CNC-Steuerung

CNC-Steuerung für Fräsmaschine bauen

Die Rotwerk Fräse soll eine den neuen 4 Ampere Motoren entsprechende Steuerung bekommen. Es gibt jede Menge Hersteller von Steuerungen für CNC-Maschinen. Viele davon sind auch im Hobby-Bereich verwendbar, da die Preise verträglich sind. Allerdings entspricht keine der z.Zt. erhältlichen so ganz meinen Vorstellungen. Also muß auf jeden Fall noch nachgerüstet werden.

Es folgt mein Bericht mit Anregungen (auch als Komplettlösung nutzbar) zum perfektionieren der Steuerung:

Der Aufbau: Schaltbild Not-Stop Anzeige Kühlung Netzteil Gehäuse 4. Achse
Fehlersuche und Tips

Eine noch etwas erweiterte Steuerung mit SM33PCV7 ist im Abschnitt CNC-Portalfräse zu finden.

Was ist geplant?

Ich habe mich für eine Steuerung von GWR-Elektronik entschieden, SM33PCV7 mit 3 Kanälen für 4 Ampere pro Motor, galvanisch entkoppelt vom LPT-Port, automatische Stromabsenkung bei Motorstillstand, 3 x Enschalter- und Not-Aus- und Werkzeugtaster-Anschluss ebenfalls galvanisch entkoppelt vorhanden. Dazu die passende Relaiskarte RK2V7 für Spindel und Kühlung schalten, ebenfalls galvanisch entkoppelt.

Zur Spannungsversorgung ein Ringkerntransformator mit sekundär 30 Volt (2x15V) und 5,33 Ampere für Motorspannung und Steuerspannung, Gleichrichter KBPC1010 sowie das Netzteil SMN 4515V1, das 5 Volt Steuerspannung (Motorlogik) und mit diesem Trafo etwa 42 Volt Motorspannng bereitstellt. Dazu kommt noch ein weiteres komplettes Netzteil 12 Volt und 1 Ampere für die Eingangslogik (galvanische Entkopplung) und... für die Arbeitslampe die den Kreuztisch beleuchtet.
An der Maschine wird eine Tafel für Anzeige und Bedieung angebaut. Hier werden die Funktionen Power, Fahren Richtung X-Y-Z, Endschalter X-Y-Z, Spindel Ein, Kühlung Ein, Werkzeuglängensensor und Notstop betätigt mit LEDs angezeigt. Auch der Bereit-Taster findet hier seinen Platz.
Die Fahren-Anzeige wird mit zweifarbigen LEDs realisiert, die je nach Richtung Rot oder Grün leuchten (alternative Fahr-Anzeige im 2. Schaltbild). Ich verwende hier zweifarbige LEDs mit 2 Anschlüssen, es sind aber genauso zweifarbige LEDs mit 3 Anschlüssen oder 2 einfarbige LEDs möglich.
Der Not-Stop wird gut erreichbar in die Schalttafel der Maschine eingebaut.
WICHTIG: Das Gehäuse wird in 2 Bereiche unterteilt, einer enthält das Netzteil und ALLE Netzspannung führenden Teile, der andere die Steuerung. Unterteilt wird mit einer Aluminium-Platte, die an PE (Schutzleiter) angeschlossen ist.
Die Relais zum Schalten von Spindelmotor und Kühlung werden von der Relaiskarte entfernt und innerhalb der Anzeigetafel (also direkt in der Maschine) eingebaut. Dadurch müssen keine Netzspannnung führenden Kabel zwischen Steuerung und Maschine verlegt werden.

Wer das nicht so macht, sollte zumindest die Relais, die ja 230V schalten, auf die Netzteilseite verlegen.
Netzspannung ist Lebensgefährlich! Man sieht immer wieder Steuerungen selbst professioneller Hersteller, in denen die Relais mit den 230V-Kabeln auf der Steuerungsseite eingebaut sind oder die Steuerung garnicht vom Netzteil getrennt ist. Das ist purer Leichtsinn und unverantwortlich.
Auf der Steuerungsseite des Gerätes sind Netzspannungsführende Teile absolut fehl am Platz.

