Anfang der 1990er-Jahre hielten CNC-Systeme Einzug in die PC-basierte Ära. Unter den PC-basierten CNC-Systemen bot das Betriebssystem Windows CE die höchste Echtzeitleistung. CE ist ein hartes Echtzeitbetriebssystem mit hoher Zuverlässigkeit, und die meisten fortschrittlichen CNC-Systeme im Ausland, wie beispielsweise der FANUC 310 und der Mitsubishi 720, basieren auf CE. Bekanntermaßen ist das am weitesten verbreitete Windows-Desktop-Betriebssystem ein Multithread-, präemptives und Multitasking-fähiges 32-Bit-Betriebssystem mit vergleichsweise geringer Echtzeitleistung. Die Echtzeitsteuerung ist für CNC-Systeme entscheidend, da sie die Bearbeitungsgeschwindigkeit und -genauigkeit von CNC-Werkzeugmaschinen bestimmt. Daher nutzten einige CNC-Systeme das primitive DOS-Betriebssystem als Softwareplattform, das die allgemeinen Echtzeitanforderungen erfüllen konnte. Das 16-Bit-Single-Tasking-DOS-Betriebssystem, das im Echtzeitmodus lief, nutzte jedoch die Vorteile eines 32-Bit-PCs nicht voll aus. Die Anwendungsprogramme waren auf 640 KB Speicher beschränkt und konnten die Hardware nicht direkt ansteuern, was die Systemzuverlässigkeit erschwerte. Das Echtzeitbetriebssystem Windows CE.NET ist ein striktes Echtzeitsystem, das heißt, es funktioniert nicht, wenn seine Zeitvorgaben nicht erfüllt werden. Dieser Artikel stellt das Dalan M720i vor, ein leistungsstarkes Embedded-CNC-System auf Basis von Windows CE.NET mit einem Kernel eines japanischen CNC-Systems und voller Kompatibilität mit FANUC-Bedienelementen. Es ist vielseitig einsetzbar in CNC-Werkzeugmaschinen, Bearbeitungszentren und speziellen Anwendungen. Das CNC-System der M720-Serie ist ein Hochleistungs-CNC-System, das nach Industriestandards mit Embedded-Technologie gefertigt wird. Es nutzt das Betriebssystem Windows CE.NET 4.2 und integriert FANUC-Technologie. Dadurch bietet es dem Anwender eine benutzerfreundliche, Windows-basierte Mensch-Maschine-Schnittstelle und unterstützt serielle Schnittstellen bis hin zu komplexen Kommunikationsnetzwerken. Abbildung 1 zeigt den externen Aufbau des CNC-Systems der M720-Serie. Die Hauptsteuerung ist ein industrieller Embedded-Host, der das Betriebssystem Windows CE.NET 4.2 abbildet. Das System kann über den Standard-PC104-Steckplatz und den PC104-Bus auf dem Motherboard mit notwendigen Systemkomponenten wie Achsensteuerkarten, digitalen oder analogen Ein-/Ausgabeschnittstellen (E/A) und Kommunikationsnetzwerkkarten verbunden werden. Das M720-System wird über einen PC104-Bus mit einer Steuerkarte konfiguriert, die vier analoge (oder Puls-)Achsen und eine Spindel, 32 digitale Eingänge und 32 digitale Ausgänge sowie zwei analoge Ausgangskanäle steuern kann. Die Steuerung lässt sich durch Mehrachsen-Erweiterungskarten oder E/A-Erweiterungsmodule um weitere Achsen und E/A erweitern. Das Betriebssystem der M720-Serie verfügt außerdem über eine Ethernet-Karte (TCP/IP-Protokoll), drei serielle Kommunikationsschnittstellen (eine davon als RS-485-Schnittstelle konfigurierbar), eine CAN-Schnittstelle und eine USB-Schnittstelle für flexible Netzwerksteuerung. Es kann auch an eine TFT-(CRT-)Anzeigekarte angeschlossen werden. Das System verwendet ein 8,4 Zoll großes, hochhelles und ultradünnes Mitsubishi 500 LCD-Display mit Membrantasten und eignet sich daher besonders für industrielle Anwendungen. Die visuelle Benutzeroberfläche ermöglicht die professionelle und komfortable Überwachung und Bedienung verschiedener Funktionen, darunter: Bearbeitungsprozesskurven und Informationen zu bearbeiteten Teilen; benutzerdefinierte