Skript Computergesteuerte Werkzeugmaschinen

Computergesteuerte Werkzeugmaschinen

Skript „Computergesteuerte Werkzeugmaschinen“ Martin Binder – Pädagogische Hochschule Weingarten Inhalt

1

Definition .......................................................................................................................................1

2

Historische Entwicklung.................................................................................................................2

3

Computergesteuerte Werkzeugmaschinen ..................................................................................2 3.1 Vorteile von CWM ..............................................................................................................................2 3.2 Von der Einzelmaschine zum Fertigungssystem ................................................................................3 3.3 Bestandteile einer CWM ....................................................................................................................4 3.4 Messverfahren....................................................................................................................................4 3.5 Bezugspunkte .....................................................................................................................................5

4

Fertigungsablauf ............................................................................................................................6 4.1 Bestimmung der Technologien ..........................................................................................................6 4.1.1

Mögliche Einflussparameter...........................................................................................................6

4.1.2

Einfluss der Umlaufgeschwindigkeit ..............................................................................................7

4.1.3

Einfluss des Werkzeugs ..................................................................................................................7

4.1.4

Einfluss der Zustellung....................................................................................................................8

4.2 Bahnkorrektur ....................................................................................................................................8 4.3 NC-Programmierung...........................................................................................................................9 4.4 CAD – Rechnergestützte Konstruktion .............................................................................................10 4.4.1

Anwendungsgebiete von CAD ......................................................................................................10

5

CNC- Befehle (Auszug aus Hilfe - Anhang)...................................................................................11

6

Kleines Handbuch wichtiger Aktionen.........................................................................................11

7

Literatur .......................................................................................................................................16

1 Definition Computergesteuerte Werkzeugmaschinen (CWM) sind Werkzeugmaschinen, deren Schaltfunktionen (Spindel, Schmiermittelpumpe, Werkstoffnachführung usw.) und Wegbedingungen (Hauptschnitt-, Vorschubund Zustellbewegungen) über die Software eines Computers gesteuert werden. Sie sind seit Jahrzehnten Grundbestandteil von Automatisierungen im produzierenden Gewerbe.

Stand: 14-03-30

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2 Historische Entwicklung 1830 wird durch die erste Drehmaschine mit selbsttätigem Längsvorschub die Mechanisierung der Produktion eingeleitet. Durch verbesserte Lagerung und Führung beweglicher Teile und durch eine bessere Kraftübertragung wird die Präzision der Maschinen gesteigert. Die Erfindung des Schnellarbeitsstahls (1900) erhöht die Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Wurden lange Zeit Steuerungsaufgaben durch Hebel, Nocken und Kurvenscheiben geleistet, beschreitet das MIT 1952 bei einer Fräsmaschine einen neuen Weg: Die Steuerung ist nicht mehr in der Geometrie der Steuerelemente gespeichert, sondern in Lochkarten. Die Zustände Licht – kein Licht ergeben die binären Signale für das Steuerprogramm. Aus den Anfangs- und Endpunkten einer Bewegung werden die dazwischen liegenden Verfahrschritte durch den Prozessor errechnet (interpoliert). So können drei Achsen gleichzeitig angesteuert werden. Ab diesem Entwicklungsschritt kann von NC-Steuerung gesprochen werden. Ein Nachteil war, dass die numerische Steuerung auf fest verdrahtete Schaltungen (zunächst mit Relais und Röhren, ab den 1960er Jahren mit Transistoren) zugriff. Der Einsatz von Mikroprozessoren ab den 70er Jahren ermöglicht eine höhere Flexibilität in der Produktion, die sich so schnell durchsetzte, dass die softwarebasierte Steuerung alle bisherigen hardwareorientierten Lösungen nahezu verdrängte. Schon in den 90er Jahren fällt daher die alte Unterscheidung in NC- und CNC-Technologien weg. Man spricht nur noch von NC-Maschinen, das C für Computersteuerung versteht sich von selbst.

3 Computergesteuerte Werkzeugmaschinen 3.1

Vorteile von CWM

Die Vorteile rechnerbasierter Steuerung von Werkzeugmaschinen liegen zum einen in der Präzision, mit der sie arbeiten. Aus Abb. 1 (vgl. WECK 2005) kann entnommen werden, dass die Fertigungsgenauigkeiten allein von 1950 an um den Faktor 1.000 gestiegen ist. Im Normalfall kann zurzeit im μm-Bereich (10-3 mm) gefertigt werden, Ultrapräzisionsmaschinen erreichen Rauheitsgrade an den Oberflächen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich, also bis 10-6 mm. Immer gibt es eine Abhängigkeit der Fertigungsgenauigkeit von Werkzeug, Werkstoff, Arbeitsraum (je größer der Arbeitsraum, desto geringer die Genauigkeit) und von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur, schwingungsfreie Lagerung der Maschine usw. Diese Tatsache allein reicht jedoch nicht aus, den Siegeszug von CWM zu erklären. Ihr entscheidender Vor-

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Computergesteuerte Werkzeugmaschinen teil ist, dass sie sich in ein betriebliches Gesamtkonzept eingliedern lassen, dessen Grundlage die elektronische Datenverarbeitung ist. Verschiedene Begriffe bezeichnen diese Entwicklung: FFS (flexible Fertigungssysteme), CIM (computer integrated manufacturing), Automatisierung, 3. Industrielle Revolution.

3.2

Von der Einzelmaschine zum Fertigungssystem

Neben der Einteilung nach Fertigungstechniken können CWM nach dem Automatisierungsgrad in verschiedene Kategorien eingeteilt werden (s. Abb. 2, nach WECK 2005).

Flexibles Fertigungssystem Automatische Ablaufsteuerung für mehrere Zellen, Zentren bzw. NC-Maschinen

Die in den Schulen eingesetzten Maschinen (KOSY, ISEL, proMa) repräsentieren die NC-Maschinen, also die Einzelmaschinen unter den Automaten. Ein Nachteil gegenüber einem Fertigungszentrum zeigt sich, wenn ein Werkzeugwechsel erforderlich ist. Aufgrund der unterschiedlichen Werkzeuglänge muss der Werkstücknullpunkt neu eingestellt werden.

