Aufeinander abgestimmt

von Dr.-Ing. Jochen Bretschneider Der Prozess der Teileherstellung umfasst zwei Welten: Die virtuelle Welt der Arbeitsplanung (die Konstruktionsumgebung) und die physische Welt des Produktionsbetriebs (sprich die Fertigung). Siemens verfügt auf beiden Gebieten über herausragende Fähigkeiten und hat jetzt mit seiner Software NX CAM die Verbindung zwischen diesen beiden Bereichen optimiert. Dadurch können Fertigungsbetriebe die Effizienz ihrer Produktion noch weiter steigern.

Heute bieten die virtuelle und die physische Welt eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen. So umfasst die virtuelle Welt beispielsweise die Konstruktionsabteilungen mit Computer-Aided Design (CAD) sowie die Arbeitsvorbereitung mit der NC-Programmierung (Numerical Control), der Prozessplanung, der Werkzeugkonstruktion und dem Betriebsmittel-Management. In der physischen Welt gibt es die Auftragsverwaltung mit Warenwirtschaftssystemen und Fertigungssystemen. Zur physischen Welt gehört auch die Fertigung mit den verschiedenen Produktionsmitteln, wie zum Beispiel Werkzeugmaschinen, DNC-Systeme (Direct Numerical Control) für die Verwaltung von NC-Programminformationen und Produktionsdaten-Managementsysteme zur Verwaltung der entsprechenden Werkzeugmaschinen. Üblicherweise sind diese beiden Welten in getrennte Abteilungen unterteilt, auf unterschiedliche Unternehmen verteilt oder innerhalb der Prozesskette nur lose miteinander verbunden. Um die virtuelle mit der physischen Welt enger zu verbinden, ist die Verbesserung der CAM/CNC-Verfahrenskette einer der Schlüsselprozesse bei der Teileproduktion. Denn eine enge Integration der Erstellung der NC-Programme in CAM und ihrer Verwendung an der CNC-Steuerung in der Werkstatt hat zahlreiche positive Effekte: erhöhte Qualität, sicherer und schneller Anlauf der Produktion, verbesserte Maschinenauslastung, standardisierte Produktionsmittel, optimierte Produktionsmethoden und die Einhaltung der Produktqualitätsziele. Jeder der hier erwähnten Punkte erhöht die Effizienz der Verfahrenskette.

Fähigkeiten der Steigerung werden besser ausgenutzt

Typische Fragen, die bei der Optimierung der CAM/CNC-Verfahrenskette immer wieder auftreten, sind: Steht ein optimierter Postprozessor für die Werkzeugmaschinen und CNC-Steuerungen in der Werkstatt zur Verfügung? Laufen die NC-Programme fehlerfrei? Können diese für die Fertigung freigegeben werden? Werden auch wirklich alle erweiterten Fähigkeiten der komplexen Bearbeitungszentren für Werkstattanwendungen verwendet? Kann die gewünschte Bearbeitungsqualität erreicht werden? Sind die Werkzeugmaschinen auch tatsächlich maximal ausgelastet?

Siemens führt nun die Funktionen und Abteilungen entlang der Verfahrenskette näher zusammen. Die folgenden drei Beispiele veranschaulichen, wie das Unternehmen durch die engere Verbindung zwischen virtueller Welt (in Form der Software NX CAM) und der physischen Welt (in Form der CNC-Steuerung Sinumerik) den Produktentstehungs- und Fertigungsprozess verbessert:

1. Volle Ausnutzung der erweiterten Fähigkeiten der CNC-Steuerung Sinumerik durch eine optimierte NX-CAM-Leistung. 2. Verbesserte Werkzeugwegverarbeitung im CAM durch Einbringung von NC-Wissen. 3. Validierung des Bearbeitungsprozess im CAM mit Hilfe einer steuerungsbasierten Simulation.

