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CNC-Universalfräsmaschine mit 5-Achssteuerung
CNC-Bedienfeld von Siemens
Computerized Numerical Control (CNC), übersetzt „computerisierte numerische Steuerung“, ist eine elektronische Methode zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen (CNC-Maschinen), bzw. die dafür eingesetzten Geräte (Controller, Computer).
Entstehung der CNC
Hervorgegangen ist die CNC aus der NC, Numerical Control, bei der die Informationen nicht als Komplettprogramm in der Steuerung einer Maschine gehalten, sondern satzweise von einem Lochstreifen eingelesen wurde.
Das Zeitalter der CNC-Technologie setzte ungefähr Mitte der 1970er Jahre ein. Sie ermöglichte eine Rationalisierung in der Serienfertigung und Einzelfertigung durch die erheblich schnellere und dabei trotzdem sehr genaue Bewegung der Achsen und Werkzeuge. Heute sind nahezu alle neu entwickelten Werkzeugmaschinen mit einer CNC-Steuerung ausgerüstet. Es gibt aber noch immer weltweit einen beachtlichen Altbestand an konventionellen Werkzeugmaschinen.
Marktentwicklung
Bereits zu Beginn der 1980er Jahre gab es Ansätze, die Programmierung der CNC zu vereinfachen und die DIN/ISO-Programmierung zu verlassen. Das führte zur Entwicklung der so genannten werkstattorientierten Programmierung (WOP), die über eine benutzerführende, vereinfacht CAD-ähnliche Programmieroberfläche verfügt. Sie hat sich besonders in der Holz- und Kunststoffbearbeitung auf CNC-Bearbeitungszentren und der Fertigung von Einzelteilen etabliert.
Daneben ist mit DNC (Distributed Numerical Control) die vernetzte Arbeitsteilung, Programmerstellung im Büro / Programm am Arbeitsplatz simulieren zur Kollisionsüberprüfung und optimieren / Programm zur CNC übertragen, in Gebrauch. Diese Form der Programmierung gewinnt immer mehr an Bedeutung, vor allem in der Einzelteil- und Kleinserienfertigung, weil besonders hier die Stillstandszeiten zur Programmierung an der Maschine selbst sehr reduziert werden können, so dass die Maschinen insgesamt produktiver genutzt werden können.
Seit einiger Zeit erobert die sogenannte Soft-CNC den Markt der CNC-Steuerung. In der Soft-CNC laufen sämtliche Steuerungsfunktionen nicht in Hardware abgebildet als elektronisch realisierte Regelkreise, sondern als Programm in einem handelsüblichen Industrierechner ab. Solche Systeme sind grundsätzlich erheblich billiger. Außerdem sind sie leichter zu warten, zu erweitern bzw. anzupassen. Die Antriebskopplung erfolgt über eine PC-Steckkarte durch ein digitales Bus-System.
Steuern und Regeln
- Eine geschaltete Maschinenachse bewegt sich ohne Positionserfassung selbsttätig nach dem Einschalten zu einer Zielposition, welche einen Endschalter für die Bewegung trägt, der die Achse beim Ankommen dort abschaltet.
- Eine Maschinenachse heißt gesteuert, wenn ihre Bewegung von der Ist- zur Sollposition zwar vorgegeben, aber nicht permanent überprüft und korrigiert wird.
- Eine geregelte Maschinenachse wird von mehreren ineinander geschachtelten und jeweils für sich geschlossenen Regelkreisen in allen für die Bewegung relevanten, zeitlichen Ableitungen des Ortes vollständig durch einen entsprechenden Rechner kontrolliert.
- Miteinander interpolierte Maschinenachsen sind geregelt, wobei ihre Sollpositionen jeweils gegeneinander verrechnet werden, wodurch sich ihre Stellgrößen gegenseitig beeinflussen.