Bearbeitungszentrum Automatischer Werkstückwechsel mit Werkzeugspeicher

Im Bearbeitungszentrum sind der Werkzeugaustausch und die Justierung des Werkzeugs automatisiert. Werden auch die Werkstücke von der Maschine selbst verwaltet, spricht man von einer Bearbeitungszelle. Komplex wird die Vernetzung der Funktionen in den flexiblen Fertigungssystemen. Hier sind mehrere Bearbeitungszentren und –zellen zu einer Abfolge an Einzelschritten zusammengefügt. Die Veränderungen vom Halbzeug bis zum Fertigprodukt und der Werkzeugwechsel werden vom System selbst verwaltet.

Bearbeitungszelle Automatischer Werkstückwechsel mit Werkstückspeicher

NC-Maschine Automatische Ablaufsteuerung aller Einzelfunktionen Werkzeugmaschine Schnitt- und Vorschubbewegung, Prozesskräfte

Abbildung 1: Automatisierungsgrad von CWM

Wichtige Anteile an der technologischen Entwicklung haben die Verbesserung der Messtechnik und die Erhöhung der ansteuerbaren Achsen. Das Internet bietet die Möglichkeit der Datenfernübertragung zum Hersteller, Zulieferer, Wartungsbetrieb usw. Mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) können Technologiedaten für spätere Nutzungen gespeichert werden. Dadurch werden Kleinserien- und Einzelfertigungen rentabel, selbst wenn sowohl Funktionsfolgen als auch Greif- und Spannvorrichtungen umjustiert werden.

(X, Y, Z, C)

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3.3

Bestandteile einer CWM

Prinzipiell besteht eine CWM aus der Werkzeugmaschine, dem Computer samt Software und aus Übertragungselementen wie Anschlusskabel und Interfaces. CWM werden für verschiedene Fertigungstechniken eingesetzt, z.B. zum Schweißen, Drehen oder Schleifen. In der Folge werden die Abläufe am Beispiel des Fräsens erläutert. Einerseits, weil beim Fräsen die Hauptschnittbewegungen und Achsansteuerungen gut darstellbar sind. Zweitens, weil der gebräuchlichste Einsatz von CWM im Technikunterricht das Fräsen ist. Eine CWM besteht aus der Bearbeitungsmaschine (hier: Frässpindel) und der NC-Maschine mit linearen und radialen Achsführungen (hier: Koordinatentisch). Abbildung 2: Grundaufbau einer einfachen CWM mit 4 Achsen Als Achsen werden Bewegungsrichtungen der Maschine bezeichnet, die ansteuerbar sind. Steuern bedeutet nicht das bloße Ein- und Ausschalten, es beinhaltet, dass Geschwindigkeit, Richtung und Verfahrweite programmiert werden können. Abbildung 3: NC-Maschine mit Kugelgewindetrieb (Haf-

Es wird zwischen direkt angetriebenen Motoren (Motorfer et al. 2007, S. 263) spindel, Linearmotor mit Induktionsfeldern) und indirekt angetriebenen (Riementrieb, Kugelgewinde) unterschieden. Der Maschinentisch des KOSY wird beispielsweise über ein Kugelgewindegetriebe angetrieben (vgl. Abb.). Das Einspannen des Werkzeugs an der Spindel erfolgt mit einer Spannzange. Sie besteht aus einem geschlitzten Korpus, der durch das Aufdrehen einer Überwurfmutter zusammengedrückt wird und dadurch den Schaft des Werkzeugs spannt. Ohne Werkzeug dürfen Spannzangen nicht an der Spindel verschraubt werden, da sie sich dabei verklemmen kann. Bei Großmaschinen werden Gleichstrommotoren als Antrieb eingesetzt, wobei dem präzisen Messen mit steigender Fertigungsgenauigkeit (s. Abb. 1) zunehmende Bedeutung zukommt.

3.4

Abbildung 4: Spannzangen

Messverfahren

Prinzipiell werden zwei Wegmesssysteme unterschieden: Beim direkten Messen wird durch den Abgleich eines Punktes am Werkstückschlitten mit einem oder mehreren Maßstäben ein absoluter Positionswert ermittelt. Er steht unmittelbar nach dem Einschalten der Maschine zur Verfügung, ohne Referenzfahrt. Beim indirekten Messen wird einmal ein Punkt gesetzt und gespeichert. Nun wird

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Abbildung 5: direkte inkrementelle Messung (Haffer et al. 2007, S. 267)

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Computergesteuerte Werkzeugmaschinen aus dem Drehwinkelt der Spindel und der Spindelsteigung der Positionswert ermittelt. Bei geregelten Systemen werden Soll- und Istwert der Bewegungen ermittelt und Abweichungen (Regeldifferenzen) über den Regler automatisiert ausgeglichen (schematische Darstellung s. Abb.).

Abbildung 6: Lageregelkreis eine NC-Drehmaschine (Haffer et al. 2007, S. 265)

Sowohl die in der Industrie eingesetzten Motoren als auch die Wegmesssysteme sind teuer. Deshalb werden bei den kleinen Maschinen, die in Schulen eingesetzt werden, die Maschinenbewegungen über Schrittmotoren erzeugt. Sie bewegen Fahrschlitten auf Linearführungen. Die Schrittweite, also die zurückgelegte Entfernung pro Schrittmotor-Impuls, variiert bauartbedingt. Bei der KOSY2-Generation beträgt sie beispielsweise 0,01 mm, bei KOSY3 nur noch 0,0025 mm. Bei zu großen Kräften am Werkzeug oder bei Kollisionen der Maschine mit Spannvorrichtungen besteht die Gefahr des Schrittverlustes. Dabei wird der Motor an einem Drehschritt gehindert, die Programmsteuerung speichert den Schritt aber als vollzogen. Eine Verschiebung des Werkstücknullpunktes ist die Folge.

