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Schaltzentrale selbst gebaut


CNC im Modellbau - epaper ⋅ Ausgabe 1/2018 vom 26.07.2018

Ein Bedienterminal für CNC-gesteuerte Maschinen


Artikelbild für den Artikel "Schaltzentrale selbst gebaut" aus der Ausgabe 1/2018 von CNC im Modellbau. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: CNC im Modellbau, Ausgabe 1/2018

Erinnern Sie sich noch an das Bügeleisen im Steuerpult der Fernsehserie „RaumschiffOrion”? Welche Funktion dieses Bedienelement für das Raumschiffhatte oder haben sollte, werden wir wohl nicht mehr erfahren, wir sehen darin aber ein Beispiel, wenn auch ein fiktives, für die Mensch-Maschine-Kommunikation. Solche Benutzerschnittstellen begegnen uns täglich, sei es beim Autofahren, am Fahrkartenautomaten oder an Werkzeugmaschinen.

Die wichtigste Schnittstelle in der Kommunikation für den Bediener einer CNC-Maschine besteht aus der Tastatur als Eingabegerät und ...

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... dem Monitor als Ausgabegerät. Es werden Anweisungen an die Maschine übermittelt und Maschinenzustände beobachtet und angezeigt. Ein Eingreifen in den Arbeitsprozess durch den Bediener ist jederzeit möglich.

Das folgende Beispiel zeigt die Entwicklung und den Bau eines Bedienterminals aus Standardbauteilen mit berührungssensitivem Bildschirm (Touchscreen) und programmierbarer Tastatur. Als Steuerungssoftware wird „Mach3” von ARTSOFT benutzt, da hier die Möglichkeit besteht, die Bildschirmoberfl äche in Aussehen und Funktion den eigenen Vorstellungen und den Erfordernissen der Maschine anzupassen. So lassen sich auf einfache Weise Bedienerberechtigungen verwirklichen, indem in einem Extremfall alle Funktionen, in anderen nur START und STOPP vom Bediener anwählbar sind. Aber ich will nicht vorgreifen.

Vorteile des Selbstbaus
Anzeigen sind das Interface zum Bediener. Gute, informative und übersichtliche Anzeigen sind eine wichtige Voraussetzung für fehlerfreies Arbeiten. Die Vorteile einer speziellen Bedieneinheit sind offensichtlich: Durch die programmierbare Tastatur haben wir weniger Tasten, diese lassen sich jedoch besser definieren und gruppieren als auf einer normalen PC-Tastatur mit vielen ungenutzten Tasten. Gemeinsam mit dem berührungssensitiven Monitor lassen sich die zur Verfügung stehenden Funktionen leichter in häufig und weniger häufig genutzte verteilen. Weiterhin spielt die Haptik, der Tastsinn, eine Rolle. Ein Beispiel: Beim Anfahren des Werkzeugs an das Werkstück ist der Blick auf das Werkstück gerichtet, mit der Hand werden die Achsen verfahren. Hier wird schnell erfühlt und gelernt, welche Taste zu welcher Achse gehört. Verlagern wir nun diese Funktion auf den Monitor, ist zwangsläufig ein Kontrollblick notwendig, ob der Finger über der richtigen Stelle auf dem Monitor steht. Eine Fehleingabe kann schwerwiegende Folgen haben. Wir erreichen eine Erhöhung der Sicherheit sowohl in der Bedienung als in der Arbeitssicherheit.

Offene und geschlossene Systeme
Die meisten CNC-Verfahren sind heute geschlossene Systeme. Das bedeutet, dass sie speziell entwickelte Hard-und Software haben und aus nicht standardisierten Baugruppen bestehen. Jede Änderung, jede neue Funktion hat einen aufwendigen Entwicklungsprozess hinter sich, mit entsprechend hohen Kosten und langen Entwicklungszeiten. Individuelle Lösungen lassen sich kaum verwirklichen und sind teuer.

Offene Systeme hingegen zeichnen sich durch die Nutzung serienmäßiger Rechner und deren Standards aus. Sie ermöglichen es dem Hersteller, individuelle Bildschirmoberfl ächen und spezielle Funktionen zu erstellen. Den Bediener unterstützen sie bei der Arbeit durch grafische Programmierung. Die Hardwareauswahl für die Steuerung ist unkritisch, da sie von unterschiedlichen Herstellern stammen kann. Das CNC-Betriebssystem arbeitet mit einem Standardprogramm und die Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen sind offen für unterschiedliche Protokolle. Ein offenes System besteht aus dem Verbund von PC und CNC-Einheit.

