CNC-Grundlagen: Computerized Numerical Control meistern

Einheit 1: Einführung in CNC

Was ist CNC?

CNC steht für Computerized Numerical Control (computergesteuerte numerische Steuerung). CNC ist die Automatisierung von Werkzeugmaschinen, die durch präzise programmierte Befehle gesteuert werden, die von einem Computer kodiert und abgespielt werden – im Gegensatz zur manuellen Steuerung über Handräder oder Hebel.

In modernen CNC-Systemen ist die durchgängige Komponentenkonstruktion hochautomatisiert durch den Einsatz von CAD (Computer-Aided Design) und CAM (Computer-Aided Manufacturing) Programmen. Die Reihe der Schritte, die zur Herstellung eines Teils erforderlich sind, ist hochautomatisiert und produziert ein Teil, das dem ursprünglichen CAD-Design sehr genau entspricht.

Bei CNC-Maschinen wird die Rolle des Bedieners minimiert. Der Bediener muss lediglich das Anweisungsprogramm in den Computer eingeben, die erforderlichen Werkzeuge in die Maschine laden, und der Rest der Arbeit wird vom Computer automatisch erledigt. Der Computer steuert das Werkzeug, um verschiedene Bearbeitungsvorgänge gemäß dem vom Bediener eingegebenen Anweisungsprogramm auszuführen.

Die CNC-Technologie kann auf eine Vielzahl von Operationen angewendet werden wie Zeichnen, Montage, Inspektion, Blechbearbeitung usw. Sie wird jedoch vor allem für verschiedene Metallbearbeitungsprozesse wie Drehen, Bohren, Fräsen, Formen usw. eingesetzt. Durch CNC können alle Bearbeitungsvorgänge mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden, was die Serienfertigung erheblich verbilligt.

Funktionsweise

Die CNC-Maschine besteht aus dem Computer, in das das Programm für das Schneiden des Metalls des Werkstücks gemäß den Anforderungen eingespeist wird. Alle durchzuführenden Schneidprozesse und alle Endmaße werden über das Programm in den Computer eingegeben. Der Computer weiß somit genau, was zu tun ist, und führt alle Schneidprozesse aus. Eine CNC-Maschine arbeitet wie ein Roboter, der mit dem Programm gefüttert wird und allen Anweisungen folgt.

Sie müssen sich keine Sorgen um die Genauigkeit des Werkstücks machen; alle CNC-Maschinen sind darauf ausgelegt, sehr hohe Genauigkeiten zu erreichen. Täglich sind CNC-Maschinen für die meisten Präzisionsarbeiten unverzichtbar. Wenn Ihr Werkstück fertig ist, müssen Sie es nicht einmal entfernen – die Maschine erledigt das für Sie und nimmt das nächste Werkstück selbstständig auf. So kann Ihre Maschine 24 Stunden am Tag Fertigungsarbeiten durchführen, ohne dass viel Überwachung nötig ist – natürlich müssen Sie sie zunächst mit dem Programm füttern und das erforderliche Rohmaterial zuführen.

Seit den frühesten Tagen der Fertigung wurden Wege gesucht, die Maßgenauigkeit und die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Einfach ausgedrückt ist numerische Steuerung eine Methode zum automatischen Betrieb einer Fertigungsmaschine basierend auf einem Code aus Buchstaben, Zahlen und Sonderzeichen. Mit ihrer Entwicklung wurde der Einsatz digitaler Computer zur Steuerung von Fertigungsanlagen realisiert. Computer wurden bald verwendet, um Werkzeugmaschinen direkt zu steuern. Die integrierte Schaltung führte zu kleinen Computern, die einzelne Maschinen steuerten, und das Zeitalter der Computerized Numerical Control (CNC) begann. Dieses CNC-Zeitalter hat sich so weit entwickelt, dass es die bevorzugte Methode für fast jede Phase der Präzisionsfertigung, insbesondere der Zerspanung, ist. Präzise Maßanforderungen, Hauptmerkmal der Zerspanungsprozesse, sind ideale Kandidaten für den Einsatz computergesteuerter Systeme. Computergestützte numerische Steuerung findet sich heute in vielen anderen Fertigungsprozessen. Ein deutlicher Vorteil der Computersteuerung von Werkzeugmaschinen ist die schnelle, hochpräzise Positionierung von Werkstück und Schneidwerkzeug.

