CNC-Handbuch

Ein Rückblick auf die Einführung und Entwicklung der NC-Technik soll zeigen, dass nicht nur technische Gesichtspunkte eine wichtige Rolle spielten. Richtige und falsche Management-Entscheidungen, der Beginn der Globalisierung und insbesondere die japanische Herausforderung waren wesentlich an der Gesamtveränderung des Marktes und der Fertigungslandschaften beteiligt.

Die Idee zur Steuerung eines Gerätes durch gespeicherte Befehle, wie heute bei NC‑Maschinen eingesetzt, lässt sich bis ins 14. Jahrhundert zurückverfolgen. Es begann mit Glockenspielen, die man durch Stachelwalzen ansteuerte.

Der Begriff NC wurde aus der amerikanischen Fachsprache übernommen und steht als Abkürzung für „Numerical Control“, auf deutsch „Numerische Steuerung“, d. h. Steuerung durch Eingabe von Zahlen. CNCs („Computerized Numerical Control“) sind Numerische Steuerungen auf Computerbasis zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen. Hier werden die wesentlichen Grundbegriffe erklärt.

Das grundsätzlich Neue bei der numerischen Steuerung von Maschinenbewegungen ist die Programmierung der Weginformationen. Bei Werkzeugmaschinen sind dies die direkten Positionswerte für jede NC-Achse mit einer Auflösung von beispielsweise 1/1000 mm. Die für Bahnsteuerungen erforderliche kontinuierliche Steuerung der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück wird simultan für jede NCAchse in der CNC fortlaufend berechnet und geregelt.

Für einen vollautomatischen Ablauf der Bearbeitung auf CNC-Maschinen sind zusätzlich zu den Weginformationen die Schaltfunktionen M und die technologischen Daten T, S und F zu programmieren. Durch die unterschiedlichen Arten und Bauformen der Maschinen ist die Vielfalt zu schaltender Funktionen immer größer geworden. Deshalb sollen hier beispielhaft nur die vier wichtigsten Funktionen für Zerspanungsmaschinen erklärt werden.

Numerische Steuerungen wurden durch die Integration der Computertechnik immer kleiner, schneller, leistungsfähiger und bedienungsfreundlicher. Seit der Entwicklung der ersten CNCs kamen ständig neue Funktionen und Aufgaben hinzu. Damit lassen sich die Komplexität, der Automatisierungsgrad und die Zuverlässigkeit der CNC-Werkzeugmaschinen weiter steigern. Computergestützte Werkzeugmaschinensteuerungen verbessern damit erheblich die Produktivität der Fertigung.

Die Bedeutung Speicherprogrammierbarer Steuerungen hat stetig zugenommen. Sie ersetzen nicht nur die früher verwendeten Relaissteuerungen, sondern übernehmen auch viele zusätzliche Steuerungsfunktionen, Überwachungs- und Diagnoseaufgaben. Von besonderer Bedeutung ist die heutige CNC-integrierte SPS mit Datenschnittstellen. Durch die flexiblen Möglichkeiten die abgespeicherten Steuerungsaufgaben in der Software zu ändern und zu erweitern, ist die SPS für die elektrische Ausrüstung und Automatisierung von Maschinen vom bedeutenden Vorteil.

Die CNC hat die Entwicklung von wesentlichen Baugruppen der Werkzeugmaschinen nachhaltig verändert und führt auch zu neuen Maschinenkonfigurationen und Automatisierungseinrichtungen.

Die exakte Führung der von einer CNC berechneten Werkzeugbahn in Kombination mit der Spindeldrehzahl sind die wichtigsten Funktionen zur Erzeugung maßhaltiger Werkstücke. Dazu muss auch bei simultaner Bewegung von 2, 3 oder mehr NC-Achsen die programmierte Schnittgeschwindigkeit am Werkstück exakt eingehalten werden. Die während der Bearbeitung oft wechselnden Schnittkräfte sind Störeinflüsse, die schnell ausgeregelt werden müssen. Dieses exakte und stabile Einhalten der programmierten Positions- und Geschwindigkeitswerte ist Aufgabe einer präzisen und dynamischen Regelung der Antriebe.

Positionsgeregelte Vorschubantriebe sind eine wichtige Komponente jeder CNC-Maschine. Sie bestimmen in starkem Maß sowohl die Produktivität der Maschine, als auch die Qualität der Werkstücke. Die daraus resultierenden hohen Anforderungen haben inzwischen zum fast standardmäßigen Einsatz von geregelten Drehstrom-Synchronmotoren beigetragen. Auf diesem Prinzip beruht auch der für hohe Ansprüche entwickelte Synchron-Linearmotor.

Drehstrom-Kurzschlussläufer-Asynchronmotoren waren lange Zeit in Verbindung mit Schaltgetrieben die vorwiegend eingesetzten Antriebsmotoren für Hauptspindeln. Diese Motoren können heute in Grenzen auch drehzahlgeregelt über Frequenzumrichter betrieben werden. Ist jedoch die Nutzung der Hauptspindel als C-Achse vorgesehen, steht auch hier der Drehstrom-Synchronmotor im Vordergrund. Dieser Antrieb wird aufgrund seiner weiteren technischen Vorteile trotz des etwas höheren Preises zunehmend generell bevorzugt. Die Gründe dafür werden hier erläutert.