Die gewünschte Form des herzustellenden Werkstücks und die anzuwendende Technologie werden im NC-Programm beschrieben. Im Hintergrund der Steuerung und für den Bediener der Maschine zunächst unsichtbar berechnen ein Geometrieprogramm und ein Interpolationsprogramm daraus Stützpunkte im Raster der Zykluszeit der Lageregler. Die Koordinaten der Stützpunkte stellen die Sollpositionen der an der interpolierten Bewegung beteiligten Achsen dar. Der Vorschub ergibt sich aus den Stützpunktabständen und dem Lageregelzyklus, dem zeitlichen Raster der Positionierung. Neben den Vorgaben aus dem NC-Programm verwenden der Interpolator und die meist dreistufig ausgeführten Reglerkaskaden ein Maschinenabbild, welches die dynamischen und kinematischen Eigenschaften aller geregelter Achsen beschreibt. Vorschub, Beschleunigung und Ruck (erste, zweite und dritte zeitliche Ableitung der Position nach der Zeit) werden dem Vermögen der Achsen entsprechend begrenzt und aufeinander abgestimmt. Encoder zur Positionserfassung liefern die Istwerte der Positionskoordinaten zur Berechnung der Stellgrößen der Lage. Diese Sollgeschwindigkeiten ergeben in jeweiliger Differenz zu den von Drehgebern gemessenen Achsanteilen des Vorschubs die Stellgrößen der Geschwindigkeitsregler. Diese Sollbeschleunigungen bilden in jeweiliger Differenz zu Messergebnissen der Motorströme Stellgrößen der Achsbeschleunigungen in den Stromreglern. Durch geregelte Motorströme wird die Präzision der Bearbeitung in weiten Grenzen nahezu unabhängig von Lastwechseln, wie sie typisch etwa beim plötzlichen Materialeingriff auftreten. Zudem kann damit der Ruck kompensiert werden, der zum Beispiel bei tangentialen Bahnübergängen mit unstetiger Geschwindigkeitsänderung (etwa beim tangentialen Übergang einer Geraden in eine Kreisbahn) entsteht und bei fehlender Kompensation die Kontur verletzt. Der geschleppte Betrieb wurde inzwischen weitgehend von der Geschwindigkeitsvorsteuerung abgelöst, mit der vorgegebene Konturen deutlich präziser reproduziert werden.
Steuerungsarten
Die Steuerung einer CNC-Werkzeugmaschine erfolgt über einen direkt in die Steuerung integrierten Computer der mit Positions-, Dreh(winkel)- und Zustands-Sensoren den IST-Zustand erfasst und nach Berechnung der Interpolation zum SOLL-Zustand aus dem CNC-Programm die Steuerung der Motoren und andere gesteuerte Maschinenelemente entsprechend regelt. Die Interpolation erfolgt dabei im Bereich von Millisekunden, so dass eine hohe Präzision auch bei hoher Geschwindigkeit selbst bei komplizierten Formen gewährleistet ist.
Die CNC-Technik erlaubt eine automatisierte Bearbeitung mit mehreren gleichzeitig gesteuerten Achsen. Man klassifiziert CNC-Steuerungen nach der Anzahl der gleichzeitig interpolierbaren Achsen, wobei noch zwischen Punkt-, Strecken- und Bahnsteuerung unterschieden wird.
Punktsteuerung
siehe Hauptartikel PTP-Steuerung
Bei der Point-to-Point oder Punktsteuerung kann nur der Endpunkt einer Bewegung festgelegt werden, den die Maschine dann auf ihrem schnellsten Weg anfährt. Im Besonderen findet während der Bewegung keine abgestufte Regelung der Verfahrgeschwindigkeit statt, sondern die Antriebe laufen in der Regel so schnell wie möglich. Deswegen kann nur an den Endpunkten der Bewegung das Werkzeug eingreifen und ein Loch bohren oder stanzen. Die Punktsteuerung findet heute bei Werkzeugmaschinen kaum noch Verwendung, doch für einfache Stanzmaschinen, Punktschweißmaschinen, Bohrmaschinen oder Greifroboter ist sie immer noch ausreichend, wenn diese keine definierte Strecke abfahren müssen. Aus dem unbestimmten Bewegungsablauf entsteht allerdings auch eine erhöhte Kollisionsgefahr, besonders für Menschen.
