CNC-Maschinen erklärt: Ein schneller Leitfaden zu den Grundlagen

Was ist eine CNC-Maschine?

Eine CNC-Maschine (Computerized Numerical Control) ist ein numerisch gesteuertes Werkzeugmaschinen-System mit einem integrierten Bordcomputer, der als Maschinensteuerungseinheit (MCU) bezeichnet wird. Die für die Fertigung eines Teils erforderlichen numerischen Daten werden der Maschine in Form eines Programms zugeführt. Dieses Programm wird in entsprechende elektrische Signale übersetzt, die die Motoren steuern, welche die Maschine antreiben.

Der Maschinenbettrahmen bildet die mechanische Struktur der CNC-Hauptantriebssystem, Vorschubantriebssystem, Bett, Werkzeugtisch und Hilfsbewegungsvorrichtungen, hydraulische und pneumatische Systeme, Schmierungssysteme, Kühlvorrichtungen, Spanabfuhr, Schutzsysteme und weitere Komponenten. Um den Anforderungen der numerischen Steuerung gerecht zu werden und die Leistung der Werkzeugmaschine voll auszuschöpfen, wurden jedoch wesentliche Änderungen am Gesamtlayout, an der Erscheinung, an der Struktur des Antriebssystems, am Werkzeugsystem und an der Betriebsleistung vorgenommen. Zu den mechanischen Teilen von CNC-Maschinen gehören Bett, Gehäuse, Säule, Führungsbahn, Arbeitstisch, Spindel, Vorschubmechanismus und Werkzeugwechsler.

Wie funktioniert eine CNC-Maschine?

CNC-Maschinen nutzen Computer, um die Technologie der digitalen Programmsteuerung zu realisieren. Diese Technologie verwendet einen Computer, um die sequenzielle Logiksteuerung der Bewegungsbahn des Geräts und den Betrieb der Peripheriegeräte gemäß dem im Voraus gespeicherten Steuerprogramm auszuführen. Da ein Computer das ursprüngliche numerische Steuergerät aus Hardware-Logikschaltungen ersetzt, können Speicherung, Verarbeitung, Berechnung, logische Beurteilung und andere Steuerfunktionen der Eingabe-Betriebsanweisungen durch Computersoftware realisiert werden. Die durch die Verarbeitung erzeugten Mikro-Befehle werden an das Servoantriebsgerät übertragen, um den Motor oder hydraulische Aktuatoren anzusteuern und die CNC-Maschine in Bewegung zu setzen.

Schritte zum Betrieb einer CNC-Maschine

1. Programmierung: Anhand der Zeichnung und des Fertigungsplans des zu bearbeitenden Teils wird der Bewegungsweg des Werkzeugs, der Bearbeitungsprozess, die Prozessparameter und die Schnittdaten in die vom CNC-System erkennbare Anweisungsform (Bearbeitungsprogramm) übersetzt.
2. Eingabe: Das programmierte Bearbeitungsprogramm wird in das CNC-Gerät eingegeben.
3. Dekodierung und Verarbeitung: Das CNC-Gerät dekodiert und verarbeitet das eingegebene Programm (Code) und sendet entsprechende Steuersignale an das Servoantriebsgerät und das Hilfsfunktionssteuergerät jeder Koordinatenachse, um die Bewegung jedes Maschinenteils zu steuern.
4. Überwachung: Während der Bewegung überwacht das CNC-System kontinuierlich die Position der Koordinatenachsen, den Zustand der Endschalter usw. und vergleicht diese mit den Programmvorgaben, um die nächste Aktion zu bestimmen, bis ein qualifiziertes Teil gefertigt ist.
5. Beobachtung und Anpassung: Der Bediener kann die Bearbeitungsbedingungen und den Arbeitsstatus der CNC-Maschine jederzeit überwachen. Falls notwendig, werden Anpassungen an der Maschinenaktion und am Bearbeitungsprogramm vorgenommen, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Kartesisches Koordinatensystem

Fast alles, was auf einer konventionellen Werkzeugmaschine gefertigt werden kann, lässt sich auch auf einer CNC-Maschine mit ihren zahlreichen Vorteilen produzieren. Die bei der Fertigung eines Produkts verwendeten Maschinenbewegungen sind von zwei grundlegenden Typen: Punkt-zu-Punkt (Geradlinige Bewegungen) und kontinuierlicher Pfad (Konturbewegungen).

