Skript zum
Labor Maschinenkonstruktion
CAD/CAM-Kopplung: NC-Programmierung
einer Wasserstrahlschneidanlage
Sommersemester 2012
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1. CAx-Prozessketten, bersicht
1.1. Prozesskette
Unter einer Prozesskette versteht man allgemein die formale, hierarchische und strukturierte
Zusammenfassung von Informationsverarbeitungsprozessen (Erzeugung, Verarbeitung und Austausch
von Informationen), die einem gemeinsamen Prozessziel dienen.
1.2. CAx-Prozessketten
In CAx-Prozessketten im Besonderen geht es um die Nutzung von im CAD (Computer Aided Design)
erzeugten Daten fr im Produktlebenszyklus nachgelagerte Aufgaben.
Vorteile:
3D Produktreprsentation kann durchgngig in den Prozessketten genutzt werden.
Einmal erzeugte Daten knnen stndig weiterverarbeitet werden.
Ermglicht konsistente und widerspruchsfreie Datenbasis.
Im Folgenden werden die wichtigsten CAx-Prozessketten genannt und kurz beschrieben.
CAD - Computer Aided Engineering (CAD-CAE): Berechnung/Simulation:
Nutzung von Geometriedaten des CAD-Systems, um Berechnungs- und Simulationsaufgaben zu
lsen:
Festkrperprobleme (Verformungs- und Spannungsberechnungen in der Statik, Dynamik und Plastomechanik)
Numerische Strmungssimulation (Navier-Stokes-Gleichungen, Sickerstrmungen)
Wrmeleitung, Temperaturverteilung
Elektromagnetik: Elektrostatik, Magnetostatik (Maxwell-Gleichungen)
Mehrkrpersimulationen zur Ermittlung von Spitzenkrften, die an Bauteilen in komplexen Baugruppen wirken
Schwingungsanalysen im akustischen Bereich
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CAD Rapid Prototyping (CAD-RPT):
Basiert darauf, dass ausgehend von Geometriebeschreibungen in CAD-Systemen, Steuerdaten fr die
schnelle Erstellung realer Prototypen gewonnen werden.
Transformation analytisch oder parametrisch beschriebener Produktgeometrie in eine hinreichend
angenherte Geometriebeschreibung wie beispielsweise in Dreiecksflchen. Nutzung dieser Daten
knnen zur Herstellung realittsnaher Prototypen (z. B. ber das Stereolithographieverfahren).
nderungen an den physikalischen Prototypen knnen durch Verfahren der Flchenrckfhrung
wieder in das CAD-Modell einflieen, so dass das CAD-Modell als Original betrachtet werden kann.
CAD Technische Produktdokumentation (CAD-TPD):
Die Prozesskette CAD - Technische Produktdokumentation basiert auf der Ableitung technischer
Dokumente (z. B. Technische Zeichnungen) aus CAD-Daten.
Auch dem Entwicklungsprozess nachgeschaltete Funktionen wie Einkauf, Vertrieb und Service
(Kundendienst, Ersatzteile) knnen durch Dokumentationen auf Basis der CAD-Modelle untersttzt
werden. Beispielsweise sind fr den Zusammenbau Explosionsdarstellungen oder fr
Bedienungsanleitungen fotorealistische Darstellungen aus dem CAD-Modell ableitbar. Zunehmende
Bedeutung gewinnt dabei das direkte, referenzierte Einbinden von CAD-Daten in Textdokumente.
Dies ermglicht, das CAD-Modell im Kontext des Textdokuments zu laden und zu ndern.
CAD Computer Aided Manufacturing (CAD-CAM):
Verwendung der Geometriebeschreibung eines Werkstcks, um ausgehend davon Daten fr numerisch
gesteuerte Werkzeugmaschinen zu gewinnen.
In dieser Prozesskette sind mehrere Aktivitten zu durchlaufen wie z.B. die Festlegung des Rohteils,
die Bestimmung der zu verwendeten Werkzeugmaschine, die Auswahl der Werkzeuge und
Vorrichtungen, die Definition der Fertigungsstrategie und die Planung der Operationsfolge.
CAD Digital Mock-Up (CAD-DMU):
Dient dazu, die Reprsentation der Produktgeometrie und der Produktstruktur aus dem CAD-System
an das DMU-System zu bertragen. DMU-Systeme basieren meist auf einer vereinfachten
Reprsentation der Geometrie (z. B. triangulierte Geometrie), so dass die Reprsentation
geometrischer Elemente des CAD-Systems (z. B. analytische, interpolierte oder approximierte
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Flchen) auf eine einfache, approximierte Flchenbeschreibung z. B. durch ebene Dreieckflchen
abgebildet wird. Neben der Geometrie ist die Produktstruktur zu bertragen.
CAD Virtual Reality/Augmented Reality (CAD-VR/AR):
Steht (zuknftig) fr die Reprsentation der Summe der Eigenschaften eines Produkts, wie sie zur
ganzheitlichen Analyse und Simulation des Produktverhaltens erforderlich sind. Hierzu zhlt
insbesondere die Abbildung des Produktverhaltens in den einzelnen Phasen des Produktlebenszyklus.
Art und Umfang der Informationen eines Produktmodells zur Abbildung der Eigenschaften eines
virtuellen Produkts sind Gegenstand der Forschung. Stand der Technik ist zurzeit die 3D grafische
Darstellung.
