Referat CNC - Maschlnen (Programmerstellung in der Arbeitsvorbereitung)

GRUNDLAGEN

MANUELLE PROGRAMMIERUNG

WERKSTATTORIENTIERTE PROGRAMMIERUNG

PROGRAMMERSTELLUNG IN DER ARBEITSVORBEREITUNG

CAD/NC-KOPPLUNG

FLEXIBLE FERTIGUNG

NC-PROGRAMMIERUNG

BEARBEITUNGSZENTRUM

FLEXIBLE FERTIGUNGSZELLE

FLEXIBLE FERTIGUNGSINSEL

FLEXIBLE FERTIGUNGSSYSTEM

FLEXIBLE TRANSFERSTRAßEN

Grundlagen:

Die Ermittlung aller geometrischen, technologischen und ablauforientierten Informationen für die Bearbeitung von Werst cken auf numerisch gesteuerten Maschinen wird als NC- Programmierung bezeichnet.

Die Steuerung erfolgt mittels einem Rechner  CNC (Computerzied Numerical Control) Der Einsatz numerisch gesteuerter Einrichtungen für Handhabungs- und Kontrollfunktionen ergänzt diesen Einsatz in steigendem Ma e.

Abb. 1: Programmerstellung für verschiedene Anwendungen in der Fertigung

Bei konventionellen Werkzeugmaschinen erfolgt die Informationsverarbeitung im Fertigungsprozeß durch den Maschinenbediener, der die erforderlichen Maschinenstelldaten

(Drehzahlen, Vorschübe, Werkzeugbewegungen) direkt an der Maschine vorgibt. Bei Kopiermaschinen sind diese Daten zum Teil in Form eines Werkst ckmodells abgelegt, das mit Hilfe eines Fühlers abgetastet wird.

Für numerische gesteuerte Maschinen erfolgt die Abspeicherung und Verwaltung

sämtlicher Informationen auf einem geeigneten Datenträger oder mit Hilfe eines übergeordneten DNC-Rechners.

Im Rahmen der Programmgenerierung werden unterschiedliche Methoden unterschieden, die nach dem Ort der Programmierung in manuellen und werkstattorientierte Programmierung.

Abb. 2: Strategien für die Bereitstellung der Fertigungsinformation

Manuelle Programmierung:

Bei der Durchführung einer manuellen NC-Programmierung müssen vom Programmierer einige Planungsschritte durchgeführt werden, die grundsätzlichen auch bei automatisierten Verfahren erforderlich sind, dort jedoch zum größten Teil vom Rechner übernommen werden:

Festlegung des Bearbeitungsablaufs

Bestimmung der Werkzeuge

Magazinplatzzordnung der Werkzeuge

Ermittlung der Schnittdaten

Durchführung der Schnittaufteilung

Berechnung der Werkzeugwege und Programmcodierung

Werkstattorientierte Programmierung:

Bei einfachen Programmaufgaben, oder der Notwendigkeit, sehr schnell einzelne Teile fertigen zu könnnen, bietet sich die Programmierung direkt an der Maschine an. Bei einfachen Anwendungen ist eine maschinengebundene Programmierung mittels Handeingabe ausreichend.

Für andere Fälle bietet sich die Nutzung eines separaten Programmierplatzes an, um die während der Programmierung auftretenden Stillstandzeiten der Maschine vermeiden zu k nnen.

Die Bereitstellung von Zyklen sowie die automatische Technologiebestimmung, die sonst

nur bei leistungsfähigen maschinellen NC-Programmiersystemen üblich ist, erhöht darüber hinaus deutlich den Bedienkomfort.

Werkstattorientierte Programmiersysteme werden auch in der Arbeitsvorbereitung eingesetzt.

Programmerstellung in der Arbeitsvorbereitung:

Für den wirtschaftlichen Einsatz von NC-Maschinen ist die schnelle und sichere Erstellung des Steuerprogramms eine wesentliche Voraussetzung.

Bei maschineller Programmierung beschreibt der Arbeitsplaner die Fertigungsaufgabe mittels einer Programmiersprache in Form eines Teileprogramms.