Die Dimensionierung von elektrischen Antrieben für Werkzeugmaschinen hat einen entscheidenden Einfluss auf die Funktion und die Kosten eines Antriebspaketes. So ist eine sinnvolle Leistungsreserve erforderlich, allerdings unter Vermeidung einer teuren Überdimensionierung. Zwar stehen heute dem Projektierer praxisorientierte, rechnergestützte Berechnungsprogramme zur Verfügung, hier soll jedoch anhand eines manuellen Rechenbeispiels die Berechnungsgrundlage erläutert werden.

Abhängig von der Anwendung bzw. vom Einsatz der Spindel ist deren Auslegung vorzunehmen. Die jeweiligen veränderlichen Spindelparameter werden durch die Prozessgrößen Schnittgeschwindigkeit und Zerspankraft definiert. Liegt der Fokus der Bearbeitung beispielsweise auf Scherzerspanung mit hohen Schnittkräften und damit einhergehend geringen Schnittgeschwindigkeiten, dann muss die Auslegung der Hauptspindel anders erfolgen als bei einem Spindeldesign für Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen.

Der Einfluss numerischer Steuerungen auf den Werkzeugmaschinenbau führte im Verlauf der Entwicklung zu teilweise völlig neuen Maschinen und zusätzlichen mechanischen Automatisierungseinrichtungen. Heute ist die CNC-Maschine der Grundbaustein moderner Fertigungseinrichtungen.

Additive Fertigungsverfahren beruhen auf dem Grundgedanken des schichtweisen Aufbaus von Bauteilen, d. h. das Bauteil wird durch die Erzeugung einzelner Schichten additiv aufgebaut. Die Fertigung der Geometrien erfolgt aus formlosen (Flüssigkeiten, Pulver) oder formneutralen Materialien (Band, Draht, Papier, Folie) mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse über eine CAD/CAM-Kopplung direkt aus den digital erzeugten CAD-Datenmodellen.

Flexible Fertigungssysteme (FFS) sind so unterschiedlich wie die Fertigungsaufgaben, für die sie geplant und ausgelegt wurden. Die Kombinationsmöglichkeiten von Maschinen, Werkstücktransport- und Steuerungssystemen sind unbegrenzt. Obwohl diese Systeme ständig weiterentwickelt wurden, sind die Grundprinzipien gleich geblieben.

Industrieroboter haben ähnliche Kennzeichen und Merkmale wie CNC-Maschinen, jedoch sehr unterschiedliche Kinematiken und spezielle, flexible Steuerungen. Die Aufgabenbereiche, die besonderen Anforderungen und die Programmierung sind ebenfalls sehr unterschiedlich. In weniger als vierzig Jahren haben sie die industrielle Landschaft deutlich verändert.

Wegen des globalen Wettbewerbs und der ständig steigenden hohen Energiekosten ist auch in der Industrie das Thema Kostensparen sehr wichtig geworden. Deshalb ist es notwendig, das Thema „Energiesparen im Betrieb“ nach mehreren Gesichtspunkten einer kritischen Überprüfung zu unterziehen. Dabei werden sich immer Möglichkeiten finden, die mehr oder weniger effizient sind. Auf keinen Fall dürfen dabei die Sicherheit des Personals, die Betriebssicherheit der Maschinen oder die Fertigungseffizienz, d. h. die Produktivität, in Frage gestellt werden.

Bei der manuellen Bearbeitung kann man sofort auf Unregelmäßigkeiten oder Probleme reagieren. Bei der Bearbeitung in der CNC Maschine muss im Voraus an jedes mögliche Problem gedacht werden. Deshalb ist es wichtig, die Möglichkeiten und Besonderheiten der Werkzeuge gut zu kennen und diese präzise formulieren zu können.

Bevor auf einer CNC-Maschine ein Fertigteil erstellt werden kann, sind eine Reihe von Vorbereitungen zu treffen. Dabei spielen die Werkzeuge in Zusammenhang mit der NC-Programmierung, dem Einkauf, dem Rüsten, dem Ausmessen und der Überwachung eine wichtige Rolle. Seit einigen Jahren wird deshalb bei den meisten Firmen über eine strukturierte Werkzeugverwaltung gesprochen oder eine solche bereits eingesetzt.

Zur sicheren Produktion von Gutteilen müssen die systematischen Anteile der prozessbedingten Schwankungen von Maschinengeometrie, Rohteilposition und Bearbeitungsergebnis durch geeignete Korrekturmaßnahmen steuerungsseitig kompensiert werden. Hierzu sind charakteristische geometrische Größen hauptzeitnah messtechnisch zu erfassen. Der Einsatz von schaltenden und messenden Sensoren in der CNCWerkzeugmaschine kann diese Aufgabe, bei gleichzeitig größtmöglicher Flexibilität, zuverlässig erfüllen.

