CNC-Maschinensysteme legen fest, wie eine Maschine ein NC-Programm liest, die einzelnen Achsen ansteuert, ihre Position überprüft und Werkzeugwechsel, Kühlmittelzufuhr und weitere Hilfsfunktionen steuert. Beim Drücken der grünen Taste „ZYKLUS START“ arbeiten diese fünf Systeme innerhalb von Millisekunden zusammen.
In den beiden vorangegangenen Artikeln haben wir die historische Entwicklung von CNC-Werkzeugmaschinen vorgestellt und CNC-Koordinatensysteme erläutert.
In diesem Artikel gehen wir noch einen Schritt weiter:
Aus welchen Systemen besteht eine CNC-Werkzeugmaschine? Wie arbeiten diese Systeme zusammen? Was genau geschieht im Inneren der Maschine, die Sie täglich bedienen?
Was geschieht, wenn CNC-Maschinensysteme den Befehl ZYKLUSSTART erhalten?
Wenn Sie die grüne Taste CYCLE START auf dem Bedienfeld drücken, beginnt die Maschine, sich gemäß dem CNC-Programm zu bewegen.
Der gesamte Vorgang mag beinahe magisch anmuten.
Hinter dieser scheinbar einfachen Handlung verbirgt sich jedoch ein hochgradig koordiniertes und präzises System:
Eine Komponente liest das Bearbeitungsprogramm.
Ein weiteres Gerät wandelt die Befehle in elektrische Signale um.
Ein weiterer treibt die Motoren an.
Ein weiterer Prüfer überwacht kontinuierlich die aktuelle Maschinenposition.
Eine weitere Steuerung regelt Kühlmittel, Werkzeugwechsel und andere Hilfsfunktionen.
Diese Komponenten bilden die fünf Kernsysteme einer CNC-Werkzeugmaschine.
Das Verständnis dieser fünf Systeme dient nicht nur der Befriedigung der Neugier.
Tritt ein Maschinenfehler auf, hilft Ihnen dieses Wissen, die fehlerhafte Systemkomponente zu identifizieren. Beim Erlernen fortgeschrittener CNC-Technologien bieten diese fünf Systeme zudem ein klares Gerüst zum Verständnis neuer Konzepte.
System 1: CNC-Steuerung – Das „Gehirn“ der Maschine
Die CNC-Steuerung ist das Herzstück der gesamten Werkzeugmaschine. Sie wird gemeinhin als CNC-System , numerische Steuereinheit oder CNC-Steuerungssystem bezeichnet.
Der Funktionsweisesprozess lässt sich anhand von fünf Hauptschritten erklären.
Lesen Sie das Programm
Die CNC-Steuerung liest das NC-Programm aus dem internen Speicher, einer CF-Karte, einem USB-Gerät oder einer Netzwerkschnittstelle.
Decoding
Es übersetzt G-Code, M-Code und andere Programmanweisungen in Daten, die das interne Steuerungssystem verarbeiten kann.
Interpolationsberechnung
Anhand der programmierten Bewegungsbefehle berechnet die CNC-Steuerung, wie weit sich jede Achse in jedem Zeitintervall bewegen muss.
Dies ist eine der wichtigsten Berechnungen, die vom CNC-System durchgeführt werden.
Beispielsweise muss der Befehl, sich von Punkt A nach Punkt B zu bewegen, in unzählige winzige Bewegungsschritte unterteilt werden. Die Steuerung berechnet und koordiniert diese Schritte in Echtzeit.
Senden von Steuerbefehlen
Der berechnete Bewegungsbetrag für jede Achse wird in elektrische Steuersignale umgewandelt und an das Servosystem gesendet.
Koordinierung von Hilfsfunktionen
Die CNC-Steuerung koordiniert außerdem M-Code-Funktionen wie:
- Steuerung der Spindelgeschwindigkeit
- Automatischer Werkzeugwechsel
- Kühlmittelregelung
- Maschinenklemmen und -lösen
- Andere Hilfsmaschinenoperationen
Die CNC-Steuerung führt das Programm nicht einfach passiv aus.
