Was ist CNC?

Auf dieser Seite möchte ich Dir einen kurzen Überblick über die CNC-Technik geben.

 

was ist CNC?

Was ist CNC-Technik im Allgemeinen?

 

Die Abkürzung CNC bedeutet Comuterized Numerical Controle also Rechnergesteuerte nummerische Steuerung. Vorgänger der CNC-Technik war die NC-Technik also ohne computergesteuerte Unterstützung. Bei der NC-Technik handelte es sich um Maschinen, die über das Prinzip eines Lochstreifens „programmiert“ wurden. Mitte der 1960er Jahre wurden dann die ersten Maschinen auf den Markt gebracht, die über eine computerunterstützte Steuerung verfügten.

 

Heutzutage ist die CNC-Technik in der Fertigungstechnik nicht mehr weg zu denken, da diese eine erheblich wirtschaftlichere Bearbeitung besonders in der Serienfertigung ermöglicht. Die Bestände der konventionellen Werkzeugmaschinen sind allerdings nach wie vor in der Industrie vorhanden. Sie eignen sich meiner Ansicht nach immer noch am besten für das Erlernen des Handwerks als ehemalig Dreher oder Fräser, außerdem können auf konventionellen Werkzeugmaschinen beispielsweise Nacharbeitungen oder einfache Bearbeitungen erledigt werden ohne eine CNC-Maschine umständlich dafür umzurüsten.

 

An dieser Stelle möchte ich, was das Grundlegende zu der Frage Was ist CNC? im Allgemeinen angeht nicht viel weiter ausholen, weil ich denke, dass mit diesen Informationen erst einmal eine gute grobe Übersicht entstanden ist.

 

Bahnsteuerung, Punktsteuerung und Streckensteuerung in der CNC-Technik

 

Bahnsteuerung

Mit einer Bahnsteuerung lassen sich Radien- oder Schrägenkonturen herstellen. Diese Konturen werden durch das gleichzeitige Verfahren von zwei oder mehreren Achsen ermöglicht. Bahnsteuerungen verwendet man bei Dreh-Fräs- oder Erodiermaschinen zur Bearbeitung von schrägen oder radienförmigen Elementen.

 

Punktsteuerung

Eine Punktsteuerung wird bei Maschinen verwendet, die einen Punkt oder nur von Punkt zu Punkt verfahren müssen. Dies ist zum Beispiel bei Bohrmaschinen, Fräsmaschinen oder Punktschweißmaschinen der Fall. Die programmierten Punkte werden exakt angefahren und im Anschluß beginnt die Bearbeitung.

 

Streckensteuerung

Eine Streckensteuerung wird bei Werkstücken angewand, bei denen einen Bearbeitung nur in Ebenen parallel zur Führungsbahn der jeweiligen Maschine erfolgt. Dies kann zum Beispiel Längs- oder Plandrehen an der Drehmaschine sein oder aber auch Fräsarbeiten in Längs- oder Planrichtung. Diese Bearbeitung erfolgt dem zu Folge also immer nur in einer Achsrichtung.

 

Man ist also mit Hilfe einer CNC-Maschine in der Lage zum einen komplexe Konturen abzufahren, was bei einer konventionellen Maschine bei bestimmten Operationen sehr anspruchsvoll sein kann. Außerdem ist die Serienfertigung auf einer CNC-Maschine selbstverständlich wesentlich schneller und wirtschaftlicher.

 

cnc-technik

 

CNC-Drehen

In der CNC-Technik gibt es zwei unterschiedliche Arten von Drehmaschinen. Die eine Arte sind die typischen Drehautomaten, welche ein sehr abgekapselten Bearbeitungsraum besitzen und zumeist mit einem sogenannten Werkzeugrevolver ausgestattet sind. In diesem Werkzeugrevolver werden die einzelnen Werkzeuge eingespannt und auf die passende Werkzeughöhe eingerichtet. Die andere Art sind die zyklengesteuerten CNC-Drehmaschinen. Diese ähneln einer konventionellen Drehbank sind aber mit einer computerunterstützten Steuerung ausgestattet, welche mithilfe von Bearbeitungszyklen programmierbar ist. Diese Art der Programmierung ist sehr bedienerfreundlich und relativ leicht zu verstehen.