Die maschinellen Programmiersysteme lassen sich grunds tzlich in zwei Bereiche unterteilen:

geometrieorientierte System

technologieorientierte Systeme

Die geometrieorientierten Systeme bernehmen die Codierung der Steuerdaten und die geometrischen Berechnungen. Den geometrisch orientierten Programmierverfahren ist gemeinsam, daß die Ermittlung der technologischen Daten und damit die Verantwortung für die Qualit t des Fertigungsablaufs nach wie vor beim Programmierier liegen.

Das technologieorientierte System bietet neben geometrischen auch technologische Ermittlungsmethoden an. Mit diesen Systemen k nnen Arbeitsabläufe, Werkzeuge, Schnittwerte und Werkzeugwege automatisch ermittlet werden. Dabei unterst tzen diese Systeme die g ngigsten Fertigungsverfahren Drehen, Bohren und Fräsen.

Hingegen wird das 5-Achsen-Fräsen nur von wenigen Systemen beherrscht.

Der prinzipielle Aufbau eines technologisch orientierten Systems wird in

Abb. 4-16: Ablaufstrategie im Rahmen einer CAD/NC-Kopplung wiedergegeben.

CAD NC Kopplung:

Die Kopplung eines maschinellen NC-Programmsystems mit einem CAD-System basiert auf der Idee, ein vollst ndiges Teilprogramm unter Nutzung der bereits verfügbaren Geometrieinformation des CAD-Systems zu erstellen. Dabei werden 8 Varianten der CAD/NC-Kopplung unterschieden.

Abb. 7: Alternative CAD/NC-Kopplungsvarianten

Modell 1:        Das CAD-Systems enth lt ein spezielles NC-Modul, mit dessen Hilfe ein NC-Programm erstellt werden kann. Die Umsetzung der Daten erfolgt mittels Postprozessoren, die integriert sind.

Anpassungen an andere CNC-Steuerungen ist kaum realisierbar, auf

Grund des Codes der CAD-Software.

Modell 2: Im Gegensatz zum ersten Modell wird hier vom NC-Modul des CAD- Systems eine maschinenneutrale Steuerinformation im CLDATA erzeugt. Die Steuerung erfolgt mittels externen Postprozessoren.

Modell 3:        Die Kopplung zwischen CAD- und NC-Programmiersystem wird ber eine Sprachschnittstelle realisiert, so daß das CAD-System die Geometrieinformationen in der Syntax des NC-Programmiersystems übergibt.

Modell 4:        An das NC-Programmiersystem werden keine Geometrieinformationen übergeben, sondern nur Makronamen und die dazugehörigen Parameterwerte. Die Voraussetzung besteht jedoch darin, daß im CAD- System Konstruktionsmakros verwendet werden, die innerhalb des NC- Programmiersystems auf korrespondierende Fertigungsmakros verweisen.

Modell 5:        Die Geometrieinformationen werden über genormte Schnittstellen übergeben und anschlie end in das Datenformat des Teileprogramms umgesetzt.

Modell 6: Im Gegensatz zu Modell5 werden die Daten ber einee individuell festgelegte Schnittstelle vom CAD- in das NC-Programmiersystem übertragen.

Modell 7:        Das NC-Programmiersystem kann unter Umgehung sämtlicher Schnittstellen dei Daten direkt aus der CAD-Datenbank auslesen und weiterverarbeiten.

Modell 8:        Diese Variante befindet sich derzeit noch im Entwicklungsstadium. sie zeichnet sich durch eine externe und neutrale Datenbank aus, die

sämtliche produktdefinierenden Daten enth lt. Sowohl das CAD- als auch das NC-Programmiersystem k nnen Daten in das sogenannte Produktmodell einbringen, auslesen und ndern.

Flexible Fertigung:

An die Unternehmen der Fertigungsindustrie werden aufgrund zunehmender Typenvielfalt und kürzerer Produktlebenszeiten neue Anforderungen gestellt.

Diese Situation bedingt heute Fertigungseinrichtungen, mit denen kleinere Losgr ßen mit hoher Produktivit t und Qualität witschaftlich gefertigt werden können.

Im Blickfeld steht die flexible Automatisierung.

Das Ziel besteht dabei in der automatisierten Fertigung eines variablen

Produktionsprogramms durch direkte Rechnersteuerung.

