Durch die Erläuterung der Unterschiede und Zusammenhänge zwischen „automatischer“ und „manueller“ Programmierung in der CNC-Bearbeitung erlangen Programmierer ein grundlegendes Verständnis für die Erstellung von CNC-Bearbeitungsprogrammen und erlernen die notwendigen Programmierkenntnisse. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Verbesserung von Bearbeitungsmethoden finden moderne CNC-Werkzeugmaschinen zunehmend Anwendung in der Produktion. CNC-Werkzeugmaschinen bieten zahlreiche Vorteile: (1) Sie ermöglichen die Bearbeitung komplex geformter Teile, die mit herkömmlichen Werkzeugmaschinen schwer oder gar nicht zu bearbeiten sind. (2) Sie verbessern die Bearbeitungsgenauigkeit und stabilisieren die Produktqualität. (3) Sie benötigen kaum Spezialwerkzeuge und Messgeräte, was die Produktivität steigert. (4) Sie ermöglichen den Mehrfacheinsatz einer Maschine und erhöhen so die Wirtschaftlichkeit. (5) Sie reduzieren die körperliche Belastung der Mitarbeiter erheblich. Aufgrund dieser Vorteile werden CNC-Werkzeugmaschinen vorwiegend in folgenden Bereichen eingesetzt: (1) Einzel- und Kleinserienfertigung; (2) Bearbeitung von Teilen mit komplexen Formen und hohen Präzisionsanforderungen; (3) Bearbeitung von Produkten mit häufigen Änderungen und kurzen Produktionszyklen. Die in unserem Werk gefertigten Teile sind allesamt Kleinserien mit hoher Präzision. Aufgrund der Besonderheiten dieses Produktionsprozesses müssen viele Teile mit CNC-Werkzeugmaschinen bearbeitet werden. Daher haben wir im Zuge der technischen Modernisierung unserer Fertigungslinie vier ausländische CNC-Maschinen angeschafft: eine CNC-Drehmaschine CTXS00, CNC-Fräsmaschinen FPSCC/T und FP4CC sowie eine CNC-Stanzpresse M2125. Die CNC-Drehmaschine CTX500, die CNC-Fräsmaschinen FPSCC/T und FP4CC verfügen jedoch nicht über eine automatische Programmiersoftware; die Bearbeitungsprogramme werden daher von unseren Verfahrenstechnikern manuell in C-Code erstellt. Durch jahrelange Erfahrung und Anwendung haben wir zahlreiche Schritte und Techniken für die manuelle Programmierung zusammengestellt. Die sogenannte „CNC-Werkzeugmaschinenprogrammierung“ umfasst den gesamten Prozess von der Analyse der Teilezeichnungen über die Programmprüfung bis hin zur Prototypenbearbeitung. Es gibt zwei Methoden der CNC-Werkzeugmaschinenprogrammierung: die manuelle und die automatische Programmierung. 1. Programmiermethoden für CNC-Werkzeugmaschinen 1.1 Manuelle Programmierung Manuelle Programmierung bezeichnet den Prozess der Erstellung eines Bearbeitungsprogramms für ein Werkstück. Von der Analyse der Werkstückzeichnung und der Prozessabwicklung über die numerische Berechnung und das Schreiben des Programmblatts bis hin zur Programmprüfung – alles erfolgt manuell. Dies wird als „manuelle Programmierung“ bezeichnet. 1.2 Automatische Programmierung Bei der automatischen Programmierung erstellt ein Computer CNC-Werkzeugmaschinenprogramme. Das heißt, der Computer führt automatisch numerische Berechnungen durch, um das Bearbeitungsprogramm für das Werkstück zu erstellen. Bei der „automatischen Programmierung“ wird der Großteil oder die gesamte Programmierarbeit vom Computer erledigt. Für die Punkt-zu-Punkt-Bearbeitung oder Werkstücke mit relativ einfacher Geometrie sind die Programmberechnungen einfacher und es gibt nur wenige Programmabschnitte. Manuelle Programmierung ist in diesem Fall praktikabel. Bei