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Standardisierung muss sein

Kapitel 3Einführung in dieCNC-Technik

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3 Einführung in die CNC-Technik

3.1 Entwicklungsgeschichte

Im 18. Jahrhundert begann die Entwicklung von numerisch gesteuerten Maschinen.Der Franzose B. Bouchon und der Engländer M. Falcon fertigten schon 1725 bzw.1728 halbautomatische Steuerungsvorrichtungen für die Herstellung von Webmustern.Die Kettfäden der Webstühle wurden automatisch gehoben und gesenkt. Gesteuertwurden diese Vorgänge durch Lochkarten aus Karton. Der französische IngenieurJacques de Vaucanson, der sich bis dahin mit dem Bauen von „künstlichen“ Men-schen und Tieren beschäftigt hatte, verbesserte dieses System und entwickelte es1745 zur Vollautomatik. Die drei Erfinder waren der Zeit um ca. 70 Jahre voraus. Dergroße Durchbruch der „programmierbaren“ Webmaschinen gelang erst Joseph-MarieJacquard Ende des 18., Anfang des 19. Jahrhunderts. Im Gegensatz zu seinen Vor-gängern benutzte er gelochte Blechkarten.

1863 wurde von einem Tüftler namens M. Fourneaux eine ganz besondere Art vonKlavier zum Patent angemeldet. Es wird scheinbar von Geisterhand gespielt und istuns meist aus Wildwest-Filmen bekannt. Hinter der vermeintlichen Geisterhand ver-birgt sich ein ca. 300 mm breites gelochtes Papierband. Durch die Löcher wird mittelsDruckluft der Tastenmechanismus betätigt.

Seit 1947 forschte die amerikanische Luftwaffe intensiv an dem Verfahren, komplexeFlugzeugteile präzise und wiederholgenau herzustellen. Das Massachusetts Instituteof Technology (MIT) in Cambridge erhielt 1949 den Auftrag, ein Steuerungssystem fürWerkzeugmaschinen zu entwickeln. Die erste NC-Maschine wurde nach drei Jahrenvom MIT und ihrem Mitarbeiter John Pason vorgestellt. Es war eine 3-Achs-Fräsma-schine, deren Steuerung auf Röhren und Relais basierte. Als Datenträger wurden Loch-streifen verwendet.

1965 berichtete eine französische Fachzeitschrift von einer Aufteilsäge für Holzplattender Firma Mayer und Schwabendissen, bei der die Programmwahl mittels Lochbandbzw. Lochkarte erfolgte. Die Firma Reichenbacher stellte 1975 auf der Ligna in Hanno-ver als erster europäischer Hersteller eine NC-Maschine zur Holzbearbeitung vor. DenDurchbruch erlebten die CNC-Maschinen zur Holzbearbeitung vor allem bei den Zulie-ferern der Möbelindustrie. Dies waren oft größere Handwerksbetriebe.

Heute gibt es eine Vielzahl von Maschinenherstellern, die CNC-Maschinen für dieHolzbearbeitungsmaschinen im Produktprogramm haben.

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3.2 Vorteile von CNC-Bearbeitungszentren

Der wesentliche Vorteil dieser Maschinen liegt in der Tatsache, dass mehrere Bearbei-tungen, mit gleichbleibend hoher Genauigkeit, in einer Werkstückaufspannung ausge-führt werden können. Im Gegensatz zu konventionellen Maschinen zur Holzbearbei-tung fallen praktisch keine Rüstzeiten an. Lediglich für die Programmierung muss zu-sätzliche Zeit aufgewendet werden. Mit geometrischen CNC-Befehlen können kom-plexe Konturen ohne Schablonen hergestellt werden.

Die CNC-Programme werden auf Datenträgern abgelegt und sind bei Bedarf schnellaufrufbar. Ferner können die Programme parametrisch programmiert werden. Manspricht dann von einer Variantenfertigung. Mit parametrischen Programmen werdenähnliche Werkstücke schnell, flexibel und ohne großen Programmieraufwand hergestellt.

Hier noch einmal die wesentlichen Vorteile auf einen Blick:

• Mehrere Bearbeitungen in einer Aufspannung

• Gleichbleibend hohe Genauigkeit

• Fertigung komplexer Konturen

• Fast keine Rüstzeiten

• Flexible Fertigung

• Variantenfertigung

3.3 Begriffserklärung

3.3.1 NC (Numerical Control)

Die Abkürzung NC kommt aus dem Englischen und bedeutet „numerische Steuerung“oder „zahlenmäßige Steuerung“. Denn mit den ersten NC-Maschinen konnte man miteinigen Zahlen und Buchstaben Werkzeugbahnen beschreiben. Da man zu dieser Zeitnoch nicht über geeignete Magnetspeicher verfügte, wurden die Programme in einenLochstreifen gestanzt. Auch die uns heute bekannte Software gab es noch nicht. Hard-ware, also festverdrahtete Schaltkreise, führte die programmierten Befehle und dieBahnplanungen aus. Änderungen an Programmen waren jedoch sehr zeitintensiv. Somusste bei jeder Änderung ein neuer Lochstreifen gestanzt werden.

