CNC Frästechnik

Die CNC Frästechnik bezeichnet ein computergestütztes Verfahren zur Steuerung von Werkzeugmaschinen. Das Wort CNC (computerized numerical control) stammt aus dem englischen Sprachraum und bedeutet eingedeutscht in etwa „computergestützte numerische Steuerung“.

CNC Frästechnik: Geschichte

Die ersten elektronisch gesteuerten Werkzeugmaschinen kamen Mitte der 1960er Jahre auf den Markt. In der damaligen Zeit wurden die Informationen zu Verfahrwegen, Drehzahlen oder Konturen nicht elektronisch in der Steuerung der Maschine gehalten, sondern wurden satzweise von einem Lochstreifen eingelesen. Ein Lochstreifen ist ein aus Papier oder Kunststoff bestehender Datenträger, dessen Informationen durch eingestanzte Löcher wiedergegeben werden.

In den 1970er Jahren kamen die ersten vollgesteuerten Werkzeugmaschinen auf. Sie zeichneten sich durch eine gegenüber den konventionellen Dreh- und Fräsverfahren wesentlich schnellere Verstellung der Achsen aus. Dadurch wurde eine zuvor undenkbare Rationalisierung in der Serien- und Einzelteilfertigung erzielt.

Aktuell sind fast alle neu entwickelten Maschinen in der Fertigung für die CNC Frästechnik ausgelegt. In der Industrie spielen vor allem die Steuerungshersteller Heidenhain und Siemens eine große Rolle und dominieren den Markt für CNC Frästechnik. Weitere bekannte Anbieter von Steuerungen sind Fagor und Fanuc.

CNC Frästechnik: Entwicklung

Um einen übergreifenden Standard in der Programmierung zu erzielen, gab es bereits in den frühen 1980er Jahren Ansätze einer vereinfachten Programmierung nach DIN/ISO. Daraus leitete sich die sogenannte werkstattorientierte Programmierung ab, die über eine anwenderfreundliche, CAD-ähnliche Programmieroberfläche verfügt. Alternativ zu werkstattorientierten Programmierung setzt sich, vor allem in der Kleinserien- und Einzelteilfertigung, immer mehr die DNC Steuerung durch. DNC (Distributed Numerical Control) meint die Vernetzung zwischen Büro und Werkstatt. Programme werden bei der DNC an Bildschirmarbeitsplätzen erstellt und simuliert und erst dann an die CNC Steuerung der Maschine übertragen. So können eventuelle Crashs bereits im Vorfeld vermieden werden. Weiterhin reduziert eine Arbeitsteilung die Standzeiten einer Werkzeugmaschine – wenn nicht mehr direkt vor Ort programmiert werden muss, kann die freiwerdende Zeit für die Bearbeitung von Werkstücken genutzt werden.

Seit kurzem übernehmen Soft-CNC den Markt der CNC Frästechnik. Bei der Soft-CNC Frästechnik laufen alle Steuerungsfunktionen inklusive der Lageregelung als Programm in einem Industrierechner ab (im Gegensatz zur klassischen CNC Frästechnik, wo die Steuerungsfunktionen als elektronisch realisierte Regelkreise, und somit hardwarebasiert, ablaufen). Die Soft-CNC-Frästechnik ist günstiger, leichter zu warten und einfach an neue Anforderungen anzupassen und es ist vorhersehbar, dass diese Systeme der CNC Frästechnik zukünftig die klassischen Systeme weitestgehend ablösen werden.

CNC Frästechnik: Steuerungsarten

Eine CNC Steuerung wird anhand der gleichzeitig interpolierbaren Achsen klassifiziert. Weiterhin wird zwischen drei grundlegenden Systemen der CNC Frästechnik unterschieden.

