Dieser Artikel stellt die grundlegenden Komponenten und Anwendungsbereiche der Hard- und Software des Siemens 840D CNC-Systems anhand konkreter Praxisbeispiele vor. 1. Einleitung In der modernen Fertigungsindustrie haben die Anforderungen an hohe Produktionseffizienz und Produktqualität zur Entwicklung hochpräziser CNC-Werkzeugmaschinen und leistungsstarker CNC-Systeme geführt. Diese Systeme vereinfachen viele Probleme, die mit herkömmlichen Werkzeugmaschinen und traditionellen Verfahren schwer zu lösen sind, und verbessern so die Produktionseffizienz und Produktqualität deutlich. Die Glasbohrmaschine unseres Unternehmens nutzt das Siemens SINUMERIK 840D System. Dank seiner hohen Produktpräzision und der extrem niedrigen Ausfallrate (vor allem durch die klare visuelle Alarmmeldung, die eine schnelle Fehlerbehebung ermöglicht) haben unsere Kunden das Vertrauen des Systems gewonnen. Die mechanische Struktur des SINUMERIK 840D Systems und seiner Antriebsaktuatoren wird im Folgenden beschrieben: 2. Aufbau der mechanischen Anlagenstruktur Diese Anlage dient zum Bohren von Glas. Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht die gesamte Maschine aus zwei parallelen Querträgern. Zwei Paare von Bohrspindeln sind auf festen, seitlich beweglichen Platten montiert und werden von vier Positioniermotoren angetrieben. Jede feste Platte ist über zwei Linearführungen, die ober- und unterhalb der Querträger angebracht sind, mit der festen Platte verbunden. Die seitliche Bewegung der Bohrspindeln wird durch Positioniermotoren M1, M2, M3 und M4 angetrieben, die über Zahnräder und Zahnstangen an den festen Platten befestigt sind und die Bohrspindeln in Y-Richtung bewegen. Jede Bohrspindel enthält zwei Motoren. Die Motoren, die dem Bohrer näher sind (M7, M9, M11, M13), treiben den Bohrer an. Der jeweils andere Motor an der Bohrspindel (M6, M8, M10, M12) wandelt die Drehbewegung des Motorrotors über eine Gewindespindel und eine Mutter im Inneren des Motors in eine axiale Hubbewegung um und führt so die Auf- und Abwärtsbewegung des Bohrers aus, d. h. die Bewegung entlang der Z-Achse. Beim Positionieren des Glases schiebt die Positioniervorrichtung in X-Richtung (nicht in der Abbildung dargestellt; ihre Richtung ist senkrecht zur Papierebene, ihre Bewegung wird vom Positioniermotor M5 in X-Richtung angetrieben) das Glas zunächst in die gewünschte Position. Jede Bohrspindel fährt in Y-Richtung in die korrekte Position, der untere Bohrer fährt aus und beginnt, die Unterseite des Glases zu bohren. Nach Erreichen der eingestellten Bohrtiefe fährt der untere Bohrer zurück. Anschließend fährt der obere Bohrer ab und bohrt die Oberseite des Glases. Auch er fährt nach Erreichen der eingestellten Bohrtiefe zurück. Diese Anlage kann zwei Bohrungen gleichzeitig durchführen. [align=center] Abbildung 1: Schema der mechanischen Struktur[/align] 3 SINUMERIK 840D CNC-System 3.1 Hardware-Komponenten Das SINUMERIK 840D verfügt über eine spezielle Drei-CPU-Struktur: eine Mensch-Maschine-Kommunikations-CPU (MMC-CPU), eine digitale Steuerungs-CPU (NC-CPU) und eine speicherprogrammierbare Steuerungs-CPU (SPS-CPU). Wie in Abbildung 2 dargestellt, befindet sich die MMC-CPU in der Mensch-Maschine-Schnittstelle OP012, während die NC-CPU und die PLC-CPU in der NCU572 integriert sind. [align=center]Abbildung 2. Zusammensetzung des 840D CNC-Systems[/align] 3.1.1 Die digitale Steuereinheit NCU basiert auf der NCU572, das Stromversorgungsmodul verwendet den SIMODRIVER 611D. Das Stromversorgungsmodul versorgt die NCU und den digitalen Antrieb 611D mit Strom und steuert sie, erzeugt die Busspannung und überwacht den Status der Stromversorgung und des Moduls. Drei Vorschubmodule sind über die Antriebsbusschnittstelle mit der NCU572 verbunden. Die Schnittstellensignale zwischen CNC und Antrieb sind digital und steuern jeweils die Positioniermotoren der Y-Achse (M1, M2, M3, M4) und den Positioniermotor der X-Achse (M5) von zwei Bohrerpaaren. Gleichzeitig ist die NCU572 über den PROFIBUS-Feldbus mit dem HMI OP012, der SPS S7-300 und dem Frequenzumrichter zur Steuerung der Motordrehzahl verbunden. 