Das kartesische (rechteckige) Koordinatensystem wurde vom französischen Mathematiker und Philosophen René Descartes entwickelt. Mit diesem System kann jeder beliebige Punkt in mathematischen Begriffen von jedem anderen Punkt entlang drei senkrechter Achsen beschrieben werden. Dieses Konzept passt perfekt zu Werkzeugmaschinen, da deren Aufbau im Allgemeinen auf drei Bewegungsachsen (X, Y, Z) plus einer Drehachse basiert. Bei einer einfachen vertikalen Fräsmaschine ist die X-Achse die horizontale Bewegung (rechts oder links) des Tisches, die Y-Achse die Querbewegung des Tisches (auf die Säule zu oder weg von ihr) und die Z-Achse die vertikale Bewegung des Konsols oder der Spindel. CNC-Systeme verlassen sich stark auf die Verwendung rechteckiger Koordinaten, da der Programmierer jeden Punkt auf einem Werkstück präzise lokalisieren kann.

Abb. 1: Sich schneidende Linien bilden rechte Winkel und legen den Nullpunkt fest.

Abb. 2: Die dreidimensionalen Koordinatenebenen (Achsen), die in der CNC verwendet werden.

Die drei-dimensionalen Koordinatenebenen sind in Abb. 2 dargestellt. Die X- und Y-Ebenen (Achsen) sind horizontal und stellen horizontale Maschinentischbewegungen dar. Die Z-Ebene oder -Achse repräsentiert die vertikale Werkzeugbewegung. Die Plus- (+) und Minus-Zeichen (-) geben die Richtung vom Nullpunkt (Ursprung) entlang der Bewegungsachse an. Die vier Quadranten, die entstehen, wenn sich die X- und Y-Achse schneiden, werden gegen den Uhrzeigersinn nummeriert (Abb. 3). Alle Positionen im Quadranten 1 wären positiv (X+) und positiv (Y+). Im zweiten Quadranten wären alle Positionen negativ X (X-) und positiv (Y+). Im dritten Quadranten wären alle Positionen negativ X (X-) und negativ Y (Y-). Im vierten Quadranten wären alle Positionen positiv X (X+) und negativ Y (Y-).

Abb. 3: Die Quadranten, die beim Kreuzen der X- und Y-Achse entstehen, dienen der genauen Lokalisierung von Punkten vom X/Y-Nullpunkt (Ursprung).

In Abb. 3 wäre Punkt A 2 Einheiten rechts der Y-Achse und 2 Einheiten über der X-Achse. Angenommen, jede Einheit entspricht 1,000. Die Position von Punkt A wäre X + 2,000 und Y + 2,000. Für Punkt B wäre die Position X + 1,000 und Y - 2,000. In der CNC-Programmierung ist es nicht notwendig, Pluswerte (+) anzugeben, da diese angenommen werden. Minuswerte (-) müssen jedoch angegeben werden. Beispielsweise würden die Positionen von A und B wie folgt angegeben:

A X2.000 Y2.000
B X1.000 Y-2.000

Ein Computersystem ist mit der Maschine verbunden, die aus Sensoren und elektrischen Antrieben besteht. Das Programm steuert die Bewegungen der Maschinenachsen.

Die 10 häufigsten Arten von CNC-Maschinen

Frühe Werkzeugmaschinen waren so konzipiert, dass der Bediener vor der Maschine stand und die Bedienelemente bediente. Dieses Design ist bei CNC nicht mehr erforderlich, da der Bediener die Werkzeugmaschinenbewegungen nicht mehr direkt steuert. Bei konventionellen Werkzeugmaschinen wurden nur etwa 20 % der Zeit für die Spanabfuhr aufgewendet. Durch den Einsatz elektronischer Steuerungen stieg die tatsächliche Zeit für die Metallbearbeitung auf 80 % und mehr. Auch die Zeit, die benötigt wird, um das Schneidwerkzeug in jede Bearbeitungsposition zu bringen, wurde reduziert.

Es gibt 10 gängigste Arten von CNC-Maschinen, die in verschiedenen Branchen eingesetzt werden:

1. CNC-Fräsmaschinen (CNC Mills)
2. CNC-Fräsmaschinen (CNC Router)
3. CNC-Lasermaschinen (Laserschneider, Lasergravierer, Laserschweißgeräte)
4. CNC-Drehmaschinen (CNC Lathes)
5. CNC-Bohrmaschinen (CNC Drills)
6. CNC-Bohrwerke
7. CNC-Schleifmaschinen (CNC Grinders)
8. Funkenerosionsmaschinen (EDM)
9. CNC-Plasmaschneidmaschinen (CNC Plasma Cutters)
10. 3D-Drucker