3.5

Bezugspunkte

Für die Kommunikation zwischen NC-Maschine und Computer sind Referenzpunkte wichtig. Sie setzen einen absoluten Bezugspunkt, ähnlich einer Geländekoordinate. Eine Auswahl: 

Der Maschinen-Nullpunkt (MNP) ist ein vom Hersteller festgelegter Messpunkt, der oft außerhalb des von der Maschine anfahrbaren Raums liegt.



Der Referenzpunkt ist der äußerste von der Maschine anfahrbare Punkt. Er dient dazu, die Position des Wirkpunktes des Werkzeugs zu speichern und von dort aus die weiteren Verfahrwege zu berechnen. Beim KOSY wird der Referenzpunkt dadurch angefahren, dass die Maschine bis zu den Endschaltern jeder Achse gefahren wird.



Ursprung des Werkstück-Koordinatensystems ist der Werkstücknullpunkt. Die beste Positionierung ist der Punkt, auf den sich die meisten Maße beziehen (z.B. bei punktsymmetrischen Werkstücken der Symmetriepunkt). Standardmäßig wird er an die untere linke Ecke des Werkstückes gesetzt und eingespeichert (Strg+Ende für alle Achsen, Strg+Z z.B. nur für die Abnullung der Z-Achse). Komplexe Formen oder Werkzeugwechsel können die Arbeit mit mehreren Werkstücknullpunkten sinnvoll machen.

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4 Fertigungsablauf Die Steuerung der Fertigung kann über die Direkteingabe an der Maschine, über ein NC-Programm oder eine digitale technische Zeichnung erfolgen. Im Programm bzw. in der Zeichnung sind geometrische Informationen zur Form des Werkstücks, Weginformationen zur Bewegung von Werkzeug und Werkstück und Schaltfunktionen festgelegt. Die Bewegungen sind beim Fräsen die Haupt- oder Schnittbewegung (Umdrehung des Werkzeugs), der Vorschub (Bewegung in X-, Y- und Z-Richtung) und die Zustellung (mehrmalige Arbeitsgänge mit zunehmender Tiefe). Die Kräfte am Werkzeug werden bestimmt durch die Eigenschaften des Werkstoffs, durch die Schnittgeschwindigkeit und durch die Ausformung des Werkzeugs.

4.1

Bestimmung der Technologien

Von den Technologien (Schnitt- und Verfahrgeschwindigkeiten, Eintauchverhalten, Fräsrichtung) hängt die Qualität der erzielten Ergebnisse und die Bearbeitungsdauer ab. Die Zusammenhänge sind durchaus komplex ( Skripte „Grundsachverhalte“ und „Fertigungstechnische Grundlagen“), sodass im professionellen Bereich grundsätzlich auf Datenblätter und Tabellenbücher zurückgegriffen wird. Allerdings macht das Einhalten dieser Werte nur Sinn, wenn auch die Umgebungsbedingungen entsprechend gemessen und eingestellt werden. Grundsätzlich wird versucht, ein Ergebnis mit der erforderlichen Qualität in möglichst kurzer Zeit bei geringen Kosten möglichst gefahrenfrei zu erreichen. Einige Zusammenhänge müssen beachtet werden. Da an der PH Wg ausschließlich kleine Fräs- und Gravurarbeiten durchgeführt werden können, beschränkt sich die folgende Darstellung auf diese Einsatzbereiche. Es muss beachtet werden, dass im gewerblichen und industriellen Bereich Maschinen eingesetzt werden, mit denen das KOSY weder von den Verfahrgeschwindigkeiten, von den aufgenommenen Kräften und von der Bestimmung der Umgebungsbedingungen vergleichbar ist. Das KOSY dient bei uns als Arbeitsmittel und als Modell für die computergesteuerte Fertigung und nur bedingt als Modell für das Fräsen als Fertigungsverfahren.

4.1.1 Mögliche Einflussparameter Je nach Fräsverfahren (s. Abbildung 7) werden angepasste Technologien und Werkzeuge gewählt.

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Abbildung 7: Fräsverfahren

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4.1.2

Einfluss der Umlaufgeschwindigkeit

Je größer die Umlaufgeschwindigkeit eines Punktes an einer Schneide, desto höher ist die dort entstehende Temperatur. Wenn eine Schneide über 250o C heiß wird, glüht sie aus, verliert Härte und wird in der Folge schnell stumpf. Die Umlaufgeschwindigkeit lässt sich an den Spindeln selbst einstellen bzw. an den CAchsenmaschinen über die Programmsteuerung. Sie hängt außerdem vom Werkzeugdurchmesser ab: Je größer der Durchmesser, desto höher die Umlaufgeschwindigkeit (immer in Bezug auf einzelne Punkte an der Schneide). Faustformel: Je größer der Werkzeugdurchmesser, desto geringer die Drehzahl der Werkzeugspindel. Stichel laufen konisch zur Spitze hin zu, sodass der Umfang, der sich im Eingriff befindet, von der Eintauchtiefe abhängt. Erzeugt der Stichel eine Bahnbreite von 1 mm, so wird die Drehzahl wie bei einem 1 mmFräser gewählt. Faustformel: Für Stichel werden aufgrund der geringen Bahnbreiten mit hohen bis sehr hohen Drehzahlen gewählt.

4.1.3

Einfluss des Werkzeugs

Am KOSY sind das für Gravurarbeiten Stichel oder Kugelkopffräser (s. Abb.), für Umfangs- und Stirnfräsen Schaftffräser. Je nach eingesetztem Werkstoff können unterschiedliche Technologien gewählt werden (vgl. Skript Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie). Hier wird nur auf die bei uns eingesetzten Werkzeuge aus Hartmetall eingegangen. Je kleiner der Durchmesser des Werkzeugs, desto größer ist die Bruchgefahr, besonders bei Bewegungen in x- und y-Richtung. Faustregel: Je kleiner der Werkzeugdurchmesser, desto geringer muss die Geschwindigkeit des Vorschubs sein. Unsere Schaftfräser sind i. d. R. Zweischneider (zwei Hauptschneiden) mit einem Fischschwanzanschliff. Sie weisen gute Fräseigenschaften bei verschiedenen Werkstoffen auf, führen aber zu konturierten Oberflächen (vgl. Abbildung 9). Aus diesem Grund werden Flächen mehrmals mit geringem Versatz gefräst (Bahnüberlappung), wobei gilt: Je größer der Überlappungsfaktor, desto planer wird die Oberfläche, desto länger dauert aber der Arbeitsschritt.

