Projekt 5:
Modernisierung einer CNC-Fräsmaschine mit Hilfe einer eigenen Steuerung
In den Beruflichen Schulen Kirchhain steht im Werkstattgebäude eine CNC – gesteuerte Holz/Kunststoff-Fräsanlage der Firma Festo aus dem Jahr 1994, die zu Schulungszwecken im Bereich der Holztechnik genutzt wurde. Die Fräse ist angeschafft worden, um Auszubildende in die CNC-Frästechnik einzuführen. 1994 war das CNC-Fräsen allerdings noch deutlich umständlicher, da man die Kommandos (G/M-Code – PAL Befehlscodierung) noch selbst in ein Programm eintippen musste. Dieses DOS-basiertes Programm heißt TICAS. Es besitzt keine grafische Bedienoberfläche und ist nicht 3D-fähig. Deshalb gilt es heute als nicht mehr zeitgemäß, da die Betriebssysteme ab Windows XP DOS unabhängig sind und das Programm ab Windows XP nicht mehr kompatibel ist. Des Weiteren existiert TICAS nicht mehr und wird von Festo nicht mehr unterstützt. Außerdem nimmt vorhandene Steuereinheit inklusive Computer nach heutigen Maßstäben zu viel Zeit und Platz in Anspruch und kann mit der heutigen Technik deutlich kompakter aufgebaut werden. Aus den oben genannten Gründen wurde die Fräsmaschine seit dem Jahr 2010 nicht mehr für Lehrzwecke genutzt. Um weiterhin die Auszubildenden in CNC-Bearbeitung zu unterrichten, hat der Landkreis eine moderne CNC-Fräsmaschine angeschafft.
Durch die Modernisierung der veralteten Anlage kann diese zusätzlich in den Schulunterricht integriert werden: Sie soll einerseits im Bereich der Holztechnik zur Anwendung kommen, um den Auszubildenden die CNC-Holzbearbeitung näher zu bringen. Hier können Zeichnungen, die mittels CAD Programmen gezeichnet werden, in die Software geladen und mit Hilfe der neuen Steuerung gefräst werden. Andererseits soll am Beispiel der modernisierten Maschine gezeigt werden, wie Mikrocontroller funktionieren und was deren Möglichkeiten sind. Dies ist besonders für die Studierenden der Fachschule Elektrotechnik mit der Fachrichtung Automatisierungstechnik von Interesse. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Projekt jederzeit von den Studierenden erweitert werden kann, da der Arduino Mega für die Realisierung verwendet wird, der genügend Ein- und Ausgänge hat, um dies zu gewährleisten.
Die Besonderheit an unserem Projekt ist, dass die benötigten Bauteile relativ kostengünstig sind und trotzdem eine Umsetzung von Automatisierungsaufgaben ermöglicht. Das Herz der Steuerung ist der Arduino Mega in Kombination mit dem Raspberry Pi. Ein Ziel bei der Arbeit mit diesen Komponenten ist es die Begeisterung für Automatisierungen zu wecken. Genutzt wird nur kostenlose Software. Am Ende kann diese preiswerte CNC-Steuerung dasselbe, wie jede andere moderne Steuerung von heute.
Um die unterschiedlichen Bedürfnisse der verschiedenen Zielgruppen abzudecken, ergeben sich folgende Fragen: Welche Hardware-Komponenten sind erforderlich, um eine kostengünstige Alternative zu heutigen CNC-Fräsmaschinen-Steuerungen zu realisieren? Wie funktionieren die benötigten Bauteile? Wie kann man sich einen großen Computer sparen, da er teuer ist und viel Platz benötigt? Welche Funktionen und Software wird benötigt? Wie wird die Verbindung zwischen bestehender Mechanik und Elektronik mit der neuen Steuerung verdrahtet? Wie kann die alte Fräsmaschine mit einer neuen Steuerung erneut in den Holzunterricht integriert werden? Wie kann die neue CNC-Fräsmaschine in den Unterricht der Fachschule für Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Automatisierungstechnik integriert werden?
Das Ziel des Projektes ist es, für die CNC-Fräsmaschine eine neue Steuerung zu entwerfen, die kostengünstig ist und den heutigen Anforderungen (z.B. CAD Zeichnungen in ein Fräsprogramm laden und abarbeiten lassen) gerecht wird.
Der Beginn des Projektes ist der 01.09.2016. In den ersten beiden Wochen werden alle benötigten Dokumentationen und Unterlagen der existierenden Anlage beschafft, um einen groben Überblick über die Hard- und Software zu erhalten. In der dritten Woche wird die Verkleidung der Steuerung demontiert und geschaut, welche Hardware bisher verbaut wurde. Gleichzeitig gilt es zu entscheiden, welche Komponenten weiterhin in das Projekt integriert werden müssen und was die beste Vorgehensweise ist. Daraufhin werden alle benötigten Bauteile erfasst und eine Bestellliste angefertigt. Ab dem 26.09.2016 werden Pläne für die Verkabelung und Steuerung angefertigt. Dafür werden zwei Wochen eingeplant. In diesem Zeitraum treffen die bestellten Bauteile ein. Am 07.10.2016 wird dann mit einem provisorischen Aufbau die Steuerung verdrahtet. Hierfür sind vier Wochen eingeplant. Sobald die Verdrahtung abgeschlossen ist, wird eine passende Software für das System gewählt. Die neue Steuerungseinheit mit der gewählten Software wird getestet und die ersten Fahrversuche gestartet. Treten dabei keine Fehler auf, wird der provisorische Aufbau in den Endzustand umgebaut. Die Anlage ist dann am 28.11.2016 fertiggestellt und betriebsbereit. Danach folgt die Dokumentation. Es ist geplant, die Dokumentation bis zum 27.02.2017 abzuschließen.
Hauptquellen für das Projekt sind die Herstellerseiten der Produkte: https://www.arduino.cc und https://www.raspberrypi.org. Außerdem werden Ressourcenquellen wie www.github.com verwendet.
Marty Schmidt und Albert Schwabauer