Es empfängt zudem kontinuierlich Positionsrückmeldungen von jeder Maschinenachse und korrigiert Bewegungsfehler in Echtzeit.
Das Bedienfeld und der Bildschirm, die die Bediener täglich nutzen, bilden die Mensch-Maschine-Schnittstelle der CNC-Steuerung.
Über diese Schnittstelle können die Bediener Programme eingeben, Parameter ändern, Koordinaten überprüfen, den Bearbeitungsstatus überwachen und mit dem CNC-System kommunizieren.
System 2: Servosystem – Die „Muskeln“ der Maschine
Die CNC-Steuerung kann beispielsweise folgende Befehle ausgeben:
Verschieben Sie die X-Achse um 0.001 mm.
Dieser digitale Befehl muss jedoch in eine tatsächliche mechanische Bewegung umgewandelt werden. Dies ist die Aufgabe des Servosystems.
Ein Servosystem besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen.
Servoantrieb
Der Servoantrieb empfängt Steuersignale von der CNC-Steuerung, verstärkt diese und wandelt sie in elektrische Energie um, die den Motor antreiben kann.
Es funktioniert wie ein hochpräziser Leistungsverstärker.
Servomotor
Der Servomotor wandelt elektrische Energie in eine mechanische Drehbewegung um.
Der Hauptunterschied zwischen einem Servomotor und einem herkömmlichen Motor besteht darin, dass ein Servomotor mit einem Positionsgeber ausgestattet ist.
Dadurch lässt sich der Drehwinkel präzise steuern und extrem schnell reagieren. Ein Servomotor kann innerhalb von Millisekunden starten, stoppen, beschleunigen, abbremsen oder die Richtung ändern.
Eine CNC-Werkzeugmaschine enthält normalerweise mehrere Servosysteme.
Vorschubachsen-Servosysteme
Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse verfügen normalerweise jeweils über ein unabhängiges Vorschubservosystem.
Diese Servosysteme steuern die Bewegung des Schneidwerkzeugs, des Spindelkopfes und des Arbeitstisches.
Spindel-Servosystem
Der Spindelservo steuert die Drehzahl der Spindel und des Schneidwerkzeugs.
Der Fokus des Spindelservos unterscheidet sich geringfügig von dem des Vorschubachsenservos.
Bei Vorschubachsen-Servosystemen liegt der Fokus hauptsächlich auf der Positioniergenauigkeit . Der vorgegebene Bewegungsweg muss präzise erreicht werden.
Die Spindelsteuerung ist hauptsächlich auf Drehzahlstabilität ausgelegt . Während des Schneidprozesses muss die Spindeldrehzahl konstant bleiben und darf aufgrund sich ändernder Schnittkräfte nicht wesentlich schwanken.
Bei einer fünfachsigen CNC-Maschine werden normalerweise zwei zusätzliche Servosysteme benötigt, um die Drehachsen, wie z. B. die A-Achse, B-Achse oder C-Achse, zu steuern.
Daher können bei der Fünf-Achs-Bearbeitung fünf oder sechs Servosysteme gleichzeitig in Betrieb sein.
System 3: Mechanische Struktur – Skelett und Gelenke
Der Servomotor erzeugt eine Drehbewegung.
Die CNC-Bearbeitung erfordert jedoch präzise lineare Bewegungen, eine präzise Drehpositionierung sowie eine kontrollierte Bewegung des Schneidwerkzeugs und des Werkstücks.
Die mechanische Struktur der Maschine wandelt die Motordrehung in eine präzise Bewegung der Maschinenkomponenten um.
Die wichtigsten Bestandteile der mechanischen Struktur sind folgende:
Maschinenbett und Rahmen
Das Maschinenbett ist die grundlegende Tragkonstruktion der CNC-Werkzeugmaschine.
Es wird üblicherweise aus Gusseisen oder geschweißten Stahlplatten hergestellt.
Ein hochwertiges Maschinenbett muss Folgendes bieten:
- Hohe strukturelle Steifigkeit
- Gute Vibrationsfestigkeit
- Stabile Dimensionsleistung
- Zuverlässige Unterstützung für bewegliche Komponenten
Die Steifigkeit und Vibrationsfestigkeit des Maschinenbetts sind für die Aufrechterhaltung der Bearbeitungsgenauigkeit unerlässlich.