Für die flexibel Fertigung existieren unterschiedliche Realisierungsstufen.

Abb. 5-2: Stufen der flexiblen Automatisierung

Abb. 5 : Konzepte der flexiblel Automatisierten Fertigung

Hier werden wesentliche Komponenten der flexiblen Fertigung, die Bestandteil jedes CIM- Konzeptes sind, vorgestellt.

NC-Programmierung:

Das Ziel der CAD/NC-Kopplung besteht darin, die Rohteil- und Fertigteilgeometrie an ein nachgeschaltetes NC-Programmiersystem zu übergeben.

Abb. 2-15: Nutzung der CAD-Geometriedaten für die NC-Programmierung

Eine CNC-Maschine ist eine numerisch gesteuerte Maschine, deren Steuerung nicht fest verdrahtet ist, sondern durch einen Mikrocomputer erfolgt. Der Einsatz eines Mikrocomputers ermöglicht eine flexiblere Handhabung. Die CNC-Einzelmaschine ist der Ausgangspunkt einer flexiblen, rechnerunterstützten Fertigung.

CNC-Maschinen sind in allen Bereichen der Fertigungstechnik anzutreffen,

Bohrmaschinen

Fr smaschinen

Drehmaschinen

Stanz, und Nibbelmaschinen

Abkantmaschinen

Rohrbiegemaschinen

Drückmaschinen

Erodiermaschinen

Laserbearbeitungsmaschinen und

Meßmaschinen

Hierbei werden - bis 5achsige NC-Maschinen angesteuert.

Eine einfache CNC-Maschine verfügt in der Regel nicht ber automatische

Werkst ckwechseleinrichtungen.

Der Fortschritt in der Mikroprozessorentechnik führte dazu, daß die CNC-Steuerungen ber die Grundfunktionen hinaus eine Reihe von wichtigen Zusatzfunktionen besitzen,

Programmerstellung und Korrektur direkt an der Maschine

Hauptzeitparallele NC-Programmierung

grafische Simulatioon der Bearbeitung am Bildschirm der Steuerung

Bedienerführung

Standzeit berwachung der Werkzeuge

Werkzeugverschleißkorrektur

maschinen- und steuerungsinterne Diagnose

Betriebsdatenerfassung

Maschinendatenerfassung und

DNC-Fähigkeit

Bearbeitungszentrum:

Ein Bearbeitungszentrum (BAZ) ist eine mehrachsige CNC-Maschine, die zur Bearbeitung meist primatischer Werkstücke dient. Das wesentlich Kennzeichen eines Bearbeitungszentrums ist die Integration von mehreren Bearbeitungsverfahren in eine Maschine.

Bearbeitungszentren sind beispielsweise für die Fräs- und Bohrbearbeitung von Werkst cken ausgelegt, wobei in der Regel die Grundfunktionen einer Fräsmaschine vorgegeben sind.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Maschinenkonzeptes besteht darin, daß die Werkstücke in einer Aufspannung von mehreren Seiten (max. 5) bearbeitet werden können.

Ein weiteres Merkmal eines Bearbeitungszentrum ist der automatische Werkstück- und

Werkzeugwechsel, der programmgesteuert ausgeführt wird.

Bearbeitungszentren werden als Horizontial- bzw. Vertikalmaschinen am Markt angeboten und durch die Anzahl der Achsen, durch die Größe des Arbeitsbereiches, durch den Antrieb bzw. die Maschinenleistung sowie durch die Anzahl der im direkten Zugriff befindlichen Werkzeuge klassifiziert.

Im wesentlichen besteht ein Bearbeitungszentrum aus vier Komponenten:

Werkzeugspeicher

Werkzeugwechsel

Werkst ckwechsel und

Werkzeugmaschine mit Steuerung

In der Praxis finden unterschiedliche Werkzeugspeicher Verwendung. Je nach Anzahl der zu speichernden Werkzeuge werden Revolvermagazine, Trommelmagazine, Teller- und Kettenmagazine eingesetzt.

Diese Magazine unterscheiden sich hinsichtlich der Speicherkapazit t und der Zugriffsart.

