CNC-Grundlagen: Schlüsselkonzept #1 – Vorteile und Funktionsweise der Computergesteuerten Numerischen Steuerung

Dies ist der erste Artikel einer 10-teiligen Serie zu den Schlüsselkonzepten der Computergesteuerten Numerischen Steuerung (CNC). Für eine Einführung in den Ansatz dieser Serie lesen Sie diesen Artikel.

Vorteile der CNC-Technologie

Der erste Vorteil aller CNC-Werkzeugmaschinen ist verbesserte Automatisierung. Der Bedieneraufwand bei der Werkstückfertigung kann reduziert oder eliminiert werden. Viele CNC-Maschinen können ihren gesamten Bearbeitungszyklus unbeaufsichtigt durchlaufen, was den Bediener für andere Aufgaben freisetzt. Dies bringt Nebenvorteile: geringere Bedienerermüdung, weniger durch menschliche Fehler verursachte Fehler, konsistente und vorhersagbare Bearbeitungszeiten pro Werkstück. Da die Maschine unter Programmsteuerung läuft, ist das erforderliche Qualifikationsniveau des CNC-Bedieners (bezüglich grundlegender Zerspanungspraxis) im Vergleich zu einem Zerspaner an konventionellen Maschinen reduziert.

Der zweite große Vorteil: konsistente und präzise Werkstücke. Heutige CNC-Maschinen weisen fast unglaubliche Genauigkeits- und Wiederholgenauigkeitsspezifikationen auf. Einmal verifiziert, lassen sich zwei, zehn oder tausend identische Werkstücke präzise und konsistent fertigen.

Ein dritter Vorteil: Flexibilität. Da diese Maschinen über Programme laufen, ist ein Werkstückwechsel fast so einfach wie das Laden eines anderen Programms. Einmal verifiziert und ausgeführt, kann ein Programm beim nächsten Los einfach wieder aufgerufen werden. Dies führt zu einem weiteren Vorteil: schnelle Umrüstzeiten.

Da diese Maschinen einfach einzurichten und zu betreiben sind und Programme leicht geladen werden können, erlauben sie sehr kurze Rüstzeiten – unerlässlich für heutige Just-in-Time-Produktionsanforderungen.

Bewegungssteuerung – Das Herz der CNC

Die grundlegendste Funktion jeder CNC-Maschine ist die automatische, präzise und konsistente Bewegungssteuerung. Alle CNC-Geräte haben zwei oder mehr Bewegungsrichtungen, sogenannte Achsen. Diese können präzise und automatisch entlang ihrer Verfahrwege positioniert werden. Die zwei häufigsten Achstypen sind linear (gerade Bahn) und rotativ (kreisförmige Bahn).

Statt Bewegungen durch manuelles Drehen von Kurbeln und Handrädern zu erzeugen (konventionelle Maschinen), werden CNC-Bewegungen durch Servomotoren unter Steuerung der CNC und geführt vom Teileprogramm ausgeführt. Allgemein sind Bewegungstyp (Schnellfahrt, linear, kreisförmig), zu bewegende Achsen, Bewegungsbetrag und Bewegungsgeschwindigkeit (Vorschub) bei fast allen CNC-Maschinen programmierbar.

Ein CNC-Befehl in der Steuerung (üblicherweise über ein Programm) weist den Antriebsmotor an, eine präzise Anzahl an Umdrehungen auszuführen. Die Motorrotation dreht die Kugelspindel, die die Linearschacht antreibt. Ein Rückführsystem am gegenüberliegenden Ende der Kugelspindel ermöglicht der Steuerung die Bestätigung, dass die befohlene Umdrehungszahl erfolgt ist.

Ein grober Vergleich: Ein Schraubstock funktioniert ähnlich. Drehen Sie die Kurbel, drehen Sie die Spindel, die den beweglichen Backen antreibt. Im Vergleich dazu ist eine Linearschacht an einer CNC-Maschine extrem präzise. Die Umdrehungszahl des Antriebsmotors steuert die Linearbewegung exakt.

Achsenbewegungskommandos – Koordinatensysteme verstehen

Es wäre unpraktikabel, den CNC-Anwender jeden Achsenantriebsmotor einzeln anzuweisen, wie oft er rotieren soll, um eine bestimmte Linearbewegung zu erzielen. (Das wäre, als müsste man berechnen, wie viele Kurbelumdrehungen am Schraubstock den beweglichen Backen genau einen Zoll verschieben!) Stattdessen erlauben alle CNC-Steuerungen, Achsenbewegungen viel einfacher und logischer über ein Koordinatensystem zu kommandieren. Die zwei gängigsten Systeme sind das rechteckige (kartesische) und das Polarkoordinatensystem. Bei weitem am häufigsten ist das rechteckige Koordinatensystem.

Eine häufige Anwendung des kartesischen Systems ist das Zeichnen von Graphen.

