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Technische Merkmale von NC- und CNC-Maschinen

01. Welche technischen Merkmale besitzen NC- und CNC-Maschinen?

Moderne NC- und CNC-Werkzeugmaschinen (im Allgemeinen wird heute nur noch von NC-Maschinen gesprochen) sind entsprechend ihren Einsatzgebiete ausgelegt und unterscheiden sich grundsätzlich von konventionellen Werkzeugmaschinen.

NC-Maschinen ermöglichen die Herstellung komplizierter Werkstückgeometrien, erreichen eine gleich bleibende Produktqualität bei geringen Durchlaufzeiten und ermöglichen eine Mehrmaschinenbedienung. Technische Merkmale NC-gesteuerter Werkzeugmaschinen sind hochauflösende, präzise, elektronisch auswertbare Messsysteme und stufenlos regelbare Antriebe pro Achse. Anstelle von Handrädern und -hebeln werden Motoren oder hydraulische Stellglieder verwendet. Aufgrund der höheren Beschleunigungswerte und Belastungen an NC-Maschinen, sind größere statische und dynamische Steifigkeiten und stärker dimensionierte Antriebe, Getriebe, Führungen, Spindeln und Lager erforderlich.

Da sich die einzelnen Maschinentypen trotz eines ähnlichen Grundprinzips wesentlich voneinander unterscheiden, sind auch die Anforderungen an die maschinenspezifischen Steuerungen unterschiedlich.

Der Einsatz von NC-Maschinen wirkt sich auch auf das Werkzeugsystem sowie die Betriebsorganisation aus:

Werkzeuge müssen voreinstellbar sein, eine hohe Steifigkeit und formschlüssige Werkzeugaufnahmen aufweisen. Konstruktion und Arbeitsvorbereitung haben sich auf die Bearbeitung der Werkstücke mit NC-Maschinen einzustellen.

KriteriumKonventionelle
Werkzeugmaschine
NC-Werkzeugmaschine
Einspannen des Werkzeugsmanuellmanuell/automatisch
Aufspannen des Werkstücksmanuellmanuell/automatisch
Festlegung der Bezugspunktemanuellmanuell
Positionierung der Werkzeugemanuellautomatisch
Eingabe Bearbeitungsprogrammmanuellmanuell/Datenträger
Informationsdarstellunganalog (Anschlag)numerisch
Soll-Ist-Abgleich bei Bearbeitungvisuell – Bedienerdurch Steuerung nach Programm

02. Welche Funktion hat das Spindel-Mutter-System?

Die Aufgabe des Spindel-Mutter-Systems besteht in der Erzeugung der linearen Vorschubbewegung der Schlitten durch Wandlung von rotatorischer in translatorische Bewegung.

Konventionelle WerkzeugmaschineNC-Werkzeugmaschine
Spindel-Mutter-System:
  • reine Kraftspindel
  • Trapezgewinde
  • Spindelspiel
  • relativ hohe Reibung
  • Verschleiß
  • niedrige Betriebsgeschwindigkeit
Kugelumlaufspindel:
  • Kraft- und Messspindel
  • Spielfreiheit
  • rollende Reibung
  • Leichtgängigkeit
  • geringer Verschleiß
  • nahezu kein Stick-Slip-Effekt (Ruckeln)

03. Welche Funktion hat die Messeinrichtung?

Werkzeugmaschinen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Kombination linearer und rotierender Achsen bestehen. Um diese Achsen numerisch ansteuern zu können, muss jede NC-Achse eine Messeinrichtung haben, die die Ist-Position bewegter Maschinenteile erfasst und einen regel- bzw. steuerbaren Antrieb, der direkt mit der numerischen Steuerung gekoppelt ist.

Bei der direkten Messwerterfassung ermittelt man den Messwert durch einen direkten Vergleich zwischen der Messgröße und einer entsprechenden Bezugsgröße.

Die indirekte Messwerterfassung erfolgt durch die Umwandlung der Messgröße in eine andere physikalische Größe, aus der der Messwert ermittelt wird.

Neben der digitalen und analogen Messwerterfassung ist die Ausführung des verwendeten Maßstabes ein weiteres Unterscheidungsmerkmal. Moderne Werkzeugmaschinen verfügen in der Regel über inkrementale Wegmesssysteme, bei denen die periodischen Messsignale während des Verfahrens einer Wegstrecke gezählt und dann angezeigt werden. Durch den Zählvorgang wird nur die relative Lage zu dem Ort erfasst, an dem der Zählvorgang gestartet wurde. Im Gegensatz dazu ist die absolute Messwerterfassung durch eine ständige feste Zuordnung zwischen dem Ort des Schlittens und dem Messwert charakterisiert.