Linearführungen
Lineare Führungsschienen führen den Arbeitstisch und den Spindelkopf entlang vorgegebener Bewegungsrichtungen.
Moderne Bearbeitungszentren verwenden üblicherweise lineare Wälzführungen, da diese Folgendes bieten:
- Geringe Reibung
- Hohe Bewegungsgenauigkeit
- Schnelle Antwort
- Hohe Vorschubgeschwindigkeiten
- Gute Positioniergenauigkeit
Hochpräzise CNC-Maschinen können hydrostatische Führungsbahnen verwenden. Diese Führungsbahnen arbeiten mit extrem geringer Reibung und bieten hervorragende Laufruhe und Präzision.
Kugelgewinde
Die Kugelumlaufspindel ist ein entscheidendes Bauteil, das die Drehbewegung des Servomotors in die lineare Bewegung des Arbeitstisches bzw. des Spindelkopfes umwandelt.
Im Inneren der Kugelgewindespindel rollen Stahlkugeln zwischen der Spindelwelle und der Mutter, um die Kraft zu übertragen.
Da die Rollreibung wesentlich geringer ist als die Gleitreibung, ermöglichen Kugelgewindetriebe eine hocheffiziente Kraftübertragung und eine Positioniergenauigkeit im Mikrometerbereich.
Spindel
Die Spindel hält das Schneidwerkzeug und dreht es mit hoher Geschwindigkeit.
Die Spindelgenauigkeit, insbesondere der Spindelrundlauf, beeinflusst direkt die endgültige Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenqualität.
Die maximale Spindeldrehzahl bestimmt auch die Schnittgeschwindigkeiten, die die Maschine unterstützen kann.
Hochgeschwindigkeits-CNC-Spindeln können Drehzahlen von 40,000 U/min oder sogar mehr erreichen.
System 4: Mess- und Rückkopplungssystem – Die „Augen“ der Regelungstechnik
Das Feedbacksystem ist von enormer Bedeutung, auch wenn viele CNC-Anfänger seine Funktionsweise möglicherweise nicht vollständig verstehen.
Angenommen, die CNC-Steuerung gibt dem Servomotor den Befehl, zehn Umdrehungen zu drehen.
Woher weiß das Steuerungssystem, ob der Motor tatsächlich genau zehn Umdrehungen ausgeführt hat?
Wie erkennt das System, ob sich das Schneidwerkzeug die erforderliche Strecke bewegt hat?
Die Antwort ist das Mess- und Feedbacksystem.
Seine Funktion besteht darin, die tatsächliche Maschinenposition in Echtzeit zu messen und die Informationen an die CNC-Steuerung zurückzusenden.
Die Steuerung vergleicht die Ist-Position mit der Soll-Position und korrigiert automatisch etwaige Abweichungen.
Dieser kontinuierliche Prozess lässt sich wie folgt beschreiben:
Befehl → Ausführung → Messung der Ist-Position → Fehlervergleich → Befehlskorrektur
Dieser Zyklus wird als Regelung mit geschlossenem Regelkreis bezeichnet und ist einer der Kernmechanismen, der es CNC-Maschinen ermöglicht, eine hohe Positioniergenauigkeit zu erreichen.
In CNC-Maschinen werden zwei gängige Arten von Positionsmessgeräten verwendet.
Drehgeber
Ein Drehgeber wird üblicherweise auf der Servomotorwelle montiert.
Es misst den Drehwinkel und die Drehzahl des Motors.
Da der Drehgeber die Position jedoch auf der Motorseite und nicht direkt auf dem Arbeitstisch misst, können weiterhin Fehler auftreten, die durch die Kugelumlaufspindel, die Kupplung, die Wärmeausdehnung oder die elastische Verformung verursacht werden.
Diese Konfiguration wird als halbgeschlossenes Regelsystem bezeichnet.
Die meisten Bearbeitungszentren verwenden diese Art von Rückkopplungssystem.
