Vorinformation: Übersicht CNC-Technik

Maschinenvergleich

Vergleich der Technologien:

Konventionelle (herkömmliche) Werkzeugmaschine: Ein Antriebsmotor treibt sowohl das Werkzeug als auch die Vorschubachsen an. Die Bedienungspersonen können die Vorschubachsen mit Handrädern verfahren. Sie messen die Wege anhand von Stricheinteilungen (Skalen) an den Handrädern. Die Bedienungspersonen steuern die Maschine.

CNC-Maschine: Ein Antriebsmotor treibt nur das Werkzeug an. Jede Achse verfügt über einen eigenen Antriebsmotor. Die Achsen werden elektronisch durch die Steuerung verfahren. Die Wege werden elektronisch gemessen und korrigiert. Eine elektronische CNC-Steuerung steuert automatisch die Maschine. © HEIDENHAIN

Vergleich der Arbeitsvorgänge

Von den Werkstückplanung zum fertigen Werkstück

Die CNC-Fertigung unterscheidet sich grundlegend von der Fertigung eines Werkstücks durch Handarbeit. In beiden Fällen sind die Maße und ist das Material des Werkstücks von entscheidender Bedeutung. herkömmliche Fertigung CNC-Fertigung Erstellung eines Plans der notwendigen Arbeitsschritte Erstellung und Eingabe eines Programms (Befehle für die Maschine): Werkstückkonturen (Umrisse), Werkzeugdaten, usw. Werkstück und 1. Werkzeug einspannen Werkstück einspannen, Nullpunkt festlegen Vorschub einstellen und 1. Fräsvorgang ausführen Maschine arbeitet Programm ab: Befehle und Koordinaten werden in die einzelnen Motorendrehungen umgerechnet. Bearbeitete Maße prüfen und ggf. nacharbeiten CNC-Maschine kontrolliert intern alle verfahrenen Wege. Werkzeug wechseln und weitere Arbeitsschritte ausführen Werkzeuge werden von der Maschine je nach Programmposition automatisch umgespannt.

© HEIDENHAIN

Rechnen und Steuern

Eine CNC-Maschine besteht aus dem Maschinenteil (Drehmaschine, Fräsmaschine, Universalmaschine) und einer Steuerung, die elektrisch und elektronisch mit der Maschine verbunden ist. Die Verbindung zwischen Maschine und Steuerung wird meistens über Kabel und Zwischengeräten hergestellt. Die Maschine und die Steuereinheit kann von verschiedenen Herstellern stammen. Wichtig ist, dass Maschinenhersteller und Hersteller der Steuerung eine gemeinsame Sprache für die übertragenen Daten finden. Dafür gibt es weltweit verschiedene Normen (Festlegungen, Standards), die eine gemeinsame Grundlage anbieten. Darüber hinaus gibt es heute zahlreiche herstellerabhängige Erweiterungen dieser Normen. Die Weiterentwicklung der CNC-Technologie ist noch längst nicht abgeschlossen.

Zusammenspiel von Maschinen- und Steuerungseinheiten © HEIDENHAIN

Computer, Rechner

Bei der CNC-Technik fallen enorm viele Daten an. Die einzelnen Maschinenteile erhalten von der Steuerung Informationen (elektrische Signale) und die Steuerung erhält Informationen von der Maschine und von den Personen, die damit arbeiten: Positionen des Werkzeugs Positionen des Werkstücks Drehrichtungen Drehzahlen Vorschubgeschwindigkeiten Werkzeugnummern Endschalter und viele Daten mehr Diese Daten werden in der Steuereinheit berechnet und dargestellt. Wie beim normalen PC, gibt es auch bei der CNC-Steuerung, neben der Berechnung von Daten (Verarbeitungseinheit), auch Geräte und Schnittstellen zur Datenein- und -ausgabe und zur Speicherung von Daten: Tastatur Bildschirm Elektronisches "Handrad" Speicher (z. B. Festplatte)

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Betriebssystem

Wie beim PC zu Hause oder an anderen Arbeitsplätzen benötigt die Computersteuerung einer CNC-Maschine ein Betriebssystem. Das Betriebssystem übernimmt z. B. Aufgaben bei der Darstellung von Daten am Bildschirm und bei der Verwaltung von Programmdateien: Eingabeprogramm zur Bedienung starten Simulationsprogramm starten Werkstückprogramme speichern und laden Viele Steuerungen haben ein eigenes spezielles Betriebssystem eingebaut. Es gibt aber auch Steuerungen, die mit einem bekannten Betriebssystem wie Windows, Linux oder DOS arbeiten.

Software

Die CNC-Steuerung arbeitet mit Programmen und Dateien. Das Betriebssystem z. B. gehört zu der Gruppe Programme. Es stellt Grundfunktionen der Steuerung zur Verfügung. Werkstückdateien dagegen sind vergleichbar mit Textdokumenten, die Sie am PC erstellen. In ihnen sind die Befehle zur Steuerung der Maschine zeilenweise aufgelistet. Diese Dateien sind in vielen Steuerungen direkt zu bearbeiten, d. h. Befehle können verändert (editiert) und neu abgespeichert werden. Wenn diese Werkstückdateien die Maschine direkt steuern, werden sie damit zu Programmen. Programme arbeiten Befehle ab. Manche Steuerungen beinhalten auch Hilfsprogramme, die das Programmieren erleichtern und grafisch unterstützen.

Ein Simulationsprogramm in der Steuerung kann vor dem tatsächlichen Programmlauf überprüfen und anzeigen, ob das Werkstückprogramm richtig funktioniert und es zu keinen Kollisionen (Zusammenstößen) zwischen Werkzeug und anderen Teilen kommt.