Direkte (translatorische) MesssystemeIndirekte (rotatorische) Messsysteme
  • Linearmaßstab – der lineare Verstellweg wird direkt am Schlitten gemessen
  • Spiel/Ungenauigkeit der Spindeln nahezu bedeutungslos
  • keine mechanischen Zwischenglieder zwischen Messsystem und Schlitten
  • Messung unabhängig von Kräften der Stellspindel
  • höchste Genauigkeit
  • teuer
  • Umwandlung der Verfahrbewegung des Schlittens in Drehbewegung und Übermittlung an Drehgeber – Stellspindel = Messspindel
  • Genauigkeit abhängig von Spindelspiel, Spindelgenauigkeit und Messgetriebe
  • konstruktiv einfacher
  • günstig
  • (Verwendung ausschließlich bei Drehmaschinen)
Digitale MesswerterfassungAnaloge Messwerterfassung
  • Unterteilung der Weglänge in kleine, gleiche Inkremente
  • Weglänge = ganzzahliges Vielfaches dieser Inkremente
  • Messnormal muss digital aufgebaut sein
  • Umformung und Darstellung des Weges in eine andere dem Weg proportionale physikalische Größe (Spannung/Strom)
Inkrementales WegmesssystemAbsolutes Wegmesssystem
  • Rastermaßstab mit gleichmäßig verteilten Hell-Dunkel-Feldern
  • richtungsabhängige Addition der Inkremente gegenüber Vor-Position (Kettenmaßprinzip)

Vorteile:
  • einfaches Messnormal/Abtasten

Nachteile:
  • kein Nullpunktbezug
  • Referenzpunktfahrt notwendig
  • Messwertverlust nach Stromausfall
  • Möglichkeit des „Verzählens“
  • codierter Digitalmaßstab bzw. Winkelgeber
  • jedem Punkt der Messstrecke ist genau ein binär codierter Zahlenwert zugeordnet
  • Lagewertmessverfahren

Vorteile:
  • keine Referenzpunktfahrt notwendig
  • kein Messwertverlust nach Stromausfall
  • keine Fehlanzeige bei Rattern

Nachteile:
  • aufwändige Codemaßstäbe/Abtastvorrichtung

04. Wie ist das Werkzeugsystem gestaltet?

  • Werkzeughalter und Werkzeugspannung

    Die Werkzeugaufnahmen an Revolvern und an der Hauptspindel sind für ein breites Spektrum einsetzbarer Werkzeuge in der Regel nach ISO-, DIN- oder VDI-Norm ausgeführt. Durch übereinstimmende Abmessungen von Werkzeughalter und Werkzeugaufnahme an den Maschinen erreicht man eine gleich bleibende Lage der Schneide bezogen auf den Revolver (Drehen) und somit auch schnelle Werkzeugwechsel zwischen den Bearbeitungsschritten. Die Werkzeugspannung erfolgt in der Regel mittels Steilkegel nach ISO 40 bzw. 50, pneumatischem oder hydromechanischem Spannsystem oder per Spannzange.

  • Werkzeugwechselsysteme

    Bearbeitungszentren und NC-Drehmaschinen verfügen in der Regel über automatische Werkzeugwechselsysteme, um den schnellen Werkzeugwechsel (t 

    WerkzeugrevolverWerkzeugmagazin
    Werkzeug fest eingespanntSpeicher zur Entnahme + Ablage der Werkzeuge
    Werkzeug dreht in ArbeitsstellungWerkzeugwechsel durch Greifersystem
    kurze Schaltzeitenlängere Werkzeugwechselzeiten
    einfache WerkzeugverwaltungProblem: Werkzeugidentifikation
    geringer Werkzeugvorratgrößerer Werkzeugvorrat
    Kollisionsgefahrgeringere Kollisionsgefahr

    Bei der Werkzeugidentifikation wird zwischen Platzcodierung und Werkzeugcodierung unterschieden:

    WerkzeugcodierungPlatzcodierung
    Werkzeug ist gekennzeichnetWerkzeug muss nicht gekennzeichnet sein
    Codierung durch Codierschrauben oder Codierringe am zylindrischen SchaftWerkzeug nach Magazin-Bestückungsplan auf bestimmten Platz angeordnet
    duale Erkennung mechanisch oder induktiv 
  • Werkstückaufspannung

    Werkstückspannmittel dienen zum lagerichtigen und -genauen Positionieren und Halten des Werkstückes. Die Werkstückspannung muss das Werkstück absolut spielfrei, lagerichtig und lagesicher positionieren. Die NC-Fertigung stellt besondere Anforderungen an die Spannmittel. Sie sollten zur Planbarkeit in der Arbeitsvorbereitung und zur schnellen Anpassung an wechselnde Werkstückformen aus Standard-(Baukasten-)Teilen bestehen. Die Werkstückspannung soll einen möglichst schnellen, leicht zugänglichen, lagerichtigen und genauen, wiederholbaren Werkstückwechsel gestatten. Für eine Automatisierung der Werkstückwechsel ist eine Steuerung der Spannsysteme über Programme erforderlich.

