Steuerungen für Werkzeugmaschinen haben keine leichte Aufgabe: Sie müssen gemeinsam mit den Antrieben dafür sorgen, dass die Achsen mit hoher Geschwindigkeit präzise verfahren. Fortschritte in der Prozessortechnik und Softwaretechnologie machen den PC zu einem geeigneten Werkzeug.
Von unserem Redaktionsmitglied Werner Möller
W ZM-Steuerungen müssen Maschinen mit hohen Geschwindigkeiten präzise fahren und gleichzeitig wirtschaftlich zu betreiben sein. Eine intelligente Bewegungsführung mit vorausschauender Geschwindigkeitsführung (look ahead), Ruckbegrenzung, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorsteuerung, Kompensation von mechanischen und Temperaturfehlern, 5-Achs-Transformation sowie Nurbs-Interpolation (Approximation der Werkzeugbahn durch Polynome höherer Ordnung) sind schon fast selbstverständliche Features, die es zuverlässig und kostengünstig zur Verfügung zu stellen gilt.
Die Wege zur optimalen Leistung sind unterschiedlich. Verschiedene Marktforscher und Analysten prophezeien der PC-Technologie eine rosige Zukunft. Eine von Frost & Sullivan, London, erstellte Studie zum europäischen CNC-Markt hält „Technologien auf PC-Basis“ für den wichtigsten Trend. Trotz anfänglicher Startprobleme bei der Einführung der neuen Systeme überzeuge die Steuerung per PC durch Vielseitigkeit und Kostenvorteile.
Tatsache ist aber auch, dass der europäische Markt zurzeit von fünf großen Steuerungsherstellern dominiert wird. GE Fanuc Automation aus dem Liechtensteinischen Echternach, Siemens AG, Erlangen, Dr. Johannes Heidenhain GmbH, Traunreut, und Mitsubishi Electric Europe GmbH, Ratingen, besetzen zusammen fast drei Viertel des Marktes. Es ist auch kein Geheimnis, dass das CNC-Establishment in der Vergangenheit seine Lösungen abseits des PC favorisiert und erst seit kurzem PC-basierte Steuerungen im Programm hat. Dabei muss man mit der Bezeichnung PC-basiert vorsichtig sein: Für die einen handelt es sich bereits um eine PC-basierte Steuerung, wenn im Mensch-Maschine-Interface (HMI), also in der Bedienoberfläche, PC-Komponenten eingesetzt werden. Zutreffender dürfte die Bezeichnung für die Steuerungen sein, die sowohl im HMI als auch im NC-Kern PC-Hardware einsetzen. Die Unternehmensberater von Frost & Sullivan sind jedenfalls überzeugt, dass der Markt für PC-Steuerungen nicht den kleineren Anbietern vorbehalten bleibt, sondern dass die großen Anbieter verstärkt in dieses Marktsegment drängen werden.
Die PC-basierte Steuerung hat aber nichts mit einem Kaufhaus-PC zu tun. Die jeweiligen Anbieter setzen PC-Komponenten zu einem industrietauglichen Computer zusammen. Das geht teilweise so weit, dass das Motherboard vom Steuerungshersteller selbst bestückt wird. Die Komponenten sind in aller Regel beim Hersteller über einen längeren Zeitraum bevorratet. Die Ein-/Ausgänge für die Maschinensteuerung oder stattdessen ein gängiges Feldbussystem sowie die Antriebsschnittstelle werden über spezielle, zusätzliche Karten realisiert.
Neben dem Preisvorteil bietet eine PC-basierte Steuerung auch die Offenheit, die viele Werkzeugmaschinenbauer wünschen. Denn viele Maschinenhersteller möchten ihr Know-how möglichst schnell umsetzen und die Steuerung anwendungsspezifisch anpassen. Wer für die jeweilige Anwendung die benötigte Funktionalität schnell, kostengünstig und mit hoher Qualität in die Steuerung einbringt, sichert sich Wettbewerbsvorteile. Um die Steuerung ganz und gar offen zu gestalten, hat beispielsweise Fidia S.p.A., Turin, – ein Steuerungshersteller, der vor allem im Werkzeug- und Formenbau beheimatet ist – das Programmierinterface zur Kommunikation mit dem Steuerungskern offen gelegt. Das bedeutet, dass neben der Benutzeroberfläche auch andere Applikationen parallel oder eigenständig mit dem Steuerungskern kommunizieren können. Diese Offenheit wird heute von vielen Softwareherstellern genutzt, die Produkte für den Werkzeug- und Formenbau anbieten, für die es sinnvoll ist, auf dem Frontend der Steuerung zu laufen: CAM, WOP, Messsoftware, Auftragsverwaltungen, Kollisionsbetrachtungen, Simulationen und mehr. Allerdings muss sichergestellt sein, dass die Fremdapplikationen keinen Einfluss auf die Arbeitsgeschwindigkeit und -sicherheit der Maschine haben.