komplexen Werkstücken, deren Konturen nicht aus einfachen geraden Linien und Bögen bestehen, insbesondere bei räumlich gekrümmten Oberflächen, sowie bei Werkstücken mit großem Programmumfang, komplexen Berechnungen und hohen Fehlerraten, ist die manuelle Programmierung jedoch schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Um Produktionszyklen zu verkürzen, die Produktionseffizienz zu steigern, Fehlerraten zu reduzieren und diverse Probleme bei der Bearbeitung komplexer Werkstücke zu lösen, müssen daher Methoden der „automatischen Programmierung“ eingesetzt werden. Mit der rasanten Entwicklung der Mikrocomputertechnologie und der ständigen Verbesserung verschiedener Softwareprogramme hat die automatische Programmierung weitere Fortschritte erzielt. CAM-Software kommt zum Einsatz, in die Verfahrenstechniker Grafiken (3D-Modellierung) oder direkt CAD-konstruierte Teile per Datenübertragung in die Programmiersoftware einlesen. Anschließend legen sie die Schneidwerkzeuge, Werkzeugwege und die entsprechenden Schnittparameter fest. Der Computer generiert automatisch das CNC-Programm, das zur 3D-Verifizierung auf einem Mikrocomputer simuliert und angezeigt werden kann. Abschließend wird das Programm über eine Schnittstelle an die CNC-Werkzeugmaschine übertragen. 2. Manuelle Programmierung Aufgrund der erheblichen Investitionen in Programmiersoftware und die entsprechenden Mikrocomputer sowie des hohen technischen Anspruchs und der damit verbundenen Komplexität ist die Verbreitung der automatischen Programmierung begrenzt. Daher wird nach wie vor häufiger die manuelle Programmierung eingesetzt. Diese erfordert die Einhaltung der spezifischen Schritte des CNC-Werkzeugmaschinen-Programmierprozesses. Die Schritte und Anforderungen sind nachfolgend zusammengefasst: 2.1 Analyse von Teilezeichnungen und Bearbeitung Dies ist eine grundlegende Kompetenz für Verfahrenstechniker. Anhand der Konstruktionszeichnungen müssen die Teilezeichnungen einer Prozessanalyse unterzogen werden. Dabei sind Bearbeitungsinhalte und -anforderungen zu klären, das Bearbeitungsschema festzulegen, Spannbezugspunkte und Spannvorrichtungen auszuwählen, einen geeigneten Werkzeugweg zu bestimmen und die passenden Schnittparameter festzulegen. Bei der CNC-Werkzeugmaschinenprogrammierung sind die Teilepositionierung und -spannung von entscheidender Bedeutung. Der Fokus sollte auf der schnellen Durchführung des Positionierungs- und Spannvorgangs, der Minimierung von Hilfszeiten und der optimalen Abstimmung der Abmessungen des Werkstück- und Werkzeugmaschinenkoordinatensystems liegen. Nach dem Spannen ist die Wahl des korrekten Werkzeugpositionierungspunktes ein kritischer Schritt. Der Werkzeugpositionierungspunkt bezeichnet den Startpunkt der Werkzeugbewegung relativ zum Werkstück während der CNC-Bearbeitung und ist gleichzeitig der Startpunkt des Programms, auch Programmursprung genannt. Die Prinzipien für die Wahl des Werkzeugpositionierungspunktes sind: ① Der gewählte Werkzeugpositionierungspunkt sollte die Programmerstellung vereinfachen; ② Um die Bearbeitungsgenauigkeit des Teils zu verbessern, sollte der Werkzeugpositionierungspunkt möglichst auf dem Konstruktions- oder Prozessbezugspunkt des Teils liegen; ③ Der Werkzeugpositionierungspunkt sollte so gewählt werden, dass er während der Bearbeitung leicht auszurichten und zu überprüfen ist. ④ Die Position, die Bearbeitungsfehler