Moderne CNC-Steuerungen: Mehr Speed, Präzision, Bedienkomfort bei komplexer Bearbeitung

CNCs werden schneller, smarter, bedienfreundlicher

Das Maschinenbau-Akronym, das man nie ausschreibt: CNC. Und meist ist es okay, „Computerized Numerical Control“ als Black Box zu sehen, die Magie vollbringt. Aber wer mit High-Speed Machining kämpft, bessere Oberflächen oder höhere Genauigkeit braucht, Trainings-/Retentionsprobleme hat oder Produktions-effizienz besser im Griff haben will – die Antwort könnte in den neuesten Iterationen dieser drei Buchstaben liegen.

Wer braucht den Speed?

Wie alles Computerbezogene werden CNCs ständig schneller. Beispiele aus dem Spec-Dschungel: Heidenhain Controls verarbeiten Datenblöcke in 0,5 ms, Siemens SINUMERIK 840D steuert bis 31 Achsen und 10 Bearbeitungskanäle mit Single Processor, FANUCs neueste Antriebe/Motoren: bis 32 Mio. Impulse/Umdrehung. Wer braucht diese Power?

Erstens: Jeder, der mehrere Achsen simultan bewegt – besonders schnell. Tom Maxwell, Senior Application Engineer, Fagor Automation-USA (Elk Grove Village, IL) verweist auf vermehrten Composite-Einsatz in Aerospace: „Schnellere High-Speed-Fünf-Achs-Router brauchen mehr Rechenleistung. Auch High-Speed-Alu-Bearbeitung in fünf Achsen auf High-Performance-Maschinen.“

Oder wie Gisbert Ledvon, Heidenhains TNC Business Development Manager: „High-Speed Machining braucht schnelle Vorschübe und konstante Spanquerschnitte. Hitze soll in den Span, nicht ins Werkzeug. Aber wenn Control zu langsam für Daten aus CAD/CAM oder Postprozessor, kann man konstanten Spanquerschnitt nicht garantieren – Werkzeug brennt schnell aus. Auch Oberfläche/Genauigkeit leiden. Schnellere Controls auch nötig für Spindeln bis 80–100.000 rpm – wieder für konstanten Spanquerschnitt. CNC ist großer Erfolgsfaktor.“

Maschinen, die Bearbeitungsverfahren kombinieren (Fräs-Dreh-Maschinen, Fräsen+Schleifen) treiben Bedarf an Ultra-Fast-Prozessoren. „Wenn Teil nicht zentriert auf Frästisch und man Drehen will: Bewegung in allen Achsen, nicht nur Rotationsachsen“, so Ledvon.

Steve Holmes, Business Developer, Siemens Industry Inc., Digital Factory Division, Machine Tool Business (Elk Grove Village, IL): Roboter, gesteuert von Bearbeitungszentrum-CNC für Teilehandling und leichtes Bearbeiten (Entgraten). SINUMERIK 840D hat Funktion „Run My Robot“, eliminiert separaten Controller/PLC für Roboter. Control widmet einfach einen weiteren Kanal dieser Aufgabe.

Andererseits: Achtung, dass gewünschte Speed nicht durch andere Komponente limitiert wird. Jody Michaels, National Sales Manager, FANUC America Corp. (Hoffman Estates, IL): „Konkurrenz behauptet Features wie 25.000 Block Look-ahead. Schön, aber ohne CPU-Processing-Speed und Antriebe/Motoren, die schnell reagieren, egal wie weit man vorausschaut. Man kann 1000 PS Motor auf John Deere Traktor bauen – heißt nicht, dass er 150 mph fährt. Man braucht das Gesamtsystem.“

Bevor wir Speed verlassen: Die meisten modernen CNCs haben Funktion „Adaptive Feed Control“ – nutzt gemessene Spindellast zur Vorschubanpassung. Schneidet man „Luft“, beschleunigt Control auf max. eingestellten Vorschub. Werkzeug im Schnitt: Control drosselt Vorschub für konstantes, sicheres Drehmoment. Alles on-the-fly. Ledvon: „Feature besonders gut für unbeaufsichtigtes Bearbeiten und Trochoidalfräsen. Optimiert CAD/CAM-Pakete weiter, die Geschwindigkeiten basierend auf vorhergesagtem Materialabtrag anpassen.“

