuge 415Flüssigkeitskühlung 274

832 Teil 8 Anhang

Formfräsen 315Formschleifen 315Formverfahren 315FRAME 141Fräs-Dreh-Bearbeitungszentrum 347Fräserradiuskorrektur 593Fräs-Laserzentrum 351Fräsmaschinen 209, 285Frässpindel 481Fräszyklen 571Freiformflächen 630Freischneiden 119Frequenzumrichter 226, 230, 253Führungen 210, 3065-Achs-Maschinen 2905-Seiten-Bearbeitung 293Funkenerosionsmaschinen 339Funktionen der NC 117FUP – Funktionsplan 195Fused Deposition Modeling (FDM) 380Fused Layer Modeling (FLM) 381

GG54 … sG57 586Gantry-Achsen 69Gantrybauweise 285Gateway 693generative Fertigungsverfahren 367, 374Geometriedaten 297geometrische Zuverlässigkeit eines

Werkzeugs 474Gewindebohren 144Gewindebohren ohne Ausgleichsfutter 144Gewindefräsen 144, 490Gewindeschneiden 305G-Funktionen 567G-Funktionen nach DIN 66025, Bl. 2 568Gleichrichter 227Gleichstrom-Servomotoren 239Gleitführungen 210Greifer 442Greifer-Wechselsysteme 444

HHakenmaschine 212Handeingabe 120Handhabung 439Handshake 695Hardware 42

Hardware-Schnittstellen 694Hartfeinbearbeitung 319Hartfeinbearbeitungsmaschine 314Hart-Zerspanung 297Hauptantriebe 255Hauptsätze 563Hauptspindel 271Hauptspindelantriebe 253, 266High-Performance-Cutting 297High Speed Cutting (HSC) 275, 481Hilfsachsen 148Hilfsgrafik 623HMI (Human Machine Interface) 168Hobelkamm 316Hochgantrybauweise 287Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentrum

296Hochleistungsbearbeitung 297Hochsprachenelemente 120Hohlschaftkegel 274, 481Honen 319HPC 297HSC 481, 615HSC-Bearbeitung 489HSK-Aufnahmen 482HUB 732Hüllschnittverfahren 315Human-Machine-Interface 403hybride Werkzeugmaschine 356Hydraulik 464

IIGES 370, 634Inbetriebnahme 248indirektes Messsystem 248Indirektes-Metall-Lasersintern 378Industrial Ethernet 192Industrie 4.0 719, 737, 759Industrieroboter 110, 439 f., 442

– Aufbau 440 – Einsatzkriterien 456

Informationen 683inkrementale Messung 80Innengewindefräsen 490In-Prozess-Messen 146Integrierte Simulations-Systeme 656integrierte Werkzeugkataloge 510Interdisziplinarität 724Internet der Dinge 725, 761Interpolation 147, 253


Interpolator 44I-Regler 223

JJT-Modell 638

KKalkulation 764Kanalstruktur 145Kantentaster 585Karussell-Drehmaschine 324Kassettenmagazine 105Kegelräder 320Kegelradfräsmaschinen 321Kegelradherstellung 314Kegelreinigung 274Keramik 480Kettenmagazin 105Kippmoment 256Kollisionserkennung, automatische 655Kollisionsüberwachung, dynamische 130Kollisionsvermeidung 127Kompensation 88

– beschleunigungsabhängiger Positions-abweichungen 99

– dynamischer Abweichungen 88, 98 – von Durchhang- und Winkligkeitsfehlern 88

Komplettbearbeitung 351Komplettwerkzeuge 476, 510Komponenten eines Werkzeug-

Identifikationssystems 522Konsolbettbauweise 286Konsolständerbauweise 286, 288 f.Koordinatenachsen 68Koordinatentransformation 348KOP – Kontaktplan 195Körperschallaufnehmer 312Körperschallmessung 313Korrekturwerte 121Korrekturwerttabelle 293Kosten und Wirtschaftlichkeit von DNC 679Kreissägen 325Kreisverstärkung 225Kreuzbettbauweise 288Kreuzgittermessgerät 78Kreuztischbauweise 286, 288Kugelgewindetriebe 73, 238Kühlmittel 213

Kühlmittelzufuhr an den Fräser 274Kühlung/Schmierung 474Künstliche Intelligenz 723Künstliche Intelligenz (KI) 40Kurzklemmhalter 487Kv-Faktor 71, 225, 238, 248, 250, 268

