Numerische Steuerungen

• wesentlich höhere Flexibilität
• Ziel ist es, dem Anwender ohne wesentliche Änderung der Hardware zusätzliche Optionen anzubieten.
• Funktionen und Eigenschaften von NC/CNC-Steuerungen: Integrationsfähigkeit, Flexibilität, Zuverlässigkeit, Benutzerfreundlichkeit, Produktivität, Präzision.
• NC-Systeme besitzen an der Werkzeugmaschine eine Steuerung, in die extern erstellte NC-Programme eingelesen werden. Maschinenbediener kann diese NC-programme nicht ändern.
• CNC-Systeme verfügen über einen Rechner, der es dem Bediener ermöglicht, NC-Programme zu schreiben und einzugeben sowie nach Eingeben bzw. Einlesen zu verändern. Die Werkzeug- und Spannmittelmasse können unabhängig vom NC-Programm in die CNC-Steuerung eingegeben werden.
• Keine prinzipiellen Unterschiede zwischen NC- und CNC-Systemen bzgl. Programmiersprache und Bearbeitungstechnologie der Werkzeugmaschine.
• Wesentliche Aufgabe der NC ist die Steuerung der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück.
• Die Bearbeitung des Werkstückes wird durch das NC-Programm beschrieben. (siehe Bild 6.6)
• Der Interpolator berechnet für einen vorgegebenen Wegabschnitt die zu koordinierende Bewegungsfolge in den Achsen nach Richtung und Geschwindigkeit und erzeugt somit die Führungsgrößen für die Antriebe der Achsen.
• Bild 6.8: Steuerungsarten (Punkt-, Strecken-, Bahnsteuerung)
• Die NC-Programmierung erfolgt unabhängig von der Position des Werkstücks im Arbeitsraum der WZM. Die aktuelle Werkstücknullpunktlage ist durch eine Koordinatentransformation zu berücksichtigen. Ähnliche Berechungen müssen auch zur Korrektur der aktuellen Werkzeuggeometrie durchgeführt werden.
• Je nach Steuerungsausführung werden die Vorschubantriebe bzw. deren Regelkarten von der Geometriedatenverarbeitung mit Lage-, Geschwindigkeits- und Stromsollwerten versorgt. Achsregelung auf der SERVO-Ebene.
• Das überwiegend eingesetzte Regelprinzip ist die kaskadenförmige Lageregelung.
• Bild 6.10. (Informationsfluss in einer numerischen Steuerung. (NC-interpreter an SPS und Geometriedatenverarbeitung, letztere an Achsregelung))
• Interpolation:
  • Anforderungen an eine Interpolation:
    • Werkstückkontur möglichst genau annähern
    • Bahngeschwindigkeit unter der Berücksichtigung der Beschleunigungsgrenzen der Antriebe nahezu konstant halten
    • numersisch vorgegebene Endpunkte müssenextakt angefahren werden.
  • Die Interpolation besteht aus drei Modulen: Grobinterpolator (Annäherung der Geometrie), Interpolator (Berechnet Zwischenpunkte und ist auch zuständig für die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsführung) und Feininterpolator (berechnet eine bestimmte Anzahl von äqudistanten Stützstellen).
  • Die Ausgabedaten sind Sollstellungen zum Sollzeitpunkt. Bei Maschinen mit fünft programmierbaren Achsen muss zusätzlich noch eine Koordinatentransformation gazwischen geschaltet werden.
• Geschwindigkeitsführung mit und ohne Ruckbegrenzung:
  • Aufgrund sprunghafter RichtungsÄnderungen bei endlich konstanter Geschwindigkeit würde es zu unendlichen Beschleunigungs- und Verzögerungswerten kommen.
  • Sprungartiges Ansteigen der Beschleunigung: Vorteile: einfache Berechnungsalgorithmen; Nachteil: hohe Belastung fÜr die Antriebe und Mechanik aufgrund unendlichen Rucks.
  • Es wird solange beshleunigt, bis die programmierte Bahngeschwindigkeit erreicht wird, danach schliesst sich eine Konstantgeschwindigkeitsphase an.
  • Konstante bahngeschwindigkeit bedeutet nicht unbedingt konstante Achsgeschwindigkeit!