Laut Originalartikel beträgt die typische Positionsgenauigkeit ungefähr:
±0.005 bis ±0.01 mm
Lineare Skalierung
Direkt neben der Maschinenführungsschiene ist eine lineare Skala installiert, die die tatsächliche lineare Verschiebung des Arbeitstisches misst.
Da es die Position des Arbeitstisches direkt misst, kann es Fehler ausgleichen, die durch die Kugelumlaufspindel und andere Getriebekomponenten entstehen.
Diese Konfiguration wird als vollständig geschlossenes Regelsystem bezeichnet.
Es bietet eine höhere Positionsgenauigkeit und kann etwa Folgendes erreichen:
± 0.001 mm
Hochpräzise CNC-Maschinen und präzise Fünf-Achs-Bearbeitungszentren sind üblicherweise mit Linearmaßstäben ausgestattet.
System 5: Hilfsfunktionssystem – Unterstützung der Maschine bei der Erledigung der Arbeit
Die ersten vier Systeme gewährleisten eine präzise Bewegung des Schneidwerkzeugs.
Eine präzise Bewegung allein genügt jedoch nicht, um einen gesamten Bearbeitungsprozess abzuschließen.
Eine CNC-Maschine benötigt außerdem mehrere Hilfssysteme.
Automatischer Werkzeugwechsler
Der automatische Werkzeugwechsler , üblicherweise als ATC abgekürzt , ist eines der wichtigsten Merkmale eines Bearbeitungszentrums.
Das Werkzeugmagazin speichert mehrere Schneidwerkzeuge. Wenn ein Werkzeugwechsel erforderlich ist, führt der Werkzeugwechsler oder der Roboterarm den Vorgang automatisch aus.
Ein vollständiger Werkzeugwechsel dauert in der Regel nur wenige Sekunden.
Die Kapazität des Werkzeugmagazins kann je nach Maschinenkonfiguration von etwa acht Werkzeugen bis zu mehr als einhundert Werkzeugen reichen.
Kühlsystem
Bei der maschinellen Bearbeitung entsteht eine große Wärmemenge zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück.
Schneidflüssigkeit oder Kühlmittel erfüllt mehrere Funktionen:
- Reduzierung der Schnitttemperatur
- Schmieren der Schneidzone
- Wegspülen der Chips
- Schutz des Schneidwerkzeugs
- Verbesserung der Oberflächenqualität
Gängige Kühlmethoden sind die externe Kühlmittelbesprühung und die Kühlung durch die Spindel.
Das Kühlmittel strömt durch interne Kanäle in der Spindel und im Schneidwerkzeug und wird direkt zum Schneidbereich geleitet.
Pneumatische und hydraulische Systeme
Pneumatische und hydraulische Systeme werden für Maschinenvorgänge eingesetzt, die eine relativ hohe Kraft erfordern.
Typische Anwendungen sind:
- Werkstückklemmung
- Werkzeugwechselbewegungen
- Werkzeugentklemmung
- Spindelwerkzeugfreigabe
- Vorrichtungsbetrieb
- Hydraulische Positioniermechanismen
PLC – Programmierbare Logiksteuerung
Die CNC-Steuerung übernimmt hauptsächlich die Bewegungssteuerung.
Eine Werkzeugmaschine enthält jedoch auch eine große Anzahl von Schalt- und Ablaufsteuerungsoperationen, wie zum Beispiel:
- Automatischer Werkzeugwechsel
- Kühlmittelumschaltung
- Schutztürverriegelung
- Hydraulische Klemmung
- Schmierkontrolle
- Alarmerkennung
- Maschinensicherheitsfunktionen
Diese Vorgänge werden normalerweise von einer integrierten speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) abgewickelt.
Die SPS und die CNC-Steuerung arbeiten zusammen und bilden das komplette Maschinensteuerungssystem.
Signalfluss zwischen den fünf Kernsystemen
Der gesamte CNC-Bearbeitungsprozess lässt sich anhand der folgenden Signalkette verstehen:
Dies geschieht, nachdem der Bediener die Taste CYCLE START gedrückt hat.
Es handelt sich um einen hochpräzisen geschlossenen Regelkreis, der sich tausendfach pro Sekunde wiederholen kann.