  1. Die Punktsteuerung gilt als die einfachste CNC Steuerung. Hier kann nur der Endpunkt einer Bewegung in der Steuerung hinterlegt werden, der von der Werkzeugmaschine dann auf dem schnellsten Weg angefahren wird. Eine abgestufte Regelung der Verfahrgeschwindigkeit ist bei dieser CNC Frästechnik nicht möglich, so dass Werkzeuge immer nur an den Endpunkten des Verfahrweges arbeiten können. Diese Steuerung findet heutzutage nur noch bei einfachen Stanzmaschinen, Bohrmaschinen oder Greifrobotern Verwendung. In der CNC Frästechnik spielt die Punktsteuerung ansonsten eine untergeordnete Rolle.
  2.  Die Streckensteuerung ist eine Punktsteuerung, bei der die Bewegungsgeschwindigkeit der Achsen genau regelbar ist. Die Streckensteuerung steuert immer bei genau einer Achse die Geschwindigkeit und Richtung. Dies ermöglicht ein achsparalleles Verfahren im Arbeitsvorschub und das Ausführen einfacher Dreh- und Fräsarbeiten (beispielsweise Plandrehen oder Nuten fräsen). Diese vereinfachte CNC Frästechnik findet sich hauptsächlich an Maschinen, die für die Ausbildung genutzt werden sowie an Spezial-Werkzeugmaschinen (Nutenfräsmaschinen). Für eine weitere Verbreitung innerhalb der Industrie ist die Streckensteuerung zu unflexibel und wirtschaftlich unrentabel.
  3. Eine Bahnsteuerung ermöglicht beliebige Verfahrwege mit mindestens zwei gleichzeitig betätigten Achsen und stellt den momentanen Standard in der industriell verwendeten CNC Frästechnik dar. Innerhalb der Gruppe der Bahnsteuerungen bei CNC Frästechnik wird zwischen interpolierten und gleichzeitig geregelten Achsen unterschieden. Bei der Interpolation der Achsen werden innerhalb der Steuerung die zunächst unterschiedlichen Bewegungen der einzelnen Achsen synchronisiert, so dass die Spitze des Werkzeuges hochgenau einer programmierten Bahn folgt. Je nach Anzahl der interpolierbaren Achsen bezeichnet man die Bahnsteuerungen als 2D (zwei festgelegte Achsen), 2 1/2D (Auswahlmöglichkeit zwischen den geregelten Achsen) und 3D (drei vollständig miteinander interpolierbare Achsen). Die 3D-Bahnsteuerung ist Standard bei aktuellen Fräsmaschinen, während 2D und 2 1/2D Steuerungen im Bereich Drehmaschinen eingesetzt werden.

Sollen auf den Fräsmaschinen schwenk- und drehbare Werkzeugaufnahmen eingesetzt werden, werden von den Herstellern von CNC Frästechnik noch weitere, zusätzlich interpolierbare Achsen angeboten.

Für ein volles Ausschöpfen der Möglichkeiten einer Bahnsteuerung im Bereich CNC Frästechnik wird leistungsfähige Hard- und Software benötigt. Die Spezialisten von NCmind beraten Sie hierzu gerne.

Bezugspunkte der CNC Frästechnik

In jeder Werkzeugmaschine lassen sich folgende Bezugspunkte finden, die für den Betrieb von CNC Frästechnik unerlässlich sind:

  • Maschinennullpunkt M: wird vom Hersteller festgelegt und definiert den Ursprung des Koordinatensystems einer Werkzeugmaschine
  • Referenzpunkt R: Bezeichnet den Ursprung aller inkremental arbeitenden Messsysteme in einer Werkzeugmaschine. Er wird mit einem fest definierten Abstand zum Maschinennullpunkt vom Maschinenhersteller festgelegt.
  • Werkzeugträger-Bezugspunkt T: Dieser liegt immer mittig auf der Anschlagfläche einer Werkzeugaufnahme. Bei Fräsmaschinen ist dieser Punkt die Mitte der Spindelnase.
  • Werkstücknullpunkt W: Wird vom Programmierer festgelegt und stellt den Ursprung des Koordinatensystems des Werkstücks dar.

Programmierung der CNC Frästechnik

Um eine CNC Maschine mit Informationen zu versorgen, gibt es mehrere Programmierverfahren, die je nach Fertigungsaufbau eingesetzt werden:

  • Bei der manuellen Programmierung wird jedes benötigte Zeichen des Programms von Hand in die Steuerung eingegeben.
  • Bei der maschinellen Programmierung wird eine zuvor per CAD erstellte Geometrie in ein maschinenlesbares Programm umgewandelt.
  • Bei der werkstattorientierten Programmierung wird der Bediener durch die Steuerung grafisch und durch Abfrage von Parametern bei der Programmierung unterstützt.
  • Die DIN/ISO Programmierung kann auf jeder Maschine verwendet werden. Sie besteht aus einem genormten Code, G-Code genannt, und maschinenspezifischen Zyklen. Zyklen sind Befehle, die mittels eigener Parameter angepasst und verändert werden können. Die Programmierung nach DIN/ISO ist Teil jeder Ausbildung zum Zerspanungsmechaniker.