Streckensteuerung
Die Streckensteuerung ist im Wesentlichen eine Punktsteuerung bei der zusätzlich die Bewegungsgeschwindigkeit genau steuerbar ist. Mit der Streckensteuerung wird bei jeweils einer Achse die Geschwindigkeit und Position gesteuert. So ist es möglich eine achsparallele Bewegung mit Arbeitsvorschub zu verfahren und damit beispielsweise eine gerade Nut zu fräsen. Diese Art der Steuerung ist nur noch bei kleinen und spezialisierten Maschinen anzutreffen, also Maschinen für den Ausbildungsbetrieb, den Vorrichtungsbau und Nutenfräsmaschinen, da sie unflexibel ist und nur ein kleiner preislicher Unterschied zu einer Bahnsteuerung besteht. Bei alten Ausführungen mit Drehgebern können Steigungsfehler der Gewindespindel oder Geometriefehler der Führung während des Bewegungsablaufs nicht korrigiert werden.
Bahnsteuerung
siehe Hauptartikel Bahnsteuerung
Bei der Bahnsteuerung können beliebige Verfahrbewegungen mit mindestens zwei gleichzeitig geregelten Achsen realisiert werden. Die Bahnsteuerung unterteilt sich in die miteinander interpolierten und „gleichzeitig“ geregelten Achsen. Interpolieren von Achsen bedeutet, dass die jeweils zunächst unabhängigen Bewegungsabläufe der einzelnen Achsen so miteinander synchronisiert werden, dass die Werkzeugspitze möglichst genau der programmierten und korrigierten Bahn folgt. Die 2 D-Bahnsteuerung kann beliebige Konturen mit zwei festgelegten Achsen abfahren. Bei Drehmaschinen ist das oft ausreichend, da das Werkstück durch seine Rotationsbewegung die dritte Dimension erstellt. Kann der Bediener zwischen den miteinander interpolierten, geregelten Achsen auswählen, spricht man von einer 2½ D-Bahnsteuerung, die heute bei Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen Standard ist. Können drei geregelte Achsen miteinander interpoliert werden, nennt man sie 3 D-Bahnsteuerung. Sie ist Standard bei den Fräsmaschinen. Bei vielen Maschinen werden inzwischen zusätzliche Achsen für schwenk- und drehbare Werkstück- oder Werkzeugaufnahmen angeboten. Bahnsteuerungen müssen mit entsprechend vielen Sensoreingängen und Stellgrößenausgängen ausgestattet sein, sowie eine ausreichend leistungsfähige Software besitzen, um das jeweils vom Maschinenkonstrukteur vorgegebene Potenzial der Maschine auszunutzen.
Maschinenachsen
Moderne Steuerungen verwalten und regeln bei Bedarf über 30 Achsen. Diese können dabei in mehrere virtuelle und voneinander unabhängige Maschinenteile aufgeteilt werden. Durch Verwendung dreier senkrecht aufeinander stehender Achsen X, Y und Z wird jeder Punkt im Bearbeitungsraum einer Werkzeugmaschine erreicht. Es sind mit dieser Methode alle nur denkbaren Bahnen interpolierbar, allerdings mit einer wichtigen Einschränkung, die am Beispiel einer Fräsmaschine besonders deutlich hervortritt: das rotierende Werkzeug steht immer senkrecht zum Kreuztisch. Technologisch höherwertige Bearbeitung kann etwa voraussetzen, dass der Fräser jeweils senkrecht auf der zu fräsenden Kontur stehen muss. Um beispielsweise eine Bohrung unter einem Winkel von 45° anzubringen, ist es erforderlich, das Werkstück oder das Werkzeug (oder beides) zu drehen. Viele moderne Maschinen bieten die Möglichkeit, den Maschinentisch zu drehen oder zu schwenken, um weitere Konturbearbeitungen zu ermöglichen. Diese Rotationsachsen werden je nach Anordnung auf der Maschine (nach DIN 66217) mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet: A rotierend um die X-Achse, B um die Y-Achse und C um die Z-Achse. Während bei älteren oder einfachen Maschinen diese Achsen nur gesteuert oder sogar nur geschaltet werden, regeln und interpolieren die Steuerungen der Bearbeitungszentren sie heute mit. So wird etwa mit 5-Achs-Bearbeitung von Fräsmaschinen