Übertragen wir dieses Wissen auf CNC-Achsenbewegungen: Statt theoretischer Punkte für Konzepte setzt der CNC-Programmierer physische Endpunkte für Achsenbewegungen. Achsen werden in Inkremente unterteilt. Nicht in inkrementelle Konzepte wie Zeit und Produktivität, sondern in Messinkremente. Im Zollmodus kann das kleinste Inkrement 0,0001 Zoll betragen, im metrischen Modus 0,001 mm. (Bei Drehachsen beträgt das Inkrement 0,001 Grad.)

Jede Achse im CNC-Koordinatensystem muss irgendwo beginnen. Für CNC-Zwecke wird dieser Ursprungspunkt als Programm-Nullpunkt bezeichnet (auch Werkstück-Nullpunkt, Teil-Nullpunkt oder Programmursprung). Typischerweise wird der Programm-Nullpunkt dort gewählt, wo alle Maße beginnen.

Mit dieser Technik: Soll das Werkzeug eine Position 1 Zoll rechts des Programm-Nullpunkts anfahren, wird X1.0 kommandiert. Soll es 1 Zoll oberhalb positioniert werden, Y1.0. Die Steuerung berechnet automatisch, wie oft jeder Achsenantrieb rotieren muss, um den Zielpunkt zu erreichen. So kann der Programmierer Achsenbewegungen sehr logisch kommandieren.

Bisher lagen alle Punkte rechts und oben vom Programm-Nullpunkt – Quadrant 1. Es ist nicht unüblich, dass Endpunkte in anderen Quadranten liegen. Dann muss mindestens eine Koordinate als negativ angegeben werden. Abbildung 1 zeigt eine typische Anwendung mit Endpunkten in allen vier Quadranten und negativen Koordinaten.

Absolut vs. Inkrementell

Bisher wurde der absolute Programmierungsmodus unterstellt. Im absoluten Modus werden alle Endpunkte vom Programm-Nullpunkt aus angegeben. Für Einsteiger ist dies meist die beste und einfachste Methode. Es gibt jedoch eine weitere Möglichkeit: den inkrementellen Modus.

Im inkrementellen Modus werden Endpunkte von der aktuellen Werkzeugposition aus angegeben, nicht vom Programm-Nullpunkt. Der Programmierer muss ständig fragen: „Wie weit soll ich das Werkzeug bewegen?“ Zwar gibt es Situationen, wo der inkrementelle Modus hilfreich ist, allgemein ist er jedoch umständlicher und schwieriger.

Achten Sie bei Bewegungsbefehlen darauf. Einsteiger neigen zum inkrementellen Denken. Arbeiten Sie im absoluten Modus (wie Einsteiger sollten), fragen Sie stets: „Auf welche Position soll das Werkzeug bewegt werden?“ Diese Position bezieht sich auf den Programm-Nullpunkt, nicht auf die aktuelle Werkzeugposition. Abbildung 2 zeigt zwei identische Bewegungsfolgen – einmal inkrementell, einmal absolut.

Ein weiterer Vorteil des absoluten Modus: Wird ein Fehler in einem Bewegungsbefehl gemacht, ist nur diese eine Bewegung falsch. Bei inkrementellen Bewegungen sind alle Bewegungen ab dem Fehlerpunkt ebenfalls falsch.

Programm-Nullpunkt zuweisen

Die CNC-Steuerung muss über den Ort des Programm-Nullpunkts informiert werden – auf die eine oder andere Weise. Wie dies geschieht, variiert stark zwischen Maschinen und Steuerungen. Eine ältere Methode: Zuweisung im Programm. Der Programmierer teilt der Steuerung mit, wie weit der Programm-Nullpunkt von der Maschinenstartposition entfernt ist. Dies erfolgt oft mit G92 (oder G50) zu Programmstart und ggf. zu jedem Werkzeugbeginn.

Eine allgemein bessere Methode: Zuweisung über Offsets. Fräsmaschinenhersteller nennen Offsets zur Nullpunktzuweisung Werkzeugversätze (fixture offsets). Drehmaschinenhersteller nennen sie für jedes Werkzeug Geometrieversätze (geometry offsets). Mehr zur Nullpunktzuweisung folgt in Schlüsselkonzept Nummer vier.

Weitere Aspekte der Achsenbewegung

Bisher lag der Fokus auf der Bestimmung des Endpunkts jedes Bewegungsbefehls. Dies erforderte Verständnis des kartesischen Koordinatensystems. Es gibt jedoch weitere Aspekte: Bewegungstyp (Schnellfahrt, Gerade, Kreisbogen etc.) und Bewegungsgeschwindigkeit (Vorschub). Diese werden in Schlüsselkonzept Nummer drei behandelt.