  • In der Realität existiert eine obere Beschleunigungsschranke (Maximale Achsbeschleunigung), was zu einer Bahnabweichung führt.
  • Lineare Beschleunigungsänderung: Vorteile: Genauigkeit (ruhigere und sanftere Maschinenbewegung); Nachteile: erhöhter Rechenaufwand.
  • Bild 6.16 zwichnen und erklären können! (Vergleichskurven, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck ohne/mit Ruckbegrenzung.)
• Satzübergänge:
  • Wenn die Geschwindigkeit bei Beginn und Ende eines jeden Satzes Null ist: Genauhalt. Normalerweise muss in jedem Punkt gewartet werden, um den SChleppfehler abzubauen.
  • Ecken: In einem solchen Fall, in dem die Geschwindigkeit bei Satzübergängen nicht auf Null reduziert wird, spricht man von Überschleifen.
  • Möglichkeit, die Geschwindigkeit indirekt über ein Überschleiffenster vorzugeben (Kompromiss zwischen beiden obigen Möglichkeiten).
• Vorausschauende Geschwindigkeitsführung:
  • Bei einer Steuerung ohne Look-Ahead wird nur die Bahn bis zum nächsten Punkt betrachtet. Deshalb muss die Bahn so abgefahren werden, dass im nächsten Punkt angehalten wird (Genauhalt) bzw. angehalten werden kann (Überschleifen).
  • Look-Ahead bietet den Vorteil, dass sich damit größere Vorschubgeschwindigkeiten erreichen lassen. Die letzten Leistungsreserven können mobilisiert werden.
  • Die Look-Ahead Funktion ist auch äusserst wichtig in der Robotik. (siehe dazu Bild 6.20)
• Beispiel von Werkzeugkorrekturen:
  • Aufgabe, die programmierte Sollbahn unter Berücksichtigung der aktuellen Werkzeuggeometrie so zu modifizieren, dass die gewünschte Geometrie ohne Kollision erzeugt wird.
  • Bei der Kollisionsvermeidung wird durch die Steuerung eine begrenzte Anzahl von Sätzen vorausschauend berechnet. Scharfe Innenecken können mit kleinem Radius nicht vollständig vermieden werden.
  • Bei Aussenecken erfolgt die Vermeidung von Konturverletzungen durch Ergänzung von Geradenelementen/Kreiselementen. Vorteilhaft bei Kreisumfahrung: geringer Platzbedarf, nachteilig: das Werkzeug ist beim Umfahren immer im Eingriff. (siehe Bild 6.22)
• Komponenten einer numerischen Steuerung:
  • Steigende Anforderungen haben zur Aufteilung von Steuerungsaufgaben geführt (Modulares Steuerungskonzept).
  • Klassische NC der mittleren leistungsklasse ist auf neun programmierbare Achsen ausgelegt. Sie besteht aus: Bedientafel mit NC-Volltastatur, Maschinensteuertafel zur Handbedienung, Zentralsteuerung (Netzteil, Watchdog, NC-Modul, MMC/SPS, E/A-Baugruppen).
• Aufbau einer Steuerungen:
  • MMC-Bereich: verwaltet sämtliche Funktionen zur bedienung und Datenhaltung der Steuerung. Hierzu gehört: Visualisierung Prozess- und Stammdaten, Programmierung von NC-Werkstückprogrammen.
  • NC-Kern ist verantwortlich für NC-Datenaufbereitung und Interpolation der Lagesollwerte für jede programmierbare Achse.
  • PLS (oder integrierte SPS) übernimmt die Ausführung der maschinenspezifischen Funktionsabläufe und die logische Verknüpfung von befehlen an die Peripherie. Sie ist weiterhin die Schnittstelle zu anderen speicherprogrammierbaren Steuerungen der Gesamtanlage.
• Software einer NC:
  • Hier fehlen 2 Folien!!!
  • Betriebssystem:
    • zentrale Schnittstelle zwischen der Hardware und den NC-Funktionsprogrammen.
    • lässt sich in einen hardwareabhänhgigen zbd eubeb hardwareunabhängigen Teil aufspalten.
    • Moderne NC-Steuerungen sind multitaskingfähig. und echtzeitfähigt. Tasks mit Prioritäten.
