CMC-Steuerungen und Programmiersysteme
3D-Simulation von Fertigungsprozessen
bei interaktiver CNC-Programmierung
Die Simulation, konkret die 3D-Simulation, wird in Zukunft zu einem festen Bestandteil der CNC-Programrniersysteme. Zum einen muss die Fertigung der Produkte immer höheren Ansprüchen genügen und zum anderen gestalten sich die CNC-Fertigungsautomaten mit Mehrachsensystemen und Gegenspindel immer komplexer. Es kommt zu erheblichen Mehraufwändungen, um nunmehr sichere Fertigungsabläufe zu gewährleisten. Die tatsächlichen Konturen und die Verfahrwege der Werkzeuge müssen erfasst werden, so dass sich die CNC-Programmierung nicht ausschließlich am Werkstück orientiert. Es gilt das gesamte Umfeld des Fertigungsprozesses an der Maschine, d.h. Werkzeuge, Antriebe, Spannvorrichtungen bis hin zur Verkleidung bzw. Schutzeinrichtung, mit einzubeziehen. Hier bietet die integrierte 3D-Simulation eine effiziente Unterstützung, verdeutlicht am Beispiel von OPUS -Offenes-Produktions-Unterstützungs-System. Auf einer einfachen Maschine, einer 2-Achsen-Drehmaschine mit angetriebenem Werkzeug, ist beispielsweise für die Erstellung des CMC-Programms maximal nur 1 Stunde erforderlich. Doch es kommt durchaus vor, dass für Werkstücke mit komplexen Bearbeitungsschritten, z.B. komplizierten Fräsarbeiten, die auf einer Mehrachsen-Maschine mit Gegenspindel und allen erdenklichen Bearbeitungsprozessen gefertigt werden soll, ein halber bis ein ganzer Arbeitstag aufgewendet werden muss, bis das CMC-Programm steht. Dieser Mehraufwand lässt stich leicht erklären, denn die Kollisionsbetrachtung erfordert nicht nur eine fast fotorealistische Darstellung des gesamten Wirkungsfeldes einschließlich der Spannvorrichtungen, der Sicherheitszonen und insbesondere der zum Einsatz kommenden Werkzeuge.
Kollisionen mit Werkzeugen gilt es auszuschließen
Die tatsächlichen Konturen und Verfahrwege müssen erfasst werden, so dass die 3D-Simulation auch aussagefähig ist. Besonders hohe Aufmerksamkeit kommt hier den Werkzeugen mit ihren Konturen und ihrer maximalen Beweglichkeit zu. Man kann sich leicht vorstellen, welche fatalen Folgen eintreten, wenn z.B. ein versehentlich zu langes Werkzeug in das Futter oder gar in die Verkleidung der CNC-Maschine schwenkt. Vom Hersteller vorgegebene Einbaumaße für die Werkzeuge müssen zwingend berücksichtigt werden, so dass z.B. ein Werkzeug nicht vibriert und in Eigenschwingung gerät. Die Erfahrung hat gezeigt, je besser bzw. je präziser die Werkzeuge gezeichnet werden, um so problemloser ist der Ablauf vor Ort. Praktisch stellt heute jeder Werkzeughersteller eine CD über seine Werkzeuge den Anwendern zur Verfügung, bzw. der Anwender kann sich über das Internet auch sehr viele Werkzeugdaten herunterladen und sie in sein Programmiersystem importieren.
Senkung der Rüstzeiten steht im Vordergrund
Es ist den Anwendern sehr daran gelegen, die Rüstzeiten erheblich zu reduzieren, so dass ein höherer Durchsatz und eine optimale Maschinenauslastung erzielt werden kann.
Das bedeutet einerseits, dass durch die programmtechnische Aufbereitung des perfekte Einrichten an der Maschine weniger Zeit in Anspruch nimmt. Andererseits rnuss das Programmiersystem über eine entsprechende Simulationsfähigkeit verfügen, damit an den Fertigungszentren keine langen Optimierungs- bzw. Einfahrzeiten entstehen. Die Simulationsfähigkeit des interaktiven Programmiersystems muss sich u.a. darin auszeichnen, die Werkzeuge so realistisch wie möglich darzustellen.
Simulation
Die Simulationen können bereits während der interaktiven Erstellung des NC-Programms oder zu einem späteren Zeitpunkt über ein geladenes NC-Programm durchgeführt werden. Zumindest OPUS bietet diese Möglichkeit. Zur Visualisierung dieser Simulation kann zwischen der Bahndarstellung, dem Schicht-, Volumen-und Maschinenmodell sowie der Kollisionsbetrachtung gewählt werden. In der Bahndarstellung werden die Bewegungen der Maschine als Geraden und Kreise im Raum wiedergegeben. Bei dieser Simulationsart können Rohteil und beliebige Umgebungskörper mit dargestellt werden. Grundsätzlich können immer mehrere Darstellungsfenster parallel betrachtet werden. Beim Schichtmodcll erfolgt die Darstellung von Werkstück und Werkzeug mit gauraud-schattiertem Modell auf OpenGL-Basis. Hier wird der Eindruck des tatsächlichen Fertigungsablaufes vermittelt. Die Rohteilaktualisierung ist auf Flächen beschränkt, das bedeutet Fräsbearbeitung von einer Seite und alle Drehoperationen berechnen das entstehende Teil. Angetriebene Bearbeitungen beim Drehen und Fräsbearbeitungen von weiteren Seiten werden angezeigt. Die Rohteilaktualisierung findet im Volumenmodell statt. Hier können frei wählbare Werkzeugbewegungen im Raum mit beliebigen Werkzeugformen berechnet und dargestellt werden. Beim kinematisch ausgelegten Maschinenmodell wird der Aufbau der jeweiligen Maschine im Softwaresystem nachkonstruiert. Die Teile, die auf einer Achse fixiert sind, werden zusammengefasst und in der Simulation als Ganzes bewegt. Es werden bei dieser Simulation alle Werkzeuge und Maschinenkomponenten berücksichtigt. Als Ergänzung des .Maschinenmodells zur Volumensimulation bietet sich die Kollisionsbetrachtung an. Alle Elemente des aktuellen Modells, einschließlich Werkzeug und Werkstück, werden gegeneinander auf Kollision überwacht. Dies bringt zusätzlich Sicherheit zu einer rein optischen Kontrolle.