Das CNC-Programm

Fast alle aktuellen CNC-Steuerungen nutzen das Wortadressformat. (Ausnahmen: bestimmte dialoggestützte Steuerungen.) Wortadressformat bedeutet: Das CNC-Programm besteht aus satzähnlichen Befehlen. Jeder Befehl besteht aus CNC-Wörtern, jedes mit einem Buchstabenadress (X, Y, Z...) und einem numerischen Wert. Der Buchstabe sagt der Steuerung die Wortart, der Wert dessen Wert. Wie Wörter und Sätze in der Sprache sagen CNC-Wörter in einem Befehl der Maschine, was wir jetzt tun wollen.

Jedes Wort hat einen Buchstabenadress und einen numerischen Wert. Der Buchstabe definiert die Wortart. CNC-Hersteller variieren bei der Festlegung von Wortnamen (Buchstabenadressen) und Bedeutungen. Der Einsteiger muss das Programmierhandbuch des Steuerungsherstellers konsultieren. Hier eine kurze Liste gängiger Wortarten und ihrer üblichen Buchstabenadressen.

Viele Buchstabenadressen sind logisch gewählt (T für Werkzeug, S für Spindel, F für Vorschub...). Einige erfordern Auswendiglernen.

Zwei Buchstabenadressen (G und M) ermöglichen Sonderfunktionen. Die Vorbereitungsfunktion (G) setzt häufig Modi. Wir kennen bereits Absolutmodus (G90) und Inkrementellmodus (G91) – nur zwei von vielen Vorbereitungsfunktionen. Die Funktionenliste Ihrer Maschine finden Sie im Herstellerhandbuch.

Wie Vorbereitungsfunktionen erlauben diverse Funktionen (M-Worte) programmierbare Schalter (Spindel ein/aus, Kühlmittel ein/aus...) und viele weitere programmierbare Maschinenfunktionen.

Für Einsteiger mag CNC-Programmieren nach viel Auswendiglernen klingen. Aber beruhigend: Es gibt nur etwa 30–40 verschiedene Wörter. Wenn Sie CNC-Handprogrammierung als Erlernen einer Fremdsprache mit nur 40 Wörtern betrachten, scheint es nicht allzu schwierig.

Dezimalpunktprogrammierung

Bestimmte Buchstabenadressen (CNC-Wörter) erlauben Reellzahlen (Zahlen mit Nachkommastellen). Beispiele: X-Achsenbezeichnung (X), Y-Achsenbezeichnung (Y), Radiusbezeichnung (R). Fast alle aktuellen CNC-Steuerungen erlauben Dezimalpunkte in der Spezifikation jedes Buchstabenadresses. Beispiel: X3.0625 für eine X-Achsenposition.

Andererseits dienen manche Buchstabenadressen der Angabe ganzzahliger Werte. Beispiele: Spindeldrehzahl (S), Werkzeugstationsnummer (T), Sequenznummern (N), Vorbereitungsfunktionen (G), diverse Funktionen (M). Für diese Worttypen erlauben die meisten Steuerungen keinen Dezimalpunkt. Der Einsteiger muss im Programmierhandbuch nachsehen, welche Wörter Dezimalpunkte zulassen.

Weitere programmierbare Funktionen

Alle bis auf die einfachsten CNC-Maschinen haben programmierbare Funktionen jenseits der Achsbewegung. Heutige vollwertige CNC-Geräte lassen fast alles an der Maschine programmieren. Bearbeitungszentren erlauben Programmierung von Spindeldrehzahl und -richtung, Kühlmittel, Werkzeugwechsel u. v. m. Drehzentren: Spindeldrehzahl/-richtung, Kühlmittel, Revolverindex, Reitstock. Jede CNC-Art hat ihren eigenen Funktionsumfang. Zubehör wie Tastsysteme, Werkzeuglängenmesssysteme, Palettenwechsler, Adaptivsteuerungen können verfügbar sein und erfordern Programmierüberlegungen.

Die Liste programmierbarer Funktionen variiert stark von Maschine zu Maschine. Der Anwender muss diese Funktionen für jede zu nutzende CNC-Maschine erlernen. In Schlüsselkonzept Nummer zwei betrachten wir genauer, was typischerweise an verschiedenen CNC-Maschinentypen programmierbar ist.

Weiterführende Schlüsselkonzepte der CNC:

• Schlüsselkonzept #2 – Ihre Maschine kennen
• Schlüsselkonzept #3 – CNC-Bewegungstypen verstehen
• Schlüsselkonzept #4 – Die Formen der Kompensation
• Schlüsselkonzept #5 – Die Wichtigkeit der Programmausformatierung
• Schlüsselkonzept #6 – Methoden der CNC-Programmierung
• Schlüsselkonzept #7 – Die Maschine aus Bedienerperspektive kennen
• Schlüsselkonzept #8 – Die Betriebsarten der Maschine
• Schlüsselkonzept #9 – Die Schlüsselfolgen des Betriebs
• Schlüsselkonzept #10 – CNC-Programme sicher verifizieren