Museumskurier - Ausgabe 19 - Juni 2007

Klaus Rietschel

Erste Entwicklungen numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen in der DDR.

Ab etwa 1955 wurden Entwicklungen aus England und den USA von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen bekannt. Innerhalb der VVB WMW (Vereinigung Volkseigener Betriebe Werkzeugmaschinen- und Werkzeugindustrie) begann ab 1958 die Entwicklung im Elektrobüro Dresden (Leitung: Georg Lottmann).

Es wurde ein Prototyp für eine Stetigbahnsteuerung konstruiert und an einer umgerüsteten Kopierfräsmaschine FSS 315 (Hersteller: Fräsmaschinenfabrik Müller & Montag, Leipzig) erprobt. Der Steuerungsaufbau erfolgte auf Relaisbasis; zur Informationseingabe diente bereits ein Lochstreifen. Das analoge Interpolationsprinzip wurde über einen Ringkerntransformator umgesetzt. Potentiometer dienten als Messsysteme und die Gleichstromvorschubmotoren wurden mittels Thyratrons gesteuert.

Im Jahre 1960 wurde das neue Gebäude des Institutes für Werkzeugmaschinen (IfW) in Karl-Marx-Stadt (Annaberger Straße) bezogen. Es erfolgte der Aufbau einer Fachabteilung Elektrotechnik mit der Eingliederung von Mitarbeitern aus dem Elektrobüro Dresden, unter Leitung von Armin Russig. Diese neue Forschungseinrichtung befasste sich u. a. intensiv mit der weiteren Entwicklung der NC-Technik.

Auf Basis der "Dresdner Steuerung" wurde zunächst im IfW die Steuerungstechnik weiterentwickelt. Später konnte die Steuerung unter dem Namen "Paramat" zum industriellen Einsatz gebracht werden. Diese enthielt erste logische Transistorbaugruppen, und die Antriebe wurden nunmehr über Amplidynen gesteuert. Es zeigte sich recht bald, dass diese Technik nur mit erheblichem Aufwand weiter zu entwickeln war. Ein Haupthindernis war die Analogtechnik, welche nicht zum Rechnen geeignet war. Wie wollte man z. B. die äquidistante Mittelpunktsbahn eines Fräswerkzeuges berechnen, um den Fräserdurchmesser für die Bearbeitung zu berücksichtigen?

Die zeitlich parallel begonnene zweite Entwicklungsrichtung auf Basis digitaler Schaltungen zeigte bald deren Überlegenheit und wurde deshalb Grundlage für alle weiteren Vorhaben.

Zunächst wurde hierzu auf Basis der 25 kHz und 130 kHz Bausteine des VEB ELREMA Karl-Marx-Stadt ein eigenes Bausteinsystem WEMALOG 1 entwickelt; als Basis dienten hier Halbleiterbauelemente in Germaniumtechnik. Für dieses Bausteinsystem wurden die ersten bautechnischen Unterlagen für eine spätere Serienproduktion geschaffen. Gleichzeitig wurden die Schaltungsentwürfe für unterschiedliche und maschinenbezogene Steuerungsvarianten erarbeitet.

Im Jahr 1963 begann die konkrete Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Werkzeugmaschinen und den Betrieben WEMA Saalfeld, "Fritz Heckert" und Großdrehmaschinenbau "8. Mai". Die Zusammenarbeit hatte das Ziel, die neuen Steuerungstechniken zum industriellen Einsatz zu bringen. Grundlage waren hierfür zunächst vorhandene Serienmaschinen der genannten Betriebe:

  •  Für eine Revolverkopfbohrmaschine BMSR 25 mit Kreuzschiebetisch (WEMA Saalfeld) wurde die Anpassung einer Punkt-/Streckensteuerung im Institut vorbereitet.
  • In gleicher Verfahrensweise erfolgte die Anpassung der Bahnsteuerung "Paramat" an den ursprünglichen Prototyp der Fräsmaschine FSS 315 im Institut für Werkzeugmaschinen, wobei die maschinentechnische Betreuung vom VEB "Fritz Heckert" übernommen wurde.
  • Eine Streckensteuerung für die Drehmaschine DZ 500 KH IV num. ("8. Mai") wurde durch den Betrieb in Eigenregie angepasst.


Erstmalig konnten diese drei Maschinen auf der Frühjahrsmesse 1964 in Leipzig gezeigt werden. Zu diesem Zeitpunkt gehörten solche Lösungen zu den technischen Spitzenprodukten des Werkzeugmaschinenmarktes, und dies auch über die Grenzen der DDR hinaus.

Einige Besonderheiten der damaligen Steuerungsgeneration:

Grundlage waren einige Gerätetechniken aus der damals stark expandierenden Büro- und Rechentechnik. Diese Techniken waren jedoch für das Einsatzgebiet der Werkstatt nur bedingt geeignet; somit mussten zusätzliche Schaltungsmaßnahmen zur Sicherung der Zuverlässigkeit vorgenommen werden. Es wurde beispielsweise ein spezieller Lochstreifencode PC8c entwickelt, der ein Erkennen von zwei Einlesefehlern ermöglichte und einen Fehler automatisch korrigieren ließ.