LLaderoboter 304Lageregelkreis 70, 72, 210, 219, 248Lageregelung 71Lageregler 71Lagersysteme 518Laminated Object Manufacturing (LOM) 385Langdrehmaschinen 299Längenmessgeräte 74, 78Längenmesssystem 237LAN – Local Area Networks 683Laserauftragschweißen 385laserbasierte Strahlschmelzverfahren 377Laserbearbeitungsanlagen 326Laserbearbeitungsköpfe 330Laserbearbeitungsmaschine 336Lasersintern 384Lasersintern (LS) 376, 378Lattice-Optimierung 372Leistungsteile 235, 446Lichtleitfaser 330Linearantriebe 245Linearinterpolation 152Linearmagazine 105Linearmaßstab 248Linearmotoren 84, 242, 244Linear- oder Geradeninterpolation 45Logbuch 675Look-Ahead-Funktion 297Losekompensation 88

MMakros 121Mantelfläche 483manuelle Betriebsart 134Maschinenauswahl 410Maschinendatenerfassung 158Maschinendatenerfassung (MDE) 745Maschinengestelle 209Maschinenmodell 651Maschinennullpunkt 584Maschinen-Parameterwerte 44

834 Teil 8 Anhang

maschinenseitige Aufnahmen 481Maschinenverkleidung 212Masken-Sintern (MS) 384Maßstabfaktor 145Maßstabfehler-Kompensation 146Master-Slave-Verfahren 690Materialanforderung 761Material extrusion 390Materialise E-Stage 384Material jetting 390MDE/BDE 681Mehr-Achsen Auftrag (DED, EXT) 391Mehrfach-Spannbrücke 293Mehrmaschinenbedienung 742Mehrspindelautomaten 299MES (Manufacturing Execution System)

732MES Pyramide 406Messen und Prüfen 358Messgeber 248messgesteuertes Schleifen 313Messköpfe 539Messmaschinen 358Messprotokoll 360, 536Messsteuergeräte 313Messsystem, direktes 466Messsystem, indirektes 237Messtaster 147, 358, 361, 529, 585Messuhr 585Messzyklen 146, 358, 535, 585Minimalmengenschmierung 273Mobile Computing 724Mockup 709modulare Werkzeugsysteme 485Montageroboter 443Motor 235, 239Motorgeber 237, 240Motorspindeln 256, 260, 272MT Connect 176Multitasking Bearbeitung 621Multitasking-Bearbeitung 148Multitasking-Maschinen 346Multi- Touch-Bedienung 166

NNachlauffehler 72, 155Nano- und Pico-Interpolation 147NC-Achsen 46NC-Hilfsachsen 148NC-Kern, virtueller 155

NC-Programm 42, 52, 561NC-Programmiersysteme 629NC-Programmierung 51, 607NC-Programm und Programmierung 52NC-Programmverwaltung 675NC-Simulation 654Nd:YAG-Laser 327Nesting 391Netzwerktechnik für DNC 672Nibbel-Prinzip 334Nick und Gear-Kompensation 88Nullpunkte 531, 571, 573Nullpunktverschiebung 541, 585NURBS 149, 297

OOEE 752Offene Steuerungen 173Offenheit einer CNC 173Offset 121Öl-/Luft-Schmierung 274OPC UA 176, 189Open System Architecture 174Optimierte CNC-Drehbearbeitung 620Optimierte CNC-Frässtrategien 615Overall Equipment Effectiveness (OEE) 752

PPalette 110Palettenpool 111Palettenspeicher 111Paletten-Umlaufsysteme 414Palettenverwaltung 149, 742Palettenwechsel 290Parallel-Achsen 69Parallelkinematik 209Parametrierung 228PDM (Product Data Management/Produkt-

daten management) 706, 710PDM-Systeme 704Pick-Up-Drehmaschinen 298Pick-up-Verfahren 110, 314PID-Regler 224Planung eines Flexiblen Fertigungssystems

407Planung flexibler Fertigungssysteme 433Planungsphase in der Serienfertigung 659Platzcodierung 108

– variable 109, 118


PLM (Product Lifecycle Management) 701, 707

PMI (Product Manufacturing Information) 703

Pneumatik 464Polarkoordinaten 121Portalfräsmaschinen 287Portalroboter 402Portal-Tischbauweise 287Position setzen 121Positionsregelung 219Postprozessor 53, 294, 643, 648Postprozessoren (PP) 613Postprozessor und Simulation 391Powder bed fusion by electron beam 389Powder bed fusion by laser 389Preisbetrachtung 178Prismen-Aufnahme 483Probelauf 129Product Data Management 706, 710Product Lifecycle Management 707, 711Produktbaukasten 319Produktdatenmanagement 710Produktionsleitsysteme 395Produktionsnetzwerk 404Produktionsplanungssysteme 432Produktionsprozess 659Produkt-Lebenszyklusverwaltung 707Profilieren von Schleifscheiben 312Profilschleifen 319Profilschleifmaschine 311PROFINET 189Programmänderung im laufenden Betrieb