minimiert. Nach der Wahl des Werkzeugaufstellpunkts ist ein geeignetes Werkzeug auszuwählen. Die Wahl des richtigen Werkzeugs richtet sich nach dem Werkstoff des Werkstücks, dem Bearbeitungsprozess und den relevanten Bearbeitungsfaktoren. Dabei sind hohe Steifigkeit, Präzision und lange Standzeit anzustreben. Anschließend wird ein sinnvoller Werkzeugweg festgelegt. Die wichtigsten Kriterien für die Werkzeugwegwahl in der CNC-Programmierung sind: ① Minimierung der Werkzeugweglänge zur Reduzierung von Leerlaufzeiten und Steigerung der Produktionseffizienz; ② Sicherstellung der geforderten Präzision und Oberflächenrauheit der bearbeiteten Teile; ③ Vereinfachung der numerischen Berechnungen, Reduzierung der Programmsegmente und des Programmieraufwands; ④ Minimierung von Werkzeugwechseln durch Durchführung der Bearbeitungsprozesse mit einem einzigen Werkzeug. Nach der Auswahl des Werkzeugwegs können die Schnittparameter anhand des Werkstückwerkstoffs, der Bearbeitungserfahrung, der CNC-Bearbeitungsinhalte und -prozesse sowie des gewählten Werkzeugwegs bestimmt und bei der Programmkompilierung in die Werkzeugparametertabelle eingetragen werden. 2.2 Datenverarbeitung Nach der Analyse der Teilezeichnung und des Bearbeitungsprozesses kann die Werkzeugbahn anhand der Teilegeometrie und des Bearbeitungspfads berechnet werden, um die Werkzeugpositionsdaten zu erhalten. Bei manuell programmierten, ebenen Teilen aus Kreisbögen und Geraden besteht die Hauptberechnung in der Bestimmung der Koordinaten der Schnittpunkte oder Tangenten benachbarter geometrischer Elemente der Teilekontur. Dadurch werden die Start- und Endpunkte der geometrischen Elemente sowie die Mittelpunktkoordinaten der Kreisbögen ermittelt. 2.3 Erstellung von Bearbeitungsprogrammen Nach Abschluss der Prozessanalyse und Datenberechnung können Programmierer mithilfe der bekannten CNC-Systemprogrammierbefehle das Bearbeitungsprogramm schrittweise gemäß dem vorgegebenen Programmformat erstellen. Dieser Schritt der Bearbeitungsprogrammierung erfolgt derzeit auf einem Mikrocomputer. Zunächst führt der Programmierer die Prozessanalyse und Datenberechnung manuell durch, gibt dann das Bearbeitungsprogramm in den Mikrocomputer ein, testet, simuliert, verifiziert und modifiziert es anschließend auf dem Mikrocomputer. Schließlich wird das optimierte Bearbeitungsprogramm direkt vom Mikrocomputer in die CNC-Werkzeugmaschine eingespielt, wodurch der Zwischenschritt der manuellen Eingabe in die Werkzeugmaschine entfällt. Daher stellt diese Methode eine Zwischenstufe zwischen manueller und automatischer Programmierung dar. Sie vereint die manuelle Prozessanalyse und Datenberechnung mit der automatischen Simulationsdarstellung und Programmübertragung der automatischen Programmierung. Sie ist zwar nicht so umfassend wie die automatische Programmierung, bietet aber Komfort, Geschwindigkeit und Genauigkeit für die manuelle Programmierung. 