Steuerungen werden offen für die Wünsche des Kunden
Die Sicherheit der Maschine und der Bearbeitung geht über alles. Dies ist eine grundlegende Anforderung der europäischen Maschinenrichtlinie. Deshalb integrierte Siemens als weltweit erster Steuerungsanbieter zertifizierte Sicherheitsfunktionen direkt in CNC und Antrieb. Diese eingebettete Sicherheitsfunktionen erfüllen die hohen Anforderungen der Sicherheitskategorie 3. Durch die sicherheitsgerichtete Software wird im Zusammenwirken mit der Standard-CNC ein hoch wirksamer Personen- und Maschinenschutz realisiert. Dies führt ohne zusätzliche spezielle Hardware zu höherer Sicherheit, Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Flexibilität der Maschinen und Anlagen.
Die Power Automation AG, Pleidelsheim, Hersteller einer sogenannten Soft-CNC auf PC-Basis, ist der Ansicht, dass sich die Anforderungen nach Sicherheit nicht ausschließlich per Software auf einem Standard-PC erfüllen lassen. Werkzeugmaschinensteuerungen müssen über besondere Schaltkreise und Hilfsmittel verfügen, die eine ständige Überwachung des Betriebs sicherstellen und im Störungsfall eine abgestufte Reaktion von der Fehlermeldung über die Warnung bis hin zum Not-Aus erzeugen. Bei Power Automation liegen diese Schaltkreise auf der immer erforderlichen Achsinterface-Karte. Mit einem von der Hauptplatine unabhängigen Zeitgeber wird das System intern synchronisiert (SPS, CNC und Antriebe), mit einem weiteren Zeitgeber (Watchdog-Timer) wird die richtige Funktion der CNC- und SPS-Software überwacht.
Offenheit bis zu einem gewissen Grad wird zunehmend auch von konventionellen CNC geboten, bei denen im Echtzeit-NC-Kern Funktionsergänzungen und Zusatzsoftware integrierbar sind. Sie werden nach wie vor das Gros der Werkzeugmaschinensteuerungen stellen. Allerdings nutzen auch sie die Vorteile von PC-Komponenten: An der Mensch-Maschine-Schnittstelle setzen die meisten CNC-Steuerungen bereits PC-basierte Operator Panels ein, die als Betriebssystem eine Windows-Version (NT, 2000) nutzen. Das „Look & Feel“ von Windows hat sich in der Bildschirmgestaltung weitgehend durchgesetzt. Diese Betriebssysteme ermöglichen eine offene Gestaltung spezifischer Bedienoberflächen oder die einfache Integration von Hochsprachen. Ziel ist es, die Bedienung der Steuerung so einfach und intuitiv zu gestalten, wie es viele Office-Anwendungen heute schon sind. Der Anwender schätzt eine Bedienoberfläche als benutzerfreundlich ein, wenn mit wenigen Bedienhandlungen die gewünschten Informationen angezeigt oder eingegeben werden können. Daher wird häufig dem Werkzeugmaschinenhersteller die Möglichkeit eingeräumt, die Nutzeroberfläche selbst zu gestalten.
Auch beim Thema „Teleservice“ kommt die offene PC-Umgebung gerade recht. Möglich sind aber auch statistische Auswertungen zur Maschinenleistung, Online-Kontrolle der Leistungsdaten und natürlich auch der Teleservice über Internet.
Checkliste: Trends der CNC-Entwicklung
– Software ersetzt Hardware
– PC-Technik fördert Standardisierung
– Funktionen werden schrittweise dezentraliesiert
– Sicherheitstechnik wird integraler Bestandteil
– Internet ermöglicht weltweiten Datenaustausch
– Intelligente Fehlerbehebung und Diagnose
– Unterschiedliche Bearbeitungstechnologien auf einer SteuerungsPlattform
– Optimierte Bearbeitungsbedingungen und Achsführungen
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