SPS-Programme; Online-Überwachung von SPS- und CNC-Signalen; und Online-Programmänderungen. Sie ermöglicht die Beobachtung wichtiger Betriebsinformationen wie Maschinen- und Programmkoordinaten während der Bearbeitung und verfügt über Diagnosefunktionen für verschiedene Signale. Abbildung 2 zeigt das NC-Bedienfeld, mit dem System und Programm gestartet und gestoppt werden können. Es kann auch zur manuellen Steuerung des Bearbeitungsobjekts (z. B. einer Werkzeugmaschine) verwendet werden, z. B. für den manuellen Vorschub der X-, Y- und Z-Achse; die Spindelsteuerung (Vorwärts/Rückwärts); die Steuerung des Schmier- und Kühlsystems usw., was die Fehlersuche an der Werkzeugmaschine erleichtert. Windows CE. Der .NET 4.2-Echtzeitkernel ermöglicht dem CNC-System die Ausführung von Echtzeitaufgaben in festen Zeitintervallen. Während der Ausführung von Echtzeitaufgaben sind andere, nicht-Echtzeitaufgaben deaktiviert, und das System kann direkt auf relevante Hardware-Ressourcen zugreifen. Die CNC-Software des Systems umfasst alle Funktionen zur Bewegungssteuerung, wie das Kompilieren und Interpretieren von benutzerdefinierten NC-Programmen; Interpolationsberechnungen von Bewegungstrajektorien; Regelung der Achsenposition; und Kommunikation mit der Software-SPS und externen Geräten. Die integrierte Hochgeschwindigkeits-Software-SPS des M720 entspricht dem Standard IEC-1131-3. Anwender können mit verschiedenen SPS-Sprachen programmieren, darunter Kontaktpläne, Funktionsbausteine, Anweisungslisten, Ablaufdiagramme und strukturierter Text, um komplexe Werkzeugmaschinensteuerungen zu realisieren. Das System umfasst außerdem einen integrierten Werkzeugmaschinenparameter-Editor und einen Logikanalysator (ein sehr nützliches Debugging-Werkzeug), was die Installation, das Debugging und die Wartung des Werkzeugmaschinensteuerungssystems erheblich vereinfacht. Die „Adaptive Vorlesefunktion“ des M720 kann Hunderte von NC-Programmsegmenten in Echtzeit vorverarbeiten und die Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung automatisch an die entsprechende Vorschubgeschwindigkeit anpassen. Die Geschwindigkeitsverlaufskurve der adaptiven Vorlesefunktion ist in Abbildung 4 dargestellt. Die horizontale Achse repräsentiert das NC-Programmsegment und die vertikale Achse F die Ausführungsgeschwindigkeit. Die graue Kurve zeigt den Fall ohne Vorlesefunktion; in diesem Fall müssen Beschleunigungs- und Verzögerungsoperationen für jedes Programmsegment durchgeführt werden. Die schwarze Kurve repräsentiert G5.1, bei dem die Geschwindigkeit kontinuierlich variiert wird. Dies steigert nicht nur die Effizienz der Werkzeugmaschine, sondern verbessert auch die Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks. Die Krümmungsoptimierungsfunktion des Systems erzielt optimale Ergebnisse bei der Bearbeitung einer großen Anzahl kontinuierlicher Mikrosegmente und gewährleistet so Geschwindigkeit, Kontinuität und Laufruhe des Bearbeitungsprozesses. Gleichzeitig ermöglicht der schnelle Windows CE .NET 4.2 Echtzeitkernel die Ausführung verschiedener Echtzeitoperationen und erfüllt somit die Geschwindigkeitsanforderungen. Das System nutzt die adaptive Anpassungstechnologie, um Servoverzögerungen zu eliminieren und Resonanzstörungen durch Geschwindigkeitsänderungen in Echtzeit zu unterdrücken. Es wählt automatisch die optimalen Parameter für jede Achse und kompensiert diese während des Betriebs. Präzise Stoppinterpolation und Eckenglättung verhindern effektiv Überbearbeitungen an Ecken und erzielen so eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit. Die benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle ermöglicht die Auswahl von fünf verschiedenen Betriebsmodi über Funktionstasten. Die menügesteuerte Bedienung ist einfach und leicht zu erlernen. Die Benutzeroberfläche ähnelt der von FANUC und ist vollständig mit FANUC-Systemen kompatibel. Das CNC-System ist direkt mit einer universellen Netzwerkschnittstelle ausgestattet und bietet dadurch leistungsstarke Netzwerkkommunikationsfunktionen. Dies ermöglicht die einfache Fernüberwachung und -steuerung sowie die dezentrale Netzwerkbearbeitung und somit ein modernes Management. Basierend auf der Windows CE .NET 4.2 Echtzeit-Kernel-Plattform zeichnet sich das M720 CNC-System durch Flexibilität, Offenheit und kontinuierliche Erweiterbarkeit aus. Durch einfache Systemparameter- und Funktionseinstellungen lassen sich diverse fortschrittliche Steuerungstechnologien implementieren, um den Anforderungen komplexer Bearbeitungen und nahezu aller Anwendungen gerecht zu werden. Dazu gehören beispielsweise verschiedene Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisions-Dreh-, Fräs-, Gravier-, Schleif-, Drahterodier- und Laserbearbeitungsanlagen, komplexe Bearbeitungszentren, 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen usw. und bieten Anwendern erstklassige Expertenlösungen. Die einzigartige Krümmungsoptimierungsfunktion des M720 glättet beispielsweise die Bearbeitungsbahn kontinuierlicher kleiner Liniensegmente, wodurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit weiter erhöht und eine bessere Oberflächengüte erzielt wird. Die adaptive Vorlesefunktion passt Beschleunigung und Verzögerung an Vorschubgeschwindigkeit und Bearbeitungsbahn an, vermeidet häufige Beschleunigungen und Verzögerungen kleiner Liniensegmente, gewährleistet eine stabile Bearbeitungsgeschwindigkeit und ermöglicht eine schnelle Bearbeitung. Das System eignet sich besonders für die Steuerung von Hochgeschwindigkeits-Gravier- und Fräsmaschinen. Es regelt die Laserenergie in Abhängigkeit von Bearbeitungsweg und -zeit. Die Abstandsregelung steuert den Laserkopf (Z-Richtung) und hält den Abstand zur Bearbeitungsfläche konstant. Beim 3D-Schneiden gewährleistet es die Ebenheit des Schnitts und verhindert Überbearbeitung. Es ist ideal für die Steuerung von Laserschneidmaschinen geeignet; zwei hochauflösende DA-Wandler steuern das Galvanometer präzise. Die Bedienoberfläche des M720 entspricht der von FANUC. Dank seiner vielfältigen und umfassenden Steuerungsfunktionen und der hervorragenden Leistung können Studierende fortschrittliche Technologien und Entwicklungstrends im CNC-Bereich besser verstehen. Im Vergleich zu herkömmlichen CNC-Systemen nutzt das Windows CE-basierte .NET 4.2-Echtzeit-CNC-System die Windows-Plattform und offene Software-Tools für die CNC-Entwicklung optimal, um vielfältige Funktionen zu realisieren. Anwender können CNC-Funktionsmodule flexibel konfigurieren und so verschiedene Hochleistungs-CNC-Systeme für die komplexen Steuerungsanforderungen von Werkzeugmaschinen, Bearbeitungszentren und Spezialmaschinen erstellen. Diese Implementierungsänderung ermöglicht eine komfortablere und breitere Anwendung fortschrittlicher Computertechnologie, verbessert die Steuerungsleistung des CNC-Systems signifikant, vereinfacht die Systemimplementierung, verkürzt den Entwicklungszyklus und erhöht die Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit des Systems erheblich. Daher bietet das Windows CE.NET 4.2 Echtzeit-Kernel-CNC-System das beste Preis-Leistungs-Verhältnis und zeichnet sich durch hohe Zukunftssicherheit aus.