05. Welche Vorteile bietet die Fertigung mit NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen?

Der Einsatz von NC-Maschinen in der Fertigung hat im Vergleich zu konventionellen Fertigungsmaschinen zahlreiche Vorteile:

  • Hohe Prozesssicherheit durch Bearbeitungs- und Wiederholgenauigkeit

  • einfache Bearbeitung auch komplexer Bauteilgeometrien

  • Programmspeicherung

  • neue Maschinenkonzepte durch Entkopplung von Haupt- und Vorschubantrieben

  • wirtschaftliche Fertigung auch kleiner Stückzahlen

  • kurze Rüstzeiten durch schnelle Programmeingabe

  • Verringerung der Nebenzeiten durch hohe, zielgenaue Eilgangsbewegungen und kurze Werkzeugwechselzeiten

  • hohe Belastbarkeit ermöglicht die Werkstückbearbeitung mit einem hohen Zeitspannungsvolumen bei entsprechendem Einsatz von hoch belastbaren Werkzeugen und Schneidstoffen

  • Verringerung der Rüstzeiten durch Einsatz externer Werkzeugvermessungs- und Werkzeugeinrichtssysteme parallel zur Fertigung

  • kurze Durchlaufzeiten bei der Bearbeitung von Werkstücken durch Reduzierung der Hauptnutzungszeiten aufgrund des großen Zeitspanvolumens sowie der Rüst- und Nebenzeiten

  • gleichzeitige Bedienung mehrerer Maschinen durch vollständige Bearbeitung der Werkstücke auf einer Maschine

  • hohe Automatisierbarkeit und Einbindung der Maschinen in flexible Fertigungsanlagen durch entsprechende Schnittstellen.

06. Welche Nachteile sind mit dem Einsatz NC-gesteuerter Werkzeugmaschinen verbunden?

Den Vorteilen der NC-gestützten Fertigung stehen einige, wenige Nachteile gegenüber:

  • Höherer Qualifikationsbedarf der Mitarbeiter

  • hohe Anfangsinvestitionskosten

  • höherer Maschinenstundensatz

  • Technologiefortschritt erfordert Investitionen zur Technologieanpassung bzw. Neuanschaffung.

07. Welche Arbeitsschutzmaßnahmen sind zu beachten?

Durch den Arbeitsschutz sollen Menschen, Maschinen und Einrichtungen am Arbeitsplatz vor Schaden bewahrt werden. Grundsätzlich gelten für die Arbeit an NC-Werkzeugmaschinen die gleichen sicherheitstechnischen Bedingungen, wie beim Arbeiten an konventionellen Werkzeugmaschinen:

  • Der Aufenthalt an Arbeitsplätzen ist nur befugten Personen erlaubt.

  • Die Inbetriebnahme/Nutzung der Maschinen und Geräte ist nur den hierfür ausgebildeten Personen erlaubt.

  • Mängel an Maschinen und allen zur Arbeit notwendigen Geräten müssen sofort gemeldet werden.

  • Vorgeschriebene Schutzkleidung (z. B. Augenschutz, Sicherheitsschuhe) ist zu tragen, gefährdende Schmuckgegenstände (z. B. Ringe, Uhren) sind abzulegen.

  • Alle Sicherheitshinweise müssen lesbar und alle Sicherheitseinrichtungen müssen betriebsbereit sein

  • Gefahrenstellen müssen abgeschirmt und gesichert sein.

Bei der Einrichtung und Bedienung von CNC-Maschinen ist besonders zu beachten:

  • Einrichtearbeiten sind mit Ausnahme der Arbeiten, die den Betrieb der Maschine erfordern, grundsätzlich bei ausgeschalteter Maschine durchzuführen.

  • Die speziellen sicherheitstechnischen Auflagen des Maschinenherstellers sind einzuhalten.

  • Kein Aufenthalt des Bedieners im Arbeits- und Schwenkbereich der Maschine.

  • Verriegelung gegen das Bearbeiten von unbefestigten oder falsch angeordneten Werkstücken, gegen selbsttätiges Bewegen beweglicher Elemente und gegen die Ausführung eines automatischen Arbeitsganges vor Abschluss der Einrichtearbeiten.