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Numerische Steuerungen

01. Welche numerischen Steuerungskonzepte werden unterschieden?

  • NC-Steuerung (N – Numerical C – Control):

    NC-Maschinen sind Werkzeugmaschinen, die mit ziffernmäßiger Eingabe der Weg- und Schaltinformationen arbeiten.

  • Konventionelle NC-Steuerungen:

    • Kein Computer

    • jedes Signal steuert eine diskrete Verbindung zweier Punkte

    • Verdrahtungsprogrammsteuerung der 1. – 3. Generation

    • Offline-Betrieb

    • reines Hardware-Konzept.

  • CNC-Steuerungen (C – Computer N – Numerical C – Control):

    • Speicherprogrammsteuerung

    • Steuerung, deren Funktionsinhalt durch einen oder mehrere parallel arbeitende Rechner realisiert wird

    • Online-Betrieb

    • Software-Modifikation.

  • DNC-Steuerung (D – Direct/Distributed N – Numerical C – Control):

    • Mehrere NC- oder CNC-Steuerungen per Datenkabel an Prozessrechner angeschlossen

    • Steuerung von Prozessor gesteuert (Online-Betrieb).

02. Wie sind die Koordinatenachsen und Bezugspunkte der Steuerung definiert?

Die geometrischen Informationen oder Wegbedingungen bestimmen die Verfahrwege des Werkzeuges. Diese können inkremental oder absolut programmiert werden. Bei der inkrementalen Maßangabe wird die Wegstrecke, die verfahren werden soll, als Differenz vom momentanen Standort des Werkzeuges zum jeweils nächsten Werkstückkonturpunkt vorzeichenrichtig angegeben.

Bei der absoluten Programmierung werden die Anfahrpunkte durch Angaben der Abstände von einem Bezugspunkt in Richtung der Koordinatenachsen festgelegt. Während ältere NC-Maschinen abhängig von den verwendeten Messsystemen häufig nur inkremental oder absolut verfahren können, bieten moderne CNC-Steuerungen die Möglichkeit, sowohl in Kettenmaßen als auch in Absolutmaßen zu programmieren, unabhängig von der Art des installierten Messsystems.

03. Wie ist das Koordinatensystem festgelegt?

Die Steuerung der Werkzeugmaschine erhält ihre Weginformationen durch Koordinatenwerte. Um Werkstücke unabhängig von der Maschine programmieren zu können, sollen alle Maschinen ein gleich angeordnetes Koordinatensystem haben. Geht man davon aus, dass sich das Werkzeug bewegt und das Werkstück feststeht, gilt für die Belegung der Werkzeugachsen gemäß DIN 66217:

Die Richtung der z-Achse eines rechtsdrehenden, rechtwinkligen Koordinatensystems ist stets parallel zur Drehachse der Werkzeugspindel. Diese steht senkrecht auf der mit x- und y-Achse festgelegten Werkstückaufspannfläche. Die x-Achse sollte dabei möglichst horizontal verlaufen. Wird das Werkstück und nicht das Werkzeug bewegt, spricht man bei den zugehörigen Achsen von Maschinenachsen, die den Werkstückachsen entgegengerichtet und durch einen Apostroph gekennzeichnet sind. Zur Orientierung dient die Rechte-Hand-Regel.

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Im Ausgangszustand der Steuerung beziehen sich die absoluten Weginformationen immer auf den Maschinennullpunkt M.

Im Gegensatz zum Maschinenkoordinatensystem, das vom Hersteller festgelegt und nicht verschiebbar ist, wird das Werkstückkoordinatensystem vom Programmierer festgelegt. Der Ursprungspunkt des Werkstückkoordinatensytems heißt Werkstücknullpunkt W.

04. Wie sind die wichtigsten Bezugspunkte definiert?

Neben dem Koordinatensystem sind an jeder NC-Werkzeugmaschine verschiedene Bezugspunkte definiert, mit deren Hilfe der Bezug zwischen der Stellung des Werkzeuges und der Lage des Werkstückes hergestellt wird. Die wichtigsten Bezugspunkte sind:

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Maschinennullpunkt M

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Der Maschinennullpunkt ist der Ursprung des maschinenbezogenen Koordinatensystems. Seine Lage ist unveränderlich und wird durch den Maschinenhersteller festgelegt.