658Programmaufbau, Syntax und Semantik 563Programmgenerierung, automatische 451Programmieren von Drehmaschinen 305Programmieren von Messmaschinen 360Programmieren von Robotern 445, 449Programmieren von Schleifprozessen 311Programmiermethoden 607Programmier-Software 123Programmiersysteme 290, 312, 625Programmierung 52, 290

– werkstattorientierte 290, 305Programmierung für die generative

Fertigung 614Programmnullpunkt 584Programmtest 121, 129Programmverwaltung 675Proportionalregler 223

Protokoll 691prozessnahe Messung 532Prozessregelung 529Prozesssteuerung 763Prüfschärfensteuerung 766Pulsweiten-Modulation 230Punktsteuerungen 44

QQuadrantenfehler-Kompensation 88, 90

RRahmenständerbauweise 289Rapid Manufacturing 369Rapid Prototyping 368, 709Rapid-Technologien 368Rapid Tooling 369Rattern 98Ratterunterdrückung 98Räumen 315Rechnereinheit 445Referenzpunkt 573Regeldifferenz 250Regelkreis 84Regelung 217Regelungstechnik 217Reglertypen 223Reibkompensation 88, 90Relativmaße 566Reset 121Revolver 104, 301, 483, 587RFID 518Roboter 110Roboterarm 442Robotersteuerung 444Rohrbiegemaschinen 338Rollenförderer 415rotierende Werkzeuge 476, 481Ruckbegrenzung (Slope) 122Rückzugsbolzen 481Rund- oder Schwenkachsen 69

SSachmerkmalleiste 477Safe Handling 447Safe Operation 447Safe Robot Technology 447Sägemaschinen 324

836 Teil 8 Anhang

Satz ausblenden 122Satz Vorlauf 122Säulenbohrmaschinen 322Scannen auf Messmaschinen 361Schaeffler 754Schälrad 316Schaltbefehle 42Schaltbefehle (M-Funktionen) 564Schaltfunktionen 103, 562Scheibenlaser 328Scheinleistung 467Schleifbänder 308Schleifen 275

– unrunder Formen 312Schleifmaschinen 209, 305Schleifscheiben 308Schleifschnecken 320Schleifspindeln 276, 347Schleifwerkzeuge 308Schleifzyklen 312Schleppabstand 71Schleppfehler 71, 155Schleppfehler-Kompensation 97Schmelzschneiden 330Schneiderodieren 340Schneidplatten 477Schneidrad 316Schneidstoff 479Schnittdaten 474Schnittgeschwindigkeit 296, 304, 474Schnittstellen 694Schnittwerte 511Schrägbettdrehmaschinen 298Schrägverzahnung 316 f.Schrittmotoren 239Schutzbereiche 129Schwenkachsen 294Schwenkbarer Drehtisch 293Selective Laser Melting 376selektive Laserstrahlschmelzen 369Selektives Lasersintern (SLS) 378Semi Closed Loop 83Semi-Closed-Loop-Betrieb 77Senkerodieren 340 f.Sensoren 451SERCOS interface 246Servoantriebe 464Servomotor 235, 237, 239Shiften 318Sicherheitsfunktionen bei Robotern 447Sicherheitskonzepte, integrierte 136

Sicherheitstechnik 136Simulation 122, 128 f., 642, 647, 660, 708

– der Bearbeitung 290 – des Bearbeitungsablaufs 715

Simulationsgrafik 623 f.Simulation von FFS 428Simultandrehen 148Sinterverfahren 374Slice-Prozess 370Smart Data 162Smarte Objekte 724Smart Factory 730, 759Software 43Software-Schnittstelle 123, 697Sonderwerkzeuge 492Späneförderer 213Spannfutter 276Spannmittel 651Spannvorrichtungen 411speicherprogrammierbare Anpasssteuerung

117speicherprogrammierbare Steuerung 185Speicherprogrammierbare Steuerungen

(SPS) 185Sperrluft 274Spiegeln, Drehen, Verschieben 122Spindelantriebe 297Spindeldrehzahl 113Spindelmesstaster 537, 539 f.Spindelsteigungsfehlerkompensation 88,

249Spindelsteigungskompensation 89Spline 149, 152Spline-Interpolation 149, 152Splines 297Sprachumschaltung 153Sprungantwort 217SPS 173, 178, 185, 202SPS, PLC 49Stangenbearbeitungszentrum 347Stanzkopf 335Stanz-Laser-Maschine 336Stanz- und Nibbelmaschinen 333stehende Werkzeuge 476, 482Steigungsfehler 74Steilkegel 481Steilkegelaufnahmen 274STEP 370, 633 f.STEP (ISO/IEC 10303) 152Stereolithografie 382Sternrevolver 483