Heute wurden manuelle Werkzeugmaschinen weitgehend durch CNC-Werkzeugmaschinen ersetzt. Die Maschinen werden elektronisch und nicht mehr von Hand gesteuert. CNC-Werkzeugmaschinen können dasselbe Teil immer wieder mit sehr geringer Variation herstellen. Moderne CNC-Maschinen können Schneidwerkzeuge und Werkstücke mit Verfahrgeschwindigkeiten von mehreren hundert Zoll pro Minute auf eine Genauigkeit von 0,0025 mm (0,0001 Zoll) positionieren. Einmal programmiert und eingerichtet, können sie Tag und Nacht, Woche für Woche laufen, ohne müde zu werden, mit nur routinemäßiger Wartung und Schneidwerkzeugpflege. Dies sind offensichtliche Vorteile gegenüber manuellen Werkzeugmaschinen, die viel menschliche Interaktion benötigen, um überhaupt etwas zu bewirken. Schnittvorschübe und Spindeldrehzahlen können durch Programmierungsanweisungen optimiert werden. Moderne CNC-Werkzeugmaschinen haben Revolver- oder Bandwerkzeughalter und einige können mehr als 150 Werkzeuge aufnehmen. Werkzeugwechsel dauern weniger als 15 Sekunden.

CNC-Maschinen sind hochproduktiv. Sie sind jedoch teuer in Anschaffung, Einrichtung und Wartung. Der Produktivitätsvorteil kann diese Kosten jedoch leicht ausgleichen, wenn ihr Einsatz richtig gemanagt wird. Ein wesentlicher Vorteil von CNC ist die Fähigkeit, die Maschine für verschiedene Aufträge zu programmieren. Werkzeugauswahl und -wechsel unter Programmsteuerung sind äußerst produktiv, mit wenig Zeitverlust beim Anwenden eines Werkzeugs auf die Aufgabe.

Ein für eine bestimmte Aufgabe entwickeltes Programm kann für einen kurzen Produktionslauf von einem oder wenigen Teilen verwendet werden. Die Maschine kann dann für einen neuen Auftrag eingerichtet und für lange Produktionsläufe von hunderten oder tausenden Einheiten genutzt werden. Sie kann unterbrochen, für den ursprünglichen oder einen anderen neuen Auftrag genutzt und schnell wieder in den langen Produktionslauf zurückkehren. Dies macht das CNC-Werkzeug extrem vielseitig und produktiv. CAD (Computer-Aided Design) ist zur bevorzugten Methode der Produktdesign und -entwicklung geworden. Die Verbindung zwischen CAD und CNC war logisch. Ein am Computer entworfenes Teil kann direkt in das Programm überführt werden, das zur Entwicklung der CNC-Maschinensteuerungsinformationen verwendet wird. Eine CNC-Fertigungsmaschine kann dann das Teil herstellen. Der Computer ist äußerst nützlich, um den CNC-Programmierer bei der Entwicklung eines Programms zur Herstellung eines spezifischen Teils zu unterstützen. CAM (Computer-Aided Manufacturing) Systeme sind heute der Industriestandard für die Programmierung. Wenn CAD, CAM und CNC kombiniert werden, entsteht die größte Leistungsfähigkeit, die Teile produziert, die mit manuellen Methoden extrem schwierig oder unmöglich herzustellen wären.

Koordinatensystem

Die CNC-Bewegung basiert auf dem kartesischen Koordinatensystem. Eine CNC-Maschine kann nicht erfolgreich betrieben werden, ohne zu verstehen, wie Koordinatensysteme in CNC-Maschinen definiert sind und wie die Systeme zusammenarbeiten.

Um die numerische Steuerungsprogrammierung vollständig zu verstehen, müssen Sie Achsen und Koordinaten verstehen. Stellen Sie sich ein Teil vor, das Sie herstellen möchten. Sie könnten es jemandem anderen durch seine Geometrie beschreiben. Zum Beispiel ist das Teil ein 5 x 8 Zoll großes Rechteck. Alle Teile können auf diese Weise beschrieben werden. Jeder Punkt auf dem bearbeiteten Teil, wie eine einzufrästende Tasche oder ein zu bohrendes Loch, kann in Bezug auf seine Position beschrieben werden. Das System, das uns dies ermöglicht, heißt das kartesische Koordinatensystem oder rechteckige Koordinatensystem.