An den analogen Bahnsteuerungen "Paramat" wurden Umlaufpotentiometer als Messsysteme eingesetzt. Zur Interpolation dienten Ringkerntransformatoren, die damit auch die jeweiligen Sollwertquellen zur Lageregelung darstellten; der analoge Regelkreis arbeitete mit der Trägerfrequenz von 400 Hz.

Für die digitalen Steuerungen wurden absolut digitale Messysteme gefertigt (Digitgruppen). Basis waren binär codierte Glasscheiben mit sieben Messspuren und max. 128 Inkrementen auf 360°, welche über Fotodioden abgetastet wurden. Zur sicheren Erfassung wurde hier die so genannte V-Abtastung eingebracht, die eines Diodenträgers mit Doppelbestückung pro Spur bedurfte. Damit war ein Abruf der vor- oder nacheilenden (versetzten) Diode möglich und es wurden die der Position zugehörigen Messignale eindeutig bestimmt. Da diese Scheiben nicht ausreichten, die geforderten Messlängen zu erfassen, mussten innerhalb eines Messsystems zwei Scheiben mit einer mechanischen Getriebeuntersetzung (VEB Carl Zeiss Jena) versehen bzw. durch Nockenleisten an den Maschinen ergänzt werden. Damit waren Messlängen über einen Meter möglich. Die ersten Gehäuse der Messsysteme an den Mustermaschinen wurden in der Gießerei "Rudolf Harlaß" abgegossen.

Für die Fräsmaschine FSS 315 num. kam das Messprinzip "Zahnstange / Ritzel" in Anwendung. Die Verbindung der Messysteme zur Maschine bei den digitalen Steuerungen erfolgte mit vorgespannten Kugelwälzschraubtrieben. Diese waren zunächst nur reine Messtriebe, und vom VEB Mikromat Dresden hergestellt (aus dem Vollen geschliffen!). Die Muttern wurden im VEB Industriewerke Karl-Marx-Stadt geschnitten. Baugleiche Kugelwälzschraubtriebe kamen ab dem Jahre 1965 auch für Maschinen mit Bahnsteuerungen zum Einsatz.

Eine weitere Besonderheit stellte der Transfluxorspeicher für die Speicherung von Festwerten an der DZ 500 dar. Dieser aus Ferritkernen bestehende Speicher konnte die Nullpunkte aller sechs möglichen Werkzeuge unverlierbar abspeichern und auch Werkzeugkorrekturen automatisch ermöglichen. Die Speicherkerne wurden von Mitarbeiterinnen handgewickelt.

Bereits 1965 konnte ein breiteres Maschinensortiment mit numerischen Steuerungen auf der Leipziger Frühjahrsmesse gezeigt werden. Es handelte sich um folgende Maschinen:

  • Bohrmaschine BMRS 25 num. mit Punktsteuerung 3 Achsen (Wema Saalfeld)
  • Drehmaschine DZ 500 num. mit Streckensteuerung 2 Achsen ("8. Mai" K.-M.-Stadt)
  • Koordinatenbohrmaschine BKoZ num. Streckensteuerung 4 Achsen (Mikromat Dresden)
  • Bohr- und Fräsmaschine BFT 125/5 num. Streckensteuerung 5 Achsen (Union Gera)
  • Fräsmaschine FKrS 630 num. mit Bahnsteuerung "Paramat" 2½ Achsen (Fritz Heckert)
  • Werkzeugprofilschleifmaschine SWPO 80 mit Bahnsteuerung "Paramat" (Mikromat Dresden)

Die Fertigungen der Steuerungen erfolgte für die beschriebenen Mustermaschinen bis zu diesem Zeitpunkt beim VEB Starkstromanlagenbau Karl-Marx-Stadt (VEB SAK) nach Unterlagen der WMW.

Innerhalb der VVB WMW ging es ab 1965 darum, die neue Technik der Maschinen selbständig zu testen und eigene Erfahrungen zu sammeln. Aus diesem Grund wurde im VEB Modul Karl-Marx-Stadt ein erstes "Numerikzentrum" eingerichtet; neue Maschinen wurden dort konzentriert. Das Numerikzentrum stand gleichzeitig als Vorführzentrum und zur Qualifizierung für Mitarbeiter und Kunden zur Verfügung.

Mit unterschiedlichen Zeitabläufen wurden NC-Maschinen in die Serienproduktion übergeleitet und gefertigt. So wurde die Maschine DZ 500 (als Serie DZ 630) beispielsweise 1967 mit 15 Stück produziert, wovon zwei bereits in den Export (CSSR) gingen. Vom VEB Mikromat Dresden wurde die Werkzeugschleifmaschine SWPO 80 in Serie hergestellt.

Einhergehend mit der Entwicklung der Maschinen musste das Umfeld für den praktischen Einsatz geschaffen werden. Dieses bestand in Programmierhilfen und aus programmtechnischem Aufbereitungs-material. Bemerkenswert sind hier die ersten Schritte zur automatischen rechnergestützten Programmierung über das System SAP (Semi Automatische Programmierung), welches in den Folgejahren industrielle Anwendungen fand und auch mehrfach über das Numerikzentrum MODUL verkauft werden konnte.