3.1.2 Mensch-Maschine-Kommunikation (MMC) Die Mensch-Maschine-Kommunikation dient dem Informationsaustausch zwischen dem CNC-System und dem Bediener. Sie umfasst das Bedienfeld (OP) und die MMC. (1) Bedienfeld OP012 Das Bedienfeld (OP) besteht aus einem 12,1″-TFT-Display und einer NC-Tastatur. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle OP012 nutzt Windows 95 als Betriebssystem und ermöglicht so eine einfache, flexible und intuitive Bedienung. Änderungen verschiedener Produktionsdaten und die Überwachung von Felddaten während des Produktionsprozesses werden auf dem OP012 übersichtlich dargestellt. Die Software ist umfangreich und leistungsstark. (2) MMC-Computer Der MMC ist ein eigenständiger Computer mit eigener CPU und optional Festplatte und Diskettenlaufwerk. Das Bedienfeld (OP) dient als Monitor für diesen Computer, auf dem auch die Siemens MMC-Steuerungssoftware installiert ist. 3.1.3 SPS-Modul Die SPS des CNC-Systems SINUMERIK 840D basiert auf der Siemens SIMATIC S7-300 Software und den zugehörigen Modulen und wird über ein Siemens SITOP Netzteil (40 A) versorgt. Das Schnittstellenmodul IM361 dient der Verbindung der verschiedenen Ebenen. Es ist über einen PROFIBUS-Feldbus mit der NCU572 verbunden. Rechts neben dem IM361 befinden sich die Signalmodule für die SPS-Ein- und -Ausgabe. Es gibt zwei Typen: das Eingangsmodul SM321 und das Ausgangsmodul SM322. Die SPS-CPU und die NC-CPU sind in der NCU integriert. Die Eingangssignale verschiedener Lichtschranken und Endschalter sowie die Ausgangssignale von Magnetventilen und Schützen der Anlage sind an die Eingangs- bzw. Ausgangsmodule angeschlossen, um den koordinierten Betrieb verschiedener externer Aktoren zu steuern. 3.1.4 Die NCU (Numerische Steuereinheit) ist das Herzstück der CNC-Steuerungskomponenten und mit der MMC (Multi-Module-Steuerung), dem Servo-Leistungsmodul, dem Vorschub-Servoantrieb und den Servomotoren verbunden. Dieses System verwendet ein vollständig geschlossenes Regelungssystem. Die Servomotoren sind vom Typ 1FK mit integrierten Encodern. Diese Encoder dienen der Positionserfassung und liefern Positionssignale an die X411-Positionsschnittstelle des digitalen Antriebsmoduls (611D). Dadurch wird ein vollständig geschlossenes Regelungssystem realisiert. Dies ermöglicht eine präzise Positionierung der Bohrlochposition im Glas. Um die Konzentrizität der oberen und unteren Bohrer (d. h. die Übereinstimmung ihrer Mittelpunkte) während des Bohrvorgangs zu gewährleisten, sind in Y-Richtung der vier Positioniermotoren vier Endschalter als Referenzpunkte für die vier Bohrachsen angeordnet. Nach dem Einschalten der Maschine muss für jede Bohrachse ein Referenzpunkt-Reset durchgeführt werden, d. h. den Encodern jeder Bohrachse werden Werte zugewiesen (anfangs sind die Encoderwerte beim Einschalten alle null; beim Referenzpunkt-Reset, wenn die Bohrachse die Position des Endschalters erreicht, nehmen die Encoderwerte die vom System voreingestellten Referenzpunktwerte an). Bei einer Positionsabweichung zwischen Ober- und Unterbohrkrone wird in der Systemsoftware ein Fehlerkompensationswert festgelegt. Durch Anpassen dieses Kompensationsbetrags lässt sich die Abweichung einfach korrigieren. 