Steuerungszyklen werden ohne Umwege angesprochen

Zu 1.: Optimierte NX-CAM-Leistung für die Steuerung Sinumerik : Die Optimierung des CAM-Elements ist eine Maßnahme zur Verzahnung der CAM/CNC-Verfahrenskette. Sie stellt sicher, dass alle Möglichkeiten der CNC-Steuerung Sinumerik mit Hilfe der vom Softwaresystem NX CAM ausgegebenen Daten optimal genutzt werden. Dies ist in besonderem Maße relevant, wenn die CAM/CNC-Verfahrenskette eine Steuerung wie die Sinumerik mit ihren vielen leistungsstarken Funktionen anspricht. So erfolgt in NX CAM die direkte Ansprache von Steuerungszyklen wie Bohren, Schwenken oder High-Speed Cutting (HSC), die vor allem über das Sinumerik-HMI komfortabel editiert werden können. Die Optimierung der CAM/CNC-Verfahrenskette ist vor allem für höherwertige Bearbeitungen im Freiformflächenbereich oder 5-Achsbereich sinnvoll. Die CAM-Leistung für die Steuerung Sinumerik kann optimiert werden, indem man die optimalen Parameter für die Steuerung verwendet. Nachfolgend ein Beispiel: Im CAM-System sind bereits viele Informationen über die Bearbeitung bekannt und können genutzt werden, beispielsweise die geplanten Bearbeitungsschritte, das Teilematerial und das Werkzeug. Diese Informationen sind im NX-CAM-Bearbeitungsplan enthalten und dienen in der optimierten CAM-CNC-Kopplung dazu, die richtigen Hochgeschwindigkeitsparameter an der Sinumerik Steuerung zu setzen.

Optimal ausbalanciert

So können etwa für höherwertige Bearbeitungen über den Befehl „CYCLE832“ Toleranzbänder für die Bearbeitung definiert oder Funktionen wie Glättung(G64, G641, G642, G645), NC-Satz-Kompressor (COMCAD, COMCURV, COMPOF), Vorsteuerungsmechanismen (FFWON, FFWOFF) oder Ruckbegrenzung (SOFT, BRISK) abhängig vom Bearbeitungsschritt aktiviert oder deaktiviert werden. Auf die gleiche Weise ist es möglich, über die Software NX CAM optimierte Parameter für das Schruppen, die Schrupp-Schlicht-Bearbeitung oder das Schlichten an der Steuerung zu aktivieren. Dadurch werden die unterschiedlichen Anforderungen an die Genauigkeit, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Oberflächenqualität für jeden Bearbeitungsschritt optimal ausbalanciert. Die Vorteile liegen auf der Hand: Der Maschinenbediener in der Fertigung kennt die Steuerungszyklen und kann Einstellungen der Teileprogramme einfacher prüfen, indem er die Zyklenbefehle anstelle einer Unmenge systemnaher G-Code-Daten kontrolliert. Die Zyklenparameter können – falls notwendig – zudem leicht an der Steuerung vor Ort verändert werden. Die konsequente Nutzung höherwertiger Zyklen (wie CYCLE 832) macht sich in Euro und Cent bezahlt.

Zu 2.: Abstimmung der NX-CAM-Werkzeugwegverarbeitung auf die Steuerung: Eine optimierte Werkzeugwegverarbeitung in NX CAM verbessert die Produktqualität und die Leistung einer durch Sinumerik gesteuerten Werkzeugmaschine entscheidend. Dies war eine wichtige Motivation für die optimierte Erstellung von Bearbeitungsprogrammen in NX CAM.

Der CAM-Softwarelieferant Siemens weiß, wie die Sinumerik Steuerung und Werkzeugmaschine auf spezielle Datenkonfigurationen reagieren und kann deshalb bestens zur Entwicklung effektiver CAM-Software beitragen. In enger Zusammenarbeit erarbeiteten CAM-Softwareentwickler und CNC-Technologie-Teams bei Siemens eine Lösung, die den CAM-/CNC-Nutzern entscheidende Vorteile bietet.

