Funktionsprinzip von CNC-Werkzeugmaschinen
Das Funktionsprinzip von CNC-Werkzeugmaschinen lässt sich im Wesentlichen in einem Satz zusammenfassen:
Das Bearbeitungsprogramm wird durch ein Computersteuerungssystem in eine präzise mechanische Bewegung umgewandelt, wodurch die Bearbeitung der Teile automatisch abgeschlossen wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkzeugmaschinen, die auf manuelle Bedienung angewiesen sind, verlassen sich CNC-Werkzeugmaschinen nicht auf Erfahrungswerte, sondern folgen strikt voreingestellten Programmanweisungen, um jede Aktion auszuführen, einschließlich Position, Geschwindigkeit und Bearbeitungsreihenfolge.
Aus einer übergeordneten Perspektive lässt sich der Arbeitsprozess einer CNC-Werkzeugmaschine in folgende aufeinanderfolgende Schritte unterteilen:
1. Das Programm dient als Grundlage für die Verarbeitung.
Vor Beginn der Bearbeitung werden alle Informationen zum Werkstück (Form, Größe, Bearbeitungsverfahren) in einem CNC-Programm zusammengefasst. Dieses Programm entspricht der „Arbeitsanleitung“ der Werkzeugmaschine und legt genau fest, welche Schritte in welcher Reihenfolge während der Bearbeitung auszuführen sind.
2. Einheitliche Steuerung des Kontrollsystems
Nach der Eingabe des Programms in das CNC-System ist das Steuerungssystem für das Lesen, Auswerten und Ausgeben von Anweisungen zuständig. Es ist nicht direkt am Schneidprozess beteiligt, sondern fungiert als „Kommandozentrale“ und koordiniert den Betrieb der verschiedenen beweglichen Teile nach vorgegebenen Regeln.
3. Die Komponenten der Werkzeugmaschine bewegen sich gemäß den Anweisungen.
Unter der Steuerung des Regelsystems beginnen sich Spindel, Arbeitstisch und Vorschubmechanismus der Werkzeugmaschine zu bewegen. Es entsteht eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, wodurch das Material schrittweise abgetragen und der Bearbeitungsprozess eingeleitet wird.
4. Bewegung und Verarbeitung erfolgen gleichzeitig.
Während des gesamten Bearbeitungsprozesses wird jede Bewegung der Werkzeugmaschine und jeder Schnitt programmgesteuert ausgeführt. Dieser kontinuierliche und wiederholbare Bewegungsmodus ermöglicht es CNC-Werkzeugmaschinen, Teile mit gleichbleibenden Abmessungen und zuverlässiger Präzision stabil herzustellen.
Einfach ausgedrückt: CNC-Werkzeugmaschinen sind nichts, was man „gleichzeitig denkt und tut“, sondern etwas, das man „erst plant und dann ausführt“.
Diese Arbeitsweise, bei der Programme im Mittelpunkt und Steuerungssysteme im Zentrum stehen, bildet die Grundlage für den hohen Automatisierungsgrad und die Konsistenz von CNC-Werkzeugmaschinen.
Wie man ein CNC-Programm ausführt
Ein CNC-Programm ist keine Anweisung, die das Werkzeug „direkt ansteuert“, sondern vielmehr ein Bearbeitungsplan, der von der Werkzeugmaschine Schritt für Schritt ausgeführt werden muss.
Von der Programmvorbereitung bis zum eigentlichen Schneidevorgang müssen eine Reihe standardisierter und klar definierter Schritte befolgt werden.
1. Das Programm wird vor der Verarbeitung bestätigt.
Vor dem Programmstart muss der Bediener die Ausführbarkeit des Programms überprüfen, insbesondere die Plausibilität des Bearbeitungspfads und die Kompatibilität von Schneidwerkzeugen und Bearbeitungsreihenfolge. Durch Simulation oder Inspektion lassen sich offensichtliche Risiken im Vorfeld erkennen und so direktes Ausprobieren an der Werkzeugmaschine vermeiden.