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2. CAD-CAM-Kopplung (CAD-CAM Prozesskette)
2.1. Die Prozesskette allgemein
CAD-CAM-Kopplung beschreibt die bertragung von CAD-Daten (Geometrie-Daten) in NC-Daten
(Fertigungsdaten). Letztendlich mssen die NC-Daten in einem fr die Frsmaschine verstndlichen
Format vorliegen.
Abbildung 1. - Basisschritte in der CAD-CAM Prozesskette
Die Definition der Werkzeugverfahrwege erfolgt in einem Zusatzmodul des CAD-Werkzeugs
basierend auf 3D-Modellen des Werkstcks im systemeigenen (native) Format. Darber hinaus
werden im CAD-NC-Modul diese Daten mit Bearbeitungsparametern wie Werkzugdurchmesser,
Verfahrgeschwindigkeiten, etc. ergnzt. Der Postprozessor berfhrt danach diese
(Werkzeugpositionierungs/Cutter Location) Daten in ein von der Steuerung ausfhrbares NC-Format.
CAD-System
Cutter LocationData
CL-Data
Numerical ControlData
NC-Data
Geometrie vonWerkstck- undRohteil
Verfahrwege der Werkzeuge in einerWerkzeugmaschine, unabhngig vonder Werkzeugmaschinensteuerung
NC-Planungs-prozess
Postprocessing
Verfahrwege der Werkzeuge in einerWerkzeugmaschine, abhngig vonder Werkzeugmaschinensteuerung
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2.2. NC-Programmierung
Meilensteine der NC-Entwicklung
(Quelle H. Kief NC/CNC Handbuch, Carl Hanser Verlag)
1808 Jacquard benutzt gelochte Blechkarten zur automatischen Steuerung von Webemaschinen
("Erfindung des austauschbaren Datentraegers")
1863 Das automatische Klavier "Pianola" wird patentiert. Ein ablaufendes Papierband mit
entsprechenden Lchern steuert Pressluft zur Bettigung der Tasten.
1946 Der erste Digitalrechner ENIAC wird der amerikanischen Armee bergeben.
1949 Am MIT wird ein System fr Werkzeugmaschinen entwickelt, "um die Position von Spindeln
durch den Ausgang einer Rechenmaschine direkt zu steuern" (inkl. Speicherung mittels
Lochkarten, automatischer Einlese, interner Errechnung von Zwischenwerten/Interpolation)
1957 Die U.S. Air Force installiert erste NC-Frsmaschinen.
1958 Die Programmiersprache APT (automatic programmed tool) wird vorgestellt.
1969 Erste DNC-Installationen (Maschinensteuerung aus der Distanz)
1979 Erste CAD/CAM-Kopplungen (halb-automatische Ableitung der Bahnen aus der Geometrie)
1984 CNC = Integration von Rechner und WZM erlaubt Programmierung in der Werkstatt.
NC-Programmierung
Der Satz- und Adressaufbau der zu bermittelnden numerischen Steuerungs-Informationen ist in der
Norm DIN 66025/ISO 6983 beschrieben. Es gibt herstellerabhngige Maschinenbefehle, jede
NC/CNC Maschine auf dem Markt kann jedoch heute Programme nach DIN 66025/ISO 6983 lesen
und ausfhren.
Im Folgenden werden die Basisfunktionen der standardisierten NC-Programmierung aufgefhrt:
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Tabelle 1. Beschreibung der Basisfunktionen bei der standardisierten Programmierung
N Satznummer
F Geschwindigkeit
G vorbereitende Funktion
S Spindelgeschwindigkeit
M Hilfsfunktion oder gemischte Funktion
T Wz Nummer
Q Wz Korrektur
# Speicherzelle
$ Aufruf von SLANG Unterprogrammen
X Abmessung der X Achse
Y Abmessung der Y Achse
Z Abmessung der Z Achse
W Abmessung der W Achse
A Abmessung der A Achse
C Abmessung der C Achse
B Abmessung der B Achse
U Abmessung der U Achse
V Abmessung der V Achse
I Abmessung des Zentrums auf XY
J Abmessung des Zentrums auf XZ
K Abmessung des Zentrums auf YZ
H Bezeichnung der Korrekturschalter
L in den Korrekturschalter einzufgender Wert
E Verweilzeit
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Tabelle 2. - Die Standard G-Funktionen
Funktion beim
Einschalten modal reset
selbst-
lschend Beschreibung
G00 X X X Positionierung, Punkt nach
Punkt mit erreichten Achsen
G01 X Linearinterpolation mit
erreichten Achsen
G02 X Kreisinterpolation nach rechts
G03 X Kreisinterpolation nach links
G04 X Verweilzeit
G17 X X X Wahl der Arbeitsebene XY
G18 X Wahl der Arbeitsebene XZ
G19 X Wahl der Arbeitsebene YZ
G20 X X X Rckstellung der
Drehbewegung
G21 X Angabe der Drehbewegung
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Tabelle 3. - Die Standard M-Funktionen
Funktion Beschreibung Anfangs-
funktion Endfunktion modal
selbst-
lschend
M00 programmiertes
STOP X X
M01 verfgbares STOP X X
M02
Ende des
Programms mit
Spindel STOP
X X
M03 Spindel dreht nach
rechts X X
M04 Spindel dreht nach
links X X
M05 Halt der
Spindeldrehung X X X
M06 Wz Wechsel X X
M07 Khlmittel
spray ON X X
M08 Khlmittel ON X X
M09 Khlmittel OFF X X