Abbildung 8: Kugelkopffräser

An Schneiden treten Scherkräfte, Spanflächen- und Freiflächenreibkräfte auf. Die Anzahl der Schneiden beeinflusst die Verteilung dieser Kräfte. Je Abbildung 9: Zweischneidige Schaftweniger Schneiden im Eingriff sind, desto geringer ist die Flächenreibung, fräser mit Fischschwanzanschliff desto größer werden aber die Scherkräfte pro Schneide. Einschneidenfräser nehmen folglich große Kräfte auf, erzeugen aber geringe Reibungswärme. Sie werden daher bei Kunststoffen bevorzugt. Mit Mehrscheidenfräsern sind pro Umdrehung mehrere Schneiden im Eingriff, auf die sich die Kräfte verteilen. Sie trennen daher pro Umdrehung mehr Werkstückstoff ab und können folglich mit größeren Vorschüben und Zustellungen eingesetzt werden. Schruppfräser sind Mehrschneidenfräser, die spezifische Schneidenwinkel aufweisen. Sie können mit großen Teilzustellungen gefahren werden, erzeugen dabei aber raue

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Computergesteuerte Werkzeugmaschinen Oberflächen. Die Spannzangen an der PH haben Aufnahmen für 3 mm-, 1/8“- und 6 mm-Schäfte.

4.1.4

Einfluss der Zustellung

Wenn die Kräfte beim Spanen zu groß werden, können sie dadurch verringert werden, dass nicht das gesamte Material in einem Arbeitsgang ausgeräumt wird. Es werden mehrere Arbeitsgänge mit Teilzustellungen ausgeführt, wobei die Summer der Teilzustellungen die gewünschte Tiefe ergibt. In der Abb. rechts wird die Tiefe durch drei Teilzustellungen erreich, wobei eine bereits ausgeführt wurde, die zweite gerade erfolgt und dritte lediglich angedeutet ist. Wird der letzte Arbeitsgang mit geringer Zustellung ausgeführt, erhält man eine bessere Oberflächengüte. Ein einfaches Verfahren dazu ist eine entsprechende Auswahl der Teilzustellungen. Ein Beispiel: Nenntiefe 10 mm, Teilzustellung 3 mm  erster Arbeitsgang 3 mm Tiefe, zweiter Arbeitsgang 6 mm Tiefe, dritter Arbeitsgang 9 mm Tiefe, vierter Arbeitsgang 10 mm Tiefe. Während bei den Arbeitsgängen 1 bis 3 jeweils die gewählte Teilzustellung gefräst wird, errechnet das Programm bei 4. Arbeitsgang eine ausstehende Zustellung von 1 mm, sodass dieser faktisch einem Schlichtgang gleichkommt. Welche Zustellung gewählt werden kann, hängt vom Werkzeug und vom Werkstückstoff ab. Faustformeln: Je geringer der Werkzeugdurchmesser, desto geringer die Zustellung (Bruchgefahr). Je geringer die Drehzahl, desto geringer die Zustellung (geringere Schneidwirkung). Je härter der Werkstückstoff, desto geringer die Zustellung (Bruchgefahr).

4.2

Bahnkorrektur

Bei geschlossenen Bahnen kann der Fräser mit seiner Mittelachse genau auf der programmierten Kontur fahren ( ohne Bahnkorrektur), aber auch innerhalb ( Bahnkorrektur innen) und außerhalb ( Bahnkorrektur außen). Jeweils vergrößert bzw. verkleinert sich die Form um einen halben Fräserdurchmesser ()

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oder um einen ganzen (und ). Ein gezielt abweichendes Aufmaß des Werkzeugdurchmessers (Abweichung des eingespeicherten vom tatsächlichen Durchmesser) kann genutzt werden, um die Maße von Taschen geringfügig zu ändern. Dies ist besonders bei Passungen mehrerer Teile sinnvoll. Abbildung 10 zeigt ein Beispiel: Bei einem Werkzeugdurchmesser von 6 mm wird in den Technologien der Durchmesser auf 6.2 mm eingespeichert (Strichpunktlinie). Das Programm errechnet die Distanz zwischen Mittelpunkt und Außenkante des Werkzeugs um 0.1 mm größer (Radius = halber Werkzeugdurchmesser) als es in Wirklichkeit der Fall ist. Es verschiebt bei Bahnkorrektur innen (Grundeinstellung bei Taschen) den Bahnverlauf entsprechend weiter nach innen, sosodass die gefräste Tasche um diesen Faktor kleiner ist (breite Volllinie).

Abbildung 10: Aufmaßprogrammierung zur Veränderung einer Taschengröße

Bahnkorrekturen werden beim KOSY überwiegend in x- und y-Richtung benötigt, sind aber beim 3D-Fräsen auch in z-Richtung relevant.

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4.3

NC-Programmierung

Hauptaufgabe der numerischen Codierung ist die Steuerung der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück durch Weg- und Geschwindigkeitsanweisungen. NC-Programme werden in der Arbeitsvorbereitung in eigenen Abteilungen erstellt und direkt an der Maschine i. d. R. nur noch angepasst. Die Daten, die programmiert werden können, betreffen: G-Befehle (Geometrische Daten): Werkzeug- und Werkstückwege in den ansteuerbaren Achsrichtungen (Abb.7). Dabei wird unterschieden zwischen Linearachsen (X, Y und Z) und Drehachsen (A, B und C).

Z

C

Y B X

A Abbildung 11: Hauptachsen

M-Befehle (von miscellaneous: vermischt, vielseitig): 

Technologische Daten: Werkzeugauswahl, Spindeldrehzahl, Schnittgeschwindigkeit usw.