2. Das Programm wird in das CNC-System geladen.
Sobald das Programm als korrekt bestätigt wurde, wird es über vom Werkzeugmaschinensystem unterstützte Methoden, wie z. B. Maschinenspeicher, externe Speichermedien oder Netzwerkübertragung, in das CNC-System importiert. Zu diesem Zeitpunkt ist das Programm lediglich gespeichert und steuert die Bewegungen der Werkzeugmaschine noch nicht.
3. Die Programmparameter entsprechen den tatsächlichen Verarbeitungsbedingungen.
Vor dem Programmstart muss sichergestellt werden, dass die wichtigsten Programmeinstellungen mit den aktuellen Bearbeitungsbedingungen, wie Werkzeug, Werkstückreferenz und Bearbeitungsverfahren, übereinstimmen. Durch die Überprüfung der Werkzeugeinstellungen und -parameter wird eine Entsprechung zwischen den Koordinaten im Programm und der tatsächlichen Position der Werkzeugmaschine hergestellt.
4. Das Programm beginnt mit der Ausführung und steuert die Bewegung.
Sobald das Programm startet, liest das CNC-System die Anweisungen in einer vorgegebenen Reihenfolge und wandelt sie in Bewegungsbefehle um, die die Werkzeugmaschine ausführen kann. Die verschiedenen Komponenten der Werkzeugmaschine bewegen sich dann nacheinander, und der Bearbeitungsprozess beginnt.
5. Die Verarbeitung wird in Echtzeit überwacht.
Während der Programmausführung können die Bediener den Status der Werkzeugmaschine und die Bearbeitungsbedingungen überwachen. Werden Unregelmäßigkeiten festgestellt, kann das Programm zur Durchführung von Anpassungen angehalten werden, um einen stabilen Bearbeitungsprozess zu gewährleisten.
6. Die Programmausführung ist abgeschlossen und die Verarbeitung endet.
Sobald alle Programmanweisungen ausgeführt wurden, stoppt die Werkzeugmaschine den Bearbeitungsprozess und ein vollständiger Bearbeitungszyklus ist abgeschlossen. Das fertige Produkt kann anschließend geprüft und für den nächsten Bearbeitungszyklus vorbereitet werden.
Kurz gesagt, die Ausführung eines CNC-Programms ist ein kontinuierlicher Prozess von „Bestätigung – Laden – Korrespondenz – Ausführung – Abschluss“.
Dieser übersichtliche und kontrollierbare Betriebsmodus ermöglicht es CNC-Werkzeugmaschinen, sich wiederholende und komplexe Bearbeitungsaufgaben effizient zu erledigen und gleichzeitig Sicherheit und Genauigkeit zu gewährleisten.
Zusammensetzung des CNC-Systems
Das CNC-System ist der zentrale Steuerungsteil einer CNC-Werkzeugmaschine und kann als die zentrale Drehscheibe verstanden werden, die das Programm mit den Aktionen der Werkzeugmaschine verbindet.
Auch wenn verschiedene Marken und Modelle unterschiedliche Konfigurationen aufweisen, sind ihre grundlegenden Komponenten relativ konstant.
Im Allgemeinen besteht ein CNC-System hauptsächlich aus folgenden Teilen:
1. Kernsteuereinheit
Die zentrale Steuereinheit ist die „Kommandozentrale“ des CNC-Systems und für den Empfang und die Verarbeitung des CNC-Programms zuständig. Sie analysiert und berechnet die Anweisungen im Programm und wandelt die Ergebnisse anschließend in Steuersignale um, die die Werkzeugmaschine ausführen kann.
Vereinfacht gesagt, bestimmt es, wann sich die Werkzeugmaschine bewegt, wie weit sie sich bewegt und in welcher Reihenfolge.
2. Antriebssystem
Das Antriebssystem ist für die Umwandlung von Steuersignalen in tatsächliche mechanische Bewegung verantwortlich.
Wenn die Steuereinheit einen Befehl erteilt, setzt das Antriebssystem die Spindel der Werkzeugmaschine und alle Vorschubachsen in Bewegung, sodass Werkzeug und Werkstück gemäß den Programmvorgaben eine Relativbewegung ausführen. Es führt den Bearbeitungsprozess direkt aus.