Die Werkzeugwechseleinrichtung ist meist als Doppelgreifer konzpiert, um so die

Nebenzeiten zu minimieren.

Eine weitere Reduzierung der Nebenzeiten wird durch den automatischen

Werkst ckwechsel erreicht.

Bearbeitungszentren werden in der Regel bei Klein- und Mittelserienfertigung eingesetzt und sind schon bei geringen St ckzahlen komplizierter Werkst cke wirtschaftlich.

Durch Erweiterung mit den erforderlichen Zusatzeinrichtungen zum bedienerlosen

Schichtbetrieb entsteht aus ihnen eine flexible Fertigungszelle

Flexible Fertigungszelle:

Eine flexibel Fertigungszelle (FFZ) ist eine numerisch gesteuerte Maschine, die durhc entsprechende Zusatzeinrichtungen in der Lage ist, eine begrenzte Zeit bedienerlos zu arbeiten.

Dazu sind folgende Zusatzeinrichtungen erforderlich:

Werkst ckspeicher und Werkstückwechseleinrichtung

Werkzeugüberwachung

Bearbeitungs- und Qualit tskontrolle

Für den bedienerlosen Betrieb der Zelle ist ein ausreichend großer Werkst ckspeicher nötig, der die Werkstücke auf Paletten oder vereinzelt für die Bearbeitung bereith lt. Der Werkst ckwechsel erfolgt automatisch.

Aufgrund der bedienerarmen Betriebsweise von FFZ muß hinsichtlich Bruch und

Verschleiß eine Werkzeugüberwachung vorhanden sein.

Ein Umschalten auf Schwesterwerkzeuge (identische Werkzeuge, die als Ersatz bereits im Werkzeugspeicher enthalten sind) sollte bei Überschreiten einer Verschlei grenze möglich sein.

Flexible Fertigungsinsel:

Eine flexibel Fertigungsinsel, auch autonome Fertigungsinsel genannt, ist keine einfache

Weiterentwicklung des BAZs oder einer flexiblen Fertigungszelle.

Der flexiblen Fertigungsinsel liegt - im Gegensatz zur Fertigung nach dem

Verrichtungsprinzip - ein anderes arbeitsorganisatorisches Konzept zugrunde.

In der autonomen Fertigungsinsel werden sämtliche Arbeitspl tze, sowohl räumlich als auch organisatorisch zusammengefaßt.

Die wesentlichen Kennzeichen einer flexiblen Fertigungsinsel sind:

Abb. 5 : Organisationsstruktur einer flexiblen Fertigungsinsel

Zusammenfassung von Werkstücken zu Teilefamilien

Räumliche und ablauforganisatorische Zusammenfassung möglichst aller zur

Komplettbearbeitung einer Teilefamilie erforderlichen Betriebsmittel

Übertragung sämtlicher direkten und indirekten Funktionen an die Inselmitarbeiter

(interne, autonome Dispostion der Aufträge durch die Inselmitarbeiter)

Unterstützung der planerischen Aufgaben durch einen Inselrechner

Einsatz in der Klein- und Serienfertigung

Flexible Fertigungssystem:

Kennzeichen eines flexiblen Fertigungssytems (FFS) ist das Zusammenfassen mehrerer NC-gesteuerter Bearbeitungsmaschinen sowie Fertigungsinseln zur Berarbeitung von nach Teilefamilien geordneten Werkstücken.

Die einzelnen Maschinen arbeiten unabhängig voneinander und ermöglichen die

Komplettbearbeitung von Rohteilen oder Halbzeugen.

Der Materialfluß der Werkst cke von der Bearbeitungsstation zur nächsten wird individuell ber Fördersysteme, Werkst ckspeicher oder Handhabungsgeräte programmgesteuert durchgeführt.

Der Materialfluß ist dabei nicht richtungsgebunden.

Ein typisches FFS besteht aus folgenden Komponenten.

