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CNC-Universalfräsmaschine mit 5-Achssteuerung
CNC-Bedienfeld von Siemens
Eine Computerized Numerical Control (CNC), oder übersetzt computerisierte numerische Steuerung, ist ein elektronisches Gerät zur Steuerung von Werkzeugmaschinen.
Entstehung der CNC [Bearbeiten]
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 NC-Werkzeugmaschinen mit einer CN-Steuerung ausgerüstet. Es gibt aber noch immer weltweit einen beachtlichen Altbestand an konventionellen Werkzeugmaschinen.
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. Weiter sind sie leichter zu warten, zu erweitern bzw. anzupassen. Die Antriebskopplung erfolgt über eine PC-Steckkarte durch ein digitales Bus-System.
Steuern und Regeln [Bearbeiten]
Aus dem NC-Programm werden in der Maschine die Stützpunkte in kurzen Zeitabschnitten interpoliert. Diese dienen als Führungsgröße der einzelnen Achsen unter Beachtung von max. Geschwindigkeiten. Es wird also beachtet, daß die Maschine nur in bestimmten Grenzen den Beschleunigungsvorgaben folgen kann und auch die zeitlichen Änderungen der Beschleunigungen (Ruck) zu begrenzen sind.
Für die Numerische „Steuerung“ der Motoren kommt dann häufig eine dreifache Reglerkaskade zum Einsatz: aus dem Vergleich von Soll- und Istlage wird die Sollgeschwindigkeit des Antriebes ermittelt. Aus dem Vergleich mit der Istgeschwindigkeit wird die Sollbeschleunigung und damit die Stromstärke im Antriebsmotor bestimmt. Um nun auf Störungen wie den plötzlichen Materialeingriff schnell reagieren zu können wird wiederum die Stromstärke geregelt.
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.
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.
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 ebenfalls kaum noch anzutreffen, da sie unflexibel ist und Steigungsfehler der Gewindespindel oder Geometriefehler der Führung während des Bewegungsablaufs nicht korrigieren kann. Für Nutenfräsmaschinen ist sie jedoch auch heute noch ausreichend.
siehe Hauptartikel Bahnsteuerung
Bei der Bahnsteuerung können beliebige Verfahrbewegungen mit mindestens zwei gleichzeitig gesteuerten Achsen realisiert werden. Die Bahnsteuerung unterteilt sich in die gleichzeitig gesteuerten Achsen. 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 gemeinsam gesteuerten Achsen auswählen, spricht man von einer 2½ D-Bahnsteuerung, die heute bei Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen Standard ist. Können drei Achsen gleichzeitig gesteuert werden, nennt man sie 3 D-Bahnsteuerung. Sie ist Standard bei allen modernen Fräsmaschinen und meist kommen noch zwei Achsen für schwenk- und drehbare Werkstück- oder Werkzeugaufnahmen hinzu.
Moderne Steuerungen verwalten und regeln über 30 Achsen. Diese können dabei in mehrere virtuelle und voneinander unabhängige Maschinenteile aufgeteilt werden. Durch Verwendung der drei Achsen X, Y und Z wird jeder Punkt im Bearbeitungsraum einer Werkzeugmaschine erreicht. Aber dies ermöglicht eben nur achsparallele Bewegungen. Um beispielsweise eine Bohrung unter einem Winkel von 45° anzubringen, ist es erforderlich, das Werkstück oder das Werkzeug (oder beides) zu drehen. 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. Des weiteren können noch so genannte Hilfsachsen entsprechend zu X, Y und Z virtuell erzeugt werden, die dann mit U, V, W bezeichnet werden und für eine virtuelle Drehung der Bearbeitungsebene für die Bearbeitung auf schrägen Flächen dienen. Alle Achs-Richtungen können mehrfach an einer Werkzeugmaschine vorkommen und erhalten dann einen Index. 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.
Es gibt verschiedene Programmierarten und Verfahren. Die Übergänge zwischen Arten und Verfahren 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
Die numerisch zu übermittelnden Steuerungs-Informationen sind in der Norm DIN 66025/ISO 6983, meist kurz DIN/ISO-Programmierung genannt, beschrieben. Darin ist ein Adress-Satzaufbau benannt, hier ein einfaches Beispiel für das CNC-Fräsen mit anschließender Erläuterung:
N0080 ...
N0090 G00 X100 Y100
N0100 G00 Z-2
N0110 G01 X110 F20
N0120 Y200 F15
N0130 G00 Z10
N0140 ...
Ein Beispiel für eine Dialogprogrammierung, im "Klartext", an einer Heidenhain® Steuerung an dem ersten aufgeführten Beispiel. Ein DIN Programm ist auf jeder CNC Maschine lauffähig umgedreht jedoch nicht. Dies ist ein Grund, warum in einigen Firmen, mit verschiedenen Steuerungen nur DIN programmiert wird, obwohl man bei Heidenhain® oder Sinumeric® Steuerungen die Möglichkeit der Einbindung von Zyklen hat. 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 dient der Übersichtlichkeit.
80 ...
90 L X+100 Y+100 R0 FMAX
100 L Z+0 R0
110 L Z-2 R0 F10
120 L X+110 R0 F20
130 L Y+200 R0 F15
140 L Z+10 R0 FMAX
150 ...
Hierin 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.
Ohne Bahnkorrektur entstehender Konturfehler
Hier ein Beispiel für CNC-Drehen mit Werkzeugbahnkorrektur (G41/G42) in der Endbearbeitung (Schlichten) einer Kontur:
N0080 ...
N0090 G00 X-1,6 Z2
N0100 G42
N0110 G01 Z0 F10
N0120 G01 X0 F20
N0130 G03 X20 Z-10 I0 K-10
N0140 G01 Z-50
N0150 G01 X50
N0160 G40
N0170 ...
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.
80 ...
90 L X-1,6 Z+2 R0 FMAX
100 L Z+0 RR F10
110 L X+0 RR F20
120 CT X+20 Z-10 RR
130 L Z-50 RR
140 L X+50 RR
150 ...
Voraussetzung: die Kontur wurde vorher vorgeschruppt, d. h. vorbearbeitet. In Satz 90 fährt das Werkzeug über die Mitte (X-1,6mm) und bleibt 2mm 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 10mm. Letztlich wird in Satz 140 und 150 in Längs- bzw. Querrichtung noch auf Durchmesser 50mm und Länge 50mm 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.
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.
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