Höhere Genauigkeit, bessere Oberflächen

Wie angedeutet: Fortgeschrittene Controls bieten mehr als kinematische Komplexität und Multiprozess-Handling oder schnelleres Bearbeiten. Vielleicht am wichtigsten: höhere Bearbeitungsgenauigkeit und verbesserte Oberflächen für Formenbau und Anwendungen, wo diese Faktoren kritisch sind. Ein gängiger Ansatz, exemplifiziert von Fagor: Dual Feedback – nutzt digitalen Motorencoder und separaten absoluten Linearmessgeber für Control. Maxwell: „Ermöglicht viel höhere Genauigkeiten bei Erhalt glatter Bewegung.“

Paul J. Gray, Manager Path Planning, Front-End Design, R&D für Maschinenbauer Hurco (Indianapolis): Hurcos WinMax Control brauchte mehr Rechenleistung für patentierte UltiMotion toleranzbasierte Control-Algorithmen – lieferten 25 % Zykluszeitreduktion bei 4-/5-Achs-Bearbeitung. Aber mehr: Hurcos neue 5-Achs-Maschinen haben Direct-Drive-Rotationsachsen-Drehmomentmotoren, die UltiMotions hohe dynamische Antwort voll nutzen für glattere Oberflächen.

Erwähnung „Algorithmen“ führt zurück zur Wahrnehmung: moderne CNCs sind Black Box. Tatsächlich laufen oft sophistizierte Programme im Hintergrund, weit über einfaches Ausführen der durch Bearbeitungsprogramm definierten Bewegungen.

Schlüsselbeispiel: Neudeutung der Spline-Kurven aus CAD/CAM-Postprozessor. Ledvon: Solche Konturen haben typischerweise Punkte knapp außerhalb des Radius einer Kurve.

„Maschine zwingen, Punkt für Punkt entlang solch einer Kontur zu fahren, erzeugt Vibration und Rattermarken am Werkstück. Auf Heidenhain Control: Bandbreite weniger Mikrometer definieren, Maschine bewegt sich glatt innerhalb Toleranzband um programmierte Kontur. Control optimiert Speed/Feed abhängig von Konturform, wahrt Genauigkeit.“ Heidenhain nennt das Advance Dynamic Prediction (ADP) – auf fortgeschrittenen Controls gängig. FANUC nennt seine Version Smooth Tolerance Control.

Zahlreiche Features korrigieren inhärente Maschinenfehler: Heidenhains Adaptive Chatter Control (ACC). „Wir arbeiten mit Maschinenbauer, um zu bestimmen, wie Vibrationen in deren Maschinen entstehen – differs machine to machine. Und welche Aktion Control ergreifen soll, um solche Harmonischen zu eliminieren – again machine-specific. Maschinenbauer legt Daten in PLC, federt zurück an Control, läuft automatisch.“

Heidenhain, FANUC u. a. haben Funktionen, die beschleunigungsabhängige Positionsfehler am Tool Center Point kompensieren. Ledvon: Masse und Trägheit verursachen Nickbewegungen beim Bremsen/Beschleunigen → Positionsfehler, die Positionsgeber nicht erfassen.

Fehler hängen ab von: Steifigkeit Führungen, Abstand Vorschubkraft-Anwendungspunkt zu Massenmittelpunkt, Abstand Massenmittelpunkt zu Tool Center Point. Heidenhain partners mit Maschinenbauer, versteht Mechanik, berechnet Korrektur für Beschleunigungsfehler. Ledvon: Solche Korrekturen betragen nur wenige Mikrometer – nicht immer nötig, anwendungsabhängig.

FANUCs Terminologie gibt guten Eindruck weiterer „magischer“ Funktionen für Maschinenbauer/Nutzer: Smart Spindle Acc/Dec, Smart Feed Rate Acc/Dec, Smart Backlash Compensation, Smart Thermal Control.

Michaels: Smart Spindle Acc/Dec spart auch Energiekosten, da CAD/CAM oft große Spindeldrehzahlsprünge ausgibt, die sonst unnötig Strom verbrauchen. Hauptnutzen: bessere Teile. Zusammengefasst: „Mit heutiger Toleranzkontrolle und hoher Antriebsantwort sieht das bearbeitete Teil aus wie poliert.“

Fortschritte bei HMIs

Wie erwartet: Neuere HMI-Entwicklungen: Icon-driven Designs, Fingertip-Control wie Smartphones (Zusammenziehen zum Verkleinern, Auseinanderziehen zum Zoomen). Selbst FANUC, dessen allgegenwärtiges HMI sich 25 Jahre kaum änderte, bietet jetzt „sehr anderes Interface. Home Screen sieht nichts aus wie FANUC Screen, Reihen verschiedener Icons für Werkzeugdaten, Programmedit, Wartung etc. Anpassbar – z. B. Programmier-App eines anderen Vendors. Wichtigstes: Millennials akzeptieren unsere Control viel besser.“

Änderungen nicht nur Millennials-Schmeichelei. CNC-Vendor gaben Operator mehr Programmierfähigkeit unabhängig von Offline-CAD/CAM – und machten es relativ einfach.

