CNC-Maschinen

Grundlagen

Die Ermittlung aller geometrischen, technologischen und ablauforientierten Informationen für die Bearbeitung von Werstücken 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 Maße.

Abb. 4 - 11: 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 Werkstückmodells 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. 4 - 12: 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 können.
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 grundsätzlich in zwei Bereiche unterteilen:

geometrieorientierte System technologieorientierte Systeme

Die geometrieorientierten Systeme übernehmen 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 Qualität des Fertigungsablaufs nach wie vor beim Programmierier liegen.

Das technologieorientierte System bietet neben geometrischen auch technologische Ermittlungsmethoden an. Mit diesen Systemen können Arbeitsabläufe, Werkzeuge, Schnittwerte und Werkzeugwege automatisch ermittlet werden. Dabei unterstützen diese Systeme die gängigsten 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 vollständiges Teilprogramm unter Nutzung der bereits verfügbaren Geometrieinformation des CAD - Systems zu erstellen. Dabei werden 8 Varianten der CAD/NC - Kopplung unterschieden.

Abb. 4 - 17: Alternative CAD/NC - Kopplungsvarianten

Modell 1: Das CAD - Systems enthält 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 über 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 anschließend in das Datenformat des Teileprogramms umgesetzt.

Modell 6: Im Gegensatz zu Modell5 werden die Daten über 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 enthält. Sowohl das CAD - als auch das NC - Programmiersystem können Daten in das sogenannte Produktmodell einbringen, auslesen und ändern.

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 Losgrößen mit hoher Produktivität 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 - 3: 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 Fräsmaschinen Drehmaschinen Stanz, und Nibbelmaschinen Abkantmaschinen Rohrbiegemaschinen Drückmaschinen Erodiermaschinen Laserbearbeitungsmaschinen und Meßmaschinen

Hierbei werden 2 - bis 5achsige NC - Maschinen angesteuert.
Eine einfache CNC - Maschine verfügt in der Regel nicht über automatische Werkstückwechseleinrichtungen.
Der Fortschritt in der Mikroprozessorentechnik führte dazu, dass die CNC - Steuerungen über 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 Standzeitüberwachung 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 Werkstücken 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 Werkstückwechsel 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 Speicherkapazität 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 Werkstückwechsel erreicht.
Bearbeitungszentren werden in der Regel bei Klein - und Mittelserienfertigung eingesetzt und sind schon bei geringen Stückzahlen komplizierter Werkstücke 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:

Werkstückspeicher und Werkstückwechseleinrichtung Werkzeugüberwachung Bearbeitungs - und Qualitätskontrolle

Für den bedienerlosen Betrieb der Zelle ist ein ausreichend großer Werkstückspeicher nötig, der die Werkstücke auf Paletten oder vereinzelt für die Bearbeitung bereithält. Der Werkstückwechsel 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 Verschleißgrenze 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 Arbeitsplätze, sowohl räumlich als auch organisatorisch zusammengefaßt.
Die wesentlichen Kennzeichen einer flexiblen Fertigungsinsel sind:

Abb. 5 - 6: 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 Werkstücke von der Bearbeitungsstation zur nächsten wird individuell über Fördersysteme, Werkstückspeicher 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 benötigt

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 benötigt

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

Bedienpult:

hier werden Steuerungs - und Überwachungsaufgaben vom Bedienerpersonal ausgeführt

Die Anforderung der einzelnen Maschinen wird anhand der zu bearbeitenden Werkstücke 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 Flexibilität:

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 Stückzahlen wirtschaftlich fertigen, da die Nebenzeiten gering sind und ein schnelles Umstellen auf ein anderes Produktionsspektrum möglich ist

Gute Ausbaufähigkeit:

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

Flexible Transferstraßen

Eine flexible Transferstraße 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 Materialfluß.
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 Transferstraße auf ein neues Produkt, da Maschinen -, Transport - und Informationssysteme optimal auf das jeweilige Werkstück bzw. Produkt angepaßt werden müssen.

1998 Worte in "deutsch"  als "hilfreich"  bewertet