Am besten ist jedoch, die Steuerung erst mal ohne den ganzen zusätzlichen Kram aufzubauen. Dann die Inbetriebnahme laut Anleitung durchführen und erst danach Schritt für Schritt die Erweiterungen vornehmen. Wenn etwas nicht funktioniert, bitte ganz unten den Abschnitt "Fehlersuche" beachten.

Da mir Beschreibung und Zeichnungen zur SM33PCV3 etwas konfus erscheinen, erlaube ich mir an dieser Stelle mal einige Hilfen bereitzustellen:

Beschaltung original - SM33PCV7 + RK2V7 + SMN4515V1
Jumper + LEDs + Messpunkte - SM33PCV7

Die fertige Steuerung an die Maschine angeschlossen und in Betrieb genommen. Mit der Leistung der Steuerung bin ich zufrieden, die Arbeit hat sich gelohnt.

Ich fahre jetzt X- und Y-Achse mit 750mm/min und die Z-Achse mit 1250mm/min.
Die 4A-Motoren würden wohl auch mehr leisten, aber das ist für die kleine Maschine absolut ausreichend.

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Schaltbild

Gesamtaufbau der Steuerung (Schaltbilder ohne 4. Achse)

Dieser Gesamtaufbau soll als Anregung dienen, das ganze wäre so oder ähnlich auch mit einer anderen Steuerung - beispielsweise 3D-Step - möglich.

Für den Anschluß der Schalttafel, Endschalter, Not-Stop, Werkzeuglängensensor, Spindel und Kühlung von der Steuerung zur Maschine benutze ich einen weiteren 25poligen Sub-D Anschluß, der in der Schaltungsübersicht mit XX bezeichnet ist.

Die blau gezeichneten Anschlüsse XA der SM33PCV7 werden nachgerüstet zur Ansteuerung der Anzeigetafel.

Die Schaltung enthält an der Maschine auch die Vorbereitung für eine 4. Achse (Teilapparat), die mit W bezeichnet wird.
Die grün gezeichneten Anschlüsse XA der SM33PCV7 werden nachgerüstet zur Ansteuerung der 4. Achse - dazu später mehr.

Beschaltung der SM33PCV7 + RK2V7 + SMN4515V1 mit zusätzlichem externem Netzteil, Lüftung und Anzeigeansteuerung:

Wie die Beschaltung in und an der Maschine aussieht, zeigt das folgende Schaltbild.

Wem das mit den LEDs nicht gefällt, hier die Schaltbilder ohne Anzeige-LEDs:

Steuerung ohne LED
Maschine ohne LED

Hinweise zur Schaltung

Die für die Eingangslogik verwendeten 7V - 12V des externen Netzteils werden auf der SM33PCV7 intern auf 5 Volt reduziert, da diese Logik ebenfalls mit 5 Volt arbeitet. Um die Spannungen auf den Schaltbildern besser zu unterscheiden habe ich dem entgegen die Eingangslogik immer mit 12 Volt ( 12V E ) angegeben. Die Motorlogik ist mit 5 Volt ( 5V M ) bezeichnet.
Der Werkzeugsensor ist im Gegensatz zu den Endschaltern ein Schließ-Kontakt. Um den Anschluß des Werkzeugsensors auch für die Bereit-Taste nutzen zu können gibt es zwei Varianten: Parallel 2 Schließer oder in Reihe 2 Öffner. Ich benutze eine Kombination aus beidem, da der Anschluß gleichzeitig auch für einen elektrischen Kantentaster benutzt werden soll. Und der Kantentaster kann nur ein Schließkontakt sein.
Bei Benutzung des Bereit-Tasters muß der Anschluß für Werkzeugsensor/Kantentaster dann mit einem Kurzschlußstecker überbrückt werden. Der Bereit-Taster kann z.B. in PCNC für DOS benutzt werden. Der DIN-Befehl für den Bereit-Taster an Pin 15 LPT lautet: M16 F15.
Wenn man mal etwas ändern will oder wenn man etwas reparieren muß, ist es praktich wenn nicht alles nur verlötet ist. Hinten im Schaltkasten ist der Steckverbinder XY zwischengebaut, und vorne im Anzeigegehäuse der Steckverbinder XZ. Auch die Kabel von den Relais zu Spindelmotor und Magnetventil sowie zum Not-Stop-Schalter sind abklemmbar und somit das Anzeigegehäuse zwecks eventueller Reparatur (z.B. LED kaputt) komplett abnehmbar.
Die Farben der Leitungen von XX nach XZ sind dem Kabel entnommen das ich verwendet habe. Andere Kabel haben manchmal eine andere Farbzusammenstellung.
Da an der Schnittstelle LPT1 kein Eingang mehr frei ist, ist noch nicht klar ob ich später an die 4. Achse einen Endschalter anbaue. Wenn ja, muß dafür eine zweiter LPT-Port her.