  • Steuerungsunabhängige Software:
    • Auf dieser Plattform wird insbesonders kundenspezifische Software gefahren.
• Funktionsumfang moderner numerischer Steuerungen:
  • Funktionsumfang gliedert sich in Standardfunktionen und Zusatzfunktionen.
  • Standardfunktionen:
    • Programmierung:
      • Syntax der Programmierung basiert immer auf der DIN 66025.
    • Überwachung und Diagnose:
      • überwachung der Maschine (Schleppfehler, geometrische Genauigkeit), der Hard- und Software (NC-Selbsttest, Leistungsprüfung) und des Bearbeitungsprozesses (Werkzeugbruch). Ergänzung durch Diagnosefunktionen zur Fehlerlokalisierung.
    • Funktionsumfang: Kommunikation, Programmierung, Mess- und Korrekturfunktionen, Diagnose, Zellenfunktionen, Bearbeitungsimulation, Benutzerschnittstelle.
    • Simulation:
      • Um Kosten in der flexiblen Fertigung zu reduzieren.
      • Die Simulation bewerkstelligt eine Überprüfung des NC-Programmes in Bezug auf mögliche Kollisionen im Arbeitsraum bei Verfahrbewegungen sowie eingeschränkt eine Kontrolle der Maße und Konturen. Sie ermöglicht eine Optimierung der Verfahrwege hinsichtlich der Art der Bewegungen und der zugeordneten Geschwindigkeiten.
      • Bei Mehrschlittenbearbeitung unumgänglich.
    • Korrektur und Messfunktionen:
      • Abweichungen der idealen zur realen Maschine. Statische Fehler und ständig variierende Fehler.
      • Statische Fehler (Spindelsteigungsfehler, Umkehrspanne) werden einmal gemessen und in die Maschinenkonstanten eingetragen.
      • Ständig variierende Fehler (Spanntoleranz, Werkzeugverschleiß, oder temperaturabhängige Maschinenverlagerungen) werden in Messzyklen gemessen.
    • Benutzerschnittstelle:
      • Bereiche Bildschirm und Tastatur, Handrad.
      • Fensterorientierte Oberflächen mit Softkeys, hochauflösenden Flachbildschirmen.
    • Externe Kommunikation:
      • von analogen Schnittstellen über Feldbusse bis zum LAN.
    • Maschineninbetriebnahme, Einstellen der Maschinenkonstanten:
      • Steuerung muss den Merkmalen der Maschine und den bedürfnissen des Anwenders angepasst werden. Es müssen geometrische Daten, Messysteme, Regelkreise, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen etc. bestimmt un din die MKs eingetragen werden.
  • Sonstige Funktionen:
    • Erweiterung durch Softwaremodule zur Betriebs- und Maschinendatenerfassung.
    • Erfassungsdaten sind: Auftragsdaten, Personaldaten und Maschinendaten.
• Zusatzfunktionen zur Steuerung von Fertigungszellen:
  • Ziel einer automatisierten Fertigungszelle ist es, durch hohe Flexibilität eine hohe Auslastung der Anlage zu erzielen, um möglichst in einem Dreischichtbetrieb eine autarke Bearbeitung zu ermöglichen.
  • Diese Anfroderungen sind jedoch meist sehr problemspetifisch.
  • Eingangsinformation neben NC-Programmen auch Informationen über Werkzeuge, Paletten udn Aufträge.
  • Auftragsverwaltung:
    • verantwortlich für die Bestandsführung der Werkstücke innerhalb der Zelle. Zusätzlih Bedarfsrechnungen pro Auftrag.
  • Palettenverwaltung:
    • eigenes Palettentransportsystem; hat mehrere Bearbeitungsplätze = Verwaltung erforderlich.
    • Koordinierung des Materialflusses innerhalb der Fertigungszelle-
  • Werkzeugverwaltung:
    • Oft benötigt man mehrere Werkzeuge. Nach Stand der Technik kommen maschinennahe Werkzeugmagazine mit entsprechenden Werkzeugwechseleinrichtungen zum Einsatz.
    • Werkzeuge selbst sind über Platzkodierung im Werkzeugmagazin eindeutig identifiziert. Informationen: Geometrie, Korrekturwerte, Reststandzeiten werden in der NC-Steuerung oder im Leitrechner verwaltet.