Referenzpunkt R

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NC-Maschinen mit inkrementalem oder zyklisch absolutem Wegmesssystem benötigen einen Referenzpunkt, um das Messsystem auf das Maschinenkoordinatensystem abzugleichen. Dieser Eichpunkt ist in seiner Lage durch Endschalter genau festgelegt; seine Koordinaten haben bezogen auf den Maschinennullpunkt immer den gleichen Zahlenwert. Nach jedem Einschalten der Maschine ist zur Eichung des Wegmesssystems in allen Achsen eine Referenzpunktfahrt erforderlich.

Werkstück-Nullpunkt W

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Der Werkstücknullpunkt ist der Ursprung des Werkstückkoordinatensystems, auf das sich die Programmierung bezieht. Seine Lage kann vom Programmierer frei gewählt werden.

05. Zwischen welchen Steuerungsarten wird bei NC-Maschinen unterschieden?

Um den Funktionszusammenhang der Achsen bei der Bewegung und die Spindeldrehzahl für eine konstante Schnittgeschwindigkeit vc bei veränderlichem Durchmesser einhalten zu können, verfügen NC-Maschinen über einen Lageregelkreis sowie einen Geschwindigkeitsregelkreis.

Bei der Lageregelung vergleicht die Steuerung der Maschine die Positions-Sollwerte mit den vom Wegmesssystem gemeldeten Positions-Istwerten und gibt bei Abweichungen einen entsprechenden Stellbefehl an die Achsantriebe, um die Abweichung auszugleichen.

Bei der Geschwindigkeitsregelung muss die Drehzahl der Arbeitsspindel für Drehen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit vc an den Ist-Durchmesser des Werkstückes angepasst werden. Bei der Fräsbearbeitung wird die vorgegebene Vorschubgeschwindigkeit vf mittels eines mit dem Vorschubmotor verbundenen Tachogenerators überwacht.

Es wird zwischen Punktsteuerung, Streckensteuerung und Bahnsteuerung unterschieden.

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Bei der Punktsteuerung laufen im Positionierbetrieb alle Achsen gleichzeitig mit Eilgangsgeschwindigkeit, bis jede Achse ihre Zielposition erreicht hat. Der Weg von einem Positionspunkt zum nächsten kann je nach NC-Maschine geradlinig oder kurvenförmig ausfallen Sie wird für Maschinen verwendet, die ohne Werkzeuge im Eingriff im Eilgang verfahren. Erst bei erreichter Position erfolgt die Bearbeitung. Punktsteuerungen werden z. B. bei Bohrmaschinen, Stanzmaschinen und Punktschweißanlagen eingesetzt.

Bei der einfachen Streckensteuerung kann in den einzelnen Achsen nacheinander im programmierten Vorschub achsparallel verfahren werden. Die erweiterte Streckensteuerung ermöglicht durch simultane Bewegung entlang der X- und Z-Richtung das Verfahren entlang beliebiger Geraden.

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Die Bahnsteuerung ermöglicht es, die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück entlang einer Bahn in beliebiger Form kontinuierlich zu steuern Dies geschieht durch die koordinierte, gleichzeitige Bewegung von zwei oder mehr Maschinenachsen. Die Lage- und Geschwindigkeitsregelung erfolgt durch so genannte Interpolatoren. Je nach Anzahl der gleichzeitig und unabhängig voneinander steuerbaren Achsen wird bei Bahnsteuerungen zwischen 2-D-, 2 1/2-D-, 3-D- und mehrachsigen Steuerungen unterschieden.

Mit der 2-D-Bahnsteuerung können gleichzeitig Bewegungen von 2 Achsen in der Ebene ausgeführt werden. Eine dritte vorhandene Achse kann lediglich unabhängig von den beiden anderen angesteuert werden. Bei der 2 1/2-D-Bahnsteuerung können – wie bei der 2-D-Steuerung – nur zwei Achsen parallel angesteuert werden. Jedoch kann die Steuerung auf verschiedene Achsen umgestellt werden. Die verbleibende 3. Achse ist wie bei der 2-D-Steuerung für die Zustellbewegung einsetzbar. Somit ist eine Bearbeitung in X-Y, X-Z sowie Y-Z Ebene möglich. Die Umstellung erfolgt über die Wegbedingungen G17 – G19.

Die 3-D-Bearbeitung ermöglich die simultane Steuerung von drei Achsen und somit das Verfahren entlang beliebiger Bahnen im Raum. Bei der mehrachsigen Bahnsteuerung werden neben den drei Maschinenachsen gleichzeitig auch rotatorische Achsen angesteuert. So ist es beispielsweise für die Erzeugung komplizierter Konturen wie Freiformflächen beim Schmiedegesenken notwendig, sowohl den aufgesetzten Drehtisch als auch die Bewegung des Schwenkkopfes zu steuern.

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