Modifizieren der Steuerkarte SM33PCV7

Erst mal ohne Modifikationen hier eine Zeichnung eines teils der Steuerkarte SM33PCV7, an der für die Erweiterungen wichtige Anschlüsse angelötet werden müssen:

Diese Zeichnung stellt in etwa das Layout des für uns wichtigen Teils der Steuerkarte dar. Die Leitungsführung ist hier nur schematisch dargestellt, entspricht also nicht dem tatsächlichen Leitungsverlauf. Diese Zeichnung wird im weiteren Verlauf des Aufbaus der Steuerung mehrfach zum darstellen der für meine modifizierte Steuerung wichtigen Anschlußpunkte verwendet.

Anmerkung: Das ist eine Prinzipzeichnung zur Veranschaulichung der Lage der Bauteile und der
für die Beschaltung wichtigen Verbindungen. Schwarz gezeichnete Leitungen sind vorhandene
Leiterbahnen der Steuerkarte, der wirkliche Leitungsverlauf ist aber auf der SM33PCV7 anders.

Die für die Eingangslogik verwendeten 7V - 12V des externen Netzteils werden auf der SM33PCV7 intern auf 5 Volt reduziert, da die Motorlogik ebenfalls mit 5 Volt arbeitet. Die Spannungsreduzierung habe ich zwischen X4 und X5 vereinfacht dargestellt.

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Nachrüsten von Spindel- und Kühlung- Not-Stop

Die Signale für Spindelmotor (K1) und Kühlung (K2) werden von der Steuerkarte SM33PCV7 zur Relaiskarte RK2V7 nur durchgeschleift, also werden mit dem Not-Stop die Relais der RK2V7 und somit Spindelmotor und Kühlung NICHT direkt ausgeschaltet. Einige Software gibt den Not-Stop an Spindel und Kühlung weiter, schaltet diese also aus, andere aber nicht. Daher habe ich mich entschlossen, diese Sicherheits-Funktion nachzurüsten. Hier das Wirk-Prinzip.

Modifizieren der Steuerkarte SM33PCV7 (1)

Zum Anschluß des Signals wird an der Unterseite der Steuerkarte SM33PCV7 vom Pin 3 des IC HCF4093 ein Draht zu Pin 5 des Pfostensteckers X5 gelötet (rote Linie). Somit steht das Signal am Pin 5 des Pfostensteckers der Relaiskarte RK2V7 zur Verfügung. Da das Signal auf der Steuerkarte vom neben dem HCF4093 liegenden LTV845 bereits optisch (galvanisch) entkoppelt ist, muß ich mich darum nicht kümmern.

Modifizieren der Reaiskarte RK2V7

Die beiden Widerstände 3k3 werden entfernt. An deren Anschlußpunkten (a1/b1 und a2/b2) wird die Schaltung für die Notstop-Integration (im zweiten Schaltbild blau) eingefügt. Das sollte für einen halbwegs versierten Löter kein Problem sein. Auch diese Signale (K1 & K2) sind an dieser Stelle bereits von den PC817 optisch (galvanisch) entkoppelt, keine weiteren Maßnahmen nötig.

Das durch den Anschluß des Pin5 bereitgestellte Not-Stop Signal wird jetzt für den Umbau verwendet.

Eingefügte Schaltung Blau gezeichnet, rechts eine modifizierte Platine.

Die beiden zusätzlichen IC wurden auf ein Stück Lochrasterplatine gesetzt und mit der RK2V7 verkabelt. Da die Relais entfernt (in die Maschine eingebaut) werden, kann an deren Stelle diese Lochrasterplatine aufgesetzt werden. Außerdem habe ich noch die vorhandenen ICs gesockelt.
Auf dem unteren Foto zu sehen gehen Links mitte die Kabel zum LED-Panel (K1 & K2) und darüber die Kabel zu den Relais ab. Wie bereits weiter oben erwähnt werden die Relais in die Maschine verlegt.