hervorragende Oberflächenqualität erzielt. Des weiteren können noch lineare Parallelachsen zu X, Y und Z real konfiguriert oder virtuell erzeugt werden, die dann mit U, V, W bezeichnet werden. Eine Anwendung für das virtuelle UVW-Dreibein ist das virtuelle Schwenken der Bearbeitungsebene zur Vereinfachung einer Bearbeitung auf einer Fläche, welche schräg zum Kreuztisch liegt. Alle Achs-Richtungen können mehrfach an einer Werkzeugmaschine vorkommen und erhalten dann zur Unterscheidung Indizes oder weitere, von der jeweiligen Syntax der NC-Sprache zugelassene Bezeichner. Zum Beispiel existieren bei einer Portalfräsmaschine mit einem Gantry-Antrieb in X eine X-Achse und eine X1-Achse. CNC-Drehmaschinen besitzen als Hauptachsen nur die X- und Z-Achse. Ist die Antriebsspindel auch als Rotationsachse programmierbar, wird sie zu einer C-Achse. Auch selbst angetriebene Werkzeuge sind denkbar, die dann eigene Achsenbezeichnungen erhalten, zum Beispiel w-Achse.
Bezugspunkte
Maschinennullpunkt M
Er ist der Ursprung des Maschinen-Koordinatensystems und wird vom Maschinenhersteller festgelegt.
Referenzpunkt R
Ist der Ursprung des inkrementalen Wegmessystems mit einem vom Hersteller festgelegten Abstand zum Maschinennullpunkt. Zur Eichung des Wegmesssystems muss dieser Punkt in allen Maschinenachsen mit dem Werkzeugträger-Bezugspunkt T angefahren werden.
Werkzeugträger-Bezugspunkt T
Er liegt mittig auf der Anschlagfläche der Werkzeugaufnahme. Bei Fräsmaschinen ist dies die Spindelnase, bei Drehmaschinen die Anschlagfläche des Werkzeughalters am Revolver.
Werkstücknullpunkt W
Er ist der Ursprung des Werkstück-Koordinatensystems und wird vom Programmierer nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten festgelegt.
Programmierung
Es gibt verschiedene Programmierarten und -verfahren. Die Übergänge zwischen Programmierarten und Programmierverfahren sind fließend und können nicht direkt getrennt werden. In der anschließenden Auflistung soll ein Überblick, teilweise mit Beispielen, dargestellt werden.
Programmierarten:
- maschinenfern
- maschinennah/maschinengebunden
wie:
- manuelle Programmierung (ohne technische Hilfsmittel, direkt an der Maschine z. B.: an FANUC-Steuerungen)
- maschinelle Programmierung (CAD-> CAM z. B.: Umwandlung eines 3D- Modells mittels Postprozessors in ein maschinenverständliches Programm)
- Dialogprogrammierung (Abfrage nach Parameter-> Einbindung ins Programm, z. B.: DIN-PLUS, Turn Plus, Deckeldialog)
- Parameterprogrammierung (keine Bearbeitung des eigentlichen Programmes durch Maschinenbediener mgl.)
Programmierverfahren:
- Teach-in: vgl.bar „Kopieren“ -> Anfahren von Punkten an reellem Teil -> Programmgerüst-> Programmergänzung
- Playback: Aufzeichnen -> Wiederholen z. B.: Farbspritzroboter
- Arbeitsvorbereitung (kurz AV): siehe manuelle Programmierung
- Werkstattorientierte Programmierung (kurz WOP): Dialog, Grafik (Einschränkung: Kompliziertheit des Teiles, maximal 45 Minuten für die Programmierung sind legitim, Ablenkung des Programmierers durch Geräuschkullisse an der Maschine)
- maschinelle Programmierung (siehe Arten)
- auf Basis von CAD-Daten
Der Satz- und Adressaufbau der zu übermittelnden numerischen Steuerungs-Informationen ist in der Norm DIN 66025/ISO 6983, meist kurz DIN/ISO-Programmierung genannt, beschrieben. Ein DIN Programm ist auf jeder CNC Maschine lauffähig. Allerdings gibt es für fast alle Maschinen spezielle Befehle, z. B. Zyklen, die nur von diesen Maschinen interpretiert werden können. Zyklen sind globale Programme, mit Parametern/ Variablen, mit denen sich „Taschen“ (Rechteckkonturen oder ähnliche Taschen) oder Bohrungen etc. beschreiben lassen. Diese Zyklen erleichtert die Programmierung und dienen der Übersichtlichkeit.
