CAD/CAM-Kopplung: NC-Programmierung einer ...

Skript zum
Labor Maschinenkonstruktion
„CAD/CAM-Kopplung: NC-Programmierung
einer Wasserstrahlschneidanlage“
Sommersemester 2012

1. CAx-Prozessketten, Übersicht
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 für im Produktlebenszyklus nachgelagerte Aufgaben.
Vorteile:
3D Produktrepräsentation kann durchgängig in den Prozessketten genutzt werden.
Einmal erzeugte Daten können ständig weiterverarbeitet werden.
Ermöglicht 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
lösen:
Festkörperprobleme (Verformungs- und Spannungsberechnungen in der Statik, Dynamik und
Plastomechanik)
Numerische Strömungssimulation (Navier-Stokes-Gleichungen, Sickerströmungen)
Wärmeleitung, Temperaturverteilung
Elektromagnetik: Elektrostatik, Magnetostatik (Maxwell-Gleichungen)
Mehrkörpersimulationen zur Ermittlung von Spitzenkräften, 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 für die
schnelle Erstellung realer Prototypen gewonnen werden.
Transformation analytisch oder parametrisch beschriebener Produktgeometrie in eine hinreichend
angenäherte Geometriebeschreibung wie beispielsweise in Dreiecksflächen. Nutzung dieser Daten
können zur Herstellung realitätsnaher Prototypen (z. B. über das Stereolithographieverfahren).
Änderungen an den physikalischen Prototypen können durch Verfahren der Flächenrückführung
wieder in das CAD-Modell einfließen, 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) können durch Dokumentationen auf Basis der CAD-Modelle unterstützt
werden. Beispielsweise sind für den Zusammenbau Explosionsdarstellungen oder für
Bedienungsanleitungen fotorealistische Darstellungen aus dem CAD-Modell ableitbar. Zunehmende
Bedeutung gewinnt dabei das direkte, referenzierte Einbinden von CAD-Daten in Textdokumente.
Dies ermöglicht, das CAD-Modell im Kontext des Textdokuments zu laden und zu ändern.
CAD – Computer Aided Manufacturing (CAD-CAM):
Verwendung der Geometriebeschreibung eines Werkstücks, um ausgehend davon Daten für numerisch
gesteuerte Werkzeugmaschinen zu gewinnen.
In dieser Prozesskette sind mehrere Aktivitäten 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 Repräsentation der Produktgeometrie und der Produktstruktur aus dem CAD-System
an das DMU-System zu übertragen. DMU-Systeme basieren meist auf einer vereinfachten
Repräsentation der Geometrie (z. B. triangulierte Geometrie), so dass die Repräsentation
geometrischer Elemente des CAD-Systems (z. B. analytische, interpolierte oder approximierte
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Flächen) auf eine einfache, approximierte Flächenbeschreibung z. B. durch ebene Dreieckflächen
abgebildet wird. Neben der Geometrie ist die Produktstruktur zu übertragen.
CAD – Virtual Reality/Augmented Reality (CAD-VR/AR):
Steht (zukünftig) für die Repräsentation der Summe der Eigenschaften eines Produkts, wie sie zur
ganzheitlichen Analyse und Simulation des Produktverhaltens erforderlich sind. Hierzu zählt
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 Übertragung von CAD-Daten (Geometrie-Daten) in NC-Daten
(Fertigungsdaten). Letztendlich müssen die NC-Daten in einem für die Fräsmaschine verständlichen
Format vorliegen.
NC-
Planungsprozess
Postprocessing
CAD-System
Cutter Location
Data
„CL-Data“
Numerical Control
Data
„NC-Data“
Geometrie von
Werkstück- und
Rohteil
Verfahrwege der Werkzeuge in einer
Werkzeugmaschine, unabhängig von
der Werkzeugmaschinensteuerung
Verfahrwege der Werkzeuge in einer
Werkzeugmaschine, abhängig von
der Werkzeugmaschinensteuerung
Abbildung 1. - Basisschritte in der CAD-CAM Prozesskette
Die Definition der Werkzeugverfahrwege erfolgt in einem Zusatzmodul des CAD-Werkzeugs
basierend auf 3D-Modellen des Werkstücks im systemeigenen (native) Format. Darüber hinaus
werden im CAD-NC-Modul diese Daten mit Bearbeitungsparametern wie Werkzugdurchmesser,
Verfahrgeschwindigkeiten, etc. ergänzt. Der Postprozessor überführt danach diese
(Werkzeugpositionierungs/Cutter Location) Daten in ein von der Steuerung ausführbares NC-Format.