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Abbildung 3-1: CNC-Bearbeitungszentrum zur Holzbearbeitung[Quelle: Maschinenfabrik Reichenbacher GmbH]

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3.3.2 CNC (Computerized Numerical Control)

CNC bedeutet „computerisierte numerische Steuerung“, also ebenfalls eine zahlen-mäßige Steuerung, aber auf Basis eines Computers. Diese Steuerungsgeneration ver-fügt nun über all die Vorteile des Computerzeitalters. Programme können direkt in dieSteuerung eingegeben, geändert (in der CNC-Sprache „modifiziert“) und gespeichertwerden.

Software erledigt die Aufgaben der zuvor festverdrahteten Steuerungen. Auch Werkzeug-daten werden nun in speziellen Speichern abgelegt und sind bei Bedarf schnell abrufbar.

3.3.3 CAM (Computer Aided Manufacturing)

Unter CAM versteht man „Computerunterstützte Fertigung“. Als Basis dienen hier Kon-struktionsdaten von CAD-Systemen. Diese werden aufbereitet und daraus lauffähigeNC-Programme erzeugt.

3.3.4 DNC (Direct Numerical Control)

Unter DNC versteht man ein Datenverteilersystem zur Rechner-Direktführung von meh-reren numerisch gesteuerten Arbeitsmaschinen durch einen Computer. Dabei ist daswesentliche Merkmal die zeitgerechte Verteilung von Steuerinformationen an die je-weiligen CNC-Maschinen. Ein Rechner sendet also Programme oder Programmteilezur richtigen Zeit zur richtigen CNC-Maschine.

3.4 Textuelle Programmierung

Bei der textuellen Programmierung wird das gesamte CNC-Programm mit speziellenBefehlen an einem Rechner oder direkt an der Maschinensteuerung als Buchstaben-und Zahlenfolge eingegeben. Diese Maschinenbefehle sind größtenteils genormt. Des-halb spricht man auch von der Programmierung im DIN/ ISO-Code oder von der Pro-grammierung im G-Code, da viele dieser Befehle mit einem „G“ beginnen.

Bei der textuellen Programmierung sind keine speziellen Softwareprogramme nötig.Man programmiert quasi direkt in einer Sprache, die von der Maschinensteuerung ver-standen wird. Hier ist der Programmierer gefordert. Er muss die unterschiedlichen Be-fehle sowie deren richtige „Grammatik“ (in der Computersprache „Syntax“) kennen. InKapitel

8 „Das CNC-Programm“

erfahren Sie mehr zu dieser Art der Programmierung.

Die textuelle Programmierung wird neuerdings verdrängt durch einfach zu bedienen-de, grafisch orientierte WOP-Software und CAD/CAM-Anbindungen.

3.5 Werkstattorientierte Programmierung

Um einerseits das Programmieren einfacher und schneller zu machen und anderer-seits die Programme sicherer zu machen (z.B. gegen Kollision), entwickelten Steuerungs-und Maschinenhersteller rechnergestützte Programmiersoftware, sogenannte WOP-Systeme (Workshop Oriented Programing, engl. = Werkstattorientierte Programmie-rung). Die komfortable werkstattorientierte Programmierung löst nach und nach dieProgrammierung im G-Code ab. WOP-Systeme können sowohl an der Maschinen-steuerung und/oder am PC im Büro installiert sein.

Jeder Maschinen- bzw. Steuerungshersteller verfolgt seine eigene Philosophie und vieleHersteller von Holzbearbeitungsmaschinen haben sogar ihre eigene WOP-Software imVerkaufsprogramm. Nicht selten ist eine entsprechende WOP-Software auch ausschlag-gebend für den Kauf eines CNC-Bearbeitungszentrums.

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Die Vorteile liegen auf der Hand: Anstatt einen Maschinenbefehl einzugeben, wähltman in einer Windows-Umgebung die verschiedenen Bearbeitungen an und ergänztdiese mit den erforderlichen Zahlenwerten. Das „Programmierte“ wird ständig grafischdargestellt, sodass Programmierfehler sofort erkannt und korrigiert werden können.Abschließend wird aus den programmierten Bearbeitungen durch eine spezielle Soft-ware, den Postprozessor, ein lauffähiges CNC-Programm in der Sprache der Maschinen-steuerung erzeugt.