Schaltfunktionen: Spindel, Kühlschmierpumpe, Absauganlage usw.

Prinzipiell unterscheidet man zwischen objektbasierten (Programmgliederung in größeren logischen Einheiten) und satzbasierten Programmen (Programm wird Zeile für Zeile abgearbeitet). Satzbasierte Programme (z.B. auch nccad) verwenden die Programmiersprache nach DIN 66025 bzw. ISO 6983. Danach besteht ein NC-Programm aus Sätzen (Zeilen, die i. d. R. von oben nach unten abgearbeitet werden) und die wiederum aus Wörtern. Ein Wort besteht aus Adressbuchstaben und Ziffernfolgen. Hier eine Auswahl von Adressbuchstaben für Geometrieangaben: 



Beispiel für einen Programmsatz nach ISO 6983 Wegbedingungen G: Interpolationsart (linear oder zirkular), Maßeinheit, Werkzeugbahnkorrektur, Nullpunktverschiebung, Arbeitszyklen (Bohrzyklus...); Weginformationen: Achsbewegungen, Wegstrecke und Drehwinkel.

Weitere Angaben können sein: 

Technologiedaten zur Werkstückbearbeitung: Vorschubgeschwindigkeit F (feed) in mm/min, Spindeldrehzahl S, Werkzeugradiuskorrektur für Fräsvorgänge;



Vermischte Daten M: Spindelumlaufrichtung, Aufruf von Unterprogrammen, Ansteuerung von Einzelmaschinen.

Einzelbefehle lösen eine direkte Bewegung der Maschine aus (G01 X10 Y20 F120  die Maschine fährt den Punkt 10/20 geradlinig mit definierter Geschwindigkeit an), Makros führen zu verknüpften Handlungsfolgen (G79 und G81  Bohrzyklus: Die Maschine führt mehrere Bohrungen mit den eingestellten Parametern für Tiefe, Rückzugsabstand und Vorschub aus).

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4.4

CAD – Rechnergestützte Konstruktion

CAD steht für computer aided design, also rechnergestütztes Konstruieren bzw. Zeichnen. Besonders in der CAD-CAM-Koppelung, also in der Verbindung einer digitalen technischen Zeichnung mit der computerbasierten Produktion (manufactoring), kann das System seine Stärken ausspielen. CAD-Programme ermöglichen nicht nur einen schnellen Wechsel zwischen zwei- und dreidimensionalen Darstellungen, das Drehen des Körpers im Raum oder automatisches Bemaßen. Die Möglichkeit, beliebige Schnitte zu definieren und bei den Schnittansichten zwischen räumlicher und flächiger Darstellung zu wechseln, spart aufwendige und teure Arbeit im Modellbau. Bei fertigen Zeichnungen wird über einen Postprozessor der dazugehörige NC-Code programmiert. Zusatzmodule erstellen Stücklisten, Kostenkalkulationen und verknüpfen damit die Fertigungsplanung mit der Logistik.

4.4.1

Anwendungsgebiete von CAD

Entwicklung und Konstruktion elektronischer Systeme: Die Verknüpfung von digitalen und analogen Modulen zu komplexen Schaltungen und die Schnittstellen zur Peripherie sind so komplex geworden, dass sie ohne CAD nicht mehr zu bewältigen wären. Dabei verbindet CAD Bereiche wie Logik- und Mechanikentwurf, Fertigung, Prüfung sowie die Dokumentation. Elektrische Schemata haben ihren Hauptzweck nicht im Erstellen von Stromlaufplänen, sondern im Koppeln von Material- und Montageinformationen. Parallel zur Zeichnung werden Produktinformationen, Stücklisten und Materialbestellungen generiert. Im Stahl- und Maschinenbau ermöglicht der hohe Grad an eingesetzten Normteilen eine Planung, bei der Festigkeits- und Preisberechnungen, Lagerverwaltung und Zeichnungszusammenstellungen für verschiedene Abnehmer direkt aus dem CAD erfolgen. Im Rohrleitungs- und Anlagenbau wird der gesamte Planungsprozess von komplexen Anlagen (z.B. Chemieanlagen, Anlagen zur Erdölversorgung, Kraftwerke, Fernheizsysteme) möglichst komplett über CADLösungen verwirklicht. Hier ist eine Planung ohne CAD-Unterstützung fast nicht mehr realisierbar. In der mechanischen Konstruktion ist die Bedeutung von CAD als „elektronisches Reißbrett“ nur untergeordnet. Viel wichtiger ist es bei der Informationsbereitstellung für nachgeschaltete Prozesse wie Arbeitsplanung, Produkt- und Fertigungsdokumentation. CAD-Programme erstellen im Hintergrund das NCProgramm mit allen Geometrie- und Schaltinformationen (vgl. HAASIS 1993). Dieser kurze Überblick macht klar, welche Bedeutung einem störungsfreien Betrieb der EDV-Anlage zukommt. Ein Datenverlust z.B. in der Lagerhaltung kann dazu führen, dass ein kompletter Lagerbestand für die Produktion verloren ist, da die Einordnung der Einzelelemente in Regale nicht mehr sachlogisch erfolgt, sondern nach der Logik der Lagerhaltungssoftware. Die betriebswirtschaftlichen Folgen können existenzgefährdend sein. Immer öfter werden daher Teilaufgaben an spezialisierte Betriebe ausgelagert und Störungen mit hohen Konventionalstrafen belegt.