Steuerungen, offene 173Steuerungsarten 44Steuerungsnachbildung 648Stirnräder 314Stirnseitenbearbeitung 349STL 370STL-Format 370Strahlführung 330Strahlquellen 326Strahlschmelzen 375, 378Streckensteuerungen 44Struktur der NC-Programme 562Stützengenerator 384Stützgeometrien 392Sublimierschneiden 330Swiss type Lathe 299Synchron-Linearmotoren 242Synchronmotoren 257 f.Synchron-Servoantriebe 239Synchron-Servomotor 231, 239Systemdiagnosen 124

TTapping-Center 323Taster, messender 361Tastkopf 360Tauchfräsen (Plunging) 615TCP/IP 189Technologische Informationen 562Teileprogramme 117Teilverfahren 315Temperaturfehler-Kompensation 118Temperaturkompensation 88, 92Tiefbohrmaschinen 323Token Passing 690Token-Prinzip 690Topologie-Optimierung 371Torquemotoren 84Touchbedientafeln 170Touch-Bedienung 166Touch Panels 166Trägheitsmoment 238Transferstraßen 401Transformation 588Transportsysteme 414trochoidale Bearbeitung 615Trockenbearbeitung 213, 296, 319Trockenlauf 129

UÜbertragungsgeschwindigkeit 691Übertragung von Daten 182Umkehrspanne 72Umlenkspiegel 330Umschlingungswinkel 615Universal-Rundschleifmaschine 306Universelle NC-Programmiersysteme 612Unterprogramme 122

VV.24-Schnittstelle 695VDI-Halter 482Verschleißkompensation 487Verstellkopf 488Vertikaldrehmaschinen 298Vertikalmaschinen 285Verzahnmaschinen 209, 314Verzahnverfahren 315Vierquadrantenbetrieb 228Virtualisierung 724Virtuelle Maschine 650Voll Hartmetall 480Volumenkompensation (VCS) 88, 92Voreinstellgeräte 513Vorschub 474Vorschubantriebe 71, 235, 237, 257, 306Vorschubbegrenzung 155Vorschubgeschwindigkeit 113Vorsteuerung 155, 226

WWälzfräsen 315

– von Zahnrädern 316Wälzfräser 316Wälzfräsmaschinen 314, 317 f.Wälzführungen 210Wälzhobeln 316Wälz- oder Hüllschnittverfahren 315Wälzschleifen 315Wälzstoßen 315 f.Wartung 767Wasserstrahl-Schneidmaschinen 344Wechselrichter 227, 236Wegbedingungen 567Weginformationen 67, 562, 566Weichvorbearbeitung 316Weltwirtschaftskrise 2009 30

838 Teil 8 Anhang

Wendeplatten 477, 480Wendeschneidplatten-Feinverstellung 487Wendespanner 293Werkrad 321Werkstattorientierte Programierung (WOP)

51Werkstattorientierte Programmierung (WOP)

608Werkstückmesstaster 530Werkstückmessung 529Werkstücknullpunkt 584Werkstücktransportsysteme 411Werkstück- und Werkzeugwechsel 314Werkstückwechsel 109, 290Werkstück-Wechseleinrichtung 290Werkzeugaufnahmen 273, 500Werkzeugausgabe 764Werkzeugblatt 506Werkzeugbruch-Kontrolle 305Werkzeugbruch- und Standzeitüberwachung

118Werkzeuge 473, 641, 652

– angetriebene 108, 119Werkzeugidentifikation 108, 505Werkzeugklassifikation 478, 507Werkzeugkomponenten 508Werkzeugkorrektur 541, 592, 765Werkzeugkorrektur, 3-D 156Werkzeugkorrekturwerte 304Werkzeuglängenkorrektur 592Werkzeuglängenmessung 124Werkzeuglisten 511Werkzeuglogistik 514

Werkzeugmaschine 159Werkzeugradiuskorrektur 592Werkzeugrevolver 104, 483Werkzeugschleifmaschine 306, 314Werkzeugspeicher 290Werkzeug-Standzeitüberwachung 305Werkzeugträgerbezugspunkt 587Werkzeugverwaltung (Tool Management)

293, 501Werkzeugvoreinstellung 512Werkzeugwechsel 104, 106, 131Werkzeugwechselpunkt 587Werkzeugwechsler 464Wiederanfahren an die Kontur 122Winkelkopf 485Winkligkeitsfehlerkompensation 91Wirbelfräsen (Trochoidales Fräsen) 143, 615Wirkleistung 467WLAN – Wireless Local Area Network 673WOP – Werkstattorientierte Programmie-

rung 290, 305Wuchtausgleich, dynamischer 489

ZZirkular- oder Kreisinterpolation 46Zustandsüberwachung 158Zustellung 474Zwischenkreis 235Zwischenkreisspannung 256Zyklen 324, 570Zylindermantelflächen 293

Leseprobe „CNC-Handbuch“

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