    • Grundsätzlich unterscheidet man zwischen grunddaten und spezifischen Informationen zur Werkzeugschneide.
    • Aufgabe der Werkzeugverwaltung ist die Datenverwaltung und die korrekte Werkzeugauswahl und Werkzeugbereitstellung.
    • Vor dem Start eines NC-Programmes muss die Maschine ``eingerichtet'' werden. Dies umfasst das ``Einstellen'' und das ``Vermessen''.
• Entwicklungstendenzen bei NC-Steuerungen:
  • NC-Kernfunktionen:
    • Spline-Interpolation
    • Lageregelung (z.B. Vorsteuerung mit inverser Lageregelung
    • Look-Ahead-Satzaufbereitung.
    • Hohe Bearbeitungsgenauigkeiten bei gleichzeitig hohen Vorschubgeschwindigkeiten.
    • Intelligenz (selbständige Berechnung der Vorschübe, Drehzahlen, SChnittaufteilungen).
  • Benutzerschnittstelle:
    • z.B. Spracherkennung und Sprachverarbeitung zur Auslösung von Befehlen.
  • NC-Hardware und Software:
    • hartwaremässige Einbindung einer PC-Karte über ein Bus-System.
    • Integrierte Datenbanken ermöglichen ein komfortables Handling von Technologie-, Korrektur, Diagnose- und Werkzeugdaten.
  • Offene Steuerungssysteme:
    • O.S. dienen der Bereitstellung flexibler, vom Maschinenhersteller anpassbarer Steuerungsfunktionen und der Erhöhung der Stückzahlen marktgängiger Standardkomponenten.
• Bild 6.52 (Problemfelder im Zusammenhang mit geschlossenen numerischen Steuerungen
• Hersteller- und hardwareunabhängige Steuerungsarchitektur OSACA.:
  • Baukastensystem, das die Funktionalitäten von NC, SPS, IRC und Zellrechner enthält.
  • Wesentliches Merkmal dieses Konzeptes ist eine Entkopplung der Anwendersoftware von der Steuerungshardware. Es wurde eine Systemsoftwareschicht geschaffen, die als Bindeglied zwischen Appliktaionssoftware und Hardware.
  • Die eigentliche Steuerungstechnik spielt sich in der Applikationssoftware ab.
  • Auf oberster Ebene (CONTROL) Gliederung in fünf Klassen: (Aufbau siehe Bild 6.54)
• Programmierung von numerischen Steuerungen:
  • Das NC-Programm besteht aus einer Anzahl von Sätzen, die jeweils einem Bearbeitungsschritt entsprechen.
  • Programmschlüssel ist in DIN 66025 festgelegt.
  • Jeder Satz besteht aus einem oder mehreren Wörtern, die sich aus den Adressbuchstaben und den Zahlenwerten zusammensetzen (Adressbuchstabe z.B. G für Geometrie)
  • Prinzipieller Aufbau eines NC-Programms (Bild 6.58)
• Koordinatensysteme und Bezugspunkte:
  • Die Lage des Koordinatensystems ist in DIN 66217 festgelegt.
  • Vereinbarungen:
    • rechtshändiges, rechtwinkliges Koordinatensystem.
    • z-Achse bezieht sich auf die Hauptführungsbahn bzw. auf das in der Maschine eingespannte Werkstück.
    • positive Richtung von z vom Werkstück zum Werkzeug.
    • x-Achse parallel zur Werkstückaufspannfläche und verläuft wenn möglich horizontal. (Hauptachse in der Positionierebene)
    • positive Drehsinn ist nach der ``Rechtsschraubenregel'' festgelegt.
  • An einer NC-Maschine sind verschiedene Bezugspunkte definiert.
  • Der Maschinen-Nullpunkt M liegt im Ursprung des Maschinenkoordinatensystems.
  • Der Werkstücknullpunkt ist der Ursprung des Werkstückkoordinatensystems, auf das sich die Programmierung bezieht. Er kann vom Bediener frei gewählt werden.
  • Der Programm-Nullpunkt wird vor Programmbeginn vom Referenzpunkt aus von Hand und am Ende des Bearbeitungsvorganges per Programm angefahren.