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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 Löchern steuert Pressluft zur Betätigung der Tasten.
1946 Der erste Digitalrechner ENIAC wird der amerikanischen Armee übergeben.
1949 Am MIT wird ein System für 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-Fräsmaschinen.
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 übermittelnden numerischen Steuerungs-Informationen ist in der
Norm DIN 66025/ISO 6983 beschrieben. Es gibt herstellerabhängige Maschinenbefehle, jede
NC/CNC Maschine auf dem Markt kann jedoch heute Programme nach DIN 66025/ISO 6983 lesen
und ausführen.
Im Folgenden werden die Basisfunktionen der standardisierten NC-Programmierung aufgeführt:
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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 einzufügender Wert
E Verweilzeit
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Tabelle 2. - Die Standard G-Funktionen
Funktion
beim
Einschalten
modal reset
G00 X X X
G01 X
selbstlöschend
Beschreibung
Positionierung, Punkt nach
Punkt mit erreichten Achsen
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
Rückstellung der
Drehbewegung
G21 X Angabe der Drehbewegung
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Tabelle 3. - Die Standard M-Funktionen
Funktion Beschreibung
M00
programmiertes
STOP
Anfangsfunktion
Endfunktion modal
selbstlöschend
X X
M01 verfügbares STOP X X
M02
M03
M04
M05
Ende des
Programms mit
Spindel STOP
Spindel dreht nach
rechts
Spindel dreht nach
links
Halt der
Spindeldrehung
X X
X X
X X
X X X
M06 Wz – Wechsel X X
M07
Kühlmittel
„spray ON“
X X
M08 Kühlmittel ON X X
M09 Kühlmittel OFF X X
M13 X X
M14 X X
M15 X X
M16 X
M17 X
M18 X
M19
Halt der Spindel
mit Schwenkung
M20 X
M21 X
M22 X
M23 X
M24 X
X X
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3. Arbeitsinhalt am Tag der Versuchsdurchführung:
Wir werden ein NC-Programm im CAD-Softwarewerkzeug „Pro Engineer Wildfire 4“ erstellen,
prüfen und auf einer physischen Anlage laufen lassen.
Hierzu wird zunächst ein einfaches 3D-Modell in die Arbeitsumgebung des CAD-Werkzeugs geladen.
Im nächsten Schritt werden die Cutter Location Daten nach Angaben von Randbedingungen des
Arbeitsvorgangs automatisch abgeleitet. Anschließend wird der Schneidevorgang in der digitalen
Umgebung zur Validierung vorgeführt. Der letzte Schritt umfasst die Überführung der
Werkzeugpositionierungsdaten in eine genormte, von der Steuerung der Anlage ausführbare
Arbeitsschrittkette.
3.1. Arbeitsanweisungen Creo Elements/Pro 5.0
Datei erzeugen
Datei Neu
Typ: Fertigung
Untertyp: NC-Baugruppe
Name festlegen (Nachname des/der Studierenden)
Haken von „Standardschablone verwenden“ wegnehmen
Standardschablone deaktivieren und „mmns_mfg_nc“ wählen
Haken von „Assoziierte Zeichnungen kopieren“ wegnehmen
Modell erzeugen und einbauen
Referenzmodell laden:
Modell „Maulschluessel“ auf eigenem Laufwerk „proe0x“ aussuchen und öffnen
Nur wenn die Koordinatensysteme (braune Referenzebenen) nicht angezeigt werden:
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Ansicht Darstellungseinstellungen Bezugsdarstellung alles anzeigen lassen/Haken dran
Zur eindeutigen Fixierung des Modells alle drei Ebenen des Werkstückmodells paarweise mit den
Referenzebenen des Fertigungsmodells anclicken (FRONT mit ASM_FRONT, RIGHT mit
ASM_RIGHT und TOP mit ASM_TOP; nur left-click, keine Strg oder Umschalt gedrückt halten)
Grünen Haken oben rechts zum Bestätigen anclicken
„Selbes Modell“ in der Dialog-Box anwählen
OK
Fertig/Zurück
Werkzeugmaschine definieren
Operation definieren:
In der Dialog-Box, die geöffnet wird:
oberer roter Pfeil: NC-Maschinen-Icon wählen:
als Maschinentyp „Drahterodieren“ wählen
Zuweisen Schließen
unterer roter Pfeil: Maschinennullpunkt wählen
Koordinatenmittelpunkt „NC_ASM_DEF_CSYS“ anwählen
Zuweisen Schließen
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NC-Folge festlegen
Konturschneiden:
Als Werkzeugdurchmesser 0.3 eintragen (Punkt statt Komma verwenden!)