Hier ein einfaches Beispiel für das CNC-Fräsen mit anschließender Erläuterung:
Beispiel für eine Dialogprogrammierung im „Klartext“ an einer Heidenhain Steuerung an dem ersten aufgeführten Beispiel.
In diesem Programmteil ist beschrieben, dass ein Fräswerkzeug in dem Satz N90 in einem Arbeitsraum im Eilgang (G00) eine Position anfährt, beschrieben mit den Koordinaten X100 und Y100. Im nächsten Satz N100 verfährt das Werkzeug (weiterhin im Eilgang) auf die Tiefenposition Z-2 (dies könnte die neu herzustellende Oberfläche sein). Im nächsten Satz 110 verfährt das Werkzeug (nun im Vorschub mit einer Geschwindigkeit von 20 mm pro Minute) hinein in das Werkstück auf die Position X110. Im Satz N120 verfährt das Werkzeug mit leicht verringertem Vorschub quer zur letzten Bewegung auf die Y-Koordinate 200 (zuvor 100, also um 100 mm). Im letzten Satz zieht sich das Werkzeug um 10 mm in der Höhe per Eilgang (G00) zurück.
Bahnkorrektur
Hier ein Beispiel für CNC-Drehen mit Werkzeugbahnkorrektur (G41/G42) in der Endbearbeitung (Schlichten) einer Kontur:
Beispiel zwei in Dialogprogrammierung. Dabei stehen R0 für Fräsermittelpunktsbahn (ohne Werkzeugbahnkorrektur), RL für Werkzeugbahnkorrektur links der Kontur (in DIN G41) und RR für Werkzeugbahnkorrektur rechts der Kontur.
Voraussetzung: die Kontur wurde vorher vorgeschruppt, d. h. vorbearbeitet. In Satz 90 fährt das Werkzeug über die Mitte (X-1,6 mm) und bleibt 2 mm vor der Kontur stehen. Dann wird mit G42 die Werkzeugbahnkorrektur eingeschaltet und in Satz 110 an den Nullpunkt in Z-Richtung herangefahren. In Satz 120 wird noch auf die Werkzeugmitte gefahren (dies verhindert in Verbindung mit Satz N0090 das Stehenbleiben eines erhöhten Materialrests („Butzen“) an der vorderen Werkstückfläche) und fährt schließlich in Satz 130 einen Halbkreis mit einem Radius von 10 mm. Letztlich wird in Satz 140 und 150 in Längs- bzw. Querrichtung noch auf Durchmesser 50 mm und Länge 50 mm verfahren. Mit G40 im Satz 160 wird schließlich die Werkzeugbahnkorrektur wieder aufgehoben.
Die Werkzeugbahnkorrektur ist wichtig zur Vermeidung von Konturfehlern, die bei Kreisbahnen oder kegeligen Formen entstehen würden, da das Werkzeug selbst an der Schneide einen Radius besitzt.
Vorteile
Die Vorteile einer CNC-Steuerung liegen einerseits in der Möglichkeit zur einfachen Bearbeitung von komplexen Geometrien (3D), andererseits in der Bearbeitungs-/Wiederholgenauigkeit und hohen Geschwindigkeit der Bearbeitungsschritte. Durch die Möglichkeit, Programme zu speichern, können viele gleiche Teile ohne das Zutun eines Menschen in Serie produziert werden. Zudem ermöglicht die CNC-Technik neue Maschinenkonzepte, da keine mechanische Verbindung zwischen Hauptantrieb und Vorschubantrieben nötig ist.