Die Funktion ist einfach: Die Relais-Signale werden über die beiden AND-Gatter des 74HC08 mit dem Not-Stop-Signal verknüpft. Somit können die Relais nur Einschalten wenn kein Not-Stop betätigt wurde bzw. schalten aus wenn Not-Stop betätigt wird.

Zur optischen Kontrolle der Not-Stop Funktion habe ich noch eine weitere LED mit Vorwiderstand angebaut. Hier muß das Not-Stop-Signal mit dem 74HC14 invertiert werden. Als LED-Treiber benutze ich eine Darlington-Stufe des schon vorhandenen ULN2003.
Auch hier könnte man noch ein Relais schalten um etwa bei betätigen des Not-Stop eine Rundumleuchte zu aktivieren (blödes Beispiel, Overkill) !

Layout der RK2V7 mit den Anschlußpunkten von oben und von unten,
die zu ergänzenden Leitungen sind Blau:

Die Anschlüsse C D und E sind für die LEDs im Anzeige-Feld der Maschine vorgesehen. Wer das nicht baut, kann diese Anschlüsse und den 74HC04 weglassen.

Bleibt noch zu erwähnen: Es wird empfohlen, die unbenutzten Eingänge (und nur die Eingänge) der ICs 74HC... auf GND (Pin 7) zu löten.

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Anzeige- & Bedienfeld

So soll die Schalttafel aussehen. Die Fahren-LEDs sind zweifarbig und zeigen dadurch die Richtung an. Die 4. Achse (W) ist vorbereitet.
Weiter werden angezeigt: Spannung Ein, Spindel Ein, Kühlung Ein, Werkzeuglängensensor und Not-Stop betätigt.

Der Ein/Aus-Schalter (über dem Not-Stop) bleibt angeschlossen. Ist er nicht eingeschaltet, sind Spindel und Kühlung außer Betrieb.
Ich benutze das für erste Programm-Probefahrten über dem Werkstück, hiebei muß der Fräser nicht drehen und die Kühlung wird auch nicht benötigt.

Schalttafel (Anzeige- & Bedienfeld mit Bereit-Taster) an der Maschine
Anzeige

Ich habe den seitlichen Deckel abgenommen, ein Stück Gehäuse (Vorder- Rück- Ober und Unterseite) angesetzt, und mit superlangen Schrauben den Deckel wieder angeschraubt.

In dem zusätlichen Gehäuse finden die Relais, die Elektronik der fahren-Anzeige, der bereit-Taster und der Anschluß für das Kühlung-Magnetventil ihren Platz.
Hinter der fahren-Elektronik, auf der anderen Seite, befindet sich der 22-polige Steckverbinder XY. Der Steckverbinder XZ für die Endschalter ist im Schaltkasten an der Maschine hinten untergebracht.

Anzeige

Modifizieren der Steuerkarte SM33PCV7 (2) ( Wer keine LEDs anbaut, kann diesen Teil ignorieren )

Die Signale für die Notstop-LED und Endschalter-LED XYZ sind direkt vom Steckverbinder X3 auf der SM33PCV7 abnehmbar. Die Richtungs-Signale XYZ und das Wekzeugsensor-Signal müssen wir anders anschließen und aufbereiten.

Anschlüsse für die Anzeigetafel (Blau):

Anmerkung: Das ist eine Prinzipzeichnung zur Veranschaulichung der Lage der Bauteile und der
für die Beschaltung wichtigen Verbindungen. Schwarz gezeichnete Leitungen sind vorhandene
Leiterbahnen der Steuerkarte, der wirkliche Leitungsverlauf ist aber auf der SM33PCV7 anders.

Zur Ansteuerung der LEDs wird eine kleine Zusatzschaltung mit 2 ICs auf einer Lochrasterplatine zusammengelötet. Als Treiber/Schalter für die LEDs dient jeweils eine Darlington-Stufe des IC ULN2003. Vorher werden die Signale vom 74HC14 invertiert. Dabei dient der 74HC14 auch der Signalaufwertung.