Zur Unterstützung der Programmierung (Stützpunktberechnung) für die Stetigbahnsteuerungen wurden Programme für den Rechner Typ ZRA 1 entwickelt und genutzt. Die nunmehr umfangreichen Erfahrungen zeigten, dass eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Steuerungstechnik und der Maschinen erforderlich war. Es entstanden neue Maschinenkonzepte, welche den höheren Anforderungen einer automatisierten Maschine besser entsprachen, z. B. die Drehmaschine DFS 400 NC (die weltweit erste numerisch gesteuerte Schrägbettdrehmaschine mit kurzem Querschieber und Scheibenrevolver, entwickelt unter Leitung von Wolfgang Seifert im VEB "8. Mai"). In der Steuerungstechnik waren es besonders die Fragen der Zuverlässigkeit (Umstellung auf Silizium) und der Reduzierung des Aufwandes, die einer dringenden Weiterentwicklung bedurften. Im IfW wurde in dieser Zeit unter Federführung der Fachabteilung Drehmaschinen ein einfaches Steuerungssystem ENC entwickelt, welches als Eingabemedium ein Kugelschrittschaltwerk beinhaltete. Hierzu wurden TRANSLOG-Bausteine vom VEB EAW Berlin eingesetzt. Diese Steuerungen wurden in großen Stückzahlen an Maschinen vom Typ DF 315 des VEB WEMA Magdeburg angebaut und später vorrangig in die UdSSR exportiert. In mehreren Betrieben und Institutionen, so z. B. im Zentralinstitut für Fertigungstechnik (ZIF) Karl-Marx-Stadt, entstanden weitere Aktivitäten zur Entwicklung von Steuerungssystemen. Diese Einzelaktivitäten wurden grundlegend gestoppt, nachdem durch das IfW ein Konzept für eine neue Generation einer Baugruppensteuerung vorgestellt werden konnte. Vorausgegangen war die Überarbeitung des Bausteinsystems WEMALOG 1 zu WEMALOG 2; dieses neue System war die Grundlage für eine neue Baugruppensteuerung. Es standen größere Leiterkarten zur Verfügung und damit war ein höherer Integrationsgrad möglich. Grundlage der Schaltelemente waren nunmehr diskrete Siliziumtransistoren und Dioden. Die Entwicklung der neuen Steuerung hatte die Hauptziele:

  • Aufwandsminimierung von Bauelementen, wie Transistoren und Dioden,
  • Abdeckung vieler Bedarfsfälle mit einem einheitlichen System und
  • Schaffung kostengünstiger Fertigungsvoraussetzungen.

Das wurde durch den Übergang von der bis dahin praktizierten Parallelrechentechnik in der Steuerung zu einem getakteten System ermöglicht. Neu war eine spezielle serien-parallele Informationsverarbeitung, wodurch die elektronischen Bauelemente im Leistungsvermögen besser ausgenutzt wurden. Es entstand eine erhebliche Aufwands- und Kostenreduzierung. Dieses neue System wurde unter dem Namen BNC-3 nunmehr die tragende Säule in der weiteren Entwicklung numerisch gesteuerter Maschinen. Grundsätzlich handelte es sich um eine Punkt-/Streckensteuerung mit ausbaubarem modularen Charakter bis sechs Achsen. Das Grundprinzip konnte durch das Institut für Werkzeugmaschinen (Erfinder: Horst Schneider und Armin Russig) urheberrechtlich geschützt werden. Die breite Anwendungsmöglichkeit des Steuerungssystems bedurfte erheblicher Kapazitäten in Entwicklung und Produktion, welche im Verband der WMW nicht ausreichend vorhanden waren. Dazu kam 1965 die zentrale Entscheidung, dass diesbezüglich alle Entwicklungen und die Produktion durch die Elektroindustrie wahrzunehmen sind. Es erfolgte die Überleitung der Entwicklung der BNC-3 an den VEB Starkstromanlagenbau Karl-Marx-Stadt (SAK) und dort die technologische Aufarbeitung, um das System in großen Stückzahlen fertigen zu können.

Die weitere Verantwortung zur Entwicklung der Steuerungstechnik lag nunmehr in den Händen des VEB SAK und es begann eine langjährig anhaltende und gute Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Partnern SAK, Institut für Werkzeugmaschinen und den Betrieben der Werkzeugmaschinenkombinate.

Quellen/Literatur:
[1] Russig, Armin: Die numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen. In: Maschinenbautechnik 13(1964)11
[2] IFW Messeinformation: Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen auf der Jubiläumsmesse. Leipzig, 1965
[3] Seifert, Wolfgang ; Fischer, Heinz: Technische Informationen Drehmaschinen, Sonderheft 4
[4] Rietschel, Klaus ; Schneider, Horst: Anfänge der NC-Technik im Werkzeugmaschinenbau der DDR.
Vortrag zum Kolloquium der Fa. Siemens "40 Jahre Entwicklung der Steuerungstechnik in K.-M.-Stadt / Chemnitz". Chemnitz, 2006