CAD/DAM/NC Einheitliche Datenbasis in der Prozesskette

STEP-NC-basierte NC-Planung der Komplettbearbeitung steigert die Effizienz im Produktionsablauf.

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STEP-NC-basierte NC-Planung der Komplettbearbeitung steigert die Effizienz im ProduktionsablaufEine Effizienzsteigerung bei der Produktentstehung lässt sich durch zwei Aspekte einzeln, verstärkt aber durch deren Kombination erzielen: Einführen einer durchgängigen CAD/NC-Prozesskette sowie Fertigen der Werkstücke auf Komplettbearbeitungsmaschinen. Bezüglich der Prozesskette wachsen die Bemühungen, eine durchgängige Unterstützung der einzelnen Aufgaben, wie Geometrieerstellung, Bauteilberechnung, Prozessplanung und Generierung von Fertigungsdaten, durch Softwarewerkzeuge zu ermöglichen. Das bedeutet, ein einziges, standardisiertes Datenaustauschformat, nebst zugehöriger Methoden, entlang einer durchgängigen CAD/NC-Prozesskette einzusetzen.

STEP-NC schafft Datendurchgängigkeit

Defizite bestanden bislang beim Bereitstellen des Datenaustauschformats sowie der Datendurchgängigkeit vor allem an der Schnittstelle zwischen NC-Programmierung und der NC-Steuerung. Die neue Norm ISO 14649 (STEP-NC) beseitigt die bestehenden Defizite und ermöglicht durch Bereitstellen geometrie- und technologieorientierter Prozessmodelle die Beschreibung von Bearbeitungsaufgaben.

Die heute in der Produktentstehung eingesetzten CAD/CAP-Systeme unterstützen die Forderung nach einer durchgängigen Prozesskette bislang nur unzureichend, weil unterschiedliche Datenaustauschformate Verwendung finden wie IGES oder VDAFS. An verschiedenen Stellen innerhalb der Prozesskette sind Kopplungsbausteine für die Datenkonvertierung zwischen den beteiligten Systemen sowie zur Ergänzung und Modifikation der Daten notwendig. In der Regel treten dabei Informationsverluste gegenüber der systeminternen Datendarstellung auf. Die eigentliche Information über die Werkstückgeometrie geht verloren, weil nur noch Werkzeugwege beschrieben sind.

Das bedeutet, dass kein direkter Zusammenhang zwischen Werkstück und dem erzeugten DIN-Programm erkennbar ist und sich damit der Aufwand späterer manueller Programmkorrekturen erhöht. Darüber hinaus ermöglicht die bestehende DIN 66025-Schnittstelle lediglich einen unidirektionalen Datenaustausch aus dem CAP-System zur NC-Steuerung hin. Dadurch können zum Beispiel in der Werkstatt durchgeführte Änderungen im NC-Programm nur mit hohem Aufwand an die Arbeitsvorbereitung und damit in das ursprüngliche Teileprogramm rückübertragen werden. Weil dies häufig unterbleibt, geht wertvolles Erfahrungswissen der Werker verloren.

Während der Werkstückbearbeitung gewonnene Prozessdaten, wie Kraft- oder Vorschubverläufe, die zu einer Optimierung des Teileprogramms und damit zur Qualitäts- und Effizienzsteigerung führen können, sind mit der vorhandenen DIN-66025-Schnittstelle nur mit erheblichem Aufwand maschinen- und bearbeitungsspezifisch an das CAP-System rückübertragbar. Bedingt durch die fehlende Datendurchgängigkeit können weitere Informationen zum Produkt, beispielsweise Toleranzen oder andere Merkmale, nicht berücksichtigt werden.Es ergeben sich deshalb folgende Anforderungen an eine Prozesskette sowie die daran beteiligten Teilsysteme und Schnittstellen:

- Durchgängige Prozesskette mit einheitlicher digitaler Darstellung und Übertragung dieser Daten vom CAD- über das CAP-System bis hin zur NC-Steuerung, um Informationsverluste an den Schnittstellen zu vermeiden.- Eine zentrale Datenbasis für alle an der Prozesskette beteiligten Teilsysteme.- Bidirektionale Prozesskette zur Rückübertragung von Prozessdaten, um beispielsweise bessere Diagnosefunktionen für den Prozess, zum Beispiel Ratterdetektion, oder für die Maschineneinstellung, wie Achsparameter, sowie optimierte Bearbeitungsparameter bereitstellen zu können.- Bereitstellung standardisierter erweiterter Funktionalitäten wieSpline-Funktionen.- Beschreibung der Bearbeitungsaufgabe unabhängig von der eingesetzten Werkzeugmaschine.

Die genannten Anforderungen machen einen völlig neuen Ansatz der Produktbeschreibung und NC-Programmierung notwendig. Sie führen auf einen Lösungsansatz zur Modellierung von Produkten. Enthält das Modell auch bearbeitungsorientierte Informationen, spricht man von einem Prozessmodell.