Einführung in die gängigsten Marken von CNC-Steuerungssystemen
Nachdem wir die Rolle der CNC-Steuerung verstanden haben, können wir einen kurzen Blick auf einige wichtige Marken von CNC-Steuerungssystemen werfen.
FANUC
FANUC ist eine japanische Marke und einer der weltweit am häufigsten verwendeten Hersteller von CNC-Steuerungssystemen.
Seine Systeme sind bekannt für Stabilität, Zuverlässigkeit und ein gut etabliertes technisches Ökosystem.
FANUC-Systeme sind in Fertigungsbetrieben weit verbreitet und gelten oft als geeigneter Ausgangspunkt für CNC-Bediener und Programmierer.
Siemens SINUMERIK
Siemens ist eine deutsche Marke, und ihre SINUMERIK CNC-Systeme werden in Europa häufig auf Werkzeugmaschinen eingesetzt.
SINUMERIK ONE wird üblicherweise auf High-End-Werkzeugmaschinen installiert und bietet leistungsstarke Funktionen und umfassende Unterstützung für die Fünf-Achs-Bearbeitung.
Im Vergleich zu einigen anderen Systemen kann die Lernkurve jedoch relativ steil sein.
Siemens CNC-Systeme finden breite Anwendung in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie in der fortgeschrittenen Fertigung.
Heidenhain TNC
Heidenhain ist auch eine deutsche Marke.
Die TNC-Steuerungssysteme konzentrieren sich hauptsächlich auf Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren.
Heidenhain-Systeme sind bekannt für ihre hochentwickelten Fünf-Achs-Funktionen und genießen hohes Ansehen in der Luft- und Raumfahrtbearbeitung, im Präzisionsformenbau und anderen Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen.
Repräsentative chinesische Marken für CNC-Steuerungssysteme
Chinesische Marken für CNC-Steuerungssysteme haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt.
| Marke | Firma | Hauptvorteile | Marktpositionierung | Fünf-Achsen-Unterstützung |
|---|---|---|---|---|
| Huazhong 9-Serie | Huazhong CNC | In China entwickelte CPU und unabhängig kontrollierte Technologie | Systeme der Einstiegs- bis mittleren Preisklasse und inländische Substitution | Moderat |
| GSK | Guangzhou CNC | Wettbewerbsfähige Preise und ein umfassendes Sortiment an ergänzenden Produkten | Wirtschaftliche CNC-Maschinen | Moderat |
| Kede GNC62 | Kede CNC | Fünfachsige simultane Bearbeitungs- und Dreh-Fräsfunktionen | Marktsegment im mittleren bis gehobenen Preissegment | Relativ stark |
| SYNTEC | Syntec-Technologie | Hohe CAM-Kompatibilität, benutzerfreundliche Oberfläche und weitverbreitete Nutzung auf chinesischen Fünf-Achs-Maschinen | Mittleres Marktsegment mit rasantem Wachstum in fünf Achsen | Relativ stark |
Zusammenfassung: CNC-Maschinensysteme verstehen
Eine CNC-Werkzeugmaschine besteht aus fünf Kernsystemen.
CNC-Steuerung:
Das Gehirn der Maschine. Es liest das Programm, führt Interpolationsberechnungen durch und sendet Bewegungsbefehle.
Servosystem:
Die Muskeln der Maschine. Sie treiben die Motoren an und steuern die präzise Bewegung jeder Achse.
Mechanischer Aufbau:
Das Skelett und die Gelenke der Maschine, einschließlich Maschinenbett, Führungsbahnen, Kugelgewindetriebe, Arbeitstisch und Spindel.
Mess- und Rückkopplungssystem:
Die Augen der Maschine. Sie messen die tatsächliche Position und ermöglichen eine Regelung im geschlossenen Regelkreis.
Hilfsfunktionssystem:
Die Hände der Maschine. Sie steuert Werkzeugwechsel, Kühlmittel, Hydrauliksysteme, Pneumatiksysteme und andere unterstützende Funktionen.
Wenn diese fünf Systeme zusammenarbeiten, kann eine CNC-Maschine ein digitales Bearbeitungsprogramm in präzise, wiederholbare und automatisierte Fertigungsvorgänge umwandeln.
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