Gray: Hurcos neues Graphical Conversational Programming gibt Operatoren Fähigkeit, „Solid-Model-CAD-Files importieren und einfach auf Teilfeatures klicken, die sie schneiden wollen, um Teileprogramm zu generieren. Orientiert 5-Achs-Maschinen automatisch für 3+2-Achs-Features. Einfachheit verbessert Operator-Produktivität, eliminiert weitere Human-Error-Quellen in Produktionssequenz.“

Siemens, Heidenhain u. a. bieten gleiche Fähigkeit. Holmes: Möglichkeit, jeden Standard-3-Achs-Zyklus auf jeder geneigten Ebene zu nutzen, eliminiert teures CAM-System für 5-Seiten-Bearbeitung.

Holmes: „Heutige advanced HMIs gehen über basis Visual Verification hinaus. Bieten 3D-grafische Verifikation von Programmierung, Werkzeug/Spindel-Setup, Teilvermessung, Werkzeugbahneffizienz, unterstützen neue Capabilities wie Collision Avoidance – machbar durch Visual Verification. Gleiches Visual-Verification-Erlebnis across Shop: 3-Achs bis 3+2 bis voll 5-Achs.“

Gray: On-Control-Grafik und Maschinensimulation nicht mehr special – „Programmierseite ist, wo die meisten Controls straucheln, besonders bei 5-Achs.“ Hurco: „Entwickelte universellen Programmtyp für Conversational und NC, der dasselbe Teil auf jedem Hurco 5-Achs schneidet, egal welche Konfiguration – ohne Änderungen am Teileprogramm. Vereinfacht 5-Achs-Operatortraining, bietet beträchtliche Produktionsflexibilität.“

Kinematic-independent Programming auch Fokus für Siemens.

„Dieser Ansatz erlaubt dasselbe Programm auf mehreren 5-Achs-Maschinen mit unterschiedlicher Kinematik ohne separaten Postprozessor pro Maschine“, sagt Holmes. „Mit kinematik-unabhängiger Programmierung sind CNC-Programme auch maschinenunabhängig → größere Flexibilität bei 5-Achs-Bearbeitung. Teil für Maschine mit Articulating Head geschrieben → auf VMC ohne Articulating Head aber mit Trunnion Table. Control reorientiert Programm automatisch. Teile müssen nicht mit Siemens eigenem CAD/CAM NX programmiert sein – jedes Standardpaket geht.“

Gleichzeitig: Siemens vielleicht einzigartig mit vollem CNC-System UND CAD/CAM-Softwarepaket – so integriert, dass Änderungen an einem sofort im anderen reflektiert sind, ohne Postprocessing. Mit breiterer Reichweite bieten Siemens und FANUC „universelle HMIs“, die von Fräsen bis Drehen bis Schleifen ähnlich aussehen – erleichtert Training.

Maxwell: Fagor bietet neues Feature: „User wählt Material und Werkzeug, ruft Basis-Speeds/Feeds für spezifisches Teil ab. Fagor implementierte auch On-the-fly Operator-Adjustment zwischen Speed und Accuracy: Speed bei Schruppen, Accuracy bei Finish.“

Ähnliche Linie: Holmes: Siemens Controls haben „High-Speed Machining Cycles, die Operator erlauben, Bearbeitungsprozess für Schruppen, Semi-Finish, Finish einfach anzupassen – Änderung nur ein/zwei Werte im Zyklus.“

Weitere Setup-Hilfen

Neben intuitiven Interfaces helfen heutige CNCs Operatoren mit Guidance für jede Funktion. Siemens: 100+ kurze Videoclips „Animated Elements“, dievirtuell jedes Feld in Zyklen/Setup-Operationen illustrieren.

Heidenhain: Neues System VSC (Visual Setup Control) – macht Bild vom Setup nach Optimierung: Teileorientierung in Spannvorrichtung, Schraubenzug, etc. Control vergleicht Bild mit nachfolgenden Setups im Produktionslauf, alertet Operator auf Anomalien: Schraubenschlüssel auf Teil vergessen, fehlende Bohrung – Option: fortfahren, nächste Palette, Stopp für Korrektur. VSC so sensitiv: Kamera erkennt Schraubenkopf, der durch Überdrehen nicht perfekt flach ist.