Problemlose Datenimporte und Administration im CNC-Programmiersystem
Moderne CNC-Programmiersysteme sollen die benötigten Werkzeuge verwalten können, so dass nicht eine zusätzliche Software weitere Schnittstellen ins Spiel bringt. So werden die spezifischen Daten über eine integrierte Datenbank auch für spätere Einsätze verfügbar. Verwaltet werden alle benötigten Daten wie Hersteller, Werkstoff, Einbaumaße, Schnittwerte, Besonderheiten usw. Weiterhin macht es Sinn, dass diese Programmiersysteme über die Fähigkeit der Anbindung zu anderen Datenbanken verfügen, so dass die jeweils erforderlichen Daten importiert werden können. Unterstützt werden sollten alle gängigen CAD-Formate wie DXF, DWG. l G ES. Generell bietet OPUS über die ODBC-Anbindung eine optimale Unterstützung des Datenimports, dies wird deutlich bei CAD-Importen alle gängigen Formate können problemlos eingebracht werden. Es lassen sich verschiedene Layers und auch nicht fertigungsgerechte Zeichnungen übernehmen. Denn oft werden nicht toleranzgerechte Zeichnungen geliefert, d.h. es steht am Maß zwar Passung H7, doch die Zeichnung wurde nicht toleranzmittig gezeichnet. Oder die Zeichnung besteht aus vielen verschiedenen Einzelkonturen, doch die Programmierung erfordert geschlossene Konturen und die Willigkeit der definierten Toleranzen. Das Programmiersystem zeigt derartige Zeichnungsschwächen bzw. macht sie deutlich und bietet dem Programmierer funktionale Möglichkeiten, diese Darstellungsmängel zu korrigieren.
Individuelle Programmgestaltung
In der Praxis wird die Unterstützung der "Eigenprogrammierung" als sehr vorteilhaft eingeschätzt, so hat der Anwender die Möglichkeit, mit oder ohne Einbeziehung eines Beraters seine CNC-Bearbeitungsschritte individuell und komfortabel auf seine Belange hin auszurichten. Die Bereitstellung der in OPUS integrierten SESAM-Sprache wird den diesbzgl. Anforderungen nach individueller Programmierung gerecht. Jegliche Art von Makros kann der Anwender selbst erstellen, so dass sich die CNC-Programmierung im Fall von sich wiederholenden Bearbeitungsschritten wesentlich einfacher gestalten lässt. Diese Makrotechnik kann aber auch für die Bereitstellung der an der Maschine benötigten Daten, wie Voreinstellungsdaten oder Sollmaße der Werkzeuge, genutzt werden. Ein weiterer Vorteil des Programmiersystems besteht in der Adaptionstahigkeit an die jeweilige Organisationsstruktur des Anwenders. Dieser wichtige Gesichtspunkt wurde - aufgrund der jahrelangen praktischen Erfahrung bei der Einführung derartiger Programmiersysteme in eine bestehende Infrastruktur bei der Konzeption des Systems berücksichtigt. Selten ist der Anwender bereit, seine Organisation in Frage zu stellen oder gar umzustellen.
Mit der Simulation zu höherem Durchsatz
Häufig folgern Entscheider und auch Fachleute, denen die CNC-Programmierung fremd ist, dass mit der Einführung der Simulationsmöglichkeit nunmehr die Programmierung besser und insbesondere schneller vonstatten gehe. Dies ist ein Trugschluss. Ganz im Gegenteil wird die eigentliche CNC-Programrnierung in gewisser Weise aufwändiger und damit keineswegs zwingend schneller. Indem CNC-Programme entweder sofort oder nur mit geringen Anpassungs- bzw. Optimerungsschritten an der Maschine zum Einsatz kommen, reduzieren sich in erster Linie die nicht mehr so aufwändigen Rüstzeiten. Beispiele aus der Praxis haben gezeigt, dass sich Rüstzeiten bei sehr komplexen Maschinen und komplizierten Werkstücken von dreißig auf drei Stunden und bei weniger hohen Anforderungen von drei auf eine Stunde deutlich senken lassen. Der gesamte interaktive Programmierungsprozess -Erstellung, Einstellung vor Ort, Test, Programmänderung und wieder erneute Einstellung vor Ort usw. - wird in aller Regel ebenfalls verkürzt, denn sobald die Simulation hundertprozentig zutrifft, entfällt eine zusätzliche Nachbearbeitung der CNC-Programme. Neben der Senkung der Rüstzeiten ergibt sich eine Steigerung der Produktivität bei gleichzeitig verbesserter Qualitätssicherung.