3. Rückkopplungs- und Erkennungseinheit
Um die Stabilität des Bearbeitungsprozesses zu gewährleisten, sind CNC-Systeme üblicherweise mit Rückmeldeeinrichtungen ausgestattet, die den Bewegungszustand der Werkzeugmaschine überwachen.
Diese Rückmeldung wird an die Steuereinheit zurückgesendet, um festzustellen, ob die Werkzeugmaschine gemäß den Anweisungen arbeitet. Dies bildet die Grundlage für nachfolgende Anpassungen.
4. Abschnitt Mensch-Computer-Interaktion und Eingabe/Ausgabe
Die Mensch-Maschine-Schnittstelle ist das Fenster, durch das die Bediener mit dem CNC-System kommunizieren. Dazu gehören das Bedienfeld, die Anzeigeschnittstelle und die Programmeingabeschnittstelle.
Mithilfe dieser Geräte können die Bediener Programme aufrufen, den Status überprüfen und grundlegende Steuerungsvorgänge durchführen.
5. Werkzeugmaschinenkörper und Hilfssysteme
Das CNC-System arbeitet nicht autark; es muss mit dem Werkzeugmaschinenkörper und Hilfssystemen wie Kühlung und Schmierung zusammenarbeiten. Diese Komponenten bilden die physische Grundlage und die operative Unterstützung für die Befehlsausführung des CNC-Systems.
Insgesamt ist ein CNC-System kein einzelnes Bauteil, sondern ein kollaboratives Steuerungssystem.
Es verbindet das Bearbeitungsprogramm, die Steuerbefehle und die Aktionen der Werkzeugmaschine miteinander und legt damit den Grundstein für die nachfolgende Koordinatensteuerung und präzise Bewegung.
Koordinatensystem und Bewegungssteuerung von CNC-Werkzeugmaschinen
Um sicherzustellen, dass CNC-Werkzeugmaschinen die Daten gemäß dem Programm präzise verarbeiten können, müssen zunächst zwei Probleme gelöst werden:
- Wo wird es verarbeitet?
- Wie ziehe ich dorthin?
Genau darin liegt die Bedeutung von Koordinatensystemen und Bewegungssteuerung.
Koordinatensystem
CNC-Werkzeugmaschinen verwenden ein Koordinatensystem, um die Positionen des Schneidwerkzeugs und des Werkstücks zu bestimmen. Die Werkzeugmaschine selbst verfügt über ein festes Referenzkoordinatensystem, aber während der eigentlichen Bearbeitung werden zusätzlich entsprechende Bearbeitungskoordinaten anhand der Werkstückposition festgelegt.
Mit einem eindeutigen Koordinatenbezugssystem kann die Werkzeugmaschine Richtung, Entfernung und Endpunkt jeder Bewegung bestimmen.
Bewegungssteuerung
Das CNC-System steuert mithilfe eines Koordinatensystems jede Bewegungsachse gemäß den vorgegebenen Anweisungen. Die Bewegung jeder Achse ist das Ergebnis von Berechnungen und Koordination, wodurch sichergestellt wird, dass sich das Werkzeug entlang eines vorbestimmten Pfades bewegt und nicht willkürlich die Richtung ändert.
Mehrachsige Zusammenarbeit
Wenn die Bearbeitung gleichzeitige Bewegungen in mehrere Richtungen erfordert, koordiniert das CNC-System die Bewegung jeder Achse, um einen synchronen Betrieb zu gewährleisten. Durch diese koordinierte Steuerung kann die Werkzeugmaschine die Bearbeitung komplexer Formen wie gekrümmter Oberflächen und geneigter Ebenen durchführen.
Kontinuierliche Bewegung und Stabilität
Die Bewegung einer CNC-Werkzeugmaschine ist kein ruckartiger Vorgang („Schritt vorwärts-Stopp-vorwärts“), sondern ein kontinuierlicher und gleichmäßiger Prozess. Das System steuert Geschwindigkeitsänderungen während der gesamten Bewegung, reduziert Stöße und Vibrationen und gewährleistet so die Stabilität des Bearbeitungsprozesses.