Der Automatisierungsgrad in der zerspanenden Fertigung nimmt ständig zu. Um die Bearbeitungszeit pro Werkstück so kurz wie möglich zu halten, fertigen viele Unternehmen mit verketteten Produktionslinien. Eine Überprüfung des Bearbeitungsergebnisses erfolgt aber erst am Ende der Linie. Dies hat zur Folge, dass Fehler erst erkannt werden, wenn bereits eine große Zahl an Werkstücken bearbeitet wurde – in der Serienfertigung meist ein kostenschwerer Umstand. Mit der maschinenintegrierten Werkstückmessung dimensionaler Größen sowie der Erfassung der Oberflächenrauheit kann diese Lücke geschlossen werden.

Die Miniaturisierung der Werkzeug- und Schneidengrößen, zunehmende Bearbeitungsdrehzahlen und berührungssensitive Beschichtungen stellen eine ständig wachsende Herausforderung für die Werkzeugeinstellung dar. Für prozessnahe Werkzeugmessungen im Arbeitsraum der CNC-Maschine übernehmen deshalb lasergestützte Messsysteme eine wichtige Aufgabe. Durch die hohe Wiederholgenauigkeit der Systeme lassen sich Messgenauigkeiten innerhalb weniger Mikrometer erreichen.

Kenntnisse über den Aufbau und die Struktur von NC-Programmen sind zum besseren Verständnis der numerischen Steuerung vorteilhaft. Für manuelle Programmkorrekturen an der CNC-Maschine sind sie unerlässlich.

Die Wirtschaftlichkeit von CNC-Maschinen ist weitgehend von der Programmiermethode und der Leistungsfähigkeit des verwendeten Programmiersystems abhängig. Je schneller fehlerfreie Programme an der Maschine zur Verfügung stehen, desto effektiver und flexibler ist die NC-Fertigung. Deshalb erfolgt die NC-Programmierung heute vorwiegend mit computergestützten Programmiersystemen in der Arbeitsvorbereitung oder in der Werkstatt, direkt an der CNC-Maschine.

Multifunktionsmaschinen und komplexe Werkstücke erfordern eine leistungsfähige NC-Programmierung. Je nach Art der Fertigung sind dabei die Prioritäten unterschiedlich. Oft kommen die Daten der zu fertigenden Werkstücke aus verschiedenen Quellen. Vor der Festlegung auf ein bestimmtes Programmiersystem sollte deshalb der Anwender die Kriterien genau kennen.

Die Simulation technischer Systeme und Prozesse gilt als eine der Schlüsseltechnologien für die computerunterstützte Produktentwicklung und Produktionstechnik. Ziel der Fertigungssimulation sind fehlerfreie Fertigungsabläufe, Optimierung der Bearbeitungszeiten und insgesamt eine verbesserte Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der gesamten Fertigung.

Die Vernetzung von Computern zählt heute zum allgemeinen Standard. Die gleiche Vernetzungstechnik ist auch für NC-Maschinen nutzbar und bietet so viele Vorteile, dass kein Fertigungsbetrieb darauf verzichten sollte.

Informationen im Betrieb werden immer wichtiger und gelten als wesentlicher Produktionsfaktor. Dafür ist es notwendig, dass alle erforderlichen Informationen auch zum richtigen Zeitpunkt bei den angeschlossenen Benutzern zur Verfügung stehen. Diese Aufgabe übernimmt das innerbetriebliche Datennetz.

Erläutert wird, was heute in der Produktentwicklung und Fertigung mittels C-Technologien möglich ist. Die Automobilindustrie übernimmt aufgrund der hohen Produktionsstückzahlen dabei eine Vorreiterrolle. In der Praxis ist der wichtigste Informationsträger zwischen Entwicklung und Fertigung allerdings nach wie vor die technische Zeichnung, die meist von 3D-Modellen in 3D-CAD-Systemen abgeleitet wird.

Industrie 4.0, in Anlehnung an die drei vergangenen industriellen Revolutionen auch als die „Vierte industrielle Revolution“ bezeichnet, ist mittlerweile zu einem Synonym für die smarte Produktionstechnik der Zukunft geworden.

Die Begriffe Industrie 4.0 oder Digitalisierung haben im Kontext der industriellen Anwendung die gleiche Bedeutung. Unter Digitalisierung versteht man allgemein die Nutzung vernetzter, digitaler Technologien in allen Bereichen der Gesellschaft. Industrie 4.0 konzentriert sich dabei auf die Anwendung in der Industrie, wie z. B. Maschinen- und Fahrzeugbau.

Die zentrale Rolle bei Industrie 4.0 für den Mittelstand spielt die umfassende Integration von Maschine, Software und Lieferkette. Mit Industrie 4.0 findet ein Paradigmenwechsel in der Produktion statt. Software wird zum Produktionsfaktor. Wenn Werkstücke und Maschinen miteinander kommunizieren sollen, dann geht das nur mit Hilfe der Informationstechnologie. Diese Erkenntnis birgt immenses Potential zur Optimierung der Produktion und zur Steigerung der Produktivität.