Das NX-CAM-System kennt die notwendigen Werkzeugweggeometriedaten und kann so die Punktverteilung exakt auf die Bedürfnisse der CNC-Steuerung Sinumerik ausrichten. Wird jeder Werkzeugdurchgang einzeln berechnet, erhält man typischerweise eine nicht synchronisierte Punktewolke nebeneinanderliegender Werkzeugbahnen. Die Entwickler synchronisierten dagegen in NX CAM die Datenpunkte in benachbarten Bahnen miteinander und optimierten sie für die Bearbeitung auf der Steuerung. Dies verbessert nachweislich die Oberflächenqualität, wie verschiedenste Bearbeitungstests bereits zeigten. Auch die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht sich in aller Regel, weil die Geschwindigkeit jetzt gleichmäßiger zu kontrollieren ist und der Vorschub optimiert wird.

Simulation ist längst nicht immer gleich Simulation

Zu 3.: Validierung des Bearbeitungsprozesses in NX CAM mit integrierter, steuerungsbasierter Simulation: Werkzeugmaschinensimulation wird heute standardmäßig von den meisten CAM- oder Prüfsystemen auf die eine oder andere Weise angeboten. Doch Simulation ist hier nicht gleich Simulation. Viele Bearbeitungssimulationen, die auf dem Markt angeboten werden, basieren lediglich auf einer Darstellung des CAM-internen Werkzeugweges beziehungsweise der Simulationsbewegung des 3D-Werkzeugs und bestenfalls auch zusätzlich des Werkzeugmaschinenmodells. Außerdem werden ggf. noch der Postprozessorlauf durchgeführt und die Werkzeugwege des dadurch entstandenen NC-Programms interpretiert.

Diese Simulationslösung kann typischerweise den Bearbeitungsprozess nur interpretieren, das heißt, sie kann nur zeigen, wie die Werkzeugmaschinensteuerung auf die vom CAM-System generierten Werkzeugwege reagieren sollte. Oft basiert die daraus resultierende 3D-Simulationsbewegung auf einer generischen Interpretation des Werkzeugwegs. Zur besseren Unterstützung des Anwenders und zur Erhöhung der Prozesssicherheit basiert dagegen der Simulationsprozess in NX CAM auf der Virtuellen Sinumerik-Steuerung (Virtueller NC-Kern, VNCK). Nur so kann exakt simuliert werden, wie und in welcher Zeitfolge die Steuerung den Werkzeugweg interpretiert und wie sich die Werkzeugmaschine dabei genau bewegt.

Im NX-CAM-System kann so eine hundertprozentige Simulation des Teileprogramms erfolgen. Mit den exakten Zeitvorgaben eines VNCK können auch komplexe Werkzeugmaschinenbewegungen richtig und zuverlässig dargestellt werden. Spezielle Steuerungsbefehle (wie zum Beispiel Zyklen) werden korrekt simuliert. Überraschungen in der Fertigung, wie übermäßige Ausgleichsbewegungen bei 5-Achsmaschinen in Polnähe oder ein kollisionsgefährdeter Rückzug des Werkzeugs, können so in der Arbeitsvorbereitung sicher überprüft werden. Zudem kann die Arbeitsvorbereitung auf eine zuverlässige Vorhersage der Bearbeitungszeit zurückgreifen, die eine optimale Einlastung von Fertigungsaufträgen erlaubt. Der Virtuelle NC-Kern kann mit Hilfe des NC-Archivfiles mit den Einstelldaten individuell und exakt an die Realität der jeweils betrachteten Werkzeugmaschine angepasst werden.

Zusammenfassung: Da die Prozesse im Engineering und in der Produktion komplex und vielschichtig sind, sind neue Ansätze absolut erforderlich. Der Steuerungshersteller Siemens hat dies erkannt und in der CAM/CNC-Verfahrens-kette umgesetzt. So wird bereits im Prozess des Product Lifecycle Management (PLM) berücksichtigt, auf welcher Maschine und auf welcher Steuerung ein Teil gefertigt wird. Dazu ist es sehr wichtig, dass die Informationen auf beiden Seiten des Produktentstehungsprozesses, also in der Arbeitsvorbereitung und in der Fertigung, zur Verfügung stehen. So ist es zum Beispiel bei simultaner 5-Achsbearbeitung wesentlich, dass die Prozesse durchgängig und aufeinander abgestimmt sind, um die gesetzten Ziele erreichen.W

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