Da einige der Leitungen auch für die später folgende Ansteuerug der 4.Achse benötigt werden, machen wir die Platine gleich etwas größer als hier benötigt.

Alternative Fahren-Anzeige

Die normale Anzeige der Fahren-LEDs zeigt nur: Fahren in (+)-Richtung = LED an, fahren in (-)-Richtung = LED aus. Das ist mir persönlich zu einfach, und deshalb ist im Gesamt-Schaltbild oben eine Alternative dargestellt. Mit dieser Anzeige leuchtet eine Duo-LED je nach Richtung in der einen oder anderen Farbe. Hier noch einmal der Schaltplan einzeln.

Die Anzeige kann mit 2-poligen oder 3-poligen Duo-LEDs oder auch mit zwei einzelnen LEDs gebaut werden.

Das ankommende Fahren-Signal wird auf die Eingänge von 2 Logiks des 74LS00 gelegt. Einer der beiden Ausgänge der Logiks wird durch den dritten Logik invertiert. Mit dieser Kombination wird die Duo-LED beim ein- bzw. ausschalten des Richtungs-Signals einfach umgepolt und zeigt also die Richtungen mit verschiedenen Farben an.

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Einfachste Lüfterregelung

Natürlch bekommt das ganze eine Zwangsbelüftung, damit entstehende Wärme abgeführt wird. Dazu sind in die Rückwand zwei Lüfter eingebaut und unter allen Leiterplattten sind mehrere 5mm große Löcher im Gehäuse gebohrt. Somit sollte ein relativ guter Luftdurchsatz gewährleistet sein.

Wird der Kühlkörper der Steuerung wärmer, wird auch die Drehzahl der Lüfter hochgeregelt und bei Abkühlung wieder heruntergeregelt.

Wegen der minimalistischen Schaltung muss mittels Einstellpoti (4k7) die minimale Drehzahl der Lüfter am kalten Gerät so eingestellt werden, dass jeder Lüfter beim Einschalten der Steuerung sicher anläuft.

Die Schaltung wird auf einem kleinen Stück Lochrasterplatine (7x10 Löcher) aufgebaut und direkt auf dem Kühlkörper der SM33PCV7 befestigt. Der Temperatursensor (NTC 470) wird mit ein wenig Wärmeleitkleber auf den Kühlkörper geklebt.

Bei einer Messung fingen die Lüfter ab einer Kühlkörpertemperatur von etwa 45 Grad an hochzudrehen, und je höher die Temperatur, um so mehr drehen die Lüfter dann auch.

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Netzteil

Auf der rechten Seite der Steuerung habe ich das Netzteil plaziert.
Das komplette Netzteil wird durch eine große Aluminiumplatte von der Steuerung getrennt. Die Aluminiumplatte ist an PE (Schutzleiter) angeschlossen.
Diese Aluminiumplatte ist relativ wichtig, da sie Netzteil und Steuerung gegeneinander abschirmt. Die tatsächlich hochfrequenten Motorströme sollten nicht das Netzteil beeinflussen.

Vorn die Platine SMN4515V1, die 40 Volt Motorspannung und 5 Volt Motorlogik bereitstellt.
Hinten ein Ringkerntransformator mit sekundär 30 Volt (2x15V) und 5,33 Ampere für Motorspannung.
Zur Verstärkung des Bodens unter dem Trafo habe ich eine alte CD aufgeklebt.

über dem Trafo habe ich das zweite Netzteil 12 Volt und 0,5 Ampere plaziert. Dieses Teil stellt die Spannung für die Eingangslogik bereit.

Die Gleichrichter KBPC1010 sind zur Kühlung an die Aluminiumplatte geschraubt.

In die Rückwand sind 2 Sicherungselemente je 10 Ampere für den Trafo eingebaut.

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Gehäuse

Das Gehäuse, Grundplatte mit Rückwand und Deckel mit Seitenwand, ist aus 2 mm dickem PU-Platten und 10 mm Alu-Winkelprofilen gebaut. Die Vorderseite ist 2 mm Plexiglas. Die Winkelprofile sind mit M3-Schrauben mit den Platten verschraubt. An der Rückwand wurden rechts und links etwas größere Aluwinkelprofile verbaut, aber nur weil die letzte PU-Platte zu schmal war. Die fest verschraubten Seiten der Alu-Winkel wurden vor dem montieren mit Kleber bestrichen, das gibt der Konstruktion mehr Festigkeit
Zusätzliche Stabilität gibt die 2 mm Aluminiumplatte, die senkrecht im Gehäuse steht, mit Rückwand und Boden verschraubt ist und Netzteil und Steuerung trennt.