Einheiten: Millimeter
Zuweisen OK
Als Vorschub 100 eintragen (mm/min)
OK
Ein Dialogfenster „Anpassen“ öffnet sich.
Einfügen: Autom Schnitt:
Drahterodopt Kante Fertig
Jetzt nur bestätigen, dass wir Einfädelpunkt, Schnittkante, Richtung und Nutversatz definieren wollen:
INT Schnitt MatSchnitt Schnitt entlang Fertig
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Einfädelpunkt:
INT Schnitt MatSchnitt DEFN Punkt Definieren
Ebene auswählen, auf der der Einfädelpunkt liegen soll (wir wählen die Kontur aus):
Einfädelpunkt außerhalb des Werkstücks erzeugen
INT Schnitt MatSchnitt DEFN Punkt Definieren Auswahl
Einfädelpunkt auswählen
INT Schnitt MatSchnitt DEFN Punkt Fertig
Schnittkante festlegen:
INT Schnitt MatSchnitt Kette Einzeln Auswahl
Kanten mit anwählen, OK
INT Schnitt MatSchnitt Kette Einzeln Fertig
Schnittrichtung bestätigen:
INT Schnitt MatSchnitt Richtung Umschalten/OK
Nutversatz außerhalb des Werkstücks definieren:
INT Schnitt MatSchnitt Nutversatz Keine/Links/Rechts Fertig
INT Schnitt Schnitt fertig
Im neuen Fenster „Schnitt folgen“, „Standard“ als Option übernehmen:
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Fenster „Schnitt folgen“ OK
Der Schnitt ist fertig:
Fenster „Anpassen“ OK
NC-Folge testen
Bearbeitung NC-Folge Weg testen
Weg testen Bildschirm
Ein Fenster „Weg testen“ wird geöffnet:
Play drücken
Datei Speichern als Folge.ncl OK
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Schließen
Bearbeitung NC-Folge Folge fertig
Bearbeitung Fertig/Zurück
PostProzess
CL-Daten Post-Prozess
Folge.ncl öffnen Fertig
CL-Daten PP-Liste UNXCX01.P02
Programmnummer eingeben und mit abschließen
CL-Daten Fertig/Zurück
*.tap ist der maschinenspezifische Datensatz
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3.2. Vorführung
Das generierte Programm wird dann auf eine Wasserstrahl-Schneideanlage vom Lehrstuhl KIMA
geladen und ausgeführt.
Anpassen des automatisch generierten Programms
Das automatisch generierte Programm kann in der Form von unserer Anlage nicht gelesen werden.
Einige Zeilen, die dem Standard nicht entsprechen, müssen gelöscht werden. Darüber hinaus toleriert
die Anlage keine Befehle, die eine Z-Koordinate enthalten. Alle Angaben von der Z-Koordinate
müssen auch manuell von der *.tap-Datei gelöscht werden.
Erfahrungsgemäß sind Ausgangspositionen und Voschubgeschwindigkeiten des Werkzeugs direkt an
der Anlage vor Ort am besten einzustellen. Daher wird bei der Vorführung ein Programm verwendet,
das auch in „ProEngineer Wildfire“ generiert worden ist, aber über die Zeit optimiert worden ist.
Die Wasserstrahlanlage
Die Wasserstrahlanlage kann Druck bis zu 6000 bar aufbauen und schneidet in einer Ebene (zwei
Koordinaten)
Zu Beginn des Versuchs muss die Anlage kalibriert werden (Werkzeugposition in die Mitte des
Koordinatensystems verfahren).
Das Werkstück wird positioniert und verspannt. Nach Hochfahren der Hochdruckpumpe kann auch
der Druck aufgebaut werden. Aus Sicherheitsgründen ist es nicht empfohlen, mit der Hand an das
Werkstück (unter dem Hochdruckventil) ranzukommen, wenn der Druck aufgebaut ist.
Das Werkzeug kann über dem Werkstück zunächst mit geschlossenem Hochdruckventil verfahren
werden. Mit Öffnen des Ventils erfolgt der tatsächliche Schneideprozess. Wegen der großen
Geräuschentwicklung bitte Ohrenstöpsel verwenden.
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