Vorteile eines offenen Systems
Mit einem offenen System ist eine weitgehend freie Gestaltung der Bedienoberfl äche für unterschiedliche Anwendungen möglich. Eine Drehmaschine zum Beispiel benötigt im Normalfall zwei Achsen, eine Fräsmaschine deren drei; nehmen wir einen Rundtisch dazu, haben wir vier Achsen, und mit einem Dreh-Schwenktisch sind wir schon bei fünf Achsen. Eine Maschine zur Schmuckgravur hat andere Anforderungen als eine Rundschleifmaschine oder eine Maschine zum Schneiden von Styropor. Alle steuern wir aber mit einem CNC-Programm.

Die im Bild markierte Doppeltaste wird zur Funktionstaste F8


Das Kompilieren und Übertragen dauert nur wenige Sekunden


Die Grafikebene (oben) und die Funktionsebene (in der Mitte) ergeben die fertige Bedienoberfl äche


Das Eigenschaftsfenster eines Buttons


Ein Schalter kann seine Funktion aus verschiedenen Quellen beziehen


Beispiel für die Programmierung eines Schalters


Durch die Verwendung eines PCs haben wir nun standardmäßig vorhandene Schnittstellen für Netzwerke, Massenspeicher und Monitore. CAD-Daten können problemlos übernommen und gespeichert werden. Als Antriebe sind Servomotoren oder Schrittmotoren möglich. Digitale Messleisten und Sensoren sind anschließbar und es stehen Schaltfunktionen für externe Geräte zur Verfügung. Die Standardkomponenten sind preiswert und lassen sich leicht auf dem neuesten Stand halten, ebenso wie das Betriebssystem und das CNC-Programm.

Die Anforderungen
Folgende Informationen sollten dem Benutzer jederzeit zur Verfügung stehen:
• Programmname
• Programminhalt
• Nullpunktverschiebung bzw. Korrekturwerte
• aktuelle Vorschub-und Drehzahlwerte
• aktuelle Positionswerte
• Zugriffauf G-und M-Funktionen
• Bearbeitungszyklen
• Werkzeugverwaltung
• Zustands-und Fehlermeldungen des Systems
• Simulationsgrafik
• Systemdiagnose

Abhängig von den Erfordernissen können weitere Informationen notwendig sein, wie beispielsweise eine Werkstückverwaltung, Wartungshinweise oder Ähnliches.

Mein eigentlicher Gedanke war, Steuerung, PC, Bildschirm und Tastatur zusammenzufassen und in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen. Aufgrund der Größe und des Gewichts dieser Einheit wäre eine Anbringung an einer kleinen Maschine jedoch nicht sinnvoll.

Alle Bedienelemente sollen auf die vorhandene Maschine – eine Wabeco 1210E – zugeschnitten sein, bei der die Drehzahlregulierung von Hand erfolgt. Das Potenziometer wird folglich auf das Terminal ver-legt, ebenso wie der Not-Ausschalter vom Gehäuse der CNC-Steuerung. So haben wir einen Not-Ausschalter an der Maschine und an der Bedieneinheit.

Größere Tasten sind für den Touchscreen notwendig


Weiterhin sollen ein USB-Anschluss für einen Speicherstick und ein Tastaturanschluss für eine normale PC-Tastatur vorhanden sein.

Die Programmierung von Bildschirmoberfl äche und Tastatur ist für einen Bediener vorgesehen, der Programmzyklen an der Maschine selbst schreiben und in Programme korrigierend eingreifen kann. Alle Einstellungen und Diagnosefunktionen sollen für ihn erreichbar sein, allerdings mit einem gewissen „Mut zur Lücke”; es brauchen also nicht alle vorhandenen Funktionen ständig und überall zur Verfügung zu stehen.

Hier lassen sich jetzt, wie schon erwähnt, Bedienerberechtigungen festlegen, indem durch die Bereitstellung oder das Weglassen von Funktionen die Einfl ussnahme des Bedieners auf die Steuerung so eingeschränkt oder auch erweitert wird, wie es der Produktionsablauf erfordert. Ein immer gleiches Bohrbild kann viele Male ohne Änderung wiederholt werden, während häufige Wechsel den fachlichen Eingriffmit mehr Funktionalität erfordern.

Doch wie werden Tastatur und Bildschirmoberfl äche programmiert?

Programmierung der Schnittstelle
Die verwendete Tastatur der Firma Preh hat 84 Tasten (7×12), die frei programmierbar sind. Jeder Taste können ein oder mehrere alphanumerische Zeichen oder Sonderzeichen zugeordnet werden. So ist es zum Beispiel möglich, komplette Makros oder Zeichenfolgen auf eine Taste zu legen.