KinematicsOpt: weiteres interessantes Heidenhain-Feature. „Kalibriersphäre auf Tisch legen“, so Ledvon. „Taster tastet Sphärenumfang an verschiedenen Winkeln an, kalibriert Maschine automatisch exakt auf Zentrumsdrehpunkt – kritisch für 5-Achs-Anwendungen. Sehr mächtig, besonders bei Temperaturschwankungen im Shop tagsüber. Palette mit Kalibrierkugel in Schicht laden, Maschine rekalibriert sich automatisch vor nächstem Los.“

Hurco und Siemens bieten gleiche Funktionalität für Maschinen mit Rotationsachsen in beliebiger Kinematik – zusätzlich Centerline-Probing-Zyklen im Teileprogramm für automatische Messung während Produktion.

Schließlich: Alle Controls werkseitig getunt auf erwartete Spannung, Teilegröße etc. Feldänderungen (absichtlich oder nicht) erfordern manchmal Anpassungen. FANUC u. a. ermöglichen „gewisse Menge Auto-Tuning selbst“, so Michaels.

Maxwell: „Automatisches Abstimmen der Achsen via Fagor Finetune Software jetzt Standardfeature. Software tuned CNC- und Antriebsparameter via Bode-Diagramme für High-Speed-Cutting-Optimierung. Fagor u. a. bieten eingebautes Oszilloskop am CNC für weiteres Advanced Tuning.“

Wessen Control ist es eigentlich?

Bevor wir HMI verlassen: Interface, das Operator präsentiert wird, ist oft teilweise, wenn nicht gänzlich, Schöpfung des Maschinenbauers – nicht CNC-Vendors. Gleiches Token: Oft mehrere Control-Optionen vom selben Builder – lohnt sich, sich zu informieren, was da ist.

Beispiel: Hinter DMG Moris CELOS Frontend: FANUC, Siemens, Mitsubishi oder Heidenhain Control – letzteres läuft nicht im Hintergrund, sondern Side-by-Side auf gleichem Screen.

Michaels: „Makino nutzt hauptsächlich FANUC, aber man wüsste es nicht. Sie nutzen Panel i – unsere Control im Background, hooked an Computer, der Video-Screen an User präsentiert. Standard VMC/HMC und Drehmaschinen nutzen oft Standard FANUC HMI. Spezialanwendungen wie Schleifen: meist OEM-eigenes HMI. Gleason Gear Cutting Maschinen vergraben FANUC Control mit spezialisiertem HMI. Weiler Drehmaschinen: Siemens Controls mit HMI, so vom Builder customized, dass man es nicht wüsste.“

Datenmacht nutzen

„Industry 4.0 und Industrial Internet of Things sind wohl die wichtigsten Treiber in heutiger Industrie“, sagt Gray. „Information ist Schlüssel für smartere Entscheidungen – heutige CNC-Maschinen sollen Produktivitäts- und produktionsrelevante Infos publizieren und mit anderen intelligenten Devices vernetzen, um Setup-Zeit und -Kosten zu reduzieren.“

Als Teil dieses Efforts: Hurco stellt Open-Source-Interface zu seiner Control auf GitHub frei, partners mit Robotik- und Produktivitätsmonitoring-Firmen für breitere Interkonnektivität.

Heidenhain Control kann virtuell alles detailiert melden – Ledvon: StateMonitor System macht es einfach, constrained Datenset zu bekommen: Spindel an/aus, Error Codes – „very clear and decisive analytics without all the fuss and bother.“ Erlaubt Operator Input, warum Maschine nicht lief – kritischer Datapunkt, den vollautomatisches System nicht erfassen würde.

Forward-thinking Take auf Industry 4.0: Siemens’ MindSphere – offene Architektur Cloud-Plattform, wo Maschinen verschiedener Hersteller Daten sicher hochladen, speichern, analysieren, monitoren von weltweit. Maschinen mit intelligenten Sensoren (Vibration, Stromverbrauch, Temperatur u. a.) laden Statusreports zu MindSphere hoch.

Beispiel: Sensor detektiert anormale Vibration an Y-Achse eines Maschinentyps → bestimmt (basierend auf Algorithmen aus großen Smart Data anderer Nutzer), dass Vibration von verschlissenem Y-Achsen-Kugelgewindeträger-Lager kommt. Teil kann bestellt und versendet werden, bevor Kunde Problem bemerkt. Geht über Preventive Maintenance hinaus zu Predictive Maintenance. Major Step Forward.