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Abbildung 3-2: Oberfläche eines WOP-Programmiersystems

Zeitgemäße WOP-Softwares unterstützen ferner die einfache Erstellung von Varian-ten-Programmen und von gespiegelten Programmen, z.B. für die Erstellung von rech-ten und linken Möbelseiten.

In den Kapiteln

10 „Programmiersysteme“

12 „Programmierung in der Praxis“

wird die Programmierung mit zwei gängigen WOP-Programmiersystemen ausführlicherläutert.

3.6 CAD/CAM-Programmiersysteme

Je nach Organisationsgrad der jeweiligen Firma werden CAD-Systeme zur Erstellungvon Konstruktions- und Teilezeichnungen verwendet. Die unterschiedlichen Geometrienaus einer CAD-Zeichnung können so für CNC-Programme verwendet werden. Manerspart sich mühsame Positionsberechnungen bei komplexen Formen und wertvolleZeit, die für eine Mehrfacheingabe der Daten nötig ist. Außerdem wird der häufigsteFehler, die falsche Dateneingabe, vermieden.

Eine Postprozessor-Software erzeugt dann das CNC-Programm für die Maschinen-steuerung. Hierzu erfahren Sie in den folgenden Kapiteln mehr:

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Einführung in die CNC-Technik

11 „CAD/CAM“

13 „CAM-Expertentipps“

3.7 Fertigungsbetrieb

3.7.1 Einzelbetrieb

Maschinen, die im Einzelbetrieb fertigen, haben lediglich einen Maschinentisch, dernur ein Werkstück aufnehmen kann. Während das Fertigteil entnommen und ein Roh-teil neu aufgespannt wird, können keine Bearbeitungen durchgeführt werden. CNC-Bearbeitung im Einzelbetrieb ist nur interessant, wenn die Beschickzeit im Verhältniszur Fertigungszeit sehr gering ist.

3.7.2 Pendelbetrieb

Ideal für die Bedürfnisse eines Tischlereibetriebs ist die Pendelbearbeitung. DerMaschinentisch verfügt hierbei über mindestens zwei Bearbeitungsbereiche, die un-abhängig voneinander gerüstet und mit Werkstücken beschickt werden können. Wäh-rend ein Maschinentisch beschickt wird, kann auf dem anderen Tisch ein Werkstückautomatisch bearbeitet werden. So können Teile, bei denen die Beschickzeit in etwader Bearbeitungszeit entspricht, rationell bearbeitet werden.

Die Anschläge an den Bearbeitungsplätzen liegen oft spiegelbildlich zueinander. So-fern die CNC-Steuerung eine Programmspiegelung unterstützt, können rechte und lin-ke Werkstücke (z.B. Schrankseiten) hergestellt werden.

3.7.3 Synchronbetrieb

Beim Synchronbetrieb sind zwei oder mehr Spindeln gleichzeitig im Einsatz. So kön-nen mehrere identische Werkstücke gleichzeitig bearbeitet werden. Die Spindeln sindhierbei in einem fixen Abstand nebeneinander angeordnet. Vor allem für den Serien-betrieb kann so in Verbindung mit dem Pendelbetrieb die Fertigungszeit um minde-stens die Hälfte reduziert werden. Werden große Werkstücke bearbeitet, ist ein dem-entsprechend großer Maschinentisch nötig.

3.7.4 Unabhängiger Betrieb

Neueste Entwicklungen gehen hin zur gleichzeitigen und unabhängigen Bearbeitungzweier Werkstücke. Portalmaschinen mit zwei unabhängig voneinander verfahrbarenMaschinentischen sowie sogenannte „mehrkanalige“ CNC-Steuerungen haben dieseNeuerung möglich gemacht.

Die Werkstücke können hierbei auch unterschiedlich sein. Die CNC-Steuerung berechnetfür beide Werkstücke gleichzeitig die aktuellen Positionen für die Bearbeitungsaggregate.Wenn man von den Nebenzeiten (Werkstück- und Werkzeugwechselzeiten) einmal ab-sieht, hat man im unabhängigen Betrieb gegenüber einer Bearbeitung im Pendelbetriebden doppelten Werkstückdurchsatz.

Abbildung 3-3: Unabhängiger Betrieb –Einzelbetrieb – Pendelbearbeitung[Quelle: Homag Holzbearbeitungssysteme AG]