Die Tastatur lässt sich präzise und ohne jegliche „Tabu”-Tasten, also Tasten, an die man sonst nicht oder nur schwer herankommt, programmieren. Beim Drücken von Tasten, die nicht programmiert sind, passiert tatsächlich auch nichts, da nichts hinterlegt wurde. Es entstehen also keine undefinierten Zustände, die Probleme bereiten könnten, auch nicht, falls man versehentlich mehrere Tasten gleichzeitig drückt. Hier wird der sogenannte Fat-Finger-Alarm ausgelöst, ebenfalls programmierbar, es erfolgt ein kurzer Pieps – doch keine Funktion.

Was aber, wenn ich bewusst zwei Tasten, beispielsweise X und Y zum gleichzeitigen Verfahren von Maschinenachsen drücken möchte? Kein Problem, auch dies ist machbar. Ganz unabhängig von Layern wie „Shift”, „Alt”, „Ctrl” gibt es noch weitere Layer wie Always-active-oder Standard-Key-Layer. Letzterer erlaubt das zeitgleiche Drücken von mehreren Tasten. Die Tasten zur Tischbewegung werden also auf diesem Layer platziert.

Die Programmiertools sind kostenlos auf der Homepage von Preh-keytec erhältlich: für alte DOS-Versionen ebenso wie für moderne Betriebssysteme mit ihren Spezialtasten. Das Kompilieren und Herunterladen auf die Tastatur dauert nur wenige Sekunden. So lassen sich Änderungen schnell auf ihre Richtigkeit überprüfen.

Die Tastenbeschriftungen lassen sich ausdrucken und können dann unter die transparenten Tastenabdeckungen gelegt oder geklebt werden. Die Software lässt sich nach kurzer Einarbeitung problemlos bedienen.

Die Programmierung der Bildschirmoberfl äche verläuft vollkommen anders. Hier müssen wir grundsätzlich zwischen optischer und inhaltlicher Programmierung unterscheiden, also zwischen dem, was wir auf dem Bildschirm sehen, und dem, was geschieht, wenn wir einen Knopf drücken, entweder auf dem Bildschirm mit der Maus oder auf der Tastatur.

Man kann auf zusätzliche Grafik verzichten und nur mit den vorgegebenen Buttons arbeiten. Dies funktioniert problemlos, ist aber nicht immer ergonomisch. Eine weitere Möglichkeit ist, nur Bitmap-Buttons zu benutzen und mit aussagefähigen Grafiken zu belegen. Ich benutze eine große Grafik und zusätzlich, je nach Bedarf, Bitmap-Buttons mit speziellen Grafiken. Sie lassen sich mit jedem beliebigen Zeichenprogramm anfertigen. Die eigentliche Programmierung erfolgt mit dem Programm „Mach3Screen”, das vom selben Lieferanten stammt wie die Steuersoftware „Mach3”. Es stehen zehn Kontrollelemente zur Verfügung, die mit entsprechenden Inhalten gefüllt werden können:

Sämtliche Bedienelemente auf einen Blick


Der runde Tastaturanschluss wurde mit einem Aluminiumring verstärkt


Das Gehäuse mit eingesetztem Monitor


Darüber hinaus gibt es sogenannte Systemund Userlabels sowie Tickers. Das Systemlabel „File” beispielsweise zeigt immer den aktuellen Programmnamen. Das Systemlabel „UNITREVMIN” zeigt automatisch, ob der Vorschub pro Minute oder pro Umdrehung eingestellt ist. Einfach in das Element

„Label” das entsprechende Wort unter Beachtung der Groß-und Kleinschreibung einsetzen. Bei „FILE” wird das Wort „File” angezeigt, bei „File” Name und Verzeichnis des NC-Programms. Mit einem „Ticker” kann man lange Hinweise oder Meldungen in kurzen Zeilen durchlaufen lassen.

Ein Bildschirmelement, zum Beispiel ein Schalter, kann auf drei Arten Funktionalität erhalten. Einmal durch den OEM-Code (Original Equipment Manufacturer); er umfasst über 800 Funktionen, die sich in Gruppen für Buttons, DROs und LEDs aufteilen; dann können wir G-Code direkt zuweisen und es lässt sich ein VB-Script (Visual Basic), also ein kleines Programm dem Schalter zuweisen. Das folgende Beispiel soll dies zeigen.

Der Schalter soll die Spindel, respektive das dafür vorgesehene Relais in der Steuerung ein-und ausschalten. Wir müssen also aus den OEM-Funktionen den dafür zuständigen Befehl heraussuchen, in diesem Fall aus der Gruppe OEM-Buttons die Funktion „Spindle CW” (CW – clockwise, also rechts drehend) mit dem Code „110”. Diese Funktion wird dem Schalter in seinem Eigenschaftsfenster zugewiesen. Als Nächstes wird der „Hotkey”, also eine Taste, definiert. In diesem Fall soll es die Funktionstaste F8 sein. „F8” schaltet damit ab sofort die Spindel ein oder aus.

