Postprozessor: Werkzeugweg, Steuerungsdialekt und NC-Code prüfen

Thema: CNC-Steuerung & Achsen

Ein verbreitetes Missverständnis lautet, CAM-Software erzeuge „den“ G-Code, der auf jeder Fräse läuft. Tatsächlich berechnet das CAM-System zunächst einen weitgehend maschinenneutralen Werkzeugweg; erst der Postprozessor schreibt daraus Sätze für eine bestimmte Steuerung. Läuft ein Programm an einer Maschine einwandfrei und an der nächsten nicht, kann die Ursache deshalb in der Ausgabe liegen statt in der Strategie.

Was der Postprozessor zwischen CAM und Steuerung leistet

Autodesk beschreibt den Postprozessor im Handbuch für Fusion als Bindeglied zwischen CAM-System und CNC-Maschine. Eingang ist eine neutrale Zwischendatei mit Werkzeugdaten, Bearbeitungsarten und der Werkzeugmittelpunktbahn. Ausgabe ist meist G-Code im ISO/EIA-Stil; manche Steuerungen verwenden eigene oder dialogorientierte Sprachen.

Für diese Schnittstelle gibt es eine Norm: ISO 3592 legt Datei- und Sprachformat der CLDATA fest, also der Ausgabe eines NC-Prozessors. Laut ISO-Kurzbeschreibung soll jeder Postprozessor diese Daten als Eingabe verarbeiten können. Ob ein CAM-System intern genau dieses Format nutzt, sagt das nicht. Wo CAM gegenüber manueller und dialoggeführter Programmierung steht, ordnet der Beitrag zur CNC-Programmerstellung ein.

Vom Werkzeugweg zum maschinenspezifischen NC-Programm

Die Trennung hat einen praktischen Zweck: Strategie, Zustellungen und Schnittwerte werden einmal im CAM festgelegt. Für eine andere Maschine genügt dann ein anderer Postprozessor, sofern Arbeitsraum, Werkzeuge und Drehzahlen dort passen. Der Postprozessor legt dagegen Befehle, Nachkommastellen, Programmanfang, Werkzeugwechsel und Rückzüge fest.

Autodesk-Postprozessoren sind Textdateien in JavaScript mit der Endung .cps und lassen sich mit jedem Texteditor bearbeiten. Einstellbare Optionen stehen in einer Eigenschaftentabelle und lassen sich ohne Programmierung ändern. Das Handbuch behandelt unter anderem Formatdefinitionen, modale Gruppen, Kühlmittelcodes, Rückzugseinstellungen und Werkzeugwechsel.

Steuerungsdialekte: gleiche Bahn, anderer Code

Viele Steuerungen teilen die Grundbefehle G0 bis G3, unterscheiden sich aber bei Korrekturen, Zyklen und Hilfsfunktionen, wie der Vergleich der Befehlslisten von LinuxCNC und GRBL 1.1 zeigt.

Fehlt die Radiuskorrektur, muss das CAM-System die Mittelpunktbahn fertig berechnet ausgeben; ein Ausgleich des Fräserdurchmessers über die Steuerung ist dann nicht möglich. Den Unterschied zwischen programmierter Kontur und Mittelpunktbahn erklärt der Beitrag zu Werkzeugwegen.

Eigenes Rechenbeispiel: Kreisbogen als G3 oder als Geradenstücke

Wir nehmen einen Viertelkreis mit R = 10 mm in der XY-Ebene an, von X10 Y0 nach X0 Y10 gegen den Uhrzeigersinn, Mittelpunkt im Werkstücknullpunkt. Mit Bogenausgabe und inkrementellem Mittelpunkt (G91.1) genügt ein Satz: G3 X0 Y10 I-10 J0, denn I und J geben den Mittelpunkt relativ zum Startpunkt an. Drehrichtung und Mittelpunkt erklärt der Beitrag G03 programmieren.