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5 CNC- Befehle (Auszug aus Hilfe - Anhang) 1. Bearbeitungsbefehle Eilgang / Anfahren mit maximaler Bewegungsgeschwindigkeit G00 G01 G20 G22 G24 G54 G60 G61

2D Position: G00 X20 Z-5 3DPosition: G00 X100 Y200 Z-50 Geradlinige Bewegung / mit dem aktuellen Vorschub F G01 X-345.02 Z-45 F30 Sprung zum Satz .... / Sprung zum angegebenen LABEL G20 START Unterprogrammsprung / Sprung zu einem Programmteil Anfang: G22 SUB Ende: G99 Schleifenanweisung / Wiederholen von Befehlen oder Pro- Anfang: G24 N5 grammteilen Ende: G98 Werkstück-Nullpunkt setzen G54 X100 Y200 Z50 Gravierparameter einstellen G60 H5 B2 Z1 D90 S2 F100 Graviertext übergeben / Zu gravierender Text in G61 KOSY-Gravierprobe Klein/Großschreibung Ausspannposition / Anfahren der Ausspannposition im Eilgang G77 Zyklusaufruf / Wiederholen eines Bohr- oder Fräszyklus G79 X10 Y20 Z0 G79 X20 Z15 Schleifenende / Ende einer Wiederholungs-Schleife G98

G77 G79 G98 2. Maschinen-Steuerbefehle U/C-Achse aus M02 U/C-Achse ein/ Uhrzeigersinn M03 Unterbrechung / mit Eingriffsmöglichkeit im Handbedienmodus M05 Relais-Steuerung / Schalten der einzelnen Relais M10 Wartezeit in 1/18 sek. / Programmpause endet bei abgelaufener M30

M02 C0 (C-Achse) M03 C0 Snn (C-Achse, n=Drehzahl) M05 M10 O3.1 oder: M10 O5.0 M30 P9 ; 9/18=0,5 sek. warten

Zeit

6 Kleines Handbuch wichtiger Aktionen Legende: Menübereich links oder oben -  = Teilschritt – SCHLAGWORT IM VADEMECUM

Ansicht vergrößern Darstellung – Ausschnitt wählen – Rahmen aufziehen

CAD Computer aided design: Computerunterstütztes Zeichnen

CAM Computer aided manufactoring: Neue Zeichnung öffnen  Werkstücknullpunkt festlegen  Datei speichern  Zeichnung erstellen  Technologien zuordnen  Simulation laufen lassen  Maschine anschalten  Werkstück und Werkzeug einspannen  Werkstücknullpunkt anfahren und speichern  Programm abfahren

CNC Computer numeric control: Fertigung über ein geschriebenes Programm mit M- und G-Befehlen. Jeder CAD liegt ein CNC-Programm zugrunde, das nccad automatisch im Hintergrund erstellt. Anzeigen des CNC-Programms: Simulation – Tisch + CNC-Export – Speicherort wählen – CNC-Programm öffnen

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Drehen Bearbeitung – Drehen – Teil wählen – Drehpunkt anklicken – W (für Winkel) auf der Tastatur tippen – Winkel eintippen (positive Winkel drehen im Gegenuhrzeigersinn)

Fang Einrasten des Fadenkreuzes. Vorteil: Zeichnen in festen Abstandsintervallen (z.B. volle Zentimeter). Ungünstig bei Zwischenwerten. Fang ein- und ausschalten über Einstellungen – Lineal/Raster/Fang. (s. KONSTRUKTIONSFANG)

Inseln in Taschen Soll innerhalb einer TASCHE ein Bereich nicht weggefräst werden, so nennt man diesen Bereich Insel. Vorgehensweise:  Tasche zeichnen (geschlossene Kontur!)  innerhalb der Tasche Insel(n) zeichnen (geschlossene Kontur, im selben Layer!)  Elemente in Konturen umwandeln: CAM – Konturgenerierung bei allen Elementen durchführen  Tasche und Insel zuweisen: CAM – Insel zuweisen wählen, äußere Kontur wählen, Insel(n) wählen  Technologien an äußerer Kontur zuordnen (Tasche und Insel verändern Farbe).

Kopieren von Zeichenelementen Einmal gezeichnete Elemente können einfach an eine andere Stelle kopiert werden: Bearbeitung – Kopieren – Element auswählen – Ausgangskoordinate auswählen (bei Kreisen normalerweise den Mittelpunkt anklicken, bei Rechtecken eine beliebige Ecke) – Zielkoordinate auswählen (bei bekanntem Maß am geschicktesten über die Tastatureingabe der absoluten KOORDINATEN).

Konstruktionsfang(punkt) Jedes Zeichenelement hat einen Konstruktionspunkt. Soll es weiterverarbeitet werden, muss der Konstruktionspunkt angeklickt werden. Ist der Konstruktionsfang eingeschaltet, gelingt dies leichter. Zwischen übereinander liegenden Konstruktionspunkten kann mit der Leertaste gewechselt werden (Statuszeile beachten). Konstruktionspunkte können unter Bearbeitung verschoben werden. (s. FANG)

Konturen miteinander verbinden Sollen zwei Zeichnungsteile miteinander verbunden werden, muss man die Außenkonturen auflösen und miteinander verbinden. Vorgehensweise: Konstruktionsfang einschalten: Einstellungen – Lineal/Raster/Fang - Konstruktionsfang eingeschaltet auswählen  beide Konturen in Geraden umwandeln: Umwandlung – Konvertierung in Gerade  evt. eine lange Gerade in zwei Geraden teilen: Umwandlung – Auftrennen – Gerade, die aufgeschnitten werden soll, am Konstruktionspunkt anwählen – Stelle, an der aufgeschnitten werden soll, anklicken  beide Formen verbinden: Bearbeitung – Konstruktionspunkt verschieben – Gerade anklicken und auf das Ende der Geraden klicken, mit der verbunden werden soll. Dasselbe mit der zweiten Verbindungsstelle tun  Einzelgeraden in Kontur umwandeln: Umwandlung – Polygon Generierung – Layer wählen.

Koordinaten -

Absolute Koordinaten: X- und Y-Werte bezeichnen Lage vom Nullpunkt des Koordinatensystems aus.

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Relative Koordinaten: X- und Y-Werte bezeichnen Lage relativ von der Position des Fadenkreuzes aus.