3.1.5 Weitere Hardwarekomponenten Wie bereits erwähnt, besteht jede Bohrspindel aus zwei Motoren: einem für die Bohrerdrehung und einem für den axialen Vorschub. Die vier Vorschubmotoren werden von vier SIEMENS MASTERDRIVE MC Frequenzumrichtern gesteuert (einer pro Bohrspindel). Die Steuersignale für die Frequenzumrichter stammen von der NCU572 und werden über den PROFIBUS-Feldbus übertragen. Die Drehzahl der vier Bohrspindelmotoren wird von einem SIEMENS MM440 Frequenzumrichter geregelt. Start und Stopp jedes Motors werden individuell durch einen eigenen Schütz (zwischen Frequenzumrichter und Motor) gesteuert. Die Steuersignale für den Frequenzumrichter stammen ebenfalls von der NCU572 und werden über den PROFIBUS-Feldbus übertragen. Sowohl die Vorschubgeschwindigkeit als auch die Drehzahl des Bohrers können im MMC entsprechend der Glasdicke und den Prozessbedingungen ausgewählt werden. Ein interner Encoder am Ende des Vorschubmotors misst die Bohrtiefe. Ein interner fotoelektrischer Schalter dient als Nullpunkt (Referenzpunkt) des Bohrers. 3.1.6 Die Verbindung zwischen CNC-System und PC ist wie folgt: Da SPS- und NC-CPU in der NCU572 integriert sind, kann der PC zur Programmänderung und -debuggung bei der Fehlersuche in SPS- und NC-Programmen mit der NCU572 verbunden werden. 3.2 Software Das SINUMERIK 840D Softwaresystem umfasst vier Hauptkategorien: MMC-Software, NC-Software, SPS-Software sowie Kommunikations- und Treiberschnittstellen. 3.2.1 MMC-Software Das MMC103-System verfügt über eine 10-GB-Festplatte mit BIOS, DR-DOS-Kernel-Betriebssystem, Windows 95-Betriebssystem und Treibern für serielle und parallele Schnittstellen sowie Maus und Tastatur. Es ermöglicht die Kommunikation und Aufgabenkoordination zwischen SINUMERIK und externen MMC-, SPS- und NC-CPUs. 3.2.2 NC-Softwaresystem Das NC-Softwaresystem umfasst Folgendes: (1) NCK CNC-Kern-Startsoftware. Diese Software ist fest im EPROM codiert. (2) NCK CNC-Kern-Digitalsteuerungssoftware. Diese umfasst Maschinendaten und ein Standardzyklus-Subsystem. Benutzer müssen die Bedeutung der Parameter jedes Zyklus verstehen, bevor sie diesen aufrufen können. (3) SINUMERIK 611D-Antriebsdaten. Diese beziehen sich auf die relevanten Parameter des digitalen Antriebssystems SIMODRIVE 611D, das das SINUMERIK 840D CNC-System unterstützt. 3.2.3 SPS-Softwaresystem Das SPS-Softwaresystem umfasst die SPS-Systemunterstützungssoftware und das SPS-Programm. (1) SPS-Systemunterstützungssoftware. Diese Software unterstützt den normalen Betrieb der im SINUMERIK 840D CNC-System installierten speicherprogrammierbaren Steuerung vom Typ CPU-315-2DP. Dieses Programm ist im NCU fest integriert. (2) SPS-Programm. Es besteht aus zwei Teilen: dem Basis-SPS-Programm und dem Benutzer-SPS-Programm. 3.2.4 Kommunikations- und Antriebsschnittstellensoftware: Diese Software dient hauptsächlich der Koordination der Kommunikation zwischen SPS-CPU, NC-CPU und MMC-CPU. 4 Fazit SINUMERIK: Die Siemens 840D, eingebettet in eine komplexe Systemplattform, ist durch Systemkonfiguration an verschiedene Steuerungstechnologien anpassbar. Zusammen mit dem digitalen Antriebssystem SINU-MERIK 611 und der speicherprogrammierbaren Steuerung SIMATIC S7 bildet die 840D ein volldigitales Steuerungssystem. Ihre Anwendungsbereiche reichen über Bohrmaschinen hinaus und umfassen Bearbeitungsmaschinen und Anlagensteuerungssysteme in verschiedenen Branchen. Das CNC-System Siemens 840D zählt zu den weltweit fortschrittlichsten Steuerungssystemen und wird von Anwendern aufgrund seiner kompakten Bauweise, leistungsstarken Funktionen, einfachen Programmierung, komfortablen Wartung und niedrigen Kosten geschätzt. Sein volldigitales System, die innovative Systemarchitektur, die hohe Steuerungsqualität, die höhere Systemauflösung und die kürzeren Abtastzeiten gewährleisten höchste Werkstückqualität und führen zu seiner weitverbreiteten Anwendung in CNC-Maschinen verschiedenster Branchen.