Koordination zwischen Koordinaten und Bewegung
Dies kann wie folgt verstanden werden:
- Das Koordinatensystem ist dafür zuständig, der Werkzeugmaschine mitzuteilen, „wo sich das Ziel befindet“.
- Die Bewegungssteuerung ist dafür verantwortlich, zu entscheiden, „wie man dorthin gelangt“.
Die beiden Systeme arbeiten zusammen, um CNC-Werkzeugmaschinen die korrekte Ausrichtung und den genauen Bearbeitungspfad während der Bearbeitung zu ermöglichen und bieten damit eine grundlegende Garantie für das nachfolgende Schneiden und die präzise Steuerung.
Wie arbeiten die Schneidwerkzeuge und Werkstücke einer CNC-Werkzeugmaschine zusammen?
Bei der CNC-Bearbeitung erfolgt der eigentliche Schneidvorgang durch den direkten Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück.
Nur wenn beide Seiten einwandfrei zusammenarbeiten, kann die Verarbeitung stabil und präzise erfolgen.
Messerauswahl
Für unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben werden unterschiedliche Schneidwerkzeuge benötigt.
Bei der Bearbeitung von Formen, Bohrungen, Ebenen oder gekrümmten Oberflächen müssen Art, Größe und Struktur des Schneidwerkzeugs auf den Bearbeitungsinhalt abgestimmt sein. Gleichzeitig beeinflusst auch das Werkstückmaterial die Wahl des Schneidwerkzeugs – bei harten Werkstoffen ist Verschleißfestigkeit entscheidend, während bei weichen Werkstoffen Schärfe und Spanabfuhr im Vordergrund stehen.
Einfach ausgedrückt: Je teurer das Messer, desto besser; je besser das Messer geeignet ist, desto besser.
Werkstückklemmung
Das Werkstück muss während der Bearbeitung stabil bleiben; andernfalls kann selbst das präziseste Programm kein zufriedenstellendes Ergebnis garantieren.
Durch die Verwendung geeigneter Vorrichtungen wird das Werkstück fest auf der Werkzeugmaschine fixiert, und es wird eine klare Spannreferenz gewählt, um sicherzustellen, dass die Position des Werkstücks im Koordinatensystem der Werkzeugmaschine konstant bleibt.
Das Hauptziel der Einspannung ist eindeutig: Während des Bearbeitungsprozesses darf sich das Werkstück nicht bewegen, abweichen oder vibrieren.
Werkzeugeinstellung und Kompensation
Vor Beginn der Bearbeitung muss die Position des Werkzeugs relativ zum Werkstück überprüft werden.
Durch die Werkzeugeinstellung kann das CNC-System die Beziehung zwischen der Werkzeugspitze und dem Werkstückbezugspunkt „erkennen“ und somit die Maßvorgaben im Programm korrekt ausführen.
Bei Verwendung mehrerer Schneidwerkzeuge korrigiert das System automatisch die Längen- und Positionsunterschiede zwischen den verschiedenen Schneidwerkzeugen mithilfe der Werkzeugkompensationsfunktion, um die Kontinuität und Konsistenz der Bearbeitung zwischen den einzelnen Prozessschritten zu gewährleisten.
Bearbeitungsparameter
Die Zusammenarbeit zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück spiegelt sich nicht nur in deren Positionen, sondern auch im Schneidprozess wider.
Eine angemessene Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe ermöglichen es dem Werkzeug, das Werkstück gleichmäßig zu bearbeiten, Vibrationen und Verschleiß zu reduzieren und die Qualität der bearbeiteten Oberfläche zu gewährleisten.
Das Prinzip der Parametereinstellung besteht darin, weder das Schneidwerkzeug zu überlasten noch die Kapazität der Werkzeugmaschine zu verschwenden.
Kurzzusammenfassung
Bei CNC-Werkzeugmaschinen:
- Das Schneidwerkzeug bestimmt die Schneidmethode.
- Das Werkstück liefert das zu bearbeitende Objekt.
- Die Einstellung von Spannvorrichtungen, Werkzeugen und Parametern ist für die präzise Abstimmung zwischen den beiden Komponenten verantwortlich.