NC Maschinentechnik

Eine automatisch gesteuerte Maschine benötigt elektrische Signale. Diese Signale müssen nicht unbedingt von einem Computer gesendet werden. Sie müssen aber auf jeden Fall numerisch (zahlenmäßig) ankommen. Früher setzte man Lochkarten oder -streifen zu diesem Zweck ein. Aus dieser Zeit stammt die Abkürzung "NC" (Numerical Control) für diese Art der Steuerung. Darum wird diese Abkürzung heute noch verwendet. Erst mit dem Rücklauf von Daten aus der Maschine zurück zur Steuerung kann ein kontrollierter Regelkreislauf stattfinden, also ein Informationsaustausch zwischen Maschine und Steuerung. Mehr: Regelung von NC-Achsen (3 Seiten)

Die mechanischen und elektrischen Bauteile unterscheiden sich wesentlich von denen einer herkömmlichen Werkzeugmaschine. © HEIDENHAIN

Werkzeugspindel

Der Hauptantrieb, die Spindel, entscheidet mit über die Leistung einer CNC-Maschine. Die Drehzahlen der Motoren sind regelbar, meistens auch links- und rechtsherum drehbar. Die Motoren müssen sich schnell in Bewegung setzen und genauso schnell wieder stoppen können. Bei CNC-Drehmaschinen müssen sie während der Bearbeitung, aufgrund der unterschiedlichen Werkstückdurchmesser, stufenlose Drehzahländerungen bei gleichbleibender Leistung zulassen. Die Drehzahlen von Fräsmaschinen gehen hinauf bis auf 60.000 Umdrehungen pro Minute.

Bei der Fräsmaschine dreht sich das Werkzeug. Bei der Drehmaschine dreht sich das Werkstück.

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Werkzeugwechsel

Das Auswechseln von Werkzeugen wird an CNC-Maschinen häufig durch automatische Wechselsysteme während des Programmlaufs erledigt. Mehr: Werkzeugsystem der CNC-Fräsmaschine (7 Seiten) Datei

Fräswerkzeuge für unterschiedliche Einsatzzwecke

Automatisches Werkzeugwechselsystem © HEIDENHAIN

Vorschubachsen

Betrachten Sie das nebenstehende Bild! Dort sehen Sie die 3 Achsantriebe einer kleinen Modellbaumaschine. Die Messuhr kann jeden Punkt im Bearbeitungsraum erreichen. Die Motoren der Achsspindeln drehen in kleinen Winkelschritten links- oder rechtsherum. Die Vorschubmotoren ersetzen so bei der CNC-Maschine die Handräder einer handbedienten Werkzeugmaschine. Der Vorschub muss im Eilgang hohe Geschwindigkeiten und bei der Bearbeitung von Werkstücken auch sehr niedrige Geschwindigkeiten für eine exakte Oberflächenbearbeitung erreichen können.

Die von den Motoren angetriebenen Gewindespindeln bewegen, je nach Maschinenkonstruktion, entweder den Werkstückschlitten oder die Werkzeugaufnahme.

Kugelgewindespindel

Verwenden Sie bitte die Schaltflächen in der Animation rechts und beobachten Sie, wie die Kugelgewinde- bzw. Kugelumlaufspindel funktioniert! Lassen Sie die Spindel links und rechts herum laufen. Die Drehbewegung des Vorschubmotors wird in eine Längsbewegung umgewandelt. Durch die Verspannung zweier Mutterteile ist die Bewegung in der Vorschubachse spielfrei. Durch das Prinzip des Kugellagers ist die Kugelumlaufspindel verschleißarm. Die Kugeln müssen an den Einlauf zurückgeführt werden, darum heißt es auch "Umlauf". Die Spindeln jeder Achse werden durch einen Motor angetrieben, der einzelne Winkelschritte ausführen kann. Oft ist der Motor mit der Spindel über einen Zahnriemen verbunden. © DMG Gildemeister AG

Verwenden Sie bitte die Schaltflächen innerhalb der Animation!

Wegmessung

Bei herkömmlichen Werkzeugmaschinen liest man Messwerte häufig auf den Skalen der Handräder ab. Die Genauigkeit in der Fertigung mit CNC-Maschinen hängt sehr stark von den Messungen der motorgetriebenen Verfahrwege ab. Diese können sich ändern, weil sich Maschinenteile bei Wärme ausdehenen. Die Messwerte werden zur Fehlerkorrektur an die Steuerung zurückgegeben. Die Messungen werden auf der Drehspindel (indirekte Messung) oder auf einem Längenmaßstab (direkte Messung) vorgenommen. Mehr: Direkte und indirekte Wegmessung (2 Seiten) Inkrementale und absolute Wegmessung (3 Seiten)

Ein Drehgeber auf der Motorachse misst den Drehwinkel und die Umdrehungszahl. Eine Abtasteinheit misst die Strecke auf einem Längenmaßstab. © HEIDENHAIN

Steuerungsarten

Einige CNC-Maschinen beschränken sich auf das Anfahren von einzelnen Punkten, wie z. B. beim Bohren.
Einige Maschinen verfahren ein Werkzeug entlang einer Strecke (in einer Vorschubachse).
Die besondere Stärke von CNC-Fräsmaschinen liegt darin, Werkzeuge auch in kurvigen Bahnen führen zu können.
	© HEIDENHAIN

Auf jeden Fall muss die Steuerung "wissen", wo das Werkstück liegt. Darum muss man einen Werkstück-Nullpunkt festlegen. Oft liegt dieser bei einem quaderförmigen Rohteil an der Ecke vorne links oben.

Mehr: Punkt-, Strecken und Bahnsteuerung (5 Seiten) Datei