 

 

           

        Drehautomat

cnc-technik

                       

 

 

zyklengesteuerte Drehmaschine

cnc-technik

 

 

CNC-Technik Programmierung

Ein großer Bestandteil der CNC-Technik ist das programmieren der jeweiligen CNC-Maschine. In der früheren NC-Technik wurde mittels Lochstreifen programmiert. Hierfür wurde ein Lochstreifen, der als Datenträger mit einer speziellen Information fungierte, durch eine gewisse Anordnung und Anzahl von hintereinander gestanzten Löchern in die NC-Maschine eingelegt und ausgelesen. Die CNC-Technik etablierte sich in den 60er Jahren und bis heute sind viele verschiedene Programmiersprachen und Programmierarten entstanden. Einige davon möchte ich die im folgenden Vorstellen:

 

DIN/ISO-Programmierung

Die DIN-Programmierung ist in der CNC-Technik einer der ersten Programmiersprachen und sie ist auf jeder CNC-Maschine lauffähig. Allerdings interpretieren jede Maschine die Befehle unterschiedlich. Bei dieser Programmierart muss der Bediener eine Anzahl von Befehlscodierungen G-Codes möglichst auswendig lernen und diese dann im Zusammenspiel mit der technischen Zeichnung eines Auftrags und der Koordinaten so eintippen, das ein Vollständiges und zusammenhängendes CNC-Programm entsteht und die Maschine dann eins zu eins diese Informationen umsetzten kann. Hier einmal ein Beispiel für ein solches Programm:

 

cnc-technik

Die DIN/ISO Programmiersprache ist die grundlegende Programmierart. Als Anfänger empfiehlt es sich diese zunächst zu verstehen und zu beherschen, da ich finde, dass man durch diese ein optimales Verständniss für das CNC-Programmieren in der CNC-Technik bekommt.

 

Programmieren im grafischen Dialog

Beim Programmieren in grafischen Dialog entwirft man zu aller erst eine Art Zeichnung des Werkstücks, beziehungsweise Teilelemente einer grafischen Zeichnung an der Maschine. Ist dies Zeichnung nun fertig gestellt, erfragt die Maschine die notwendigen Koordinaten der jeweiligen Elemente. Daher redet man hierbei von einem „Dialog“. Sind diese Koordinaten und Parameter richtig eingegeben, kann mit der Bearbeitung des Werkstücks begonnen werden.

 

Sollten sich Unstimmigkeiten oder Fehler eingeschlichen habe, erkennt das die Maschine und fährt die Kontur nicht ab. Sollten sich die Fehler allerdings auf falsche Bemaßungen beziehen, beziehungsweise diese Fehler im Zusammenhang einen Sinn machen (zum Beispiel ein Längenmaß falsch eingegeben) wird diese Kontur trotzdem abgefahren und das Teil ist dann, wenn es sich auch noch um ein Funktionselement handelt) Schrott :). Es gilt daher bei der Programmierung an sich besonders Aufmerksam zu Arbeiten und sein geschriebenes Programm mindestens einmal auf Fehler zu überprüfen.

 

Zyklenprogrammierung

Das Programmieren in mit Hilfe von Zyklen ist in der CNC-Technik eine sehr hilfreiche Sache. Ein Zyklus in der Programmierung ist eine Art Hilfsprogramm, das anhand einer Grafik die verschiedenen Elemente anzeigt und die Eingabefelder entsprechend vorgibt, in denen die Eingabe der Koordinaten erfolgt. Beispiele für einen typischen Zyklus wäre ein Zyklus für das Gewindeschneiden, ein Bohrzyklus, ein Einstechzyklus oder ein Abspanzyklus.

 

Bei einem Abspanzyklus ist man in der Lage eine bestimmte Kontur für ein Werkstück vor zu definieren und dann sowohl eine Schrupp-, als auch die darauf folgende Schlichtarbeit mit einem Zyklus abzudecken. Dies Art des Programmierens ist zum einen für den Bediener sehr praktisch und letztendlich auch für den Arbeitgeber eine Bereicherung, da diese Art des Programmierens erheblich weniger Zeit in Anspruch nimmt.

 

Unterprogramme

Unterprogramme sind nichts anderes, als geschrieben Programme, die in einem Unterspeicher oder Zwischenspeicher abgelegt werden können. Wenn also ein bestehendes Hauptprogramm vorliegt und ein Unterprogramm geschrieben wurde, kann das Unterprogramm im Hauptprogramm an beliebiger Stelle eingefügt werden. Das macht Sinn, wenn man an einem Werkstück beispielsweise mehrere Einstiche hat, die von der Geometrie her identisch sind aber logischerweise alle an verschiedener Stelle sind (Z-Achse).