Ohne Bogenausgabe wird der Bogen in Geradenstücke zerlegt; die Schnittstelle der Autodesk-Postprozessoren führt dafür eine Funktion linearize mit einer Toleranz als Parameter. Die größte Abweichung eines Geradenstücks vom Bogen, der Sehnenfehler, beträgt h = R × (1 − cos(Δφ/2)) mit dem Winkelschritt Δφ. Für eine angenommene Toleranz von 0,01 mm darf ein Schritt höchstens Δφ = 2 × arccos(1 − 0,01/10) ≈ 5,13° überstreichen. Aus 90° / 5,13° ≈ 17,6 werden aufgerundet 18 Sätze zu je 5°; der Sehnenfehler liegt dann bei 10 mm × (1 − cos 2,5°) ≈ 0,0095 mm.

Bei 600 mm/min, also 10 mm/s, ist jedes Geradenstück etwa 0,87 mm lang und nach rund 0,09 s abgefahren; die Steuerung muss gut 11 Sätze pro Sekunde verarbeiten. Mit 0,001 mm Toleranz wären es 56 Sätze mit je etwa 0,28 mm und knapp 36 Sätze pro Sekunde. Ob der Vorschub dabei gehalten wird, hängt von Satzverarbeitung und Look-Ahead der Steuerung ab. Auch das Zahlenformat zählt: Drei Nachkommastellen runden um höchstens 0,0005 mm, zwei schon um bis zu 0,005 mm, also die Hälfte der angenommenen Toleranz.

Typische Fehler und Grenzen

Ein Postprozessor für eine ähnliche Steuerung kann Code erzeugen, der nur teilweise passt. Nicht unterstützte Befehle führen je nach Steuerung zu einer Fehlermeldung. Heikler sind Befehle, die es auf beiden Seiten gibt, die aber Voraussetzungen haben: G28 fährt laut LinuxCNC-Übersicht eine vordefinierte Position an, die G28.1 festlegt; auch GRBL listet beide Befehle. Gibt ein Postprozessor G28 als Rückzug aus, muss diese Position an der Maschine sinnvoll gesetzt sein.

Weitere mögliche Ursachen sind fehlende Angaben am Programmanfang, etwa Einheit oder Nullpunktverschiebung, sodass das Programm vom Zustand des vorherigen Laufs abhängt, und ein falscher Modus für den Bogenmittelpunkt. Beim 5-Achsen-Fräsen muss der Postprozessor zusätzlich Kinematik, Drehrichtungen und Achsgrenzen der Maschine kennen. Eine Simulation im CAM-System bezieht sich je nach Programm auf den Werkzeugweg vor der Ausgabe und zeigt Ausgabefehler dann nicht.

Autodesk rät, die Ausgabe eines Postprozessors beim ersten Einsatz an der Maschine mit besonderer Vorsicht zu fahren, und stellt Testteile unter anderem für Fräsen und Drehfräsen bereit. Wie Code, Simulation und Einrichtung geprüft werden, beschreibt der Beitrag zum CNC-Programmtest.

Prüfliste für Auswahl und Anpassung

• Steuerung und Softwarestand ermitteln und die unterstützten Befehle aus deren Dokumentation entnehmen.
• Einen Postprozessor wählen, der für genau diese Steuerung beschrieben ist; Änderungen nur an einer Kopie vornehmen.
• Einheiten, Nullpunktverschiebung, Bogenausgabe, Werkzeugwechsel, Kühlmittel, Rückzug und Nachkommastellen festlegen.
• Ein Testteil mit Werkzeugwechsel, Bögen in mehreren Ebenen, Bohrungen und Rampen ausgeben.
• Den ausgegebenen Code Satz für Satz lesen und als NC-Code simulieren, nicht nur den Werkzeugweg.
• Den ersten Lauf als Trockenlauf mit Abstand über dem Werkstück und reduziertem Vorschub fahren.
• Version, Datum und Grund jeder Änderung an der Postprozessordatei notieren.

Für die selbst auf CNC umgerüstete Optimum BF 20 dieser Website wird damit kein bestimmter Postprozessor behauptet.