Problemloser Austausch von Produktdaten

ISO 10303 [1] ermöglicht die Definition der für die Beschreibung eines Produktes notwendigen Informationen, von der Konstruktion bis zur Fertigung. Step bietet eine Methodik zur Realisierung von einheitlichen Schnittstellen, die dem Austausch produktdefinierender Daten dient. Die Grundlage bildet ein objektorientiert aufgebautes Produktmodell, das in der in STEP definierten Datenmodellierungssprache Express erstellt ist und den Informationsumfang für eine eindeutige Beschreibung von Produkten festlegt. Wesentliches Merkmal von STEP ist das Feature, das ein geometrisches Objekt eines Werkstücks darstellt. Es wird als einheitliches, durchgängiges, semantikbehaftetes Informations- und Integrationsobjekt interpretiert. Grundlegende Bestandteile von Features für den Einsatz in der rechnerunterstützten Konstruktion und NC-Planung sind:

- Syntax zur Beschreibung der Gestalt,- Semantik zur Beschreibung der technischen Bedeutung und- Relationen zwischen Syntax und Semantikelementen. Features bieten damit die Möglichkeit, in verschiedenen Produktentstehungsphasen Informationen zu sammeln und weiterzuleiten [2]. Diese Informationen können beispielsweise Entwicklungsergebnisse bei der Konstruktion sein, aber auch Hinweise für die Fertigung enthalten. Für die NC-Planung und damit zur Bearbeitung von Features auf Werkzeugmaschinen ist man bestrebt, Fertigungsfeatures zu verwenden.

Diese Features enthalten die Informationen aus Sicht der Bearbeitung in fertigungstechnisch modifizierter Form. Zur Überführung der Konstruktionsfeatures des CAD-Systems in Fertigungsfeatures des NC-Programmiersystems kommt in der Regel die Feature-Erkennung zum Einsatz. Sie bezeichnet das Extrahieren und Generieren von Features aus den Geometriedaten eines CAD-Systems. Eine andere Form der Überführung wird durch Feature-Mappings bereitgestellt, das heißt der Überführung eines Features von einer in eine andere Darstellung. Um den Fertigungsprozess zu beschreiben, sind weitere technologieorientierte Methoden und Beschreibungselemente notwendig, die im Bearbeitungsmodell von STEP-NC zusammengefasst sind.

STEP-NC bezeichnet die neue auf STEP basierende Norm ISO 14649.Im Bearbeitungsmodell von STEP-NC wird der Fertigungsprozess durch Bearbeitungsoperationen für die Bearbeitung der Features beschrieben. Die Bearbeitungsoperation, verknüpft mit dem zu bearbeitenden Feature, definiert einen einzelnen Bearbeitungsschritt, der technische Informationen, zum Beispiel die Bearbeitungsstrategie, technologische Parameter wie Vorschub und Drehzahl sowie das ausgewählte Werkzeug beinhaltet. Das übergeordnete Element zur Strukturierung der Bearbeitungsaufgabe ist der Arbeitsplan, der die Bearbeitungsschritte enthält. Die Reihenfolge der Bearbeitungsschritte im Arbeitsplan ist maßgeblich für die Reihenfolge der Werkstückbearbeitung. Sie kann vom Programmierer oder teilautomatisiert vom Programmiersystem festgelegt werden.

Eine STEP-NC-Datei enthält alle Konstruktions- und Fertigungsinformationen

Die Eigenschaften von STEP-NC in Verbindung mit der Verwendung einer Feature-basierten Prozesskette steigern die Effizienz innerhalb der Prozesskette. STEP-NC ermöglicht die Programmierung einer Bearbeitungsaufgabe auf Basis von Features und Bearbeitungsoperationen. Die Unterscheidung zwischen Teileprogramm und NC-Programm entfällt. Eine STEP-NC-Datei enthält alle Konstruktions- und Fertigungsinformationen (Geometrien, Bearbeitungsoperationen, Bearbeitungsstrategien, Technologien) in expliziter Form. Die Verfahrbewegungen werden erst in der NC-Steuerung generiert.

Ein vorgeschalteter Postprozessorlauf wird nicht benötigt, weil STEP-NC gleichzeitig die Schnittstelle zur NC-Steuerung darstellt. Die bisherige Funktion des Postprozessors übernimmt die NC-Steuerung.Die Programmierung einer Bearbeitungsaufgabe ermöglicht ein besseres Verstehen und einfacheres Modifizieren an der Maschine. Insgesamt wird der Aufwand für das Erstellen von STEP-NC-Dateien sowie das Einfahren des Programms auf der Maschine signifikant reduziert.STEP-NC beschreibt Bearbeitungsaufgaben. Der Informationsgehalt gegenüber einem NC-Programm nach DIN 66025 ist größer und besser strukturiert, wodurch sich Programmierfehler reduzieren oder vermeiden lassen.

Außerdem wird die Austauschbarkeit von STEP-NC-Dateien zwischen verschiedenen Maschinen und NC-Steuerungen ermöglicht. Auch hier wird das Erstellen und Testen von STEP-NC-Dateien vereinfacht.STEP-NC ermöglicht erstmals den standardisierten bidirektionalen Datenaustausch innerhalb der gesamten Prozesskette (CAD-System, CAP-System und NC-Steuerung) und damit auch der Ablaufkontrolle durch Rückübertragen von Prozessdaten. Damit wird es nun auch für Maschinenhersteller möglich, die Prozessqualität durch verbesserte Überwachung zu erhöhen.Alle an der Produktentstehung beteiligten Fachabteilungen (Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung) arbeiten auf derselben gemeinsamen Datenbasis (STEP-NC-Datenbank). Somit bleiben notwendige Korrekturen und das dazu erforderliche Expertenwissen erhalten und helfen die Effizienz der Prozessplanung zu steigern.

Literatur:

[1] ISO 10303-1: Industrial automation systems and integration - Product data representation and exchange. Part 1: Overview and fundamental principles. Genf: ISO 1992.[2] Weber, C.; F.-L. Krause: Features mit System - die neue Richtlinie VDI 2218. In: VDI Berichte Nr. 1497, S. 43-73. Düsseldorf: VDI-Verlag 1999.