Die Alu-Ecken an der Frontplatte dienen der Verstärkung, machen aber auch optisch etwas her.

Die Alu-Profile und die darin enthaltenen Schrauben sind an PE (Schutzleiter) angeschlossen.

Dazu habe ich ALLE Alu-Profile über Drahtbrücken miteinander und mit der Trennwand verbunden. Die Trennwand ist ebenfalls an PE angeschlossen.

Damit die Zwangsbelüftung ordentlich arbeitet, steht das ganze auf 9 auf die Grundfläche verteilten Imbusschrauben, die .ca 10mm aus dem Boden ragen. Im Boden sind an den entsprechenden stellen Lüftungslöcher.
Die Leiterplatten sind ebenfalls mit Abstandhaltern auf dem Gehäuseboden verschraubt, damit die Luft um die Leiterplatten herum strömen kann

In der Rückwand finden alle Anschlüsse, die Lüfter und die Sicherungen ihren Platz.

Nach etwa 8 Stunden intensiver Arbeit ist so ein Gehäuse fertig.

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Wegen Simson & MAW ruhen die Arbeiten hier vorläufig

Es folgt später ...

Steuerung erweitern für 4. Achse ( Teilapparat / Rundtisch ) mit zusätzlicher Steuerkarte SM11PCV1

4. Achse bei mir mit "W" bezeichnet.

Modifizieren der Steuerkarte SM33PCV7 (3)

Anschlüsse für die 4. Achse (W) Grün:

Anmerkung: Das ist eine Prinzipzeichnung zur Veranschaulichung der Lage der Bauteile und der
für die Beschaltung wichtigen Verbindungen. Schwarz gezeichnete Leitungen sind vorhandene
Leiterbahnen der Steuerkarte, der wirkliche Leitungsverlauf ist aber auf der SM33PCV7 anders.

Anschlüsse für die 4. Achse (W) ohne LEDs

hier das
Blockschaltbild der Ansteuerung für die 4. Achse, die Schaltung A4 wird z.Zt. konstruiert:

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Fehlersuche

Wer die Steuerung aufbaut und in Betrieb nimmt, sollte die Hinweise zur Inbetriebnahme lesen. Wenn das ganze etwa schon beim Einstellen der Motorströme nicht funktioniert, logisch denken und mögliche Fehlerquellen Schritt für Schritt prüfen und ggf. reparieren.

Am besten ist es, die Steuerung erst mal ohne den ganzen zusätzlichen Kram aufzubauen. Dann die Inbetriebnahme laut Anleitung durchführen und erst danach Schritt für Schritt die Erweiterungen vornehmen.

Hier einige Tipps:

1. Ist die Pinbelegung PC - Steuerung korrekt in der Software eingestellt?

2. Sind die Spannungen Motorlogik und Eingangslogik an X4 vorhanden? (messen)

3. Kommen die Befehle der Software korrekt an X1 an? (messen)

4. Sind Notstop (X2 Pin 2-7) und Endschalter (X2 3-8, 4-9, 5-10) geschlossen?

Anfragen bei mir per Email: "... liegt es an meinem Kabel?" oder so ähnlich sind sinnlos, eine Ferndiagnose ist fast unmöglich!

Beschaltung original - SM33PCV7 + RK2V7 + SMN4515V1
Jumper + LEDs + Messpunkte - SM33PCV7

Und nochwas:
CNC ist nun mal eine nicht einfache Angelegenheit. Du kannst nicht erwarten eine Software zu installieren und 30 Minuten später funktioniert alles.
Vor allem erst mal Handbücher lesen, Schritt für Schritt an der Maschine durchgehen, vorgenommene Schritte nochmals prüfen.

Wer wie ich bei Null anfängt (meine NC-Ausbildung war 1976) der muß sich damit beschäftigen, das heißt also
lernen, lernen und nochmals lernen
einrichten, einrichten und nochmals einrichten
testen, testen und nochmals testen

. . . und dann funktioniert das auch !

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