G-Code kann auch direkt eingeben werden. Dazu markieren wir im Eigenschaftsfenster des Schalters den Eintrag „Execute G-Code” und tragen im Eingabefeld den G-Code ein, beispielsweise „G91” – nun wird nach dem Drücken des Schalters der G-Code 91, also die relative Maßeingabe, eingestellt. Ein anderer Schalter sollte aber auch wieder auf „G90”, die absolute Maßeingabe, zurückschalten können.

Ein sehr einfaches Beispiel für ein VBScript kann folgendermaßen aussehen: Im Eigenschaftsfenster des Buttons wird „Execute VB Script” angewählt und im Textfenster Folgendes eingetragen: „G0G53 Z” & GetOEMDRO(54). Der Code signalisiert dem VB-Programm, dass nun G Code ausgeführt werden soll; G0 bedeutet „Verfahren im Eilgang” und G53 heißt: Alle folgenden Bewegungen in dieser Zeile beziehen sich auf das Maschinenkoordinatensystem. Mit „Z” wird die z-Achse angesprochen. „GetOEMDRO(54)” besagt, dass der vom Bediener im digitalen Eingabefeld vorgenommene Eintrag mit der internen Bezeichnung „54” (sichere

Die verwendeten Profile für das Gehäuse


Stellprobe mit Tastatur und Monitor


Z-Position, meist auf der Seite Einstellungen zu finden) ausgelesen und an Z angehängt wird. In normalem G-Code schreibt sich das so: G0 G53 Z30, wenn „30” der eingetragene Wert ist und bedeutet, dass die Maschine die z-Achse auf 30 mm vom Maschinennullpunkt verfährt.

Die praktische Ausführung
Folgende Komponenten bzw. Materialien wurden verwendet:
• ein berührungssensitiver 12-Zoll-Monitor
• eine programmierbare Tastatur,
• verschiedene Aluminiumprofile und Winkelverbinder aus dem Modellbauprogramm von Alfer
• geschäumte Kunststoffplatten
• ein Not-Ausschalter sowie diverse Kabel und Kleinteile

Die Modellbauprofile von Alfer erschienen mir zunächst mit 7,5 mm im Quadrat etwas schwach, nach dem Einbau verschiedener konstruktiv notwendiger Verstrebungen und dem Einsetzen der Verkleidungsplatten entstand aber ein stabiles, verwindungsarmes Gehäuse. Ohne viel Platz zu lassen, wurde zuerst der Monitor umbaut und die Tastatur dann, um 150 Grad abgewinkelt, montiert. Mit den fertigen Eckverbindern ist dies leicht zu realisieren. Die Profile werden auf die Zapfen der Verbinder aufgeschoben. So entsteht eine ausreichend feste, aber wieder lösbare Verbindung.

Die Kunststoffplatten aus dem Baumarkt bestehen aus geschäumtem Material. Sie haben einen zelligen Kern mit glatter, fester Außenschicht, zeigen optisch einen seidenartigen Effekt und lassen sich mit einem Cuttermesser schneiden.

Ein USB-Anschluss und ein Anschluss für eine normale PC-Tastatur standen noch auf der Wunschliste. Die programmierbare Tastatur stellt letzteren Anschluss zur Verfügung, er ist durchgeschleift und eine zusätzliche Tastatur lässt sich während des laufendes Betriebs problemlos anschließen und auch wieder entfernen. Der USB-Anschluss besteht aus einem einfachen Verlängerungskabel bis zum PC, das konstruktiv mit der Rahmenkonstruktion verbunden ist, um eine ausreichende Stabilität beim Einstecken zu gewährleisten.

Das Potenziometer wurde von der Maschine auf das Panel verlagert, ebenso wie der Not-Aus-Schalter, der sich zuvor direkt am Steuerungsgehäuse befand. Da nur standardisierte Bauteile verwendet wurden, entstanden auch keinerlei Schnittstellenprobleme. Der Monitor wird wie üblich angeschlossen, zusätzlich hat er noch einen USB-Anschluss für die Berührungsfunktionalität und einen Anschluss für die Stromversorgung. Die Bedieneinheit ist dreh-und schwenkbar.

Der Halter besteht aus dem Ständer eines alten Zentriergeräts für Fahrradspeichen, aus einem Paramender aus der Zeit der 2-äugigen Fotoapparate und aus dem Schwenkscharnier eines alten PC-Monitors. Hier könnte man nachbessern, aber es funktioniert und ist stabil. Eine Zeichnung habe ich nicht angefertigt, sondern einfach draufl os gebaut. Die programmierte Bedienoberfl äche ist ein erster Versuch. Sie wird nach und nach angepasst und erweitert, besitzt aber bereits volle Funktionalität. Beim praktischen Arbeiten wird