3. Erkenntnisse Basierend auf dem oben beschriebenen CNC-Werkzeugmaschinen-Programmierprozess und seinen spezifischen Schritten müssen Programmierer für die Erstellung präziser, sinnvoller und optimierter CNC-Programme über fundiertes Fachwissen, ein agiles geometrisches Denkvermögen und umfassende CNC-Werkzeugmaschinenkenntnisse verfügen. Von diesen drei Aspekten erfordert lediglich die umfassende CNC-Werkzeugmaschinenkenntnis eine spezielle Ausbildung; die anderen erfordern langjährige Erfahrung und kontinuierliches Lernen. Aus jahrelanger praktischer Bearbeitungs- und Produktionserfahrung haben wir folgende Erkenntnisse gewonnen: (1) Bei kleinen Stückzahlen, da der Fokus auf der Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenrauheit liegt, sollte die Prozessanalyse darauf abzielen, eine umfassende Bearbeitung in einer einzigen Aufspannung zu erreichen und sicherzustellen, dass der Programmnullpunkt mit dem Konstruktionsbezugspunkt der Zeichnung übereinstimmt. Dadurch werden die Genauigkeitsanforderungen an die Teilebearbeitung gewährleistet. Die Optimierung des Werkzeugwegs und die Verbesserung der Produktionseffizienz können als sekundäre Aspekte betrachtet werden. (2) Aufgrund der Weiterentwicklung von Werkzeugmaschinensteuerungen werden einfache grafische Elemente wie Quadrate, Kreise, Geraden oder kreisförmig angeordnete Löcher nun mithilfe spezieller C-Codes realisiert. Um Fehler durch übermäßige mathematische Berechnungen zu vermeiden, wird die genaue Werkzeugposition bei der Bearbeitung dieser einfachen grafischen Elemente nicht berechnet, sondern lediglich die Endanforderungen vorgegeben. Die Berechnung und Bearbeitung übernimmt dann die Steuerung. Die Verwendung dieser G-Code-Befehle und ihrer Parameter erfordert jedoch gewisse Kenntnisse und muss beherrscht werden. (3) Wenn benachbarte geometrische Figuren eines Werkstücks tangential oder schneidend sind und diese Tangential- oder Schnittpunkte keine Abmessungen oder Koordinaten besitzen, muss lediglich geprüft werden, ob die geometrischen Elemente mit den gegebenen Abmessungen einen eindeutigen Tangential- oder Schnittpunkt bilden. Ist dies der Fall, wird bei der Programmierung keine mathematische Berechnung durchgeführt, sondern die Berechnung der Steuerung überlassen. (4) Die Bearbeitung mit CNC-Werkzeugmaschinen ist im Allgemeinen ein Schlichtprozess. Daher müssen die verwendeten Rohlinge hinsichtlich Ebenheit, Rechtwinkligkeit und Parallelität hoch sein. Um die Konsistenz des Bearbeitungsbezugs zu gewährleisten, sollte dieser nach dem Einspannen von der CNC-Werkzeugmaschine erneut bearbeitet werden. [align=center]Abbildung 1: Zeichnung des Bearbeitungsteils[/align] 4 Programmierbeispiel Nachfolgend finden Sie ein relativ komplexes und typisches Beispiel für die Bearbeitung eines Teils auf einer CNC-Fräsmaschine (Abbildung 1). Wir analysieren es anhand des Programmierprozesses der CNC-Werkzeugmaschine wie folgt: 4.1 Einspannmethode: Da das Teil eine relativ regelmäßige Form aufweist, wird zur einfacheren Einspannung ein Flachschraubstock verwendet. 4.2 Werkzeugposition (Programmursprung): Entspricht dem Konstruktionsbezug und dem Prozessbezug. 4.3 Werkzeugauswahl: Es wird ein Kettennutfräser ausgewählt. 4.4 Werkzeugweg: Es werden die speziellen Funktionen zum Fräsen von Nuten und Bohren von Löchern in der HAPPY-Software verwendet. Zuerst wird die Nut gefräst, dann die umgebenden Stufen und schließlich die Löcher gebohrt. 4.5 Programmiermerkmale Der Programmierursprung stimmt mit dem Konstruktions- und Prozessbezugspunkt überein. Dadurch wird der Werkzeugweg minimiert, der Werkzeugverbrauch reduziert, weniger Spannvorgänge sind erforderlich, das Spannen ist komfortabel und einfach zu messen, und die Bearbeitungsgenauigkeit ist vollständig gewährleistet. Dies reduziert die Arbeitsbelastung der Mitarbeiter und steigert die Produktivität.