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Koordinatenanzeige einstellen: Ansicht – Koordinatenanzeige

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Koordinaten eintippen: Mit der Taste K auf der Tastatur kann man die den einzelnen Koordinatenarten anwählen. Einmal k= absolute Koordinaten, zweimal k= relative Koordinaten. Eingabe: X-Wert – Komma – Y-Wert – EnterTaste. Dezimaltrennzeichen ist der Punkt!

Kreis zeichnen -

Mit der Maus: CAD Standard – Kreis  Mittelpunkt anklicken  Maus verschieben, bis gewünschter Radius erreicht ist  durch weiteren Klick Kreis absetzen.

-

Über Koordinaten (empfohlen): Koordinatenanzeige einstellen  Ansicht – Koordinatenanzeige –absolute und relative Koordinaten aktivieren. Kreis zeichnen  CAD Standard – Kreis  Mittelpunktkoordinaten setzen: K tippen, in Statuszeile ist Feld Koordinaten absolut angewählt. X-Koordinate – Komma – Y-Koordinate – Enter-Taste. Vorsicht: Dezimaltrennzeichen ist der Punkt, nicht das Komma!  Radius bestimmen: Zweimal K tippen, in Statuszeile ist Feld Koordinaten relativ angewählt. X-Koordinate 0 – Komma – Y-Koordinate entsprechend des Radius eintippen – Enter-Taste.

Layer Zeichenelemente können in 10 unterschiedlichen Ebenen abgelegt werden, die wie Transparentfolien übereinander liegen. -

Layer 1 bis 8: hier kommen Zeichenelemente hinein, die gefräst werden sollen – Layer 9: reiner Zeichnungslayer, Elemente können nicht gefräst werden – Layer 10: gesperrter Layer, in den das Programm die Technologieangaben legt.

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Jedem Layer ist in der Bildschirmdarstellung eine Farbe und beim Fräsen von Platinen eine Bahnbreite zugeordnet. Farben (Ansicht) und Bahnbreite (Parameter – CAD – Leiterplatte) können geändert werden.

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Tipp: Nur Elemente mit gleichen Technologien in einen Layer legen. So muss Technologie nur einmal im ganzen Layer zugeordnet werden.

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Ein Zeichenelement nachträglich einem anderen Layer zuordnen: Bearbeitung – Eigenschaften ändern – Layer auswählen (automatisch wird Farbe ausgewählt).

Maschinenreferenzpunkt -

Absoluter Bezugspunkt der NC-Maschine. Muss jedes Mal, wann die Maschine eingeschaltet wird oder bei Schrittverlusten mit Taste Pos 1 angefahren werden.

Platine fräsen -

Layout zeichnen:  Außenmaße der Platine in Layer 9  Leiterbahnen als Polygone zeichnen, z.B. in Layer 4  Punkte für Bohrungen und Lötstellen (Pads) unter CAD-Standard setzen, z.B. in Layer 3. Spätere Bahnbreiten können unter Parameter – CAD – Leiterplatte eingesehen und verändert werden. Wichtig: Jede Leiterbahn muss durch zwei Punkte (CAD-Standard) begrenzt werden!

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Verbreitern der Polygone und Punkte: CAD-Besonderes – Pad/Bahn Generierung

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Umwandeln der verbreiterten Elemente in Leiterbahnen und Lötpads: CAD-Besonderes – Outline Generierung.

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Die Outline besteht aus lauter Einzelgeraden. Zum Fräsen müssen sie in Polygone umgewandelt werden: Umwandlung – Polygon Generierung.

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Schriftgravuren setzen: Polung, Nennspannung etc.

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Technologien: Einzelteil/Bahn, Bahnkorrektur außen, Vorschub ca. 120, Gesamttiefe ca. 0.5, mit Stichel oder 1mm-Fräser.

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Schnittbewegungen an der Fräsmaschine Hauptschnittbewegung: Umdrehung des Werkzeugs Vorschub: Bewegung in X- und Y-Richtung Zustellung: Bewegung in Z-Richtung Teilzustellung: Zustellung pro Fräsgang. Soll z.B. eine 5 mm starke Plexiglasplatte gefräst werden, schafft die Maschine die 5 mm nicht auf einmal. Sinnvoll: Teilzustellung 2 mm: Erster Fräsgang auf 2 mm Tiefe, zweiter Fräsgang auf 4 mm Tiefe, dritter Fräsgang auf 5 mm Endtiefe. Dritter Fräsgang taucht also nur 1 mm tief ein, was zu besserer Oberflächengüte führt (=Schlichtgang)

Schnittgeschwindigkeit Bewegungsgeschwindigkeit in X- und Y-Richtung. Allgemein: Je härter das Material und je größer der Werkzeugdurchmesser, desto größer sind die Kräfte, desto kleiner sollten die Schnittgeschwindigkeiten sein. Holz: geringe Zustellung Kunststoff: Zustellung nach Material, geringe Hauptschnittbewegung (Metabo: an der Spindel regeln; C-Achse: Technologien) wegen Wärmeentwicklung, hoher Vorschub wegen Wärmeabfuhr. Metall: Nur Aluminium möglich! geringe Zustellung.

Schrift gravieren -

True-Typeschriftarten mit

-Kontur: CAD Standard – Gravur Text – Kasten aufziehen – Text eingeben

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Schrift ohne Outline-Kontur: CAD Standard – Gravur Text max/ez (einzeilig, Schriftarten der Fa. MAXComputer) oder Gravur Text max/mz (mehrzeilig) anklicken – Text eingeben

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Text oder Schriftgröße bzw. –art ändern: Bearbeitung – Korrektur Texte – Konstruktionsfang des Textes anklicken

Simulation Simulierte Darstellung des Fräsvorgangs.  Simulation – Zoom automatisch: alle Zeichenelemente werden in der Simulation gezeigt.  Simulation – Zoom Ausschnitt: nur die Zeichenelemente im vorher gewählten Bildausschnitt werden dargestellt.  Simulation – Tisch und 3D-Ansicht: nach der Simulation erscheint eine 3D-Ansicht, die frei gedreht werden kann.  Simulation – Open GL Fräsen: sehr anschauliche Animation. Simulation mit Z-Achse durchlaufen lassen. Alle Bewegungen über dem Werkstück werden grün dargestellt, die Fräsungen und Bohrungen im Material rot. Simulationsgeschwindigkeit kann eingestellt werden unter Parameter – Simulation – Geschwindigkeit.