 

In diesem Fall würde man die Z-Richtung des ersten Einstichs definieren (beispielsweise Z-10) und im Folgesatz das Unterprogramm einfügen. Dieses beinhaltet dann den Schrupp- und Schlichtzyklus des erforderlichen Einstichs. Die Steuerung springt also vom Hauptsprogramm rüber in den Zwischenspeicher und nach Beendung wieder in das Hauptprogramm. Anschließend wird die zweite Z-Positionen definiert und so weiter.

Hierfür wieder eine kleine Veranschaulichung zum Verständniss:

 

cnc-technik

Was ist eine Interpolation?

Die sogenannte Interpolation in der CNC-Technik ist eine Bewegung, bei der beide oder mehrere Achsen simultan also gleichzeitig in einer bestimmten Bahn einen Endpunkt ansteuern. Ein gutes Beispiel hierfür wäre die Radieninterpolation. Beim konventionellen drehen auf einer Drehbank werden Radien mit einem Formstahl oder mit der Freiformdrehmethode hergestellt. Das Radiendrehen in der CNC-Technik wird durch einen Befehl programmiert und die Bahn wird unter berücksichtigung des Werkzeugschneidenradius abgefahren.

 

Die Interpolation ist also nichts anderes, als das die einzelnen Punkte im Messystem durch die Maschine nicht einzelt angefahren werden, sondern sie werden zu einer bestimmten Kontur interpoliert.

 

 

Was ist eine Schneidenradiuskompensation?

Die Schneidenradienkompensation in der CNC-Technik ist eine Art Korrektur. Die Werkzeugschneide ist oftmals an der unteren und an der vorderen Stelle vermessen also in X-Richtung und in Z-Richtung. Der daraus resoltierende Punkt liegt allerdings in der Luft und nicht an der Schneide selbst. Dieses verdeutliche ich Dir gerne anhand einer kleinen Zeichnung.

 

CNC-Technik

Wie Du hier also sehen kannst befindet sich der Punkt außerhalb der eigentlichen Schneide. Beim Längs- oder Plandrehen hätte dieses keine Konturverfälschung zur Folge, da sich der Punkt auf einer Ebene mit der jeweiligen Schneide befindet. Anderes sieht es jedoch aus, wenn eine Schrägen- oder Radienkontur programmiert wird. In diesem Fall fährt die Drehmaschine diese Konturen mit diesem definierten Punkt ab und es würde demzufolge zu einer Konturverfälschung kommen. Ich habe die Schrägenkontur in dem Fall grün und die Radienkonutur blau eingezeichnet. Ich denke mir, es ist gut zu erkennen, welche Fehler hierbei auftreten.

 

Wie kann die Maschiene diesen Fehler nun beheben?

 

Die Antwort lautet: Durch die Schneidenradiuskompensation.

Mit Hilfe eines bestimmten Befehls, der für die DIN-Programmierung im Tabellenbuch zu finden ist und der Angabe des exakten Schneidenradius, kann man der Maschine an der richtigen Stelle sagen, dass diese die Schneide nun kompensieren soll, um diese Konturfehler zu vermeiden.

 

 

Maschinennullpunkt und Referenzpunkt

Der Maschinennullpunkt ist der Ursprung der Koordinatensystems einer CNC-Maschine. Er ist fix an einer beliebigen Stelle des Herstellers gesetzt und kann ohne weiteres nicht verändert werden, was auch nur in besonderen Fällen erforderlich ist. Der Referenzpunkt bei einer CNC-Maschine muss in Abhängigkeit zu dem vorhandenen Messsystem in der Maschine entweder nach jedem Maschinenstart angefahren werden oder nicht.

 

Bei dem Absoluten Wegemesssystem einer Maschine ist es nicht erforderlich den Referenzpunkt anzufahren, da die Leiste des Messsystems in unterschiedlichen Symbolanordnungen unterteilt ist und die CNC-Maschine somit über eine Positionsbestimmung verfügt, da jede Position anderes angeordnet ist.

 

Das Inkrementalen Wegemesssystem  ist in immer gleiche Striche unterteilt, die im tausenstel Millimeter Abstand aneinandergereiht sind. Durch dieses Prinzip ist die Maschine nicht in der Lage eigenständig den Wert zu bestimmen, an der sie sich aktuell befindet, daher muss beim Inkrementalen Wegemesssystem einer CNC-Maschine der Nullpunkt nach jedem Maschinenstart erneut angefahren werden.