Abb. 5-7: Flexibles Fertigungssystem

Lager für Roh- und Ferigteil:

zur Speicherung von Rohteilen und Zulieferteilen werden Regalsysteme verschiedener Aufbauformen ben tigt

Lager für Spannmittel:

hier werden die für den manuellen Spannvorgang erforderlichen Spannelemente

und Werkzeuge gelagert

Rüstplatz für Rohteile:

hier erfolgt die meist manuell durchgeführte Montage der Rohteile auf Paletten

Puffer für Rohteile:

um einen bedienungsarmen Schichtbetrieb realisieren zu können, müssen in

einem Palettenpuffer genügend Rohteile fertig gespannt bereitgestellt werden

Transportsystem für Werkstücke:

in der Praxis werden Kettenförderer, Bandförderer oder fahrerlose

Transportsysteme eingesetzt

NC-/CNC-Bearbeitungsmaschinen:

Bearbeitungszentren, NC-/CNC-gesteuerte Fräs- oder Bohrmaschinen, Waschmaschinen, Prüf- und Signiermaschinen etc. werden je nach zu bearbeitendem Werkstückspektrum in flexiblen Fertigungssystemen eingesetzt

Werkzeuglager:

Lagerpaletten für Werkzeuge mit einer Werkzeugvoreinstellung

Werkzeugvoreinstellung:

zur Korrektur der Werkzeugabmessung in NC-Programmen wird die

Werkzeugvoreinstellung ben tigt

Maschinensteuerung:

die Steuerung der einzelnen Maschinen können NC- oder CNC-Maschinen sein. Darüber hinaus werden auch SPS sowie Steuerungen für Industrieroboter eingesetzt

Werkzeugtransportsystem:

für den Werkzeugtransport k nnen verschiedene Transportsysteme zum

Einsatz kommen. Neben Industrierobotern erfolgt der Werkzeugaustausch zwischen Werkzeuglager und Werkzeugwechselsystem an der Maschine oft manuell

Bedienpult:

hier werden Steuerungs- und berwachungsaufgaben vom Bedienerpersonal

ausgeführt

Die Anforderung der einzelnen Maschinen wird anhand der zu bearbeitenden Werkst cke strukturiert. Bei einer hohen Anzahl von Bearbeitungsstationen empfiehlt sich die Aufstellung in Ring- oder Flächenstrukturen.

Die Steuerung des Fertigungsvorgangs erfolgt in der Regel druch horizontiale und

vertikale Vernetzung der einzelnen Maschinensteuerungen, Robotersteuerungen und speicherprogrammierbaren Steuerungen untereinander.

Eine typische hierarchische Steuerungsstruktur ist in Abb. 5-8 dargestellt.

Abb. 5-8: Hierarchische Steuerungsstruktur

Die Bedienung erfordert qualifizierte Mitarbeiter.

Die Vorteile eines FFS gegenüber anderen Fertigungskonzepten lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Hohe Produktqualität bei gleichzeitiger Flexibilit t:

dies bedeutet eine schnelle Adaption des Konzeptes an ein geändertes

Teilespektrum

Hohe Wirtschaftlichkeit:

mit einem FFS, das an ein Produktspektrum angepaßt ist, lassen sich kleine bis mittlere St ckzahlen wirtschaftlich fertigen, da die Nebenzeiten gering sind und ein

schnelles Umstellen auf ein anderes Produktionsspektrum möglich ist

Gute Ausbaufähigkeit:

bei Anderungen der Produkte in Richtung höherer Komplexit t oder weiterer erforderlicher Bearbeitungsvorgänge lassen sich FFS durch zusätzliche Maschinen, Transportsysteme, Lagerbereiche oder andere Komponenten erweitern.

Flexible Transferstraßen:

Eine flexible Transferstra e enthält mehrere automatisierte Werkzeugmaschinen in

Universal- oder Sonderbauart.

Sie ist in der Lage, gleichzeitig oder sequentiell verschiedene Werkstücke zu bearbeiten. Kennzeichen eines solchen Systems ist der gerichtet ablaufende Materialflu .

Immer häufiger werden auch Bearbeitungszentren und Maschinen in mehrspindeliger Bauweise eingesetzt. Eine Flexibilisierung der Bearbeitungseinheit wird auch bei diesem Fertigungskonzept angestrebt.

Problematisch ist im allgemein des Umrüsten einer Transferstra e auf ein neues Produkt, da Maschinen-, Transport- und Informationssysteme optimal auf das jeweilige Werkstück bzw. Produkt angepaßt werden müssen.