Tasche Eine ausgefräste Form innerhalb eines Werkstücks, dessen Kanten nicht bis auf den Grund des Werkstücks reichen. Taschen müssen geschlossene Formen sein und werden unter Technologien – Bearbeitung gewählt.

Technologien Angaben über die Wegbedingungen (Schnittbewegungen), Schalt- und Zusatzfunktionen. Zuordnen unter CAM – Technologie (auf Konstruktionsfangpunkt klicken, Maus verschieben, nochmals klicken) Die gebräuchlichsten:

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Computergesteuerte Werkzeugmaschinen Bearbeitung:  Einzelteil/Bahn: (Kontur-)Linie wird gefräst  Sackloch: Nicht komplett durch das Material durchgehende Vertiefung  Stufenbohrung: Bohrung mit unterschiedlichen Weiten (z.B. für versenkte Zylinderkopfschrauben)  Tasche konturparallel: vertiefte Form im Material; arbeitet läuft entlang der Außenkontur Bahnkorrektur: nur für geschlossene Einzelteile/Bahnen.  keine: Fräser arbeitet genau auf der Linie  innen: Fräser arbeitet innerhalb der Kontur (für Aussparungen).  außen: Fräser arbeitet außerhalb der Kontur (für Einsätze). Bei Eingabe des Durchmessers 0 (Stichel) ist keine Bahnkorrektur möglich. Relais vorher/nachher: Relais 6 schaltet Fräsmaschine ein, Relais 5 einen direkt angeschlossenen Staubsauger Vorschub: Bewegungsgeschwindigkeit in X- und Y-Richtung (s. Schnittgeschwindigkeit) Werkzeugdurchmesser: Wichtig für Bahnkorrekturen, Taschen... Bei Sticheln: 0 Teilzustellung: Bewegung in Z-Richtung bei einem Durchlauf. Bsp: Gesamttiefe 8, Teilzustellung 2 = vier Arbeitsgänge. Gesamttiefe 8, Teilzustellung 3.5 = drei Arbeitsgänge, wobei der dritte mit einer Zustellung von nur 1mm gefahren wird, wodurch die Oberflächengüte hoch ist (Schlichtgang). Wichtig: Elemente mit unterschiedlichen Technologien in unterschiedliche Layer legen. Sonst muss jedem Element eine Technologie zugeordnet werden! Vorschläge für Technologiedaten: Im Technologiefenster auf Bearbeitungsdatenbank klicken, Material und Werkzeugdurchmesser wählen

Trimmen (automatisches Verkürzen einer Linie) Überlappt eine Linie eine Kontur und soll bis da hin gekürzt werden, kann man sie automatisch auf die richtige Länge kürzen lassen (geht nur bei Geraden!). Vorgehensweise: Umwandlung – Generierung in Gerade – Trimmen, Beschreibung der Grundlagen wie unter VERLÄNGERN.

Verlängern von Linien Soll eine Linie genau bis an einer anderen heranreichen, kann man die automatische Verlängerung wählen. Wichtig: Die Kontur, zu der man verlängert, muss aus einer einfachen Linie (Linie oder Kreisbogen – kein Polygon oder Kreis oder Rechteck) bestehen. Vorgehensweise:  Umwandlung – Verlängern  Linie, die verlängert werden soll, an dem der Kontur zugewandten Ende anklicken  Konstruktionspunkt der Linie, zu der verlängert werden soll, anklicken. Trick, um an geschlossene Konturen zu verlängern: Kontur zuerst in Geraden umwandeln (funktioniert auch bei Kreisen):  Umwandlung – Konvertierung in Gerade – Konstruktionspunkt der Kontur anklicken  Verlängern zur Kontur  Umwandeln der aus Geraden bestehenden Kontur in ein Polygon: Umwandlung – Polygon Generierung (nicht: Konvertierung in Polygon) – Layer wählen

Werkstücknullpunkt Orientierungspunkt der Maschine. Werkstücknullpunkt setzen:  CAM ; Werkstücknullpunkt anfahren und speichern: Maschine einschalten  Material und Werkzeug einspannen  Maschine – CNC-Fräsmaschine  Nullpunkt mit Pfeil- und Bildlauftasten anfahren (Papierdicke)  mit Strg+Ende einspeichern: Alle Koordinatenangaben werden auf 0.00 zurückgesetzt.

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7 Literatur Haasis, Sigmar (1993): CIM – Einführung in die rechnerintegrierte Produktion. München, Wien: Hanser. Hahn, Elisabeth; Lindner, Volker; Timm, Jochen; Wiemann, Achim; Braun, Christof; Lloyd, Jeffrey (2007): Fachkenntnisse 1 - Industriemechaniker nach Lernfeldern 5 - 9. Hamburg: Handwerk u. Technik. IAFO (Hg.) (1986): CNC-Ausbildung für die betriebliche Praxis. München, Wien: Hanser. Malsch, Thomas (Hg.) (1988): Die neuen Produktionskonzepte auf dem Prüfstand. Berlin: Edition sigma. Otten, Dieter (1986): Good bye Mr. Ford. In: van Haaren u.a. (Hg.): Befreiung der Arbeit. Strategien gegen Arbeitslosigkeit, Naturzerstörung und Entfremdung. Bonn: Verlag Neue Gesellschaft. Schmid, Dietmar u.a. (1991): CIM – Lehrbuch zur Automatisierung der Fertigung. Haan-Gruiten: EuropaLehrmittel. Weck, Manfred, Brecher, Christian (2005): Werkzeugmaschinen – Maschinenarten und Anwendungsbereiche. Berlin, Heidelberg: Springer. Weck, Manfred (2001): Werkzeugmaschinen – Automatisierung von Maschinen und Anlagen. Berlin, Heidelberg: Springer.

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