 

Werkstücknullpunkt in der CNC-Technik

Der Werkstücknullpunkt ist der Punkt, der festgelegt wird um einen Bezugspunkt bei der Bearbeitung eines Werkstücks festzulegen. Dieser Punkt liegt beim Drehen meistens an der vorderen Stirnfläche des Werkstücks. Es kann allerdings auch Sinn machen ihn an eine andere Stelle zu legen, wenn die Bemaßung des Werkstücks dieses anderes vorsieht, beziehungsweise, wenn es dadurch schlichtweg einfacher ist die Maße einzutragen. 

 

Beim festlegen des Nullpunkt wird zumeist ein Nullpunktwerkzeug festgelegt, womit der Nullpunkt entsprechend bestimmt wird, durch Anfahren anderer Werkzeuge, die für die Bearbeitung notwendig sind, kann bei einem wiederholten Nullpunktsetzten, beispielsweise bei einem neuen Werkstück auf das Einmessen der Folgewerkzeuge verzichtet werden, da diese bereits einen Bezug zum Nullpunktwerkzeug in der Z-Achse haben.

 

Bei dem Festlegen des Nullpunktes haben sich mit der Zeit jedoch auch andere Methoden entwickelt, die nicht mehr zwangsläufig das Nullpunktwerkzeug also Referenz benötigen.

 

 

Vorteil des heutigen und Nachteil des damaligen Programmierens

 

Das heutige Programmieren ist im Verhältnis zum damaligen sehr einfach und komfortabel geworden. Das damalige Programmieren, welches im Grunde auf der DIN-Programmieren basiert hatte kaum bis gar keine Hilfselemente wie zum Beispiel ein vordefinierter Zyklus in den nur noch die Parameter eingetragen werden müssen oder eine Funktionen, die einem erlaubt einen Radius schnell und einfach zu programmieren. 

 

Schwierige Berechnung, wie zum Beispiel einen tangentialen Schnittpunkt zwischen Radius und Schrägen lassen sich mit den heutigen Methoden ebenso sehr einfach ermitteln, durch die eingebauten eigenen Rechenfunktionen der jeweiligen Maschine oder aber durch eine Funktion, die in der Lage ist, diese Punkte anhand weniger Angaben der anliegenden Elemente von selbst auszurechnen.

 

Es besteht des weiteren heute die Möglichkeit eine Technische Zeichnung in eine CNC-Maschine einzuscannen und die Maschine erstellt anhand der eingescannten Zeichnung eine komplettes, lauffähiges CNC-Programm. Diese Möglichkeit der Programmierung ist jedoch zumeist an Maschinen angebracht, die mehrere Achsen besitzen und an denen es kaum möglich ist aufgrund der Komplexität der Teile und der Zeichnung einen CNC-Programm manuell zu erstellen.

 

 

Werkzeugüberwachungssystem

Bei einer Zerspanung in einer CNC-Maschine treten durch die Werkzeuge bei der Bearbeitung Schnittkräfte auf. Diese Schnittkräfte haben in der Regel einen Grenzwert, der in der Maschine festgelegt ist. In der CNC-Technik wurde das sogenannte Werkzeugüberwachungssystem entwickelt, um bei einer Veränderung der Schnittkräfte in den Prozess einschreiten zu können.

 

An geeigneten Stellen an der CNC-Maschine sind hierfür Sensoren verbaut, die die Schnittkräfte durch minimale elastische Veränderungen messen können. Bewegt sich diese Veränderung außerhalb des Grenzbereichs der zulässigen Schnittkräfte, so wird von der CNC-Maschine aus ein Signal an die Vorschubmotoren gesendet, welches diese stoppt und die Bearbeitung unterbricht. So lassen sich Schäden an der Maschine vermeiden, die im Extremfall zu einem Produktionsausfall führen können oder aber zum brechen der Werkzeuge beziehungsweise zum Ausschuß des Werkstücks. 

 

Ein Schaden an der Werkzeugschneide oder auch brechen der Schneide ist sehr charakteristisch durch einen plötzlichen, sehr hohen Anstieg und einen darauf folgenden tiefen Abfall der Schnittkräfte zu erkennen. Beim Anstieg hat die Schneide aufgrund ihres Verschleiß die maximale Bearbeitungsdauer erreicht, mit anderen Worten sie ist zu stumpf um optimal weiter zu arbeiten und bricht in folge dessen, was den rapiden Abfall der Schnittkraft zur Folge hat.