Werden diese Schritte effektiv koordiniert, kann die CNC-Bearbeitung stabil und effizient durchgeführt werden und legt damit den Grundstein für den nachfolgenden vollständigen Bearbeitungsprozess.
Beispiel eines kompletten Bearbeitungsprozesses für CNC-Werkzeugmaschinen
Um intuitiver zu verstehen, wie CNC-Werkzeugmaschinen „Programme“ in „fertige Produkte“ verwandeln, werden wir den gesamten Prozess anhand eines typischen CNC-Bearbeitungsablaufs kurz durchgehen.
1. Vorbereitung des Verarbeitungsprozesses
Ingenieure erstellen oder generieren CNC-Bearbeitungsprogramme auf Basis von Teilezeichnungen.
Das Programm definiert klar den Bearbeitungspfad, die Koordinatenposition, den Werkzeugaufruf und die grundlegenden Bearbeitungsparameter und liefert so eindeutige Ausführungsanweisungen für die Werkzeugmaschine.
Dieser Schritt legt fest, was verarbeitet werden muss und wie die Verarbeitung erfolgen soll.
2 : Werkstück einspannen und Referenzpunkt festlegen.
Befestigen Sie das Werkstück auf dem Maschinentisch oder der Vorrichtung, um eine stabile und zuverlässige Position zu gewährleisten.
Anschließend wird durch Werkzeugeinstellungsvorgänge ein Werkstückkoordinatensystem erstellt, das es dem CNC-System ermöglicht, die tatsächliche Position des Werkstücks in der Werkzeugmaschine genau zu bestimmen.
Kern dieses Schrittes ist die Zuordnung der Koordinaten im Programm zum tatsächlichen Werkstück.
3 : Die Schneidwerkzeuge montieren und ihren Zustand überprüfen.
Installieren Sie das entsprechende Schneidwerkzeug gemäß den Verfahrensanforderungen und vergewissern Sie sich, dass Werkzeugmodell, Länge und Zustand in Ordnung sind.
Wenn für die Bearbeitung mehrere Schneidwerkzeuge benötigt werden, sollten die Werkzeugkompensationseinstellungen im Voraus vorgenommen werden, um Maßabweichungen während der Bearbeitung zu vermeiden.
Dieser Schritt entscheidet darüber, ob der Schneidevorgang sicher und stabil ist.
4: Probebetrieb und formale Bearbeitung
Vor dem eigentlichen Schneidvorgang wird üblicherweise ein Trockenlauf oder eine Einzelschrittprüfung durchgeführt, um zu bestätigen, dass der Werkzeugweg und die Bewegungsrichtung korrekt sind.
Nachdem bestätigt wurde, dass alles korrekt ist, beginnt die Werkzeugmaschine automatisch gemäß dem Programm zu laufen und führt die Materialabtragung und Formbearbeitung durch.
Währenddessen überwacht das CNC-System kontinuierlich die Bewegung jeder Achse, um sicherzustellen, dass der Bearbeitungsprozess wie erwartet abläuft.
5: Abschluss der Bearbeitung und Inspektion
Nach der Bearbeitung wird das Werkstück entnommen und seine Abmessungen und sein Aussehen werden überprüft, um festzustellen, ob es den Konstruktionsvorgaben entspricht.
Werden Abweichungen festgestellt, können diese durch Anpassung des Programms oder der Parameter korrigiert werden, wodurch eine Grundlage für die nächste Optimierung der Verarbeitung geschaffen wird.
Kurzzusammenfassung
Ein vollständiger CNC-Bearbeitungsprozess folgt typischerweise dieser Abfolge: Programmierung → Einspannen → Werkzeugeinstellung → Probelauf → eigentliche Bearbeitung → Inspektion.
Das Verständnis dieses Prozesses hilft Anfängern, schnell ein allgemeines Verständnis der Funktionsweise von CNC-Werkzeugmaschinen zu entwickeln und legt zudem den Grundstein für ein tieferes Verständnis von Präzisionssteuerung, Bearbeitungsoptimierung und anderen verwandten Themen.